基于ANSYS的烘干塔仿真研究

孫居彥，袁 龍，成小飛，高海強(qiáng)

（1.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100；2.山東天鵝棉業(yè)機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)南 250032）

我國的糧食收獲基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化聯(lián)合收獲，一次性收獲量大，糧食含水率高，糧食的干燥與保存就成為了糧食生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1、2]。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，因機(jī)械化干燥能力較低，每年因不能及時干燥或者處理方法不當(dāng)造成的糧食霉變、發(fā)芽等糧食損失占糧食總產(chǎn)量的5% 左右[3]。我國的糧食烘干技術(shù)，因烘干效果差、運(yùn)行成本高、產(chǎn)能落后，糧食入庫品質(zhì)和水分不達(dá)標(biāo)率較高等問題，大大的影響了糧食儲存安全。

因此，本文以提高烘干效率和烘干質(zhì)量降低運(yùn)行成本為目的，以糧食的運(yùn)動模擬為手段，針對現(xiàn)有烘干技術(shù)存在的問題進(jìn)行烘干塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究。

1 結(jié)構(gòu)方案與建模

1.1 結(jié)構(gòu)方案

糧食烘干機(jī)采用了積木式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)體布局采用標(biāo)準(zhǔn)塔段布局形式。由烘干段、熱風(fēng)爐、鼓風(fēng)機(jī)、冷卻段和排糧機(jī)構(gòu)組成[3]。

該設(shè)備的主要部件是烘干塔內(nèi)交替排列的進(jìn)氣和排氣角狀管，熱風(fēng)通過進(jìn)氣角狀管進(jìn)入烘干段，糧食表面的水分受熱快速氣化，再以廢氣的形式排出。經(jīng)過烘干冷卻后的糧食最終經(jīng)排糧機(jī)構(gòu)排出。

為了確保熱量更為有效地利用，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，本設(shè)計(jì)烘干塔采用二次循環(huán)供風(fēng)的結(jié)構(gòu)方式。在烘干過程中，濕糧從頂部進(jìn)入，不斷向下移動并同時進(jìn)行熱交換，糧食含水率逐漸降低，直至達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。上部濕空氣會通過風(fēng)機(jī)流出機(jī)外，下段含濕較低的熱風(fēng)則循環(huán)進(jìn)入加熱室完成熱風(fēng)的回收再利用。

1.2 烘干段結(jié)構(gòu)建模

以小麥作為實(shí)驗(yàn)材料，這里將小麥顆粒劃分為離散相，對烘干段不同樣式的角狀管進(jìn)行流場分析，以確定不同結(jié)構(gòu)的角狀管和烘干段內(nèi)壁摩擦對糧食顆粒速度分布的影響。不同結(jié)構(gòu)的角狀管模型如圖1、2和3所示。

圖1 錐形角狀管結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 菱形角狀管結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 菱形角狀管結(jié)構(gòu)示意圖

2 糧食烘干機(jī)空氣流動分析

2.1 整機(jī)空氣流動分析

本設(shè)計(jì)糧食烘干燃燒爐為機(jī)內(nèi)安裝，冷空氣進(jìn)入機(jī)內(nèi)經(jīng)燃燒爐加熱后形成熱空氣進(jìn)入烘干段，上部經(jīng)熱交換排出的濕空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)排出機(jī)外，而下半部分經(jīng)糧食烘干排出的溫風(fēng)，因含濕較低被再次引向加熱爐。在糧食需要冷風(fēng)冷卻時，風(fēng)機(jī)將冷風(fēng)送入冷卻段，經(jīng)熱交換后糧食降溫，冷風(fēng)變溫風(fēng)，被風(fēng)機(jī)送入燃燒爐，實(shí)現(xiàn)了余熱的再利用，節(jié)能降耗。

2.2 烘干段空氣流動分析

混流烘干是一種特殊的烘干工藝，其中烘干段內(nèi)布滿了進(jìn)氣和排氣的角狀管。糧食按照近似S形曲線向下流動，同時受到熱風(fēng)的加熱作用。由于熱風(fēng)需要穿過一定厚度的料層，因此也能夠?qū)Z食進(jìn)行充分加熱和去除表面水分。在烘干機(jī)內(nèi)，氣流和糧食的流向是一種混合流動的過程，包含順流、逆流和錯流等多種形式，且熱風(fēng)角狀管可交替輸入和輸出布置，加熱的熱風(fēng)從進(jìn)風(fēng)角狀管進(jìn)入烘干段，從出風(fēng)角狀管流出，因此糧食自上而下能夠充分接受各種形式的加熱，保證了烘干效果。如圖5所示。

圖4 烘干段空氣流動示意圖

圖5 菱形結(jié)構(gòu)截面速度場分布（60°）

3 烘干段糧食速度場仿真

在混流烘干機(jī)中，糧食逐步沿烘干機(jī)結(jié)構(gòu)順勢呈近S狀向下輸送，在此過程中空氣和糧食同時以共流、反流和交叉流的模式被引導(dǎo)通過角狀管。雖然混流烘干機(jī)現(xiàn)在被大多數(shù)國家和地區(qū)廣泛應(yīng)用，但仍有許多分段工藝需要進(jìn)一步優(yōu)化[4]例如，在垂直糧食顆粒速度分布上存在著很大差異，角狀管側(cè)壁的摩擦導(dǎo)致糧食停留時間存在差異，發(fā)生糧食部分的欠烘干或過度烘干這種烘干不均勻的情況。

為了改善這種情況，同時考慮到不同形式的角狀管對糧食通過混流烘干機(jī)氣流的影響，進(jìn)行烘干段內(nèi)壁和角狀管對糧食顆粒速度分布規(guī)律仿真，獲得角狀管結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

以下是烘干段流體速度場分析。將烘干段內(nèi)壁定義成理想的光滑平面，只對角狀管上方和側(cè)壁定義摩擦的存在。基于烘干模擬的烘干段模塊如圖2、3和4所示，分別構(gòu)建了錐形、菱形角狀管開口角度 40°，60°，80°以及一個圓形弧頂?shù)娘L(fēng)管。

仿真結(jié)果如圖5-10所示。

圖6 菱形結(jié)構(gòu)整體速度場分布（60°）

圖7 錐形結(jié)構(gòu)截面速度場分布（60°）

圖8 錐形結(jié)構(gòu)整體速度場分布（60°）

圖9 錐形結(jié)構(gòu)截面速度場分布（40°）

圖10 錐形結(jié)構(gòu)截面速度場分布（80°）

通過對仿真模擬的結(jié)果分析，角狀管周圍存在速度差異。在相同角狀管開口角度相同的情況下，發(fā)現(xiàn)錐形結(jié)構(gòu)和菱形結(jié)構(gòu)在烘干段模塊中速度分布有一定差異，小麥顆粒在角狀管側(cè)壁和頂部移動較慢。通過對半圓形結(jié)構(gòu)角狀管的仿真得出：半圓形結(jié)構(gòu)的角狀管對速度分布的影響極其不均勻。因此，放棄半圓形角狀管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

40°的角狀管存在糧食運(yùn)動速度不均勻的情況，而頂角為60°時速度分布顯著均勻，而當(dāng)頂角設(shè)定為80°時速度分布仍達(dá)不到60°時的效果；因此,對于角狀管頂角開口度數(shù)應(yīng)該考慮選用60°左右。

通過研究相同角度的錐型角狀管和菱形角狀管，在烘干段速度分布結(jié)果發(fā)現(xiàn)，菱形結(jié)構(gòu)的側(cè)壁相較于錐型結(jié)構(gòu)的側(cè)壁有所偏離，積極的影響到小麥顆粒通過側(cè)壁是與側(cè)壁間的摩擦而帶來的速度差異，運(yùn)動過程中小麥顆粒偏移了角狀管側(cè)壁，減小了與側(cè)壁間的相互作用而帶來的速度影響，對改善糧食烘干質(zhì)量間不均勻是有益的。

4 烘干段糧食溫度場仿真

由于混流式糧食烘干機(jī)主要采用熱風(fēng)為烘干介質(zhì)，熱風(fēng)源的溫度高低決定了糧食烘干后的品質(zhì)，合理的控制熱源溫度還可以提高烘干效率。通過溫度場的仿真模擬來確定角裝管的間距以及分布規(guī)律是控制溫度場溫度分布的有效途徑。

當(dāng)熱風(fēng)溫度分別為 60℃、65℃、70℃、85℃時糧食顆粒的溫度分布模擬結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同溫度糧食烘干段溫度場截面對比

從圖11糧食烘干段溫度場模擬結(jié)果得出，糧食顆粒在烘干段糧粒溫度幾乎沒有變化，考慮角狀管間距對烘干段溫度場的影響，用角狀管垂直最小間距10mm代替12mm，角狀管的水平間距200mm代替240mm來模擬相同條件下不同位置對糧食顆粒溫度場的影響，模擬結(jié)果見圖12。

圖12 不同溫度糧食烘干段溫度場截面對比

從圖12糧食烘干段溫度場模擬結(jié)果得出，當(dāng)相鄰角狀管的垂直最小間距減少到10mm時，部分糧粒溫度會更高，表明這部分糧粒與熱空氣的接觸熱交換更充分。由于箱角之間的垂直距離變短，且烘干時間相同，與上部相比，下部熱空氣的烘干部分增加，糧粒的總體平均溫度得到提高，從而可以更充分地烘干糧粒。因此，角狀管的垂直最小間距可以優(yōu)化到10mm，以實(shí)現(xiàn)更好的烘干效果。

當(dāng)角狀管的水平距離減少到200mm時，角狀管之間的糧粒溫度分布比烘干段水平方向上240mm的水平距離更均勻，因此角狀管的水平距離不能太大。本文將水平方向的角狀管間距優(yōu)化至200mm。

根據(jù)上述仿真分析,發(fā)現(xiàn)糧粒在烘干中，隨著熱空氣循環(huán)流動，熱風(fēng)溫度自上而下逐漸下降，同時糧粒溫度會逐漸上升；垂直截面接近角狀管的糧粒溫度較高，而在進(jìn)風(fēng)角狀管內(nèi)，進(jìn)入糧粒堆的熱空氣溫度會比從進(jìn)風(fēng)口流入的熱空氣溫度高；同時，一部分熱空氣會從進(jìn)風(fēng)角狀管流出并擴(kuò)散到進(jìn)氣管上方的糧粒堆中。

通過上述分析可知，相鄰角狀管間的安裝布局對烘干效果有著重要的影響。經(jīng)分析研究，將水平方向間距優(yōu)化為200mm，垂直方向最小間距優(yōu)化到10mm，能夠使糧食顆粒溫度分布更加均勻，從而使烘干效果更加充分。

綜上所述，通過對糧食烘干機(jī)烘干段的空氣流動分析以及對糧食顆粒進(jìn)行速度場分布和溫度場的仿真研究。結(jié)果表明，糧粒流動分布依賴于角狀管的結(jié)構(gòu)和排放布置；通過對兩種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)仿真模擬，發(fā)現(xiàn)糧粒通過烘干段中心具有較高的速度和較低的摩擦效應(yīng)；角狀管下方的尾流揭示了壁摩擦和位于側(cè)壁處的半角狀管對糧粒流動的影響，使得糧粒有不同的停留時間，導(dǎo)致烘干效果不佳造成烘干質(zhì)量不均勻的問題。