鹽泥干燥室導流板的流場分析及結構改進

朱桂華 李忠鍇 魏 釗 洪澤玉

（中南大學機電工程學院）

近年來， 熱泵干燥技術被廣泛應用于木材、種子等物料的干燥過程中［1～3］。針對不同的物料特性，熱泵干燥技術的干燥室結構和干燥方式也不盡相同：干燥室結構有頂風式［4］、側進風式［5］；干燥方式有穿流式［6］、水平氣流式［1，7］。 因此，為了實現對特定物料的干燥，需選擇合適的干燥室結構和干燥方式。

鹽泥作為一種固體廢棄物，將其含水率降低至20%以下便可實現資源化利用［8］。 由于鹽泥特有的干燥特性，目前利用熱泵干燥技術對其進行干燥的研究較少。 文獻［9］采用穿流式干燥方式，通過安裝帶孔鋁板的方式使干熱空氣穿過鹽泥層，改善鹽泥的干燥效果。 但該方法中帶孔鋁板和鹽泥層對熱氣流的動能產生了極大的損耗，影響了熱氣流速度對鹽泥干燥的效果。 為此，筆者根據對流外掠平板的原理，采用橫向水平氣流式的干燥方式， 利用干熱氣流對流傳熱來干燥鹽泥，從而提高其干燥效率。

1 干燥室三維模型

筆者選用的鹽泥干燥設備二維模型如文獻［9］所述。 在實際干燥過程中，鹽泥經干燥室入口落在多孔鏈板上，鹽泥跟隨多孔鏈板移動，通過三層多孔鏈板的傳送，鹽泥得以在干燥室中進行熱質交換，水分蒸發，鹽泥含水率降低，從而達到干燥的目的，最后從干燥室出口排出。

為了簡化計算，在三維建模時，忽略干燥室物料的入口和出口，忽略多孔鏈板的電機驅動機構，將鹽泥簡化為厚度50 mm的鹽泥層。由于多孔鏈板為多孔結構，對熱氣流的流動有一定的阻礙作用，形成一定的壓降，因此在簡化模型時不能忽略多孔鏈板。 將多孔鏈板部分簡化為平板結構，厚度為2 mm。簡化后，干燥室的三維模型如圖1所示。

圖1 簡化后的干燥室三維模型

2 干燥室流場數值模擬

使用簡化后的模型，經初步仿真以及對雷諾數的計算，湍流仿真模型采用適用于各向同性均勻湍流的standard k-ε模型，鹽泥層和多孔鏈板使用多孔介質模型［10］。

2.1 數學模型

在對模型內的流場進行模擬仿真時需要做出如下假設：

a.干燥室內部的氣流均為不可壓縮流且均滿足Boussinesq假設；

b.干燥室內的氣體流動為湍流流動，且為穩態；

c.干燥室內的氣流視為不可壓縮流動，且忽略流體黏性力做功所產生的耗散熱；

d.干燥室內部氣流的湍流黏性視為各向同性；

e.干燥室除入口和出口處外氣密性良好。

干燥室工作時內部氣流滿足連續性方程、動量守恒方程和能量守恒方程。

連續性方程：

式（1）～（5）中，ρ為密度，t為時間，vx、vy、vz為x、y、z方向的速度分量；fx、fy、fz為x、y、z方向的單位質量力，p為壓力，μ為動力黏性系數；T為溫度，u為速度，k為熱傳導系數，Cp為定壓比熱容，Pr為普朗特數。

對于多孔介質模型， 其源項Si由粘滯損失和慣性損失兩部分組成：

式中 C、D——系數矩陣；

vi——i向速度分量。

對于簡單的、各向同性的多孔介質，源項可簡化為：

其中， 滲透性系數α和慣性阻力系數C2的計算式為：

式中 Dp——鹽泥顆粒的平均粒徑；

φ——多孔介質的空隙率。

對于多孔鏈板， 只考慮其慣性阻力系數，忽略滲透性系數。 根據經驗公式，多孔鏈板的慣性阻力系數計算式如下：

式中 A——多孔鏈板孔系數；

Af——多孔鏈板孔面積；

Ap——多孔鏈板總面積；

d——多孔鏈板厚度。

2.2 網格劃分與邊界條件

使用SolidWorks軟件進行三維建模，使用design modeler進行流體域與鹽泥、 鏈板區域的劃分，使用mesh對流體域、鹽泥、鏈板各區域劃分網格，并對鹽泥層和鏈板層進行局部加密，最終得到2 329 583個網格。

在實際應用中，熱泵以5 m/s的速度將70 ℃的熱風吹入干燥室入口，故將進口邊界設置為速度入口，風速5 m/s，溫度70 ℃，密度1.029 kg/m3，黏度2.06×10-5Pa·s。 出口設為壓力出口，表壓0 Pa。以多孔介質模型模擬鹽泥層和多孔鏈板， 其中，鹽泥顆粒的平均粒徑為20 mm， 鹽泥層的孔隙率為0.45%，多孔鏈板的孔隙率為0.05%；經計算，鹽泥層的滲透性系數和慣性阻力系數分別為1 244 855.9、1 056.24， 多孔鏈板的慣性阻力系數為207.81。干燥室壁面為絕熱壁面，邊界類型設為無滑移壁面。

2.3 仿真結果及數據處理

鹽泥層上方10 mm處的速度云圖如圖2所示，從下到上依次為第1層、第2層、第3層。 由圖2可以看出，由于多孔鏈板和鹽泥層對熱氣流的阻礙作用，熱氣流幾乎從鹽泥層與干燥室壁面間的空隙流過，鹽泥層上方熱風風速很低，導致干燥效率降低。 同時，由于干燥室為側進風式，造成鹽泥層上方的熱氣流速度分布不均勻，導致鹽泥隨多孔鏈板運動時，不同路徑上鹽泥干燥不均勻。 第3層鹽泥上方的風速要遠大于第2層和第1層的，但其分布不均勻；第2層和第1層鹽泥上方的風速相差不大，但速度很小，對鹽泥的干燥效率不高。 因此，當鹽泥在第3層多孔鏈板上進行傳送時，由于熱氣流速度較高， 干燥過程較快， 而傳送到第2層、第1層時，由于傳送鏈板對熱氣流流動的阻礙作用，使得鹽泥上方熱氣流流動速度很小，導致鹽泥干燥過程減慢，干燥效率降低。

圖2 鹽泥層上方10 mm處的速度云圖

為了進一步對比優化，需要得到更加準確的仿真結果和仿真數據。 以干燥室底部中心為中心，長度方向為x方向，寬度方向為y方向，高度方向為z方向，建立參考坐標系，在每層鹽泥上方10 mm處取100個（5×20）點作為數據監測點，如圖3所示。

圖3 監測點分布圖

根據每個點的監測風速vij（第i行第j列的風速）可以得到鹽泥層每層中每行的平均風速vi、平均風速v、標準差和不均勻系數M［9］。 其中，不均勻系數M用于評價風速分布的不均勻性， 其計算式為：

3 干燥室內部流場優化

3.1 原干燥室不足之處

由2.3節的數值模擬結果可知，干燥室鹽泥上方的速度分布不均勻，另外大部分熱氣流從多孔鏈板與干燥室壁面的空隙間流過，未得到充分利用，導致干燥效果極差。

3.2 干燥室結構改進方案

根據多孔介質對流干燥的不可逆熱力學和唯象熱力學方法可知［11］，多孔介質的傳質傳熱與氣流速度等因素有關， 由于多孔鏈板的作用，每層之間的壓差依舊存在，所以考慮提高熱氣流速度來提高干燥效率。 為了減小熱氣流動能耗散，并保證每層的流場分布一致，通過改進干燥室的結構來保證熱氣流能夠流過鹽泥上表面，避免其直接穿過鹽泥層，同時使用外掠平板傳熱方式實現鹽泥干燥。

考慮到干燥室為側進風式的物理模型，筆者做出以下干燥室結構優化：

a.在x方向上， 鹽泥層兩端與干燥室內壁的間隙使用擋流板阻擋熱氣流的通過；

b.在y方向上， 鹽泥層兩端與干燥室內壁的間隙使用導流板對熱氣流強制導向。

改進后的干燥室三維模型如圖4所示， 擋流板安裝在鹽泥層下方50 mm處， 導流板的布置需要確定3個參數： 導流板相對于鹽泥層的安裝高度H、引流板相對于鹽泥層平面的安裝角度θ和引流板的寬度W。這3個參數影響著鹽泥層上方熱氣流的速度。

圖4 改進后的干燥室三維模型

對流傳熱干燥過程中，干燥速率主要取決于物料本身內部濕分的遷移速度［12］，較高的氣流速度在干燥過程中可以加快物料表面的汽化速率，有利于提高物料的干燥速率［13］。 但是氣流速度不能過高，否則會降低熱氣流與物料之間的傳熱效果，因此鹽泥層上方的熱氣流速度需要控制在合理范圍內。

3.3 正交試驗

為了得到合理的熱氣流速度，設計正交試驗方案， 其中3因素分別是導流板相對于鹽泥層的安裝高度A、 引流板相對于鹽泥層平面的安裝角度B、引流板的寬度C，這3個因素彼此互不影響，采用L9（34）正交表來設計模型，并進行模擬仿真，結果見表1。

表1 正交試驗方案及結果

表1中，K1、K2、K3分別表示不同因素值下仿真得到的平均速度總值；K1、K2、K3分別表示不同因素值下仿真得到的平均速度平均值；R表示同一因素不同值下的平均值的極差，極差用于反映各因素不同值對平均速度的影響程度，R值大表示該影響因素對平均速度的影響較大。 通過對比極差R可以發現， 各因素對平均速度的影響由大到小依次為高度A、角度B、寬度C。 因此優先考慮高度，取得其最佳值，然后再選取角度和寬度值。

根據文獻［12，14］可知，鹽泥層上方熱氣流速度在5～10 m/s范圍內。 由表1可得，導流板的最佳布置方式為：導流板距離鹽泥層的高度為100 mm，與水平方向的夾角為10°，導流板的寬度為300 mm，該參數下得到干燥室鹽泥層上方熱氣流的平均速度為7.88 m/s。

3.4 仿真結果分析

網格和邊界條件設置與2.2節相同，在新的結構參數下得到鹽泥層上方10 mm處的速度云圖如圖5所示， 可以看到，3層鹽泥層的風速整體較為均勻，且由于導流板的作用，風速得以提高。

圖5 新結構參數下鹽泥層上方10 mm處的速度云圖

3層鹽泥層x方向上y=0位置處的速度對比如圖6（橫軸“位置”對應于圖3中的x方向位置分布）所示。 可以看出，應用導流板改進后的結構與原結構相比，雖然風速波動范圍較大，但整體風速值也更大。 雖然熱氣流對鹽泥的干燥方式不同， 但是在同等初始條件下， 通過流場的改善， 更快的風速更有利于鹽泥顆粒中水分的傳遞與蒸發。

圖6 3層鹽泥層x方向上y=0位置處的速度對比

4 實驗與驗證

鹽泥的初始含水率為30%。在實際工況下，每隔10 s于干燥室出口處平均間隔50 mm的5條路徑上分別取樣，共取20次。 經過稱重-烘干-再稱重的過程，計算20份樣品的含水率ωi，得到總樣品的平均含水率ω和20份樣品的不均勻系數ξ。

樣品的含水率計算過程如下：從干燥室出口處取鹽泥樣品，稱重，質量記為m0；放入微波爐中，經10 min烤干后稱重，質量記為m1，并再次放入微波爐進行烤干；經過反復烤干稱重，直到mj=mj+1，此時鹽泥樣品的質量全為干基質量，計算得到鹽泥樣品的含水率ωi為：

分別測量原干燥室和改進后的干燥室的鹽泥含水率，作對比實驗。 同時利用干燥室內的速度傳感器測出每層中間路徑處的風速值，以驗證仿真的可行性。 在實際讀取數據時，傳感器顯示不再變化時記為該點處的風速值。

得到風速仿真值與實驗值的對比如圖7所示。 可以看出，風速仿真值隨位置的變化趨勢與實驗值相近， 但是由于實驗測量過程中存在誤差，故仿真值整體較實驗值略大。 經過對每層仿真值與實驗值的相對誤差計算，3層的相對誤差平均值僅為11.17%，證明了仿真模型的可行性。

圖7 風速仿真值與實驗值對比

筆者分析仿真值與實驗值之間出現誤差主要有以下兩方面原因：

a.干燥室的密封性達不到理想狀態。 由于干燥室并不是完全密封的，所以實驗測量的數據會略小于仿真值。

b.實驗設備和數據讀取時存在誤差。 風速傳感器在測量數據時存在誤差，另外在人工讀取數據時也存在不可避免的誤差。

改進前后的鹽泥平均含水率與不均勻系數見表2。 可以看出，應用導流板改進后的干燥室，在相同初始條件、相同時間內鹽泥層的含水率可降低至12.84%，對鹽泥的干燥效率較高，同時不均勻系數也得到了大幅降低，達到9.28%。

表2 改進前后的結果對比 %

5 結論

5.1 應用導流板可以改善鹽泥上方層的流場分布， 通過正交試驗確定了導流板的最佳布置方式。

5.2 改進后的干燥室相較于原干燥室，鹽泥上方層的氣流平均風速值提高到了7.88 m/s，熱氣流速度更快；經過計算可得，風速不均勻系數由33.4%降低至25.0%， 含水率不均勻系數由15.37%降低至9.28%，分布更均勻。

5.3 改進后的干燥室相較于原干燥室，在相同條件下， 鹽泥平均含水率由17.32%降低至12.84%，干燥效率更高。