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间接加热式列管回转干燥机传热分析及实验研究

吴静  
【摘要】:干燥是工业生产中重要的单元操作之一,其本质是被干燥物料与热源之间的热质传递过程,对热质传递规律的深入探讨对于干燥装备的节能降耗意义重大。列管回转干燥机是一种先进的间接加热式干燥机,可有效实现干燥过程的节能、高效、安全、环保等目标,在全球能源紧缺的今天,随着社会环保意识的日渐增强,列管回转干燥机已越来越突显出其独特的优势,并逐渐受到诸多领域的青睐。由于列管回转干燥机内物料运动规律十分复杂,物料与加热管壁间的传热属于颗粒流与移动壁面间的传热范畴,而目前人们对颗粒流与移动壁面之间传热过程的了解基本上还停留于实验或工程经验,国内外对其传热机理的研究成果非常匮乏,相关的文献报道大多限于对设备使用及结构改造等方面的经验总结。对列管回转干燥机传热机理研究的匮乏已成为严重制约我国列管回转干燥机大型化设计及应用的瓶颈。因此,对列管回转干燥机内传热机理的深入分析对该领域理论的完善及其装备应用水平的提高具有十分重要的意义。本文以列管回转干燥机为研究对象,采用理论分析、实验研究和设计计算相结合的研究方法,对干燥机内物料与加热管壁间的传热过程进行了深入的研究,建立了加热管壁与料层间的传热系数计算模型以及列管回转干燥机的设计计算平台。 对列管回转干燥机内加热管壁与物料间的传热过程分析表明,加热管壁与物料颗粒间的传热系数主要取决于颗粒对管壁周围气膜边界层厚度的影响程度。因此,本文根据物料颗粒大小及其与管壁周围单相气体边界层厚度的关系,分别对粉末状物料和颗粒状物料与加热管壁间的传热过程进行了分析,并建立了相应的传热系数计算模型。 对于粉末状物料,因颗粒细小,将列管回转干燥机内的料层视为一种由粉末物料和气体共同组成的混合流体,其与加热管壁间的传热系数按茹卡乌斯卡斯(Zhukauskas)流体横掠加热管束理论进行计算,而混合流体的各物性参数则按照料层中气固两相的体积分数和质量浓度等确定。对于颗粒状物料,加热管壁与料层间的传热包括了管壁和颗粒间的传热以及管壁和料层中气体之间的传热。在建立颗粒料层与加热管壁间的传热系数计算模型时,引入了流态化理论中的料层膨胀系数作为衡量气体所占空间份额的参数,进而分析了颗粒对加热管壁气膜边界层的影响。通过对加热管壁与颗粒料层间的传热过程分析,认为加热管壁与颗粒料层间的传热过程由四部分构成:加热管壁与颗粒未接触时通过气膜层产生的对流传热、颗粒与加热管壁在接触碰撞过程中产生的接触传热、颗粒与管壁间的辐射传热以及管壁与料层中气体间的对流传热。将上述各传热过程的传热系数按料层中颗粒与气体对加热管壁的面积覆盖率进行加权平均,建立了加热管壁与颗粒料层间的总传热系数计算模型。模型中基于气膜边界层理论,对管壁与颗粒间的对流传热过程进行了分析,考虑了颗粒对管壁周围单相气体边界层厚度的影响,而颗粒对传热的强化作用主要体现于颗粒对气膜边界层厚度的减薄。 为了对所建立的传热系数计算模型进行验证,本文建立了一套实验测量系统,采用碳刷、无线信号传输等技术,实现了对转动列管的加热和温度测量。利用该实验系统对筒内物料的运动状况进行了观测,并对料层膨胀系数和加热管壁与料层间的传热系数进行了准确测量。在充分考虑了加热管非稳态传热特点的基础上,建立了一套精准、简便、可靠的列管壁面传热系数测量及数据处理方法。对实验测试系统的误差分析结果表明,该测试方法所可能产生的传热系数测量最大相对误差小于3.5%。为深入了解列管与料层间的传热机理,利用上述实验测试系统,分别以陶瓷球颗粒和精对苯二甲酸(PTA)干粉作为颗粒状和粉末状实验物料,在料层膨胀系数实验研究的基础上,对加热管壁与料层间的传热系数随筒体转速、物料填充率、颗粒粒径、列管回转半径等的变化规律进行了大量的实验研究。研究结果表明:平均传热系数随着筒体转速的升高均呈现出增大的趋势;当转速一定时,填充率为15%、20%和25%时的平均传热系数相差不大,但当填充率继续增大至30%时,平均传热系数略有增加;随着颗粒物料的粒径增大,平均传热系数呈现减少的趋势;具有较大回转半径的测试管壁具有较高的平均传热系数。 利用上述实验测试结果与模型预测值进行了比较,结果表明,本文所建立的颗粒状物料与加热管壁间传热系数计算模型的最大相对误差不超过±9%,而粉末状物料与加热管壁间传热系数计算模型的最大相对误差不超过±10%,均能够满足工程应用的需要,可以为列管回转干燥机的计算和设计选型提供可靠的参考依据。利用验证后的颗粒物料传热系数计算模型分析了颗粒与加热管壁间的对流传热、接触传热、辐射传热以及料层中气体与加热管壁间的传热对料层与加热管壁间总传热的影响程度,分析结果表明:管壁与颗粒间的对流传热系数和接触传热系数是总传热系数的主要构成部分,而随着转速的升高,对流传热系数逐渐减小,接触传热系数逐渐增大。料层内气体与管壁间的对流传热所占份额较小,在工程计算中可以忽略;而鉴于工程实际中,管壁通常处于较高温度水平,因此工程计算中应对辐射传热予以充分考虑。 为更全面地检验建立的传热系数计算模型的准确性和实用性,本文以欧拉——欧拉双流体模型为基础,结合列管回转干燥机特有的传热特点,应用所建立的管壁与料层间的传热系数计算模型,辅之以CFD数值模拟,建立了列管回转干燥机的设计计算平台,实现了对列管回转干燥机内流动和传热过程的预测,获得了干燥机内颗粒浓度场、速度场以及温度场等计算结果,并通过颗粒浓度分布及列管壁面温度与实验结果的比较,验证了流动和传热过程计算的准确性以及传热系数计算模型的适用性。所建的设计计算平台可较好地模拟列管回转干燥机内物料的运动状态及内部传热过程,可为列管回转干燥机的工程设计、计算及过程预测提供有效的途径。 本文以建立列管回转干燥机内列管壁面与料层间的传热系数计算模型为目标,采用理论分析、实验研究和设计计算相结合的研究方法,对列管回转干燥机内物料与加热管壁间的传热过程进行了较全面深入的研究,可为列管回转干燥机的工程设计、过程计算及预测提供依据。


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