基于糧食干燥機(jī)旋轉(zhuǎn)管殼式換熱器設(shè)計(jì)與研究

刁顯琪，萬 霖，車 剛，李海龍，金中波

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

隨著我國糧食烘干產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高烘干系統(tǒng)中換熱器的能源利用率，降低一次能源消耗，滿足節(jié)能減排的需求，提高單位能耗的產(chǎn)值已成為烘干產(chǎn)業(yè)的潮流，是干燥節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵[1-2]。東北地區(qū)糧食干燥適逢初冬時節(jié)，熱能損耗更為嚴(yán)重，而烘儲的質(zhì)量和成本取決于高效換熱技術(shù)的應(yīng)用。傳統(tǒng)的糧食干燥機(jī)換熱器多為板式換熱器和列管式換熱器[3-5]：板式換熱器傳熱系數(shù)高、傳熱阻力小、易清洗，但在換熱過程中密封性較差，容易泄漏造成能量損失，適用于型批式糧食干燥工藝；列管換熱器的應(yīng)用較為廣泛，效率在70%左右，其結(jié)構(gòu)簡單、易清洗，但氣體在糧食干燥過程中容易產(chǎn)生沉積，造成冷、熱氣體接觸不夠充分，且熱量損失較為嚴(yán)重[6]。

現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展將會使我國糧食的產(chǎn)量在未來幾年得到大幅提升，對干燥系統(tǒng)的生產(chǎn)能力和節(jié)能減排等方面提出了更高的要求[7]。目前，針對大批量谷物干燥的換熱器種類較少，現(xiàn)有的換熱器存在的主要問題是：熱量損失嚴(yán)重，冷、熱氣體分布不均勻，能源利用率低，換熱量小，換熱效率低等。為解決上述問題，為大批量糧食干燥提供保證，基于傳統(tǒng)的列管式換熱器創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種氣體分布均勻、換熱量大及能源利用率高的旋轉(zhuǎn)管殼式換熱器，并通過SolidWorks建立了三維實(shí)體模型及樣機(jī)，運(yùn)用FLUENT進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了方案的可行性。

1 現(xiàn)有的糧食干燥機(jī)換熱器分析

國內(nèi)外設(shè)計(jì)了多種不同結(jié)構(gòu)的換熱器，許多學(xué)者運(yùn)用FLUENT對各種結(jié)構(gòu)的換熱器的傳熱性能進(jìn)行了分析[8-12]。根據(jù)傳熱原理和實(shí)現(xiàn)熱交換的方法，將換熱器分為間壁式、混合式和蓄熱式[13]，具體分類如圖1所示。目前，換熱器技術(shù)發(fā)展良好，但大部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，并不適用于大批量的糧食干燥生產(chǎn)中。

圖1 換熱器分類

現(xiàn)階段，糧食干燥機(jī)換熱器多采用板式換熱器和列管式換熱器。其中，板式換熱器流阻大，流道小，容易發(fā)生阻塞，而列管式換熱器流阻較板式換熱器小，因此針對大批量糧食干燥機(jī)多采用列管式換熱器，如圖2所示。這種換熱器結(jié)構(gòu)簡單，與其他種類換熱器相比換熱量大，流阻小，但易造成氣體沉積、易結(jié)垢、熱量損失嚴(yán)重，所以無法實(shí)現(xiàn)大批量糧食干燥的快速生產(chǎn)。

圖2 列管式換熱器

2 基于強(qiáng)化傳熱理論旋轉(zhuǎn)管殼式換熱器創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 強(qiáng)化傳熱理論

強(qiáng)換傳熱的目的是提高換熱器的傳熱系數(shù)，由牛頓冷卻定律可知

Q=hAΔtm

式中Q—換熱器的換熱率(J);

h—換熱器的總傳熱系數(shù)(W/m2·K);

A—換熱器的換熱面積(m2);

Δtm—換熱器冷熱流體的平均溫差(K)。

強(qiáng)化傳熱過程，將對流強(qiáng)化技術(shù)分為主動強(qiáng)化和被動強(qiáng)化：主動強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用不如被動強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用的廣泛；被動強(qiáng)化技術(shù)可分為處理表面、粗糙表面、擴(kuò)展表面、擾流元件、旋流發(fā)生器、螺旋管和表面張力器件等[14]。大多數(shù)換熱器采取通過擴(kuò)展表面的方法，即增大換熱器換熱面積來提高換熱器的換熱效率[15-16]。

2.2 基于強(qiáng)化傳熱理論旋轉(zhuǎn)管殼式換熱器創(chuàng)新設(shè)計(jì)

基于強(qiáng)化傳熱原理，針對傳統(tǒng)的逆流列管式換熱器，為了提高其換熱性能，解決氣體分布不均勻等問題，可通過擴(kuò)展傳熱表面、增加擾流的方法來提高換熱器的殼程傳熱性能。因此，在殼程內(nèi)側(cè)安裝螺旋葉片，并使其具有轉(zhuǎn)速，形成旋轉(zhuǎn)葉片機(jī)構(gòu)，如圖3所示。使殼程內(nèi)煙氣形成擾流，增大了換熱面積，延長冷、熱氣體的傳熱時間，避免熱煙氣快速通過換熱器。

根據(jù)熱平衡方程得

式中qm1、qm2—冷、熱氣流質(zhì)量流量(kg/s);

cm1、cm2—冷、熱氣體比熱容(J/kg·K);

旋轉(zhuǎn)管殼式換熱器是基于逆流列管式換熱器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，假設(shè)傳熱系數(shù)不變，換熱器無散熱損失，質(zhì)量流量和比熱容都是常量，根據(jù)對數(shù)平均溫差法可知

其中，Δtmax、Δtmin為A=0時Δt′和Δt″最大值和最小值。

圖3 旋轉(zhuǎn)葉片機(jī)構(gòu)

3 旋轉(zhuǎn)管殼式換熱器三維模型設(shè)計(jì)

3.1 旋轉(zhuǎn)管殼式換熱器三維模型設(shè)計(jì)及工作原理

根據(jù)強(qiáng)化傳熱理論，對傳統(tǒng)的糧食干燥機(jī)列管式換熱器創(chuàng)新設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)葉片機(jī)構(gòu)。運(yùn)用SolidWorks軟件將各部件進(jìn)行裝配，改進(jìn)后的列管式換熱器三維模型，如圖4所示，各結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

1.導(dǎo)熱管 2.旋轉(zhuǎn)葉片機(jī)構(gòu) 3.被動齒輪 4.驅(qū)動齒輪 5.電機(jī)

參數(shù)單位數(shù)值殼體內(nèi)徑mm610螺旋角(°)135

續(xù)表1

創(chuàng)新設(shè)計(jì)后的逆流式換熱器主要由驅(qū)動電機(jī)、驅(qū)動齒輪、被動齒輪、旋轉(zhuǎn)滾筒、螺旋葉片和傳熱管組成。冷空氣從入口A′進(jìn)入換熱器管程，熱煙氣從入口B′進(jìn)入換熱器殼程，電機(jī)通過齒輪嚙合使旋轉(zhuǎn)葉片機(jī)構(gòu)在被動齒輪的帶動下進(jìn)行轉(zhuǎn)動，殼程煙氣在旋轉(zhuǎn)葉片機(jī)構(gòu)的作用下，產(chǎn)生離心力，使殼程煙氣形成擾流，避免了殼程煙氣的沉積，同時延長了煙氣在殼程內(nèi)的流動時間，避免煙氣快速通過換熱器將熱量帶走，節(jié)約能源，滿足節(jié)能減排的需求，同時滿足了我國農(nóng)業(yè)大批量糧食加工的需求。

3.2 旋轉(zhuǎn)管殼式換熱器的仿真

利用SolidWorks三維建模軟件對旋轉(zhuǎn)管殼式換熱器的各部件進(jìn)行建模，并進(jìn)行裝配和運(yùn)動仿真。結(jié)果表明，換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在運(yùn)動仿真的過程中，各零件沒有發(fā)生干涉現(xiàn)象，運(yùn)動平穩(wěn)。

4 旋轉(zhuǎn)管殼式換熱器的有限元分析

利用ANSYS軟件對換熱器在轉(zhuǎn)速為0r/min和10r/min，冷氣風(fēng)速為1.5m/s，冷氣溫度為5℃，煙氣風(fēng)速2.5m/s，煙氣溫度為100℃的條件下分別進(jìn)行有限元分析。流體物理性質(zhì)如表2所示。

表2 流體物理性質(zhì)

湍流模型采用k-ε模型,采用SIMPLE算法，動量和能量離散采用二階迎風(fēng)格式，精度為10-5。

4.1 溫度場

由圖5可看出：0r/min的旋轉(zhuǎn)管殼式換熱器管程中心有大量的低溫氣體聚集，列管周圍由低溫氣體包圍，而10r/min的旋轉(zhuǎn)管殼式換熱器管程低溫氣體聚集程度明顯低于0r/min時，且殼側(cè)高溫?zé)煔庠谛D(zhuǎn)葉片機(jī)構(gòu)的作用下形成了擾流，避免了列管周圍低溫氣體的包圍。

(a) 0r/min

(b) 10r/min

由圖6可看出：10r/min的旋轉(zhuǎn)管殼式換熱器殼程流體整體混和均勻，換熱效果變化平穩(wěn)；而 0r/min的旋轉(zhuǎn)管殼式換熱器殼側(cè)高溫?zé)煔庠谥行妮S線附近溫度明顯低于10r/min的旋轉(zhuǎn)管殼式換熱器，且列管中心處溫度低且集中，低溫氣體聚集在列管中心處，溫度分布不均勻。這種現(xiàn)象主要是由于漏流導(dǎo)致低溫氣體與高溫氣體摻混不夠，所以溫度變化較慢。

(a) 0r/min

(b) 10r/min

4.2 壓力場

兩種轉(zhuǎn)速下的換熱器的殼程壓力云圖，如圖7所示。由圖7可看出：壓力場整體分布均勻、0r/min情況下，殼程壓降在6.45Pa左右，10r/min 殼程壓降為6.34Pa左右。這種現(xiàn)象的主要原因是由于糧食干燥機(jī)所需熱風(fēng)速率較低，因此入口風(fēng)速較低，進(jìn)出口壓降較小，殼程平均壓強(qiáng)也較小。

(a) 0r/min

(b) 10r/min

4.3 綜合性能

綜合性能指標(biāo)采用Nu/f1/3評價換熱器殼程傳熱性能[17-19]。努塞爾數(shù)為

式中l(wèi)—傳熱面幾何特征長度(m);

λ—導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K)]。

在煙氣入口溫度100℃、入口風(fēng)速2.5m/s、冷氣入口溫度5℃、入口風(fēng)速1.5m/s工況下，F(xiàn)LUENT計(jì)算結(jié)果：0r/min換熱器的殼程傳熱系數(shù)為4.11, 綜合性能為3.98；10r/min換熱器的殼程傳熱系數(shù)為6.60，綜合性能為6.39，綜合換熱性能提高了60.6%。

5 結(jié)論

1)針對糧食干燥機(jī)換熱器現(xiàn)有的問題進(jìn)行了分析，基于強(qiáng)化傳熱創(chuàng)新設(shè)計(jì)了適用于大批量糧食干燥機(jī)的旋轉(zhuǎn)式換熱器，解決了煙氣沉積，換熱效率低，能源利用率低等問題。

2)建立三維模型，進(jìn)行運(yùn)動仿真，各零件之間沒有干涉，運(yùn)動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

3)進(jìn)行有限元分析，得到溫度場和壓力場的分布云圖，分析換熱器綜合性能。結(jié)果表明：該換熱器工作性能良好，改善了高溫?zé)煔庠跉こ虄?nèi)的分布，殼程壓降小，殼程綜合性能提高了60.6%，為后續(xù)的設(shè)計(jì)制造及試驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)。