王海霞，陳炳貴

(國網福建省電力有限公司技能培訓中心，福建 泉州 362000)

0 引 言

干燥滾筒是瀝青混合料攪拌設備的主要部件之一，其主要功能是加熱和烘干骨料，并將骨料加熱到能夠獲得高質量瀝青混合料所需要的溫度。根據瀝青攪拌設備燃燒器的燃燒特點，其火焰長度一般為5 m左右[1-3]。因此，對于遠離燃燒器5 m后的對流區(qū)，為強化燃氣和骨料之間的熱交換，采用刮料葉片以保證骨料在該區(qū)域多次被提升和自由散落，在斷面處的中間區(qū)域形成均勻料簾，使燃氣充分穿過料簾與骨料接觸進行熱交換[4-6]。

國內外對干燥筒內石料運動的研究已經比較廣泛，Baker C G給出葉片式干燥筒的設計方法，并且建立了葉片持有量的數學模型，指出在理想情況下，葉片數量能夠保證葉片持有量達到總料量的10%～15%[7]。Bodhisattwa C運用離散元模型對石料在烘干筒內的混流和傳熱過程進行了仿真研究，通過對多種烘干筒型式的對比得出，揚料葉片對石料的干燥升溫具有積極的意義[8]。Lisboa M H等利用數學模型計算得到了兩段式葉片在不同位置角的持有量和落料距離，并通過試驗得出烘干筒干燥效率與葉片數量的關系，以及石料動摩擦系數隨含水率的變化范圍為0.974～1.015[9]。黃志剛構建了瀝青顆粒在干燥滾筒內運動情況的數學模型，模擬出了瀝青顆粒在干燥筒內的滯停時間，構建了瀝青顆粒在干燥過程中的熱交換模型，預測了瀝青顆粒的溫度和含水率變化情況[10]。王雪通過研究干燥筒轉速、傾角、葉片數量對料簾分布的影響，闡述了形成均勻料簾的因素，構建了單葉片拋撒軌跡和拋撒范圍的數學模型，并提出料簾密度的概念[11]。

以上研究的重點均集中在對瀝青攪拌設備干燥滾筒葉片持有量的數學建模和瀝青顆粒運動軌跡的影響因素[12]，對料簾分布的分析較少。在瀝青的加熱烘干過程中，對流區(qū)的骨料和熱空氣能否進行最大程度的熱交換，是提高烘干效率的關鍵所在；而對流區(qū)的料簾分布形式，是實現均勻料簾并使熱空氣與骨料接觸進行熱交換的決定因素[13-14]。因此，本文以現有的研究為基礎，重點研究瀝青攪拌設備滾筒對流區(qū)骨料料簾的分布形式。

圖1 燃燒器火焰大致形狀及滾筒對流區(qū)域

1 葉片的持有量

文中論述的瀝青攪拌設備均以4000型為例，其燃燒器如圖1所示。

在干燥滾筒中，葉片的持有量定義為

(1)

式中：Zφ為葉片持有量(%)；N為葉片個數；Aφ為單個葉片單位長度上體積持有量(m3·m-1)，如圖2所示；A為干燥滾筒的橫截面積(m2)。

圖2 葉片持有量定義

葉片的持有量是確定干燥滾筒中物料填充率的重要參數。在計算葉片持有量時，一般將物料自由表面與水平線之間的夾角定為物料的休止角。對于不同的休止角和葉片的幾何尺寸等，可以先確定單一葉片單位長度上的持有量Aφ，然后利用式(1)計算葉片持有量。

2 刮料葉片單位長度上的持有量

圖3是刮料葉片在不同位置上持有量的示意圖。圖中，θ角是葉片翼端點與通過滾筒中心的水平線之間的夾角，φ角是葉片上骨料的自由表面與水平線之間的夾角，R是滾筒的半徑。

圖3 刮料葉片在不同位置上持有量

當葉片位于位置a，即θ=0時，此時持有量達到最大值。隨著滾筒的轉動，葉片上的骨料不斷撒落，直到完全倒空。圖3中b和c兩點分別表示葉片上持有部分料和完全無料的位置。

為了確定持有量的大小，必須首先導出各種位置處的一般表達式。圖4是θ角和φ角的力學解析。

圖4 θ角和φ角的力學解析

其中，作用力F平行于PQ平面，而作用力G垂直于PQ平面。骨料間的摩擦系數為μp，根據力的相互關系，可以得到：

根據上述式(2)～(4)，可以求得θ角和φ角的關系。

式中：M′為質量(kg)；rc為葉片翼端點至滾筒中心的距離(m)；ω為滾筒角速度(rad·s-1)；g為重力加速度(m·s-1)；v為系數。

本例中，ω=6.4 r·min-1，rc=1 132.5 mm，g=9.8 m·s-2，代入式(6)得v=0.001 31[15-17]。

由于v數量級較小，對式(5)作如下簡化。

tanφ≈μp

(7)

式(7)間接表明：當滾筒角速度較小時(對于滾筒而言，葉片翼端點至滾筒中心的距離相差不是很大)，葉片上骨料的自由表面與水平線之間的正切值近似為骨料間的摩擦系數值，也即近似為常數值。

常用骨料動安息角為35°,即骨料間的摩擦系數為0.7[18]，對滾筒內對流區(qū)域骨料料簾分布形式的靜態(tài)分析如圖5所示。

圖5 對流區(qū)域骨料料簾分布形式的靜態(tài)分析

(1)陰影區(qū)域為各個狀態(tài)下葉片的持有量。

(2)實心區(qū)域為各個狀態(tài)下葉片的上個狀態(tài)的持有量與當前狀態(tài)下持有量的差值，即滾筒旋轉過程中的拋出量。

(3)當骨料拋出后，受到的作用力可簡化為向心力與重力，由式(6)及v=0.001 31可以得出，其骨料拋出的曲線曲率較大，可以近似看作直線型。

(4)β角為葉片由水平位置到完全倒空所旋轉過的角度。

β=35°+(180°-83.7°)=131.3°

當滾筒旋轉角速度ω=6.4 r·min-1減半或增倍時，φ角和θ角、v值、ω的變化關系如表1所示(骨料間的摩擦系數為0.7)。

3 FLUENT流體動力學分析葉片拋撒料路徑

為了更為直觀地查看滾筒對流區(qū)域骨料料簾的分布形式，應用FLUENT軟件對其截面做流體動力學分析。

本例中，模型簡化成一個面域，底部1/4處為骨料初始量，上部3/4處為空氣，利用固液兩相流模擬不同角速度下的情況[19-20]。拋撒料路徑的等高線圖和矢量圖如圖6所示，圖中數字為分布率。

當熱空氣經過對流區(qū)域的截面處時，與骨料接觸的熱空氣視為被截留，即有較少的熱量直接貫穿，熱效率較高；而截面沒有骨料料簾的區(qū)域，熱空氣未與骨料發(fā)生熱交換，直接貫穿滾筒外排，熱量損失。

表1 不同θ、ω、v下的φ值

注：θ為0°時，φ為該ω值下的最小值；θ為72°時，φ為該ω值下的最大值。當ω值提高時，v值呈增大趨勢，也即骨料拋出的曲線曲率不斷變小。ω值小的，可以認為骨料在葉片的翼端點處做自由落體運動。φ角的跨度差呈增長趨勢，且3種角速度下的φ均可近似為35°。

圖6 葉片拋撒料路徑的等高線圖和矢量圖

故滾筒內對流區(qū)域的熱交換要達到最佳狀態(tài)，需保證骨料料簾集中在截面的中間區(qū)域，即保證在同等骨料作用下，料簾所形成的斷面面積趨于最大值。

由圖6可以看出：當角速度ω=6.4 r·min-1(目前市面上大多數滾筒的實際運行值)時，骨料料簾分布情況較為靠中，邊上扇形區(qū)域的面積也相對較小，滿足最優(yōu)熱交換狀態(tài)；當角速度ω=3.2 r·min-1時，骨料跌落較快；當角速度ω=12.8 r·min-1時，骨料跌落較慢，這2種情況無料簾區(qū)域面積均較ω=6.4 r·min-1時大，熱損失也較大。

4 結 語

干燥滾筒是否正常運轉，并充分進行熱烘干作業(yè)，將直接影響整套瀝青混泥土攪拌設備功能的發(fā)揮和使用效果，同時也是衡量整機性能的一個關鍵因素。本文進行了干燥滾筒對流區(qū)葉片持有量的數學建模，同時分析了瀝青顆粒運動軌跡的影響因素，并通過FLUENT流體動力學軟件分析葉片拋撒料路徑，獲取并驗證了干燥滾筒關鍵參數對對流區(qū)骨料料簾分布的影響，獲得如下結論。

(1)葉片的持有量是確定干燥滾筒中物料填充率的重要參數，在不同工作轉速下均對骨料料簾分布具有較大的影響。

(2)當干燥滾筒角速度過小時，骨料跌落較快；當角速度過快時，骨料跌落較慢。這2種情況無料簾區(qū)域面積均較大，熱損失也較大。

(3)干燥滾筒角速度ω=6.4 r·min-1時，骨料料簾分布情況較為靠中，邊上扇形區(qū)域的面積也相對較小，滿足最優(yōu)熱交換狀態(tài)，具有較高的熱交換效率。

通過對干燥滾筒對流區(qū)骨料料簾分布的研究，從而指導滾筒葉片的設計及選型工作，同時也對干燥滾筒的優(yōu)化起到理論支撐作用。