側(cè)進風(fēng)鹽泥干燥室的流場仿真及結(jié)構(gòu)改進

朱桂華，何偉澤，唐浩亭，易山圳，陳 勇

（1.中南大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南長沙410083；2.湖南中大山水環(huán)?？萍加邢薰荆?/p>

鹽泥是鹵水制鹽工藝過程產(chǎn)生的固體廢棄物，是排出的各種無機鹽的總稱，一般含有大量CaCO3、Mg（OH）2、CaSO4和少量重金屬元素等不溶性化合物［1］。 中國的制鹽工業(yè)每天產(chǎn)生大量鹽泥，以往直接排放、沉淀后集體堆放或者將鹽泥注入鹵水井，這些方式處置效率低下，還會造成環(huán)境污染。而含水率低于20%（質(zhì)量分數(shù)）的鹽泥可實現(xiàn)綜合化、資源化利用［2］。 使用干燥設(shè)備對鹽泥進行干燥，是實現(xiàn)鹽泥資源化利用的重要環(huán)節(jié)。

在用于熱干燥的干燥設(shè)備中， 多層帶式干燥機用途廣泛、適應(yīng)性很強，具有占地面積小、干燥效率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的顆粒狀、片狀、條狀和塊狀等物料的干燥加工［3］。 干燥室作為干燥機的重要組成部分， 是物料和干燥介質(zhì)進行熱質(zhì)交換的場所，物料經(jīng)過預(yù)熱、干燥和冷卻等過程達到產(chǎn)品的要求。熱風(fēng)干燥物料的效果不僅取決于溫度，更取決于干燥室內(nèi)各層巷道中風(fēng)速的大小和均勻程度［4］。 目前國內(nèi)外學(xué)者對于水平氣流式帶式干燥機和底部進風(fēng)的穿流式帶式干燥機研究較多， 且主要集中在食品、藥材、飼料、茶葉及木材等研究上［5-10］，而對于側(cè)進風(fēng)鹽泥干燥室內(nèi)流場的分析研究較少。筆者以某制鹽公司的鹽泥干燥機為原型， 針對鹽泥干燥不均勻問題進行流場數(shù)值模擬和風(fēng)速、 鹽泥含水率實驗測量，在此基礎(chǔ)上做進一步的結(jié)構(gòu)改進，研究不同結(jié)構(gòu)側(cè)進風(fēng)穿流帶式鹽泥干燥機的干燥效果，以期為穿流式帶式鹽泥干燥機的設(shè)計提供參考。

1 干燥機結(jié)構(gòu)

鹽泥干燥機采用多層帶式干燥機， 主要由鹽泥提升機、進料口、排濕窗口、進風(fēng)口、出風(fēng)口、出料口、傳送帶和箱體組成，結(jié)構(gòu)見圖1。 其中干燥機箱總長為10000mm、寬為1500mm、高為1800mm。 進、出風(fēng)口（各8個）尺寸均為400mm×400mm。 干燥機箱內(nèi)有3層傳送帶，傳送帶采用鋼絲網(wǎng)狀，每一層的傳送帶長為9600mm、寬為1400mm，傳送帶與干燥機箱兩側(cè)內(nèi)壁有50mm 間隙，見圖2。

圖1 多層帶式烘干機結(jié)構(gòu)圖

圖2 傳送帶與箱壁間隙示意圖

2 干燥室內(nèi)氣流場數(shù)值模擬

2.1 幾何模型

為簡化問題， 對干燥室內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行簡化。 將進、 排氣系統(tǒng)用進氣口和排氣口表示， 忽略傳動部件、鋪平裝置和固定裝置對氣流的阻礙作用，忽略傳送網(wǎng)帶，忽略傳送網(wǎng)帶前后端與干燥室間隙，并表示出鋼質(zhì)傳送網(wǎng)帶和鹽泥層厚度等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。 簡化后的模型見圖3。

圖3 干燥室三維幾何模型

2.2 數(shù)學(xué)模型

對帶式鹽泥烘干機干燥室內(nèi)的流場進行數(shù)值模擬時作如下假設(shè)：1）干燥室內(nèi)的氣體不可壓縮且滿足Boussinesq 假設(shè)；2）干燥室內(nèi)的氣體流動狀態(tài)為湍流且為穩(wěn)態(tài)；3）干燥室內(nèi)的氣流速度較小，視為不可壓縮流動，忽略流體粘性力做功產(chǎn)生的耗散熱；4）假設(shè)烘干室內(nèi)氣流的湍流粘性為各向同性；5）假設(shè)烘干室除進氣口、排氣口外氣密性良好。帶式鹽泥干燥機在穩(wěn)定運行時流動狀態(tài)滿足連續(xù)性方程、動量和能量守恒方程：

連續(xù)性方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

采用Fluent 軟件中標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型求解流場問題。

湍流動能k 方程：

湍流耗散率ε 方程：

式中：Gκ為平均速度梯度引起的湍動能；Gb為浮力影響產(chǎn)生的湍動能；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總耗散率影響的貢獻；C1ε、C2ε、Cμ為常數(shù)。

采用多孔介質(zhì)模型對物料層進行模擬計算。 其源項由兩部分組成：粘滯損失項和慣性損失項。

式中：Si為第i 個（x，y 或z）運動方程的原項；D 和C為系數(shù)矩陣；vj為j 向速度分量。

水力直徑計算公式：

式中：DH為水力直徑，m；A、B 為進風(fēng)口長和寬，m。

湍流強度計算公式：

粘性阻力系數(shù)1/α 和慣性阻力系數(shù)C2公式計算：

式中：Dp為鹽泥平均顆粒直徑；φ 為鹽泥層空隙率，即孔隙的體積與堆積床層區(qū)域體積之比。

2.3 網(wǎng)格劃分與模擬邊界條件

使用solidworks 建立干燥室?guī)缀文Ｐ停?流體域及多孔介質(zhì)區(qū)域的提取與編輯在DesignModeler 進行， 使用Mesh 進行網(wǎng)格劃分。 釆用混合四面體單元，并對鹽泥床層網(wǎng)格進行加密?？諝饨橘|(zhì)區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點步長為25，鹽泥層節(jié)點步長為10。 Fluent 模擬仿真計算參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

2.4 實驗測量內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理

實驗所用鹽泥產(chǎn)于湖南某鹽化有限公司。 鹽泥漿經(jīng)過水洗后泵入壓濾機壓濾， 得到的泥餅再送至專用破碎機破碎得到粒徑為20mm、 含水率為30%（質(zhì)量分數(shù)）左右的鹽泥顆粒。為對鹽泥層氣流分布、含水率進行分析， 需建立風(fēng)速監(jiān)測點和含水率檢測點。以干燥室底部中心位置為原點，干燥室長度方向為X 方向、寬度方向為Y 方向、高度方向為Z 方向。在第一層傳送網(wǎng)帶上相等的Y 值位置取3個點的鹽泥測量其含水率， 假設(shè)鹽泥在同一層傳送帶上只沿X 方向運動，且落到下一層傳送網(wǎng)帶時Y 值保持不變。 3個鹽泥含水率測量點在每一層傳送帶上對應(yīng)3條運動路徑，在每一條運動路徑上均勻取20個風(fēng)速監(jiān)測點，每一層共計60個點進行風(fēng)速［vij（i=1，2，3；j=1，2…20）］監(jiān)測，風(fēng)速監(jiān)測點平面分布見圖4。

圖4 風(fēng)速監(jiān)測點平面分布圖

建立一個評價指標(biāo)［11］，采用各監(jiān)測點風(fēng)速的不均勻系數(shù)M 來評價速度分布的均勻性，即：

分別計算出每一層傳送帶上每一條路徑上監(jiān)測點的風(fēng)速平均值vi、每一層風(fēng)速平均值、標(biāo)準(zhǔn)差S及不均勻系數(shù)M。 由于鹽泥隨傳送帶一起運動，鹽泥先后經(jīng)過20個風(fēng)速監(jiān)測點，因此將該運動路徑上20個點的氣流速度的平均值vi作為鹽泥在該運動路徑上的氣流速度值，即：

干燥機穩(wěn)定工作一段時間后， 在出料口位置每隔10min 對監(jiān)測點位置的鹽泥進行取樣，稱取干燥后的鹽泥質(zhì)量記為M1，放入微波爐干燥10min 稱其質(zhì)量記為M2，而后再放入微波爐干燥10min 稱其質(zhì)量記為Mi，以此類推直至最后3次。 當(dāng)鹽泥質(zhì)量Mi不再變化時，其含水率：

含水率不均勻系數(shù)為α，則：

2.5 數(shù)值模擬與實驗測量

圖5 平面X=-0.6m 壓力云圖和速度云圖

圖5a、b 分別為干燥室在X=-0.6m 平面處的壓力云圖和速度云圖。由圖5a 可知干燥室內(nèi)存在壓力梯度， 鹽泥作為層與層之間的過渡， 壓力分層較明顯。 在熱氣流上升的過程中， 由于鹽泥層的阻礙作用，氣壓有一定損耗，層與層之間壓降約為200Pa，隨著Z 值不斷增大干燥室內(nèi)壓力不斷減小，在出風(fēng)口位置時壓力達到最小。 由圖5b 可知，穿過干燥室內(nèi)壁和傳送帶之間縫隙的氣流速度很大為5～8m/s，而鹽泥層上方的風(fēng)速較小為0.5～2m/s，且層與層之間、同一層之間氣流大小不均勻。

圖6a、b、c 分別為干燥室內(nèi)平面Z=0.66、1.06、1.46m 各監(jiān)測點風(fēng)速模擬值。由圖6a、b 可知，第一、二層鹽泥上方位置兩側(cè)風(fēng)速比較大， 中間風(fēng)速比較??；由圖6c 可知，第三層鹽泥上方位置風(fēng)速比第一、二層大，在中間位置達到最大值，即中間位置風(fēng)速大于兩側(cè)風(fēng)速值。對比圖6a、b、c 可知同一層面上氣流的不均勻性。

圖6 各監(jiān)測點風(fēng)速模擬值

仿真模擬所得每一層路徑風(fēng)速平均值vi、層風(fēng)速平均值、標(biāo)準(zhǔn)差S 及不均勻系數(shù)M 見表2。 由表2可知，各鹽泥層氣流比較紊亂，在同一層傳送帶上的各條運動路徑的氣流速度相差較大， 不均勻系數(shù)達到31.5%以上。

表2 風(fēng)速平均值、標(biāo)準(zhǔn)差與不均勻系數(shù)

表3為實驗測量所得鹽泥含水率。由表3可知，3個測量點位置測量所得鹽泥含水率（ω）分布在15.21%～21.37%， 傳送帶兩側(cè)的鹽泥含水率低于中間位置的鹽泥含水率，平均含水率（ω）為18.01%，不均勻系數(shù)（α）為14.16%。

表3 鹽泥含水率

由氣流模擬結(jié)果與鹽泥含水率實驗結(jié)果可知，氣流大小直接影響干燥效果。氣流速度越大，則干燥后的鹽泥含水率越低； 而氣流的不均勻性則會影響鹽泥含水率的不均勻性。通過分析可知，干燥室的第一層和第二層物料層， 兩側(cè)的氣流速度大于中間位置的氣流速度， 干燥床層兩側(cè)部位的鹽泥干燥效果好于中間部位。因此，需要對干燥室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行改進，以此來改善其內(nèi)部流場分布，從而提升干燥室干燥鹽泥的效果。

3 干燥室氣流場組織優(yōu)化

3.1 改進后干燥室結(jié)構(gòu)

考慮到熱空氣會從干燥室兩側(cè)縫隙向上直接流出， 擬在鋼絲網(wǎng)帶下方緊貼網(wǎng)的位置安裝2mm 厚的帶孔鋁板（孔徑為2.36mm），使鋼絲網(wǎng)帶在其上方滑動。 其結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 改進后干燥室機箱內(nèi)壁

3.2 建模與網(wǎng)格劃分

安裝帶孔鋁板后， 假設(shè)物料均勻平鋪在傳送帶和鋁板上， 氣流穿過鋁板和物料層并與物料發(fā)生傳質(zhì)傳熱。改進結(jié)構(gòu)后的干燥室模型建模、網(wǎng)格劃分方法和原結(jié)構(gòu)一致，且模擬的邊界條件與原結(jié)構(gòu)相同。

3.3 仿真與實驗結(jié)果分析

圖8a、b 為改進后的干燥室在剖面X=-0.6m 壓力云圖和速度云圖。與原結(jié)構(gòu)相類似，改進后的干燥室內(nèi)的壓力存在梯度，但從壓力值大小和壓降來看，改進結(jié)構(gòu)后的壓力值最大達到1.53×104Pa，層與層之間的壓降約為4000Pa， 均遠大于原結(jié)構(gòu)壓力與壓降。由圖8b 可知，熱風(fēng)進入干燥室后，在壓力作用下熱風(fēng)沿Z 軸方向運動，運動過程中由于鹽泥層的阻礙作用，使得熱風(fēng)在橫向方向上擴展，在出風(fēng)口位置速度逐漸增大并達到最大值。 層與層之間的速度相差不大，均勻性較好。

圖8 改進后干燥室平面X=-0.6m 壓力云圖和速度云圖

由于仿真和測量數(shù)據(jù)量大， 且改進后干燥室內(nèi)第一、二、三層的氣流速度基本相同，受篇幅限制原始數(shù)據(jù)不再一一列出。 使用Origin 繪制第一層鹽泥監(jiān)測點氣流速度模擬值和檢測值，結(jié)果見圖9。 從圖9看出CFD 數(shù)值模擬的干燥室速度仿真值與實驗測量值基本一致， 但存在一定的誤差， 誤差都在15%以內(nèi)。造成誤差的原因，一是仿真時假設(shè)傳送帶前后兩端與干燥箱內(nèi)壁無間隙， 實際上傳送帶前后兩端有物料下落到下一層傳送帶，間隙是存在著的，氣流會沿著間隙往上運動，并在干燥室內(nèi)產(chǎn)生擾動，從而使風(fēng)速的模擬值與實驗測量值存在誤差； 二是由于實驗設(shè)備和人員測量造成的誤差。

圖9 改進后干燥室風(fēng)速模擬值與實驗值對比

表4為結(jié)構(gòu)改進后干燥室風(fēng)速平均值、 標(biāo)準(zhǔn)差與不均勻系數(shù)值。 由表4可知， 加裝擋板進行改進后，氣流紊亂的現(xiàn)象得到大大改善，氣流速度較為均勻，不均勻系數(shù)降到4%以內(nèi)。

表4 改進后干燥室風(fēng)速平均值、標(biāo)準(zhǔn)差與不均勻系數(shù)

表5為干燥室改進結(jié)構(gòu)后測得的鹽泥含水率。由表5可知， 改進結(jié)構(gòu)后的干燥室干燥的鹽泥平均含水率低于原結(jié)構(gòu)干燥室干燥的鹽泥平均含水率，且各點的鹽泥含水率較為均勻， 不均勻系數(shù)為5.76%，低于原結(jié)構(gòu)干燥室鹽泥含水率不均勻系數(shù)。

表5 干燥室改進結(jié)構(gòu)后測得鹽泥含水率

雖然原結(jié)構(gòu)干燥室測得的風(fēng)速大于改進結(jié)構(gòu)后干燥室的風(fēng)速， 但是干燥效果卻是改進結(jié)構(gòu)后的干燥室優(yōu)于原結(jié)構(gòu)干燥室。對于原結(jié)構(gòu)干燥室，由于傳送帶與干燥箱內(nèi)壁兩側(cè)有50mm 縫隙，而鹽泥層的粘性阻力較大， 熱風(fēng)幾乎全部從兩側(cè)的縫隙處向上流動，而穿過鹽泥層的熱風(fēng)很少，即在干燥室內(nèi)形成了短路。 各鹽泥層間距為350mm，熱風(fēng)從兩側(cè)縫隙進入到各鹽泥層間時空間急劇增大， 熱氣向干燥室中間擴散，在鹽泥層表面附近產(chǎn)生擾動，并在鹽泥層中間碰撞，所以氣流速度較大，但從鹽泥層中間穿過的比較少，傳熱傳質(zhì)主要集中在鹽泥層表面。改進結(jié)構(gòu)后的干燥室，熱風(fēng)在進入干燥室后，由于鹽泥層的阻擋作用，熱風(fēng)在橫向方向上擴展，速度降低，排濕風(fēng)機的抽力以及干燥機內(nèi)部形成的壓力梯度成為流體流動的驅(qū)動力，使熱風(fēng)從物料層中間穿過，總體上在整個物料層發(fā)生傳質(zhì)傳熱，能滿足排濕要求，且層與層之間風(fēng)速較為均勻， 有利于同一層面上物料同步干燥，從而達到更有效的排濕效果。

4 結(jié)論

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型和多孔介質(zhì)模型對原結(jié)構(gòu)干燥室和結(jié)構(gòu)改進后的干燥室內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬， 得到了在入口風(fēng)速為5m/s 情況下干燥室內(nèi)部的壓力場和速度場， 并通過實驗方法對氣流速度和干燥后的鹽泥含水率進行了測量， 通過對比得出如下結(jié)論：

1）原結(jié)構(gòu)的干燥室內(nèi)直接穿過鹽泥層向上運動的熱風(fēng)較少，絕大部分從兩側(cè)縫隙進入上一層，伴有擴散和擾動現(xiàn)象，風(fēng)速較大但不均勻，風(fēng)速不均勻系數(shù)為31%以上；結(jié)構(gòu)改進后的干燥室，熱風(fēng)在壓力的驅(qū)動下穿過鹽泥層，風(fēng)速小但較為均勻，風(fēng)速不均勻性最大值為3.4%。 兩者相比，加裝擋板后的干燥室的風(fēng)速不均勻系數(shù)至少下降27.6%。

2） 經(jīng)原結(jié)構(gòu)干燥室干燥的鹽泥平均含水率為18.01%、不均勻系數(shù)為14.16%；結(jié)構(gòu)改進后的干燥室干燥的鹽泥，平均含水率為13.53%、不均勻系數(shù)為5.76%，即平均含水率下降4.48%、含水率不均勻系數(shù)下降8.4%。結(jié)構(gòu)改進后的干燥室氣流分布更均勻，干燥效率及效果均優(yōu)于原結(jié)構(gòu)的干燥室。

3）通過實驗方式測量監(jiān)測點位置的風(fēng)速，并與模擬值進行對比驗證， 兩者曲線基本一致， 誤差在15%以內(nèi)， 證明了使用Fluent 進行干燥室流場仿真的可行性。