旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥設(shè)備的流體動力學(xué)分析

袁越錦，荊雪松，雷 旭，徐英英，袁月定

(1.陜西科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，陜西 西安 710021； 2.宜春學(xué)院 數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院，江西 宜春 336000)

0 引言

旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥技術(shù)是一種將氣流干燥與流態(tài)化、攪拌分散綜合為一體的干燥技術(shù)，與常規(guī)干燥方式相比具有干燥效率高、速度快、節(jié)能的特點，廣泛應(yīng)用于膏狀、糊狀、濾餅狀物料的干燥[1,2].旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥涉及氣固兩相傳熱傳質(zhì)、流態(tài)化及攪拌分散等過程，干燥機理復(fù)雜[3].

為進(jìn)一步提升干燥效果，降低能耗，相關(guān)學(xué)者從設(shè)備、氣固兩相流等方面對旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥技術(shù)進(jìn)行研究.劉波[4]對干燥設(shè)備內(nèi)、外筒體間隙中的支撐墊鐵厚度及過風(fēng)間隙進(jìn)行了改進(jìn).李寧等[5]針對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥機粉碎室內(nèi)膽和粉碎刀片所存在的欠缺進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化.田志鴻[6]對旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥過程中計算方法及操作參數(shù)對干燥產(chǎn)品水分的影響進(jìn)行研究.馮殿義等[7]對啤酒糟旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥過程及最佳操作參數(shù)進(jìn)行了實驗研究.汪剛等[8]研究了不同旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥溫度對豆渣物料水分、蛋白質(zhì)含量等品質(zhì)因素的影響.但目前旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥過程的流體動力學(xué)研究尚不完整，特別是旋轉(zhuǎn)刀組轉(zhuǎn)速等對流場特性的影響尚不清楚.故本文擬通過計算流體動力學(xué)方法對旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥過程的流場進(jìn)行模擬分析，研究不同條件下的流場特性及熱質(zhì)傳遞機理，以期為今后旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥工藝及設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計改進(jìn)提供一定的理論依據(jù).

1 旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥工作原理及相應(yīng)物理模型

1.1 工作原理

旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥屬于對流干燥的一種，其工作原理為熱風(fēng)經(jīng)鼓風(fēng)機送入塔底部的主機風(fēng)室，以切向方向進(jìn)入干燥室形成螺旋風(fēng).物料由螺旋加料器從一側(cè)送入干燥塔，經(jīng)底部粉碎刀組成的攪拌釜破碎后，被螺旋風(fēng)吹起并呈懸浮態(tài)上升，懸浮狀的物料與熱風(fēng)充分接觸，完成干燥過程.干燥塔上部的分級器對物料顆粒進(jìn)行篩選，顆粒較小并充分干燥的物料由塔頂排出，再經(jīng)分離后成為成品.

1.2 物理模型建立與網(wǎng)格劃分

以Solidworks進(jìn)行三維建模，設(shè)備模型主要由風(fēng)箱、圓筒、錐體、水夾套等通過法蘭、螺栓及焊接方式組合連接而成.所建立的物理模型主要用于模擬閃蒸干燥設(shè)備內(nèi)部流場，故忽略機架、法蘭、螺栓等構(gòu)件及倒角結(jié)構(gòu)，構(gòu)建簡化后的物理模型.最終流體計算域主體為一個圓筒形干燥室，直徑1.2 m，高度3.5 m，進(jìn)風(fēng)口尺寸0.5 m×0.6 m，出風(fēng)口直徑0.6 m，進(jìn)料口直徑0.22 m，出料口直徑0.6 m，環(huán)隙高度0.025 m，分級器半徑0.2 m.旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥設(shè)備簡化模型如圖1所示.

1.塔帽 2.進(jìn)料口 3.進(jìn)風(fēng)口 4.主機風(fēng)室 5.旋轉(zhuǎn)刀組 6.圓筒 7.出風(fēng)口圖1 旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥設(shè)備簡化模型

采用ICEM CFD對流體計算域模型進(jìn)行網(wǎng)格生成，網(wǎng)格類型全部采用六面體進(jìn)行劃分.刀組所在動區(qū)域變化程度大，對該區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理并分析網(wǎng)格的無關(guān)性，最終確定網(wǎng)格數(shù)量為126萬時可滿足計算要求.其網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)主視圖及俯視圖

2 數(shù)學(xué)模型及模型求解

2.1 數(shù)學(xué)模型

旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥中，氣固兩相流存在連續(xù)的氣相和離散的顆粒相，連續(xù)相捕捉到粒子軌跡后得到源項，利用源項建立連續(xù)相的微分方程.離散相顆粒簡化為球形，采用迭代法對兩相進(jìn)行耦合計算，通過追蹤顆粒運動軌跡來觀察顆粒的速度、溫度、質(zhì)量等變化過程[9,10].其中連續(xù)相模型的守恒方程如下.

質(zhì)量守恒方程：

(1)

式(1)中：ui為連續(xù)相中氣體的速度(m/s)；Sm為連續(xù)相質(zhì)量的增量(kg/m3).

動量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

式(2)～(3)中：μ為分子粘度(kg/m·s2)；p為靜壓(Pa)；gi為重力加速度(m/s2)；Fi為動量原項(kg/m2·s2)；e為內(nèi)能(J/kg)；ΦV為瑞利耗散系數(shù)(kg/s3·m)；k為導(dǎo)熱系數(shù)(W/m·K)；T為氣體溫度(K)；hi為物料i的焓(J/kg)；Ji為物料i的擴散通量(kg/m2·s)；Sh為體積熱源(kg/s3·m).

旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥機內(nèi)部近壁面區(qū)域的雷諾數(shù)相對較小，需考慮近壁面的粘性效應(yīng)，RNG k-ε模型在處理近壁面低雷諾數(shù)時充分考慮壁面粘性效應(yīng)，可以強化壁面函數(shù)(EWT)，使計算結(jié)果更加精確，故湍流模型選用RNG k-ε模型[11,12].

(4)

(5)

式(4)～(5)中：k為湍流動能，ε為湍流動能的耗散率，αk、αε為k和ε的普朗特數(shù)，C1ε、C2ε為湍流模型系數(shù)和經(jīng)驗常數(shù)，η為無量綱參數(shù)，μeff為湍流粘度，Gk為層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能.

2.2 模型求解

邊界條件設(shè)置選用基于壓力求解器下分離求解器.入口采用速度入口邊界條件(Velocity-Inlet)，進(jìn)風(fēng)速度設(shè)為13 m/s，溫度為493 K；出口采用壓力出口邊界條件(Pressure-Outlet)，出口壓力為0，湍流參數(shù)指定為水力直徑和湍流強度；筒壁面采用靜止無滑移壁面邊界，旋轉(zhuǎn)刀組定義為旋轉(zhuǎn)壁面，無滑移，轉(zhuǎn)速為600 rpm.在離散相模型中，物料顆粒通過surface注射方式進(jìn)入，進(jìn)料速度為0.165 kg/s，溫度為常溫.模擬涉及的220 ℃時熱風(fēng)及初始含水率75%的碳酸鈣物性參數(shù)取值見表1所示.

表1 模擬過程相關(guān)物料物性參數(shù)表

3 模擬結(jié)果分析

3.1 速度場分析

如圖3為不同高度下各方向速度分布曲線.從圖3可以看出，各方向速度基本以軸平面為中心對稱；由于熱流體和筒壁之間存在粘滯力作用，壁面處速度均為0；高度H=3 100 mm時，出風(fēng)口一側(cè)速度分布與圓筒段有明顯差異.

如圖3(a)所示，切向速度的變化反映動能的變化，體現(xiàn)物料運輸能力的大??；切向速度沿徑向呈對稱“雙峰式”分布，左右峰值隨高度增加明顯減小并呈外擴趨勢，說明旋流作用逐漸緩解，湍流場得到充分發(fā)展.從圖3(b)可以看出，徑向速度以軸平面為中心對稱，兩側(cè)速度相等，方向相反，其大小隨高度增大且方向呈交替變化，這與其螺旋上升方式有關(guān)[13].

(a)切向速度

(b)徑向速度圖3 不同高度下各方向速度分布曲線圖

圖4為環(huán)隙區(qū)域速度矢量圖.由圖4可以看出，熱風(fēng)以較大速度流經(jīng)環(huán)隙處并形成渦流，使此區(qū)域的物料迅速流態(tài)化，物料顆粒經(jīng)旋轉(zhuǎn)刀組被破碎，之后在旋轉(zhuǎn)熱風(fēng)作用下向出口端流動.

圖4 環(huán)隙區(qū)域速度矢量圖

3.2 溫度場分析

選取干燥室進(jìn)口截面對溫度場進(jìn)行分析，圖5為進(jìn)口截面溫度分布云圖.由圖5可以看出，熱風(fēng)在進(jìn)口處溫度最大，經(jīng)熱風(fēng)分布器進(jìn)入干燥室后溫度小幅降低，整個截面溫度范圍較為集中.

圖5 熱風(fēng)進(jìn)口截面溫度分布云圖

對離散相進(jìn)行分析，圖6為顆粒溫度隨時間變化曲線.由圖6可以看出，顆粒從物料入口到出口停留時間約2 s，其與熱風(fēng)進(jìn)行熱量傳遞，在較短時間內(nèi)離散相與連續(xù)相溫度達(dá)到平衡，顆粒溫度變化情況為：減速升溫、加速升溫至溫度平衡[3].

圖6 顆粒溫度隨時間變化曲線圖

3.3 壓力場分析

壓力的變化可以反映能量的損耗及流場的運動特性.圖7(a)、(b)分別為不同高度下壓力分布曲線及壓力衰減曲線.如圖7(a)所示，氣相壓力在徑向上呈“V”型對稱分布，從中心區(qū)域到壁面區(qū)域隨半徑的增加而增大；中心區(qū)域呈現(xiàn)一定的負(fù)壓，使干燥過程中部分上升顆粒向低壓區(qū)域運動產(chǎn)生回流、旋渦現(xiàn)象；壁面的粘性效應(yīng)使壓力在近壁面有下降趨勢[14].從圖7(b)可以看出，壓力在熱風(fēng)經(jīng)環(huán)隙進(jìn)入干燥室階段衰減速度及衰減量最大；經(jīng)過旋轉(zhuǎn)刀組時，速度增大使壓力有所回升，之后空間增大及摩擦等造成能量損失使壓力總體呈衰減趨勢.

(a)壓力分布

(b)壓力衰減圖7 不同高度下氣相壓力分布及衰減曲線圖

3.4 干燥性能影響因素分析

3.4.1 進(jìn)風(fēng)速度影響

圖8為不同進(jìn)風(fēng)速度下切向速度分布曲線.從圖8可以看出，隨著進(jìn)風(fēng)速度增大，熱風(fēng)切向速度在環(huán)流區(qū)及近壁面區(qū)域明顯增大，在中心區(qū)域及壁面保持不變；干燥時物料主要集中于近壁面區(qū)域，進(jìn)風(fēng)速度增大使物料速度增大，在干燥室內(nèi)停留時間變短.

圖8 不同進(jìn)風(fēng)速度下切向速度分布曲線圖

圖9為不同進(jìn)風(fēng)速度、溫度及刀組轉(zhuǎn)速下壓降特性曲線.由圖9可以看出，速度增大使壓力最大值及壓差增大，能量損失變大；綜合考慮節(jié)能減排及物料的運動、干燥效果，此干燥過程的最佳進(jìn)風(fēng)速度為11～15 m/s，而非越大越好.

圖9 不同影響因素下壓降特性曲線圖

3.4.2 進(jìn)風(fēng)溫度影響

圖10為不同進(jìn)風(fēng)溫度下干燥室溫度分布云圖.從圖10可得，干燥室內(nèi)溫度分布整體一致，隨著進(jìn)風(fēng)溫度的升高，干燥室內(nèi)溫度整體升高；溫度的最大值出現(xiàn)在進(jìn)風(fēng)口，隨著熱風(fēng)向上運動，溫度逐步降低，這是物料和熱風(fēng)間的熱量交換及熱風(fēng)熱量散失造成的.此外，從圖9還可以看出，隨著進(jìn)風(fēng)溫度升高，進(jìn)出口壓降增大，所以當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度為最低時，能量損失最小.因此，在保證干燥要求的前提下進(jìn)風(fēng)溫度越低越好[8].

(a)T=423 K

(b)T=563 K圖10 不同進(jìn)風(fēng)溫度下，XY平面溫度分布云圖

3.4.3 刀組轉(zhuǎn)速影響

旋轉(zhuǎn)刀組是旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥設(shè)備內(nèi)的重要組成部分，物料顆粒在干燥室內(nèi)呈螺旋上升主要是由于刀組在高速旋轉(zhuǎn)過程中以離心力為主，因其模擬較為復(fù)雜，大多學(xué)者在模擬時對旋轉(zhuǎn)刀組的影響進(jìn)行忽略.對不同刀組轉(zhuǎn)速下流場進(jìn)行模擬分析.圖11為不同刀組轉(zhuǎn)速下切向、徑向速度分布曲線.從圖11可知，不同刀組轉(zhuǎn)速下切向速度在近壁面區(qū)有所差別，徑向速度在環(huán)流區(qū)到近壁面區(qū)均有所不同，其中轉(zhuǎn)速為600 rpm時各方向速度最大.此外，從圖9還可知，不同轉(zhuǎn)速下，壓降未發(fā)生明顯變化，說明刀組轉(zhuǎn)速對壓降影響不大.因此，增大旋轉(zhuǎn)刀組轉(zhuǎn)速不會明顯提升干燥效果.

(a)切向速度

(b)徑向速度圖11 不同刀組轉(zhuǎn)速下切向、徑向速度分布曲線圖

4 模擬驗證性分析

4.1 試驗方案

對建立的模型進(jìn)行試驗驗證，試驗過程以碳酸鈣為原料，進(jìn)料速度及進(jìn)風(fēng)溫度與模擬條件保持一致，轉(zhuǎn)速為600 rpm時設(shè)定變量為：進(jìn)風(fēng)速度(通過變頻器控制送風(fēng)機轉(zhuǎn)速)，進(jìn)風(fēng)速度為13 m/s時設(shè)定變量為刀組轉(zhuǎn)速(通過變頻器控制電機主軸轉(zhuǎn)速)，以出口速度為驗證參考值.圖12為旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥試驗裝置示意圖及實物圖，試驗工況如表2所示.

1.空氣過濾器 2.送風(fēng)機 3.空氣加熱器 4.螺旋加料器5.旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥主機 6.旋風(fēng)分離器 7.布袋除塵器 8.引風(fēng)機(a)裝置示意圖

(b)裝置實物圖圖12 旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥試驗裝置示意圖及實物圖

表2 旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥試驗工況

4.2 試驗結(jié)果與分析

圖13為物料出口速度隨進(jìn)風(fēng)速度、刀組轉(zhuǎn)速的變化曲線.從圖13可以看出，隨著進(jìn)風(fēng)速度的增大，物料出口速度呈增大趨勢；刀組轉(zhuǎn)速增大，物料出口速度基本保持不變，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果保持一致，模擬結(jié)果的速度整體比試驗結(jié)果大，相對誤差3.3%.這是因為模擬過程中對物理模型進(jìn)行了部分簡化，選用數(shù)學(xué)模型時引入有限元理論假設(shè)，模型求解中物料物性參數(shù)等使計算結(jié)果存在一定誤差；此外試驗過程中存在儀器誤差、環(huán)境誤差等試驗誤差，造成模擬結(jié)果略大于試驗結(jié)果，誤差在可接受范圍內(nèi)，故此模擬符合實際情況.

圖13 物料出口速度隨進(jìn)風(fēng)速度、刀組轉(zhuǎn)速變化曲線圖

5 結(jié)論

對旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥過程的速度、溫度、壓力流場特性及影響干燥性能的因素進(jìn)行了模擬，并進(jìn)行驗證性分析，可得出以下結(jié)論：

(1)旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥過程中，干燥室內(nèi)速度、溫度及壓力在近壁面區(qū)域均大于中心區(qū)域，呈現(xiàn)一定的對稱性，整體呈衰減趨勢，且存在回流、旋渦等現(xiàn)象.各方向速度以切向速度為主，在壁面處均為0；熱風(fēng)溫度及壓力在入口段損失最大，至出口處最小.

(2)分析不同進(jìn)風(fēng)速度、進(jìn)風(fēng)溫度及刀組轉(zhuǎn)速下的干燥性能，發(fā)現(xiàn)不同因素對干燥性能均有一定影響.進(jìn)風(fēng)速度增大，干燥室內(nèi)速度、出口溫度及壓降均增大，物料停留時間減少；進(jìn)風(fēng)溫度升高，干燥室溫度整體升高，壓降有所增大，能量損耗變大；刀組轉(zhuǎn)速對切向、徑向速度有一定影響，對壓降影響不明顯.因此，在滿足干燥要求前提下，選擇較小的進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)風(fēng)速度和刀組轉(zhuǎn)速，有利于節(jié)能減排及提升干燥效果.