雙錐形模擬月壤烘干裝置的設計

(北華大學機械工程學院，吉林吉林132021)

干燥技術［1-2］是一門跨行業、跨學科、具有實驗科學性質的技術，應用產業廣泛．目前已經深入到模擬領域的研究．在進行地面采樣試驗過程中，模擬月壤［3］中的含水率指標將會影響采樣試驗所測得的轉矩和功耗參數，甚至有可能影響試驗實測取芯率的準確性．為了排除模擬月壤中含水率這一擾動因素，需要在模擬月壤制備過程中加入烘干環節，并對烘干后的模擬月壤進行含水率指標檢測，以確保每次試驗前模擬月壤的含水率都處于已標定狀態．因此研制模擬月壤烘干設備的目的是實現模擬月壤含水率的預先設定．通過對模擬月壤的烘干處理和濕度傳感器的實時在線檢測，可以達到模擬月壤含水率的預設的目的;不同含水率的模擬月壤具有不同的微觀力學特性，從而可以為采樣試驗提供不同含水率指標的模擬月壤，進而為實驗數據提供堅實的基礎．

1 模擬月壤烘干技術分析

干燥通常是指將熱量加于濕物料并排除揮發性濕分，而獲得一定濕含量固體產品的過程．目前常用的干燥技術有:噴霧干燥、氣流干燥、太陽能干燥、微波干燥、紅外輻射干燥、沖擊干燥、穿透干燥、沖擊穿透干燥、對撞流干燥、過熱蒸汽干燥、聲波干燥、接觸吸附干燥、靜電場干燥、高頻電磁加熱干燥、熱風干燥等干燥技術．然而上述干燥方法主要針對化工、醫藥、電子、生物、食品等方面的干燥，而模擬月壤是與月球具有相似的礦物組成、化學成分和物理力學性質的地球物質，是月球樣品的地球化學復制品，該物料要求無污染，加熱過程中無任何化學反應．僅從干燥方法的工作機理及適用物料可知，目前只有熱風干燥［4-5］、電加熱干燥［6］和微波干燥［7-8］3 種干燥方法對模擬月壤的干燥較為適用．然而熱風干燥在有限長的時間內很難達到較低的含水率，有的需要進行特殊干燥處理方可達到較低含水率的要求．對模擬月壤粉末狀物質干燥時，顆粒度比較小，初始含水量不高，而且在干燥過程中要求無塵化．因此進一步考慮可以得出熱風干燥方法并不適合模擬月壤的烘干處理．為了能夠比較出哪種干燥方法更適合于烘干月壤以及為下面的箱體結構設計時所需箱體的尺寸做出預算，同時為了驗證方案的可行性，將電加熱、微波做出相應的功率和效率的理論計算，通過對比，可以得出電加熱干燥技術和微波技術都能夠滿足模擬月壤的干燥．

本文主要采用CAS-1模擬月壤［9］．由于在計算功率損耗過程中，需要模擬月壤的比熱容Cp月，但是現有的資料沒有比熱容的具體數值，為此采用加權平均的方法計算出模擬月壤的比熱容，通過大量的資料檢索，CAS-1主要成分中的比熱容如下所示:(此處數據建議列表)

二氧化硅: 966kJ/(kg·℃)49．24%

三氧化二鋁:462J/(kg·℃) 18．52%

氧化亞鐵: 725J/(kg·℃) 11．35%

氧化鎂: 251J(kg·℃) 7．32%

據此計算模擬月壤的比熱容:

實驗所在地在北京，經查知當地的2010年平均相對濕度為59%左右，考慮到月壤在制備后的轉運過程以及當地氣候影響，月壤的絕對初始含水率為20%(僅為此次理論計算參考)，本次烘干箱烘干的單次最大烘干量為m=175 kg，CAS-1模擬月壤的緊實密度為1．46 g/cm3，疏松密度為1．14 g/cm3．這里采用疏松密度計算．因此本次烘干月壤的總體積:

物料所含水份可分為非結合水和結合水．一般物料的非結合水含量遠遠大于結合水的含量，并且非結合水的干燥過程比干燥結合水更容易一些．一般干燥工藝僅干燥非結合水．如果要求物料干燥后的含水率很低，這就需要干燥物料的結合水，干燥結合水的過程相對于干燥非結合水來說是比較困難．據此可以把物料的干燥過程分成兩個階段即干燥初期和干燥后期，干燥初期僅干燥物料的非結合水;在干燥后期階段主要干燥結合水．由于各種因素的限制及月壤的獨特性質，很少經過試驗進行分析測定，因此結合月壤的物質特性進行假設，以含水率10%為干燥過程的轉折點，可分為含水率20% ～10%和10% ～0%兩大區段，其中20%～10%這個區段可視為僅干燥非結合水，10% ～0%可視為僅干燥結合水．以下為理論計算:

在技術要求中，所耗功率不大于30 kW，環境溫度0～35℃，箱內溫度60～120℃．因此取最大功率為25 kW，室溫為25℃，箱內升高最高溫度100℃，進行效率計算．

1.1 微波加熱

干燥初期含水率20% ～10%:

式中:Q1為將月壤加熱到100℃ 理論耗能量kJ;m月為烘干前模擬月壤的質量;Cp為物料的比熱，kJ/(kg·℃);ΔT為物料升高的溫度．由此計算:

Q1=140 × 0．765 8 × 75 kJ=8040．9 kJ ．

由于這個過程中水份蒸發散出，所以蒸發水耗能為Q2

式中:Q2為蒸發月壤水份需要的理論耗能量，單位kJ;m1，m2分別為物料的初始含水率和終含水率;L為在100℃時的蒸發潛熱2257．2 kJ/kg．所以:

因此微波產能的60%用來干燥月壤，則消耗的總能量Q12:

設所用時間為t1，微波的轉化效率為60%，由P=W/t聯合可得:

干燥后期含水率10% ～0% ，所用時間T2，同理:T2=0．7 h．

1.2 電加熱烘干

干燥初期含水率20% ～10%，所耗能為

式中:Cp月=765．8 J/(kg·℃)，m月=m×80%=140 kg，ΔT=75℃．

所以月壤升高溫度耗能Q月:

由于這個過程中水份蒸發出來，質量為m水:

所以月壤中水份升溫所耗能量Q水:

L表示在100℃ 時的蒸發潛熱2 257．2 kJ，所以

從而總體耗能Q總:

由于能量的轉化效率為30%，所以:

由 P=W/t可得 t=3．6 h．

干燥后期10%以下:

由于電加熱干燥的后期，幾乎僅對結合水干燥，所以效率低，要想達到1%的含水率，需要時間較長，這里不做計算．

通過上述論證可以看出，相對于常規加熱干燥方式，微波加熱干燥一直有著無可比擬的優勢，但這種干燥方式也存在一定的缺點．對于透明性材料很難被加熱，并且熱不良導體內部會形成大的溫度梯度或導致非均勻加熱;對于微波干燥的設備需要專門涉及，并且投入資金大，設備比較貴重，復雜;由于微波加熱速率快，可能會導致“熱斑”及“熱失控”，試樣溫度難以精確測量，并且有時會與不希望的雜志反應或與絕熱層相污染;難于維持某個確定溫度，只能維持在某個溫度段中．

雖然電加熱總耗能多，時間長，但也可以達到1%的含水率．綜合考慮技術滿足性與經濟性、安全性的關系，最終確立模擬月壤電加熱烘干裝置為優選方案．

2 雙錐電加熱烘干裝置整體結構及工作原理

為使烘干過程簡單、高效、易操作，且滿足每天干燥量不小于2t等技術要求，對電加熱增加輔助措施，以提高干燥效率，并針對模擬月壤特點進行防塵工藝處理，確定選用電加熱真空干燥裝置，并且采用間歇式烘干方式，該裝置總體由供熱調節系統、真空干燥系統、抽濕過濾系統以及輔助設備等幾大系統組成，其原理圖如圖1．

圖1 電加熱真空干燥裝置原理圖

該裝置采用模塊化設計，幾大系統相互獨立，相互配合形成統一整體．其工作原理是在內外加熱干燥筒體中間均勻加裝墊加熱板，在外筒體上加裝保溫層．通過電加熱板使物料得到均勻快速的加熱，整個加熱過程可方便調節加熱的溫度;加熱過程中通過抽濕排除物料水分，可提高加熱效率．在抽濕系統入口處加裝過濾篩網，可以保證物料的成分不變及防塵，在抽濕排孔處采用多級過濾處理，并最終排放入水吸收，確定無塵．

3 真空干燥系統

根據物料的性質在加熱物料時選用的是密閉的筒體以達到防塵的要求．當物料處于密閉筒體中加熱時，物料中的水分蒸發，筒體中的水分含量將大大增加．根據設計，為達到每天干燥量不小于2t的要求，筒體的一次裝料量在375L．假設原始物料的含水率為7%，干燥后的物料含水率要求為不高于1%．根據計算，整個加熱過程中蒸發的水分的重量為:

整個加熱干燥時間初定為90 min，如果加熱過程中蒸發的水蒸氣不能排走，將大大影響加熱的效率及增加加熱的時間．為提高加熱效率，需將罐體內水蒸氣抽走．在真空加熱的特殊環境可以使物料處于松散狀態，蒸汽壓下降使物料表面的水分(溶劑)達到飽和狀態而蒸發，從而使物料在很短時間內達到干燥目的．為此筒體內增加抽濕過濾系統用于實現對回轉罐體的抽真空，在加熱干燥過程中，筒體內封閉，水分經過濾篩通過排濕孔的真空泵送入冷卻除塵等裝置，實現對模擬月壤干燥的目的．

為使物料受熱均勻，在加熱過程中物料需要進行翻轉．一種方法是筒體不動，筒體內設計螺帶結構，通過螺帶的旋轉翻轉物料．結構如圖2所示．

圖2 螺帶旋轉干燥裝置原理圖

這種設計結構簡單，由于筒體在加熱過程中保持不動，可將電加熱裝置直接安裝到筒體上．缺點是攪拌螺帶和筒內壁要留有間隙，保證螺帶在旋轉時不會刮傷筒體．由于加熱的是粉塵狀物料，這就會導致物料在局部有堆積，易改變物料成分且在下料時易殘留．為此在筒體設計方案中采用雙錐形的回轉筒體，在加熱過程中，筒體緩慢旋轉保證物料翻轉受熱均勻．雙錐型筒體結構保證物料在翻轉過程中無堆積，且下料時錐形結構的下料口保證下料快速無殘留，具體結構如圖3所示．

圖3 錐形筒體圖

筒體在真空狀態下，夾套中的電加熱板快速的加熱內筒體，熱量通過筒體內壁與濕物料接觸．濕物料吸熱后蒸發的水汽或其他氣體，通過真空泵經真空排氣管被抽走．由于筒體內處于真空狀態，且筒體的回轉使物料不斷上下和內外翻動，加快了物料的干燥速度，提高了干燥速率，達到均勻干燥的目的．雙錐回轉筒體內部結構簡單，清掃容易，材料能全部排出，操作簡便;能降低勞動強度，能改善工作環境;不僅節約能源，而且物料干燥均勻充分、質量好、熱效高．外加一些輔助裝置，可以很好地實現對模擬月壤的烘干制備．雙錐回轉真空干燥裝置原理圖如圖4所示．

圖4 真空干燥系統原理圖

雙錐回轉真空干燥系統有烘干內桶、烘干外筒、隔熱板、入料密封烘干蓋、出料密封烘干蓋、出料控制閥、供熱回轉支撐軸、抽濕回轉支撐軸、電動機、減速器、帶輪傳動機構、鏈輪傳動機構、回轉支撐立柱等結構以及電控系統組成．

考慮烘干物料量的多少會影響烘干效果及效率，烘干量越多則烘干的效果不佳，效率也低，所以采用分批物料的烘干原則，分批烘干設計的優點是:烘干效果好，效率高，烘干速度快，在同樣的時間內總的干燥量相對較多．同時輕化了設備系統，在滿足要求的前提下，該設備成本更低．同時烘干完成的物料轉運會大大減輕人力的勞動．所以烘干裝置采用分批烘干方式，根據現有相關產品筒體的比較，雙錐回轉罐體的總體積設計為750 L，滿載容積為375 L．

雙錐回轉真空干燥系統工作時首先打開烘干筒體的上料蓋，然后運料裝置將原始物料通過上料轉運至烘干內桶，蓋好上料蓋保證密封，經由供熱調節系統對裝置進行溫度調節控制，抽濕過濾系統對裝置內桶進行抽濕、真空化處理．最后在動力單元的帶動下，烘干桶實現對模擬月壤的烘干處理．真空干燥系統結構如圖5所示．

圖5 真空干燥系統三維結構圖

4 結 論

本研究針對模擬月壤的獨特物性，提出了電加熱真空干燥方法，滿足烘干后模擬月壤的含水率低于1%的技術要求．首先對模擬月壤烘干技術進行分析，通過對微波及電加熱兩種干燥方法的理論分析和比較，綜合各種因素，最終確定了電加熱方法為最優方案．烘干裝置采用間歇式烘干方式以提高模擬月壤的干燥效率．加熱筒體內設計有螺帶結構，確保物料受熱均勻．考慮到通過螺帶的旋轉翻轉可能導致物料堆積，因此在方案設計中采用雙錐形的回轉筒體來代替普通型的筒體，從而使物料無殘留排出，簡化操作，降低勞動強度;同時具有節約能源，物料干燥均勻，熱效高的特點，能夠滿足高精度、低含水率的技術要求．該烘干裝置外形尺寸為:2 000×1 200×2 400 mm(L×W×H)．

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