新型风扫筒式烘干机干燥过程数值模拟

陈作炳，朱梦佳

(武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉430070)



新型风扫筒式烘干机干燥过程数值模拟

陈作炳，朱梦佳

(武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉430070)

目前国内对于高粘稠物料的烘干并没有针对性的研究，工业上用于高粘稠物料烘干的烘干机存在各种各样的不足。风扫筒式烘干机(简称AST)能够解决高粘稠物料干燥过程中易结块，水分干燥不充分的难题，且具有烘干速度快、效果好、节能环保等优势，弥补了工业上针对高粘稠物料烘干机短缺的问题。本文介绍了风扫筒式烘干机的工作原理和基本结构，并利用多相流模型和DPM模型对不同工况下的干燥过程进行数值模拟，分析比较各工况下相变量和气态水体积分数的变化趋势，为结构参数优化及运行参数优化提供指导。

风扫筒式烘干机 多相流模型 DPM模型 相变量

0 引言

随着我国工业化程度的逐步加深，各行业为我国经济做出了巨大贡献的同时，也产生了很多废弃物。其中包括难处理的粘稠废弃物。据统计，2014年我国城市产生了2 800万t污泥，据估算其仍将以5%～10%的速度持续增长。大量类似污泥的粘稠废弃物对环境有许多负面影响，如污染水资源，滋生病菌等等。但对于高湿废弃物传统的处理方式并不能做到无害化。随着人们环保意识的加强和资源的短缺，对于高湿废弃物的处理和利用呈现出多样化的趋势。本文研究的对象是工业上烘干粘稠物料的专业设备—风扫筒式烘干机[1-2]。

1 物理对象

风扫筒式烘干机为一种高效且低能耗的新型烘干机，可干燥常规烘干机不能有效烘干的高粘稠物料，结构上集粉碎、搅拌、烘干于一体，具有烘干速度快、效果好且可调节物料停留时间等优势[3]。

风扫筒式烘干机的基本原理如下：干燥介质(热风)由进风口进入，粘稠物料通过喂料机构由进料口进入筒体内部，经筒体内部叶片打碎，搅拌，与热介质充分接触后被干燥，最终从出风口同热风一起排出；图1为烘干机结构示意图。干燥过程是一个复杂的过程，物料在筒体内受两个外力作用：热风的作用，另外一个是搅拌叶片的作用。下面将从温度和速度两方面分析烘干机整个干燥过程以指导结构参数及运行参数的优化[4]。

图1 风扫筒式烘干机结构示意图

2 计算模型及边界条件设定

本文采用CFD软件中的fluent作为分析工具，分析常用的方法分为Euler-Lagrange和Euler- Euler。Euler-Lagrange 方法适用于体积分数小于10%的稀疏多相问题。本文中根据工况条件参数可计算固体颗粒所占体积：η=Q1/Q2=4.2%<10%，故固相可采用离散模型(DPM)进行模拟[5]。而Euler-Euler方法包括VOF、Mixture和Eulerian三种模型。其中，Mixture模型是一种建立多相流模型的简化Euler方法,需求解的方程少，稳定性好，且模拟时有足够的精度。本文涉及的物料颗粒尺寸较大，抛送物料时相间有较强的耦合，同时考虑到计算精度，气相和液相选取Euler- Euler方法中的 Mixture模型进行模拟。

气相入口和液相入口类型为速度入口(velocity-inlet)，出口类型为压力出口(pressure-outlet)，外筒体壁面类型为普通壁面(wall)。筒体内流体简化为气-液多相流，主相为气相，材料为空气；次相为液体，材料为液态水[6]。

3 数值模拟结果分析

利用多相流和离散相模型分析在热源温度T=873 K，进风速度v=3 m/s,主轴转速n=300 r/min的工况条件下，高粘稠物料在风扫筒式烘干机内部的干燥过程,得到筒体内部的速度场和温度场[7-8]。

3.1 温度场分析

由图2可知热风由进风口进入筒体内部后，在进风口处热风尚未与低温物料接触时，短时间内热空气仍保持在较高温度，在物料由进料口进入筒体后与热风进行剧烈的热交换，传热速度急剧上升，热风温度由873 K逐渐下降，同时物料温度急剧上升，物料在此区域加速干燥，水分吸收了大量的热，开始汽化为水蒸气，但此阶段物料的含水量并没有十分明显的变化，此阶段为物料干燥过程中的加速阶段。由图可知，筒体内部的温度由873 K降至650 K左右后，温度的变化逐渐放缓。当物料进入此区域后物料的干燥进入了恒速干燥阶段，物料在搅拌叶片的作用下，与热风充分的接触，进行良好的换热，干燥效率较高，在此阶段物料的含水量快速的下降，当含水量降到一定值后，物料进入降速干燥阶段。随着水含量的不断降低，物料内部水分的迁移速度小于物料表面的气化速度，干燥过程受物料内部传热传质作用的制约，传质作用占主导地位，干燥的速度越来越慢。总体上看温度场的变化沿介质流动的方向变化越来越小。

图2 面x=0温度分布情况

图3 各横截面温度最值与均值曲线图

图3为各截面温度的最值与均值的曲线图,由图可看出从面z=1到面z=3.5,物料在筒体内部与热风的热交换过程也是温度场逐渐均匀化的一个过程。在物料进入筒体时，温度的最大值与温度最小值都与截面温度平均值相差较大。此时干燥过程进行的并不剧烈，随着物料沿轴向向前移动，干燥过程进入的恒速阶段，干燥速度增大，此时截面的平均温度迅速下降，直至降到一定值，此时干燥进入降速阶段，温度平均值的曲线图趋于平滑，物料通过热交换，常温的物料温度升高，高温气体温度降低，高温区与低温区相互同化，逐渐实现整个温度场的均匀化，实现液态水向气态水的转化，物料的烘干。

图4所示为截面z=2.0,2.5,3.0,3.5温度场分布图。从单个温度场的分布来看，由截面z=2可知在物料进入筒体后，在物料与热风接触面上发生了剧烈的热交换，在接触面上呈现温度由于热交换而急剧下降的趋势。由图可以发现高温段主要出现在靠近筒体中心线的部分，之所以会出现这样的温度场分布是因为：

①结构布置：烘干机的进料口布置在筒体横截面的远轴端，物料进入筒体后在离心力的作用下，物料会集中在远离主轴的部分与热风进行热交换，故远轴区的温度会稍低于近轴区的温度；

②热交换方向：物料进入筒体后，此时物料颗粒较大，含水量较高，物料颗粒主要集中在远轴区进行热交换，当热交换进行到一定程度，物料的含水量较小时，物料颗粒的粒径会变小，此时热风的作用对物料起主导作用，物料逐渐在筒体内部分散，也使得整个热交换的界面由远轴区逐渐在筒体内部平移，即物料与热风的热交换沿径向由外向里进行。故远轴区的温度稍低于近轴区温度。

图4 截面z=2.0,2.5,3.0,3.5温度场分布图

3.2 速度场分析

根据数值计算的结果显示,在进风口处，由于进料口进入筒体的物料与热风发生较多干涉，局部靠近进料口的部分速度较大。当物料进入下个阶段后，整体速度场区域稳定，在此区域中，物料进入了恒速干燥阶段，此阶段水分快速气化为水蒸气。物料最终进入筒体的后半段进行降速干燥阶段，由于在出口处设有集尘器，集尘器会在出口处形成负压场，由于负压的作用，速度会有显著提升，物料因为负压的作用快速进入收尘器，所以筒体后半段特别是出口位置速度明显比筒体停留区速度高(图5)。

图5 面x=0速度场分布图

如图6为面z=0.5和面z=3的速度矢量图。在z=0.5的横截面上整个速度场稍显紊乱，由于面z=0.5靠近就物料入口，物料刚进入筒体内部，并未达到一个稳定的状态，由图6(a)可见物料由点1开始分为两股分别沿顺时针和逆时针旋转，最后在叶片处(即图中点2处)汇集，然后在远轴端顺时针高速旋转。速度场中速度最大值出现在搅拌叶片的顶端点2，原因有两个：第一个原因是顶端的旋转半径较大，线速度会相对较高；第二个原因为热风在叶片的迎风面处不断堆积，从而形成压力。在压力和热风的作用下，物料随叶片作螺旋运动的同时也在叶片上做径向的离心运动。当运动到一定位置时，物料脱离叶片，此时物料堆积产生的压力达到最大，物料则出现了如图所示的最大速度。而图6(b)中z=3面整个速度场绕轴沿顺时针方向旋转，此时物料的运转早已达到一个均匀的状态。由于该横截面靠近烘干机出口，且在出口位置设有集尘器收集已干燥的颗粒物料，故最高速度出现在出口处。

(a)z=0.5 (b)z=3图6 速度矢量图

3.3 介质流速对干燥情况的影响

热风不仅作为烘干机的唯一热源提供干燥所需热量，还作为传输载体输送物料。故干燥介质流速大小对干燥过程有着较大的影响，下面将以相变量作为观察指标比较不同介质流速下的干燥情况。

图7 各截面相变量曲线图

图7为在热源温度T=873 K，转速n=300 r/min的工况下，介质流速不同时，各截面的相变量曲线图。由图中可见：1)在截面z=0.5 m～1 m之间，介质流速越快，相变量越小；2)介质流速越快，相变量达到的最大值的位置越靠后，且当介质流速超过一定值后，相变量并不能在观察范围内达到最大。介质流速越快，物料进入筒体后，在筒体内行进得越快。物料由入口到达某一截面S时，介质流速为v=9 m/s工况下，物料可能刚进入恒速干燥阶段；但在介质流速为v=1 m/s时，物料可能已经进入降速干燥阶段，故会出现在一定阶段内流速越快，相变量越小，且相变量达到最大值的位置越靠后的情况。这是由于流速越高，单位时间内热源进入筒体的总量越大，也就能提供更多的热量支持干燥；热量越多，筒体内平均温度越高，与物料间的温差随之增大，干燥速率也会增大，并能达到与较低介质流速相比更大的极值。

图8 各截面的水蒸气体积分数曲线图

干燥过程相变产生水蒸气，水蒸气的体积分数可以直观地评价干燥效果。图8为在热源温度T=873 K，转速n=300 r/min的工况下，介质流速分别为v=1～9 m/s时，各截面的水蒸气体积分数曲线图。由相变的单位可知，水蒸气的质量Mq等于相变量Q对时间t的积分，水蒸气的体积分数：δ=Vq/(Vq+Vair)；Vq=Mq/ρ；其中Vq为水蒸气体积，Vair为热源介质体积。则水蒸气的体积分数与相变量Q对时间t的积分值正相关，即δ∝∫Q(t)dt。这就验证了干燥的过程是干燥速率和干燥时间共同影响的结果。在前面提到介质流速快的工况下，物料停留的时间就越短，但作为热源，介质流速越快，提供给干燥过程的热量越多，其干燥速率也就会随之增大。每个工况都有一个相对最佳的流速，既能满足干燥时间，也能满足热能的需求量。由图8可知在热源温度T=873 K，转速n=300 r/min的工况下，v=3 m/s为此工况下的最佳介质流速。

4 小结

本文利用多相流和DPM混合模型模拟分析了风扫筒式烘干机在干燥过程中的速度场、温度场分布情况。通过模拟得出以下结论：

1)在干燥腔体的中部,温度下降较快,此区域物料干燥速率较高，在结构的优化中要着重考虑此区域流场的改善；高温段出现在靠近筒体中心线的部分，且总体上看温度场的变化沿介质气体流动的方向变化逐渐减小。

2)流场速度最大值出现在出口处，由于集尘器的设置，在负压的作用下，干燥筒体靠近出口的位置，速度明显比筒体中间段的速度高。

3)在热源温度T=873 K，转速n=300 r/min的工况下，通过对比四组不同介质流速下相变情况，得出v=3 m/s时为此工况下的最佳介质流速。

[1] Galeev A D, Starovoytova E V, Ponikarov S I. Numerical simulation of the consequences of liquefied ammonia instantaneous release using FLUENT software[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2013,91(3):191-201.

[2] Prationo W, Zhang J, Cui J, et al. Influence of inherent moisture on the ignition and combustion of wet Victorian brown coal in air-firing and oxy-fuel modes: Part 1: The volatile ignition and flame propagation[J]. Fuel Processing Technology, 2015,138:670-679.

[3] 赵勇. 高效粘稠物料烘干机研究与开发[D]. 武汉：武汉理工大学, 2014.

[4] 李卫华. 基于FLUENT的烘干机内部流场分析与结构优化[D]. 镇江：江苏科技大学, 2010.

[5] 郭建慧, 李伯全, 谢鸥. 基于Fluent的球团干燥过程仿真分析[J]. 信息技术, 2015(2):22-25.

[6] 吴海艳. SZ45型闪蒸干燥机内气固两相流数值模拟[D]. 沈阳：东北大学，2008.

[7] 王飞. 内热式蒸汽回转干燥机内流场温度场数值模拟[D]. 沈阳：东北大学，2011.

[8] 李克峰. 旋片干燥机内流场和温度场数值模拟[D].沈阳：东北大学，2009.

Numerical simulation of the drying process of the new-type air swept tubular dryer

CHEN Zuobing, ZHU Mengjia

At present, there are few domestic researches targeting on the drying of high-viscous materials, and the existing dryers have various deficiencies. In this study, we developed an air swept tubular dryer(AST) that could solve the problems of material caking and insufficient drying, and had the advantages of fast and effective drying, and energy saving. In this paper, we introduced the working principles and structure of the AST, and carried out numerical simulation of the drying process under different working conditions with multiphase flow model and discrete phase model, and analyzed the change trends of the phase variable and the vapor volume fraction. And the results were used to guide the optimization of the structure parameters and operation parameters of the AST.

air swept tubular dryer, multiphase flow model, discrete phase model, phase variable

TB24

A

1002-6886(2016)05-0057-04

陈作炳(1962-)，男，湖北孝感人，武汉理工大学机电学院博士，教授、博士生导师，研究方向建材装备及控制技术、机电一体化、节能环保技术等。

朱梦佳(1989-)，男，湖北荆门人，武汉理工大学机电学院硕士研究生，研究方向先进设计理论与方法。

2016-03-29