帶式烘干機風速場均勻性試驗研究

張鵬飛 劉加偉 劉鑫 陳博 張琦 薛東曉

摘要：物料含水率均勻性是物料品質的重要指標，與烘干機內部氣流均勻性相關。烘干機結構與工藝參數對烘干機內部流場均勻性產生較大影響。使用正交試驗的方法研究導流板角度（30°、40°、50°）、側風道均流板個數（1、2、3）與循環風機頻率（20 Hz、30 Hz、40 Hz）對烘干機內氣流分布的影響，找到最優的因素水平，使烘干機內部風速場最均勻。研究結果表明：風機頻率對上料層的風速場影響最顯著；導流板角度對上料層風速場影響最不顯著。導流板角度對下料層風速場影響最顯著；風機頻率對下料層風速場影響最不顯著。當因素水平組合為導流板角度30°，均流板3個，風機頻率20 Hz時，烘干機內風速場最均勻。

關鍵詞：帶式烘干機；風速場均勻性；CFD仿真；DOE設計

中圖分類號：S22

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 02013005

收稿日期：2022年9月2日 ?修回日期：2022年12月6日

基金項目：江蘇省成果轉化項目（BA2020071）；江蘇省現代農業重點基金（BE2018360）

第一作者：張鵬飛，男，1981年生，山東威海人，博士，高級工程師；研究方向為飼料機械裝備。Email： pengfeimy@163.com

通訊作者：張琦，女，1981年生，江蘇蘇州人，博士，副教授；研究方向為飼料機械裝備。Email： qizhang@yzu.edu.cn

Experimental study on the uniformity of airflow velocity inside belt dryer

Zhang Pengfei1， 2， Liu Jiawei1， Liu Xin1， Chen Bo2， Zhang Qi1， Xue Dongxiao1

（1. School of Mechanical Engineering， Yangzhou University， Yangzhou， 225127， China；

2. Jiangsu Famsun Group Co.， Ltd.， Yangzhou， 225120， China）

Abstract：

The uniformity of feed moisture content is an important parameter related with pellet quality. That the structure and process parameters of the dryer influence the uniformity of air distribution inside the dryer， thus affecting the feed uniformity of the moisture content. Effects of different deflector angles （30°， 40°， 50°）， number of side air duct flow plate （1， 2， 3） and fan frequency （20 Hz， 30 Hz， 40 Hz） on airflow distribution are studied by the method of orthogonal experiment. The results show that the fan frequency has the greatest effect on the wind velocity field of the upper layer and the angle of the deflector plate has the least effect on the wind velocity field of the upper layer. The angle of deflector plate has the greatest influence on the wind speed field of the lower layer and the fan frequency has the least influence on the wind speed field of the lower layer. When factor level combination is 30° angle of deflector plate， 3 side air duct flow plates and 20 Hz fan frequency， the wind velocity field in the dryer is the most uniform.

Keywords：

belt dryer; wind velocity field uniformity; CFD simulation; DOE design

0 引言

飼料工業是影響我國經濟的重點基礎產業之一［1］。2022年，中國飼料工業總產值13 168.5億元，比2021年增長7.6%；總營業收入12 617.3億元，同比增長8.0%。水產飼料加工過程包含粉碎、膨化、烘干和噴涂［23］。膨化后飼料的水分含量高達20%，容易滋生霉菌，不利于飼料的存儲與運輸，需要進行烘干將水分含量降低到10%以下［4］。帶式烘干機由于結構簡單被廣泛應用于工業生產中［5］。而物料水分均勻性是衡量飼料品質和烘干節能的關鍵，因此，有效提高飼料水分均勻性是大型節能帶式烘干機（產量大于10 t/h）重要的研發方向［69］。

烘干機結構和工藝參數影響烘干機內風速場均勻性，從而影響物料含水均勻性［1013］。Amjad等［10］研制了一種新型的對角進風式間歇烘干機，通過CFD模擬的方式研究了新型烘干機內氣流分布，發現對角進風結構設計能改善烘干機內部氣流分布均勻性。Darabi等［11］將檸檬烘干機進風口的進風結構改為了風道進風結構，并在每個載物托盤下方都設有進風通道，縮短了檸檬的烘干時間，提高了檸檬的含水均勻性。Martin等［12］認為帶式烘干機烘干物料含水率不均勻的主要原因是沿輸送帶的氣流分布不均勻，從而導致了烘干機能耗升高。將可調節閥角度改為45°能使烘干機兩側流量相等，從而讓氣流分布更均勻。張航等［13］研究了影響烘干機內部流場分布的四個因素（物料層厚度、氣流速度、氣流溫度、氣流相對濕度），發現物料層厚度對氣流風速分布的影響最大，其次為氣流速度，溫度和相對濕度影響最小。前期研究表明基于計算流體力學（CFD）可以很好地模擬烘干機流場。但是大型帶式烘干機頻率和結構等多因素對內部流場的影響尚不清晰。

本文以烘干機導流板角度（30°、40°、50°）、側風道均流板個數（1、2、3）、循環風機頻率（20 Hz、30 Hz、40 Hz）三個參數為研究對象，研究組合參數對烘干機料層表面風速場均勻性的影響規律，找到最優組合參數。

1 烘干機內部風速場均勻性試驗

1.1 試驗平臺

圖1（a）是烘干機試驗平臺。圖1（b）是烘干機模型簡圖，包含進風口、出風口、換熱器、循環風機、導流板、側風道均流板等部件。空氣從進風口進入烘干機，經過換熱器在循環風機的帶動下進入左側風道，而后一部分熱空氣從上面穿過料層，另一部分向下穿過料層，空氣與烘干物料產熱濕熱交換，帶走物料中多余的水分，在排濕風機的作用下通過右側風道，一部分氣體離開烘干機，另一部分氣體受循環風機的作用繼續進行循環。

（a） 烘干機試驗平臺

（b） 3D模型簡圖

1.進風口

2.出風口

3.換熱器

4.循環風機

5.側風道均流板

6.導流板

圖2（a）是導流板結構示意圖，烘干機導流板角度分別為30°、40°、和50°，導流板鋼板厚度為3 mm，兩板之間距離為170 mm，長度為2 000 mm，為便于更換，導流板與料層之間采用螺栓裝配。圖2（b）是側風道均流板結構示意圖，側風道均流板尺寸（長×寬×高）為350 mm×3 mm×2 270 mm。為了避免均流板在氣流的作用下產生晃動，對均流板進行了折彎處理，增強均流板的抗彎性能。

（a） 導流板角度示意圖

（b） 側風道均流板模型示意圖

本試驗用0.1 mm塑料顆粒來代替魚飼料顆粒。將顆粒平鋪在烘干機料層中，整個料層尺寸（寬×長）為2 000 mm×3 000 mm，上、下料層厚度分別為80 mm和100 mm。在兩個料層表面各放有9個風速傳感器（德國，Siemens，QVM62.1），用于采集物料表面風速。傳感器在料層的具體分布位置如圖3所示，傳感器距料層兩個邊界的距離分別為400 mm與300 mm，傳感器之間橫向距離為1 100 mm，傳感器之間縱向距離為700 mm。

1.2 試驗設計

1.2.1 因素水平及選擇

物料烘干后含水率均勻性與烘干機內部風速場均勻性相關［1923］。根據前期研究表明，烘干機內部風速場均勻性與導流板結構、均流板結構、料層厚度和風機頻率等參數相關。根據本試驗的烘干機設計，導流板角度可調控范圍在30°～50°之間。因此，選擇30°、40°、50°作為因素水平。根據側風道的寬度限制，均流板個數不宜多于3個。因此，均流板個數分別為1個、2個、3個作為因素水平。循環風機頻率可調節范圍在20～40 Hz之間，因此選擇20 Hz、30 Hz、40 Hz作為因素水平。試驗因素與水平如表1所示。

1.2.2 正交試驗設計

選用正交試驗設計的方法進行試驗設計。根據表1可知研究對象為三因素三水平，通過Spssau軟件生成正交試驗表L9（34），試驗設計方案如表2所示。

表2中A、B、C為各因素編碼值，每組試驗重復兩次后取平均值。用風速極差值來評價烘干機內部流場的均勻性。極差值越小代表料層表面風速場越均勻，反之則代表風速場不均勻，極差S如式（1）所示。

S=Xmax-Xmin

（1）

式中：

Xmax——

所測同組試驗中的最大風速值，m/s；

Xmin——

所測同組試驗中的最小風速值，m/s。

2 風速場均勻性試驗結果與分析

2.1 風速場均勻性試驗結果

根據上述試驗方案設計表中的因素組合進行試驗，料層表面各點風速值如表3所示。極差可以直觀地表達出各因素對烘干機內部風速場均勻性影響的重要次序，因素的極差越小，表明其對風速場均勻性影響越小，反之，因素的極差越大，其對風速場均勻性影響越大。對表3中各試驗因素的水平進行極差分析計算。

Rm=max（Km）-min（Km）

式中：

Rm——

第m因素極差，即第m因素各水平下的指標值的最大值與最小值之差，m/s；

Kmi——

每個因素中第m因素第i水平的試驗結果極差之和的平均值。

如導流板角度A的極差分析如下：KA1=（0.2+0.3+0.3）/3=0.27，KA2=（0.25+0.45+0.2）/3=0.3，KA3=（0.3+0.2+0.25）/3=0.25，RA=KA2-KA3=0.05。根據K值大小判斷各因素的最優水平，在本試驗中風速值極差越小風速場越均勻，因此，m因素水平選擇較小值。極差值可以判斷各因素對風速場均勻性的影響程度，是確定重要因素和次要因素的根據。

2.2 導流板角度對風速場均勻性的影響

為了更直觀地看出導流板角度、均流板個數、風機頻率的變化值對風速場極差K值的影響，分別繪制圖4，圖5和圖6。圖4為導流板角度對風速場差異的影響，圖4（a）為導流板角度對上料層風速場的影響。當導流板角度為50°時，上料層風速場極差值（KA3）為最小值0.25m/s；當導流板角度為40°時，上料層風速場均勻性最差，風速場極差值（KA2）為最大值0.3m/s。總體上看，風速場均勻性隨導流板角度增加，呈現先下降后上升的趨勢，因此選擇導流板角度為50°時，上料層風速場最均勻。

圖4（b）為導流板角度對下料層風速場的影響。當導流板角度為30°時，下料層風速場極差值（KA1）為最小值0.55m/s；當導流板角度為50°時，下料層風速場均勻性最差，風速場極差值（KA3）為最大值1.33m/s。總體上看，風速場均勻性隨導流板角度的增加，呈現下降的趨勢，因此選擇導流板角度為30°時，下料層風速場均勻性最佳。

（a） 上料層

（b） 下料層

2.3 均流板個數對風速場均勻性的影響

圖5（a）為均流板個數對上料層風速場的影響。當均流板個數為1個或3個時，上料層風速場極差值（KB1或KB3）為最小值0.25m/s；當均流板個數為2個時，上料層風速場均勻性最差，風速場極差值（KB2）達到最大值0.33m/s。總體上看，風速場均勻性隨均流板個數的增加，呈現先下降后上升的趨勢，因此選擇1個或3個均流板時，上料層風速場最均勻。

（a） 上料層

（b） 下料層

圖5（b）為均流板個數對下料層風速場的影響。當均流板個數為2個或3個時，下料層風速場極差值（KB2或KB3）為最小值0.78m/s；當均流板個數為1個時，下料層風速場均勻性最差，風速場極差值（KB1）為最大值0.88m/s。總體上看，風速場均勻性隨導流板角度的增加，呈現先下降后保持不變的趨勢，因此選擇2個或3個均流板時，下料層風速場均勻性最佳。

2.4 風機頻率對風速場均勻性的影響

圖6（a）為風機頻率對上料層風速場的影響。當風機頻率為20 Hz時，上料層風速場極差值（KC1）為最小值0.2m/s；當風機頻率為40 Hz時，上料層風速場均勻性最差，風速場極差值（KC3）為最大值0.35m/s。總體上看，風速場均勻性隨風機頻率的提高，呈現下降的趨勢，因此選擇風機頻率為20 Hz時，上料層風速場最均勻。

圖6（b）為風機頻率對下料層風速場的影響。當風機頻率為20 Hz時，下料層風速場極差值（KC1）為最小值0.55m/s；當風機頻率為40 Hz時，下料層風速場均勻性最差，風速場極差值（KC3）為最大值1.08m/s。總體上看，風速場均勻性隨風機頻率的提高，呈現下降的趨勢，因此選擇風機頻率為20 Hz時，下料層風速場均勻性最佳。

（a） 上料層

（b） 下料層

2.5 風速場均勻性分析

通過正交試驗進行設計，最終對試驗結果進行極差分析。通過對比各因素的極差值R的大小，可以確定各因素對風速場均勻性影響的重要次序，但不考慮交互因素的影響。對于上料層，風機頻率（C）>均流板個數（B）>導流板角度（A）；對于下料層，導流板角度（A）>均流板個數（B）>風機頻率（C）。根據上述分析，因素水平為A3B1C1（角度50°、個數1、頻率20 Hz）或A3B3C1（角度50°、個數3、頻率20 Hz）時，上料層風速場最均勻；因素水平為A1B2C1（角度20°、個數2、頻率20 Hz）或A1B3C1（角度20°、個數3、頻率20 Hz）時，下料層風速場最均勻。由于導流板角度對下料層的風速場均勻性影響最大，對上料層的風速場均勻性影響最小，因此，可以參考的最佳因素水平組合為導流板角度30°，均流板3個，風機頻率20 Hz（A1B3C1）。

3 結論

本文研究了導流板角度（30°、40°、50°）、循環風機頻率（20 Hz、30 Hz、40 Hz）和側風道均流板個數（1、2、3）三個因素對于烘干機內部風速場均勻性的影響。

1） ?風機頻率對上料層的風速場影響最顯著，風速場均勻性隨風機頻率的提高呈現下降的趨勢；導流板角度對上料層風速場影響最不顯著，風速場均勻性隨導流板角度的增加呈現先下降后上升的趨勢。

2） ?導流板角度對下料層風速場影響最顯著，風速場均勻性隨導流板角度的增加呈現下降的趨勢；風機頻率對下料層風速場影響最不顯著，風速場均勻性隨風機頻率的提高呈現下降的趨勢。

3） ?當因素水平組合為導流板角度30°，均流板3個，風機頻率20 Hz（A1B3C1）時，烘干機內部風速場最均勻。

參 考 文 獻

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