旋轉(zhuǎn)式間接干燥機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

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　　1引言

　　干燥是一項(xiàng)古老而又重要的單元操作，通常指利用熱能使物料中的濕份汽化，并將產(chǎn)生的蒸汽排除的過(guò)程。其本質(zhì)為被除去的濕份從固相中轉(zhuǎn)移到氣相內(nèi)，固相為被干燥的物料，氣相為干燥介質(zhì)。干燥是為常見(jiàn)和耗能大的工業(yè)操作，也是化工單元操作中為多種多樣的一類(lèi)操作，用于不同性狀物料的干燥方法多達(dá)百種。干燥又是一個(gè) 復(fù)雜、研究很不充分的操作，因?yàn)樵诠腆w介質(zhì)中同時(shí)發(fā)生熱量、質(zhì)量和動(dòng)量的傳遞現(xiàn)象，用數(shù)學(xué)描述存在著困難性和無(wú)效性。所以國(guó)外許多學(xué)者認(rèn)為：“干燥是一門(mén)藝術(shù)”，有大量的“knowhow”(知其然)，而沒(méi)有足夠的“knowwhy”(知其所以然)。迄今為止大多數(shù)干燥機(jī)的設(shè)計(jì)在很大程度上是依賴中試和經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合完成的。

　　2 干燥機(jī)分類(lèi)及國(guó)內(nèi)外應(yīng)用研究概況

　　干燥方式的多樣導(dǎo)致了干燥設(shè)備的多樣性，許多人試圖對(duì)干燥機(jī)進(jìn)行分類(lèi)，ormick嘗試從用戶視角進(jìn)行分類(lèi)，Sloan將干燥機(jī)分成20個(gè)型式，Dittman提出了工業(yè)上普遍運(yùn)用的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，即按熱量傳遞方式將干燥設(shè)備分成直接傳熱式干燥設(shè)備和間接傳熱式干燥設(shè)備。

　　直接傳熱式干燥設(shè)備顧名思義，干燥介質(zhì)直接與被干燥物料接觸，把熱量傳遞給物料，同時(shí)將物料蒸發(fā)的濕份帶走。典型的有噴霧干燥器、流化床干燥器、轉(zhuǎn)筒式干燥機(jī)、盤(pán)架式干燥機(jī)等。直接傳熱干燥設(shè)備雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其中運(yùn)用的干燥介質(zhì)普遍熱值較低，為了符合成品要求，介質(zhì)流量很大，設(shè)備配套成本上升，且熱效率低一直是困擾其運(yùn)用的關(guān)鍵。

　　間接傳熱設(shè)備中，物料和干燥介質(zhì)通過(guò)一層金屬壁隔開(kāi)，熱量由金屬壁傳至物料。因?yàn)榉抢淠龤怏w與金屬壁的傳熱系數(shù)太小，所以此類(lèi)干燥設(shè)備的加熱介質(zhì)一般是冷凝氣體或液體。與直接干燥設(shè)備相比，間接干燥設(shè)備有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)產(chǎn)品質(zhì)量易于保證。由于物料與干燥介質(zhì)不直接接觸，避免了干燥介質(zhì)對(duì)物料的二次污染(2)干燥熱源趨于多樣化。物料與干燥介質(zhì)分離使我們對(duì)熱源的要求有所降低。譬如可以分別用蒸汽和煙道氣作為干燥介質(zhì)。這樣，當(dāng)能源緊缺時(shí)，此類(lèi)干燥機(jī)的工作就較少受影響。(3)高的熱效率。間接加熱干燥機(jī)的熱效率主要體現(xiàn)在尾氣流量上，與直接加熱干燥機(jī)相比，間接加熱干燥機(jī)的尾氣流量小，因而帶走的熱能就少。一般說(shuō)來(lái)，達(dá)到相同的干燥質(zhì)量，間接式干燥機(jī)所需熱能是直接式干燥機(jī)的12~13，并且隨著成品目標(biāo)濕度的降低，間接式干燥機(jī)的優(yōu)勢(shì)會(huì)顯著增加。(4)低污染尾氣流量小使從干燥機(jī)攜帶出的粉塵也大為減少，可以把污染控制在很小的范圍內(nèi)。我國(guó)酒精行業(yè)開(kāi)始利用間接干燥機(jī)處理殘?jiān)粌H使工廠工業(yè)廢水中BOD含量和COD含量達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，而且每生產(chǎn)一噸酒精可附產(chǎn)0.9噸高蛋白飼料。

　　事物都有其兩面性，接觸式干燥的缺憾是：黏度大的物料在金屬加熱面上不易更新，使干燥機(jī)的傳熱系數(shù)大為降低，嚴(yán)重的會(huì)造成結(jié)巴，影響干燥過(guò)程的進(jìn)行。

　　為了提高間接式干燥機(jī)的傳熱效果，一般將間接式干燥機(jī)的傳熱部件設(shè)計(jì)成旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)式間接干燥機(jī)主要有旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)式、旋轉(zhuǎn)列管式、滾筒式、旋轉(zhuǎn)槳式等干燥機(jī)。其中旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)式、旋轉(zhuǎn)列管式干燥機(jī)國(guó)外80年代中期起已廣泛應(yīng)用于化工、食品、飼料等行業(yè)我們經(jīng)過(guò)數(shù)年的研究并與制造廠合作已成功研制出該機(jī)并逐步投入運(yùn)行，如酒精行業(yè)酒精糟的干燥、無(wú)機(jī)鹽行業(yè)中輕質(zhì)碳酸鈣的干燥等。

　　3 旋轉(zhuǎn)列管式干燥機(jī)和旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)式干燥機(jī)的開(kāi)發(fā)研究

　　3.1 結(jié)構(gòu)

　　這兩種旋轉(zhuǎn)式間接干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由以下四部分組成：(1)主機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，此為干燥機(jī)的核心部件，不同的干燥機(jī)有不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)列管式干燥機(jī)的轉(zhuǎn)子由兩端中空軸、封頭及數(shù)百根管子形成的管束組成;旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)式干燥機(jī)的轉(zhuǎn)子由中空軸和焊接組裝在其上的數(shù)十只圓盤(pán)組成。其結(jié)構(gòu)如圖1、圖2。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子靠?jī)啥溯S承支撐：一端為固定軸承，一端可以自由游動(dòng)、消耗熱膨脹。轉(zhuǎn)子四周有固定在架子上的抄板。(2)傳動(dòng)系統(tǒng)，由主電機(jī)、減速系統(tǒng)組成(擺線針輪減速和齒輪減速二級(jí))。(3)管路系統(tǒng)，由調(diào)節(jié)閥門(mén)、金屬軟管、旋轉(zhuǎn)接頭等組成。(4)排風(fēng)和除塵系統(tǒng)，引風(fēng)機(jī)排風(fēng)，配濕法除塵回收熱水和粉塵。

　　3.2 工作原理

　　參見(jiàn)圖1、圖2，在密閉的干燥室內(nèi)，有一由管束組成的轉(zhuǎn)子或由一組圓盤(pán)組成的轉(zhuǎn)子緩緩旋轉(zhuǎn)，通過(guò)轉(zhuǎn)子的入口和出口中空軸導(dǎo)入和導(dǎo)出熱介質(zhì)。熱介質(zhì)通過(guò)金屬壁將熱量導(dǎo)給被干物料，物料吸熱增焓蒸發(fā)濕份。轉(zhuǎn)子周緣安有特殊的刮板，一方面不斷將物料翻起使之與金屬換熱表面接觸，另一方面刮板與轉(zhuǎn)子有一定的傾角，將物料從入口端推向出口端。對(duì)不同的物料，改變干燥室長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及刮板傾角，使物料從入口到出口剛好完成干燥過(guò)程。蒸發(fā)的濕份則由頂部引風(fēng)機(jī)抽出。

　　3.3 設(shè)計(jì)模型

　　旋轉(zhuǎn)式間接干燥機(jī)的尺寸大小是通過(guò)換熱面的大小來(lái)度量的。通過(guò)物料衡算，可以確定干燥機(jī)的熱消耗量Q(即單位時(shí)間內(nèi)干燥機(jī)消耗的熱量)，而Q=KA△t，因此干燥機(jī)換熱面積的大小取決于總傳熱系數(shù)K和溫差$t。其中，△t可以調(diào)節(jié)蒸汽入口溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)而傳熱系數(shù)K則與物料特性，干燥機(jī)攪動(dòng)水平等決定。另外該類(lèi)干燥機(jī)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)受熱介質(zhì)的壓力作用是承壓部件。因此旋轉(zhuǎn)式間接干燥機(jī)的設(shè)計(jì)有兩大技術(shù)關(guān)鍵：(1)干燥機(jī)實(shí)際傳熱系數(shù)的計(jì)算;(2)干燥機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的設(shè)計(jì)。

　　3.3.1 實(shí)際傳熱系數(shù)的計(jì)算

　　從工作原理看，干燥機(jī)傳熱系數(shù)的計(jì)算可歸結(jié)為管束或平板在攪動(dòng)的顆粒床上的熱傳導(dǎo)。對(duì)攪動(dòng)床的傳熱系數(shù)進(jìn)行分析的資料在國(guó)外較少報(bào)道。文獻(xiàn)給出了大型旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)干燥機(jī)傳熱系數(shù)的計(jì)算方法。利用Schlunder提出的“顆粒熱傳遞模型”采用移動(dòng)加熱板的方法來(lái)計(jì)算傳熱系數(shù)。該理論認(rèn)為在移動(dòng)加熱面與待干燥的顆粒床間的熱傳遞現(xiàn)象主要受三個(gè)機(jī)制控制，即熱阻主要由以下三部分組成：(1)加熱壁與顆粒間的熱傳遞;(2)填料床內(nèi)的熱傳導(dǎo);(3)基體中由于顆粒運(yùn)動(dòng)引起的熱對(duì)流。將各部分的熱阻疊加起來(lái)就可以計(jì)算出總的傳熱系數(shù)。對(duì)于管束式干燥機(jī)經(jīng)大量試驗(yàn)和宏觀統(tǒng)計(jì)分析，亦建立了實(shí)際傳熱系數(shù)的計(jì)算方法。

　　3.3.2 干燥機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的設(shè)計(jì)

　　干燥機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)的部件隨不同的干燥機(jī)類(lèi)型而有所不同。對(duì)于旋轉(zhuǎn)列管式干燥機(jī)來(lái)說(shuō)，根據(jù)對(duì)該特殊設(shè)備的分析并參照以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以確定主要的危險(xiǎn)部位及校核內(nèi)容為：(1)位于軸承支承處的主軸應(yīng)力;(2)轉(zhuǎn)子的剛度分析及大撓度計(jì)算;(3)管子與管板連接處的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力;(4)封頭的膜應(yīng)力。由于該設(shè)備為非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，在進(jìn)行強(qiáng)度與剛度分析時(shí)首先要進(jìn)行合理的、偏于安全的力學(xué)模型簡(jiǎn)化，然后針對(duì)力學(xué)模型進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析計(jì)算。對(duì)于旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)式干燥機(jī)，轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的分析設(shè)計(jì)主要包括兩部分：(1)工作圓盤(pán)(承壓非標(biāo)設(shè)備)的強(qiáng)度分析;(2)承受內(nèi)壓和彎曲扭轉(zhuǎn)載荷的中空軸的強(qiáng)度分析。對(duì)于工作圓盤(pán)可采用有限元計(jì)算強(qiáng)度，對(duì)于中空軸則采用簡(jiǎn)化的力學(xué)模型來(lái)計(jì)算主軸的撓度和大應(yīng)力。

　　4 發(fā)展趨勢(shì)

　　隨著人們的節(jié)能及環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，開(kāi)發(fā)新型節(jié)能的組合式干燥機(jī)和高效環(huán)保型干燥機(jī)將是今后旋轉(zhuǎn)式間接干燥機(jī)發(fā)展的主要方向之一。另外，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(CAD)的不斷發(fā)展，把CAD技術(shù)結(jié)合到旋轉(zhuǎn)式間接干燥機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中也是干燥機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。利用VisualC++的MFC庫(kù)等面向?qū)ο蟮能浖_(kāi)發(fā)環(huán)境將整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程做成軟件，通過(guò)友好的用戶界面提供參數(shù)化設(shè)計(jì)，用戶只要輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，由軟件自動(dòng)完成設(shè)計(jì)校核，直至終出圖。

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