料层厚度对四层带式烘干机内气流分布的影响＊

黄敏凤，薛东晓，张鹏飞,，程 春，奚小波，张剑锋，陈 博

（1.扬州大学机械工程学院，江苏 扬州 225100；2.江苏丰尚智能科技有限公司，江苏 扬州 225100）

0 引言

目前，带式烘干机通常可按照气流与饲料的接触方式，分为对流型和传导型两类。但传导型带式烘干机传热效率低且难清洗，工业生产中应用较少[1]。料层厚度是影响烘干机内部气流分布的重要参数，料层厚度选择不合理会导致烘干机内流场分布不均匀，而烘干机内流场分布又会造成饲料产品的含水率不均匀，进而影响产品品质[2]。因此，研究不同料层下的烘干机内部流场分布特性，明确使料层表面风速分布最为均匀的料层厚度，可优化烘干工艺参数，提高饲料品质。

计算流体力学（CFD）是研究烘干机内部流场的常见方法。肖瑶等[3]利用 Fluent 软件对油菜旋风式烘干机主要工作部件干燥筒的气力流场进行仿真分析，结果表明：当入口截面积一定时，速度越大，干燥筒内气流场分布更有利于物料烘干；对出口流场进行模拟和实测验证试验，其流场变化趋势基本一致，同一点位的流速模拟值与实测值的平均误差为6.58%。张航等[4]利用Fluent软件模拟了料层厚度、风速、温度和气流比湿度对烘干机内的物料含水率和气流分布均匀性的影响。结果显示：料层厚度对气流分布的影响最大，风速其次，温度和气流比湿度影响最小。

1 四层带式烘干机工作原理

四层带式烘干机的工作原理是湿的饲料被均匀地摊布在四层物料层上，冷空气从进风口进入烘干机；在循环风机的带动下，冷空气经过换热器并被加热；然后经由左侧风道进入烘干室，热空气分三路穿透四层物料层，一部分热空气向上穿透第1、4层饲料，一部分向下穿透第2、3层饲料，过程中与饲料发生热交换，热空气变冷并带走饲料中的水分；最后由右侧风道，一部分从出风口排出，另一部分再次进入循环，同时新鲜空气从进风口进入，从而保持烘干机内空气总量不变，如图1 所示（图中空心箭头表示冷空气的流向，实心箭头表示热空气的流向）。

图1 烘干机工作原理

2 CFD仿真过程

为了方便模拟，通过大量的预模拟验证，做出如下假设：1）模拟过程，烘干机内部气流稳定且总量保持不变；2）模拟过程，因文本研究重点料层厚度对四层带式烘干机内部气流场分布的影响，故不考虑温度变化，且烘干机内外部不发生热交换；3）模拟过程，进入烘干机内部气流的湍流黏度各向同性。

模拟时，选用工程常用的标准k-ε 方程。循环风机被设置为压强条件，根据风机性能曲线可知，当循环风机频率为30 Hz时，对应的压强差为800 Pa。进风口设置为压强条件，值为一个大气压。将出风口设置为速度条件，根据测量可知，其值为9.6 m/s。料层设置为均匀多孔介质。选取的水产饲料样品的等效直径（Dd）为3 mm、孔隙率（φ）为0.4。渗透率和惯性阻力系数可以通过方程（1）和（2）计算得到[5]：

式中，Dd是饲料颗粒的等效直径；φ 是孔隙度。

经过计算可得，该种水产饲料的渗透率（1/α）为5.859×10-8m-2、惯性阻力系数为（C2）为8 750 m-1。

3 结果与讨论

3.1 料层厚度为20 mm

当料层厚度为20 mm 时，四个饲料层上表面的风速云图如图2所示。其中，第1、4层表面的风速云图代表的是气流穿透饲料层之后，料层表面的风速分布，第2、3层表面的风速云图代表的是气流穿透饲料层之前，料层表面的风速分布。由图2 可知，当料层厚度为20 mm 时，第1 层饲料表面风速的最大值为0.36 m/s；第2 层饲料表面风速的最大值为5.04 m/s；第3层饲料表面风速的最大值为3.00 m/s；第4层饲料表面风速的最大值为0.40 m/s。也就是说，第1、4层饲料表面的风速最大值小于第2、3 层表面的风速最大值；且第1 层表面风速分布最为均匀，第4 层次之，第2、3 层表面分布较为不均匀。

图2 料层厚度为20 mm 时

3.2 料层厚度为30 mm

图3 是料层厚度为30 mm 时，四个饲料层上表面的风速云图。可知，当料层厚度为30 mm 时，第1 层饲料表面风速的最大值为0.36 m/s；第2 层饲料表面风速的最大值为4.80 m/s；第3层饲料表面风速的最大值为2.44 m/s；第4层饲料表面风速的最大值为0.40 m/s。也就是说，第1、4层饲料表面风速的最大值小于第2、3 层表面风速的最大值；且第1 层表面风速分布最为均匀，第4 层次之，第2、3 层表面分布较为不均匀。

图3 料层厚度为30 mm 时

3.3 料层厚度为40 mm

当料层厚度为40 mm 时，四个饲料层上表面的风速云图，如图4 所示。可知，当料层厚度为40 mm 时，第1 层饲料表面风速的最大值为0.36 m/s；第2层饲料表面风速的最大值为4.49 m/s；第3层饲料表面风速的最大值为2.04 m/s；第4层饲料表面风速的最大值为0.43 m/s。也就是说，第1、4 层饲料表面风速的最大值小于第2、3 层表面风速的最大值；且第1 层表面风速分布最为均匀，第4 层次之，第2、3层表面分布较为不均匀。

图4 料层厚度为40 mm 时

4 结论

综上讨论可知，随着料层厚度的增加，四个料层表面的气流速度值均降低。这是因为料层厚度越大，对于同一种饲料而言，其堆叠的层数就越多，气流穿透料层受到的阻力也就越大；当气流穿透料层后其速度会显著降低，这是因为饲料层上铺的饲料为多孔结构，气流在穿透料层的过程中受到阻力，导致速度降低；而气流穿透料层后，料层表面的气流分布变得更加均匀，这是因为气流从左侧风道进入烘干室时，遇到料层的阻力，容易在穿透料层前在烘干室内形成紊流，导致穿透前饲料层表面气流速度分布不均匀。