(南京師范大學能源與機械工程學院 江蘇省能源系統(tǒng)過程轉化與減排技術工程實驗室 南京 210042)

干燥艙的溫濕度和風速分布對物料的干燥效果影響很大[1-3]。目前，干燥艙的分析大多采用CFD仿真方法[4-5]，有效簡化了實際設計過程[6-9]，但在實際運行過程中，受制作材料等因素影響，干燥艙風速和溫度均會有不同程度的波動[10-11]。因此，各區(qū)域的速度場、溫濕度場均需通過實測來進行綜合對比[12-13]。

國內外多數(shù)干燥艙熱環(huán)境性能實驗通過控制變量，可分別得到溫度、濕度及風速單獨對干燥速率及干燥品質的影響[14]，對速度場研究較少。但在冷藏運輸熱環(huán)境、高溫平板換熱性能等技術領域，速度場的研究與應用也一直是研究熱點[15-16]。陸銳等[17]研究表明大型熱風干燥裝置內部設置勻風板能達到提高均勻性的目的。

本文針對無靜壓層無變截面、有靜壓層無變截面、有靜壓層有變截面的熱泵干燥艙結構，改變入口風速，實驗對比熱質交換區(qū)內的速度場，得出最優(yōu)結構，并通過改變送風溫度分析其溫度場。

1 熱泵干燥艙及其測點布置

本文研究的熱泵干燥艙結構尺寸為1 200 mm(L)×850 mm(D)×1 300 mm(H)，熱泵進、回風口尺寸均為850 mm(D) ×200 mm(H)。圖1所示為干燥艙外觀及內部結構，干燥艙圍護結構采用雙層碳鋼內夾石棉保溫，內外碳鋼板厚度均為1.2 mm，導熱系數(shù)為45 W/(m·K)，石棉層厚度為80.0 mm，導熱系數(shù)為0.045 W/(m·K)，內部隔板采用碳鋼板，厚度為1.0 mm，最外層噴涂油漆進行外觀處理。裝置頂部設排濕口，可根據(jù)需要開啟或關閉。

圖1 熱泵干燥艙外觀及內部結構Fig.1 The exterior look and interior structure of the drying chamber

圖2所示為變截面-靜壓式平行送風型熱泵干燥艙結構。干燥艙被送、回風隔板分為靜壓送風區(qū)、熱質交換區(qū)和靜壓回風區(qū)，隔板上有均勻條縫孔，隔板開孔率為24.3%，在送風靜壓空間內設置一個角度可調的變截面。

圖2 變截面-靜壓式平行送風型熱泵型干燥艙結構Fig.2 Structure of the drying chamber with variable-section and static pressure layer for parallel air supply

對干燥艙內部熱質交換區(qū)進行測點劃分，選用熱式風速儀和熱電偶分別采集速度、溫度數(shù)據(jù)，可分析得出干燥艙運行過程中的實際風速特性。

熱泵干燥艙熱質交換區(qū)溫度測點分布如圖3所示。以熱質交換區(qū)下邊界為z=0 mm，取z=280 mm為第一截面，均勻布置5×5個測點，x方向與y方向相鄰測點間距分別為175 mm和150 mm，在z=530、780、1 030 mm處進行同樣的測點分布，該實驗共布置100個測點。

圖3 熱泵干燥艙溫度測點布置Fig.3 The layout of temperature measurement points in the drying chamber

2 測量儀器儀表及測試過程

風機選用變頻軸流風機，風量為4 500 m3/h，用于提供設備循環(huán)空氣動能；用熱泵裝置加熱空氣，制熱量為9 kW。實驗過程中熱質交換區(qū)內空氣風速由熱式風速儀測定，測量范圍為0～20 m/s，入口空氣溫度由熱電偶測定，測量范圍為0～70 ℃。用熱式風速儀實時采集實驗數(shù)據(jù)，記錄30 s的平均值作為單個測點每次風速測量數(shù)據(jù)，每個測點記錄5次，去除極值后取平均值作為該測點風速值。

根據(jù)不同的估計方法, 不確定度分為按統(tǒng)計分布估計的A 類不確定度和按非統(tǒng)計分布估計的B 類不確定度[18-19]。對B 類不確定度，常以儀器誤差Δ儀乘以與其分布有關的因子KP簡化表示，但因Δ儀為儀器的允許誤差，則應有接近100%的置信概率，故大多數(shù)實驗可將B 類不確定度簡化為Δ儀[20]。本文對干燥艙內風速和溫度進行不確定度分析，如式(1)～式(3)所示。

A 類不確定度ΔA：

(1)

式中：tp(n-1)為n次測試所對應的t分布概率；SX為標準偏差，由貝塞爾公式計算得出；n為測試取點數(shù)量。

B類不確定度ΔB：

ΔB=Δ儀

(2)

式中：Δ儀為儀器誤差。

合成不確定度，即最終所求不確定度值ΔX：

(3)

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出，干燥艙內各水平高度的風速不確定度分別為：ΔXv,z=250=0.054，ΔXv,z=500=0.051，ΔXv,z=750=0.053，ΔXv,z=1000=0.052。干燥艙內各水平高度的溫度不確定度分別為：ΔXt,z=250=0.011，ΔXt,z=500=0.008，ΔXt,z=750=0.010，ΔXt,z=1 000=0.009。

本文分別對10種實驗工況條件下的干燥艙內部流場情況進行實驗，如表1所示。

表1 干燥艙實驗工況條件Tab.1 Test conditions of drying chamber

圖4 4個特征值點的實測風速變化Fig.4 Measured velocity variation of four feature points

3 測試結果與數(shù)據(jù)分析

3.1 靜壓層、變截面及不同角度的速度場實測對比

實驗1～5分別選取x=50 mm,y=125 mm；x=50 mm,y=425 mm；x=400 mm,y=425 mm；x=750 mm,y=425 mm為4個特征值點進行分析。

圖4所示為4個特征值點的實測風速變化。由圖4(a)和圖4(b)可知，入口處各干燥艙內的風速變化較大。由圖4(c)可知，熱質交換區(qū)內，x=400 mm，y=425 mm時，無靜壓層的干燥艙內垂直方向上的風速分布嚴重不均，且整體風速偏??；增加靜壓層后，風速分布均勻性改善，平均風速提升。在此基礎上，設置角度分別為arctan (3/40)的變截面，與無變截面有靜壓層的干燥艙相比，雖然內部平均風速略有降低，但風速分布更均勻。為探究不同變截面角度對風速的影響，對比變截面角度分別為arctan (3/40)、arctan (1/10)、arctan (1/8)的干燥艙內部的風速場，其中變截面角度為arctan (1/10)時風速在0.55 m/s左右波動，且分布均勻。出口處，x=750 mm，y=425 mm，變截面角度為arctan (1/10)時平均風速較高，可達0.65 m/s。故變截面角度為arctan (1/10)時結構較優(yōu)。

3.2 變截面靜壓送風干燥艙速度場分析

圖5所示為不同入口風速下各截面特征值點實測風速變化，選取實驗4、6～8在y=425 mm處的測點數(shù)據(jù)進行對比。

由圖5可知，當入口風速為1.50 m/s時，在水平方向上整體風速降低較大；入口風速為2.00 m/s時，均勻性有所改善，但波動仍較大；入口風速為2.50 m/s時，風速較大，均勻性也較好；入口風速為3.00 m/s時，均勻性不再有明顯改善。故當入口風速為2.50 m/s時，風速分布較均勻。

圖5 不同入口風速下各截面特征值點實測風速變化Fig.5 Measured velocity variation of feature points of each section with different inlet air velocities

當設定熱空氣送風溫度為50 ℃，風速為2.50 m/s時，對熱質交換區(qū)的溫度場分布結構進行實測，將實驗數(shù)據(jù)導入軟件進行處理，并生成風速分布圖，如圖6所示。

圖6 4個截面的實測風速分布Fig.6 Measured velocity distribution of four sections

由圖6可知，遠離送、回風口處的風速在0.45～0.65 m/s波動，風速梯度較小，在干燥所需風速的合理范圍內。在水平方向上，沿氣流流動方向，風速呈遞減的趨勢。在垂直方向上，隨著高度增加，各截面平均風速分別為0.65、0.70、0.55、0.50 m/s，熱空氣速度呈降低趨勢。同時實測結果表明各截面處干燥風速分布均勻性與現(xiàn)有干燥設備相比有明顯改善。

分層來看，z=280 mm截面上氣流入口處風速明顯高于平均風速；z=530 mm和z=780 mm兩個截面上，風速分布相對均勻，z=530 mm截面處有較大的平均風速；z=1 030 mm處干燥風速提高，減小了垂直風速梯度，平均風速為0.50 m/s，比底部平均風速低約22%。

3.3 變截面靜壓送風干燥艙溫度場分析

在入口熱空氣設定為50 ℃時，對熱質交換區(qū)的溫度場分布進行實測，將數(shù)據(jù)導入處理軟件得到溫度場分布云圖，如圖7所示，為熱質交換區(qū)4個截面的溫度分布情況。

圖7 4個截面的實測溫度分布Fig.7 Measured temperature distribution of four sections

由圖7可知，熱質交換區(qū)整體上部空氣溫度高于下部溫度，在除z=1 030 mm截面的其余三個截面處表現(xiàn)較為明顯。z=1 030 mm截面因靠近熱質交換區(qū)頂部，平均風速較低，故該截面處熱空氣流量較小，雖受下層熱空氣補充，但并未造成過熱。

圖8 不同送風溫度時熱質交換區(qū)各測點的平均溫度Fig.8 Average temperature of measurement points in the area for heat and mass exchange with different inlet temperatures

分別在40、50、60 ℃ 3種送風溫度條件下進行實測，得出不同送風溫度時熱質交換區(qū)水平方向上各測點的平均溫度，如圖8所示。結果表明，空載條件下送風溫度不同時，熱質交換區(qū)溫度分布均勻性差別較小，故適宜送風溫度范圍較寬，可根據(jù)具體物料確定。

4 結論

本文實驗對比了無靜壓層無變截面、有靜壓層無變截面、有靜壓層有變截面(角度分別為arctan (3/40)、arctan (1/10)、arctan (1/8))5種熱泵干燥艙結構，得出最優(yōu)結構。對于該最優(yōu)結構，推薦適合的風速和溫度條件。得出如下結論：

1)在入口風速為2.50 m/s，干燥溫度為50 ℃的情況下對比5種干燥艙內的速度場分布，整體而言，有靜壓層和變截面能夠有效增加速度分布的均勻性，調整變截面角度(arctan(1/10))可使干燥艙內風速分布更加均勻。

2)實測發(fā)現(xiàn)，有靜壓層有變截面(arctan (1/10))的干燥艙內，調整入口風速可控制熱質交換區(qū)的風速分布。設定入口風速為2.50 m/s時，熱質交換區(qū)風速分布狀況較為均勻。

3)有靜壓層有變截面(本文角度為arctan (1/10))的干燥艙內，調整送風溫度對熱質交換區(qū)溫度分布均勻性影響較小。其適宜送風溫度范圍較寬，可根據(jù)具體物料設定送風溫度。

本文受南京市軟科學研究計劃(201706044)資助。(The project was supported by the Research of Soft Science in Nanjing (No.201706044).)