籽棉調(diào)濕工藝中熱損失的仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

史書(shū)偉+陳生超+劉軍民

摘要：隨著新疆地區(qū)機(jī)采棉技術(shù)的迅速推廣，籽棉的調(diào)濕工藝在棉花加工中也得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。由于在設(shè)計(jì)之初沒(méi)有對(duì)熱風(fēng)輸送管道進(jìn)行科學(xué)的布局，調(diào)濕工藝中大量熱量的損失導(dǎo)致棉花加工企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本的提高。首先通過(guò)對(duì)籽棉調(diào)濕熱風(fēng)輸送管道的分析，建立籽棉調(diào)濕熱風(fēng)輸送管道的熱傳輸模型，然后以128團(tuán)棉花加工企業(yè)為例，采用流體分析軟件CFX對(duì)籽棉調(diào)濕熱風(fēng)輸送管道中熱量的損失進(jìn)行仿真，最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，熱風(fēng)以20 m/s的速度通過(guò)48.28 m的籽棉調(diào)濕輸送管道，溫度從423 K降到了396.9 K，溫度降幅為26.1 K，且隨著溫度的降低，溫度的降幅在減小，當(dāng)熱風(fēng)通過(guò)彎管時(shí)，溫度降幅增加；通過(guò)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，直管道仿真結(jié)果較為準(zhǔn)確，但對(duì)于有彎管存在的籽棉調(diào)濕熱風(fēng)管道，仿真結(jié)果的溫度降幅較??；無(wú)論是仿真還是試驗(yàn)，籽棉調(diào)濕工藝中彎管道的增加都會(huì)加大熱量的損失。研究結(jié)果為籽棉調(diào)濕工藝中熱風(fēng)管道的設(shè)計(jì)和布局提供了理論依據(jù)，并可為計(jì)算流體力學(xué)（簡(jiǎn)稱CFD）仿真分析在棉花加工上的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：籽棉；調(diào)濕；熱風(fēng)輸送管道；CFX；仿真；熱損失

中圖分類(lèi)號(hào)： S226.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）11-0362-04

新疆機(jī)采棉加工工藝中有很多熱風(fēng)輸送管道，特別是在籽棉調(diào)濕工藝中主要采用熱風(fēng)伴隨式調(diào)節(jié)籽棉濕度，需要管道長(zhǎng)度達(dá)到40 m以上。由于很多沒(méi)有進(jìn)行工藝合理化的布局，加上新疆地區(qū)溫度較低，熱風(fēng)在運(yùn)輸過(guò)程中造成大量能源的浪費(fèi)，一方面增加了加工廠的生產(chǎn)成本，另一方面過(guò)多化石燃料的燃燒也污染了環(huán)境，因此研究棉花籽棉調(diào)濕工藝管道在輸送熱風(fēng)過(guò)程中熱量的損失規(guī)律變得尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)在管道輸送過(guò)程中熱傳輸方面的研究主要集中在石油化工等領(lǐng)域[1-3]，而且大部分研究是基于Dittus-Boelter關(guān)聯(lián)式[4-6]，而在籽棉烘干熱風(fēng)輸送系統(tǒng)中，為了起到輸送籽棉的作用，流體速度一般維持在20 m/s，雷諾數(shù)超出了Dittus-Boelter關(guān)聯(lián)式的應(yīng)用范圍，如果采用相同的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算，得出的結(jié)果必然與實(shí)際結(jié)果不符，所以必須為籽棉調(diào)濕熱風(fēng)輸送管道建立新的熱傳輸模型。

新疆機(jī)采棉加工設(shè)備一經(jīng)安裝，就很難再改變布局，而二次改裝又會(huì)增加企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，所以在籽棉調(diào)濕熱風(fēng)管道布局之前應(yīng)進(jìn)行合理的優(yōu)化分析。計(jì)算流體力學(xué)（簡(jiǎn)稱CFD）軟件對(duì)工程問(wèn)題進(jìn)行建模分析可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。目前，關(guān)于計(jì)算流體力學(xué)CFD在管道運(yùn)輸方面的應(yīng)用，很多學(xué)者都進(jìn)行了相關(guān)研究[7-12]，但在棉花加工領(lǐng)域的應(yīng)用，僅石河子大學(xué)的坎雜采用Fluent做過(guò)殘膜分離方面的分析[13]，國(guó)內(nèi)相關(guān)方面的研究還很少。

本研究首先建立了棉花加工熱風(fēng)輸送管道中的傳熱計(jì)算模型，在該模型中考慮了雷諾數(shù)較大的因素，采用Gnielinski關(guān)聯(lián)式[14]替代以往的Dittus-Boelter關(guān)聯(lián)式對(duì)管內(nèi)流體強(qiáng)制換熱進(jìn)行計(jì)算；其次以新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)128團(tuán)棉花加工廠為平臺(tái)，采集相關(guān)的試驗(yàn)參數(shù)，運(yùn)用流體分析軟件CFX對(duì)128團(tuán)棉花加工廠的籽棉烘干熱風(fēng)輸送管道進(jìn)行數(shù)值模擬；最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)模擬數(shù)值進(jìn)行驗(yàn)證，為計(jì)算流體力學(xué)CFD在籽棉調(diào)濕工藝上的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

1 籽棉調(diào)濕熱風(fēng)輸送管道的熱傳輸模型

籽棉調(diào)濕熱風(fēng)輸送管道中的熱量傳輸包括管內(nèi)熱空氣與管道內(nèi)壁的管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱、管壁的熱傳導(dǎo)、室外空氣與管道外壁的熱交換3個(gè)方面，由于籽棉調(diào)濕熱風(fēng)輸送管道的管壁厚度為1 mm的鋼板，且導(dǎo)熱系數(shù)很大，熱阻可以忽略，所以最終籽棉調(diào)濕的熱風(fēng)管道的熱量傳輸只包括管內(nèi)的對(duì)流換熱和管外的散熱2個(gè)部分。假設(shè)室外空氣溫度為T(mén)o，熱空氣的溫度為T(mén)f，建立的籽棉調(diào)濕熱風(fēng)輸送管道熱傳輸?shù)睦碚撃Ｐ鸵?jiàn)圖1。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，以便于以后指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用，本研究以新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)128團(tuán)的棉花加工廠作為試驗(yàn)平臺(tái)，在2014年棉花加工季節(jié)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

JDK160型熱風(fēng)爐，鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究所；Y5-48 No 12.5C型風(fēng)機(jī)，鄭州中環(huán)風(fēng)機(jī)廠，功率37 kW，經(jīng)計(jì)算輸送給直徑0.8 m管道的風(fēng)速為19.9 m/s，與模擬初始條件 20 m/s 吻合；Y225S-4型電機(jī)，上海弘祥機(jī)電有限公司；JWB/PT100型溫度傳感器，北京昆侖海岸傳感技術(shù)有限公司；管道，兵團(tuán)自制。

3.2 試驗(yàn)方法

步驟1：確定入風(fēng)口和出風(fēng)口的位置，2個(gè)位置之間的管道長(zhǎng)度為48.28 m，直徑0.6 m，從入口處開(kāi)始，每隔12 m安裝1個(gè)溫度傳感器，其中第1、第2傳感器之間和第3、第4傳感器之間都有1個(gè)半徑為2 m的圓弧過(guò)渡轉(zhuǎn)彎，傳感器安裝效果見(jiàn)圖6。

從表3可以看出，在驗(yàn)證試驗(yàn)中的溫度降幅為33.4 K，與仿真數(shù)值26.1 K相比，有7.3 K的偏差，表明仿真結(jié)果比實(shí)際結(jié)果溫度降幅偏??；由ta-b、tc-d數(shù)值比仿真數(shù)值偏大，tb-c、td-e與仿真結(jié)果較為接近，可以得出對(duì)于沒(méi)有彎管的籽棉調(diào)濕熱風(fēng)管道，仿真結(jié)果較為準(zhǔn)確，但對(duì)于有彎管存在的籽棉調(diào)濕熱風(fēng)管道，仿真結(jié)果的溫度降幅較小。

4 結(jié)論

本研究首先建立棉花加工熱風(fēng)輸送管道的傳熱計(jì)算模型，然后采用流體分析軟件CFX對(duì)128團(tuán)籽棉調(diào)濕熱風(fēng)輸送管道的熱量損失進(jìn)行仿真，最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用該傳熱計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算仿真，直管道仿真結(jié)果較為準(zhǔn)確，但對(duì)于有彎管存在的籽棉調(diào)濕熱風(fēng)管道，仿真結(jié)果的溫度降幅較小；無(wú)論是仿真還是試驗(yàn)，籽棉調(diào)濕工藝中增加彎管道都會(huì)增加熱量的損失。研究結(jié)果為籽棉調(diào)濕工藝中熱風(fēng)管道的設(shè)計(jì)和布局提供了理論依據(jù)，并可為計(jì)算流體力學(xué)CFD仿真分析在棉花加工上的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

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