基于CFD數(shù)值模擬的粉煤灰脈沖氣流干燥器干燥性能的研究

□ 時 彤 □ 姜大志, □ 孫俊蘭 □ 韓 晶

1．江南大學 機械工程學院 江蘇無錫 214122

2．鹽城工學院 機械工程學院 江蘇鹽城 224051

3．常州先進制造技術(shù)研究所 江蘇常州 213164

粉煤灰為工業(yè)上常用的混合材料，其綜合利用多使用干灰，目前粉煤灰的干燥工藝多采用回轉(zhuǎn)烘干設(shè)備，此類設(shè)備占地面積大，能耗高，在工業(yè)生產(chǎn)中遇到的問題較多。脈沖氣流干燥器是廣泛應(yīng)用于顆粒干燥的設(shè)備，由于采用氣流輸送原理，設(shè)備制作簡單，占地面積較小，僅在高度上有一定的要求，且在實際運用中熱效率較高［1］，其特有的脈沖管結(jié)構(gòu)可以有效地強化干燥管內(nèi)部氣固兩相之間的傳熱作用。結(jié)合粉煤灰顆粒干燥的生產(chǎn)需求以及脈沖氣流干燥器的應(yīng)用特點，筆者設(shè)計了粉煤灰脈沖氣流干燥器，利用干燥設(shè)備手冊中的經(jīng)驗設(shè)計方法，計算其結(jié)構(gòu)尺寸，并在CFD（Computational Fluid Dynamics）有限體積軟件Fluent 6.3中進行模擬實驗，驗證其干燥性能，該研究成果可以為粉煤灰干燥生產(chǎn)提供一種新型的生產(chǎn)方式，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 粉煤灰脈沖氣流干燥管的結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對粉煤灰的干燥特性和物理性質(zhì)，采用干燥器設(shè)計手冊中的分段設(shè)計方法［2］，設(shè)計適用于粉煤灰顆粒的脈沖氣流干燥器，計算結(jié)果見表1，該干燥管結(jié)構(gòu)包括2段減速段和3段加速段，三維模型見圖1（a）。

表1 粉煤灰脈沖氣流干燥管的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 實驗?zāi)Ｐ偷慕?/h2>

2.1 三維模型的建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)設(shè)計的粉煤灰脈沖氣流干燥器的結(jié)構(gòu)，利用UG NX6.0軟件建立其三維模型如圖1（a）所示，由于加速段和減速段的管徑不同，如采用直接連接，在過渡段會產(chǎn)生渦流現(xiàn)象。因此，在建模時過渡段采用60°傾斜角的圓錐體過渡，并采用60°的倒圓角將連接處順滑處理［3］。

將建立的三維模型導(dǎo)入Gambit軟件中進行網(wǎng)格劃分，采用較小尺寸的網(wǎng)格單元，盡可能提高過渡段的網(wǎng)格質(zhì)量，經(jīng)多次嘗試，最終采用10 mm大小的六面體網(wǎng)格，共計得到網(wǎng)格數(shù)為167 760個，通過Gambit對網(wǎng)格評價，網(wǎng)格單元夾角小于0.8°，滿足計算要求，圖1（b）為劃分完成的網(wǎng)格圖，將干燥管進口設(shè)置為速度入口邊界條件，出口設(shè)置為充分壓力出口邊界條件，其它的邊界設(shè)置為壁面邊界條件。

▲圖1 粉煤灰脈沖氣流干燥器的模型與網(wǎng)格分布

2.2 求解器及實驗參數(shù)的設(shè)定

由于粉煤灰顆粒和熱氣流之間有熱量的傳遞，擬采用Fluent 6.3中的歐拉多相流模型［4］進行耦合隱式不可壓縮穩(wěn)態(tài)三維單精度求解；脈沖氣流干燥管內(nèi)部流動為中等強度的湍流流動，所以選擇工程設(shè)計中常用的k-ε模型來對干燥管內(nèi)部的湍流情況做數(shù)值模擬［5］。由于粉煤灰顆粒與熱氣流之間有傳熱過程，在Fluent 6.3中采用能量守恒方程，需要用到的物理參數(shù)包括氣固兩相的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和空氣黏度，本研究假設(shè)顆粒和空氣的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度變化而變化，各項參數(shù)［6］見表 2。

在歐拉模型中，將主相設(shè)為熱氣流，氣流以20 m/s的速度進入干燥管，次相為固相（粉煤灰），顆粒初速度設(shè)為0；顆粒黏度采用Gidaspow et al黏度模型，顆粒體積黏度采用Lun et al模型，固體壓力和徑向分布采用Len et al模型，在本模擬中主要考慮粉煤灰顆粒所受到的曳力、重力與浮力，曳力模型采用Gidaspow曳力模型，顆粒碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.9，熱交換模型選擇Gunn模型［7］，假設(shè)粉煤灰顆粒粒徑為 120 μm，形狀為球形。

壓力-速度耦合方程采用曲線坐標系中的非交錯網(wǎng)格的Simple算法，壓力梯度項采用Standard格式，離散方程的對流項均用二階迎風格式 （Second Order Upwind）計算［8］，使用默認的欠松弛因子；監(jiān)視收斂性判別標準均設(shè)為10-3，初始化后對其進行迭代計算，共迭代約1 529步后得到較好的收斂結(jié)果。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 氣流速度分析

圖 2（a）、（b）分別為顆粒加入前、后管中的氣流速度變化，氣流在各個分段的速度運動都較為均勻。從圖2（a）中可看出，氣流在干燥管中以“加速-減速-加速”不斷變化的規(guī)律運動，以20 m/s速度進入的熱氣流，在減速段降至14 m/s左右，且越靠近外側(cè)其降低程度越大，氣流的速度突變效果明顯，這對于顆粒加入后增大顆粒與氣流之間的相對速度極為有利。在加入粉煤灰顆粒后，得到氣流的速度變化如圖2（b）所示，氣流速度相對于無顆粒的情況下有所降低，主要是因為熱氣流將熱量傳遞給了粉煤灰顆粒，使自身的體積變小，從而降低了氣流速度，而干燥管中有了顆粒的加入，彌補了一些流場體積變化，氣流速度的降低程度較小。

▲圖2 干燥管中的氣流速度分布

3.2 顆粒速度及兩相相對速度分析

圖3 為粉煤灰顆粒進入干燥管后的顆粒運動速度分布情況，圖4給出了氣流和顆粒之間的相對速度大小變化情況，粉煤灰在氣流的帶動下呈現(xiàn)出‘加速-減速’不斷循環(huán)的規(guī)律，氣固兩相之間的相對速度一直保持在較高水平。圖5和圖6分別為顆粒運動速度和兩相相對速度的變化曲線，從中可以直觀地觀察其大小變化情況，粉煤灰在初始進入時不斷地被氣流帶動加速到17 m/s以上，在兩段減速段位置，顆粒速度曲線向下變化。粉煤灰顆粒在氣流帶動下的變化規(guī)律較明顯，顆粒和氣流之間始終保持著較高的速度差。圖6可以看到顆粒和氣流之間的相對速度在每個管段都有明顯的由大變小的過程，即使在減速段，氣流和顆粒的最大相對速度也一度能達到4 m/s以上，大部分的時間內(nèi)氣固兩相之間都能保持較高的水平。相對于傳統(tǒng)的直管氣流干燥，顆粒和氣流之間的對流作用大大加強，可以強化熱氣流和顆粒之間的傳熱過程，對于提高干燥器的干燥效果極為有利。

3.3 氣固兩相的溫度場變化情況

▲圖3 顆粒速度分布圖

▲圖4氣固相對速度分布

▲圖5 顆粒運動速度變化曲線

▲圖6 相對速度的變化曲線

圖 7（a）、（b）為氣流及粉煤灰顆粒在干燥管中的的溫度分布，實驗中進口的熱氣流溫度為400℃，粉煤灰顆粒的進口溫度為 26℃；圖 8（a）、（b）分別為熱氣流和粉煤灰顆粒的溫度變化曲線圖，400℃的熱氣流在干燥過程開始后，溫度不斷下降，剛開始降低幅度較大，然后開始放緩，在干燥器的出口，熱氣流最終以105℃的溫度排出，這是由于在干燥初始時氣流和顆粒之間的溫度差較大，熱傳遞效果最佳，而隨著氣固兩相溫差減小，其傳熱效果不斷降低。顆粒在整個過程中的溫度則不斷升高，由于大多數(shù)的熱量用于粉煤灰顆粒中水分的蒸發(fā)，顆粒本身吸收的熱量較少，進口為26℃的粉煤灰顆粒，其出口溫度僅在98℃左右。在整個實驗過程中，氣流的溫度一直高于顆粒溫度，最終溫差僅為7℃左右，說明干燥過程中熱氣流的熱量利用較為充分。在實際生產(chǎn)中，干燥出來的氣固兩相要經(jīng)過后續(xù)的除塵設(shè)備，干燥管出來的氣流溫度將再次下降，氣溫如低于100℃將造成被蒸發(fā)的水分再次液化，因此實際生產(chǎn)中流出干燥管的氣流溫度要高于100℃，必要的情況下可以適當提高進口氣流溫度來滿足此要求。

3.4 氣流的焓值變化情況

▲圖7 氣流及顆粒在干燥管中的溫度分布

▲圖8 氣流和粉煤灰顆粒的溫度變化曲線

圖9 為單位質(zhì)量熱氣流焓值的變化曲線，可以看出干燥過程中熱量傳遞情況。在干燥過程初始時，熱空氣的焓值快速下降，隨著干燥過程的進行，熱傳遞逐漸放緩，并在出口處趨于穩(wěn)定，印證了上述的理論分析是正確的；初始時粉煤灰和熱氣流之間溫差較大，熱傳遞效果最佳，在出口處，溫差達到最小，熱傳遞效果最差。單位質(zhì)量空氣的焓值從初始的365 kJ/kg降至最終的80 kJ/kg，熱量利用率達到79%，熱利用率較高，而干燥管排出的熱空氣還可繼續(xù)用于粉煤灰濕顆粒的預(yù)熱，可以進一步提高熱能的利用率。

▲圖9 單位質(zhì)量熱氣流的焓值變化曲線

3.5 理論值與實驗值的對比分析

與理論值相比，實驗得到的粉煤灰顆粒速度偏高（見表3），由于理論計算的數(shù)據(jù)為經(jīng)過公式修正后的結(jié)果，而模擬實驗是在理想情況下進行，因此會產(chǎn)生一定的差異，不過該誤差在合理范圍內(nèi)；實驗?zāi)M中，氣固相對速度比理論值偏小，相對速度的減小影響了熱氣流與粉煤灰顆粒之間的對流作用，造成干燥過程的熱傳遞效果稍有下降，其直接表現(xiàn)為空氣溫度下降，效果變差，初始空氣的溫度低于理論值，而隨著干燥不斷進行，氣流溫度要高于理論計算結(jié)果，但相差不大，在合理變化范圍內(nèi)。

表3 理論結(jié)果與模擬結(jié)果對比情況

4 結(jié)論

由實驗結(jié)果可知，粉煤灰與氣流的速度值與理論計算值相一致，氣固之間的相對速度維持在較高水平，對流作用明顯，從而使整個干燥過程中粉煤灰和氣流之間的熱傳遞效果較好，最終的氣流溫度值與顆粒溫度結(jié)果僅相差7℃，達到了理想的效果，熱能利用率達到79%，說明在該干燥器中，熱量能得到較為充分的利用。研究表明，理論計算得到的粉煤灰脈沖氣流干燥器各項操作參數(shù)值與模擬實驗結(jié)果相一致，實驗數(shù)據(jù)的變化情況說明了該模型合理可靠，可以嘗試進行生產(chǎn)應(yīng)用。

綜上所示，將脈沖氣流干燥器干燥器運用到粉煤灰干燥中能得到較好的干燥效果，相較以往的干燥方式提供了一種設(shè)備投入少、占地面積小且熱能利用率高的生產(chǎn)方式，該實驗有待進行實體實驗以進一步驗證其干燥效果。

［1］ 魏朝.脈沖式氣流干燥技術(shù)應(yīng)用 ［J］.石河子科技,2012（1）:29-30.

［2］ 潘永康,王喜忠,劉相東.現(xiàn)代干燥技術(shù)［M］.北京：化學工業(yè)出版社,2007.

［3］ 沈明啟,馬淑珍,周志遠.氣流干燥變徑管處流場的積屑現(xiàn)象分析及數(shù)值模擬［J］.森林工程,2000,16（5）:30-32.

［4］ 金輝.氣流干燥管內(nèi)氣固兩相流動與傳熱特性的數(shù)值模擬研究［D］.武漢：華中農(nóng)業(yè)大學,2010.

［5］ 范增曉,姜大志,黃億輝.O-SEPA選粉機內(nèi)部流場數(shù)值模擬的方法選擇［J］.江南大學學報（自然科學版）,2011,10（5）:568-572.

［6］ 王雷,章明川,呂太,等.粉煤灰干燥特性的試驗研究［J］.化學工程,2005,33（4）:8-11.

［7］ Avi L,Lrene B.Steady State One Dimensional Flow Model for a Pneumatic Dryer ［J］.Chemical Engineer in Gand Proeessing,1999,38:121-13.

［8］ 張師帥.計算流體動力學及其應(yīng)用一 CFD軟件的原理與應(yīng)用［M］.武漢：華中科技大學出版社，2010.