送料量對新型生物質(zhì)干燥系統(tǒng)壓力損失影響研究

劉志超， 杜振雷， 高冠濤， 朱子明， 方長順

（河南理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，河南焦作454003）

0 引 言

近年來，生物質(zhì)材料具有越來越廣泛的應(yīng)用，生物質(zhì)材料的綜合利用在生態(tài)修復(fù)、環(huán)境改善、清潔低碳等方面具有巨大應(yīng)用前景。任何利用方式均對生物質(zhì)材料含濕量有較高的要求，因此在工業(yè)化利用前必須對生物質(zhì)材料進(jìn)行以干燥為主的前期預(yù)處理[1]。國內(nèi)外許多專家學(xué)者對生物質(zhì)的輸送和干燥進(jìn)行了大量研究。D.J.Mason等[2]進(jìn)行實驗比較了不同流動模式下的壓降和系統(tǒng)特性，得出氣固兩相流的流動狀態(tài)和管道長度之間無明顯的關(guān)系。Yan和Kuan等[3]通過實驗研究，得到在彎管內(nèi)氣相和顆粒的速度分布和流動狀態(tài)。在彎管中粒子的流動狀態(tài)受到氣流作用的影響。王朝暉、楊霄等[4]基于設(shè)計的新型氣力提升結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)的能耗和效率進(jìn)行了分析和計算，得到了管徑和壓力損失補償系數(shù)對裝置能耗和效率的影響。李晟等[5]通過搭建的生物質(zhì)粉料連續(xù)輸送試驗臺，對裝置中多種操作參數(shù)對系統(tǒng)的影響進(jìn)行了探究，得到了在不同條件下生物質(zhì)粉料的輸送特性。Quek等[6]對不同曲率半徑彎管內(nèi)稀相氣固兩相流動進(jìn)行了仿真模擬，發(fā)現(xiàn)顆粒濃度受到入口處湍流的影響較小，顆粒的粒徑大小對顆粒的分布影響程度較大。R. B. Bates等[7]提出一種動力學(xué)模型，探究流動過程中揮發(fā)物的釋放速率和組成。該模型用于描述反應(yīng)能量平衡和放熱。S. Bhattarai等[8]用三維模型來研究氣流干燥的問題。劉偉等[9]對旋流燃燒器內(nèi)氣固兩相流進(jìn)行了仿真模擬，結(jié)果表明：燃燒室內(nèi)部形狀和旋流葉片的安裝角度對湍流強(qiáng)度和顆粒流動有著較大的影響。Sun X等[10]采用響應(yīng)曲面設(shè)計對Stairmand型旋風(fēng)分離器進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，為旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一定的參考。

在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)之上，本文提出一種利用旋風(fēng)分離器對生物質(zhì)物料進(jìn)行干燥的新型干燥系統(tǒng)。為了探究送料量對系統(tǒng)內(nèi)壓力損失的影響，利用壓力計測量不同送料量下系統(tǒng)內(nèi)各部分的壓強(qiáng)，并采用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，與試驗結(jié)果進(jìn)行比較，得出系統(tǒng)最佳運行工況，為實際生產(chǎn)提供一定的參考。

1 試驗裝置

圖1 新型生物質(zhì)干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

生物質(zhì)干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，為了提高生物質(zhì)物料干燥效率，使干燥更充分，生物質(zhì)干燥系統(tǒng)采用封閉排氣管的旋風(fēng)分離器使得物料在系統(tǒng)中進(jìn)行離心脫水。此外，還采用多級串聯(lián)的方式，延長物料的輸運路徑，使得物料在輸運過程中能夠充分地與氣流混合, 從而帶走物料表面水分。

生物質(zhì)干燥系統(tǒng)主要由離心式風(fēng)機(jī)、負(fù)壓關(guān)風(fēng)器、輸送管道和旋風(fēng)分離器等組成。系統(tǒng)分別有送風(fēng)口和送料口。離心式風(fēng)機(jī)布置在送風(fēng)口處，將空氣送入輸送管道中，隨后生物質(zhì)物料在負(fù)壓關(guān)風(fēng)器的輸送下進(jìn)入管道與氣流混合，在氣流的作用下分散并懸浮于氣流中，同時隨氣流在系統(tǒng)內(nèi)運動。流動過程中，在氣流的曳力作用下水分與生物質(zhì)物料初步分離。然后氣流將生物質(zhì)物料送入旋風(fēng)分離裝置。在旋風(fēng)分離裝置中，物料在摩擦力和離心力的作用下脫水干燥。生物質(zhì)物料完成一次干燥后從旋風(fēng)分離裝置下方再次進(jìn)入輸送管道，隨氣流進(jìn)入下一級的旋風(fēng)分離裝置，提高生物質(zhì)物料的干燥效率。

測量裝置主要為畢托管和U型管壓力計。在離心式風(fēng)機(jī)出口處設(shè)置測量口利用畢托管測量入口風(fēng)速；分別在系統(tǒng)的送料口后和出口處設(shè)置測量口，利用U型管壓力計測量當(dāng)前位置的壓力，據(jù)此求得系統(tǒng)的壓力損失。

2 試驗結(jié)果及分析

在生物質(zhì)干燥系統(tǒng)中，影響流動特性的因素有很多，例如風(fēng)速、送料量、系統(tǒng)壁面表面粗糙度和生物質(zhì)顆粒的粒徑等等，其中主要因素為入口風(fēng)速和送料量。本實驗在固定入口風(fēng)速的情況下，改變送料量來探究其對系統(tǒng)流動特性的影響，同時設(shè)置多組風(fēng)速進(jìn)行試驗對比。

首先調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)，設(shè)置風(fēng)速分別為20、25、30 m/s等3種風(fēng)速，調(diào)節(jié)負(fù)壓關(guān)風(fēng)器送料量分別為5、6、7、8、9 t/h。系統(tǒng)運行穩(wěn)定后分別讀取流量計和壓力計的示數(shù)，得到實驗結(jié)果并加以分析。

當(dāng)入口風(fēng)速為20 m/s時，送料量從5 t/h提高到7 t/h，整個系統(tǒng)的壓降從26 278.7 Pa降低到19 456.3 Pa。在送料量為7 t/h時，系統(tǒng)的壓力損失最小。當(dāng)送料量由7 t/h逐漸增大到9 t/h時，系統(tǒng)的壓降從19 456.3 Pa增大到28 733.4 Pa。不同工況下部分試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同工況下系統(tǒng)的壓力損失 Pa

將入口風(fēng)速分別調(diào)節(jié)為25 m/s和30 m/s時，整個系統(tǒng)的壓降有著相同的變化規(guī)律，即隨著送料量的增大，系統(tǒng)的壓力損失逐漸變小，在7 t/h時達(dá)到最小，而在超過7 t/h后系統(tǒng)的壓力損失又會逐漸增大。在入口風(fēng)速為25 m/s和30 m/s時，系統(tǒng)的最小壓力損失分別為31 057.8 Pa和43 524.5 Pa。

隨著送料量的變化系統(tǒng)的壓力損失出現(xiàn)先減小后增大的情況，原因是：當(dāng)送料量小于7 t/h時，隨著送料量的增大，系統(tǒng)內(nèi)輸送的顆粒濃度增加，同時顆粒對紊流脈動風(fēng)速的抑制作用隨之增加，而由于紊流脈動作用消耗的能量減小，使得系統(tǒng)的壓力損失減小。當(dāng)送料量超過7 t/h時，系統(tǒng)內(nèi)輸送的顆粒濃度進(jìn)一步增加，從而導(dǎo)致顆粒間的相互作用增大，顆粒與系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的摩擦阻力增大，同時氣流輸送顆粒時需要的能量增加，導(dǎo)致系統(tǒng)的壓力損失增大。

3 數(shù)值模擬

針對新型生物質(zhì)干燥系統(tǒng)的運行情況，可以利用FLUENT軟件對其進(jìn)行計算模擬。這樣能夠更直觀地了解系統(tǒng)的運行情況和流動特性，并與試驗情況進(jìn)行對比，以期得到更加全面的數(shù)據(jù)和優(yōu)化方案。

3.1 三維網(wǎng)格模型的建立

采用Gambit軟件構(gòu)建干燥裝置內(nèi)流體模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為保證計算結(jié)果準(zhǔn)確性，對所有計算區(qū)域網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格混合，如干燥系統(tǒng)的三維網(wǎng)格模型圖2所示。

在新型生物質(zhì)系統(tǒng)流動仿真計算中，對干燥系統(tǒng)的內(nèi)部流動視為穩(wěn)態(tài)運動，流體流動狀態(tài)為湍流運動。流體的流動遵循連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，在模擬流動仿真中不涉及熱量的傳遞，所以視流場恒溫。主要采用RNG k-ε模型和離散相模型相結(jié)合的方式進(jìn)行求解。

RNG k-ε模型對模擬高應(yīng)變流動的情況有較大的改善，并且在湍流中加入了旋流的影響，使得計算旋流的精度大大提高，因此在模擬預(yù)測旋流流動中廣泛應(yīng)用，是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的一種變形，以上特點使得RNG k-ε模型比標(biāo)準(zhǔn)模型具有更精確、更可靠，適用于更廣泛的流體類別的優(yōu)點。為了最大程度模擬系統(tǒng)的流動情況，流場的計算采用RNG k-ε湍流模型，入口邊界采用速度入口邊界條件，壁面設(shè)置為無滑移壁面。

圖2 新型生物質(zhì)干燥系統(tǒng)三維網(wǎng)格模型

3.2 仿真結(jié)果與分析

模擬將入口風(fēng)速分別設(shè)置為20、25、30 m/s，送料量分別設(shè)置為5、6、7、8、9 t/h。模擬不同情況下的系統(tǒng)流動特性，得出系統(tǒng)內(nèi)的壓力分布變化。

生物質(zhì)干燥系統(tǒng)在不同工況下的壓力損失變化如圖3所示。從圖中可以看出，隨著風(fēng)速的增加，系統(tǒng)的壓降明顯上升。同時，隨著送料量的變化系統(tǒng)的壓降呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，這一趨勢與試驗結(jié)果基本吻合。但是模擬結(jié)果與試驗存在一定的差異，這是因為在實際運行中，系統(tǒng)內(nèi)會有生物質(zhì)顆粒的殘留對流動形成阻礙作用，而且在運行過程中生物質(zhì)顆粒的密度會產(chǎn)生一些變化。在對顆粒參數(shù)和邊界條件的設(shè)置中會對其進(jìn)行理想化的設(shè)置，這些都使得模擬值與試驗結(jié)論產(chǎn)生一定的誤差。

圖3 系統(tǒng)壓損隨送料量的變化

生物質(zhì)干燥系統(tǒng)在風(fēng)速為20 m/s、送料量為7t /h時的氣相壓力分布如圖4所示。圖4表示X=0的橫向截面壓力分布。從圖中可以看出，在同一風(fēng)速條件下系統(tǒng)內(nèi)壓力在逐漸下降。模擬結(jié)果表明：在生物質(zhì)干燥系統(tǒng)內(nèi)壓力最大的區(qū)域主要在風(fēng)機(jī)入口處到旋風(fēng)分離器入口之間，以及每級旋風(fēng)分離器的螺旋葉片部分；空氣從管道進(jìn)入旋風(fēng)分離器后壓力逐漸減小，在旋風(fēng)分離器下半部壓力基本一致。壓力分布表現(xiàn)出較好的軸對稱特性，壓力隨徑向位置自上而下減小，在旋風(fēng)分離器軸中心位置壓力遠(yuǎn)小于入口處。

圖4 生物質(zhì)干燥系統(tǒng)內(nèi)壓力分布圖

圖5 壓力沿徑向位置分布曲線

圖5為在旋風(fēng)分離器中壓力隨徑向位置變化分布圖，圖中所用數(shù)據(jù)為入口風(fēng)速20 m/s，送料量為7 t/h時第一級裝置X=0截面不同高度處壓力分布曲線圖。從圖可以看出壓力在徑向位置上的分布，在上半部分壓力從外側(cè)向內(nèi)側(cè)逐漸減小，在下半部分壓力在徑向位置變化不大，這是由于上半部分螺旋葉片對氣流和物料的摩擦作用導(dǎo)致壓力的下降，同時壓力隨位置高度的降低而逐漸減小。

4 結(jié) 論

1) 當(dāng)入口風(fēng)速一定時，隨著送料量的增大，系統(tǒng)的壓力損失先減小后逐漸增加。因此可以通過控制送料量來減小系統(tǒng)的壓力損失。

2) 系統(tǒng)內(nèi)部壓力分布呈現(xiàn)出較好的軸對稱性，壓力值隨軸向位置自上而下減小，在軸中心位置靜壓的值小于壁面處和螺旋葉片處的壓力值。整個系統(tǒng)的壓力值隨入口風(fēng)速的增加而上升。

3) 采用RNG k-ε模型和離散相模型相結(jié)合的方法對新型生物質(zhì)干燥系統(tǒng)流動特性進(jìn)行了模擬研究，驗證了模型可以有效地模擬旋風(fēng)分離裝置內(nèi)的湍流流動，得出的結(jié)論與實驗值基本吻合，證明模型可有效模擬新型生物質(zhì)干燥系統(tǒng)流動過程。