水平管内湿颗粒空气输送的实验研究(双科,徐旭常,王光谦,高桥弘)

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水平管内湿颗粒空气输送的实验研究

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双科1徐旭常1王光谦1高桥弘2
6h v8deU4V$[!N0(1.清华大学;2.日本东北大学)

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摘要:固体物料采用浆体管道输送的情况下,本文提出了一种节约管道输送用水的湿颗粒空气输送方法。用管径为25.4mm和30mm,粒径为0.99mm、1.9mm和2.9mm的安山岩碎石,分别进行了输送实验。实验结果表明, 湿颗粒空气输送的压降,与相同输送情况下固体物料水力输送压降相比,压降降低程度显著。同时,通过沉积界限速度的测定,确定了湿颗粒空气输送速度的范围。

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关键词:湿颗粒;空气输送;沉积界限速度;压降;气 液 固三相栓流基金项目:本课题得到留学回国人员科研资助费的资助。

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作者简介:刘双科(1962-),男,现在北京科技大学热能系。
#]bdo1^?M$Q2VDG0收稿日期:2000-06-06
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1 引言水利论文t^w s3V8O2_y

  浆体管道输送作为输送固体物料的方式,对浆体有一定的要求:一是浆体有较好的流动性,在一定流速下使管道运输的压降或能耗较小;二是浆体有较好的稳定性,能在较低的输送速度下保持固体颗粒的悬移运动而不堵管。这两点关系到管道输送系统的经济性和稳定性。在含粗颗粒的浆体管道输送中,输送速度一般地应设定在大于管内沉积速度的范围。近年,为了提高在单位时间内物料输送效率及降低输送系统物料的前后处理费用,如粉碎费和脱水费等,大颗粒高浓度浆体输送的想法应运而生。但是,采用高浓度浆体输送时,随着高浓度浆体体积浓度的增加输送阻力急剧增加等问题难以解决。因此, 都田昌之等人[1]进行了气液两相流输送固体颗粒的尝试,其研究结果表明,在输送速度大于沉积速度的流速范围内,气 液 固三相流输送的压降几乎都高于固液两相流的压降。但是,高桥弘等人[2]在气液两相流输送固体颗粒的研究中发现,气 液 固三相流在输送速度小于沉积速度,而大于沉积界限速度的范围内,不仅不会堵管而且有较好的流动稳定性,其输送压降明显比相同输送条件下的固 液两相流的压降低。这一研究结果,不仅有力的支持了采用气液两相流输送固体颗粒的想法,而且为大颗粒高浓度浆体输送提供了可行的方法。

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  河流、水库的淤砂疏浚,以及煤炭、矿石等的运输,在采用浆体管道输送时,一般都需要大量的输送用水。随着我国水资源利用程度的急速增长,水资源不足的问题愈加突出。在管道输送用水不能循环利用的长距离管道浆体输送中,保证管道输送系统的经济性和稳定性的前提下,如何节约管道输送用水已成为我国浆体输送研究和应用方面必须考虑的问题[3]

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  本文在气液两相流输送固体颗粒的研究中,采用在加大空气流量的同时减少水流量的方法,使管内的流动呈现湿颗粒空气输送的流动状态。在对湿颗粒空气输送状态进行观察的基础上,对水平管内湿颗粒空气输送的压降和沉积界限速度进行了研究。水利论文Ri4O:yD"zx:@(w

2 实验设备及方法水利论文\v Hf7A7z v @l v

2.1 实验设备水利论文A9v C&MIQ/jn

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图1 实验装置简图
c1} h}~e-}0Fig.1 Sketch of experimental equipment

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  图1是实验采用的装置简图。实验系统由气 液 固三相混合制浆系统,供气系统,冷却系统等组成。测试管使用了长为7.5m,内径分别为25.4mm和30mm的透明圆管,给料仓为0.25m3的密闭容器,颗粒供给量由给料仓下部的阀门控制。在管路的两个位置设置了冷却装置,一是在搅拌槽内的冷却管系统,二是采用了试验流体与冷却水对向流动的两重圆管热交换器,从而保持了流体温度不变。空气通过直径为20mm的单一孔注入管内。颗粒的运动状态是通过充满清水的透明四棱柱体进行观察,观察窗设置在测试管距离空气注入地点下流方向420倍管径的位置。实验中采用眼睛观察、照相和高速摄影方法对管内流动状态进行了观察;其中,堆积界限速度的测定主要是根据眼睛观察决定的。

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  实验中使用的颗粒是平均直径为0.99mm、1.9mm和2.9mm的安山岩碎石。为了便于观察颗粒运动行为,实验用颗粒中2%~3%涂有白色,作为示踪颗粒。表1是颗粒的物理参数。水利论文b"b&w$f5SA8WN\

表1 颗粒的物理参数水利论文DD9cra&x
Table 1 Physical properties of particles

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种类名称粒径(mm)表观密度(kg/m3)终端速度(m/s)颗粒雷诺数(-)阻力系数(-)

10.990.111052.03
2安山岩碎石1.9927400.162661.75
32.990.205061.65

2.2 实验方法

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  本实验开始,调节颗粒供给装置下部的阀门和泵的转速以设定所要的颗粒和水的流量,同时注入空气使管内颗粒流动化,并呈现大气泡段管底伴有一时静止的沉积层,而紧跟在大气泡后面的固液团状物内的颗粒为悬浮运动的状态后;稳定空气流量的同时逐渐减少水流量,直到大气泡段管底呈现伴有一时静止的湿颗粒堆积层,而紧跟在大气泡后面的固液团状物内的颗粒仍为悬浮运动的状态时,开始对管内流动状态进行观察和对有关参数进行测量。这时的管内流动状态,即伴有一时静止的湿颗粒堆积层的气 液 固三相栓流状态,本文称为湿颗粒空气输送流动状态。水利论文~u9?1f-{ { `F(j

  实验中,判断管内是否是湿颗粒空气输送流动状态的方法是,利用分流管进行瞬时切换,使管内各相流体静止后,比较管内湿颗粒堆积层高度和液面高度,如果管内液面高度明显低于湿颗粒堆积层高度,则认为管内是湿颗粒空气输送流动状态。

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3 实验结果及讨论水利论文D$z^6g d.B0z

3.1 湿颗粒空气输送系统管内流动状态水利论文E-}&z7v,@#LX

  本实验利用眼睛观察、照相和高速摄影方法,对湿颗粒空气输送系统管内颗粒的流动和水面波动情况进行了观察。图2是湿颗粒空气输送系统管内流动状态的高速摄影图像以及相应的示意图,其中,图2中(A)、(B)、(C)和(D)是粒径为2.9mm,吐出体积浓度为8%,固液的表观速度和空气表观速度分别为0.6m/s和1.6m/s时,管内呈现有一时静止湿颗粒堆积层的大气泡段,和大气泡后面有悬浮颗粒运动的固液团状体两者进行相互交替流动的高速摄像图像的打印图,从这个打印图上难以分辨管内的液面存在和变化,但在实验过程和再生图像资料中管内液面变化清晰可辩;图2中(a)、(b)、(c)和(d)图是根据录制的高速摄像图像、照片及眼睛观察的结果获得的示意图。图中(A)和(a)所示,是大气泡流过时的管内各相的状态,其中管上部是正在经过的大气泡;管下部是一时静止的湿颗粒堆积层, 而且湿颗粒堆积层内的含水水面高度明显低于湿颗粒堆积层的高度。图中(B)和(b)所示,是大气泡流过后,紧跟在气泡后面的固液团状体开始通过时的管内状态。如图2(b)所示,原来低于颗粒堆积层高度的近于水平的水面,由于气液界面产生的界面波使管内的液体形成了波峰和波谷,液体波峰充满了管断面

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图2 湿颗粒空气输送系统管内流动状态
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Fig.2 Behaviors of particles in wet-particle gas transport水利论文}{ x$^)i"h9J

成了固液团状体,而且固液团状体内颗粒呈悬浮运动。固液团状体前端的颗粒之所能从静止堆积状态瞬时被加速成为悬浮运动状态,正如都田昌之等人[2]及刘双科等人[4]指出的是由于大气泡尾涡的搅拌作用所致。图2(b)中箭头代表尾涡旋转方向。图中2(C)和(c)与(D)和(d)所示,分别是固液团状体经过和经过后,大气泡再次流过时的情况。从上述观察结果表明,颗粒运动呈现周期性运动,即静止 加速 悬浮运动 再次静止。

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3.2 湿颗粒空气输送的压降

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  图3是粒径和浓度分别为2.9mm和5%的湿颗粒空气输送与固 液两相流压降实验值的比较图。图中的方形符号表示空气表观流速为1.6m/s时的气 液 固三相流的压降的实验值,其中涂成黑色的方形符号是管内输送状态为湿颗粒空气输送范围内的压降实验值。图3的实验范围内的结果表明:在相同输送条件下,以固-液两相流的沉积速度为参照,在大于沉积速度的流动范围压入空气,管内的流动状态呈现为气 液 固三相栓流,其压降随着空气流量的增大而增大,这一流动范围的结果与都田昌之等人[1]研究结果相同;在小于沉积速度的流动范围压入空气,管内的流动状态呈现为大气泡段有一时静止的沉积层,而固液团状物内为滑移层或者悬浮流动的湿颗粒空气输送,这时的压降比相同条件下的固 液两相流低。水利论文9S'U;qbM

  图4所示,是固液表观流速为0.55~0.67m/s时的湿颗粒空气输送压降的实验值与颗粒空气输送压降的计算值的比较。图中的实线是通过颗粒空气输送模型中有代表性的Tuji[5]的固 气两相流模型计算的压降值,其计算公式如下水利论文 j$Hq nr,w

ΔPSG=1/2ρGV2GG+2m/F2rtE20/1-E0)(1)
λG=0.3164(DVGG)-0.25(2)

Vt=4.67

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(3)

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(4)

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VG

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  式中 ΔP代表压降,SG和G分别代表固气混合流体和气体。m、ρG、ρS和Frt分别是固气混合比、气体密度、颗粒密度和弗劳德数。VG和Vt分别是空气流速和颗粒浮游流动速度;λG和γG分别是管摩擦系数和空气的动粘度;Eo是VG和Vt的比。图4中的实验结果与Tuji模型的计算结果的比较表明,在相同条件下,湿颗粒空气输送的压降也明显比颗粒空气输送的压降低。

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3.3 湿颗粒空气输送的沉积界限速度

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  本文湿颗粒空气输送的沉积界限速度仍采用固液两相流沉积界限速度的定义,即在一定的气、液相表观流速下,颗粒在管底部开始出现沉积层时的管内气相和液相的表观速度称为沉积界限速度[2], 沉积界限速度由(6)式计算

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Vl=VSL+VG水利论文2Q4V+t!|Sc$T&I

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图3 湿颗粒空气输送与固 液两相流的压降比较
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Fig.3 Compare pressure loss wet-particle air transportation with siolid-liquid two phase flow

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图4 湿颗粒空气输送与颗粒空气输送的压降比较
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Fig.4 Compare pressure loss wet-particle air transportation with particle air transportation

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  式中Vl是沉积界限速度,VSL和VG分别是固液流体和空气的表观流速。在湿颗粒空气输送实验中水的流量设定在很小的范围,并保持水的表观速度一定的情况下,对湿颗粒空气输送系统管内沉积界限速度进行了测量。图5是体积浓度为21.7%,粒径分别为0.99mm、1。9mm和2.9mm的沉积界限速度实验值。如图中所示,同一种粒径的沉积界限速度的变化趋势表明,如果减少液体流量,就必须增加气体的流量;如果增加固液流量就必须减少气体的流量,只有这样才能保持管内颗粒的沉积界限状态。如图所示,由沉积界限速度的实验点获得近似直线和两个坐标轴组成的三角区域,是有可能引起管路堵塞的不稳定区域,因此稳定的输送速度选择应在沉积界限速度的实验点获得近似直线的右上方区域。水利论文q CU'@ ^'Q-}

4 结论

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图5 湿颗粒空气输送的沉积界限速度水利论文!H#oE*^s&v^
Fig.5 Limit deposit velocity of wet-particle gas transport水利论文(Xj O tRKf

  本文通过对水平管内湿颗粒空气输送的实验研究,得出了下面的结论:水利论文'jK!@)v.y:tfm

  (1)湿颗粒空气输送管内的颗粒运动呈现周期性运动,即静止 加速 悬浮运动 再静止。水利论文E1e5a"f r

  (2)湿颗粒空气输送方法与通常采用的水力输送或空气输送方法相比,压降降低显著,流动不稳定区域减小。水利论文znp5w8v:kR_%u

  (3)湿颗粒空气输送方法是一种节水型既经济又稳定的气液两相输送固体颗粒的较好方式,而且在输送系统物料的前后处理方面有显著优点。

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参 考 文 献

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[1] 都田昌之等。水平管内气 液 固三相流的压降。日本化学工学论文集。1978,4(1), pp.55~62.水利论文:z|]?wE5@;xy

[2] 高桥弘,刘双科,益山忠,松岗功。水平管内气 液 固三相流沉积速度的实验研究。日本资源·素材,1996,111(12),pp.855~860.

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[3] 费祥俊。高含沙水流长距离输沙机理应用。泥砂研究,1998,(3),pp.55~61。水利论文%d'}Cu H.{

[4] 刘双科,高桥弘。水平管内气 液 固三相流颗粒运动行为的研究。日本水工学论文集,1996, 40卷,pp.825~830.

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[5] Tuji.空气的输送基础。日本:养贤堂出版,1984.水利论文-Q[RzR+Ya.q9Rc

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