1基本结构、工作原理及主要参数

　　1. 1基本结构及主要技术参数

　　气力加料器的基本结构如1所示。1为工作喷嘴，采用L aval缩扩型喷嘴； 2为引射介质接受室，与1的相对位置可以调节； 3为引射介质入口； 4为混合室的入口段； 5为圆柱形混合室； 6为扩散器，视用途的不同，扩散器可有可无。

　　文中主要参数符号的意义设定为：G、v、p、w、f、t及T――分别表示质量流量（kg s）、比容（m 3 kg）、压力（M Pa）、速度（m s）、截面积（m2）、温度（°C）及绝对温度（K）；下标“3”及“0”――分别表示工作介质的临界参数及滞止参数；下标p、i及m――分别表示工作介质、引射介质及混合流体的有关参数。中所示的各截面的参数符号说明如下：G p、p、w p、f p――分别为工作喷嘴进口处工作介质的质量流量、压力、速度及截面积；G i、p i、w i、f i――分别为加料口处引射介质的质量流量、压力、速度及截面积；p 3、a p 3、f p 3――分别为工作介质在工作喷嘴中的临界压力、临界速度及临界截面积；p p1、w p1、f p1――分别为121截面上工作介质的压力、速度及截面积；p i1、w i1、f i1――分别为121截面上引射介质的压力、速度及截面积；p p2、w p2、f p2――分别为222截面上工作介质的压力、速度及截面积；p i2、w i2、f i2――分别为222截面上引射介质的压力、速度及截面积；p 3、w 3、f 3――分别为323截面上混合流体的压力、速度及截面积；G m、p m、w m、f m――分别为加料器出口处混合流体的质量流量、压力、速度及截面积。

　　1. 2工作原理

　　工作流体（通常为压缩空气）自工作喷嘴以超音速喷出，成松弛射流流束，引射已吸入接受室的物料，经混合室的入口段及圆柱段，经过气固混合、动量传递及能量转换的过程，成为气固均质二相流。在混合室中，混合流体的压力会略有升高，经扩散器后混合流体的压力进一步回升，以进入气流粉碎机的工作腔。

　　2基本原理

　　气力加料器的特有过程可用能量守恒、质量守恒及动量守恒三大定律来描述，其基本的设计计算公式亦可根据三大定律推导得之。

　　（1）能量守恒i p + u i i = （1 + u）i m（1）式中u = G i G p为引射系数，即引射介质与工作介质的质量流量之比；i――比焓， J kg；

　　（2）质量守恒G m = G p + Gi（2）

　　（3）动量守恒

　　加料器121截面与323截面间流体的动量关系可表示为G p w p1 + G i w i1 - （G p + G i）w 3 = p 3 f 3 +∫f 1 f 3 p d f - （p p1 f p1 + p i1 f i1）（3）

　　3气体动力函数

　　为便于公式推导、简化，对于理想气体在等熵流动时，各动力函数有如下表达式，这对于工程应用条件下的实际气体也是足够精确的。

　　（1）折算等熵速度Κ= w a 3（4）式中wa――气体等熵流动速度，m s；a3――气体临界速度，又称当地声速，m s.

　　对理想气体a 3 = 2 k + 1 p 0 v 0 1 2 = 2 k + 1 R T 0 1 2（5）式中k――定熵指数；R――气体常数， J （kgK）。

　　（2）相对温度Σ（Κ） = T 0 = 1 - k - 1 k + 1Κ2（6）

　　（3）相对压力Ρ（Κ） = p 0 = 1 - k - 1 k + 1Κ2 k k- 1（7）

　　（4）相对密度Ε（Κ） =ΘΘ0 = 1 - k - 1 k + 1Κ2 1 k- 1（8）

　　式中Θ――密度， kg m 3.

　　（5）相对比容Β（Κ） = v 0 = 1 1 - k - 1 k + 1Κ2 1 k- 1（9）（6）折算质量速度q（Κ） = wΘa 3Θ3 =ΕΕ3Κ= f 3 f（10）需要指出的是，q值按从0→1→0的规律变化，一个q值对应两个Κ值，计算时要正确选取。

　　4气力加料器的主要设计计算

　　4. 1公式推导所依据的条件

　　气力加料器的设计计算公式必须满足下列条件，引进速度修正系数，才能保证公式的正确应用。

　　（1）应符合小压缩比p m p i≤1. 2～1. 4和超临界膨胀比p i≥1Ρp 3。

　　适用于气流粉碎机的气力加料器完全符合小压缩比及超临界膨胀比的条件，因为一般情况下，工作压力在0. 7M Pa～1. 0M Pa，而引射介质的压力为p i = 0. 1 M Pa；粉碎机背压很低，甚至小于0. 11 M Pa；对空气Ρp 3 = 0. 528，所以p m p i≤1. 2～1. 4，p i = 7～10> 1 0. 528。

　　本文研究的气力加料器的引射介质主要是固体或液体，是非弹性的引射介质；同时吸入少量属弹性介质的空气，故引射流体可看作不可压缩的流体。同样，在小压缩比情况下的混合流体亦可视作不可压缩流体，在公式推导时，可取k i→∞，k m→∞，故k m k m + 1 = 1及k m - 1 k m + 1 = 1本文研究的气力加料器属异相气力输送喷射器，不作简化的计算相当复杂，甚至不可能。事实上121截面与222截面之间的距离很小，工作介质的速度很大，可以认为工作介质与引射介质在该段来不及混合，故可假设工作介质的流动截面保持不变，其压力亦与引射介质的压力近似相等，为使计算简化，公式推导时作如下设定：p p1 = p p2 = p i；Ρp1 =Ρp2 =Ρp i = p i p；Κp1 =Κp2 =Κp i；q p1 = q p2 = q p i；f p1 = f p2；w p1 = w p2；f 2 = f p2 + f i2；f 2 = f 3；Ρm 2 = p 2 p m；

　　p m = p m - p i；p 3 = p 3 - p i。

　　（2）修正附加损失的速度系数。

　　实际上，气力加料器每个截面上的固体或液体的颗粒分布是不均匀的，存在着差异；同时，固体或液体颗粒的速度要低于气体的速度，这便导致附加损失的产生。而基本公式式（1）～式（3）及以后导出的各主要计算式是基于均质二相流理论推导的，所以要选取合适的速度系数< 1， < 2， < 3和< 4来计算加料器中的这些损失。

　　事实上存在不等熵的膨胀与压缩过程，必须考虑对速度的修正，故混合器圆柱体部分即222截面与323截面间的动量方程式应为：< 2（G p w p2 + G i w i2） - （G p + G i）w 3 =（p 3 - p p2）f p2 + （p 3 - p i2）f i2（11）式中w p2 = < 1 a p 3Κp i；w i2 = < 4 a i 3Κi2；w 3 = a m 3 < 3Κm 3

　　具体设计计算时选择合适的速度系数值来计算设计气力加料器，结果与实际十分接近。对砂子类型固体颗粒的引射，可取： < 1 = 0. 95； < 2 = 0. 875； < 3 = 0. 81； < 4 = 0. 83.

　　4. 2气力加料器的引射系数及各截面计算

　　应用式（1）～式（11）在符合本文规定的条件下，进行推导归纳，可得到以压缩空气为工作介质的气力加料器的设计公式。

　　首先，在工作气源选定，根据已有经验pm可以取定的情况下，加料器的截面比及引射系数等可以求取如下f 3 f p 3 = k pΡp 3 2 < 1 < 2Κp i p

　　p m（12）截面比f p 3 f i2 = 1 f 3 f p 3 - 1 q p i（13）混合流体中的气体在扩散器出口截面的比容v m ， g = R T m p m（14）此时有v m ， g = v pm = v i， gm（15）式中v pm――工作介质在出口截面的比容；v i， gm――引射介质中气体在出口处的比容。

　　气力加料器的引射系数u = u s + u g（16）式中u s = G i， s G p，u g = G i， g G p分别为以固体（或液体）计的引射系数和以气体计的引射系数，且有G i， s + G i， g = G i。在正常工作时，u g很小，可取0. 5左右。

　　通过对式（1）～式（11）的综合推导，可得加料器的引射系数表达式u = A - C - B（17）式中A = < 1 < 2Κp i - p m p i f 3 f p 3Ρp i k pΡp 3，B =Εp 3（< 2 < 4 - 0. 5）f p 3 f i2 v i， g v p u g，C =Εp 3 1 < 3 - 0. 5 f p 3 f 3 v m ， g v p（1 + u g）设定u g值（不必取大，可接近0） ，则由式（16）、式（17）求得u及u s值。引射介质和混合流体的比容v i和v m分别计算如下v i = v i， g u g u + v s u s u（18）v m = 1 + u g 1 + u v m ， g + u s 1 + u v s（19）式中v i， g――引射介质中气体的比容；v s――引射介质中固体的比容。

　　混合室入口段引射流体的压力降

　　p in = k pΡp 3Εp 3 v i v p 2< 2 4Ρp i f 3 f p 3 - 1 q p1 u 2 p i（20）混合流体在扩散器中的压力降

　　p sp =（1 + u）2 p i u p i

　　p in v i v m 1 2 + 1Εp iΚp i k p + 1 k p i p v p v m 1 2（21）混合室圆柱段末端截面3上的压力p 3 = p m - p sp（22）混合流体中气体在截面3的比容v g， 3 = R T 3 p 3（23）混合流体在截面3的比容v 3 = < （1 + u g）v g， 3 + v s u s > （1 + u）（24）不计入口处速度，工作介质的临界速度a p 3 = 2 k p k p + 1 p v p 1 2（25）工作喷嘴的临界截面积f p 3 = G p a p 3（k pΡp 3 p）（26）式中G p可以从选定的工作介质用量确定，也可选定G i， s再由式（16）及式（17）求取。

　　截面3处混合流体速度w 3 = （1 + u）G p v 3 f 3（27）工作喷嘴出口处截面积f p1 = f p 3 q p i（28）利用式（12）、式（26）及式（28） ，可求得截面积f p 3，f p1，f 2及f 3，亦即求得各截面直径d p 3，d p1，d 2及d 3。

　　4. 3气力加料器各段轴向尺寸的确定

　　2所示的气力加料器的各段轴向尺寸可以根据自由流束理论、长期积累的实验与工程实践经验以及粉碎机的总体结构要求来确定。

　　流入无限空间的亚声速自由流束的基本规律，完全可用于计算工作流体为超临界速度的喷射器的轴向尺寸，从实用角度来讲是足够精确的。

　　适用于气流粉碎机的气力加料器的引射系数一般总有u > 0. 5.所以，中各有关尺寸可以以下列各式表示。

　　喷嘴出口自由流束的长度L 1 = （0. 37 + u） （4. 4 b）（29）式中b = 0. 07～0. 09.

　　离喷嘴L 1处自由流束截面直径d 4 = 1. 55（1 + u）d p1（30）混合室入口段长度L 2 = d 4 - d 3当d 3 < d 4 0当d 3 > d 4（31）喷嘴出口截面和圆柱形混合室入口截面间距离L = L 1 + L 2（32）混合室圆柱段长可取6 d 3～10 d 3，此值可根据结构要求适当灵活选取，总体说来，太长太短均不适宜。

　　5气力加料器的调节

　　为了使气力加料器能产生最大的引射系数，要求加料器结构具有尽可能多的调节手段。在长期的实践过程中，我们发现以下3种调节措施可以有效纠正计算及制造的偏差。

　　（1）调节工作喷嘴进气压力p，对气力加料器的引射系数的影响十分灵敏，这种影响可通过引射介质在进口处的负压变化来判断。

　　p过高或过低均会导致引射能力的降低，严重情况下可导致引射系数为零，工作介质反喷。所以正确的设计及有效的调节是很重要的。

　　（2）工作喷嘴在接受室中的位置也可影响气力加料器的引射功能。通常情况是，工作喷嘴的出口截面移近混合室能使引射能力增强，有时还很显著。所以，我们将工作喷嘴设计成位置可以调节的结构。

　　（3）工作喷嘴喉部孔径dp3亦对气力加料器的引射系数有重要影响。通常是先将dp3制作得比计算值要小一些，在调试时视情况的需要再将其以磨针逐渐扩大，以获得最佳工况。

　　除了以上3种主要的气力加料器的调节方法外，必要时尚可扩大混合室圆柱部分的直径，这可以使引射系数变大，亦即加料量增加。但一般情况下，此举较为费劲，尤其是加料器内衬为刚玉制造，内径较大而圆柱体较长时，扩大孔径是件很困难的事情。

　　对小加料器，实践证明这一措施是可行且有效的。

　　6结论

　　（1）本文所介绍的气力加料器的设计方法简单易行，可很方便地应用于气流粉碎机加料器的工程设计。该设计方法优点在于将理论计算与灵活可调的结构设计相结合，以这种方法设计制造的多个系列的气流粉碎机()产品已成功地用于国内外许多微粉生产制造行业，取得了良好的经济效益和社会效益。

　　（2）以该方法设计无扩散器的加速喷嘴，效果也很好，这可被用于对撞式或靶式气流粉碎机进料加速系统的设计计算。此时除了顾及引射系数外，还要尽可能地提高气力喷射器出口混合流体的速度，以便提高粉碎力，有别于单纯的加料用途。

　　（3）如果气力加料器输送的是粉体的表面处理剂，因表面处理剂用量很少，即u s很小，则u g将变大，会引射入尽可能多的气体，工作流体与引射入的气体的总质量流量远大于一般为液体的表面处理剂，这使表面处理剂充分雾化，十分有利于对粉体的表面包覆。这正是用气流粉碎机对粉体作表面处理的优点所在。