CN116081314A - 一种仿生象鼻长距离气力输送系统及优化配置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生象鼻长距离气力输送系统及优化配置方法，该气力输送系统采用压送式仿象鼻输送管路输送物料或者采用吸送式仿象鼻输送管路输送物料，其中，压送式仿象鼻输送管路为一种内径逐渐扩大的锥形管路，吸送式仿象鼻输送管路为一种内径逐渐缩小的锥形管路。本发明的输送系统可实现在动力与风机系统不变的情况下延长输送距离，或者在输送距离不变的情况下降低对动力与风机系统性能的要求，降低系统能耗。
Description
技术领域
本发明属于气力输送技术领域，具体涉及一种仿生象鼻长距离气力输送系统及优化配置方法。
背景技术
气力输送是一种运输粉末、块状物料的重要手段，利用输送管路内部高速流动的气体作为输送介质，可将散装物料沿着设定的管路路线，从一个或多个来源输送到一个或多个目的地。由于气力输送设备组成简单，具有低成本、易维护等特点，广泛应用在农业、食品、能源、化工、环卫等行业。气力输送系统按照工作原理可分为压送式和吸送式两种类型：压送式气力输送系统用高于大气压力的压缩空气推动物料进行输送；吸送式气力输送系统是将大气与物料一起吸入管道内，用低气压力的气流进行输送，又称为真空吸送。
随着气力输送技术逐渐发展成熟，人们开始尝试将该技术应用在长距离输送的工况中。长距离气力输送能否成功的关键在于动力与风机系统是否能够提供足够的动力，使输送管路两端保有足够的压力差，管路内部的气体克服在管路内部流动的阻力之后，仍可以超过被输送物体悬浮速度的流速进行有序流动。因此，实现长距离气力输送通常采用以下两种技术方案：1.提升动力与风机系统性能，为气力输送系统提供更强劲的动力；2.优化输送管路，减少气体在管路中流动的阻力。目前多数学者的研究工作集中在第一种方案，但动力和风机相关的技术已经相对成熟，其性能继续提升的空间有限，且需付出较高的成本；也有学者开展了第二种技术方案的研究工作，但多集中在管路材料以及管路内部纹路上，目前尚未见管路结构尺寸研究的相关报道。此外，由于气体具有可压缩性，当压力发生变化后，其体积会出现大幅变化，且输送管路的两端具备压力差，导致输送管路内部气体流速分布不均匀。通常情况下，输送管路的一端气体流速低，另外一端的气体流速高（压送式和吸送式管内气体速度分布情况相反），高流速将加剧管路磨损，降低气力输送系统寿命，这种现象在长距离气力输送中尤为显著。
发明内容
本发明的目的在于提供一种仿生象鼻长距离气力输送系统及优化配置方法，该输送系统采用锥形管路作为输送管路，可降低气体流过管路的阻力，可实现在动力与风机系统不变的情况下延长输送距离，或者在输送距离不变的情况下降低对动力与风机系统性能的要求，降低系统能耗。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
本发明第一方面提供一种仿生象鼻长距离气力输送系统，包括第一动力单元、第一风机、送料器、压送式仿象鼻输送管路、气料分离器和储料罐，
所述第一动力单元用于为第一风机提供动力；
所述第一风机用于将所述第一动力单元提供的动能转化为气力输送系统中气体流动的能量；
所述第一风机的出口处连接第二连接管路，所述第二连接管路与所述压送式仿象鼻输送管路连接；所述压送式仿象鼻输送管路依次连接所述气料分离器和所述储料罐；
所述送料器位于所述第二连接管路与所述压送式仿象鼻输送管路的连接处；
所述压送式仿象鼻输送管路为一种内径逐渐扩大的锥形管路，所述锥形管路小内径的一端与所述送料器相接，所述锥形管路大内径的一端与所述气料分离器相接。
进一步的，所述第一动力单元为以下任意一种：
发动机、马达和电机。
进一步的，所述第一动力单元通过联轴器、皮带或链条与所述第一风机连接。
进一步的，所述第一风机为以下任意一种：
罗茨风机、离心风机和轴流风机。
进一步的，所述压送式仿象鼻输送管路由不同内径的管路从小到大拼接而成，形成锥形管路；
其中，最小内径的管路为首段输送管路，与所述送料器相接；
最大内径的管路为末段输送管路，与所述气料分离器相接；
首段输送管路和末段输送管路之间为至少一个变径输送管路。
进一步的，所述不同内径的管路之间设锥形的变径处过渡管路。
进一步的，还包括第一消音器；
所述第一消音器与第一风机通过第一连接管路连接。
本发明第二方面提供一种仿生象鼻长距离气力输送系统，包括第二动力单元、第二风机、除尘器、负压储料罐、吸送式仿象鼻输送管路和抽吸吸嘴，
所述第二动力单元用于为所述第二风机提供动力；
所述第二风机用于将所述第二动力单元提供的动能转化为气力输送系统中气体流动的能量；
所述第二风机的出口处依次连接除尘器和负压储料罐；
所述负压储料罐连接吸送式仿象鼻输送管路；所述吸送式仿象鼻输送管路的端部设抽吸吸嘴；
所述吸送式仿象鼻输送管路为一种内径逐渐缩小的锥形管路，所述锥形管路小内径的一端与所述抽吸吸嘴相接，所述锥形管路大内径的一端与所述负压储料罐相接。
进一步的，所述第二动力单元为以下任意一种：
发动机、马达和电机。
进一步的，所述第二动力单元通过联轴器、皮带或链条与所述第二风机连接。
进一步的，所述第二风机为以下任意一种：
罗茨风机、离心风机和轴流风机。
进一步的，所述吸送式仿象鼻输送管路由不同内径的管路从大到小拼接而成，形成锥形管路；
其中，最大内径的管路为首段输送管路，与所述负压储料罐相接；
最小内径的管路为末段输送管路，与所述抽吸吸嘴相接；
首段输送管路和末段输送管路之间为至少一个变径输送管路。
进一步的，所述不同内径的管路之间设锥形的变径处过渡管路。
进一步的，还包括第二消音器；
所述第二消音器与第二风机通过第三连接管路连接。
本发明第三方面提供一种仿生象鼻长距离气力输送系统的优化配置方法，用于对前述的仿生象鼻长距离气力输送系统中的不同内径的管路进行优化配置，所述方法包括：
步骤1：确定所述仿生象鼻长距离气力输送系统的输送距离、首段输送管路直径、末段输送管路直径、变径次数和变径输送管路直径；
步骤2：判断不同内径的管路之间是否采用过渡管路，若采用则进入步骤3，若不采用则进入步骤4；
步骤3：基于各变径输送管路直径计算各变径处过渡管路的长度，进入步骤4；
步骤4：对由不同内径的管路构成的锥形管路构建参数化流体域三维模型；
步骤5：对所构建的参数化流体域三维模型划分网格并设置边界条件；
步骤6： 以不同内径的管路的长度为变量，以锥形管路中气体流速分布场均匀性指标为目标，对所述模型进行寻优计算，输出各不同内径的管路的长度。
进一步的，所述基于各变径输送管路直径计算各变径处过渡管路的长度，包括：
取变径处过渡管路连接的大内径变径输送管路直径的6倍以上的长度，作为变径处过渡管路的长度。
进一步的，对所述模型进行寻优计算，包括：
采用以下任意方法对所述模型进行寻优计算，直至锥形管路中气体流速分布场均匀性指标满足预设要求：
贝叶斯优化、遗传算法、基于梯度优化、网格搜索、基于种群优化、ParamILS和Keras Tuner。
本发明的有益效果为：
(1) 本发明提出的仿生象鼻长距离气力输送系统，采用为一种内径逐渐扩大的压送式仿象鼻输送管路或者一种内径逐渐缩小的吸送式仿象鼻输送管路输送物料，可实现在动力与风机系统不变的情况下延长输送距离，或者在输送距离不变的情况下降低对动力与风机系统性能的要求，降低系统能耗。
(2) 本发明提出的仿生象鼻长距离气力输送管路内部气力流速分布更加均匀，可降低高速流动的空气和物料对管路的磨损，延长气力输送系统寿命。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的压送式仿生象鼻长距离气力输送系统示意图；
图2为本发明实施例1提供的一种压送式仿象鼻锥形输送管路示意图；
图3为本发明实施例1提供的由两次变径多规格内径管路拼接形成的压送式仿象鼻输送管路示意图；
图4为本发明实施例2提供的吸送式仿生象鼻长距离气力输送系统示意图；
图5为本发明实施例2提供的一种吸送式仿象鼻锥形输送管路示意图；
图6为本发明实施例2提供的由两次变径多规格内径管路拼接形成的吸送式仿象鼻输送管路示意图；
图7为本发明实施例3提供的仿生象鼻长距离气力输送管路优化配置流程图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。本发明可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本发明透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本发明的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
在本发明中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。
本发明使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本发明所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
实施例1
本实施例1提供一种压送式仿生象鼻长距离气力输送系统，如图1所示，包括第一动力单元1、第一风机2、第一连接管路3、第一消音器4、第二连接管路5、送料器6、压送式仿象鼻输送管路7、气料分离器8和储料罐9，
具体的，
第一动力单元1用于为第一风机2提供动力；
第一风机2是气力输送系统的气体流动的动力源，第一风机2用于将第一动力单元1提供的动能转化为气力输送系统中气体流动的能量；
第一风机2与第一消音器4通过第一连接管路3连接；第一消音器4用于降低第一风机2产生的噪声；
第一风机2的出口处连接第二连接管路5，第二连接管路5与压送式仿象鼻输送管路7连接，送料器6位于第二连接管路5与压送式仿象鼻输送管路7的连接处；
送料器6用于为气力输送系统提供被输送物料，物料经由送料器6进入压送式仿象鼻输送管路7，被高速流动的气体携带，沿着设定的管路路线输送到气料分离器8。
气料分离器8与储料罐9相连，气料分离器8用于将气料混合物进行分离，气体经处理排放到大气中，物料进入到储料罐9中。
储料罐9用于存储被输送到目的地的物料。
作为一种优选的实施方式，第一动力单元1包括但不限于发动机、马达、电机等动力设备，可将化学能、动能、电能等转化为驱动第一风机2转动的动能。
作为一种优选的实施方式，第一动力单元1通过联轴器、皮带、链条等形式与第一风机2连接。
作为一种优选的实施方式，第一风机2包括但不限于罗茨风机、离心风机、轴流风机等。
作为一种优选的实施方式，压送式仿象鼻输送管路7结构参见图2，为一种内径逐渐扩大的锥形管路701，可根据需求沿直线布置，也可沿输送路径弯曲布置，其小内径一端与送料器6相接，大内径一端与气料分离器8相接。采用该结构，管路内径逐渐扩大可为内部气体提供了更大的流动空间，缓解甚至抵消因压力降低气体体积膨胀而引起的气体流速增加。
作为另一种优选的实施方式，压送式仿象鼻输送管路7为由不同标准内径规格的管路从小到大拼接而成，小管径与送料器6相接，大管径与气料分离器8相接。
作为另一种优选的实施方式，压送式仿象鼻输送管路7结构如图3所示，为由不同标准内径规格的管路从小到大拼接而成，在不同内径规格管路之间设置锥形的过渡管，通过添加过渡管，可减缓因管路突然变径内部气体流速突变引起的堵管。
图3以两次变径情况为例进行说明，不能作为本发明的限制；
参见图3，压送式仿象鼻输送管路7由首段输送管路702、变径输送管路704和末段输送管路706从小到大拼接而成，首段输送管路702和变径输送管路704之间设锥形的第一变径处过渡管路703，变径输送管路704和末段输送管路706之间设锥形的第二变径处过渡管路704。
首段输送管路702与送料器6相接，末段输送管路706与气料分离器8相接。
实施例2
本实施例2提供一种吸送式仿生象鼻长距离气力输送系统，如图4所示，包括第二动力单元10、第二风机11、第三连接管路12、第二消音器13、第四连接管路14、除尘器15、第五连接管路16、负压储料罐17、吸送式仿象鼻输送管路18和抽吸吸嘴19，
具体的，
第二动力单元10用于为第二风机11提供动力；
第二风机11是气力输送系统的气体流动的动力源，第二风机11用于将第二动力单元10提供的动能转化为气力输送系统中气体流动的能量；
第二风机11与第二消音器13通过第三连接管路12连接；第二消音器13用于降低第二风机11产生的噪声；
第二风机11的出口处连接第四连接管路14，第四连接管路14连接除尘器15，除尘器15通过第五连接管路16与负压储料罐17相连，负压储料罐17连接吸送式仿象鼻输送管路18，吸送式仿象鼻输送管路18的端部设抽吸吸嘴19。
除尘器15用于过滤气体中的粉尘，避免因粉尘进入第二风机11，而引起第二风机11结构损坏。
抽吸吸嘴19用于将被输送物料经吸入到吸送式仿象鼻输送管路18中。
负压储料罐17用于存储被输送到目的地的物料。
作为一种优选的实施方式，第二动力单元10包括但不限于发动机、马达、电机等动力设备，可将化学能、动能、电能等转化为驱动第二风机11转动的动能。
作为一种优选的实施方式，第二动力单元10通过联轴器、皮带、链条等形式与第二风机11连接。
作为一种优选的实施方式，第二风机11包括但不限于罗茨风机、离心风机、轴流风机等。
作为一种优选的实施方式，吸送式仿象鼻输送管路18结构如图5所示，为一种内径逐渐缩小的锥形管路181，可根据需求沿直线布置，也可沿输送路径弯曲布置，大内径一端与负压储料罐17相连相接，小内径一端与抽吸吸嘴19相接；通过该结构，管路内径缩小将压缩内部气体的流动空间，缓解甚至抵消因压力升高气体体积压缩引起的气体流速降低。
作为另一种优选的实施方式，吸送式仿象鼻输送管路18由不同内径规格的管路从大到小拼接而成，大内径一端与负压储料罐17相接，小内径一端与抽吸吸嘴19相接。
作为另一种优选的实施方式，吸送式仿象鼻输送管路18为由不同内径规格的管路从大到小拼接而成，且在不同内径规格管路之间设置锥形的过渡管。通过添加过渡管，可减缓因管路突然变径内部气体流速突变引起的堵管。
图6以两次变径情况为例进行说明，不能作为本发明的限制，
参见图6，吸送式仿象鼻输送管路18由不同内径规格的首段输送管路182、变径输送管路184和末段输送管路186从大到小拼接而成，首段输送管路182和变径输送管路184之间设置锥形的第一变径处过渡管路183，变径输送管路184和末段输送管路186之间设置锥形的第二变径处过渡管路185；首段输送管路182与负压储料罐17相接，末段输送管路186与抽吸吸嘴19相接。
实施例3
本实施例3提供一种仿生象鼻长距离气力输送系统的优化配置方法，用于对实施例1和实施例2的气力输送系统中的仿象鼻输送管路进行优化配置，如图7所示，该方法包括以下步骤：
步骤1：确定气力输送系统的输送距离L、首段输送管路直径Db、末段输送管路直径De、变径次数n（n≥1）、变径输送管路直径D1、D2、……Dn-1等参数；
步骤2：判断输送管路变径处是否采用过渡管的形式，若采用则进入步骤3，若不采用则进入步骤4；
步骤3：计算各变径处过渡管路的长度Lt1、Lt2、……Ltn，通常需取大径管路直径的6倍以上，然后进入步骤4；
步骤4：构建参数化流体域三维模型；
步骤5：划分网格、设置模型边界条件；
步骤6：运用仿真软件进行求解，收敛后提取管路中气体流速分布场；
步骤7：设置各规格管路的长度为变量，管路中气体流速分布场均匀性指标为目标值，导入寻优算法进行寻优计算，输出各规格管路的长度LDb、LD1、LD2、……LDn-1、LDe。
需要说明的是，步骤7的寻优算法可采用但不限于：贝叶斯优化、遗传算法、基于梯度优化、网格搜索、基于种群优化、ParamILS和Keras Tuner等；
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本发明的范围由所附权利要求来限定。
在不脱离本发明理念的前提下的改进都应视为本发明的保护范围。
Claims (17)
1.一种仿生象鼻长距离气力输送系统，其特征在于，包括第一动力单元、第一风机、送料器、压送式仿象鼻输送管路、气料分离器和储料罐，
所述第一动力单元用于为第一风机提供动力；
所述第一风机用于将所述第一动力单元提供的动能转化为气力输送系统中气体流动的能量；
所述第一风机的出口处连接第二连接管路，所述第二连接管路与所述压送式仿象鼻输送管路连接；所述压送式仿象鼻输送管路依次连接所述气料分离器和所述储料罐；
所述送料器位于所述第二连接管路与所述压送式仿象鼻输送管路的连接处；
所述压送式仿象鼻输送管路为一种内径逐渐扩大的锥形管路，所述锥形管路小内径的一端与所述送料器相接，所述锥形管路大内径的一端与所述气料分离器相接。
2.根据权利要求1所述的一种仿生象鼻长距离气力输送系统，其特征在于，所述第一动力单元为以下任意一种：
发动机、马达和电机。
3.根据权利要求1所述的一种仿生象鼻长距离气力输送系统，其特征在于，所述第一动力单元通过联轴器、皮带或链条与所述第一风机连接。
4.根据权利要求1所述的一种仿生象鼻长距离气力输送系统，其特征在于，所述第一风机为以下任意一种：
罗茨风机、离心风机和轴流风机。
5.根据权利要求1所述的一种仿生象鼻长距离气力输送系统，其特征在于，所述压送式仿象鼻输送管路由不同内径的管路从小到大拼接而成，形成锥形管路；
其中，最小内径的管路为首段输送管路，与所述送料器相接；
最大内径的管路为末段输送管路，与所述气料分离器相接；
首段输送管路和末段输送管路之间为至少一个变径输送管路。
6.根据权利要求5所述的一种仿生象鼻长距离气力输送系统，其特征在于，所述不同内径的管路之间设锥形的变径处过渡管路。
7.根据权利要求1所述的一种仿生象鼻长距离气力输送系统，其特征在于，还包括第一消音器；
所述第一消音器与第一风机通过第一连接管路连接。
8.一种仿生象鼻长距离气力输送系统，其特征在于，包括第二动力单元、第二风机、除尘器、负压储料罐、吸送式仿象鼻输送管路和抽吸吸嘴，
所述第二动力单元用于为所述第二风机提供动力；
所述第二风机用于将所述第二动力单元提供的动能转化为气力输送系统中气体流动的能量；
所述第二风机的出口处依次连接除尘器和负压储料罐；
所述负压储料罐连接吸送式仿象鼻输送管路；所述吸送式仿象鼻输送管路的端部设抽吸吸嘴；
所述吸送式仿象鼻输送管路为一种内径逐渐缩小的锥形管路，所述锥形管路小内径的一端与所述抽吸吸嘴相接，所述锥形管路大内径的一端与所述负压储料罐相接。
9.根据权利要求8所述的一种仿生象鼻长距离气力输送系统，其特征在于，所述第二动力单元为以下任意一种：
发动机、马达和电机。
10.根据权利要求8所述的一种仿生象鼻长距离气力输送系统，其特征在于，所述第二动力单元通过联轴器、皮带或链条与所述第二风机连接。
11.根据权利要求8所述的一种仿生象鼻长距离气力输送系统，其特征在于，所述第二风机为以下任意一种：
罗茨风机、离心风机和轴流风机。
12.根据权利要求8所述的一种仿生象鼻长距离气力输送系统，其特征在于，所述吸送式仿象鼻输送管路由不同内径的管路从大到小拼接而成，形成锥形管路；
其中，最大内径的管路为首段输送管路，与所述负压储料罐相接；
最小内径的管路为末段输送管路，与所述抽吸吸嘴相接；
首段输送管路和末段输送管路之间为至少一个变径输送管路。
13.根据权利要求12所述的一种仿生象鼻长距离气力输送系统，其特征在于，所述不同内径的管路之间设锥形的变径处过渡管路。
14.根据权利要求8所述的一种仿生象鼻长距离气力输送系统，其特征在于，还包括第二消音器；
所述第二消音器与第二风机通过第三连接管路连接。
15.一种仿生象鼻长距离气力输送系统的优化配置方法，其特征在于，用于对权利要求6或13所述的仿生象鼻长距离气力输送系统中的不同内径的管路进行优化配置，所述方法包括：
步骤1：确定所述仿生象鼻长距离气力输送系统的输送距离、首段输送管路直径、末段输送管路直径、变径次数和变径输送管路直径；
步骤2：判断不同内径的管路之间是否采用过渡管路，若采用则进入步骤3，若不采用则进入步骤4；
步骤3：基于各变径输送管路直径计算各变径处过渡管路的长度，进入步骤4；
步骤4：对由不同内径的管路构成的锥形管路构建参数化流体域三维模型；
步骤5：对所构建的参数化流体域三维模型划分网格并设置边界条件；
步骤6： 以不同内径的管路的长度为变量，以锥形管路中气体流速分布场均匀性指标为目标，对所述模型进行寻优计算，输出各不同内径的管路的长度。
16.根据权利要求15所述的一种仿生象鼻长距离气力输送系统的优化配置方法，其特征在于，所述基于各变径输送管路直径计算各变径处过渡管路的长度，包括：
取变径处过渡管路连接的大内径变径输送管路直径的6倍以上的长度，作为变径处过渡管路的长度。
17.根据权利要求15所述的一种仿生象鼻长距离气力输送系统的优化配置方法，其特征在于，对所述模型进行寻优计算，包括：
采用以下任意方法对所述模型进行寻优计算，直至锥形管路中气体流速分布场均匀性指标满足预设要求：
贝叶斯优化、遗传算法、基于梯度优化、网格搜索、基于种群优化、ParamILS和KerasTuner。
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