離心通風(fēng)機工作原理在水泥灌裝中的應(yīng)用研究

0 　引言 　　在一些特殊行業(yè)中，為了生產(chǎn)需要將會使用風(fēng)機原理，采用類似風(fēng)機的結(jié)構(gòu)，比如將要研究的灌裝粉末狀固體顆粒物體的過程。從能量觀點上講，它們并不像風(fēng)機一樣把原動機的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的勢能和動能。但是又離不開流體的作用，如果沒有流體混入，將可能導(dǎo)致無法讓物質(zhì)運動到目標(biāo)地點，比如水泥灌入水泥包裝袋的過程。為了更加形象，用水泥顆粒作代表來研究同類物質(zhì)的工作狀況。 　　這種很細(xì)的粉末狀顆粒，一般來說可以用固體輸送機械，也可以用氣體輸送機械來輸送它，這要根據(jù)具體的輸送環(huán)境、輸送條件和輸送需要來選擇。但是在灌裝過程，因為它的特殊性，以及工作條件的限制（小環(huán)境、密閉式、高速水平灌裝），實際生產(chǎn)中既不可以單一的用氣體工作原理，又不可以簡單的用固體工作原理來設(shè)計設(shè)備灌裝。小環(huán)境是為了減少工作面積，密閉是為了減少揚塵、改善工作條件、提高環(huán)境質(zhì)量、提率，高速是為了滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，實現(xiàn)率、低成本、大生產(chǎn)。在現(xiàn)代社會效率是企業(yè)生存的根本，低效企業(yè)的zui終命運就是被淘汰出市場。所以無論是使用還是設(shè)計都很有必要進行深層次的研究。 1 　氣體與固體輸送的不同 　　固體顆粒與氣體混合到一定比例，使顆粒所占的比例足夠小，就可以使用氣體輸送原理來輸送它，比如除塵風(fēng)機。或者使氣體壓力足夠大，也可以使用氣體輸送原理來輸送它，比如噴射泵。 　　因為水泥顆粒單個體積很小、質(zhì)量不大，很容易被氣體托起，所以如果把水泥顆粒以較小的比例混合在氣體里，就可以運用這兩種物體作介質(zhì)，輸送這種固體顆粒。 　　但是存在在有限的空間（水泥編織袋）里迅速把它們分離，使其在很短的時間內(nèi)灌入一定的質(zhì)量（比如 10s 內(nèi)灌入 50kg ）的問題。因為它們混合力很強，氣體在運送中占的比例太大。用這樣的方式會在袋子里充入太多的氣體，而固體顆粒進入量卻太少，袋子在承受著太大的壓力下，將容易破損，導(dǎo)致灌裝失敗。所以這種方式是不可取的。 　　然后再研究如果把水泥顆粒簡單的看作固體物質(zhì)作用會是什么情況：固體分子、顆粒之間的摩擦力、粘滯力是很大的，靜止時它們會緊固在一起；運動時，速度越大，顆粒之間的作用力越大，力的損失越大。雖然水泥在被粉磨之后已經(jīng)是很小的顆粒，相比而言單個個體間的接觸面積較小，但有無數(shù)個個體，各個個體之間的作用力加起來就很大了。 　　它們的重力都足以使顆粒間的自然空氣慢慢排出，使個體之間的接觸面積zui大化。給它們的壓力越大，空氣排出得越*，它們就粘得越緊，對力的損耗就越大。所以如果單純的把水泥顆粒當(dāng)固體來研究，在它們離開驅(qū)動機械后，這無數(shù)個顆粒之間的作用力很快損耗了它所得到的動能。加上空氣阻力的作用，這些顆粒馬上就偏離了正常的所需要的運動軌跡。 　　如果是在敞開的環(huán)境中，這些單個顆粒的質(zhì)量太小，會飄在空氣里一段時間，既污染環(huán)境又降低工作效率。為了避免出現(xiàn)這樣的情況，使它們zui快地到達水泥袋里，還應(yīng)該讓它們在一個密封的環(huán)境里面運動。 　　以上是從原理上研究所得出的理論結(jié)果：不能把這些顆粒運動用一種簡單的方式來實現(xiàn)，必須采用氣體和固體運動合成的方式。在實際使用中，如果只從一個方面研究問題，用單一的方法處理問題，就會導(dǎo)致在灌裝中質(zhì)量灌不夠、灌得慢、設(shè)備損耗快、效率低、環(huán)境差、成本高、質(zhì)量不穩(wěn)定、袋子破損大等各種各樣的情況出現(xiàn)。 2 　固體灌裝的理論實現(xiàn) 　　為了達到、高速、環(huán)保、低成本、低磨損、低破損、準(zhǔn)確穩(wěn)定的質(zhì)量，就要把各種條件都考慮進去，引入氣體作介質(zhì)，使其既具有固體運動的特性，又具有氣體運動的特性，這就是風(fēng)機原理在顆粒狀物體灌裝中的應(yīng)用。 　　從上面的分析已經(jīng)知道，無論是把這些顆粒當(dāng)流體還是把它們當(dāng)固體來灌裝在生產(chǎn)中都存在明顯的困難，不能滿足生產(chǎn)條件和生產(chǎn)要求的需要。所以應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)姆椒ǎ瑴p小顆粒之間的作用力，在得到動能后保持慣性運動到達目標(biāo)點。為了實現(xiàn)這個要求，就需要引入一定壓強的高壓空氣使其迅速與顆粒混合，減小顆粒間的接觸面積，降低顆粒間的相互作用力。 　　同時為了在進入水泥包裝袋后能夠迅速把氣體和固體分離，排出氣體，使袋子用zui大的空間容納顆粒，保證在有限的空間、有限的時間內(nèi)灌夠需要灌入的質(zhì)量，還要求水泥編織袋在保證強度和不使水泥顆粒漏出的情況下具備zui大的透氣性，以及在保證灌裝能力的情況下zui小的入氣量。 　　在引入高壓空氣后，就可以引用風(fēng)機的一些原理來分析水泥顆粒的工作狀況，采用風(fēng)機的一些外形結(jié)構(gòu)來達到灌裝水泥顆粒這種固體顆粒的目的。 　　從以上的分析研究可以總結(jié)出，把這些小顆粒在有限的空間、有限的時間內(nèi)把一定質(zhì)量的水泥裝入水泥袋的工作條件：混入適度的高壓空氣、在密封的環(huán)境里、依靠驅(qū)動機械使顆粒離開機械后保持運動。 3 　外部結(jié)構(gòu)研究 　　現(xiàn)在圍繞這 3 個要求進行研究，以得到良好的灌裝效果。混入高壓空氣是zui容易實現(xiàn)的，只需要用氣管把高壓空氣在灌料時送入料倉底部，就可以實現(xiàn)快速混合氣體。 　　為了讓水泥顆粒不飄揚到空中污染環(huán)境、提高灌裝效率，要讓它從進入料倉到到zui后袋子封口都不能外瀉。采用風(fēng)機的結(jié)構(gòu)，在進入料倉和出料倉這個過程保證密封，只需要保證進入口和出口，其它地方全部密閉。用一個出料嘴作為過渡裝置，通過袋子*的通口插入袋子內(nèi)部，推袋時自動退出，依靠袋的內(nèi)壓作用使通口自動回封，堵住通口。 　　考慮到結(jié)構(gòu)和空間的需要，更好的利用自壓，采用頂部進料，下側(cè)出料的進出料方式，見圖 1 。 4 　內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究 　　研究重點放在如何使驅(qū)動機械驅(qū)動顆粒，在離開機械后讓顆粒保持*的運動軌跡和速度上。 　　為了滿足空間和連續(xù)性的需要，采用風(fēng)機葉片高速旋轉(zhuǎn)帶動物料運動，脫離葉片后在慣性的作用下繼續(xù)運動的方式，讓顆粒離開料倉進入袋子。這在結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式上類似于風(fēng)機，但是顆粒運動原理卻不同于風(fēng)機里氣體的運動原理，能量轉(zhuǎn)換也不相同。 　　由于兩種物體混合在一起，混合比例在不斷變化之中，物質(zhì)運動混亂復(fù)雜，各項指標(biāo)都不穩(wěn)定，所以風(fēng)機的流量、壓力、功率和效率等指標(biāo)和計算公式都不能在這里使用，這也是這個領(lǐng)域研究比較困難的原因。在這里只是作原理上的研究，不作具體的公式和數(shù)字分析。

現(xiàn)在參考離心通風(fēng)機的工作原理來作研究，以得出葉片的實際的結(jié)構(gòu)。風(fēng)機的葉片有前向、后向、徑向 3 種，用 βb2 角表示。 　　離心通風(fēng)機在不同 βb2 下的出口速度圖。 βb2 角對風(fēng)機的壓力、功率和效率有很大的影響。從葉片形狀看后向型流道較平滑，流動時阻力損失小；前向型流道不好，阻力損失大。從速度圖看，后向型 c2 uzui小，反作用度值zui大，故后向葉輪的效率高，前向葉輪的效率低。 　　當(dāng)風(fēng)機的流量增大時，前向風(fēng)機的功率急劇增大，后向風(fēng)機增加緩慢。所以前向風(fēng)機易負(fù)荷而燒壞電機 。 　　這兩種情況在研究的對象上也是基本一致的：當(dāng)出料口阻塞或者顆粒回流等固體的比例密度增大時，前向風(fēng)機功率增大極快，傳動帶很快磨損燒壞，電機經(jīng)常被燒毀。由于開始的時候研究不到位，這個問題頻繁的出現(xiàn)在實際工作中。 　　風(fēng)機是靠吸入空氣，改變壓力來工作的。但是在這里自然空氣很難進入料倉，葉片高速運動不能形成風(fēng)機工作所產(chǎn)生的空氣壓力，顆粒得到動能后做慣性運動。 　　如何才能使這些顆粒在離開葉片后減小相互間的碰撞摩擦、損耗能量，以zui簡單、*的運動軌跡離開葉輪倉，進入袋子，這在引入高壓空氣后還要求葉片有*的形狀和角度：葉片形狀要簡單（越簡單顆粒的運動軌跡越單一，相互間碰撞的可能性越小。這和氣體或者液體靠相互間壓力的作用運動有根本性的不同，結(jié)構(gòu)要求和風(fēng)機也就剛好相反）。為使各個顆粒受力、運動軌跡基本平行，相互間接觸的可能性較小，相互間作用力也就較小，更好地排出料，葉片成直板狀效果*，葉面能和出口垂直切面平行。 　　由于出料口不能太大，且圓形出口效率zui高，所以要求葉片尺寸形狀和料嘴出口（料嘴直徑看實際要求決定）基本一致，才能保證能量得到有效利用，提率。如果葉片大于出口，容易造成回料；如果小于出口，容易導(dǎo)致出料管空出，均會降低效率。 　　根據(jù)以上分析，得出實際結(jié)構(gòu)圖，見圖 1 。

上端是料的入口，左下側(cè)的圓形管是料的出口，葉片平均分布在圓的周圍，與出口垂直切面平行（圖中葉片用一片代表）。 5　 效率分析 　　現(xiàn)在分析葉片與出口垂直切面平行時的出口速度和顆粒在出料管中的運動路線，見圖 2 。

這是后向型葉片的顆粒出口速度圖，可以看出 c2 幾乎與出口中心線平行，假設(shè)在運動中能保持理想狀況沒有重力和空氣阻力的作用，那么就將保持這個速度到終點。顆粒就不會跑到管壁上，然后再反彈回來，與正常運動顆粒的沖撞，損耗能量。 　　徑向型的 c2 方向和后向型的 u2 差不多，有大量料跑到管壁上，有部分回料；前向型的 c2 方向更偏向圓切面，大量的料跑到管壁上，大量的料回流，這些回料向上沖，干擾了上部的入料，而進入管道的料很少。 　　從上面的對比很顯然地看出：后向型回料zui少，料的運動軌跡，能量損失zui少，灌裝速度zui快，效率zui高；前向型回料zui多，料的運動軌跡zui差，能量損失zui大，灌裝速度zui慢，效率zui低；徑向型介于兩者之間。這是在理想狀態(tài)（沒有重力、沒有空氣阻力、顆粒間存在一定的距離）下所得到的結(jié)果，可以作為實際選擇的參考。 　　流量與葉輪直徑、葉輪圓周速度以及葉輪寬度成正比，具體按實際需要來確定。 6　 結(jié)論 　　從以上的研究可以看到在顆粒狀物體的灌裝研究中，可以參照風(fēng)機的一些結(jié)構(gòu)和工作原理，利用它們的共性，區(qū)別它們的差異性，zui終得出正確有用的結(jié)果，成功地設(shè)計出*結(jié)構(gòu)。 　　氣體壓力的引入和葉片形狀方向的選擇是構(gòu)成的關(guān)鍵，直接決定了灌入能力和效率。引入可調(diào)整的高壓氣體，采用后向型葉片可保證良好的灌入效果和效率，減少電機燒毀，降低能耗。