極板快速干燥機風道流場的數值模擬和優化

馬力輝，齊明君，侯曉華，臧揚揚，孫輝

(1.河北大學 質量技術監督學院，河北 保定 071000；2.河北大學 低碳研究院，河北 保定 071000； 3.保定市質量技術監督局 特種設備監督檢驗所，河北 保定 071000)

在鉛酸蓄電池生產中，固化好壞至關重要.固化前，對涂膏板柵進行快速干燥使附著的鉛膏含水量由11%下降到8%左右是重要的工藝之一.極板快速干燥機就是此過程的專業設備.其由窯體、風道、加熱循環風系統、輸送系統、排濕系統等組成，如圖1所示.涂膏板柵沿極板運輸平面水平通過干燥機窯體，熱空氣以循環風機為動力，通過風道導向，最終由出風風道(上、下風道)出風口吹出，對板柵上下表面進行快速干燥，達到失水3%的目的.在干燥機的設計中，降低熱氣流在風道內流動的損失、提高熱氣流流速的均勻性對提高干燥性能至關重要[1-5].由于空氣的流動難以預測，對設備結構的反復實驗成本高、效率低[6-7]，本文采用Solidworks對干燥機中出風風道進行三維建模，依靠Flow Simulation插件對干燥機風道內熱空氣如何流動進行模擬，為風道結構的合理優化提供寶貴依據.

圖1 極板快速干燥機結構 Fig.1 Structure of fast plate dryer

1 幾何計算模型

干燥機風道的流場十分復雜，結構稍有改變流場隨即發生變化[8].針對傳統風道為簡單的長方形風道及風道內導流板簡單安放的問題，分別對出風風道形狀、出風風道不同導流板位置建立模型.出風風道形狀主要研究出風風道由矩形轉變為變截面的梯形形狀后對出風口風速的影響.出風風道不同導流板位置主要研究出風風道中導流板不同位置對出風口的風速及均勻性的影響.上風道與下風道結構相似，模型以下風道為模擬對象，風道進風口位置由干燥機與風道相關結構綜合考慮確定，出風口縫隙為30 mm，共有102個，分為2排，每排相鄰出風口間隔100 mm，如圖2所示.

a.出風風道形狀的幾何計算模型;b.出風風道不同導流板位置的幾何計算模型.
圖2 幾何計算模型
Fig.2 Geometric model

2 數值模擬與結果

2.1 模擬方案設置

出風風道形狀、出風風道不同導流板位置模擬方案示意如圖3所示.出風風道形狀方案中，風道進風口位置及大小已確定，利用調節梯形底部長度(L)來改變風道兩側變截面長度及角度，共有5組方案：1 600方案(L=1 600 mm)，1 800方案(L=1 800 mm)，2 000方案(L=2 000 mm)，2 200方案(L=2 200 mm)，矩形方案(L=6 650 mm). 出風風道的導流板不同位置方案設置有無導流板、1對導流板和2對導流板，共43組方案，方案參數設置見表1.用A1iB1j表示一對導流板參數，A1i表示深度參數(a1)，B1j表示位置參數(b1,b2)；A2mB2n表示2對導流板參數，A2m表示深度參數(a1,a2)，B2n表示導流板位置參數 [(b1,b2)(c1,c2)].如A12B12表示一對導流板200(150,500)方案，A23B23表示2對導流板(100,400)(100,700)(250,450)方案.

圖3 風道模擬方案尺寸示意 Fig.3 Dimensions schematic of simulation program on the air duct

序號A1/mmB1/mm A2/mmB2/mm1100(150,350)(100,200)(100,500)(250,400)2200(150,500)(100,300)(100,600)(250,450)3300(150,650)(100,400)(100,700)(250,450)4400(250,450)(200,300)(100,700)(250,550)5(350,550)(200,400)(100,700)(350,550)6(300,400)(200,500)(300,400)7(200,600)(300,500)

2.2 出風風道形狀模擬分析

圖4 出風風道形狀監測點素速度統計 Fig.4 Rate statistics of monitoring points in air duct

分別對5組方案進行計算機流場模擬.在條形出風口均勻選取監測點素，充分分析檢測點素數據，監測點素位置選擇應能充分表征出風風道速度規律.每個條形出風口上均勻選取8個監測點素，梯形較短一側取20個條形出風口，梯形較長一側取40個條形出風口.

由圖4可知，風速10～12，12～14，14～16 m/s的監測點素數量均明顯增加，其中12～14 m/s的增幅最大，提升56.41%～69.23%，10～12 m/s的提升比率為9.1%～10.2%，14～16 m/s的提升比率為37.5%～58.3%，16～18 m/s相差不大、基本相當，速度大于10 m/s的提升比率為31.1%～36.4%；風速較小的監測點素數量有所下降，其中小于5 m/s的下降比率為44.0%～56.0 %，5～10 m/s的下降比率為25.6%～29.5 %.梯形風道可以有效地增加兩端出風口的風速，使出風口風速為10～16 m/s的速度有所提升、小于10 m/s的速度有所減少及大于16 m/s的速度基本不變.這樣出風口風速就集中在中間比較高的風速范圍內.

2.3 出風風道不同導流板位置模擬分析

由于方案多(一對導流板方案20組，2對導流板方案42組，無導流板方案1組)，經過分析選取監測點素速度大于10 m/s的數量、子區域速度大于10 m/s點素數量百分比及對比速度云圖獲得結果.

2.3.1 監測點素速度大于10 m/s的數量

統計風道出風口監測點素總數，速度大于10 m/s點素數量如圖5所示.根據表1可確定各方案的具體參數.圖中各方案均對應標有速度大于10 m/s點素數量，其中無導流板速度大于10 m/s點素數量為536，篩選出點素數量大于536的導流板方案：100(150,350)，100(150,500)，100(150,650)，100(250,450)，100(350,550)，200(250,450)，(100,400)(200,500)(300,400)，(200,300)(100,500)(250,400)，(200,300)(100,700)(250,450)，(200,400)(100,500)(250,400)，(200,400)(200,500)(300,400).這些方案通過添加導流板使速度大于10 m/s點素數量有所增加，提高風道出風口較大風速的區域范圍，作為第1次篩選的結果.

圖5 速度大于10 m/s的點素數量統計 Fig.5 Statistics of monitoring points which Speed is faster than 10 m/s

2.3.2 子區域速度大于10 m/s點素數量百分比

出風口劃分為12個子區域，分析子區域出風口速度，如圖6所示.子區域出風口速度對干燥效果的影響權重不同，子區域篩選權重為：A1^，A1，A2^，A2，B2^，B2，C1^，C1高于B1^，B1，C2^，C2.篩選原則：在高權重區域內，出現大于10 m/s點素數量百分比為0或很小(百分比小于0.3)的方案將去除；出現多個區域大于10 m/s點素百分比偏小的方案將去除；低權重區域內，出現大于10 m/s點素數量百分比為0將直接去除；出現大于10 m/s點素數量百分比很小(百分比小于0.3)時，綜合考慮各區域情況后，決定是否去除.由圖7可知，無導流板方案在A2^，B2^，C1^區域內大于10 m/s點素所占比例偏小(0.4285，0.2187和0.43758)，100(150,350) ，100(150,500)，100(250,450)，(100,400)(200,500)(300,400)方案在C1^區域內大于10 m/s點素所占比例為0，(200,400)(100,500)(250,400)方案在B2及A1區域內大于10 m/s點素所占比例均比較小(0.25和0.2321).篩選出出風口速度大、分布較均勻的方案：100(150,650)，100(350,550)，200(250,450)，(200,300)(100,500)(250,400)，(200,300)(100,700)(250,450)，(200,400)(200,500)(300,400).

圖6 子區域劃分 Fig.6 Divided sub-regions in air duct

圖7 子區域大于10 m/s點素數量百分比雷達 Fig.7 Percentage of monitoring points which speed is faster than 10 m / s in sub-region

2.3.3 云圖分析

對比以上篩選方案的出風口速度云圖，直觀的辨別出速度的均勻性，云圖如圖8所示.由圖8可知，方案100(150，650)、100(350,550)在均勻性上較差：白色區域面積大即速度較小所占面積大；方案200(250,450)進風口附近出現大面積低速區域，極板在干燥過程中加熱不均勻，容易出現一半已干燥另一半潮濕的現象；方案(200,300)(100,500)(250,400)相對于剩余2個方案，在云圖上方白色區域較大，速度較低.方案(200,300)(100,700)(250,450)與方案(200,400)(200,500)(300,400)相比，前者黑色區域更深、范圍更大即出風口速度更大和較大風速的區域更大，說明其在均勻性及速度大小上更好一些.

圖8 出風風道側進風篩選云圖 Fig.8 Cloud chart of the air duct

3 結論

設置多組模擬方案，針對極板快速干燥機風道形狀及風道內導流板位置，進行風道流場分析，結果表明：梯形風道與矩形風道相比，可以一定程度提高風道兩側末端出風口速度，較長一側速度提升更為明顯，在模擬方案中，綜合考慮相關結構參數，1800方案穩定性好，適宜應用于實際生產；對出風風道導流板位置改變而設置的眾多方案進行3次篩選，分別對監測點素速度大于10 m/s的數量、子區域速度大于10 m/s點素數量百分比、云圖進行分析，說明合理的導流板位置可以提高出風風道出風口風速的均勻性及風速大小，在模擬方案中，方案(200,300)(100,700)(250,450)出風口風速的均勻性及大小效果更好，適宜應用于實際生產.

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