平板烘干機加熱盤的改進及仿真分析

李亭亭 ,李金梅，王志丹，翟雪靜

（山東凱斯達機械制造有限公司，山東 濟寧 272000）

在浸出工藝中平板烘干機[1]對豆坯的干燥有舉足輕重的地位，它因物料受熱均勻、破碎率低、干燥時間短等優(yōu)點而被廣泛應用于食用植物油加工以及糧食貯藏與加工過程中的物料干燥。通過平板烘干機加熱板的加熱作用,油料中的水分經(jīng)過液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)的相變，使物料達到干燥目的，避免油料在貯存期間的發(fā)霉和發(fā)熱生芽。

平板烘干機的加熱盤決定著設(shè)備的烘干效果[2]，其結(jié)構(gòu)在設(shè)計中起著至關(guān)重要的作用，舊式平板烘干機的加熱盤大多采用角鋼焊接，因角鋼焊接時會產(chǎn)生局部高溫導致加熱盤形變，影響胚料的均勻受熱，使胚料與加熱盤表面的接觸不均衡，導致部分物料吸收熱量少，水分難以蒸發(fā)，影響胚料整體烘干的效果?，F(xiàn)改進的加熱盤采用沖壓夾套點焊和加熱盤上板的方式,沖壓夾套采用專用設(shè)備沖壓整塊鋼板形成若干個波浪形夾套，波浪形夾套分別焊接于加熱盤上板下，新型加熱盤下部通入水蒸氣后，使上部加熱底板受熱均勻，能夠更好地提高胚料的溫度，換熱面積大且焊接量小，也減少了因焊接部位集中造成的平板烘干機加熱盤變形過大問題。在理論設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用基于Solidworks仿真軟件的流體分析，用分析結(jié)果和數(shù)據(jù)驗證設(shè)計的合理性,通過仿真云圖，更加直觀地反應熱傳遞的效果。

1 加熱盤結(jié)構(gòu)對比

1.1 舊式加熱盤

舊式加熱盤[3]整體結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。角鋼汽道如圖所示焊接在加熱底板上，角鋼汽道與槽鋼一面打通，底夾層a口通入溫度為168℃飽和水蒸汽，水蒸汽穿梭在各個角鋼的型腔里，通過熱對流，熱傳導及熱輻射的形式將熱量傳遞給物料，達到烘干物料的目的，加熱盤里冷卻后的液體由b口排出。由圖可見加熱盤底夾層采用角鋼焊接，這種結(jié)構(gòu)不僅焊接量大容易導致加熱盤形變，而且受熱不均勻，溫度梯度變化大，導致物料吸收熱量少且不均勻，影響胚料烘干的效果。

表1 舊結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖1 舊式加熱盤

圖2 舊式加熱盤切面圖

1.2 新式加熱盤

新式加熱板結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2，加熱盤包括夾套和加熱底板，夾套上有若干個波浪形型腔，若干個波浪形型腔分別焊接于所述加熱盤底板上，波浪形夾套可模塊化生產(chǎn)，在生產(chǎn)時采用沖壓方式，形成定型規(guī)格，靈活應用于各種規(guī)格的平板烘干機加熱盤上，同時波浪形夾套的內(nèi)部流體能夠形成高度湍流狀態(tài)，使雷諾數(shù)大幅度提高，進而提高傳熱效率，且相對于折流結(jié)構(gòu)，流體運動阻力壓降損失較小。波浪形型腔尺寸如圖5。

表2 新結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖3 新式加熱盤

圖4 新式加熱盤切面圖

圖5 波浪形型腔尺寸

2 傳熱模擬分析

2.1 基于Solidworks flow simulation仿真軟件分析

Solidworks flow simulation工具可使設(shè)計人員模擬真實條件下的液體和氣體流動，在設(shè)計初期階段，設(shè)計人員可以輕松模擬流體流動[4]、熱傳遞和流體作用力，這些因素對設(shè)計的成功至關(guān)重要，為了便于分析兩種結(jié)構(gòu)的傳熱均勻性效果、體現(xiàn)新結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性和更加直觀地觀察內(nèi)部流動效果，利用Solidworks flow simulation中的流體分析功能，觀察溫度分布。

首先進入 flow simulation向?qū)?，?chuàng)建計算項目，設(shè)置單位為SI制，分析類型為內(nèi)部固體內(nèi)熱傳導，默認流體為水蒸氣，默認壁面設(shè)置為相同的參數(shù)，本實驗中設(shè)置壁面熱交換系數(shù)為25 W/(m2·k),施加固體材料為不銹鋼，基本設(shè)置完成以后，分別對加熱盤進口a口施加邊界條件為168℃飽和水蒸氣，速度為2 m/s，由于出口條件未知，統(tǒng)一出口邊界條件設(shè)為靜壓，保持系統(tǒng)默認，具體設(shè)置參數(shù)見表3。然后對加熱盤定義求解目標，網(wǎng)格劃分運行后，最后繪制出兩種結(jié)構(gòu)流動跡線圖及溫度切面圖（圖6～圖9）。

表3 分析項目設(shè)置表

圖6 舊加熱盤流動跡線圖

圖7 舊加熱盤溫度切面圖

圖8 新式加熱盤流動跡線圖

圖9 新式加熱盤溫度切面圖

2.2 圖形對比及分析

從上圖對比可見全局最高溫度為168℃，為蒸汽進口時的溫度，而最低溫度為出口處溫度，新加熱盤最低溫度為26.12℃，而舊加熱盤最低溫度為20.09℃，從溫度切面圖可以看出，新加熱盤的切面溫度分布均勻，從溫度刻度標尺上可看出為120℃左右，梯度變化較小。而從舊加熱盤的溫度切面圖可以看出，溫度分布不均勻，具有階梯型，進口處附近溫度較大，而遠離進口處溫度成梯度變化較大。從流動跡線圖可以看出，新式加熱盤汽體流動跡線更加順暢有序，沒有回流現(xiàn)象，而舊加熱盤流動跡線雜亂無章，甚至有回流現(xiàn)象。通過仿真分析，充分驗證了新結(jié)構(gòu)的合理性。

3 結(jié)論

通過Solidworks flow simulation對加熱盤進行流體分析，從仿真云圖直觀地看出新式結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，不論是在焊接工藝性還是受熱均勻性，都比以往加熱盤有更多優(yōu)勢，目前這一改進技術(shù)已經(jīng)運用到設(shè)備生產(chǎn)中，不僅節(jié)省了人力物力，更提高了機械產(chǎn)品的整體性能，為公司創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟價值。