立式干燥機干燥單元風速場均勻性的研究

摘要：大型立式干燥機干燥室內介質空氣的速度均勻性直接影響干燥效果。通過對干燥室內風速場均勻性的研究，為大型立式干燥機的研發提供理論依據。主要通過在進風道內設置勻風板和改變物料表面的平整度測量干燥室內風速值，分析勻風板和料面情況對介質速度均勻性的影響。結果表明，在立式干燥機兩側進風道內設置勻風板，可明顯改善介質進入干燥室和穿過干燥物料的介質空氣的速度均勻性，與無勻風板的情況比較，設置360 mm的短勻風板后，介質進入干燥室A、B風道進風口的速度均勻性的變異系數由73.67%和73.90%降低到22.27%和29.36%，介質在干燥室平面范圍內穿過物料的速度均勻性變異系數由40.3%降低到28.7%；料面的平整度對干燥室內的風速場有影響。

關鍵詞：立式干燥機；風速場；勻風板

中圖分類號：S226.6 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）02-0435-05

大型立式干燥機干燥室面積大，且采用側面進風，干燥室內介質空氣速度場的均勻性是影響其干燥效果的重要因素之一。國內外對多層帶式干燥機[1]、箱式穿流干燥機[2，3]、噴霧干燥機[4，5]等干燥室內的溫度場和風速場的均勻性及其對物料的干燥效果的影響進行了諸多研究，發現干燥機干燥室內風速分布不均勻是導致干燥效率低、干燥不均勻的主要原因。因此，對大型立式干燥機干燥室內的風速場，尤其是風速場的均勻性進行研究是非常重要的。研究通過在立式干燥機側面進風道內設置不同長度的勻風板，并對樣機內風速場的均勻性進行了試驗研究，目的在于為立式干燥機的風道結構設計提供參考。

1 立式干燥機的結構與工作過程

大型立式干燥機具有占地面積小、控制簡單、生產效率高、成本低等特點，有較強的推廣價值。整體的立式干燥機采用多層順逆流結合的干燥方式，干燥機內相間地配置多層進氣和排氣風道，熱氣流在設備內實現循環利用，可充分利用熱能，減少能量損失。立式干燥機共8層，由1個布料單元、3個干燥單元和1個冷卻單元組成，其中每個干燥單元為兩層結構（圖1）。

立式干燥機的基本工作過程：物料由干燥機頂部的布料單元進入干燥機，由布料裝置作用均勻攤布在布料層，在物料支承板翻轉機構的作用下進入第一個干燥單元的干燥室內；經換熱器加熱的熱空氣由風機作用分散進入兩側進風風道，再從進風口進入干燥室，部分氣流向上運動干燥每個干燥單元上層的物料，部分氣流向下流動干燥下層物料；物料在各干燥單元干燥一定時間后，通過控制卸料翻板裝置逐層向下移動，進入下一個干燥單元繼續干燥；熱空氣加熱干燥物料并帶走汽化水分后，在風機的作用下經出風風道排到沉降室內，將攜帶的粉粒沉降后再由換熱器加熱，并在風機的作用下重新進入干燥系統，最終由干燥機頂部的排濕風機排出；物料從干燥室頂部開始逐層干燥直至進入干燥機底部的冷卻單元冷卻，再由底層排料裝置卸出，完成整個干燥過程。

2 立式干燥機風速場的測量

2.1 試驗裝置

為了研究干燥機內干燥室的風速場，本研究試制了立式干燥機的一個干燥單元，其基本結構如圖2所示。每個干燥單元主要由風機、換熱器、風道和干燥室等部分組成。試驗干燥單元的干燥室平面尺寸為1 080 mm×1 080 mm，每層高度為470 mm。兩側面安裝的風機型號為CF-2A-1，配套電機功率為1.1 kW，換熱器用等風阻的柵板代替。

干燥機干燥室內的風路圖和勻風板布置如圖3所示。兩側進風風道均設置長、短勻風板各1塊，其中長勻風板長度為720 mm，圖2中①、②、③的長度分別為360、310、410 mm。干燥室內的翻板卸料機構在樣機中簡化為10個人字形物料支承板，物料支承板采用鋼板材料折制而成，每個物料支承板之間疊放時預留有3 mm的間隙。

2.2 試驗物料及測量儀器

試驗物料是湖北六和飼料廠生產的顆粒飼料。經測定，其物理特性參數為容重705 kg/m3、長度5～10 mm、平均直徑3.2 mm，堆放時料層孔隙率0.346。

試驗采用KANOMAX公司6004熱線式風速儀，測定立式干燥機干燥單元樣機進風口風道和干燥室內各測量點的風速。

2.3 測量方法與試驗指標

主要進行立式干燥機的風速場試驗，研究立式干燥機干燥室內的風速分布情況，因而所有試驗均在冷態條件下進行。在每次干燥室內各測量點的風速測量之前，先讓干燥單元樣機運行10～15 min左右，待干燥機運行穩定、干燥機室內流場達到穩定狀態后進行測量。干燥機兩側A、B風道進風口的風速試驗測量點分布見圖3，圖3中黑圓點為測量點，兩側各取10個測量點。

干燥室內的測量點分布如圖4。以干燥室內一角為坐標軸原點（圖3中O點位置），測量點均勻分布在干燥室內物料面的121個點上。試驗以風速場的均勻性作為評價指標，采用各測量點的風速變異系數CV來反映。CV=σ/v×100%。其中，σ為兩側風道全部測量點或干燥室內全部測量點風速的標準差，m/s；v為兩側風道全部測量點或干燥室內全部測量點風速的平均值，m/s。

3 研究結果

3.1 冷態空載試驗結果

冷態空載試驗時，干燥室內不鋪試驗物料，測定干燥單元在空載狀態下勻風板對介質在進風風道內風速的影響。風速測量點分布如圖3，取A、B風道內所有測量點的標準差和變異系數作為評定進風氣流分布均勻性的指標。

勻風板狀態設置如下：“無”表示無勻風板；①、②、③分別表示圖3中所示①、②、③位置的長度，所有狀態下長勻風板長度保持不變。

A、B風道進風口的風速平均值、標準差和變異系數見表1，各測量點風速如圖5。設置勻風板后，進風風道內的風速均勻性得到了很大改善。而且，不同長度勻風板狀態下，進風風道內風速的均勻性存在較大差異，其中①狀態下，樣機兩側A、B風道進風口的風速標準差最小，即風速最為均勻。與無勻風板狀態相比，①狀態下兩側風道內風速變異系數分別由73.67%和73.90%下降為22.27%和29.36%。

3.2 冷態滿載試驗結果

冷態滿載試驗時，干燥單元兩層干燥室都均勻鋪放厚度為100 mm的試驗物料。測定勻風板對于樣機干燥室內風速均勻性的影響。以干燥室內121個測量點風速的標準差和變異系數作為評定指標。

設置兩種勻風板狀態，分別為“無”和狀態①（其含義與3.1相同）。每種狀態試驗2次重復，試驗結果如表2、圖6和圖7所示。

由表2可知，無短勻風板時，干燥室內的風速均勻性較差。對照圖6可知，此時風量主要集中在x=（7、8、9、10、11）的區域及靠近進風風道遠端的干燥室區域。且在干燥室主干燥區域，風速場亦存在較明顯的波動。干燥室內風速場氣流分布不均勻的主要原因是在風機的作用下氣流在進風風道內更傾向于向前作直線運動，使得風量主要匯集在風道的后半部分，進入干燥室內的氣流也主要集中在干燥室遠離風機的一側。這也表明，設置勻風板強制介質氣流改變其在進風風道內的流向，應可改善干燥室內的風速場均勻性。

表2和圖7所示試驗結果驗證了這種改善的可能性。增加長度為360 mm的短勻風板后，干燥室內風速場變異系數由40.3%下降為28.7%。由圖7可知，此時盡管仍然存在風速偏高區域，但這種區域已不局限于干燥室的某一部分，而是分布在干燥室的四周，在中心主要干燥區域風速均勻性大為改善。

干燥室邊緣的風速較高，一方面是因為壁效應，即干燥室壁面附近的物料空隙率總是大于干燥床層內部，阻力比較小，流體在近壁處的流速大于床層內部[6，7]；另一方面是由于樣機加工精度和物料支承板的布置，影響了干燥室的邊界風速，這可在以后的產品試制中予以改進。

考慮到物料經支撐翻板卸入下一層時，料層可能形成波紋形表面，為考察這種料層表面對干燥室風速均勻性的影響，安排了典型波紋料面狀態下的風速測量試驗。

如圖8所示，干燥室內裝載平均厚度為100 mm的物料，并將物料表面調整為波紋面，料厚最大值為120 mm，最小值為80 mm，勻風板設置為①狀態。試驗結果如圖9所示。

由圖9可知，干燥區風速隨物料厚度的波動而波動，當物料表面處于最高點的時候，風速場的值處于最低值，反之亦然。干燥機工作時，物料表面的這種波紋是由于物料經翻板條狀卸料而形成的，物料厚度的波動幅度取決于卸料翻板的寬度和物料休止角。在同樣寬度的干燥室內，增加卸料翻板的個數，減小每一個翻板的寬度，可有效控制這種波動幅度，從而使干燥室內的氣流速度更為均勻。

4 結論

立式干燥機干燥室內存在風速不均勻現象。通過在兩側風道內增加勻風板可以有效改善介質進入干燥室和穿過干燥物料的介質空氣的速度均勻性，有效改善干燥室內的風量分配，保證干燥室內風速場分布的均勻性。物料厚度的均勻性對風速場的均勻性有直接的影響，卸料裝置的設計對立式干燥機的干燥質量非常重要。

試驗只在兩側風道中各布置了長短兩個勻風板，可以預計，如在兩側布置更多勻風板，介質進入干燥室和穿過干燥物料的介質空氣的速度均勻性將更高。

參考文獻：

[1] 趙金紅，岳曉禹，施娥娟，等.多層帶式干燥機風速場的CFD模擬及檢驗[J].干燥技術與設備，2007，5（1）：15-21.

[2] 殷 勇，謝秀英，白崇仁，等.提高箱式穿流干燥機流場均勻性的研究[J].農業機械學報，1993，24（3）：40-45.

[3] 朱學文，白崇仁，謝秀英.穿流箱式干燥機干燥室內的風速場[J].中國農業大學學報，1998，3（2）：61-64.

[4] GABITES J R，ABRAHAMSON J，WINCHESTER J A. Air flow patterns in an industrial milk powder spray dryer[J]. Chemical Engineering Research and Design，2010，88（7）：899-910.

[5] WOO M W，DAUD W R W，MUJUMDAR A S，et al. CFD evaluation of droplet drying models in a spray dryer fitted with a rotary atomizer[J]. Drying Technology，2008，26（10）：1180-1198.

[6] 李靜海，郭慕孫.氣固并流上行兩相流不均勻性機理的進一步研究[J].化工學報，1993，44（1）：49-58.

[7] 焦予秦，喬志德.翼型風洞側壁干擾的數值模擬研究[J].空氣動力學學報，2001，19（4）：471-477.