新型風掃筒式烘干機干燥過程數值模擬

陳作炳，朱夢佳

(武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢430070)

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新型風掃筒式烘干機干燥過程數值模擬

陳作炳，朱夢佳

(武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢430070)

目前國內對于高粘稠物料的烘干并沒有針對性的研究，工業上用于高粘稠物料烘干的烘干機存在各種各樣的不足。風掃筒式烘干機(簡稱AST)能夠解決高粘稠物料干燥過程中易結塊，水分干燥不充分的難題，且具有烘干速度快、效果好、節能環保等優勢，彌補了工業上針對高粘稠物料烘干機短缺的問題。本文介紹了風掃筒式烘干機的工作原理和基本結構，并利用多相流模型和DPM模型對不同工況下的干燥過程進行數值模擬，分析比較各工況下相變量和氣態水體積分數的變化趨勢，為結構參數優化及運行參數優化提供指導。

風掃筒式烘干機 多相流模型 DPM模型 相變量

0 引言

隨著我國工業化程度的逐步加深，各行業為我國經濟做出了巨大貢獻的同時，也產生了很多廢棄物。其中包括難處理的粘稠廢棄物。據統計，2014年我國城市產生了2 800萬t污泥，據估算其仍將以5%～10%的速度持續增長。大量類似污泥的粘稠廢棄物對環境有許多負面影響，如污染水資源，滋生病菌等等。但對于高濕廢棄物傳統的處理方式并不能做到無害化。隨著人們環保意識的加強和資源的短缺，對于高濕廢棄物的處理和利用呈現出多樣化的趨勢。本文研究的對象是工業上烘干粘稠物料的專業設備—風掃筒式烘干機[1-2]。

1 物理對象

風掃筒式烘干機為一種高效且低能耗的新型烘干機，可干燥常規烘干機不能有效烘干的高粘稠物料，結構上集粉碎、攪拌、烘干于一體，具有烘干速度快、效果好且可調節物料停留時間等優勢[3]。

風掃筒式烘干機的基本原理如下：干燥介質(熱風)由進風口進入，粘稠物料通過喂料機構由進料口進入筒體內部，經筒體內部葉片打碎，攪拌，與熱介質充分接觸后被干燥，最終從出風口同熱風一起排出；圖1為烘干機結構示意圖。干燥過程是一個復雜的過程，物料在筒體內受兩個外力作用：熱風的作用，另外一個是攪拌葉片的作用。下面將從溫度和速度兩方面分析烘干機整個干燥過程以指導結構參數及運行參數的優化[4]。

圖1 風掃筒式烘干機結構示意圖

2 計算模型及邊界條件設定

本文采用CFD軟件中的fluent作為分析工具，分析常用的方法分為Euler-Lagrange和Euler- Euler。Euler-Lagrange 方法適用于體積分數小于10%的稀疏多相問題。本文中根據工況條件參數可計算固體顆粒所占體積：η=Q1/Q2=4.2%<10%，故固相可采用離散模型(DPM)進行模擬[5]。而Euler-Euler方法包括VOF、Mixture和Eulerian三種模型。其中，Mixture模型是一種建立多相流模型的簡化Euler方法,需求解的方程少，穩定性好，且模擬時有足夠的精度。本文涉及的物料顆粒尺寸較大，拋送物料時相間有較強的耦合，同時考慮到計算精度，氣相和液相選取Euler- Euler方法中的 Mixture模型進行模擬。

氣相入口和液相入口類型為速度入口(velocity-inlet)，出口類型為壓力出口(pressure-outlet)，外筒體壁面類型為普通壁面(wall)。筒體內流體簡化為氣-液多相流，主相為氣相，材料為空氣；次相為液體，材料為液態水[6]。

3 數值模擬結果分析

利用多相流和離散相模型分析在熱源溫度T=873 K，進風速度v=3 m/s,主軸轉速n=300 r/min的工況條件下，高粘稠物料在風掃筒式烘干機內部的干燥過程,得到筒體內部的速度場和溫度場[7-8]。

3.1 溫度場分析

由圖2可知熱風由進風口進入筒體內部后，在進風口處熱風尚未與低溫物料接觸時，短時間內熱空氣仍保持在較高溫度，在物料由進料口進入筒體后與熱風進行劇烈的熱交換，傳熱速度急劇上升，熱風溫度由873 K逐漸下降，同時物料溫度急劇上升，物料在此區域加速干燥，水分吸收了大量的熱，開始汽化為水蒸氣，但此階段物料的含水量并沒有十分明顯的變化，此階段為物料干燥過程中的加速階段。由圖可知，筒體內部的溫度由873 K降至650 K左右后，溫度的變化逐漸放緩。當物料進入此區域后物料的干燥進入了恒速干燥階段，物料在攪拌葉片的作用下，與熱風充分的接觸，進行良好的換熱，干燥效率較高，在此階段物料的含水量快速的下降，當含水量降到一定值后，物料進入降速干燥階段。隨著水含量的不斷降低，物料內部水分的遷移速度小于物料表面的氣化速度，干燥過程受物料內部傳熱傳質作用的制約，傳質作用占主導地位，干燥的速度越來越慢。總體上看溫度場的變化沿介質流動的方向變化越來越小。

圖2 面x=0溫度分布情況

圖3 各橫截面溫度最值與均值曲線圖

圖3為各截面溫度的最值與均值的曲線圖,由圖可看出從面z=1到面z=3.5,物料在筒體內部與熱風的熱交換過程也是溫度場逐漸均勻化的一個過程。在物料進入筒體時，溫度的最大值與溫度最小值都與截面溫度平均值相差較大。此時干燥過程進行的并不劇烈，隨著物料沿軸向向前移動，干燥過程進入的恒速階段，干燥速度增大，此時截面的平均溫度迅速下降，直至降到一定值，此時干燥進入降速階段，溫度平均值的曲線圖趨于平滑，物料通過熱交換，常溫的物料溫度升高，高溫氣體溫度降低，高溫區與低溫區相互同化，逐漸實現整個溫度場的均勻化，實現液態水向氣態水的轉化，物料的烘干。

圖4所示為截面z=2.0,2.5,3.0,3.5溫度場分布圖。從單個溫度場的分布來看，由截面z=2可知在物料進入筒體后，在物料與熱風接觸面上發生了劇烈的熱交換，在接觸面上呈現溫度由于熱交換而急劇下降的趨勢。由圖可以發現高溫段主要出現在靠近筒體中心線的部分，之所以會出現這樣的溫度場分布是因為：

①結構布置：烘干機的進料口布置在筒體橫截面的遠軸端，物料進入筒體后在離心力的作用下，物料會集中在遠離主軸的部分與熱風進行熱交換，故遠軸區的溫度會稍低于近軸區的溫度；

②熱交換方向：物料進入筒體后，此時物料顆粒較大，含水量較高，物料顆粒主要集中在遠軸區進行熱交換，當熱交換進行到一定程度，物料的含水量較小時，物料顆粒的粒徑會變小，此時熱風的作用對物料起主導作用，物料逐漸在筒體內部分散，也使得整個熱交換的界面由遠軸區逐漸在筒體內部平移，即物料與熱風的熱交換沿徑向由外向里進行。故遠軸區的溫度稍低于近軸區溫度。

圖4 截面z=2.0,2.5,3.0,3.5溫度場分布圖

3.2 速度場分析

根據數值計算的結果顯示,在進風口處，由于進料口進入筒體的物料與熱風發生較多干涉，局部靠近進料口的部分速度較大。當物料進入下個階段后，整體速度場區域穩定，在此區域中，物料進入了恒速干燥階段，此階段水分快速氣化為水蒸氣。物料最終進入筒體的后半段進行降速干燥階段，由于在出口處設有集塵器，集塵器會在出口處形成負壓場，由于負壓的作用，速度會有顯著提升，物料因為負壓的作用快速進入收塵器，所以筒體后半段特別是出口位置速度明顯比筒體停留區速度高(圖5)。

圖5 面x=0速度場分布圖

如圖6為面z=0.5和面z=3的速度矢量圖。在z=0.5的橫截面上整個速度場稍顯紊亂，由于面z=0.5靠近就物料入口，物料剛進入筒體內部，并未達到一個穩定的狀態，由圖6(a)可見物料由點1開始分為兩股分別沿順時針和逆時針旋轉，最后在葉片處(即圖中點2處)匯集，然后在遠軸端順時針高速旋轉。速度場中速度最大值出現在攪拌葉片的頂端點2，原因有兩個：第一個原因是頂端的旋轉半徑較大，線速度會相對較高；第二個原因為熱風在葉片的迎風面處不斷堆積，從而形成壓力。在壓力和熱風的作用下，物料隨葉片作螺旋運動的同時也在葉片上做徑向的離心運動。當運動到一定位置時，物料脫離葉片，此時物料堆積產生的壓力達到最大，物料則出現了如圖所示的最大速度。而圖6(b)中z=3面整個速度場繞軸沿順時針方向旋轉，此時物料的運轉早已達到一個均勻的狀態。由于該橫截面靠近烘干機出口，且在出口位置設有集塵器收集已干燥的顆粒物料，故最高速度出現在出口處。

(a)z=0.5 (b)z=3圖6 速度矢量圖

3.3 介質流速對干燥情況的影響

熱風不僅作為烘干機的唯一熱源提供干燥所需熱量，還作為傳輸載體輸送物料。故干燥介質流速大小對干燥過程有著較大的影響，下面將以相變量作為觀察指標比較不同介質流速下的干燥情況。

圖7 各截面相變量曲線圖

圖7為在熱源溫度T=873 K，轉速n=300 r/min的工況下，介質流速不同時，各截面的相變量曲線圖。由圖中可見：1)在截面z=0.5 m～1 m之間，介質流速越快，相變量越小；2)介質流速越快，相變量達到的最大值的位置越靠后，且當介質流速超過一定值后，相變量并不能在觀察范圍內達到最大。介質流速越快，物料進入筒體后，在筒體內行進得越快。物料由入口到達某一截面S時，介質流速為v=9 m/s工況下，物料可能剛進入恒速干燥階段；但在介質流速為v=1 m/s時，物料可能已經進入降速干燥階段，故會出現在一定階段內流速越快，相變量越小，且相變量達到最大值的位置越靠后的情況。這是由于流速越高，單位時間內熱源進入筒體的總量越大，也就能提供更多的熱量支持干燥；熱量越多，筒體內平均溫度越高，與物料間的溫差隨之增大，干燥速率也會增大，并能達到與較低介質流速相比更大的極值。

圖8 各截面的水蒸氣體積分數曲線圖

干燥過程相變產生水蒸氣，水蒸氣的體積分數可以直觀地評價干燥效果。圖8為在熱源溫度T=873 K，轉速n=300 r/min的工況下，介質流速分別為v=1～9 m/s時，各截面的水蒸氣體積分數曲線圖。由相變的單位可知，水蒸氣的質量Mq等于相變量Q對時間t的積分，水蒸氣的體積分數：δ=Vq/(Vq+Vair)；Vq=Mq/ρ；其中Vq為水蒸氣體積，Vair為熱源介質體積。則水蒸氣的體積分數與相變量Q對時間t的積分值正相關，即δ∝∫Q(t)dt。這就驗證了干燥的過程是干燥速率和干燥時間共同影響的結果。在前面提到介質流速快的工況下，物料停留的時間就越短，但作為熱源，介質流速越快，提供給干燥過程的熱量越多，其干燥速率也就會隨之增大。每個工況都有一個相對最佳的流速，既能滿足干燥時間，也能滿足熱能的需求量。由圖8可知在熱源溫度T=873 K，轉速n=300 r/min的工況下，v=3 m/s為此工況下的最佳介質流速。

4 小結

本文利用多相流和DPM混合模型模擬分析了風掃筒式烘干機在干燥過程中的速度場、溫度場分布情況。通過模擬得出以下結論：

1)在干燥腔體的中部,溫度下降較快,此區域物料干燥速率較高，在結構的優化中要著重考慮此區域流場的改善；高溫段出現在靠近筒體中心線的部分，且總體上看溫度場的變化沿介質氣體流動的方向變化逐漸減小。

2)流場速度最大值出現在出口處，由于集塵器的設置，在負壓的作用下，干燥筒體靠近出口的位置，速度明顯比筒體中間段的速度高。

3)在熱源溫度T=873 K，轉速n=300 r/min的工況下，通過對比四組不同介質流速下相變情況，得出v=3 m/s時為此工況下的最佳介質流速。

[1] Galeev A D, Starovoytova E V, Ponikarov S I. Numerical simulation of the consequences of liquefied ammonia instantaneous release using FLUENT software[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2013,91(3):191-201.

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[3] 趙勇. 高效粘稠物料烘干機研究與開發[D]. 武漢：武漢理工大學, 2014.

[4] 李衛華. 基于FLUENT的烘干機內部流場分析與結構優化[D]. 鎮江：江蘇科技大學, 2010.

[5] 郭建慧, 李伯全, 謝鷗. 基于Fluent的球團干燥過程仿真分析[J]. 信息技術, 2015(2):22-25.

[6] 吳海艷. SZ45型閃蒸干燥機內氣固兩相流數值模擬[D]. 沈陽：東北大學，2008.

[7] 王飛. 內熱式蒸汽回轉干燥機內流場溫度場數值模擬[D]. 沈陽：東北大學，2011.

[8] 李克峰. 旋片干燥機內流場和溫度場數值模擬[D].沈陽：東北大學，2009.

Numerical simulation of the drying process of the new-type air swept tubular dryer

CHEN Zuobing, ZHU Mengjia

At present, there are few domestic researches targeting on the drying of high-viscous materials, and the existing dryers have various deficiencies. In this study, we developed an air swept tubular dryer(AST) that could solve the problems of material caking and insufficient drying, and had the advantages of fast and effective drying, and energy saving. In this paper, we introduced the working principles and structure of the AST, and carried out numerical simulation of the drying process under different working conditions with multiphase flow model and discrete phase model, and analyzed the change trends of the phase variable and the vapor volume fraction. And the results were used to guide the optimization of the structure parameters and operation parameters of the AST.

air swept tubular dryer, multiphase flow model, discrete phase model, phase variable

TB24

A

1002-6886(2016)05-0057-04

陳作炳(1962-)，男，湖北孝感人，武漢理工大學機電學院博士，教授、博士生導師，研究方向建材裝備及控制技術、機電一體化、節能環保技術等。

朱夢佳(1989-)，男，湖北荊門人，武漢理工大學機電學院碩士研究生，研究方向先進設計理論與方法。

2016-03-29