籽棉調(diào)濕工藝中熱損失的仿真與試驗驗證

史書偉+陳生超+劉軍民

摘要：隨著新疆地區(qū)機采棉技術(shù)的迅速推廣，籽棉的調(diào)濕工藝在棉花加工中也得到了越來越多的應用。由于在設計之初沒有對熱風輸送管道進行科學的布局，調(diào)濕工藝中大量熱量的損失導致棉花加工企業(yè)運營成本的提高。首先通過對籽棉調(diào)濕熱風輸送管道的分析，建立籽棉調(diào)濕熱風輸送管道的熱傳輸模型，然后以128團棉花加工企業(yè)為例，采用流體分析軟件CFX對籽棉調(diào)濕熱風輸送管道中熱量的損失進行仿真，最后通過現(xiàn)場試驗對仿真結(jié)果進行驗證。通過仿真發(fā)現(xiàn)，熱風以20 m/s的速度通過48.28 m的籽棉調(diào)濕輸送管道，溫度從423 K降到了396.9 K，溫度降幅為26.1 K，且隨著溫度的降低，溫度的降幅在減小，當熱風通過彎管時，溫度降幅增加；通過仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，直管道仿真結(jié)果較為準確，但對于有彎管存在的籽棉調(diào)濕熱風管道，仿真結(jié)果的溫度降幅較小；無論是仿真還是試驗，籽棉調(diào)濕工藝中彎管道的增加都會加大熱量的損失。研究結(jié)果為籽棉調(diào)濕工藝中熱風管道的設計和布局提供了理論依據(jù)，并可為計算流體力學（簡稱CFD）仿真分析在棉花加工上的應用提供數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：籽棉；調(diào)濕；熱風輸送管道；CFX；仿真；熱損失

中圖分類號： S226.6 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）11-0362-04

新疆機采棉加工工藝中有很多熱風輸送管道，特別是在籽棉調(diào)濕工藝中主要采用熱風伴隨式調(diào)節(jié)籽棉濕度，需要管道長度達到40 m以上。由于很多沒有進行工藝合理化的布局，加上新疆地區(qū)溫度較低，熱風在運輸過程中造成大量能源的浪費，一方面增加了加工廠的生產(chǎn)成本，另一方面過多化石燃料的燃燒也污染了環(huán)境，因此研究棉花籽棉調(diào)濕工藝管道在輸送熱風過程中熱量的損失規(guī)律變得尤為重要。目前，國內(nèi)在管道輸送過程中熱傳輸方面的研究主要集中在石油化工等領(lǐng)域[1-3]，而且大部分研究是基于Dittus-Boelter關(guān)聯(lián)式[4-6]，而在籽棉烘干熱風輸送系統(tǒng)中，為了起到輸送籽棉的作用，流體速度一般維持在20 m/s，雷諾數(shù)超出了Dittus-Boelter關(guān)聯(lián)式的應用范圍，如果采用相同的關(guān)聯(lián)式進行計算，得出的結(jié)果必然與實際結(jié)果不符，所以必須為籽棉調(diào)濕熱風輸送管道建立新的熱傳輸模型。

新疆機采棉加工設備一經(jīng)安裝，就很難再改變布局，而二次改裝又會增加企業(yè)的運營成本，所以在籽棉調(diào)濕熱風管道布局之前應進行合理的優(yōu)化分析。計算流體力學（簡稱CFD）軟件對工程問題進行建模分析可以很好地解決這個問題。目前，關(guān)于計算流體力學CFD在管道運輸方面的應用，很多學者都進行了相關(guān)研究[7-12]，但在棉花加工領(lǐng)域的應用，僅石河子大學的坎雜采用Fluent做過殘膜分離方面的分析[13]，國內(nèi)相關(guān)方面的研究還很少。

本研究首先建立了棉花加工熱風輸送管道中的傳熱計算模型，在該模型中考慮了雷諾數(shù)較大的因素，采用Gnielinski關(guān)聯(lián)式[14]替代以往的Dittus-Boelter關(guān)聯(lián)式對管內(nèi)流體強制換熱進行計算；其次以新疆生產(chǎn)建設兵團128團棉花加工廠為平臺，采集相關(guān)的試驗參數(shù)，運用流體分析軟件CFX對128團棉花加工廠的籽棉烘干熱風輸送管道進行數(shù)值模擬；最后通過現(xiàn)場試驗對模擬數(shù)值進行驗證，為計算流體力學CFD在籽棉調(diào)濕工藝上的應用提供了理論基礎(chǔ)。

1 籽棉調(diào)濕熱風輸送管道的熱傳輸模型

籽棉調(diào)濕熱風輸送管道中的熱量傳輸包括管內(nèi)熱空氣與管道內(nèi)壁的管內(nèi)強制對流換熱、管壁的熱傳導、室外空氣與管道外壁的熱交換3個方面，由于籽棉調(diào)濕熱風輸送管道的管壁厚度為1 mm的鋼板，且導熱系數(shù)很大，熱阻可以忽略，所以最終籽棉調(diào)濕的熱風管道的熱量傳輸只包括管內(nèi)的對流換熱和管外的散熱2個部分。假設室外空氣溫度為To，熱空氣的溫度為Tf，建立的籽棉調(diào)濕熱風輸送管道熱傳輸?shù)睦碚撃Ｐ鸵妶D1。

3 試驗驗證

為了驗證仿真結(jié)果，以便于以后指導實際應用，本研究以新疆生產(chǎn)建設兵團128團的棉花加工廠作為試驗平臺，在2014年棉花加工季節(jié)進行試驗驗證。

3.1 試驗設備

JDK160型熱風爐，鄭州棉麻工程技術(shù)設計研究所；Y5-48 No 12.5C型風機，鄭州中環(huán)風機廠，功率37 kW，經(jīng)計算輸送給直徑0.8 m管道的風速為19.9 m/s，與模擬初始條件 20 m/s 吻合；Y225S-4型電機，上海弘祥機電有限公司；JWB/PT100型溫度傳感器，北京昆侖海岸傳感技術(shù)有限公司；管道，兵團自制。

3.2 試驗方法

步驟1：確定入風口和出風口的位置，2個位置之間的管道長度為48.28 m，直徑0.6 m，從入口處開始，每隔12 m安裝1個溫度傳感器，其中第1、第2傳感器之間和第3、第4傳感器之間都有1個半徑為2 m的圓弧過渡轉(zhuǎn)彎，傳感器安裝效果見圖6。

從表3可以看出，在驗證試驗中的溫度降幅為33.4 K，與仿真數(shù)值26.1 K相比，有7.3 K的偏差，表明仿真結(jié)果比實際結(jié)果溫度降幅偏小；由ta-b、tc-d數(shù)值比仿真數(shù)值偏大，tb-c、td-e與仿真結(jié)果較為接近，可以得出對于沒有彎管的籽棉調(diào)濕熱風管道，仿真結(jié)果較為準確，但對于有彎管存在的籽棉調(diào)濕熱風管道，仿真結(jié)果的溫度降幅較小。

4 結(jié)論

本研究首先建立棉花加工熱風輸送管道的傳熱計算模型，然后采用流體分析軟件CFX對128團籽棉調(diào)濕熱風輸送管道的熱量損失進行仿真，最后通過現(xiàn)場試驗對仿真結(jié)果進行驗證。研究發(fā)現(xiàn)，運用該傳熱計算模型進行計算仿真，直管道仿真結(jié)果較為準確，但對于有彎管存在的籽棉調(diào)濕熱風管道，仿真結(jié)果的溫度降幅較小；無論是仿真還是試驗，籽棉調(diào)濕工藝中增加彎管道都會增加熱量的損失。研究結(jié)果為籽棉調(diào)濕工藝中熱風管道的設計和布局提供了理論依據(jù)，并可為計算流體力學CFD仿真分析在棉花加工上的應用提供數(shù)據(jù)支撐。

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