转筒干燥机活动折弯抄板设计方法研究

马晓录，张 勇

（河南工业大学 机电工程学院，河南 郑州 450007）

0 引言

转筒干燥机是一种应用广泛的干燥设备.在粮油、食品、化工等颗粒产品生产过程中，转筒干燥机可以作为颗粒物料的干燥设备，如玉米、水稻、油菜籽、大豆等粮食干燥处理过程中都应用到大量的转筒干燥设备.目前我国粮食干燥现状和粮食干燥机研究及应用现状，仍然是以对流传热为主，粮食干燥分为连续式和间歇式两种.连续式干燥机用于大产量粮食干燥，其结构简单、工艺配置多样、价格不高、干燥效率和生产率相对高，干燥后粮食品质较好、干燥成本低等，如连续式顺逆流干燥机在各个方面都是较为成熟的先进机型；间歇式干燥机适用于产量不高的中低温干燥，如种子干燥或南方生产的零散式粮食干燥，干燥后粮食品质好、发芽率不受影响、爆腰、破碎率低等，但间歇式干燥设备投资成本相对较高，干燥效率和生产率较低，如循环式干燥机、固定床干燥机.另外，根据日本的一项研究[1]，稻谷在4 h之内干燥到适合存储的水分，其粮食品质才能得到最好的保存.针对粮食生产偏僻地区、粮食生产不集中地区，研究开发了一部分间歇式干燥设备，如可移动间歇式转筒干燥机、可移动间歇式流化床干燥机等，这些干燥设备不仅能够及时对粮食进行保质，而且结构简单、价格低、干燥投资成本低，很符合粮食生产偏僻地区、粮食生产不集中地区的粮食干燥要求，几种粮食干燥机使用情况比较如表1所示.

表1 几种粮食干燥机使用情况比较

转筒干燥机主要是由回转圆筒和内部扬料板构成，结构比较简单,转筒干燥机内物料的干燥过程是物料在转筒内撒落与热风接触，物料吸收热量水分蒸发使得物料脱水干燥.一般物料颗粒抛撒在空中的运动时间仅仅是在筒体和抄板内运动时间的10%～15%，对转筒干燥机而言，转筒内抄板和转筒速度是影响物料撒落运动时间和物料在筒体空间撒落均匀性的关键因素，只有提高转筒内物料的抛撒运动时间和转筒内抄板撒料均匀性，增加物料与热风的接触，才能在保证转筒干燥能力和物料品质的前提下，保证干后物料的水分均匀性和温度均匀性.

一般情况下，转筒干燥机转速比较低，转筒转速与干燥过程、物料性质有关，转筒内物料干燥过程是抄板抛撒的物料与热风相互作用，与转筒内抄板有密切关系.抄板样式很多，有阶梯式抄板[2]、弧形抄板[3]、组合式抄板[4]，有专门研究抄板的文献[5-9].因此，抄板的结构、数量及安装位置直接影响转筒干燥过程的热效率和干燥强度[10].作者对转筒干燥机内活动折弯抄板作用下撒料特性进行了研究.分析转筒理想工作状态下颗粒物料密度分布规律.根据在抄板作用下颗粒物料在转筒干燥机内的理想撒落分布规律，导出理想抄板表面轮廓方程.提出在活动折弯抄板作用下颗粒物料在转筒干燥机内撒落分布均匀的活动折弯抄板设计方法，为转筒干燥机活动折弯抄板的设计研究提供借鉴和参考.

1 转筒理想工作状态下截面物料分布

在转筒干燥机内，物料随着抄板运动到一定高度，由于物料受转筒倾角、物料性质、物料重力等因素影响，物料做撒落运动分布在转筒干燥机内.物料在筒体内的分布均匀性直接影响撒落物料与筒体内的热气流接触发生热质交换而被干燥的效果，影响转筒干燥机的干燥能力.

在实际干燥过程中，转筒内热气流的温度和湿度是随着时间和筒体位置变化而变化的，转筒内各个位置热气流在不同时刻其蒸发水分能力不同.为了使物料得到充分有效的干燥，物料在空间某一点某一时刻的量，应与该点热气流蒸发水分能力成正比.假设某一转筒内抄板横截面上热气流是均匀分布的，即横截面任一位置热气流蒸发能力相同，同时，横截面任一位置的物料也是均匀分布的，这是转筒干燥机内物料的合理分布状态[11].

转筒干燥机内物料的合理分布是由抄板决定的，活动折弯抄板只有符合一定的结构参数，才能撒出比较合理的物料分布.

合理的截面物料分布应满足：任意一截面单元上，单位时间扬撒的物料量与通过气体量的比值为定值，即：

式中：Qis为第 i个单元物料流率，kg/s；Qig为第 i个单元热气流流率，kg/s.

式中：f(x)表示物料在不同转角φ对应横坐标x处撒落到转筒内的概率密度函数；Qig=2ρυy d x；Qg=ρυπ；ρ为热气流密度，kg/m3；υ为热气流速度，kg/m3；y为截面单元纵坐标，m；d x为截面单元横坐标x的增量，m；R0为抛落点P轨迹半径，m.

由式（2）可得：

式中：F(x)表示物料在不同转角φ（rad）对应横坐标x处撒落到转筒内的密度分布函数.

把不同的φ和其增量Δφ（φ取值范围为0～π，共60个φ点，取值为代入式（4）中，得到物料在不同转角φ对应横坐标x处撒落到转筒内的密度分布函数，即为理想工作状态下截面物料密度分布，曲线如图1[12]所示.当转筒的转角到时，物料撒落到转筒内的概率密度最大.

图1 转筒理想工作状态下物料密度分布曲线

2 理想抄板截面方程的推导

根据物料的理想分布，能够确定理想抄板截面形状，为推导出理想抄板截面方程，现做出如下假设：

第一，物料在筒体内密度分布是在转筒理想工作状态下.

第二，物料在抄板作用下撒落到筒体内是均匀的.

第三，由于转筒转速小，物料运动轨迹可以近似为一条直线.

转筒转角φ到φ+dφ过程中物料分布截面如图2所示，过程中抄板中物料减少量为物料撒落量，这里用物料撒落截面面积d s表示，黑色部分为物料撒落量，则：

极坐标γ(B)～B下的物料在抄板上减少的示意图，也为抄板表面轮廓轨迹图如图3所示.极轴γ(B)转过d B扫过的面积为：

转筒转角φ到φ+dφ过程中物料撒落截面面积等于极轴γ(B)转过d B扫过的面积，则：

式中：B为动态撒料角，B的理想取值范围为(0,π).

图2 转筒转角φ到φ+dφ过程中物料分布截面

图3 抄板表面轮廓轨迹

式(8)为满足物料分布均匀的理想抄板截面方程.假设R0撒落点轨迹半径为0.5 m，增量为ΔB为，结合式（8）得到满足颗粒性物料分布均匀的理想扬料板截面曲线，如图4所示.

图4 理想扬料板截面曲线

理想扬料板极坐标下极角与极半径多项式拟合曲线，得到6阶多项式已经与原始数据接近，误差很小，如图5所示.

图5 理想扬料板截面曲线拟合多项式

因此，理想扬料板截面方程可以用理想扬料板极坐标下极角与极半径拟合的6次多项式表示.

3 物料在转筒干燥机内撒落分布均匀的活动折弯抄板设计方法

活动折弯抄板的安装情况如图6所示，图中φ是抄板外端点P与转筒中心O连线OP与水平线OX的夹角，即转筒由初始位置转过φ角到达如图6所示位置的转筒转角.活动安装角为T rad，折弯角为V rad，R是转筒的半径（m），a、b分别为活动折弯抄板边长（m）.

图6 活动折弯抄板的安装情况

确定活动折弯抄板在筒体内的安装后，抄板上物料的自由表面与水平线之间的夹角为转动休止角Q rad，假设抄板在水平位置O时，物料在抄板上的休止角为Q0rad，此时物料开始撒落.当筒体转动抄板高度增加，直至物料全部撒落完[5]，此时物料动态休止线与水平直线夹角为QPArad，如图7所示.

图7 物料撒落图

当物料动态休止线与水平直线夹角为QPA，转筒转角为φ，可求得转角φ为：

式中：C是抄板外端点和通过转筒中心的连线与抄板顶端点和通过转筒中心的连线的夹角；Y是抄板顶端点和通过转筒中心的连线与抄板边a的夹角.

式中：QPA为物料全部抛落完，物料动态休止线与水平直线夹角；μ为颗粒物料的最大静摩擦因数.

4 实例分析与讨论

例如以玉米干燥为例，玉米干燥是以低温大风量和薄层干燥及缓苏的干燥工艺，玉米含水率为25%，玉米颗粒静摩擦因数为μ，玉米颗粒在转筒中抄板上的摩擦角QPA为在转筒干燥机的特性参数中，选取转筒干燥机半径R为1.1 m，撒落点P轨迹半径为0.5 m，增量为ΔB为，根据公，计算得到理想抄板极坐标下极角与极半径的关系，选取活动折弯抄板的边长 a、b为 0.4 m，折弯角为，抄板活动安装角为抄板在转筒内结构如图8所示.的取值范围为以抄板每转过计算活动折弯抄板的持料量h，计算公式为：

图8 抄板在转筒内的结构

图9 不同转筒转角的活动折弯抄板持料量

5 结束语

抄板撒料均匀性与转筒干燥机内抄板的设计有密切关系，在提高转筒干燥能力方面起重要的作用，是设计转筒干燥机的重要因素.通过对颗粒物料在转筒干燥机内活动折弯抄板作用下的撒料特性的研究，导出了理想工作状态下转筒截面物料密度撒落和分布规律，建立了一种理想抄板截面的计算方程，提出了一种转筒干燥机活动折弯抄板的设计方法.该方法可与数值分析法互相印证，为设计具有良好干燥效果和热能利用率的转筒干燥机结构提供依据.

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