隧道式涂层电极干燥机的设计与研究

2020-10-21董高彬丁武学潘准峰

机械制造与自动化 2020年5期

董高彬，丁武学，潘准峰

(1. 南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094； 2. 宜兴恩创环保有限公司，江苏宜兴 214200)

0 引言

随着人们环境保护意识的提高，认识到水资源缺乏的严重性，污水资源化也显得愈发重要。国家环境治理力度不断加强，习近平十多年前就提出了“绿水青山就是金山银山”的论断，以“努力建设美丽中国，实现中华民族永续发展”为伟大目标，党和政府也大力推进生态文明建设。通过外加电场，设计电化学反应的方法对生活污水、工厂废水进行处理，避免对环境造成二次污染。这种环境友好型的水处理技术应用越来越广泛，电解去污所使用的钛基涂层电极也迎来了广阔的市场前景。

电极基体主要为阀型金属钛，表面会生成坚固的氧化膜薄层，使电极基体电阻大幅增加，为了让电解液获得大电流只能增加外部电势差，因此从经济性与可行性的角度考虑，电解污水时不能直接使用阀型金属作电极。常见解决方法为：在基体表面包覆一层贵金属盐材料的活性涂层，增加钛基体的耐电化学腐蚀性与导电性。热分解法是最常见的生产涂层电极的方法，该方法为将贵金属盐溶液涂覆于基体表面，烘干后进行高温烧结，金属盐通过热分解的方式生成氧化物涂层。本文将针对涂层电极生产过程中的烘干操作设计相应的隧道式干燥设备，保证电极基体能够均匀、高效地完成烘干。

1 隧道长度与湿物料运行速度

1.1 电极在隧道内姿态的确定

板类零件干燥时，常见摆放方式有平放、平行于运动方向竖直摆放、垂直于运动方向竖直摆放。相较于竖直摆放，电极平放时涂层与料架之间接触面积较大，烘干后电极与料架的接触部位必然会留有明显水渍，竖直摆放时电极与料架主要接触部位为侧边，接触面积较小，对涂层几乎无影响。竖直迎风摆放时，板由于钛基之间相互阻隔，每架电极只有边缘处一块电极受风，物料干燥较快，且两边电极对风场阻力大，中部数块电极风速低，空气湿度高，物料干燥缓慢，因而造成总体物料干燥不均匀，影响产品品质。本课题中采用顺风竖直摆放的方式对完成涂覆后的钛基进行烘干。

1.2 隧道长度的计算

待烘干电极为l1×l2=230mm×440mm形状规则的矩形薄板类零件。使用料架搭载电极，拟每架搭载5片电极，每片间距X=100mm，插槽h1=5mm，料架尺寸L1×L2×L3=500mm×500mm×230mm；电极单侧所携带溶液质量近似为m1=5.9g。

求解隧道长度可从干燥器的干燥能力入手，根据干燥器干燥面积求得。隧道式干燥器干燥面积可由式(1)计算获得

w=Gc(y2-y1)=kxF1(Δy)m

(1)

式中：w为干燥能力，kg/h；Gc为干燥器截面空气流速，kg/(m2·h)；y1为入口空气含湿量，%；y2为出口空气含湿量，%；kx为汽化系数，kg(H2O)/(m2·h·Δy)；F1为每行面积，m2；(Δy)m为对数平均含湿量，%。

料架上每两片电极间的间隙面积近似为S间隙=X×l1=100×230=23 000mm2。为计算简便，每道间隙之间只取单侧电极表面进行计算，则每个间隙的截面面积也只取一半，即

S1=50×230=11 500mm2=1.15×10-2m2。

根据已有生产经验，风速暂取ν1=2m/s，则每小时通过每道间隙的风量为：

Q1=ν1tS1=2×60×60×1.15×10-2=82.8m3。

每道间隙每小时流过的空气质量可由式(2)求得：

M1=ρQ1

(2)

式中：ρ为空气密度，kg/m3，可由式(3)求得

(3)

式中:T为空气温度，℃。

根据生产经验，空气温度取150 ℃，则空气150 ℃条件下密度为ρ=0.835 kg/m3；将其代入式(2)中得每道间隙单位时间流过的空气值质量为M1=0.835×82.8=69.14 kg。

干燥器干燥能力由单位时间内可干燥出的水分来表征，可由式(4)求得：

W=(y2-y1)M1

(4)

空气含湿量取经验值，入口取y1=0.015，出口取y2=0.03。则理想情况下每小时可干燥出的水分为W=(0.03-0.015)×39.14=1.037 kg/h[1]。

对数平均湿含量(Δy)m可由式(5)解出：

(5)

式中y为物料表面空气湿含量，%。

干燥过程中，为保证干燥效果，使出口空气的含湿量不超过y=0.05，则：

Δy1=y-y1=0.035

Δy2=y-y2=0.020

由式(1)变换可得：

(6)

电极宽l1=0.23m，假设电极在隧道中紧密排列，那么沿隧道方向上每米长度、每道间隙之间待干燥的电极面积为：

S2=230×10-3×1=0.23m2

(7)

则隧道长度：

(8)

根据实际生产，进入隧道的料架之间定会有适当间隙，为后续设计与计算方便，隧道长度取整L=4.5m[1-2]。

1.3 料架运行速度的计算

为使涂层与基体之间紧密结合，干燥过程中需使溶剂充分挥发。干燥彻底的电极经过热氧化后，表面不会出现明显裂纹，并且涂层与基体结合牢固，使用滤纸擦拭，其上不会出现明显黑色。根据已有生产经验，待干燥电极在150℃环境下保温3～5min即可使溶剂彻底挥发、涂层质量达到要求。因此料架运行速度取为v料=4.5÷180=0.025m/s。

2 隧道内流场仿真

本文将采用计算流体力学的方法对干燥器内部流场进行CFD建模并求解，从而获得隧道内流场信息。

2.1 模型的建立

按所确定的电极摆放方式与隧道长度建立隧道内流场模型如图1所示。根据产能要求，每小时干燥125片，即13个料架，每片电极的干燥时间为3～5min，假设生产速度均匀，隧道内料架数不会超过2架。由于划分网格后电极处网格较密集，每多一架电极，网格数量和模型复杂程度将会巨幅增加。因此，隧道内料架数目取2架即可。考虑电极输送方式与电极之间的相互遮挡，选取进排风方式为下进风、下排风，使湿物料在隧道内逆流运行。为提高烘干系统的热利用率，降低设备能耗，往往将排风口排出的仍具有较高温度、湿度却不是很高的废气循环加热以排入隧道再次使用。使用工业热风机作为气源，并设置相应的渐扩装置使热空气均匀地扩散至隧道内。建立隧道内流体域模型如图1所示，表1为隧道部分关键尺寸[3-6]。

图1 隧道内流体域模型

2.2 求解结果

1)气体流速均匀性指数

选取x1=315mm，z1=-1 200mm，z2=-3 300mm，3个面作为监测面，图2-图4分别为x1、z1、z23个有代表性的监测面的气流速度矢量图，记录各个监测面的风速均匀性指数。

表1隧道部分关键尺寸

图2 监测面x1风速云图

图3 监测面z1风速云图

图4 监测面z2风速云图

隧道截面上的热风均匀性对湿物料干燥过程的均匀性有重要影响。由于风量分布不均匀：风速较快的部位电极干燥速度快；气流速度较慢的部分电极干燥较慢，造成总体物料干燥不均匀，甚至加重涂层龟裂，以致出现明显裂隙。Fluent中可以通过均匀性指数γ来表征指定平面上某物理量的分布情况，由式(9)可计算截面上的风速均匀性指数。

(9)

γ取值范围[0,1]，γ越大表示流动均匀性越好，1表示理想状态下的均匀流动。所取3个截面的均匀性指数如表2所示。

表2 各监测面风速均匀性指数

由速度云图与表2可知：进口位置的各壁面结构对气流具有阻隔或导向的作用，气流扰动剧烈，接近进口处热风的流动均匀情况最差；随着热风在隧道内运动距离增加，流速场趋于稳定，均匀性指数逐渐增加；接近排风口的位置均匀性稍微有所降低。

2)隧道内温度均匀性指数

隧道内温度分布的均匀性对湿物料的均匀干燥有着重要影响，图5为监测面x1=315mm温度分布情况，观测并记录其温度均匀性指数。监测面x1温度均匀性指数为γ1=0.994 5。

图5 监测面x1温度云图

3)隧道内平均温度

图6 监测面z1温度云图

3 干燥设备其他关键参数

隧道结构上除最关键的隧道长度、湿物料运行速度等参数决定着干燥设备的干燥能力外，其他结构参数诸如隧道截面尺寸、渐扩管形状等在一定程度上也影响着设备的性能。本小节将结合上文隧道流体域的仿真结果进行正交试验分析，寻求隧道截面宽度、高度、渐扩部分倾角等参数的最佳水平组合，为后续干燥设备的结构设计提供参考[7-10]。