气力输送的现状、进展与展望外文翻译资料

 2022-08-08 14:50:54

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气力输送的现状、进展与展望

摘要：本文对国内外气力输送的现状进行了广泛而深入的背景回顾，以供从事气力输送新研究的人们参考。本文章概要旨在为研究人员确定研究领域中仍需解决的问题和差距。

关键词：气力输送；稀相；密相；静电学；辅助部件

1.介绍

气力输送是一项广泛应用的技术，涉及固体加工的所有分支，从采矿到食品再到塑料。固体加工行业估计，到2025年，输送系统市场将增长到300亿美元[1]

1.1输送用颗粒的特性

在考虑一种给定的材料是否应该用气动方式输送之前，必须了解这种材料的特性和许多特性。不花时间了解这些特性可能会导致多个操作困难。在考虑气动运输应用之前，应评估以下特性信息：

bull;平均粒径和粒径分布

bull;颗粒百分比b200mu;m

bull;粘性特性评估

bull;含水量

bull;颗粒的真实密度和体积密度

bull;材料供应商和产品一致性

1.2应用

如前所述，气力输送广泛应用于各种行业，用于输送以下产品：煤炭、铁矿石、氧化铝和铝土矿、塑料颗粒和粉末、面粉、糖、狗粮和其他。

虽然这种系统比机械式输送机更容易应用，成本效益更高，但创造最佳运行条件是一个完全不同的问题。如果不对粒子和粉末运动的基本物理和力学给予足够的重视，就很难确保其可靠性。

1.3优势

bull;降低初始成本

bull;干净，完全封闭

bull;易于自动化

bull;批量运输的节约

bull;减少维护

1.4缺点

bull;需要更高的马力

bull;需要更复杂的技术来操作

bull;管道腐蚀

2. 稀相气力输送

自1924年以来，稀相气力输送已被记录在文献中，从Gasterstadt的工作开始[2]。这项技术很可能在那之前就已经在工业上应用了，因为把组件组装起来相当简单。系统中最关键的部分是空气移动器，它使用鼓风机，尽管也可以使用高压压缩机。罗茨风机[3]实际上可以追溯到19世纪中期，其文献可追溯到近100年前，稀相气力输送领域丰富多彩，有许多基础和实践研究。例如，简单的真空吸尘器的出现，使人们能够快速组装一个系统，很容易通过过滤器和旋风器收集颗粒。Klinging[4]详细回顾了这项技术的历史，指出它在欧洲、日本和美国的发展。从采矿、食品加工到化学品和塑料，在许多不同的行业都有应用。稀相输送在能源工业中也非常普遍，用于处理煤和飞灰。现在的问题是，既然我们已经有了这方面的大量文献，是否还有更多的发展和研究的空间？表面上，人们可能认为稀相气力输送是众所周知的，在某些方面，对于简单的设计也是如此。不过，答案是响亮的肯定。各种现象之间的相互作用继续引起问题，使稀相转移和浓相转移一样具有挑战性。在这些现象中，静电效应、传热和独特的粉末特性仍然是设计和操作任务中的难点。在分析和更先进的计算机模拟的出现，我们现在可以更准确地集中在稀相输送的基本物理。我们仍然缺乏一些非常基本的知识来说明粒子是如何单独或成组地移动和与自身及其封闭环境相互作用的。我们现在可以轻松地利用高速视频[5–8]来分析这种运输系统的运动和动力学，这可以提供比以前分析工具更准确的基本物理发现。人们可以回顾许多发现，这些发现大体上是通过经验方法来预测输送操作中的能量损失的。这就引出了一个问题：如何设计一个最佳的系统，使用最少的能源，仍然可以保证运行的可靠性。人们发现，旧的系统设计浪费了能源，因为用户只关心系统是否能将材料从a点移动到B点。这一理念在建造大库里和胡佛大坝的水泥输送中得到了强烈的证明[9]。用新的分析工具再次关注基础知识，将为设计者和模拟器提供更真实的分析。

计算方法

随着气动输送在固体加工其他领域的发展，对气动输送的计算建模和仿真的研究也在继续。例如，计算流体力学和离散元建模已经被单独使用，并相互结合使用。这些模型确实有一些假设，其中最大的一个是固体-气体和固体-固体相互作用的摩擦行为的适当名称，它们与自身和封闭容器相互作用。以图形方式显示整体压降和速度分布的结果似乎与文献中记录的实验数据一致。虽然这是令人鼓舞的，但仍然需要新的研究来更好地理解这类系统的基本物理。精心设计的新实验可以给我们提供洞察，我们需要继续解决这些现象。我们应该首先回顾过去几年探索的一些发现，特别是俞敏洪及其同事的工作[10–15]。人们还应该回顾Tsuji等人[16]、Sommerfeld和Zivkovic[17]以及Sommerfeld[18]的著作。这些研究人员对气力输送进行了逼真的建模。

Tsuji[16]对固体处理（包括气力输送）相关的计算活动进行了极好的总结。他指出，这些计算可分为以下四类：颗粒-气体多相流；根据数值分析进行分类；使用直接模拟蒙特卡罗方法（DSMC）进行碰撞主导流；使用离散元方法（DEM）进行接触主导流。在颗粒-气体多相流中，气体和颗粒之间发生质量、动量和能量的交换。稀相流只有颗粒-气体相互作用，而密相流也有颗粒-颗粒相互作用。

对于离散元法（DEM），弹性碰撞和非弹性碰撞控制着流动，并存在于密相流动中。Tsuji从微观尺度考虑单个粒子的运动，从中尺度考虑局部区域的运动，从宏观尺度考虑系统的运动，包括轨迹层次、连续介质模型、一维视角和多维视角。同一尺度序列中的流体运动不仅考虑单个粒子周围的流动，还考虑局部平均和一维、二维流动。

对于密相气力输送，考虑了中等浓度固体的碰撞主导流动。接触控制流考虑作用在颗粒上的阻力和重力，以及它们如何与流体速度相互作用以产生相应的颗粒速度。硬球和软球模型均可用于阻尼振动分析。这些程序可应用于密相输送。

Theuerkauf等人[19]对使用离散元法（DEM）模拟颗粒流进行了很好的总结。虽然实验集中在料仓、料斗、给料机和混合器上，但基本技术也应用于其他领域，包括气力输送。研究人员预计，在未来10年内，DEM将成为设计固体加工系统的建模工具的一个组成部分。他们将这些方法分解为软球和硬球模型，如Tsuji所建议的那样。在使用软球模型时，应该记住几个重要的概念，软球模型从牛顿运动定律开始，包括平移力和旋转力。同时，硬球方法是事件驱动的。在这种方法中，粒子碰撞被假定为二元和瞬时的。计算基于冲量和动量传递，能量耗散由恢复系数计算。

研究人员已经用现代计算技术对密相输送进行了大量的模拟。总的来说，气动输送的计算方法保持了这一研究领域的进展，但它们也告诉我们，要取得有意义的进展，还需要更深入地了解基础物理。

弯管

在气力输送系统中，弯管的存在是不可避免的，因为人们从来没有运行长而直的水平或垂直线的奢侈。气力输送和单相流都会发生能量损失，对于具有多个弯管的短系统，这种能量损失可能是输送的主要能量需求。对于长距离系统，弯曲对能量需求的贡献不是很显著，通常可以忽略不计。弯曲的整个领域都得到了广泛的研究，而且常常会产生相互矛盾的结果。因此，在回顾文献时必须小心，以确保研究人员已经对整个弯曲影响进行了压降测量，有时弯曲后需要长距离的管道才能使粒子恢复到稳定状态。弯管在流动状态下引入二次流，在流体、颗粒和管壁之间产生复杂的相互作用。在湍流和弯管引入的二次流的驱动下，当管道中产生颗粒绳时，有时会出现强烈的二次流。输送系统中采用了许多独特的弯管设计，旨在减少管道的腐蚀和颗粒的磨损，并努力降低压降，从而降低能源需求。在气力输送和弯管的使用中，一个重要的因素是要注意设计中插入弯管的数量，特别是背靠背弯管，这通常会使能量损失增加一倍以上，并导致系统中的管路堵塞。在加工厂，人们经常会看到临时修复弯曲问题，利用磨损回安排。对于气力输送中使用的弯管的全面审查，请注意Dhodapkar等人的工作[20]。

理想的输送系统是管道中不含任何弯管的输送系统。然而，这是非常不切实际的，因此我们面临着解决弯曲问题正面。对于长距离输送，弯管的影响相对较小，但对于短程输送，弯管压力损失可以控制能量损失。

重力对气力输送的影响

在回顾垂直和水平气力输送所涉及的力时，我们发现每种情况都有相同的力，但重要程度不同。我们经常假设模型可以通过将这些力线性地加在一起来建立，这在大多数情况下都是有效的。然而，一个问题是，随着流动变得越来越密集，相互作用是否可能是非线性的。Muschelknautz[21]在失重环境中对气力输送进行了一些有趣的测量，试图对摩擦项进行分类，在失重环境中，重力效应可以消除，系统的摩擦行为导致的能量损失也很明显。虽然取得了少量的数据，但仍然建立了一个模型。这些实验是在美国宇航局的航天飞机上进行的。随着时间的推移，美国宇航局与许多不同的研究人员对固体运动的引力效应进行了更多的测试。Sullivan[22]和Sullivan等人[23]利用一架地面飞机在几分钟内产生不同的重力效应，得出了最小流化速度以及吸合和跳跃速度。最近的一些实验使用了美国宇航局的飞机在降低重力抛物线模式下飞行，Mueller等人[24]，Mantovani和Townsend[25]。这些实验有助于阐明行星风化层气力输送的参数。他们开发了一种用于飞机的闭环系统。采用了一种新型给料机将固体输送到系统中。在重力为1g和1/6g的情况下，成功地将物料垂直输送至1.52m的高度。输送后使用旋风分离器收集固体。

随着美国太空计划的推进，最终将在其他卫星和行星上进行建造作业。我们现在的基本数据将为这些未来的发展提供坚实的基础。

静电学现状

多年来，静电对工业产生了巨大的、有时甚至是灾难性的影响，特别是在面粉和谷物处理行业。这些影响可以追溯到16世纪意大利一家面粉厂的历史，一期《科学美国人》杂志报道了一场有据可查的灾难。其他事件可以追溯到多年来在一些行业的粉末处理。就在2014年，中国一家制粉厂发生了一起戏剧性的致命爆炸。对这些事件进行的尸检显示，最重要的因素之一是工厂缺乏清洁度，而且其内务管理不善。如果存在正确的火源和氧气水平，整个核电站内粉末沉积物的存在将使该核电站成为爆炸的主要候选。

在所有固体加工操作中，气力输送是系统中产生静电最多的操作。

粒子与自身和系统管道之间的相互作用是多种多样的，每种粒子都具有转移静电电荷的能力，这取决于材料类型、形状、操作湿度和管道特性。了解静电学的基本原理仍然是研究人员面临的挑战，许多实验很难重现。解决气力输送中静电问题的两个要点是输送气体的相对湿度和要求整个系统及其部件接地或由导电材料（如导电聚合物）制成。当存在静电荷时，人们会发现系统的行为会不稳定，尤其是在发生放电时。这在非导电管道中的垂直流动中最为显著。

静电学的基础研究的目的是将静电学中的基本电荷转移操作与气力输送现象的产生更紧密地联系起来。文献中提出了不同材料的电动式顺序，并对其进行了测试，以确认顺序和对气力输送的影响，例如这些系统中能量损失的增加以及在工业规模操作中使用和消除电荷的可能性。

静电学的研究由来已久，最早是1672年由马格德堡的De Guericke[26]记录的，他使用旋转的硫球来产生静电。在这些最初记录的实验之后，法国的阿贝·诺莱（Abbe Nollet）[27]于1745年出版了一本书，书名为《引起电现象的特殊原因》（Recherches sur les causes particulieres des phenomenes electriques）。这本书记录了静电学在植物、动物和人类中的广泛应用。这本书的一些原始副本仍然存在于世界各地的图书馆，但这本书现在也可以在扫描副本通过密歇根大学。1752年，本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）[28]出版了他的书，书名为《电工的经验与观察》。这本书突出了富兰克林对闪电的研究。与此同时，英国的约瑟夫·普里斯特利（Joseph Priestly）出版了他的书[29]，“电力的历史和现状”。这本书在1966年由约翰逊再版公司再版，现在可以广泛阅读。京都大学的Masuda[30]和他的同事进行了更现代的实验工作。这些实验探索了不同表面之间的基本电荷转移，并评估了使用或消除这些电荷的可能性。Klinging和他的学生[31]对静电对气力输送中总能量损失的影响进行了一些基础研究。最

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