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用颗粒热传递模型计算旋转管排式干燥机的传热系数点击：1885 日期：[ 2014-04-26 22:55:03 ] |
| 用颗粒热传递模型计算旋转管排式干燥机的传热系数 贺华波 (宁波大学工学院,浙江宁波315211) 摘要:论述了应用基于移动加热板的颗粒热传递模型计算大型旋转管排式干燥机传热系数的方法。在料床完全混合的简化假设下,按物料在干燥机内的实际干燥过程,分35段计算各段的传热系数及整机总传热系数,所得结果与干燥机的实际运行情况基本相符。 关键词:旋转管排式干燥机;传热系数;颗粒热传递模型 中图分类号:TQ028.6 文献标志码:A 文章编号:1005-2895(2006)01-0051-04 0 引 言 旋转管排式干燥机是一种连续生产的大型间接式干燥设备。国外已广泛应用于食品、轻工、化工、饲料等行业,国内亦已开始制造并在碳酸钙等无机盐的干燥过程中逐步投入运行。其工作原理是:在密闭的干燥室内,一带有数百根管子的转子缓慢旋转,高温导热油作为热介质从转子空心轴的一端进入入口端油箱,然后分配到均布在油箱周围的数十片管排上,再通过管排上的管子进入出口端油箱,然后从油出口空心轴排出。通过旋转金属管子将热量传递给物料,物料在管外吸热增焓,不断蒸发湿份,产生的水蒸气通过排气口由引风机排出。转子周边通过固定角钢架装有带一定倾角的刮板,随着旋转不断将被干燥物料刮起和搅拌,同时将物料从入口一侧推向出口一侧。合理地设计干燥室长度、转子转速、刮板数量和角度,能使物料从干燥室一端推进到另一端出口处时,恰好完成整个干燥过程。旋转管排式干燥机的基本结构如图1所示。该设备设计的技术关键在于确定旋转圆管与物料间的真实传热系数。通过研究及对一台旋转管排式干燥机实际运行过程的测量分析,确认了采用基于移动加热板的颗粒热传递模型可获得比较准确的实际传热系数。 1 颗粒热传递模型 该理论认为,在移动加热面与待干燥的颗粒床间的热传递现象主要受3个机制控制,即热阻主要由3部分组成: (1)加热壁与颗粒间的热传递 (2)填料床内的热传导 (3)基体中由于颗粒运动引起的热对流 加热壁与颗粒间的传热系数与颗粒的直径,干燥室内空气的温度,颗粒的堆积状况等密切相关。若颗粒是球状的,壁与颗粒间的传热系数hS可由以下方程[1]确定。 以上的热传递模型适用在完全混合状态下的理想干燥过程。而一台性能优良的大中型旋转管排式干燥机,利用干燥机中专门设计的搅拌器的搅拌作用能使物料趋近于完全混合状态。对于非完全混合的情况,国外已提出数种修正模型,但目前尚未达到可成熟应用的状况。 2 理论的工程应用-旋转管排式干燥机传热系数的计算与讨论 式(7)给出了传热系数的计算公式。我们结合一台用于轻质碳酸钙干燥的188m2旋转管排式干燥机的实际工作参数[4],应用上述理论对该干燥机的实际干燥过程进行了核算。该干燥机的实际运行测量数据见表1。 为计算传热系数,必须清楚颗粒与传热面接触时间τR的大小。如上所述,对于颗粒在干燥机内运动的情况,至今还没有一个较为理想的定量的描述,在这里我们给出一种按照接触面积计算总接触时间的方法。因为在任一时刻参与加热面接触的物料颗粒数量是由可接触的加热壁面积、物料颗粒大小和颗粒的覆盖层数决定的,确定合理的覆盖层数可以保证在一次理想的接触过程后参与此次接触过程的物料颗粒能达到完全混合,即符合前面的假定条件。所以在完全混合的情况下,假定物料与壁面充分均匀接触,按照宏观统计平均的方法,其接触时间可由下式计算 需要强调的是,式(10)中的颗粒覆盖层数fR为能保证完全混合假设前提下,参与每一次接触过程的物料颗粒层数,其值由干燥过程搅拌混合程度和干燥机结构参数等因素决定。由于物料在干燥机内部运动的规律很难精确描述,fR一般要通过实际运行的干燥机的实测数据来确定。 有了总接触时间,参照上述模型计算旋转管排式干燥机的传热系数时,还要计算每一个接触过程的接触时间,计算时必须考虑旋转管排式干燥机中物料运动传热的特性。通过对几台旋转管排式干燥机实际工作状况的现场测试和分析,发现物料和管束加热壁面的接触都是在旋转120°左右后开始坠落,由于管束比较密集,物料在管束间穿过时从宏观统计平均的角度来看,要经过4次接触过程才能脱离加热壁面到干燥机底部料床。即每一个完整接触时间可以由转子转动4×120°的时间由式(12)来确定。 从轻质碳酸钙的性质来看,湿度的大小对其物理性质的影响是很大的。其绝对干料的自然堆放比重是610kg/m3,但在吸湿后,体积迅速减少其比重大大增加;导热系数也表示出了类似的趋势,轻质碳酸钙绝干物料的导热系数很小,一旦含水后,导热系数迅速增加。计算时我们将整个管排式干燥机划分为35段,这样的划分可以保证物料经过一段干燥机的干燥后完成一个理想的接触过程。在每一段中取物料湿度的平均值来计算物料的各个物性参数,进而计算各段的传热系数。 干燥过程中,我们假定物料的颗粒直径不变,干燥室内空气的温度恒定,在计算过程中用到的不同湿度下物性数据比热与密度可分别按式(13)、(14)计算。而导热系数的计算则较复杂,原则上应通过实验确定不同湿度下的导热系数值,在一般的工程应用中也可根据经验(在物料湿度较小时接近干物料的物性,在湿度较大时接近水的物性)来确定。 确定各段的物性参数和接触时间后,利用式(7)计算出各段的传热系数(结果见表2),接着根据各段所占的加热面积比例,得出总的传热系数值为101.1W/(m2·k)。 根据测试报告,取物料与加热管束的接触率为20%,可以得到188m2干燥机的整体传热系数为α=101.1×20%=20.2W/(m2·k)。与实测的传热系数值19.2W/(m2·k)相比,理论计算的传热系数值比根据实测计算的值大5.0%。这是由于实际工况下物料处于不完全混合状态,实际传热系数值比理论计算值略小。通过理论计算值与实测值的比较可见,对于大型旋转管排式干燥机,通过设置良好的搅拌混合装置,可以使实际干燥过程趋近于理想的完全混合状态。 3 结 论 用颗粒热传递模型分析计算旋转管排式干燥机的传热系数基本可行。有关不完全混合状态的影响及修正办法正在进一步研究之中,按本方法进行设计的旋转管排式干燥机已投入运行。 |
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