生物质螺旋输送轴及其扩展部分.docx

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生物质螺旋输送轴及其扩展部分

生物质螺旋输送轴及其扩展部分

戴建军约翰.格雷斯

摘要

生物质利用的关键是物料输送的成功，但输送的困难取决于物质的不均匀性，物理特性和水分的微粒含量。

本研究的目的是确定堵塞机制，堵塞密封的圆锥和扩展部分的作用。

木粒，锯末，猪饲料的输送是一种螺旋给料机/锁斗系统。

实验结果表明，圆锥和扩展部分随着增加扭矩要求同时改进插头密封装置，其性能取决于生物质物理性质和螺旋给料机的特点。

1.引言

利用生物质原料中的能量产生热能，动力，液体燃料和氢，以及减少温室气体排放，在世界范围内不断增加。

生物质利用过程，包括直接燃烧，气化和热解，已发展多年。

一个关键问题是如何控制进入反应堆的物料量。

生物质利用的主要问题是输送的堵塞，堵塞密封失效的反应堆。

燃料输送问题常常阻碍机器的顺利运作。

如果反应器工作在高压或高温的条件下，建立可靠的输送有了更多的挑战。

输送问题往往阻碍机器顺利运作。

这样作为平均粒径，粒径分布，形状，表面颗粒特性粗糙度（如光滑，粗糙或锋利的边缘），密度，含水率内容，压缩性，柔韧性都可能影响成功输送。

在生物质能源利用过程，输送的类型及他们的组合已被报告，特别是料斗或者锁斗系统。

螺旋送料器，旋转阀，活塞馈线和气动送料器。

这些类型也可以结合起来，特别是连续输送。

这些输送类型可处理各种固体，但它们与某些类型的限制生物质或批量输送。

螺旋输送或活塞堵塞输送，常见于煤炭输送，生物质输送测试也做过。

罗伯茨分析了体积和力学特性，相对于散装固体画式螺旋送料器的进料料斗特点。

对螺旋式和统一制订式的沿线分布的吞吐量进行了研究。

于和阿诺德提出了一个理论模型，扭矩要求单螺杆送料器。

他们假设负载在上料斗的散装固体螺旋给料机处并决定主要压力。

考虑到在相邻的输送散装物料的边界，力加给5个表面。

由于堵塞部分的短处，而忽略了堵塞部分的压制。

在低增压范围内（0.5-1.5兆帕），生物质螺旋输送的种类和方式类似于活塞输送。

一个螺旋给料机，要使螺旋输送的原料紧凑些，是通过减小输送通道或者是逐渐减少的螺距。

这种螺旋输送形成了一个屏障，防止气体和床料从反应堆回流。

图1生物质螺旋输送轴及其扩展部分

该生物质螺旋输送轴的入料口长度比一般的传统材料如煤炭更长，这是由于密封需要造成的。

在本文中，对螺旋输送轴的入料口部分，包括圆锥及其扩展部分，在螺杆输送上进行了研究。

提出的一种方法是分析锥形和扩展部分，防止较大的物料进入料斗内。

机器的堵塞和生物质螺旋输送轴的锥形及其扩展部分预测的扭矩要求。

预测结果与实际结果进行比较，本实验忽略温度和热效应。

2.实验装置，输送方法和材料

该生物质输送系统在实验中通常机构为图1和2形式。

图1表现的为圆锥及其扩展部分。

表1给出了料斗及其螺旋给料机的主要部分。

木粒，锯末，木刨花和猪饲料都属于生物质材料。

提供了聚乙烯颗粒作为参考材料进行比较。

微粒材料的主要物理性能列于表2。

生物质材料添加到较低的漏斗和平坦表面。

一个变速直流电动机（0.56千瓦，保德的CDP3440）调整了螺旋轴转速。

一个秤（BC有限公司，型号：

测量基数100，容量：

50公斤，精度：

0.02公斤）。

连接到电脑记录材料的重量每两秒。

一个扭矩测量仪（南希莫尔斯通和公司，型号：

MCRT28004T5-3，容量：

±565NM，精度：

≤±0.1％满量程）和721型号电力仪器机器，安装在直流马达齿轮和下料斗螺丝扭矩测量仪器之间，并用速度为36赫兹的频率不停输送。

在塞口处检测扭矩和转速的变化。

所有数据都存储在计算机的数据采集处，用于以后的分析。

为了确定扭矩和速度范围，每个给定的材料和相应条件的实验都进行2--5次。

所有的测量在室温（20±2°C）及大气压力下进行。

图2生物质螺旋输送系统图标

每当填充料进入料斗的水平下降到一定值，就周期性的向螺旋轴内加料。

在两分钟后达到平均速度，建立稳定的输送。

进给速度和扭矩参数是时时进行分析的。

当发生堵塞而传动不能进行时，手动将物料从螺旋输送轴送到料斗内，从而进行下一个循环。

初步测的的料斗的三个数据为：

高（0.60米），中（0.45米）和低（0.30米）。

表1

料斗和螺旋轴尺寸

螺旋轴螺距1，6和11毫米

螺旋片厚度6.35毫米

垂直螺杆平均螺旋角14°

材料316SS

料槽内径102毫米

材料碳钢

料槽透明材料部分铸造丙烯酸管

送料斗类型楔形的

长度910毫米

高度910毫米

料斗壁水平角度70°

材料碳钢

螺杆直径为100毫米，长度800毫米，或者直径为90毫米，长度为300毫米，或者直径为80毫米，长度为420毫米。

3.螺旋输送机的受力和扭矩分析

螺旋输送机有两个主要区域，料斗送料部分和堵塞部分或者输送部分，如图一。

该输送轴的堵塞部分的负荷和压力分析在其他部分进一步详细的分析。

3.1.堵塞部分的锥形管

本研究的螺旋输送轴的出料口部分的锥形部分的长度为0.15米至0.30米，如图一。

这两个锥形部分出口直径为88毫米，因此这两个圆锥不同部分为锥角，如图3所示。

考虑增加扭矩的要求，造成轴向抵抗力的增加。

大容量通道（即趋同圆锥部分），一般通过不可压缩材料，如聚乙烯和木粒，除非有足够大的方向力打破粒子。

可压缩散装物料，如木屑和格朗德霍格燃料，比较容易发生堵塞。

它取决于材料特性和物料在螺旋管道内的流动情况。

螺旋给料机的内部圆锥部分的几何体受力分析如图4所示。

假设一个物料的基本性质稳定，在均衡的驱动力和摩擦力下，对一个长度为dx的单位列力平衡方程，结果如下：

然后将σw/σx=λs,τw=μwσw代入（3）式，

当长的锥形部分为0.30米时（p=0.1米）：

当长的锥形部分为0.15米时：

这里，套管内半径x=0时为Rt，套管内半径x=p时为Rt1，套管内半径为x=2p时为Rt2，（仅适用于0.30米长锥形部分），如图4所示。

σin，σin1，σin2是轴向应力，在锥形部分连续。

RT是用在下面的示例计算。

表2

本研究中的材料的关键属性

对于0.15米和0.30米的长锥形部分，在1部分的沿螺旋轴的体积变化的锥形部分的挤压应力分析是可以估计的。

对于每一个锥形剖面，螺旋轴的体积是可以算出来的，然后用体积估计容重。

再对各种材料的锥形部分的平均轴向应力可以估计，可以用下面的式子计算轴向应力的容重关系：

ρy=a（σy+b）c。

可以将σin代入（7）式进行计算，直到计算出于σxa相匹配的容重。

根据每个锥形部分产生的扭矩情况分析应力情况。

0.15米包括一个半锥形部分，0.30米包括三个锥形部分。

锥形部分的总扭矩根据每个部分的扭矩之和求出。

（1）0.30米长锥形部分、

核心部分轴向阻力可以通过下面的式子进行计算：

槽表面的轴向阻力：

其中R是驱动轴内半径的尺寸，在每个阶段的开始（即X=0,0.30米的长锥形面为P和2P）。

图3检测到得两个锥形部分的尺寸

图4检测轴向力分析

轴向力作用在一个截面上的受力分析：

然后将tanαr=P/2πr和tanϕf=μf代入（11）式就可以求出其值。

总的轴向力由核心表面的驱动轴力和尾部受到的力和槽表面收到的力之和相等。

所以：

所以在一个截面产生的扭矩为：

其中Td是驱动扭矩，Tc是核心轴表面的扭矩，Tf是尾部扭矩，Ttip是驱动轴顶端的扭矩，单位为NM。

螺旋输送的驱动扭矩为：

然后将tanαr=P/2πr和tanϕf=μf代入（15）式就可以求出结果来。

由核心轴表面产生的扭矩为：

由螺旋输送的尾部扭矩求得的数值积分为：

螺旋轴顶端产生的扭矩为：

关于螺旋轴的顶端表面应力假设为σwa。

尖端的表面积可以通过下式计算：

Atip=γ×P/sinαo。

图50.15米锥段和0.45米的扭矩预测水平和实际测量比较

总扭矩是由每个截面的扭矩的计算相加得来的，输送的扭矩的计算像【1】中预测的那样。

图60.30米锥段和0.45米的扭矩预测水平和实际测量比较

（2）0.15米长锥形部分

0.15米长的锥形部分包括一个半截面，（p=1米）。

半个截面的平均轴向应力计算为：

因此，截面的平均压力为：

所以螺旋输送尾部的半个截面是基于P/2的计算，而不是基于P。

3.2.扩展部分

为了推动物料向前运功，所以螺旋驱动装置输送的轴向力应该大于物料的抵抗力。

Σexa是平均轴向力，σewa是正常的平均壁应力，在扩展部分。

代入σewa=λsσexa得

另外一个临界长度定义为：

Lct1和Lct2是关键长度部分，δ是内部摩擦角。

请注意Dt（套管直径）是取代D0（螺杆直径）在这些方程里面。

当扩展段的长度超过临界长度，散装物料不会轻易被挤出延长的部分，所以不会影响传送的有效地进行。

但是传送那些，容易造成堵塞的材料和容易压缩的材料就有些问题。

可压缩材料在扩展部分的堵塞，取决于螺旋轴的尺寸和材料的性质。

当

时，或者

时，特别要注意，用内部扩展部分以确保压缩材料不造成不必要的堵塞。

扩展部分的平均轴向应力计算是基于扩展部分的实测压实容重。

在扩展部分的平均正常应力计算为：

σewa=λsσexa.

在一个稳定状态（即力平衡时堵塞或以恒定速度移动），可以用下面的式子进行计算：

整理式（26）可以得到：

在式（27）中，D0可以代替DT。

图7延伸部分的应力分析

表三

推荐临界长度的扩展部分（编号：

102毫米）的各种物料

4.模型预测与实验结果的比较

对于堵塞部分，预测的扭矩是那些必须达到一定的压缩的锥形延长部分，不需要打破压缩或者避免堵塞。

4.1锥形管部分

转矩的预测结果和实验结果的比较如图五和图六。

对于木屑和格朗德霍格燃料，预测结果与实验的结果相吻合，但对于刨花材料实验结果比预测高。

刨花材料发生在0.15米和0.30米的锥形部分的堵塞，大的偏差可能是由于木材刨花颗粒的广泛分布和范围分布造成的。

扭矩的测量在0.15米和0.30米与0.45米分别是276和419NM。

建议马力选择小于100NM，虽然在目前的实验中无法确定。

对于0.30米的长锥形部分，并不是一直发生堵塞，0.15米的长锥形部分有时也是发生堵塞。

所不同的是，由于复杂的流型漏斗和密封舱部分，导致密封的水平的不同，这就增加了0.15米和0.30米锥形部分的堵塞可能。

虽然0.15米的锥形部分比0.30米锥形应用更多，但是更细也更容易堵塞。

在锥形部分里，堵塞受到螺杆转速的影响。

高的螺旋转速，如30、40转，单位时间运输更多的物料，就增加了堵塞的可能，比低速更容易发生堵塞。

扭矩的预测忽视螺杆的转速。

从猪饲料在实验中的堵塞情况来看，扭矩大于100NM预计能打碎堵塞在锥形部分的物料，更容易保证输送的正常运行。

应该指出的是，猪饲料、木刨花等材料因为宽粒径分布和颗粒大范围更容易发生堵塞在锥形部分。

图80.15米的延长段和0.45米的初步料斗水平的扭矩的测量结果和实验结果的比较

图90.30米的延长段和0.45米的初步料斗水平的扭矩的测量结果和实验结果的比较

4.2扩展部分的密封

扩展部分的材料的应力如图7所示。

由上述方程预测扩展部分产生的扭矩。

推荐的各种材料的临界长度列于表3，而预测的扩展部分的扭矩如图8和9。

虽然预测木屑-1的0.15米锥形延长部分扭矩与实验数据不匹配，但可提供近似生物质材料的扭矩波动范围考虑。

在实验测试时，扭矩的范围一般在10-30NM波动。

在扩展部分的扭矩更大，随着螺旋轴应力的增加而增加。

螺旋轴上阻力的增加取决于扩展部分的长度和材料的性质。

不同的生物质材料需要多少扭矩是很难预测的。

如果一个螺旋输送带扩展部分，那扩展部分的临界长度是十分重要的。

他就像一个活塞的接口，几个容易发生堵塞的部分都和他有关，

他的价值和意义是十分重要的。

图10不同长度的瓶颈部分的扭矩的预测结果和实验结果比较

由相同的螺旋轴拟发的模型，不同长度的瓶颈部分（即0.30、0.46和0.60米）如图十所示。

对于较短的长度（例如0.30m）进行实验，该压缩力矩的预测和实验中的结果相同（实验中为0.60米），因此与扭矩的要求相比要减小。

更长的锥形瓶颈部分和更好的密封，就更容易发生堵塞。

所以，对于生物质材料的输送一般选择瓶颈的长度为螺距的4-10倍。

5.结论

不同的瓶颈形状和长度导致不同的堵塞和不同的扭矩要求。

分析密封部分、圆锥部分和扩展部分，在不以增加扭矩为前提下，如何更好的进行螺旋输送，而不导致堵塞的规律。

提出的一种方法是分析圆锥及其扩展部分。

这都是为了更好的发展生物质产业。