混捏機換熱結構熱效率分析

徐玉城

(中赟國際工程有限公司，河南 鄭州 450007)

混捏機是碳素行業把瀝青和碳粉等骨料按照一定的配比加熱捏合的設備，主要是通過循環導熱油進行加熱和溫度控制，對混捏機內的物料加熱到一定的溫度，通過旋轉的葉片攪拌(通常呈Z形)所產生強烈剪切作用，使物料迅速反應獲得均勻的混合。通常混捏機加熱方式分為：夾套加熱、蒸汽加熱和循環導熱油加熱。下面以6 000 L混捏機為例介紹導熱油加熱的結構和換熱原理。

1 混捏機熱傳遞的方式

固體傳熱一般主要靠熱傳導和輻射進行傳熱。混捏機主要是將流動的導熱油熱量通過鍋體板傳遞到鍋內物料中，達到加熱混捏的目的。為了達到高效傳遞的目的，筆者利用FLUENT軟件建立模型分別對導熱油管道進行設計，針對并聯串聯、管道的寬度設計、油道的深度(容量)，撓流的結構設置及導熱油流速的變化對傳熱效果的影響進行了數值模擬分析。

1.1 管道的形式對傳熱溫度的影響

設計的混捏鍋管道形式有豎向并聯(圖1)、豎向串聯(圖2)、橫向串聯(圖3)3種管道形式，運用建模與網格劃分軟件GAMBIT，建立幾何模型。

圖1 豎向并聯流向示意Fig.1 Schematic diagram of vertical parallel flow direction

圖2 豎向串聯流向示意Fig.2 Schematic diagram of vertical series flow direction

圖3 橫向串聯流向示意Fig.3 Schematic diagram of transverse series flow direction

將建好的3種模型賦予相同的初始條件，利用FLUENT軟件進行數值分析，迭代5 000次求解，分析出傳到鍋體內壁的溫度，再對這些結果進行對比分析，選擇最佳的方案設計。賦予3種情況下導熱油入口溫度250 ℃、入口壓力0.4 MPa、入口速度1 m/s的初始條件，數值模型計算出內壁溫度的結果如下：管路排列形式為豎排并聯、豎排串聯、橫排串聯，內壁溫度分別為230、241、239 ℃。

從以上分析可以看出，豎排串聯和橫排串聯傳遞到內壁的溫度較好，熱效率較高。

1.2 厚度和寬度對溫度的影響

下面以鍋體端板(圖4)為例，分析油道厚度X、油道寬度Y取不同值時對內壁溫度的影響。

圖4 油路布置及油道厚度示意Fig.4 Schematic diagram of oil circuit layout and oil channel thickness

(1)按照圖4端板管路的排列形式，賦予初始條件導熱油的入口速度2 m/s、入口溫度250 ℃、入口壓力0.4 MPa，按油道厚度X為固定值50 mm，設置不同的Y值，數值模型計算出內壁溫度的結果如下：油道排列寬度Y不同分為3排(寬290 mm)、5排(寬175 mm)、7排(寬125 mm)，內壁溫度分別為241、244、248 ℃。

可以看出，管路的排列寬度Y值越小，得到的內壁的溫度就較高，但考慮到焊接變形的控制難度，將管道的寬度設置為175 mm較好。

(2)按照圖4端板管路的排列形式，賦予初始條件導熱油的入口速度2 m/s、入口溫度250 ℃、入口壓力0.4 MPa、油道寬175 mm固定值，設置不同的X值，數值模型計算出內壁溫度的結果如下：油道厚度X為50、60、70 mm時，內壁溫度分別為244、243、242 ℃。

可以看出，管路的排列厚度X值越小得到的內壁溫度就較高，因此并不是管道內儲油量越多越好，從熱力學角度考慮能夠形成層流、熱傳導就好。因此厚度選擇50 mm。

(3)在管道內設置圓柱、三角擾流裝置并調整設置的密度，賦予初始條件導熱油的入口速度為2 m/s，入口250 ℃，入口壓力0.4 MPa，油道寬度175 mm。油道厚度50 mm。在油道里增加φ12 mm的圓柱形擾流裝置效果不明顯。

改為φ16 mm的圓柱形擾流裝置，增加2排三角形擾流裝置。數值模型計算出φ12mm圓柱形、φ16 mm圓柱形、三角形撓流裝置的內壁溫度分別為244、244.48、245.6 ℃。

(4)導熱油速度的變化對內壁溫度的影響。入口溫度250 ℃、入口壓力0.4 MPa、其他條件不變時，改變導熱油速度V，通過數值模型計算出內壁溫度的結果見表1。

表1 計算出的內壁溫度Tab.1 Calculated inner wall temperature

從以上分析可以看出導熱油的流速越快，內壁溫度越高，熱傳導的效率越高。

2 熱油管路系統設計及分析

運用以上分析的結果對6 000 L混捏機的熱油管路系統進行了設計，根據碳素廠生產過程中的實際情況，對整個混捏機的傳熱效果進行了整體分析。

混捏機的換熱是一個復雜的綜合換熱過程，熱媒油在混捏機鍋體外部的熱油管道內的換熱是強制對流換熱，熱量從鍋體外壁直到內襯板的內表面是熱傳導，內襯板內表面與糊料的換熱是以輻射為主的換熱過程，由于糊料在攪刀的攪動下運動，糊料本身是介于液固兩相之間的糊狀料，對流換熱和導熱都是存在的。下面通過分析6 000 L混捏機的換熱，定性分析混捏機的換熱能力。

2.1 參數分析

以某廠為例，采集了熱油泵320 m3/h，出口壓力0.7～0.8 MPa，到混捏機入口時就降為0.4 MPa，出口壓力0.3 MPa；熱媒油入口溫度t1=265 ℃，出口溫度t2=130 ℃，V=2 m/s 。6 000 L混捏機物料處理量：物料密度ρ=1.2 t/m3，物料處理量7 200 kg；糊料的比熱容1.7 kJ/(kg·℃)，λ為導熱系數，0.68 kJ/(kg·℃)，μ為流體黏度，取43 Pa·s；混捏機導熱油加熱面積A=18.2 m2；流體濕潤的流體周長2.26 m，CP為流體定壓比熱31.1 J/(kg·℃) ；流體管道當量直徑d=4A/P=0.02 m；A為通道的流動截面積；P為流體濕潤的流道周長，取2.26 m。

2.2 強制對流適用準數方程

熱媒油在鍋體管道中的強制對流適用準數方程如下。

Naf=0.023Ref0.8prf0.4

(1)

式中，Naf為定性溫度下的弩塞爾準數；Ref為熱媒油在鍋體管道中流動的雷諾準數；prf為普朗特數。

強制對流換熱系數α=Nafλd

(2)

式中，λ為流體導熱系數；d為熱油管道當量直徑。

雷諾數Ref=vdρ

(3)

式中，v為流體速度；d為當量直徑；ρ為流體密度。

代入參數后計算得，Ref為1.2×104。

普朗特數Prf=μCP/λ

(4)

式中，μ為流體黏度；CP為流體定壓比熱；λ為流體導熱系數。

代入參數后計算得，Prf為13.4。

將雷諾數和普朗特數、導熱系數代入式(1)，得

Naf=0.023Ref0.8prf0.4=119

將強制對流適用準數、當量直徑、流體導熱系數代入式(2)中，計算得到強制對流換熱系數α=595 W/(m2·℃)。

2.3 傳熱系數

混捏機熱油管道在鍋體外部、熱媒油的熱量直接傳遞到鍋體板上，鍋體板再傳到內襯板內表面上。因此內襯板內表面的導熱系數：

(5)

式中，S1為鍋體外壁厚，0.02 m；S2為襯板厚度，0.016 m；λ1為鍋體板導熱系數43.18 W/(m2·℃)；λ2為襯板導熱系數，43.18 W/(m2·℃)。

將上述數值代入式(5)，得到混捏鍋體外部到襯板內表面熱傳導系數ad=1 053 W/(m2·℃)。

2.4 輻射換熱系數

混捏機襯板內表面與糊料的輻射換熱系數：

(6)

式中，C為黑體的輻射系數，C=5.67 W/(m2·K4)。

(7)

式中，ε1為襯板黑度，0.8；ε2為糊料黑度，0.92；F1/F2為表面積比，0.8。

將數據代入式(7)計算得，εn=0.736。

將參數代入式(6)計算得，E=81 W/(m2·℃) 。

混捏實際物體輻射力E=εCb(T/100)4=114 W/(m2·℃)。

2.5 總傳熱系數

混捏加熱階段總傳熱系數：

(8)

將數據代入公式計算得，K=87.7 W/(m2·℃)。

2.6 加熱時間

混捏機加熱時間：

t=Cm(t1-t2)/KA(t3-t4)

(9)

式中，C為糊料的比熱；m為混捏機的物料處理量，取7 200 kg；K為綜合換熱系數；A為換熱面積，18.2 m2；t1為糊料需要加熱溫度，160 ℃；t2為糊料的初始溫度，130 ℃；t3為導熱油入口溫度，265 ℃；t4為導熱油出口溫度，277 ℃。

將數據代入式(8)計算，得t=23 min。

3 結論

通過以上試驗和傳熱分析，合理地對混捏機的換熱進行了設計，應用效果表明，其能滿足碳素工藝的生產要求，換熱效率高，熱損失少，物料加熱的時間斷，生產周期短，設計合理。