料層厚度對四層帶式烘干機(jī)內(nèi)氣流分布的影響＊

黃敏鳳，薛東曉，張鵬飛,，程 春，奚小波，張劍鋒，陳 博

（1.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225100；2.江蘇豐尚智能科技有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225100）

0 引言

目前，帶式烘干機(jī)通常可按照氣流與飼料的接觸方式，分為對流型和傳導(dǎo)型兩類。但傳導(dǎo)型帶式烘干機(jī)傳熱效率低且難清洗，工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較少[1]。料層厚度是影響烘干機(jī)內(nèi)部氣流分布的重要參數(shù)，料層厚度選擇不合理會(huì)導(dǎo)致烘干機(jī)內(nèi)流場分布不均勻，而烘干機(jī)內(nèi)流場分布又會(huì)造成飼料產(chǎn)品的含水率不均勻，進(jìn)而影響產(chǎn)品品質(zhì)[2]。因此，研究不同料層下的烘干機(jī)內(nèi)部流場分布特性，明確使料層表面風(fēng)速分布最為均勻的料層厚度，可優(yōu)化烘干工藝參數(shù)，提高飼料品質(zhì)。

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是研究烘干機(jī)內(nèi)部流場的常見方法。肖瑤等[3]利用 Fluent 軟件對油菜旋風(fēng)式烘干機(jī)主要工作部件干燥筒的氣力流場進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：當(dāng)入口截面積一定時(shí)，速度越大，干燥筒內(nèi)氣流場分布更有利于物料烘干；對出口流場進(jìn)行模擬和實(shí)測驗(yàn)證試驗(yàn)，其流場變化趨勢基本一致，同一點(diǎn)位的流速模擬值與實(shí)測值的平均誤差為6.58%。張航等[4]利用Fluent軟件模擬了料層厚度、風(fēng)速、溫度和氣流比濕度對烘干機(jī)內(nèi)的物料含水率和氣流分布均勻性的影響。結(jié)果顯示：料層厚度對氣流分布的影響最大，風(fēng)速其次，溫度和氣流比濕度影響最小。

1 四層帶式烘干機(jī)工作原理

四層帶式烘干機(jī)的工作原理是濕的飼料被均勻地?cái)偛荚谒膶游锪蠈由?，冷空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入烘干機(jī)；在循環(huán)風(fēng)機(jī)的帶動(dòng)下，冷空氣經(jīng)過換熱器并被加熱；然后經(jīng)由左側(cè)風(fēng)道進(jìn)入烘干室，熱空氣分三路穿透四層物料層，一部分熱空氣向上穿透第1、4層飼料，一部分向下穿透第2、3層飼料，過程中與飼料發(fā)生熱交換，熱空氣變冷并帶走飼料中的水分；最后由右側(cè)風(fēng)道，一部分從出風(fēng)口排出，另一部分再次進(jìn)入循環(huán)，同時(shí)新鮮空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，從而保持烘干機(jī)內(nèi)空氣總量不變，如圖1 所示（圖中空心箭頭表示冷空氣的流向，實(shí)心箭頭表示熱空氣的流向）。

圖1 烘干機(jī)工作原理

2 CFD仿真過程

為了方便模擬，通過大量的預(yù)模擬驗(yàn)證，做出如下假設(shè)：1）模擬過程，烘干機(jī)內(nèi)部氣流穩(wěn)定且總量保持不變；2）模擬過程，因文本研究重點(diǎn)料層厚度對四層帶式烘干機(jī)內(nèi)部氣流場分布的影響，故不考慮溫度變化，且烘干機(jī)內(nèi)外部不發(fā)生熱交換；3）模擬過程，進(jìn)入烘干機(jī)內(nèi)部氣流的湍流黏度各向同性。

模擬時(shí)，選用工程常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε 方程。循環(huán)風(fēng)機(jī)被設(shè)置為壓強(qiáng)條件，根據(jù)風(fēng)機(jī)性能曲線可知，當(dāng)循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率為30 Hz時(shí)，對應(yīng)的壓強(qiáng)差為800 Pa。進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為壓強(qiáng)條件，值為一個(gè)大氣壓。將出風(fēng)口設(shè)置為速度條件，根據(jù)測量可知，其值為9.6 m/s。料層設(shè)置為均勻多孔介質(zhì)。選取的水產(chǎn)飼料樣品的等效直徑（Dd）為3 mm、孔隙率（φ）為0.4。滲透率和慣性阻力系數(shù)可以通過方程（1）和（2）計(jì)算得到[5]：

式中，Dd是飼料顆粒的等效直徑；φ 是孔隙度。

經(jīng)過計(jì)算可得，該種水產(chǎn)飼料的滲透率（1/α）為5.859×10-8m-2、慣性阻力系數(shù)為（C2）為8 750 m-1。

3 結(jié)果與討論

3.1 料層厚度為20 mm

當(dāng)料層厚度為20 mm 時(shí)，四個(gè)飼料層上表面的風(fēng)速云圖如圖2所示。其中，第1、4層表面的風(fēng)速云圖代表的是氣流穿透飼料層之后，料層表面的風(fēng)速分布，第2、3層表面的風(fēng)速云圖代表的是氣流穿透飼料層之前，料層表面的風(fēng)速分布。由圖2 可知，當(dāng)料層厚度為20 mm 時(shí)，第1 層飼料表面風(fēng)速的最大值為0.36 m/s；第2 層飼料表面風(fēng)速的最大值為5.04 m/s；第3層飼料表面風(fēng)速的最大值為3.00 m/s；第4層飼料表面風(fēng)速的最大值為0.40 m/s。也就是說，第1、4層飼料表面的風(fēng)速最大值小于第2、3 層表面的風(fēng)速最大值；且第1 層表面風(fēng)速分布最為均勻，第4 層次之，第2、3 層表面分布較為不均勻。

圖2 料層厚度為20 mm 時(shí)

3.2 料層厚度為30 mm

圖3 是料層厚度為30 mm 時(shí)，四個(gè)飼料層上表面的風(fēng)速云圖?？芍?，當(dāng)料層厚度為30 mm 時(shí)，第1 層飼料表面風(fēng)速的最大值為0.36 m/s；第2 層飼料表面風(fēng)速的最大值為4.80 m/s；第3層飼料表面風(fēng)速的最大值為2.44 m/s；第4層飼料表面風(fēng)速的最大值為0.40 m/s。也就是說，第1、4層飼料表面風(fēng)速的最大值小于第2、3 層表面風(fēng)速的最大值；且第1 層表面風(fēng)速分布最為均勻，第4 層次之，第2、3 層表面分布較為不均勻。

圖3 料層厚度為30 mm 時(shí)

3.3 料層厚度為40 mm

當(dāng)料層厚度為40 mm 時(shí)，四個(gè)飼料層上表面的風(fēng)速云圖，如圖4 所示?？芍?，當(dāng)料層厚度為40 mm 時(shí)，第1 層飼料表面風(fēng)速的最大值為0.36 m/s；第2層飼料表面風(fēng)速的最大值為4.49 m/s；第3層飼料表面風(fēng)速的最大值為2.04 m/s；第4層飼料表面風(fēng)速的最大值為0.43 m/s。也就是說，第1、4 層飼料表面風(fēng)速的最大值小于第2、3 層表面風(fēng)速的最大值；且第1 層表面風(fēng)速分布最為均勻，第4 層次之，第2、3層表面分布較為不均勻。

圖4 料層厚度為40 mm 時(shí)

4 結(jié)論

綜上討論可知，隨著料層厚度的增加，四個(gè)料層表面的氣流速度值均降低。這是因?yàn)榱蠈雍穸仍酱?，對于同一種飼料而言，其堆疊的層數(shù)就越多，氣流穿透料層受到的阻力也就越大；當(dāng)氣流穿透料層后其速度會(huì)顯著降低，這是因?yàn)轱暳蠈由箱伒娘暳蠟槎嗫捉Y(jié)構(gòu)，氣流在穿透料層的過程中受到阻力，導(dǎo)致速度降低；而氣流穿透料層后，料層表面的氣流分布變得更加均勻，這是因?yàn)闅饬鲝淖髠?cè)風(fēng)道進(jìn)入烘干室時(shí)，遇到料層的阻力，容易在穿透料層前在烘干室內(nèi)形成紊流，導(dǎo)致穿透前飼料層表面氣流速度分布不均勻。