燃气红外滚筒干燥机内谷物混合特性及传热研究

• 作 者: 徐颖
• 机 构: 同济大学
• 出 处: 同济大学
• 发表日期: 2018年期
• 关键词: 燃气红外滚筒干燥机

在能源环境问题日益突出的今天，燃气红外干燥高效节能环保的巨大优势使得其在粮食干燥领域具有非常光明的应用前景，但红外辐射对谷物的穿透能力有限，仅能对表层谷物干燥，因此本文将燃气红外辐射器与滚筒结合，借助滚筒的缓慢转动，使湿粮在滚筒内有效混合，实现均匀干燥。在燃气红外滚筒干燥机中，处在表层以及接触筒壁的颗粒一般受热较多，为避免外层颗粒过度干燥，本文以稻谷为研究对象，建立了谷物颗粒的离散元模型，并对滚落模式下颗粒的内外混合机理进行了分析，采用离散单元软件EDEM模拟研究了滚筒转速、填充率、滚筒直径以及抄板结构参数对红外滚筒干燥机内谷物颗粒内外混合特性的影响。通过分析干燥机内的传热机理，建立了颗粒在滚筒内的传热模型，并利用Matlab编程软件对离散元模拟结果进行了相应的传热研究，最终通过分析对应工况的混合特性与传热特性的关系，对红外滚筒干燥机的结构和操作工况进行了改进，以提高干燥速率和干燥品质。本文研究得到的主要结论如下：
　　1)颗粒在无抄板滚筒内是以不同的速度在各自的环状区域内循环运动，主要受剪切和扩散机制作用，对流机制对内外颗粒的混合影响不大。采用Lacey指数定量分析颗粒在滚筒内的混合程度，在无抄板滚筒中颗粒经过足够长时间的运动，基本都能达到随机完全混合状态；转速、填充率和滚筒直径对混合均匀性的影响很小，但混合速率变化明显，与滚筒转速成正比，与填充率和滚筒直径成反比。
　　2)抄板的加入增加了外在的对流扰动，促进了主动层与被动层的对流作用对内外颗粒混合的影响，采用增混系数Ψ和增速系数Φ来定量分析加入抄板后颗粒的增混程度和增混速率，研究表明直抄板参数对颗粒混合特性的影响顺序为：抄板长度L＞抄板安装角θ＞数量M，折弯抄板参数对混合特性的影响顺序为：抄板尺寸b＞数量M＞抄板夹角V＞安装角θ。无论是直抄板还是折弯抄板，对颗粒混合主要影响的是混合速率，同等混合速率下，折弯抄板在滚筒内占用的空间要小于直抄板。
　　3)单颗粒在燃气红外滚筒内的传热模型包括：颗粒间的导热模型、单颗粒与滚筒壁面的传热模型、表层单颗粒的辐射传热模型以及单颗粒的水分蒸发传热模型。其中颗粒间的导热换热量很小，可忽略其对颗粒温度变化的影响。
　　4)在无抄板滚筒中受有效干燥面积与总干燥面积比值的影响，滚筒直径和填充率对颗粒传热特性的影响较大；加入抄板后，滚筒中颗粒的传热特性主要受对流扰动作用影响，在一定直抄板数量下，对流扰动作用越大，红外滚筒内颗粒的传热特性就越好。
　　5)无论是无抄板、直抄板、折弯抄板，当混合均匀性基本一致时，干燥均匀性仍存在较大差别，意味着红外滚筒干燥机中内外颗粒混合均匀不代表受热均匀。此外干燥均匀性佳的工况，混合速率也较高，因此可以通过提高混合速率来改善干燥均匀性。研究发现直抄板长度L=0.5R(R为滚筒半径)，安装角θ=90°，数量M=3对应工况的干燥均匀性最佳，干燥热效率较高，可作为本文燃气红外滚筒干燥机内的最佳结构参数组合。
　　综上所述，本文通过对红外滚筒干燥机中颗粒在内外分布时的混合和传热特性的模拟研究，发现颗粒混合速率对干燥均匀性的影响很大。在实际工业生产中，采用燃气红外滚筒干燥机干燥谷物，为提高干燥效率和干燥品质，应使颗粒快速混合均匀。