混捏機(jī)換熱結(jié)構(gòu)熱效率分析

徐玉城

(中赟國(guó)際工程有限公司，河南 鄭州 450007)

混捏機(jī)是碳素行業(yè)把瀝青和碳粉等骨料按照一定的配比加熱捏合的設(shè)備，主要是通過(guò)循環(huán)導(dǎo)熱油進(jìn)行加熱和溫度控制，對(duì)混捏機(jī)內(nèi)的物料加熱到一定的溫度，通過(guò)旋轉(zhuǎn)的葉片攪拌(通常呈Z形)所產(chǎn)生強(qiáng)烈剪切作用，使物料迅速反應(yīng)獲得均勻的混合。通?；炷髾C(jī)加熱方式分為：夾套加熱、蒸汽加熱和循環(huán)導(dǎo)熱油加熱。下面以6 000 L混捏機(jī)為例介紹導(dǎo)熱油加熱的結(jié)構(gòu)和換熱原理。

1 混捏機(jī)熱傳遞的方式

固體傳熱一般主要靠熱傳導(dǎo)和輻射進(jìn)行傳熱?；炷髾C(jī)主要是將流動(dòng)的導(dǎo)熱油熱量通過(guò)鍋體板傳遞到鍋內(nèi)物料中，達(dá)到加熱混捏的目的。為了達(dá)到高效傳遞的目的，筆者利用FLUENT軟件建立模型分別對(duì)導(dǎo)熱油管道進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對(duì)并聯(lián)串聯(lián)、管道的寬度設(shè)計(jì)、油道的深度(容量)，撓流的結(jié)構(gòu)設(shè)置及導(dǎo)熱油流速的變化對(duì)傳熱效果的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

1.1 管道的形式對(duì)傳熱溫度的影響

設(shè)計(jì)的混捏鍋管道形式有豎向并聯(lián)(圖1)、豎向串聯(lián)(圖2)、橫向串聯(lián)(圖3)3種管道形式，運(yùn)用建模與網(wǎng)格劃分軟件GAMBIT，建立幾何模型。

圖1 豎向并聯(lián)流向示意Fig.1 Schematic diagram of vertical parallel flow direction

圖2 豎向串聯(lián)流向示意Fig.2 Schematic diagram of vertical series flow direction

圖3 橫向串聯(lián)流向示意Fig.3 Schematic diagram of transverse series flow direction

將建好的3種模型賦予相同的初始條件，利用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值分析，迭代5 000次求解，分析出傳到鍋體內(nèi)壁的溫度，再對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，選擇最佳的方案設(shè)計(jì)。賦予3種情況下導(dǎo)熱油入口溫度250 ℃、入口壓力0.4 MPa、入口速度1 m/s的初始條件，數(shù)值模型計(jì)算出內(nèi)壁溫度的結(jié)果如下：管路排列形式為豎排并聯(lián)、豎排串聯(lián)、橫排串聯(lián)，內(nèi)壁溫度分別為230、241、239 ℃。

從以上分析可以看出，豎排串聯(lián)和橫排串聯(lián)傳遞到內(nèi)壁的溫度較好，熱效率較高。

1.2 厚度和寬度對(duì)溫度的影響

下面以鍋體端板(圖4)為例，分析油道厚度X、油道寬度Y取不同值時(shí)對(duì)內(nèi)壁溫度的影響。

圖4 油路布置及油道厚度示意Fig.4 Schematic diagram of oil circuit layout and oil channel thickness

(1)按照?qǐng)D4端板管路的排列形式，賦予初始條件導(dǎo)熱油的入口速度2 m/s、入口溫度250 ℃、入口壓力0.4 MPa，按油道厚度X為固定值50 mm，設(shè)置不同的Y值，數(shù)值模型計(jì)算出內(nèi)壁溫度的結(jié)果如下：油道排列寬度Y不同分為3排(寬290 mm)、5排(寬175 mm)、7排(寬125 mm)，內(nèi)壁溫度分別為241、244、248 ℃。

可以看出，管路的排列寬度Y值越小，得到的內(nèi)壁的溫度就較高，但考慮到焊接變形的控制難度，將管道的寬度設(shè)置為175 mm較好。

(2)按照?qǐng)D4端板管路的排列形式，賦予初始條件導(dǎo)熱油的入口速度2 m/s、入口溫度250 ℃、入口壓力0.4 MPa、油道寬175 mm固定值，設(shè)置不同的X值，數(shù)值模型計(jì)算出內(nèi)壁溫度的結(jié)果如下：油道厚度X為50、60、70 mm時(shí)，內(nèi)壁溫度分別為244、243、242 ℃。

可以看出，管路的排列厚度X值越小得到的內(nèi)壁溫度就較高，因此并不是管道內(nèi)儲(chǔ)油量越多越好，從熱力學(xué)角度考慮能夠形成層流、熱傳導(dǎo)就好。因此厚度選擇50 mm。

(3)在管道內(nèi)設(shè)置圓柱、三角擾流裝置并調(diào)整設(shè)置的密度，賦予初始條件導(dǎo)熱油的入口速度為2 m/s，入口250 ℃，入口壓力0.4 MPa，油道寬度175 mm。油道厚度50 mm。在油道里增加φ12 mm的圓柱形擾流裝置效果不明顯。

改為φ16 mm的圓柱形擾流裝置，增加2排三角形擾流裝置。數(shù)值模型計(jì)算出φ12mm圓柱形、φ16 mm圓柱形、三角形撓流裝置的內(nèi)壁溫度分別為244、244.48、245.6 ℃。

(4)導(dǎo)熱油速度的變化對(duì)內(nèi)壁溫度的影響。入口溫度250 ℃、入口壓力0.4 MPa、其他條件不變時(shí)，改變導(dǎo)熱油速度V，通過(guò)數(shù)值模型計(jì)算出內(nèi)壁溫度的結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算出的內(nèi)壁溫度Tab.1 Calculated inner wall temperature

從以上分析可以看出導(dǎo)熱油的流速越快，內(nèi)壁溫度越高，熱傳導(dǎo)的效率越高。

2 熱油管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析

運(yùn)用以上分析的結(jié)果對(duì)6 000 L混捏機(jī)的熱油管路系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，根據(jù)碳素廠生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際情況，對(duì)整個(gè)混捏機(jī)的傳熱效果進(jìn)行了整體分析。

混捏機(jī)的換熱是一個(gè)復(fù)雜的綜合換熱過(guò)程，熱媒油在混捏機(jī)鍋體外部的熱油管道內(nèi)的換熱是強(qiáng)制對(duì)流換熱，熱量從鍋體外壁直到內(nèi)襯板的內(nèi)表面是熱傳導(dǎo)，內(nèi)襯板內(nèi)表面與糊料的換熱是以輻射為主的換熱過(guò)程，由于糊料在攪刀的攪動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，糊料本身是介于液固兩相之間的糊狀料，對(duì)流換熱和導(dǎo)熱都是存在的。下面通過(guò)分析6 000 L混捏機(jī)的換熱，定性分析混捏機(jī)的換熱能力。

2.1 參數(shù)分析

以某廠為例，采集了熱油泵320 m3/h，出口壓力0.7～0.8 MPa，到混捏機(jī)入口時(shí)就降為0.4 MPa，出口壓力0.3 MPa；熱媒油入口溫度t1=265 ℃，出口溫度t2=130 ℃，V=2 m/s 。6 000 L混捏機(jī)物料處理量：物料密度ρ=1.2 t/m3，物料處理量7 200 kg；糊料的比熱容1.7 kJ/(kg·℃)，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，0.68 kJ/(kg·℃)，μ為流體黏度，取43 Pa·s；混捏機(jī)導(dǎo)熱油加熱面積A=18.2 m2；流體濕潤(rùn)的流體周長(zhǎng)2.26 m，CP為流體定壓比熱31.1 J/(kg·℃) ；流體管道當(dāng)量直徑d=4A/P=0.02 m；A為通道的流動(dòng)截面積；P為流體濕潤(rùn)的流道周長(zhǎng)，取2.26 m。

2.2 強(qiáng)制對(duì)流適用準(zhǔn)數(shù)方程

熱媒油在鍋體管道中的強(qiáng)制對(duì)流適用準(zhǔn)數(shù)方程如下。

Naf=0.023Ref0.8prf0.4

(1)

式中，Naf為定性溫度下的弩塞爾準(zhǔn)數(shù)；Ref為熱媒油在鍋體管道中流動(dòng)的雷諾準(zhǔn)數(shù)；prf為普朗特?cái)?shù)。

強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)α=Nafλd

(2)

式中，λ為流體導(dǎo)熱系數(shù)；d為熱油管道當(dāng)量直徑。

雷諾數(shù)Ref=vdρ

(3)

式中，v為流體速度；d為當(dāng)量直徑；ρ為流體密度。

代入?yún)?shù)后計(jì)算得，Ref為1.2×104。

普朗特?cái)?shù)Prf=μCP/λ

(4)

式中，μ為流體黏度；CP為流體定壓比熱；λ為流體導(dǎo)熱系數(shù)。

代入?yún)?shù)后計(jì)算得，Prf為13.4。

將雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)、導(dǎo)熱系數(shù)代入式(1)，得

Naf=0.023Ref0.8prf0.4=119

將強(qiáng)制對(duì)流適用準(zhǔn)數(shù)、當(dāng)量直徑、流體導(dǎo)熱系數(shù)代入式(2)中，計(jì)算得到強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)α=595 W/(m2·℃)。

2.3 傳熱系數(shù)

混捏機(jī)熱油管道在鍋體外部、熱媒油的熱量直接傳遞到鍋體板上，鍋體板再傳到內(nèi)襯板內(nèi)表面上。因此內(nèi)襯板內(nèi)表面的導(dǎo)熱系數(shù)：

(5)

式中，S1為鍋體外壁厚，0.02 m；S2為襯板厚度，0.016 m；λ1為鍋體板導(dǎo)熱系數(shù)43.18 W/(m2·℃)；λ2為襯板導(dǎo)熱系數(shù)，43.18 W/(m2·℃)。

將上述數(shù)值代入式(5)，得到混捏鍋體外部到襯板內(nèi)表面熱傳導(dǎo)系數(shù)ad=1 053 W/(m2·℃)。

2.4 輻射換熱系數(shù)

混捏機(jī)襯板內(nèi)表面與糊料的輻射換熱系數(shù)：

(6)

式中，C為黑體的輻射系數(shù)，C=5.67 W/(m2·K4)。

(7)

式中，ε1為襯板黑度，0.8；ε2為糊料黑度，0.92；F1/F2為表面積比，0.8。

將數(shù)據(jù)代入式(7)計(jì)算得，εn=0.736。

將參數(shù)代入式(6)計(jì)算得，E=81 W/(m2·℃) 。

混捏實(shí)際物體輻射力E=εCb(T/100)4=114 W/(m2·℃)。

2.5 總傳熱系數(shù)

混捏加熱階段總傳熱系數(shù)：

(8)

將數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算得，K=87.7 W/(m2·℃)。

2.6 加熱時(shí)間

混捏機(jī)加熱時(shí)間：

t=Cm(t1-t2)/KA(t3-t4)

(9)

式中，C為糊料的比熱；m為混捏機(jī)的物料處理量，取7 200 kg；K為綜合換熱系數(shù)；A為換熱面積，18.2 m2；t1為糊料需要加熱溫度，160 ℃；t2為糊料的初始溫度，130 ℃；t3為導(dǎo)熱油入口溫度，265 ℃；t4為導(dǎo)熱油出口溫度，277 ℃。

將數(shù)據(jù)代入式(8)計(jì)算，得t=23 min。

3 結(jié)論

通過(guò)以上試驗(yàn)和傳熱分析，合理地對(duì)混捏機(jī)的換熱進(jìn)行了設(shè)計(jì)，應(yīng)用效果表明，其能滿足碳素工藝的生產(chǎn)要求，換熱效率高，熱損失少，物料加熱的時(shí)間斷，生產(chǎn)周期短，設(shè)計(jì)合理。