馬曉錄，張 勇

（河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450007）

0 引言

轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)是一種應(yīng)用廣泛的干燥設(shè)備.在糧油、食品、化工等顆粒產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)可以作為顆粒物料的干燥設(shè)備，如玉米、水稻、油菜籽、大豆等糧食干燥處理過(guò)程中都應(yīng)用到大量的轉(zhuǎn)筒干燥設(shè)備.目前我國(guó)糧食干燥現(xiàn)狀和糧食干燥機(jī)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，仍然是以對(duì)流傳熱為主，糧食干燥分為連續(xù)式和間歇式兩種.連續(xù)式干燥機(jī)用于大產(chǎn)量糧食干燥，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝配置多樣、價(jià)格不高、干燥效率和生產(chǎn)率相對(duì)高，干燥后糧食品質(zhì)較好、干燥成本低等，如連續(xù)式順逆流干燥機(jī)在各個(gè)方面都是較為成熟的先進(jìn)機(jī)型；間歇式干燥機(jī)適用于產(chǎn)量不高的中低溫干燥，如種子干燥或南方生產(chǎn)的零散式糧食干燥，干燥后糧食品質(zhì)好、發(fā)芽率不受影響、爆腰、破碎率低等，但間歇式干燥設(shè)備投資成本相對(duì)較高，干燥效率和生產(chǎn)率較低，如循環(huán)式干燥機(jī)、固定床干燥機(jī).另外，根據(jù)日本的一項(xiàng)研究[1]，稻谷在4 h之內(nèi)干燥到適合存儲(chǔ)的水分，其糧食品質(zhì)才能得到最好的保存.針對(duì)糧食生產(chǎn)偏僻地區(qū)、糧食生產(chǎn)不集中地區(qū)，研究開發(fā)了一部分間歇式干燥設(shè)備，如可移動(dòng)間歇式轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)、可移動(dòng)間歇式流化床干燥機(jī)等，這些干燥設(shè)備不僅能夠及時(shí)對(duì)糧食進(jìn)行保質(zhì)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、干燥投資成本低，很符合糧食生產(chǎn)偏僻地區(qū)、糧食生產(chǎn)不集中地區(qū)的糧食干燥要求，幾種糧食干燥機(jī)使用情況比較如表1所示.

表1 幾種糧食干燥機(jī)使用情況比較

轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)主要是由回轉(zhuǎn)圓筒和內(nèi)部揚(yáng)料板構(gòu)成，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)內(nèi)物料的干燥過(guò)程是物料在轉(zhuǎn)筒內(nèi)撒落與熱風(fēng)接觸，物料吸收熱量水分蒸發(fā)使得物料脫水干燥.一般物料顆粒拋撒在空中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間僅僅是在筒體和抄板內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的10%～15%，對(duì)轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)而言，轉(zhuǎn)筒內(nèi)抄板和轉(zhuǎn)筒速度是影響物料撒落運(yùn)動(dòng)時(shí)間和物料在筒體空間撒落均勻性的關(guān)鍵因素，只有提高轉(zhuǎn)筒內(nèi)物料的拋撒運(yùn)動(dòng)時(shí)間和轉(zhuǎn)筒內(nèi)抄板撒料均勻性，增加物料與熱風(fēng)的接觸，才能在保證轉(zhuǎn)筒干燥能力和物料品質(zhì)的前提下，保證干后物料的水分均勻性和溫度均勻性.

一般情況下，轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)轉(zhuǎn)速比較低，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速與干燥過(guò)程、物料性質(zhì)有關(guān)，轉(zhuǎn)筒內(nèi)物料干燥過(guò)程是抄板拋撒的物料與熱風(fēng)相互作用，與轉(zhuǎn)筒內(nèi)抄板有密切關(guān)系.抄板樣式很多，有階梯式抄板[2]、弧形抄板[3]、組合式抄板[4]，有專門研究抄板的文獻(xiàn)[5-9].因此，抄板的結(jié)構(gòu)、數(shù)量及安裝位置直接影響轉(zhuǎn)筒干燥過(guò)程的熱效率和干燥強(qiáng)度[10].作者對(duì)轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)內(nèi)活動(dòng)折彎抄板作用下撒料特性進(jìn)行了研究.分析轉(zhuǎn)筒理想工作狀態(tài)下顆粒物料密度分布規(guī)律.根據(jù)在抄板作用下顆粒物料在轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)內(nèi)的理想撒落分布規(guī)律，導(dǎo)出理想抄板表面輪廓方程.提出在活動(dòng)折彎抄板作用下顆粒物料在轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)內(nèi)撒落分布均勻的活動(dòng)折彎抄板設(shè)計(jì)方法，為轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)活動(dòng)折彎抄板的設(shè)計(jì)研究提供借鑒和參考.

1 轉(zhuǎn)筒理想工作狀態(tài)下截面物料分布

在轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)內(nèi)，物料隨著抄板運(yùn)動(dòng)到一定高度，由于物料受轉(zhuǎn)筒傾角、物料性質(zhì)、物料重力等因素影響，物料做撒落運(yùn)動(dòng)分布在轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)內(nèi).物料在筒體內(nèi)的分布均勻性直接影響撒落物料與筒體內(nèi)的熱氣流接觸發(fā)生熱質(zhì)交換而被干燥的效果，影響轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的干燥能力.

在實(shí)際干燥過(guò)程中，轉(zhuǎn)筒內(nèi)熱氣流的溫度和濕度是隨著時(shí)間和筒體位置變化而變化的，轉(zhuǎn)筒內(nèi)各個(gè)位置熱氣流在不同時(shí)刻其蒸發(fā)水分能力不同.為了使物料得到充分有效的干燥，物料在空間某一點(diǎn)某一時(shí)刻的量，應(yīng)與該點(diǎn)熱氣流蒸發(fā)水分能力成正比.假設(shè)某一轉(zhuǎn)筒內(nèi)抄板橫截面上熱氣流是均勻分布的，即橫截面任一位置熱氣流蒸發(fā)能力相同，同時(shí)，橫截面任一位置的物料也是均勻分布的，這是轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)內(nèi)物料的合理分布狀態(tài)[11].

轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)內(nèi)物料的合理分布是由抄板決定的，活動(dòng)折彎抄板只有符合一定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，才能撒出比較合理的物料分布.

合理的截面物料分布應(yīng)滿足：任意一截面單元上，單位時(shí)間揚(yáng)撒的物料量與通過(guò)氣體量的比值為定值，即：

式中：Qis為第 i個(gè)單元物料流率，kg/s；Qig為第 i個(gè)單元熱氣流流率，kg/s.

式中：f(x)表示物料在不同轉(zhuǎn)角φ對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)x處撒落到轉(zhuǎn)筒內(nèi)的概率密度函數(shù)；Qig=2ρυy d x；Qg=ρυπ；ρ為熱氣流密度，kg/m3；υ為熱氣流速度，kg/m3；y為截面單元縱坐標(biāo)，m；d x為截面單元橫坐標(biāo)x的增量，m；R0為拋落點(diǎn)P軌跡半徑，m.

由式（2）可得：

式中：F(x)表示物料在不同轉(zhuǎn)角φ（rad）對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)x處撒落到轉(zhuǎn)筒內(nèi)的密度分布函數(shù).

把不同的φ和其增量Δφ（φ取值范圍為0～π，共60個(gè)φ點(diǎn)，取值為代入式（4）中，得到物料在不同轉(zhuǎn)角φ對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)x處撒落到轉(zhuǎn)筒內(nèi)的密度分布函數(shù)，即為理想工作狀態(tài)下截面物料密度分布，曲線如圖1[12]所示.當(dāng)轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)角到時(shí)，物料撒落到轉(zhuǎn)筒內(nèi)的概率密度最大.

圖1 轉(zhuǎn)筒理想工作狀態(tài)下物料密度分布曲線

2 理想抄板截面方程的推導(dǎo)

根據(jù)物料的理想分布，能夠確定理想抄板截面形狀，為推導(dǎo)出理想抄板截面方程，現(xiàn)做出如下假設(shè)：

第一，物料在筒體內(nèi)密度分布是在轉(zhuǎn)筒理想工作狀態(tài)下.

第二，物料在抄板作用下撒落到筒體內(nèi)是均勻的.

第三，由于轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速小，物料運(yùn)動(dòng)軌跡可以近似為一條直線.

轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)角φ到φ+dφ過(guò)程中物料分布截面如圖2所示，過(guò)程中抄板中物料減少量為物料撒落量，這里用物料撒落截面面積d s表示，黑色部分為物料撒落量，則：

極坐標(biāo)γ(B)～B下的物料在抄板上減少的示意圖，也為抄板表面輪廓軌跡圖如圖3所示.極軸γ(B)轉(zhuǎn)過(guò)d B掃過(guò)的面積為：

轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)角φ到φ+dφ過(guò)程中物料撒落截面面積等于極軸γ(B)轉(zhuǎn)過(guò)d B掃過(guò)的面積，則：

式中：B為動(dòng)態(tài)撒料角，B的理想取值范圍為(0,π).

圖2 轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)角φ到φ+dφ過(guò)程中物料分布截面

圖3 抄板表面輪廓軌跡

式(8)為滿足物料分布均勻的理想抄板截面方程.假設(shè)R0撒落點(diǎn)軌跡半徑為0.5 m，增量為ΔB為，結(jié)合式（8）得到滿足顆粒性物料分布均勻的理想揚(yáng)料板截面曲線，如圖4所示.

圖4 理想揚(yáng)料板截面曲線

理想揚(yáng)料板極坐標(biāo)下極角與極半徑多項(xiàng)式擬合曲線，得到6階多項(xiàng)式已經(jīng)與原始數(shù)據(jù)接近，誤差很小，如圖5所示.

圖5 理想揚(yáng)料板截面曲線擬合多項(xiàng)式

因此，理想揚(yáng)料板截面方程可以用理想揚(yáng)料板極坐標(biāo)下極角與極半徑擬合的6次多項(xiàng)式表示.

3 物料在轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)內(nèi)撒落分布均勻的活動(dòng)折彎抄板設(shè)計(jì)方法

活動(dòng)折彎抄板的安裝情況如圖6所示，圖中φ是抄板外端點(diǎn)P與轉(zhuǎn)筒中心O連線OP與水平線OX的夾角，即轉(zhuǎn)筒由初始位置轉(zhuǎn)過(guò)φ角到達(dá)如圖6所示位置的轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)角.活動(dòng)安裝角為T rad，折彎角為V rad，R是轉(zhuǎn)筒的半徑（m），a、b分別為活動(dòng)折彎抄板邊長(zhǎng)（m）.

圖6 活動(dòng)折彎抄板的安裝情況

確定活動(dòng)折彎抄板在筒體內(nèi)的安裝后，抄板上物料的自由表面與水平線之間的夾角為轉(zhuǎn)動(dòng)休止角Q rad，假設(shè)抄板在水平位置O時(shí)，物料在抄板上的休止角為Q0rad，此時(shí)物料開始撒落.當(dāng)筒體轉(zhuǎn)動(dòng)抄板高度增加，直至物料全部撒落完[5]，此時(shí)物料動(dòng)態(tài)休止線與水平直線夾角為QPArad，如圖7所示.

圖7 物料撒落圖

當(dāng)物料動(dòng)態(tài)休止線與水平直線夾角為QPA，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)角為φ，可求得轉(zhuǎn)角φ為：

式中：C是抄板外端點(diǎn)和通過(guò)轉(zhuǎn)筒中心的連線與抄板頂端點(diǎn)和通過(guò)轉(zhuǎn)筒中心的連線的夾角；Y是抄板頂端點(diǎn)和通過(guò)轉(zhuǎn)筒中心的連線與抄板邊a的夾角.

式中：QPA為物料全部拋落完，物料動(dòng)態(tài)休止線與水平直線夾角；μ為顆粒物料的最大靜摩擦因數(shù).

4 實(shí)例分析與討論

例如以玉米干燥為例，玉米干燥是以低溫大風(fēng)量和薄層干燥及緩蘇的干燥工藝，玉米含水率為25%，玉米顆粒靜摩擦因數(shù)為μ，玉米顆粒在轉(zhuǎn)筒中抄板上的摩擦角QPA為在轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的特性參數(shù)中，選取轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)半徑R為1.1 m，撒落點(diǎn)P軌跡半徑為0.5 m，增量為ΔB為，根據(jù)公，計(jì)算得到理想抄板極坐標(biāo)下極角與極半徑的關(guān)系，選取活動(dòng)折彎抄板的邊長(zhǎng) a、b為 0.4 m，折彎角為，抄板活動(dòng)安裝角為抄板在轉(zhuǎn)筒內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖8所示.的取值范圍為以抄板每轉(zhuǎn)過(guò)計(jì)算活動(dòng)折彎抄板的持料量h，計(jì)算公式為：

圖8 抄板在轉(zhuǎn)筒內(nèi)的結(jié)構(gòu)

圖9 不同轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)角的活動(dòng)折彎抄板持料量

5 結(jié)束語(yǔ)

抄板撒料均勻性與轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)內(nèi)抄板的設(shè)計(jì)有密切關(guān)系，在提高轉(zhuǎn)筒干燥能力方面起重要的作用，是設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的重要因素.通過(guò)對(duì)顆粒物料在轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)內(nèi)活動(dòng)折彎抄板作用下的撒料特性的研究，導(dǎo)出了理想工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)筒截面物料密度撒落和分布規(guī)律，建立了一種理想抄板截面的計(jì)算方程，提出了一種轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)活動(dòng)折彎抄板的設(shè)計(jì)方法.該方法可與數(shù)值分析法互相印證，為設(shè)計(jì)具有良好干燥效果和熱能利用率的轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)結(jié)構(gòu)提供依據(jù).

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