CN110922231A

CN110922231A - 一种堆肥系统通风管道及使管道上通风孔出风均匀的方法

Info

Publication number: CN110922231A
Application number: CN201911069268.XA
Authority: CN
Inventors: 孟海波; 程琼仪; 沈玉君; 程红胜
Original assignee: Academy of Agricultural Planning and Engineering MARA
Current assignee: Academy of Agricultural Planning and Engineering MARA
Priority date: 2019-11-04
Filing date: 2019-11-04
Publication date: 2020-03-27
Anticipated expiration: 2039-11-04
Also published as: CN110922231B

Abstract

本发明涉及一种堆肥系统通风管道及使管道上通风孔出风均匀的方法。本发明所述通风管道包括通风孔，所述通风孔设于所述通风管道的周面上，所述通风孔的出风流量与所述通风管道的总流量之比小于0.5，所述通风管道的风管半径为r，

其中，Pt为所述通风管道的总压，单位为Pa；ρ为空气密度，单位为kg/m³；Q为所述通风管道的通风流量，单位为m³/s；r的单位为m。本发明在考虑管壁沿程阻力的基础上，对风管设计进行改进与提升，以达到使整个通风管道均匀送风的效果。

Description

一种堆肥系统通风管道及使管道上通风孔出风均匀的方法

技术领域

本发明涉及管道通风技术领域，具体涉及一种堆肥系统通风管道及使管道上通风孔出风均匀的方法。

背景技术

对于现代通风系统来说，通风体系建设是至关重要的环节。采用曝气系统的工艺与普通堆肥相比，有机物分解速度加快，发酵时间缩短。曝气系统设计主要包括曝气量和曝气管道等，关于曝气量已有大量研究，而实际生产中，曝气管道设计主要依据经验，尚无模型对其设计提供理论依据。而曝气管道对堆体内部气流分布有显著的影响，不合理的管道设计极易在堆体内部产生通风死角和风速过大区域。通风死角不能为堆体提供足够氧气、及时带走热量及水蒸气，从而影响堆肥效果。而风速过大区域会带走过多热量及水分，对堆肥正常进行产生负面效果。因此合理的管道设计显得至关重要。

现有通风管道的结构及通风示意如图1所示。本示例以静压沿通风管道方向逐渐增大的情形说明。其中，10为通风管道，在通风管道10的前端设有风机20，在通风管道的壁上设有通风小孔101。由于孔口出风方向受管内静压和管内气流大小共同影响，则孔口的出流方向向风管轴线方向偏斜，导致风管静压较低区域形成通风弱区；同时气流向风管静压较高区域聚集，使得部分区域气流速度过大，导致带走过多堆体热量，不利于堆肥反应的进行。

目前风管设计主要包括出风量及出风角度设计等。出风量受流量系数、静压以及出风面积共同影响；出风角度由静压产生的气流方向和管内气流方向共同决定。流量系数与孔口形状、出流角和孔口流出风量与孔口前风量之比有关。已有通过调控出风面积达到均匀送风效果的相关研究，但技术方案设计复杂，需要改变已有通风管道上的开孔尺寸，加工制造成本高。而若能控制小孔出风口流量系数、出风量、出风角度等，对降低堆体内部通风死角的效果显著，而相应的技术还鲜有报道。此外，对于大型堆肥系统而言，由于通风管道长度过长，因摩擦产生的沿程阻力不能忽略。

因此本发明针对大型堆肥系统，在考虑管壁沿程阻力的基础上，控制加工制造成本，对通风管道进行改进，以达到均匀送风的效果。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种堆肥系统通风管道及使管道上通风孔出风均匀的方法，以改善通风不均匀造成堆体内部存在通风死角的问题。

本发明首先一种堆肥系统通风管道，所述通风管道包括通风孔，所述通风孔设于所述通风管道的周面上，所述通风孔的出风流量与所述通风管道的总流量之比小于0.5，所述通风管道的风管半径为r，

其中，Pt为所述通风管道的总压，单位为Pa；ρ为空气密度，单位为kg/m³；Q为所述通风管道的通风流量，单位为m³/s；r的单位为m。如此设计可以保证通风孔出风气流与风管轴线间夹角大于60°，从而使各通风孔的流量系数一致。

进一步地，为了使通风管道上各区域的通风孔出风量基本一致，所述通风管道通风孔区域沿所述通风管道的通风方向上，间隔布置有若干所述通风孔，若沿管内气流的流动方向上两不同横截面间的静压增大，则两横截面限定的区域内通风孔的孔间距呈逐渐增加的布置形态；而若沿管内气流的流动方向上两不同横截面间的静压增小，则两横截面限定的区域内通风孔的孔间距呈逐渐减小的布置形态。如此使得通风管道上各静压与出风孔面积的乘积基本保持相同，也就是送风流量基本相同。

进一步地，为了改变孔口偏斜气流通过孔口的出流方向，以使出流方向与通风管道的轴向垂直的方向进入堆体，所述通风孔的孔口处连接有短管，所述短管的轴向垂直所述通风管道的轴向，当沿所述通风管道内的气流流动方向，所述通风孔的静压增加时，所述通风孔的短管长度呈逐渐降低的结构形态；当沿所述通风管道内的气流流动方向，通风孔静压降低时，所述通风孔的短管长度呈逐渐增加的结构形态。

上述的堆肥系统通风管道，沿管内气流的流动方向上，两横截面上通风孔间的动压降若大于两横截面上通风孔间的沿程阻力，则沿管内气流方向上两横截面间的静压增大；沿管内气流的流动方向上两横截面上通风孔间的动压降小于两横截面上通风孔间的沿程阻力，则沿管内气流的流动方向上两横截面间的静压增小。

上述的堆肥系统通风管道，所述通风孔沿所述通风管道的轴向上设有一排或多排，所述通风孔的孔径均相同，所述通风管道通风孔区域的各横截面面积相同。

本发明还提出一种使通风管道上通风孔出风均匀的方法，所述通风管道包括通风孔，所述通风孔设于所述通风管道的周面上，所述方法包括：

使所述通风管道的风管半径

以使所述通风孔的出风气流与所述通风管道的风管轴线间夹角大于等于60°，其中

Pt为所述通风管道的总压，单位为Pa；ρ为空气密度，单位为kg/m³；Q为所述通风管道的通风流量，单位为m³/s；r的单位为m。

进一步地，所述方法还包括：

判断沿所述通风管道内气流的流动方向上静压增大还是减小，若静压增大，则使通风孔区域内的一组通风孔的孔间距逐渐增加；若静压增小，则使通风孔区域内的一组通风孔的孔间距逐渐减小，以使各区域平均送风量一致。

进一步地，所述方法还包括：

在所述通风孔的孔口处设置短管，使所述短管的轴向垂直所述通风管道的轴向，当沿所述通风管道内的气流流动方向，所述通风孔的静压增加时，使一组所述通风孔的短管长度逐渐降低；当沿所述通风管道内的气流流动方向，通风孔静压降低时，使一组所述通风孔的短管长度逐渐增加，以使一组所述通风孔的出风方向与所述通风管道的轴向均垂直。

上述的方法，判断沿管内气流的流动方向上静压增大还是减小时，若沿通风管道上两横截面上通风孔间的动压降大于两横截面上通风孔间的沿程阻力，则沿管内气流方向上两横截面间的静压增大；若沿管内气流的流动方向上两横截面上通风孔间的动压降小于两横截面上通风孔间的沿程阻力，则沿管内气流的流动方向上两横截面间的静压增小。

上述的方法，所述通风孔的出风流量与所述通风管道的总流量之比小于0.5，所述通风孔沿所述通风管道的轴向上设有一排或多排，所述通风孔的孔径均相同，所述通风管道的通风孔区域各横截面面积相同。

本发明在控制成本基础上，能够实现大型堆肥系统的均匀送风，包括与风管轴线间夹角相同、不同区域通风量相同，及不同孔口出流方向一致等技术手段，达到了降低局部通风死角区域的效果。本发明可根据通风流量和风管材质，设计风管直径，在通风孔大小不变的基础上，改变风管开孔间距，及在出风口处加设短管，短管长度随通风孔出风气流与风管轴线间夹角增加而减小。在各出风口静压不相同的情况下，达到各出风口流量系数相似，各区域出风量相似，各通风孔出风气流方向一致的效果。

附图说明

图1为现有堆肥生产中一通风管道及通风孔气流出风方向示意图；

图2为各通风孔处的静压和动压示意图；

图3为沿管内气流流动方向上小孔静压增加，开孔间距增加的结构示意图；

图4为沿管内气流流动方向上小孔静压降低，开孔间距减小的结构示意图；

图5为沿管内气流流动方向上小孔静压增加，出风小孔短管长度逐渐降低的结构示意图；

图6为沿管内气流流动方向上小孔静压降低，出风小孔短管长度逐渐增加的结构示意图；

附图标号说明：

10通风管道，20风机，101通风孔，102短管。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

本发明提供一种均匀通风管道。首先，为了使得整个通风管道上各通风孔处的出风口的出风气流方向都至少不那么偏斜，也就是尽量不要与通风管道的轴向平行，以免偏斜的出风与不偏斜出风的送风差异太大，造成送风不均匀的问题，本发明采取一定措施，对管道进行优化设计，来保证各通风孔的出风方向与通风管道的轴向都至少大于一定角度，这样初步使得送风较均匀，而且使得各孔口的流量系数相似。其次，本发明为了保证在整个通风管道上各区域的出风量一致，对管道上的通风孔排布进行了设计。再者，本发明为了使各通风孔的出风气流都集中对准上方的堆肥吹送，就需要使各通风孔的出风方向与通风管道的轴向垂直，因此本发明对各通风孔的结构进行了改进，以使通风孔的出风方向均垂直通风管道的轴向，达到更均匀的送风目的。而且，为了节约资源，本发明还对结构进行了合理设计，使得系统在使用尽量少的资源的情况下达到均匀送风的目的。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来逐一实现：

1)通过控制通风管道的直径，达到静压大于3倍的动压，保证通风孔出风气流与风管轴线间的夹角大于等于60°，从而各小孔流量系数一致。推导过程如下所述。

由于该风管适用于大型堆肥系统，各小孔的出风流量与总流量之比小于0.5，则在出风气流与风管轴线间的夹角大于60°时，对于锐边孔口近似可认为流量系数一致，为0.6。

在进风口处，由公式P_t＝P_j+P_d (1)

式中，Pt为总压，Pa；Pd为动压，Pa；Pj为静压，Pa；ρ为空气密度，kg/m³；Q为通风流量，m³/s；r为风管半径，m。

由于通风小孔出风气流受管内流速和静压产生的流速共同作用，静压产生流速为

管内动压产生的流速为

孔口出流与通风管道轴线间夹角为tanα＝vj/vd (5)

式中，vj为静压差产生流速，m/s；vd为管内气流的流速，m/s；ρ为通风管道内空气密度，kg/m³；α为孔口出流方向与通风管道轴线间的夹角，°(度)。

要使α≥60°，则可推导出Pj≥3Pd，将该关系式及公式(2)带入公式(1)，可得到：

因此，本发明使所述通风管道的风管半径

以使所述通风孔的出风气流与所述通风管道的风管轴线间夹角大于等于60°，使得各孔口的流量系数相似，达到初步均匀送风的目的。

2)在风管横截面积及开孔大小一致的情况下，根据静压变化改变风管上通风孔的间距，以保证各区域的送风量一致。

由于孔口出风量为

式中，L₀为孔口出风量，m³/s；μ为孔口流量系数；f为孔口面积，m²；Pj为风管内空气的静压，Pa。

在气流经过图2所示横截面积及开孔大小相等的风管时，在断面1、2的能量方程式为：

P_j1+P_d1＝P_j2+P_d2+ΔP_1～2 (7)

即

式中，P₁为孔1处的静压，Pa；P₂为孔2的处静压，Pa；Q₁为孔1处管内的流量，m³/s；Q₂为孔2处管内的流量，m³/s；ΔP_1～2为孔1与孔2间的沿程阻力，Pa。

在流量系数一致的情况下，由公式(6)可知，要使风管不同区域出风流量一致，则须使静压与该区域内风管开孔面积的乘积一致。因此，由公式(7)可知，在风管设计时，风管通风孔间沿管内气流方向的动压降若大于两横截面上孔间的沿程阻力，则有部分动压转化为静压，通风孔间静压呈增加趋势，则此区域内风管通风孔间距L应增加，从而保证静压及面积的乘积在此区域内相等(如图3)。而若动压降小于沿程阻力，则此区域内风管开孔间距L应减小(如图4)。而由公式(8)可知，管内动压的变化由各开孔设计的出风量决定。

孔间距的递增或递减可衡量递增或递减，也可变量递增或递减。具体的递增或递减量可根据孔布置的密度及实际出风量而定。

3)在出风孔口处加短管，使得出流方向偏斜气流通过孔口流出时，在短管的作用下气流方向得以改变，以与通风管道轴向垂直的方向进入堆体。当沿管内气流流动方向，通风孔的静压增加时，通风孔处短管的长度逐渐降低(如图5)。当沿管内气流流动方向，小孔的静压降低时，通风孔处短管的长度逐渐增加(如图6)。短管的长短差异可根据实际情况进行适当调整。短管与通风孔可焊接连接，或通过其它常规连接方式密封连接，或者短管与风管本身就是一体制造，相当于短管代替了原孔口。

根据上述的技术方案，所述通风管道包括通风孔，所述通风孔设于所述通风管道的周面上，本发明提出使通风管道上通风孔出风均匀的方法包括以下步骤：

使所述通风管道的风管半径

进一步地，所述方法还包括：

进一步地，在所述通风孔的孔口处设置短管，使所述短管的轴向垂直所述通风管道的轴向，当沿所述通风管道内的气流流动方向，所述通风孔的静压增加时，使一组所述通风孔的短管长度逐渐降低；当沿所述通风管道内的气流流动方向，通风孔静压降低时，使一组所述通风孔的短管长度逐渐增加，以使一组所述通风孔的出风方向与所述通风管道的轴向均垂直。

本发明的通风系统可达到各孔口的流量系数相似，各区域通风量相同，风管上各出风小孔出风方向一致，均与风管轴线垂直，从而实现堆体内部无通风死角的均匀送风效果。该系统操作简单，实用性强。

实施例

以下通过附图所示的实施例进一步说明。

本实施例为了使得通风管道10上的通风孔101送风均匀，采取了以下措施：

1)根据公式

依据生产中采用的通风量Q和风机可提供的总压Pt，及实际生产情况，确定通风管道直径。

2)根据总通风量及风管的长度，对风管进行均分，如27m长风管，可将其平均分为54段区域，每段区域长0.5m，使得此54个区域送风量一致，即将总通风量同样均分。根据风管材质，及各段内气流速度，计算出沿程阻力。

沿程阻力(直管阻力)与管壁摩擦系数成正比，而摩擦系数与雷诺数Re和管壁粗糙度ε有关，可实验测定，也可计算得出。

动压降低值可通过测得不同位置的流量后计算得到。

若沿程阻力小于风管内动压降低值，其开孔间距设置为逐渐增加，如图3。若沿程阻力大于风管内动压降低值，其开孔间距设置为逐渐降低，如图4。根据公式(3)计算出该小区域段内通风孔的总面积，在该小段内通风孔为均匀开孔。而不同段内各小孔间开孔间距呈逐渐增加或逐渐减小趋势。

3)在各通风孔101处设置短管102。若沿管内气流的流动方向，通风孔静压增加，通风孔的短管102的长度逐渐降低，如图5。而若沿管内气流的流动方向，通风孔静压降低，通风孔处的短管102的长度逐渐增加，如图6。

本发明在考虑管壁沿程阻力的基础上，对风管设计进行改进与提升，以达到使整个通风管道均匀送风的效果。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中实施例的各零部件、装置都是可以有所变化的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所述的这些实施例，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种堆肥系统通风管道，其特征在于，所述通风管道包括通风孔，所述通风孔设于所述通风管道的周面上，所述通风孔的出风流量与所述通风管道的总流量之比小于0.5，所述通风管道的风管半径为r，

其中，Pt为所述通风管道的总压，单位为Pa；ρ为空气密度，单位为kg/m³；Q为所述通风管道的通风流量，单位为m³/s；r的单位为m。

2.根据权利要求1所述的堆肥系统通风管道，其特征在于，所述通风管道设有通风孔区域，该区域沿所述通风管道的通风方向上，间隔布置有若干所述通风孔，若沿管内气流的流动方向上两不同横截面间的静压增大，则两横截面限定的区域内通风孔的孔间距呈逐渐增加的布置形态；而若沿管内气流的流动方向上两不同横截面间的静压增小，则两横截面限定的区域内通风孔的孔间距呈逐渐减小的布置形态。

3.根据权利要求2所述的堆肥系统通风管道，其特征在于，所述通风孔的孔口处连接有短管，所述短管的轴向垂直所述通风管道的轴向，当沿所述通风管道内的气流流动方向，所述通风孔的静压增加时，所述通风孔的短管长度呈逐渐降低的结构形态；当沿所述通风管道内的气流流动方向，通风孔静压降低时，所述通风孔的短管长度呈逐渐增加的结构形态。

4.根据权利要求2或3所述的堆肥系统通风管道，其特征在于，沿管内气流的流动方向上，两横截面上通风孔间的动压降若大于两横截面上通风孔间的沿程阻力，则沿管内气流方向上两横截面间的静压增大；沿管内气流的流动方向上两横截面上通风孔间的动压降小于两横截面上通风孔间的沿程阻力，则沿管内气流的流动方向上两横截面间的静压增小。

5.根据权利要求1至3任一项所述的堆肥系统通风管道，其特征在于，所述通风孔沿所述通风管道的轴向上设有一排或多排，所述通风孔的孔径均相同，所述通风管道通风孔区域的各横截面面积相同。

6.一种使通风管道上通风孔出风均匀的方法，所述通风管道包括通风孔，所述通风孔设于所述通风管道的周面上，所述方法包括：

使所述通风管道的风管半径

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述通风孔的孔口处连接短管，使所述短管的轴向垂直所述通风管道的轴向，当沿所述通风管道内的气流流动方向，所述通风孔的静压增加时，使一组所述通风孔的短管长度逐渐降低；当沿所述通风管道内的气流流动方向，通风孔静压降低时，使一组所述通风孔的短管长度逐渐增加，以使一组所述通风孔的出风方向与所述通风管道的轴向均垂直。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，判断沿管内气流的流动方向上静压增大还是减小时，若沿通风管道上两横截面上通风孔间的动压降大于两横截面上通风孔间的沿程阻力，则沿管内气流方向上两横截面间的静压增大；若沿管内气流的流动方向上两横截面上通风孔间的动压降小于两横截面上通风孔间的沿程阻力，则沿管内气流的流动方向上两横截面间的静压增小。

10.根据权利要求6、7或9所述的方法，其特征在于，所述通风孔的出风流量与所述通风管道的总流量之比小于0.5，所述通风孔沿所述通风管道的轴向上设有一排或多排，所述通风孔的孔径均相同，所述通风管道的通风孔区域各横截面面积相同。