連續盤式熱風干燥器干燥盤結構設計與傳熱分析

蘇全衛 周 航

(河南機電職業學院機電工程學院，河南 鄭州 451191)

連續盤式熱風干燥器干燥盤結構設計與傳熱分析

蘇全衛 周 航

(河南機電職業學院機電工程學院，河南 鄭州 451191)

為使食品得到更好的干燥以及提高干燥生產效率，在分析盤式干燥器工作原理的基礎上，對干燥盤零件進行了幾何結構設計、應力及變形分析，給出所選制造材料厚度的計算公式；分析干燥盤在工作中與物料顆粒的傳熱過程，總結出傳熱系數公式。參考該文相關理論生產的盤式干燥器運行良好，干燥效果顯著。

干燥盤；結構設計；傳熱分析

物料干燥是一項常見而又重要的化工單元操作，其本質是將被干燥固相物料中的濕分轉移到氣相中而除去。傳統的干燥往往是將物料放入托盤再放入烘箱烘烤，待物料烘干后，再打開烘箱從中取出。一方面，每一批物料烘干后，需要停下來人工取出物料，不能夠連續生產；另一方面，托盤中的物料呈靜止狀態，因不能被翻動攪拌而往往使物料干燥不均勻。現代的干燥作業，普遍采用盤式干燥器，這是一種由多層加熱圓盤、帶轉耙攪拌的、豎型連續干燥裝置，其獨特的結構和工作原理決定了它具有干燥效率高、能耗低、占地面積小、操作簡單等特點，目前已被廣泛地應用于食品、飼料、農副產品加工、化工、醫藥等行業的干燥作業[1-3]。

盤式干燥器的結構形式，按加熱方式分有接觸傳導型、熱風對流型以及對流傳導混合型；按操作壓力分有常壓型、真空型[1]。針對食品、農副產品烘干作業，選用的連續盤式熱風干燥器，是屬常壓下操作的，熱風對流、干燥盤熱傳導的混合型干燥器。干燥盤是連續盤式干燥器的關鍵零件，它在干燥過程中起到加熱體的作用，物料在干燥盤上連續流動并受到加熱，最終被干燥。故干燥盤結構及傳熱設計是否得當，直接影響干燥器整體的性能。目前，干燥盤的設計在很大程度上是依賴中試和經驗相結合完成的，缺少理論分析依據[4-5]。因此，本試驗從理論分析的角度，研究了干燥盤的結構，并對其進行應力、變形以及傳熱分析，為干燥盤的設計提供借鑒。

1 干燥盤的功能分析

干燥盤是盤式干燥器的主要功能部件，為更好地設計，必須了解其所處的工作環境及工作原理。盤式干燥器也稱圓盤干燥器、板式干燥器，是一種高效節能的連續熱傳導型干燥設備，其結構及工作原理[6-7]見圖1，小、大兩種干燥盤自上而下依次安裝在干燥器的內腔里；工作時，濕物料從干燥器頂部的料斗處連續地加入并落到最上層小干燥盤盤面的內緣處，帶有耙葉的刮板裝置(由主軸、耙臂、耙葉組成，耙葉具有方向性且可在盤面上浮動)作回轉運動，耙葉一邊連續地翻動濕物料，一邊將濕物料從小干燥盤內緣以螺旋線軌跡逐漸推向小干燥盤外緣，最后從外緣跌落到下一層干燥盤(大干燥盤)面的外緣處；大干燥盤上的耙葉與小干燥盤上的方向相反，因此，物料在大干燥盤上是從盤面的外緣以螺旋線軌跡逐漸被推向大干燥盤的內緣，而大干燥盤的內緣有一孔洞，因此物料從內緣孔洞又跌落至下一層小干燥盤的內緣處；物料繼續在該小干燥盤面被耙葉逐漸推向外緣，然后又跌落至下一層大干燥盤的外緣處；如此周而復始，物料在大小上下交替的干燥盤中通過，最后從干燥器的最下端流出。大小干燥盤內均通入加熱介質，濕物料在干燥盤上受熱，濕分從物料中溢出，由設在容器頂部的排濕口排出，物料在從上到下遷移的過程中逐漸被干燥。由此可見干燥盤是連續盤式干燥器的關鍵部件，其設計的優劣直接影響物料的干燥效果。

1. 干物料 2. 大干燥盤 3. 小干燥盤 4. 過熱蒸汽 5. 濕物料 6. 抽風機 7. 水蒸氣

2 干燥盤的結構分析

2.1 干燥盤的幾何結構設計

耙葉通過主軸旋轉而推動物料在干燥盤面上移動，故干燥盤設計為圓形。又因為干燥盤需要通過傳熱介質加熱，故其內部設計為中空，并且考慮到更好地傳熱，內部空間采用隔板(也起到加強筋的作用)焊接以構成曲折的流體通道[8][9]151-152，見圖2。內立筒和外立筒分別焊接于上下板的內緣和外緣，以構成封閉腔體。干燥盤外緣兩側分別焊接輸入、輸出管，用于加熱介質的進出。干燥盤的材質選用常見的45#鋼板。

1. 上板 2. 下板 3. 內立筒 4. 外立筒 5. 輸入/輸出管 6. 隔板

2.2 干燥盤的應力及變形分析

干燥盤的應力及變形分析的目的：當干燥盤中通入一定壓力的傳熱介質后，確保干燥盤的上、下板強度不會超出許用應力，變形在許可范圍內，基于干燥盤的結構和尺寸，通過計算分析，選擇合適的上下板厚度。

如圖2所示，干燥盤是盤式干燥器的承壓元件，其工作時，上、下板夾層內通有一定壓力的加熱介質，在介質(如過熱水蒸氣)壓力和熱量作用下，上下板將發生變形。為便于對上、下板的應力及板的變形進行分析，特作如下假設：

① 由于隔板高度較小(一般24 mm左右)，因此可以忽略隔板在承載時的變形；

② 上、下板的變形為小變形；

③ 隔板在上、下板上均布。

根據以上假設，選取的力學模型如圖2中虛線圓所示，該模型是以隔板為中心，以兩隔板之間距離一半r0為半徑選取一小圓板，該小圓板視為具有內孔半徑為a的小圓平板，且內孔周邊支撐在剛性支座上。在介質壓力(均布載荷)p作用下，小圓平板受到的約束為：均布在半徑為a的小圓孔周邊上的剪力P；周圍相鄰板對支撐處的力矩Mr0。因為與該小圓板相鄰部分的受力及變形情況與該小圓板相同，所以該小圓板周圍的剪力為0。該小圓板受力變形如圖3中的虛線所示。

圖3 小圓平板力學模型所受到的約束Figure 3 Constraint on the small round platemechanics model

圖4 均布載荷p及P作用下且周邊固定的小圓平板Figure 4 The small round plate mechanics model under the action of uniformly distributed load p and P

根據平板理論[10]，在介質壓力p(均布載荷)作用下，該小圓板上、下表面的應力分別為：

(1)

(2)

在介質壓力p作用下引起板位移W1為：

(3)

式中：

S——板的厚度，m；

D——板的抗彎剛度，N/m；

E——材料的彈性模量，MPa；

μ——材料的泊松比。

該小圓板在其內孔(半徑為a)周邊受到均布力P時，所產生的位移W2由式(4)求得：

(4)

解該方程得：

(5)

所以將C1、C2、C3代入(5)式可得：

(6)

在內孔邊緣施加分布力P的作用下，板內的力矩由式(7)、(8)計算：

(7)

(8)

(9)

(10)

則板上、下表面的應力為：

(11)

(12)

(13)

στ=στ1+στ2=

(14)

σθ=σθ1+σθ2=

(15)

最后確定干燥盤上、下板的厚度。干燥盤上板或下板厚度的確定需要考慮兩個因素：既保證板料有足夠的強度，又保證其不發生大的變形。因此，其設計準則為：

(16)

(17)

由式(13)可得，當r=a時，

(18)

由式(16)得：

(19)

3 干燥盤的傳熱分析

從工作原理看，干燥盤對物料的干燥過程可歸結為平板在攪動的顆粒床上的熱傳導。在該狀態下的傳熱系數一般是依照Schlunder[11]提出的“顆粒熱傳遞模型”，采用動態加熱板的方法來計算傳熱系數。根據該理論，在動態加熱面與待干燥的物料顆粒間的熱傳遞主要是以下3個方面：① 加熱板壁與顆粒間的熱傳遞；② 顆粒內的熱傳導；③ 物料中由于顆粒相對運動引起的熱對流。

加熱板壁與顆粒間的傳熱系數與顆粒的直徑、顆粒的堆積狀況等因素密切相關，假定顆粒是球狀，則板壁與顆粒間的傳熱系數hs由以下方程確定：

(20)

(21)

hs=Ψhp，

(22)

式中：

hp——加熱板壁與接觸顆粒間的理論傳熱系數，W/(m2·K)；

hs——考慮表面覆蓋系數后，加熱板壁與顆粒間的傳熱系數，W/(m2·K)；

dp——物料顆粒直徑，mm；

λg——顆粒間隙氣體的熱導率，W/(m·K)；

Cg——顆粒間隙氣體的比熱，J/(kg·K)；

M——空氣的分子量；

p——干燥器內空氣的壓力，Pa；

T——干燥器內空氣的溫度，K；

Ψ——表面覆蓋系數。

式(21)中γ為考慮空氣影響而引入的調節系數，其經驗公式[12]為：

lg(1/γ-1)=0.6-(1 000/T+1)/2.8。

(23)

根據物料顆粒在干燥盤上處于完全混合狀態下時，顆粒內的熱傳導系數hc由“擴散理論”[13-14]得出：

(24)

式中：

hc——顆粒內的熱傳導系數，W/(m2·K)；

CP——顆粒的比熱，J/(kg·K)；

ρ——物料密度，kg/m3；

λp——物料顆粒的熱導率，W/(m·K)；

τR——物料顆粒與加熱板壁的接觸時間，s。

因物料顆粒在干燥盤上的運動十分復雜，且顆粒之間相對運動有限，故為簡化計算，忽略顆粒運動引起的熱對流對總的傳熱系數的影響。在此前提下，干燥盤與物料之間的總傳熱系數可以表示為：

(25)

干燥盤的傳熱分析，為設計物料在干燥器內的停留時間提供了依據，并進一步合理設計出主軸轉速、干燥盤個數，使物料經過干燥器既得以充分干燥，同時又保證時間最短。

4 應用分析

4.1 干燥盤結構設計的應用

該盤式干燥機最大干燥盤內孔徑設計為170mm，外徑為980mm，隔板間的距離為80mm，即r0=80 mm，材料選用45#鋼，操作溫度選定為220℃，許用應力[σ]=375 MPa，E=5.6×105MPa，a=2 mm，u=0.3，干燥盤內通壓力為0.4 MPa 水蒸氣，工藝要求[W]=0.2 mm，則該干燥盤上、下板的厚度由式(18)、(19)計算分別得到：

S≥

所以，取S=6mm，即上、下板材料均選用6mm厚的45#鋼板即可滿足制造要求。

干燥器的大盤與小盤結構是一樣的，其差別在于大盤的內孔徑和外徑尺寸均大于小盤的相應尺寸，而且尺寸相差不大，故二者的計算方法是一樣的。同時注意到：通過計算滿足大干燥盤的材料尺寸要求必定滿足小干燥盤的材料尺寸要求[15]。因此，為了便于生產，小干燥盤上、下板材料也選用6mm厚的45#鋼板。

4.2 干燥盤傳熱分析的應用

以干燥濕香菇物料為例，對于式(20)取物料顆粒平均直徑dp為43mm，顆粒間隙氣體的熱導率λg為0.024W/(m·K)，顆粒間隙氣體的比熱Cg為1×103J/(kg·K)，空氣的分子量M為29，干燥器內空氣的壓力p和溫度T分別為0.9×105Pa、393.15K，取表面覆蓋系數Ψ為0.55，熱力學常數R為8.314J/(mol·K)，由式(20)～(23)可得干燥盤板壁與顆粒間的實際傳熱系數hs=16.655 1W/(m2·K)。

取物料顆粒的比熱CP為3.77×103J/(kg·K)，物料密度ρ為1.2×103kg/m3，物料顆粒的熱導率λp為0.8W/(m·K)，物料顆粒與單個加熱板壁的接觸時間τR為12s，由公式(24)可得顆粒內的熱傳導系數hc=309.92W/(m2·K)。

根據以上hs和hc的計算結果由公式(25)最終得到干燥盤與物料之間的總傳熱系數hi=15.805 7W/(m2·K)。

比較傳熱系數hs和hc可知，hs比hc小得多，因此hs成為決定干燥盤與物料之間的總傳熱系數hi的主要因素；此外，在干燥器內自下而上有氣體強制流過，這就在前述傳導換熱的基礎上，附加了對流換熱，通常對流換熱系數大致量級為20～100W/(m2·K)(具體根據氣體的溫度和流速而定)[9]113，而前述傳導換熱的總傳熱系數hi也在這個數量級范圍內，因此熱風對流對于干燥器的干燥作業也起到重要的作用。

參考本文設計與分析而生產的盤式干燥器運行良好，干燥效果顯著，并獲得了較高的干燥速率，在對含水40%的濕香菇物料進行干燥，蒸發速率達到22kg/(m2·h)。

5 結論

在分析盤式干燥器工作原理的基礎上，設計出干燥盤的內部傳熱結構，并經過應力、變形分析，給出所選制造材料厚度的計算方法；分析了干燥盤在工作中與物料的傳熱過程，并總結歸納出傳熱系數公式，得出干燥盤板壁與物料顆粒間的實際傳熱系數是決定干燥盤與物料之間的總傳熱系數的主要因素，同時提出熱風對流對物料干燥具有重要的影響；對結構設計和傳熱分析進行了應用驗證，結果表明該結構設計和傳熱分析對盤式干燥器的制造具有一定的參考價值，所生產的盤式干燥器運行良好，干燥效果顯著，提高了干燥作業效率。

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Structure design and heat transfer analysis of drying tray part of hot-air disc dryer

SU Quan-weiZHOUHang

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,HenanMechanicalandElectricalVocationalCollege,Zhenzhou,Henan451191,China)

To make the food be dried better as well as improve the drying efficiency, based on the analysis of the working principle of rotary disc dryer, for its critical part drying tray, the geometry structure design, the stress and its deformation were analyzed. Moreover, the calculating formulas of the thickness of the steel material manufactured for the drying tray were also provided. After analyzing the heat transfer process between drying tray and bulk solids bed in the work, the heat transfer coefficient formula was then summed up. According to the relevant theory given in this study, rotary disc dryer was built and ran well, and its drying effect was remarkable.

drying tray: structure design: heat transfer analysis

河南省高等學校重點科研項目(編號：17A460011)；河南省科技攻關項目(編號：172102210239)；河南省教育技術裝備和實踐教育研究重點課題(編號：GZS013)

蘇全衛，男，河南機電職業學院副教授，碩士。

周航(1971—)，男，河南機電職業學院講師，博士。 E-mail：zgoing@163.com

2016—09—09

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.01.023