（化工过程机械专业论文）间接式干燥装备建模及其cad应用开发.pdf

摘要 本文以间接式十燥装备为研究对象，通过对颗粒热传递模型的进一步修 j 下，较为准确的计算了旋转圆盘干燥机的传热系数和列管式干燥机机内的湿 份分布：分析并建立了几种典型间接式干燥机的简化力学模型。本文所建立 的模型已成功应用于实际干燥机的结构设计中。 在系统介绍面向对象理论基础上，采用面向对象建模理论，对阳j 接式干 燥装备进行了软件建模分析，并结合c a d 技术利用本文所建立的模型，完 成了干燥机计算机辅助设计软件的主要功能开发，实际使用证明该软件对于 干燥机的设计是有效的、可靠的。 最后对间接式干燥装备的发展未来作了展望。 关键词：间接式干燥装备；颗粒热传递模型：强度模型；面向对象；c a d 技术 。 vb a b s t r a c t t h e d r y i n gp r o c e s so f i n d i r e c td r y e r sa r es t u d i e di nt h i sp a p e r ， a n dt h e i rs t r u c t u r e d e s i g na n ds t r e n g t ha n a l y s i s a r ea l s op r e s e n t e d w i t ht h em o d i f i e dp a r t i c l eh e a tt r a n s f e rm o d e l ，t h eh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n to f p a nr o t a r yd r y e r a n dt h ed i s t r i b u t i n gw e to fm a t e r i a li n t u b er o t a r yd r y e ra r ec a l c u l a t e d i na d d i t i o n ，t h es i m p l i f i e ds t r e n g t h m o d e li su s e dt od e s i g nt h ei n d i r e c td r y e r s f u r t h e r m o r e ，w i t ht h eo b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gm e t h o d ，t h e i n i t i a lc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d ) s o f t w a r eo fi n d i r e c td r y e r si s d e v e l o p e di nw i n d o w s n t s y s t e ma n dm f c e n v i r o n m e n t t w ot y p ei n d i r e c td r y e r sd e s i g n i n gi n s t a n c e sa r g u et h i sm o d e l a n dc o m p u t e ra i d e dd e s i g ns o f t w a r e ( c a d ) i sc o n v e n i e n t ，e f f e c t i v e ， a n dr e l i a b l e k e yw o r d s ：i n d i r e c td r y e r s ，p a r t i c l e h e a tt r a n s f e rm o d e l ，s t r e n g t h m o d e l ，o b j e c t e d o r i e n t e d ，c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ( c a d ) - 2 日u 舌 近年干燥技术随着有关产业的发展有了比较大的进展，而干燥的能耗在工业 发达国家要超过能耗总量的1 0 ，因此干燥过程的节能是涉及面广的长远课题。 同时大量的干燥需求也必然促使干燥装备制造业的发展。而机电一体化、加工制 造标准化、控制水平等是体现干燥装备水平的内涵。 问接式干燥装备是当前干燥技术发展与应用的一个重要趋势，它提高了干燥 效牢、减少了环境污染，可以最大限度地满足现代社会有效利用各种能源、保护 生态环境的需要。 我幽从八十年代中后期先后引进旋转列管式十燥机和旋转圆盘式干燥设备， 主要用于酿酒和酒精工业的渣液处理、部分化工产品的处理、城市生活污泥的治 理。在实际运行过程中产生了良好的经济效益。消化吸收这项技术已成为当务之 急，目前国内对于这类日j 接式干燥机的研究还处于仿制和探索阶段，基础理论研 究和实际经验还很缺乏，使这种干燥机的设计步履维艰。因此，对它的各种特性 进行全面的理论分析，提出和完善设计方法是十分必要的。 另外，随着c a d c a e c a m 等计算机技术向传统机械制造业的渗透，干燥 装备的制造业急需提高自己的设计和制造水平，更好的适应干燥装备的多样性和 市场的多变性。 综上所述，对间接式干燥机的各种特性进行全而的理论分析，并结合计算机 技术、c a d 技术丌发商用的计算, h l 4 d 1 助设计软件是十分必要的。 浙讧人学坝l ：学位论文 第一章干燥技术发展与建模技术概述 1 1 干燥技术的创新和未来趋势 干燥是历史久远的单元操作之一，然而也是最复杂、人们了解最浅的技术 之一，在干燥技术的许多方面存在着“知其然而不失其所以然”的状况，因此大 多数干燥装备的设计仍然依赖于小规模试验及实际操作经验。有些干燥工艺已趋 成熟，也就是说进一步的研究和发展已不能在投资上获得满意的回报。近十年来， 有许多新型干燥机投入市场( 虽然它们主要是在原有基础上作了某些改进) ；另 外，一些新的构想j 下处于实验研究阶段。随着全球经济的一体化，技术的竞争f 1 趋激烈，人们对有效利用能源、实现对环境良好的保护以及提供优质产品的意识 在逐步增强。干燥技术的发展，必须通过创新的方式，进一步地进行丌拓性的研 究，以迎接时代的挑战。 作为一种单元操作，干燥通常不与革新相联系，现在需要干燥的产品都是 在使用现有的干燥技术( 某些技术实际上已经有几百年的历史) ，所以对一般使 _ | j 者而苦，通常认为没必要对干燥进行革新和进一步的研究和发展。这反映了干 燥所能吸引的研究和发展基金处于相对较低的水平。 预测干燥技术的未来发展趋势相当困难，很多文献都有相关报道，总的来 说，干燥技术的发展趋势将沿着实现：有效利用能源提高产品质量及产量、减少 对环境影响、机电一体化、安全操作等方向发展。具体讲，干燥技术的未来发展 将着重于【2 】： ( 1 ) 大量使用间接加热( 传导) 方式： 对流型( 或称直接式) 干燥机是最常见的。如转筒、流化床、闪蒸等。赢接 式干燥排气带走的热量与蒸汽水分的热量一样多，热损失大。问接干燥( 或称传 导式) 经常在真空或低气流速率卜操作，以排除被蒸发的水分，这样惰性2 i 体带 走的热量可减少至最少或消除。 ( 2 ) 在直接式干燥器中使用过热蒸汽作为干燥介质： 其主要优点：可有效的利用干燥器排出的废蒸汽：无危险；减少产品氧化变 质的隐患，改善产品质量：具有较高的干燥速率，使干燥器紧凑。缺点：工业使 刷经验有限：存加料和出料时难于控制空气渗入：产品温度较高，蒸汽粘度低， 对颗粒的拽力小，导致流化速度较高，喷雾干燥机容积较大。 ( 3 ) 采用组合式供热方式( 对流、传导与介电或热辐射的组合) ： 干燥机的传热方式可分为对流、传导和辐射。它们各有利弊：对流传热设备 简单，操作方便但能耗大：热传导设备能量损失小、能量的利用率高但设备结构 复杂；辐射干燥设备干燥质量好，但是单位能量费用高。因此，根据物料的干燥 浙江人学硕十学位论文 特性和其他热物理性质将不同的供热方式合理组合使用可以达到比任何单一供 热方式更好的效果。如用于挤压膏糊的撞击一微波二 燥机。 ( 4 ) 用新型或更为有效的供热方式( 如脉冲燃烧、感应加热等) ； 早在6 0 多年前人们就发现高强度声波可以强化热质传递。关于强化的机理 有几种假设。有人认为是增强了湿物体表面湿空气的湍流；另一种假设是降低了 液体粘度，加快了液体在固体中的扩散：还有人认为声波使固体毛细孔中阻碍液 体运动的气泡发生了颤动，减少了液体扩散阻力。通过波辐射强化热质传递的另 一种办法是利用脉冲燃烧( p u l s ec o m b u s t i o n ) 排气中产生的低频高幅振幅波， 据说与闪蒸干燥和喷雾干燥相比可以降低操作费用的5 0 。 ( 5 ) 测量湿含量及产品质量等的测试技术、传感器技术； 丰要是指丌发适用于各种干燥产品的在线测量传感器，目前还没有在这个领 域有足够的突破。干燥过程中，在线测量固体湿度，对某些物料的质量控制、附 聚、颗粒分布等是必要的。快速移动物料的非接触式局部湿度测量( 常采h j 红外 测湿仪) 对监控干燥过程是很重要的。 ( 6 ) 干燥装备的机电一体化技术，如使用c a d c a e c a m 技术、模糊逻 辑、神经网、专家系统等； 机电一体化技术在干燥过程中的运用主要包括两个方面，首先是随着 c a d c a e c a m 等技术向传统机械制造业的渗透，干燥装备的制造业急需提高 自身的设计和制造水平，采用诸如敏捷制造、柔性制造、虚拟制造等先进的制造 技术更好的适应干燥装备的多样性和市场的多变性，目前在这一方面的应用还仅 仅停留在最初的甩掉图板的二维c a d 层次，具有很大的发展潜力。 其次是指干燥操作过程的控制，其基本要求是要保持干燥过程的稳定性， 如在流化床干燥中采用工业计算机进行干燥过程的在线自动监控，具有一定的应 j q 和推广价值”i ，木材干燥过程中的全自动控制i 4j 、基于模糊规则提取的模糊控 制和神经元网络在干燥建模方面的应用【5 】1 6 1 等等。 丌发商用的干燥技术专家系统将使干燥系统的选择、设计、分析和控制更 为方便，但是基础研究始终是认识和试验新的干燥思想和干燥设计的关键因素。 如果可以建立一个数学模型它不仅可以考虑到传递现象，而且可以预测产品 的质量，那它将成为发展新型干燥器的一个有用的工程设计工具。 本文在( 1 ) 、( 6 ) 两个方向做了一些研究工作。 1 2 干燥装备概述 干燥方式的多样性导致了干燥设备的多样性，许多人试图对干燥机进行分 类，m c c o r m i c k 7 i 尝试从用户视角进行分类，s l o a n l 8 1 将干燥机分成2 0 个型式， 浙江人学烦f + 学位论文 d i t t m a n l 9 1 提出了工业上普遍运用的分类标准，即按热量传递方式将干燥设备分成 直接传热式干燥设备和间接传热式干燥设备，近年随着冷冻、微波等于燥技术的 发展，】c k e e p 等在d i t t m a n 的分类标准上又增加了一个新类型。下面我们按 这一分类对间接式干燥机作重点介绍。 直接传热式干燥设备，顾名思义，干燥介质直接与被干燥物料接触，把热 量传递给物料，同时将物料蒸发的湿份带走。典型的有喷雾干燥器、流化床干燥 器、转简式干燥机等。直接传热干燥设备虽然结构简单，但其中利用的干燥介质 热值普遍较低，为了符合成品要求，介质流量很大，介质温度高使设备配套成本 上升，且热效率低一直是困扰其应用的关键因素。 间接传热设备中，物料和干燥介质通过一层金属壁隔丌，热量由金属壁传 至物料。因为非冷凝气体与金属壁的传热系数太小，所以此类干燥设备的加热介 质一般是冷凝气体或液体。与直接干燥设备相比， 目接干燥设备有如下优点： ( 1 ) 产品质量易于保证。由于物料与干燥介质不直接接触，避免了干燥介 质对物料的二次污染。 ( 2 ) 干燥热源趋于多样化。物料与干燥介质分离使我们对热源的要求有所 降低。譬如我们可以分别用蒸汽和烟道气作为干燥介质。这样，当能源紧缺时， 此类干燥机的工作就较少受影响。 ( 3 ) 高的热效率。f n j 接加热干燥机的热效率主要体现在尾气流量上。与直 接加热干燥机相比，间接加热干燥机的尾气流量小，因而带走的热能就少。一般 说束，达到相同的干燥质量，问接式干燥机所需热能是直接式干燥机l 2 l 3 ， 并且随着成品目标湿度的降低，问接式干燥机的优势会显著增加。 ( 4 ) 低污染。尾气流量小使从干燥机携带出的粉尘也大为减少，可以把污 染控制侄很小的范围内。酒精行业利用问接干燥机处理残渣，不仅使工厂工业废 水c jb o d 含量和c o d 含量达到国家排放标准，而且每生产一吨酒精，可附产 0 9 吨高蛋白饲料。 事物都有其两面性，问接式干燥的缺憾是：对于粘度大的物料，加热面上 的物料不易更新，致使干燥机的传热系数大大降低，严重影响干燥质量。人们证 设法从结构、原料配置方面着手，使间接式干燥机应用于更多的场合。如上所述， 问接式干燥机优异的环保性能，节能特性适应了当代社会对于环境和能源的要 求。从7 0 年代后期，因外开始大力推广问接式干燥机，我国在8 0 年代中后期逐 渐引入，现在发展已渐入佳境。这里主要介绍国内证在大力发展的几种可连续生 产的间接式干燥机。 、盘式干燥机 盘式干燥机( 图l 1 ) 的工作原理是。干燥机最上面一层是小加热盘，第 浙江大学硕：i ：学位论文 二层是大加热盘，而后大小加热盘依次交替排列。盘内通有热介质，如蒸汽或导 热油。物料在搅拌耙的推动下从小盘边缘下落到大盘上，在搅拌耙的推动下再从 大盘【 】一t ：, 4 l 下落到小盘上，如此反复直到物料达到干燥要求。 盘式连续干燥机已经有了几十年发展历史，最初只用于硫铁矿的焙烧和煤 粉的干燥，由于设备投资大，以及当时的一些技术问题，未引起人们的重视。8 0 年代后，由于节能、改善工作环境和处理一些难干燥物料的需要，许多国家又开 始研究和开发盘式连续干燥机，将其广泛应用于化工、医药、食品等行业中，耿 得了很好的效益。 日f j i ，德囡、日本、美国、俄罗斯等国家，都有专门的公司或厂家进行盘 式干燥机的研究和制造。其中历史较久，较成功的是德国k r a u s s m a f i e i 公司。 国内，近年来也有些单位对盘式连续干燥机进行研究。例如，上海化工装 备研究所研究丌发了g c 一0 1 型板式干燥机；核工业总公司第四研究所设计院丌 发了d o p g c 型系列盘式干燥机；河北工业大学对盘式干燥机进行了比较系统的 研究。 与发达国家相比，我国盘式干燥机的应用还处在起步阶段。将该干燥机用 于工业生产的厂家有：湖北黄石化工厂用于活性钙生产；上海化工九厂用于水色 酚，水二、三酸干燥；河北藁城永昌化工厂用于白碳黑干燥，均取得了满意的效 果。 刚1 一l 盘式干燥机结构示意剧 物料进口；2 一废气出口；3 耙臂：4 一耙叶：5 一加热盘；6 一蒸汽出口 7 一蒸汽进口：8 、9 一成品山口：1 0 一冷凝水出口； 塑坚查堂堡兰堂堡堡兰 二、旋转圆盘干燥机 旋转圆盘干燥机( 图1 - - 2 ) 的工作原理：湿料从进料口加入，在圆盘上抄 板的搅拌和推动下前进，与圆盘接触过程中吸热，历经预热、低温加热、高温加 热三个阶段；冷风与物料逆流，历经预热、吸湿，在达到露点前排出：加热蒸汽 与物料顺( 逆) 流，在加热物料后冷凝，从冷凝水出口排出。整个干燥过程均在 干燥机的保温壳体内进行。尾气控制在露点附近，因此热效率高：干燥所需热量 依靠传导间接加热，干燥过程只需少量用来携带湿份的气体，大大地减少了被气 体带走的热量损失，提高了热量的利用率。物料在干燥机内的轴向运动出于受到 圆盘盘面的阻碍，使物料与干燥机的整体接触面积增大，一般可以达到4 5 5 0 更加增加了其换热效果。为了处理粘度大的物料，干燥机备有活动刮板， 用于清除加热表面的附着物料。这种干燥机热效率高，只是设备比较复杂，制造 难度较大。 三、列管式干燥机 图1 2 旋转圆盘干燥机结构图 1 一进料口：2 一冷凝水出口；3 一山料口 4 一蒸汽入口：5 一排风口；6 一刮刀： 列管式干燥机( 图1 3 ) 的结构与盘式干燥机相似，物料在其间的运动也 和盘式相仿，只是加热组件由圆盘换成列管。这样，降低了制造成本，但因为物 料在传动轴方向的运动无任何约束，物料与加热管的整体接触率在2 5 3 5 之问，小于盘式干燥机，所以相同加热面积的干燥机，旋转圆盘式机整体传热系 数般比列管式干燥机大6 0 7 0 。 浙江大学硕士学位论文 图1 3 旋转列管式干燥机结构图 1 一进料1 ：3 ：2 一冷凝水出口；3 一出料口；4 一蒸汽入口： 5 一排风口 四、卧式桨叶式干燥机 产品 图l 一4 卧式桨叶干燥机结构简图 1 一w 型槽体；2 一空心热轴；3 一上盖：4 一轴承及填料箱：5 一夹套；6 一楔形桨叶； 7 一齿轮；8 一减速装置：9 一旋转接头；1 0 一链轮； 在干燥机内设置各种结构和形状的桨叶以搅拌被干燥物料，使物料在搅拌桨 翻动下，不断与干燥机的传热壁面接触，加快传热速度和湿份蒸发，达到干燥的 目的。这类设备称为桨叶式干燥机( 图1 4 ) 。 由于固体物料自身没有流动性，在干燥机内固体物料的移动完全依靠桨叶推 动和自身重力的联合作用。因此，要使干燥机内固体物料完全流动，就要设置较 多的桨叶。根掘工艺要求，多数桨叶式干燥机横卧安置，物料从一端加入，另一 端排出，可减少反混，使物料停留时间变短，有利于物料干燥均匀。 为了满足各种物料特性和干燥工艺条件，桨叶式干燥机的结构和形式很多。 塑坚叁堂堡主兰些笙茎 由于桨叶式干燥机有很多优点，近年还不断有新型桨叶式干燥机出现。有的在传 统干燥机中再设置搅拌桨，如在流化床干燥机再设置可通入热载体的空心轴和空 心桨叶，以增加干燥机内的传热面积，减少气体流量，提高热量利用率。但是， 在工业上使用得比较成功的桨叶式干燥机种类比较有限。 1 3 工业过程建模技术概述 1 3 1 数学模型和建模原理 一、建模概述 l 7 程序、 1 ，真实世、 7 。、界系统，一、 7 模型设、11 【计者 j ! j j 计算机 - 形式化 模型 图1 - - 5 一般的计算机建模过群 建立在科学工程方法基础上的人与外部世界的相互作用，看起来已经有了 “形式化”模型或者说抽蒙的表示方法，这仿佛是一把关键的钥匙。科学研究中 的绝大部分工作是由形式化过程和建立模型所组成的。通过观察和实验，科学家 们试图建立抽象的表示方法和定律，这些方法、定律是对现实世界中有关的已经 证明了假设的形式化。这种形式化“模型”仅在它抓住了实际系统中的基本性质 时才有用。它使得人们有可能进行推理、分析和设计。所以从某种意义说它给我 们提供了控制的能力。 这里所讨论的是具有特殊形式的人与外界的相互作用，它基本上是由以下步 骤所组成( 图l 一5 ) 。首先总是模型的建立或形式化，它产生出现实世界系统的模 型。这个阶段很明显是面向科学的。在某种意义上它是人类通过建立一种抽象的 甲 一叶 一 塑坚尘堂婴生堂些堡兰 表示方法以获得对自然现象的充分理解。其次是对形式化模型进行分析和利用， 以便掌握如何按照人类的意志对现实系统进行控制，这显然具有工程特点。如果 考虑这两个阶段中所采用的技巧，那么计算机的作用就变得日趋明显了。 模型的建立者原来处于整个过程的中心地位，现在计算机就像一个合作者那 样支持它。模型的建立者本身依靠一个抽象模型以进行适当的活动。按此类推， 很容易理解计算机也需要有合适的语言来管理运行。计算机基本上是按程序来工 作的，而模型设计者则在适宜的软件帮助下选择并实现这些程序。因此，有关形 式模型的程序设计以及机器的计算及仿真活动，直接影响和支持着模型的建立和 分析这两个基本活动】。 分析图1 5 的建模的过程，形式化模型和程序是整个过程中的关键步骤，决 定了建模的成败，而形式化模型的主要手段就是数学模型，程序可以理解为软件， 下面将主要讨论数学模型的建立和软件的实现方法，好的建模方法应该能够把两 者很好的结合起来。 二、数学模型 数学模型，就是针对或参照某种问题( 事件或系统) 的特征和数量相依关系， 采用形式化语言，概括或近似地表达出来的一种数学结构。 建立数学模型的一般步骤是： 第一步对问题( 事件或系统) 进行观察，想象其运动变化规律情况，用非 形式语言( 自然语言) 进行描述，初步确定描述问题的变量和相互关系。 第二步确定问题的所属系统( 力学系统、生态系统、管理系统等) 、模型大 概的类型( 离散模型、连续模型、随机模型等) 以及描述这类系统所用的数学工 具( 图论方法、常微分方程等) ，提出假设。 第三步将假设进行扩充和形式化，选择具有关键性作用的变量及相互关系 ( 主要矛盾) ，进行简化和抽象，将问题的内在规律用数学、图表、公式、符号 表示出来，经过数学上的推导和分析，得到定量( 或定性) 的关系，初步形成数 学模型。 第四步根据现场试验和对试验的数据统计分析估计模型参数。 第血步检验和修改模型，这是在反映问题的真实性和便于数学处理之阳j 的 折l i 过程。模型只有在被检验、评价、确认基本符合要求后，才能被接受：否则 需要修改模型，这种修改有时是局部性的，有时甚至要推倒重来2 1 。 三、数学模型的计算机实现一计算机仿真 其实质上就是建立仿真模型和进行仿真实验的技术。就是利用计算机对研究 系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的主动者人的思维过程和行为进行 动态性的比较逼真的模仿。利用建立的模拟模型对系统进行研究和分析，并可将 浙江人学颂上学位论义 系统过程演示出来i l “。 计算机模拟包括三个要素：系统、模型、和计算机。以上三个阶段把计算机 模拟的三个要素联系在一起。 建模技术、算法技术、软件技术合起来，就组成了一个完整的计算机模拟技 术。 1 3 2 面向对象建模技术 而向对象方法吸取了程序设计语言和数据建模技术等有益的成果，经过近三 十年的演变和发展，逐渐形成了自己的范型，为人们提供了更强的问题求解能力。 这种范型加入了类及其继承性，将计算视为一个系统的开发过程，系统由对象组 成，对象经历一系列的状态变化以完成计算任务。在面向对象的程序设计范型中， 酋要的任务是决定所需要的类，每个类应设置足够的操作，并利用继承机制显式 地共享共同的特性i ”j 。 面向对象( o b j e c to r i e n t e d 简称0 0 ) 方法是一种非常实用的软件开发方法， 它一出现就受到软件技术人员的青睐，现在已经成为计算机科学研究的一个重要 领域，并逐渐成为软件丌发的一种主要方法。面向对象方法以客观世界中的对象 为中心，其分析和设计思想符合人们的思维方式，分析和设计的结果与客观世界 的实际比较接近，容易被人们所接受。在面向对象的方法中，分析和设计的界线 并不明显，它们采用相同的符号表示，能方便的从分析阶段平滑的过渡到设计阶 段。此外，在现实生活中，用户的需求经常会发生变化，但客观世界的对象及对 象间的关系相对比较稳定，因此用面向对象方法分析和设计的结果也相对比较稳 定。下面介绍面向对象的基本概念【l “。 p e t e rc o a d 和e d w a r dy o u r d o n 提出用下列等式识别面向对象方法： 面向对象= 对象( o b j e c t ) + 分类( c l a s s i f i c a t i o n ) 十继承( i n h e r i t a n c e ) + 通过消息的通信( c o m m u n i c a t i o nw i hm e s s a g e s ) 町以晚，采用这四个概念丌发的软件系统是面向对象的。 一、对象 在现实世界中，每个实体都是对象，如，学生、汽车、电视机等都是现实世 界中的对象。每个对象都有它的属性和操作，如电视机有颜色、音量、亮度、频 道等属性，可以有切换频道、增大减低音量等操作。电视机的属性值只能通过 其提供的操作来改变。电视机的各组部分，如显像管、印刷板、开关等都封装在 电视机机箱中，人们不知道也不关心电视机是如何实现这些操作的。 在计算机系统中，对象是指一组及这组属性上的专用操作的封装体。属性可 浙江人学颤j 学位埝文 以是一些数据，也可以是另外一个对象。例如，书是一个对象，它的属性可以有 书名、作者、出版社、出版年份、定价等属性，其中书名、出版年份、定价是数 据，作者和出版社可以是对象，他们还可以有自己的属性( 在有些简单的软件系 统中可能只朋到作者名和出版社名，而不关心作者和出版社的其他信息，那么， 他们也可以是数据) 。每个对象都有自己的属性值，表示该对象的状态。对象中 的属性值只能通过该对象所提供的操作来存取或修改。操作也称为方法或者服 务，它规定了对象的行为，表示对象所能提供的服务。封装是一种信息隐蔽的技 术，用户只能看到对象封装界面上的信息，对象内部实现对用户是隐蔽的。封装 的目的是使对象的使用者和生产者分离，使对象的定义和实现分丌。一个对象通 常可以由对象名、属性和操作三部分组成。 二、类 类是一组具有相同属性和相同操作的对象的集合。一个类中的每个对象都是 这个类的一个实例( i n s t a n c e ) 。在分析和设计时，我们通常把注意力集中在类上， 而不是具体的对象。我们也不必为每个对象逐个定义，只需对类作出定义，而对 类的属性的不同赋值即可得到该类的对象实例。 有些类之间存在一般和特殊的关系，即一些类是某个类的特殊情况，某个类 是某些类的一般情况。这是一种“i s a ”的关系，即特殊类是一种一般类。例 如“汽车”类、“轮船”类、“飞机”类都可以是一种“交通工具”类。特殊类是 一般类的予类，一般类是特殊类的父类。同样“汽车”类还可以有更特殊的类， 如“轿车”类、“货车”类等。在这种关系下形成一利，层次关联。 通常把一个类和这个类的所用对象称为类及对象或对象类。 三、继承 继承是在某个类的层次关联中不同的类共享属性和操作的一种机制。在“i s a ”的层次关联中，一个父类可以有多个子类，这些子类都是父类的特例，父 类描述了这些子类的公共属性和操作。一个子类可以继承它的父类( 或者祖先类) 中的属性和操作，这些属性和操作在子类中不必定义，子类还可以定义它自己的 属性和操作。例如，“多边形”类是“矩形”类的父类，“多边形”类可以有“顶 点数”、“顶点坐标的表”等属性，有“移动”、“旋转”、“求周长”、“求面积”等 操作。而“矩形”类可以定义“长”、“宽”等属性。有时为了提高操作的效率， 予类还可以对其父类( 或者祖先类) 中已有的操作重新给出其实现方法。例如“多 边形”类中有“求面积”的操作，计算多边形面积的方法比较复杂，而计算矩形 而干j 的方法则比较简单。因此在其子类“矩形”中可对“求面积”操作定义新的 实现方法。在“矩形”类中执行“求面积”操作时就使用它自己定义的方法。 上面的讨论中一个予类只有唯一的一个父类，这种继承称为单一继承。一个 浙江大学坝l 学位论文 子类也可以有多个父类，它可以从多个父类中继承特性，这种继承称为多重继承。 例如“水陆两用交通工具”类既可以继承“陆上交通工具”类，又可继承“水上 交通工具”类的特性。 四、消息 消息是对象间通信的手段，一个对象通过向另一个对象发送消息来请求其服 务。一个消息通常包括接收对象名、调用的操作名称和适当的参数( 如有必要) 。 消息只告诉接收对象需要完成什么操作，但并不指示接收者怎样完成操作。消息 完全由接收者解释，接收者独立决定采用什么样的方式来完成所需要的操作。 血、多态性( p o l y m o r p h i s m ) 和动态绑定( d y n a m i cb i n d i n g ) 多态性是指同个操作作用于不同的对象上可以有不同的解释，并产生刁i 同 的执行结果。例如“画”操作，作用在“矩形”对象上则在屏幕上画一个矩形， 作用在“圆”对象上，则在屏幕上画一个圆。也就是说，相同的操作的消息发送 给不同的对象时，每个对象将根据自己所属类中定义的这个操作去执行，从而产 生不同的结果。 与多态性密切相关的一个概念就是动态绑定。传统的程序设计语言把过程调 用与目标代码的连接( 即调用哪个过程) 放在程序运行前进行( 称为静态绑定) ， 而动念绑定则是把这种连接推迟到运行时才进行。在般与特殊关系中，当一个 对象发送消息请求服务时，要根据接收对象的具体情况将请求的操作与实现的方 法进行连接，即动念绑定。 i 4 我国干燥技术的发展 近年随着我国经济的发展，只要是有市场前景的干燥装备，还是有相当多 的企业愿意到这个领域迸行投资，可以预计和企业联合以市场需求为导向对现有 干燥技术进行创新和改造将是我国未来一段时间内干燥行业发展的主要模式。 近年干燥技术随着有关产业的发展有了比较大的进展，而干燥的能耗在工业 发达国家要超过能耗总量的】o ，因此干燥过程的节能是涉及面广的长远课题。 同时大量的干燥需求也必然促使干燥装备制造业的发展。而机电一体化、加工制 造标准化、控制水平等是体现干燥装备水平的内涵。 由此认为我国目前干燥技术的发展方兴未艾。随着干燥有关产品的发展，对 其品质的提高、能量消耗的降低、操作的可靠程度，都会对干燥技术及装备提出 更高的要求。对于干燥装备制造业来说，满足上述要求，乃至逐步形成具有当代 世界水平或领先水平的产品及企业也是必要的。若干干燥工作开展不多的产品， 如造纸、食品、矿冶等方面的加强以及干燥基础理论的深入研究，已有机种及新 机利，的开发，机电一体化程度的提高，制造标准的接轨等等都将是今后的研究内 浙江大学硕i + 学位论立 容【】5 1 。 1 5 论文的主要内容 根据日| j 国内干燥技术发展的现状及针对间接式干燥装备的特点，本论文主 要从以下几个方面丌展工作： 第一，以间接式干燥装备作为研究重点，分析并修正了间接式干燥机干燥过 程的热力学模型一颗粒热传递模型： 第二，分析几种典型间接式干燥机的结构特点，并建立了强度计算的简化力 学模型； 第三，采用面向对象建模理论，对间接式干燥机进行了建模； 第四，结合c a d 技术利用建立的模型，完成了干燥机计算机辅助i 殳计软件 的主要功能丌发； 第五，对间接式干燥机的未来研究发展作了展望。 塑坚查兰堡! ：兰垡堡茎一一 参考文献： 1 夏俊毅人型旋转圆柱干燥机开发研究杭州：浙江大学硕士论文1 9 9 9 年3 月 2 a s g u j u n m d a r 干燥技术的革新和未来趋势北京：化学i 。业出版社，1 9 9 8 年9 月 3 韩尔太，郯英姿羽绒流化床干燥装置及其控制系统的研制与应朋节能，1 9 9 9 年第1 0 期 4 郧万有，张丽富等木材窑干燥过程的现代化控制林业i + 业与水i ：设备，2 7 卷，1 9 9 9 年 第一：期 5 m a t e o ，j m e t c h y b i r da p p r o a c h e s f cr m o d e l i n gd r y i n gp r o c e s s f o r p a r t i c u l a t e s o l i d s d r y i n g t e c h n o l o g y , v1 7n41 9 9 9 p 8 0 9 _ 8 2 3 6 吴淘等一类提取模糊规则的新方法及其在干燥建模中的应用控制与决策，第1 5 卷第 2 期，2 0 0 0 年3 月 7 p e r r y , r h a n d c h i l t o n , c h c h e m i c a l e n g i n e e r s h a n d b o o k ，5 m c g r a w - h i l l ，n e w y o 物料未经干燥，干燥前沿就处于物料表层的情况。此时， 趋于无穷大，而e r f ( ) 趋近于1 。这时由式( 2 1 1 ) 得到的是二 i 物料的料层 平均给热系数。 ，2 ( 五p c ，) m ( 2 - 1 2 ) ”x b d r y 2 下了2 一 j n 开 th 串联热阻1 h 。和1 h 。b 便可得总热阻： 浙江大学颂士学位论文 竹2 。? + 蜥 。k 。j + k 。 此得 6 - 1 十( 訇何r 6 。= 1 + ( 引班 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 15 ) ( 2 1 6 ) 式中，h d 。为加热盘与物料之间干物料的总传热系数，w ( m 2 k ) ：h 。t 为加热盘与 物料表层之间湿物料的总传热系数w ( m 2 k ) ；h 。；为接触传热系数，w ( m 2 k ) 。 知道h 。，便可计算加热面表面( z = o ) 处的热流量q o 和干燥前沿( z = z t ) 处的热流量q z t 。 q o = h 。帆一瓦)( 2 1 7 ) g ：，= 一九。等l ：喝= q oe x p ( - f 2 )( 2 - 1 8 )g z ，2 一九“而。i z = z ，5 x p 卜j (1) 热流量q o 与q z t 之差，即加热面与干燥前沿之间干物料升温所吸收的热量。 2 、干燥速率 干燥速率是单位时间内单位面积除去的湿份质量。它不仅与干燥温度、压力 有关，还同干燥方式有很大关系。对传导干燥而占，干燥开始时湿物料表面全部 被非结合水浸涧，物料表面水分汽化的速率与纯水的汽化速率相等，因此物料表 面温度等于该干燥条件下的湿球温度。在恒定条件下，虽然加热面表面温度保持 恒定，传热温差为定值，但是由于热量是通过加热面传入湿物料层而使表而蒸发 的，所以随着干燥过程的进行，料层阻力不断增大，导致传热速率逐渐下降。 颗粒热传递模型在解释中已经指出，在于燥的静止阶段r 。内被加热升温的 绝于物料，有一部分在下一个时间段内由于受到搅拌而将处于干燥前沿之上，与 冷湿料混合在一起，二者不可避免的要进行热质交换。这样，在整个干燥过程中 用于湿份蒸发的热量将介于g o 与q z t 之间，但干热料颗粒与冷湿料颗粒之m 的热 质交换程度不易确定。因此，对于干燥速率r ，我们可以就以下两种极限情况进 行分析讨论。 第一，认为在r = 7r 时物料被均匀混合后，干物料颗粒是被与其接触的 冷湿物料完全冷却的，则由加热面传给料层的热量全部用于湿份的蒸发。此时料 层的平均温度为干燥条件下的湿球温度 月m a x 物料的干燥速率达到最大值。 ， ( 2 _ 1 9 ) 1 ( _ 9 ) 浙江大学硕上学位论文 引入相对干煤速率概念则 r 妒= r r ( 2 2 0 ) r 妒m a x = r r ( 2 - 2 1 ) 式中r 。为干燥过程丌始时，干燥速率理论上能达到的最大值，计算式为 砘。= 。阢一l ) 1 ( 2 _ 2 2 ) 第二、认为在r = r r 时物料被均匀混合后，干物料与冷湿物料之间不存在 热量交换，则干燥速率达到最小值。 k 。：垡些d ( 2 - 2 3 ) 山式( 2 - 2 3 ) 可求最小相对干燥速率 。羔。等。箍唧( _ f 2 ) 沼z 。， 实验发现，当物料的平均湿份含量较大时，大部分热量用于湿份的蒸发，料 层升温吸收的热量很少，故r 。和r m i 。相差很小：而当物料的平均湿份含量较 小时，干热物料与冷湿物料接触的可能性也就很小，故r 比r 。更接近实际 值。因此，计算干燥速率推荐使用r 。 在二f 燥过程开始时，料层平均温度均高于干燥条件下的湿球温度t s ，并且每 经过一个假象的静e 阶段rn 后，料层温度都有所上升。其温度要山下面的能量 平衡方程确定： s 咖f “+ m c j 瓦= b o g z ，皿f 月 ( 2 2 5 ) 式中，s a w 为干燥机产率，k g s ：为湿份的比热容，j ( k g k ) ；可整理为 瓦= 蔓1 - e x p ( - - ( 2 ) m ( 2 2 6 ) ” c ， “+ m c ，e x p ( 一f2 ) 由上式，可根据湿份含量的逐步变化计算料层的二f 均温度t 。 计算干燥速率时，还需要确定静止阶段的时间r r 。山于一般搅拌器搅拌一 次并不能使物料达到均匀混合，所以t r 不等于搅拌器的搅拌周期r 。r 。凶 该由系统搅拌装置的机械性能和物料的性质确定。n 止e n nr 。，相对扩散时问 分解为两个无因次群 式r f ，n 。为无因次群 t r ，= t h | m i x ( 2 2 7 ) 浙江大学硕j ：学位论文 ”旒 ( 2 2 8 ) = 卫 ( 2 - 2 9 ) f n 。为搅拌数，是物料被均匀混合次所需搅拌器搅拌次数。n m ，。是与物料 性质和搅拌装置的机械性能有关的参数，而与操作时的压力、温度、湿份含量等 无关。山于尚无法对物料颗粒的随机运动进行精确的理论描述，因而n 。，目前还 不能用理论方法求解，其值一般由实验或者根据经验确定。文献介绍，一般的传 导干燥，搅拌数n 。在2 2 5 之间。 山于n 没有很好的求解方法，所以很大程度上限制了该方法的使用，本文 将在历面介绍我们提出的一种可以计算tr 的有效方法。 2 3 颗粒热传递理论模型在间接式干燥机设计上的应用 2 3 1 理论模型的推导 “颗粒热传递模型最初由s c h l u n d e r t 2 】提出，其后由m o l l e k o p f 年nm a r t i n i 4 1 、 t a k a oo h m o r i 6 1 作了部分修正。 图2 - 6 修正后的颗粒热传递模型示意图 经过修正后认为，在移动加热面与待干燥的颗粒床间的热传递现象主要受三 个机制控制，即热阻主要由三部分组成( 图2 6 ) ( 1 ) 壁与颗粒f b j 的热传递 ( 2 ) 颗粒床内的热传导 ( 3 ) 颗粒床中由于颗粒运动引起的热对流 关于( 1 ) 加热壁与颗粒问的传热系数与颗粒的直径、干燥室内空气的温度、 颗粒的堆积状况等密切相关。若颗粒是球状的，壁与颗粒间的传热系数h 。可由 以下方程确定，方程将加热壁与第一层颗粒间的传热系数当作颗粒与加热壁的传 盯= 2 _ 2 - yy , v 1 2 r m c r tp ( 2 q q 一, 而 h _ = a p + ( 1 一) 2 p 十h 8 埘于加热壁与第一层颗粒之间的平均传热系数由下式确定【5 1 咿嘉“2 砌 式中：妒为颗粒覆盖系数( 一般耿o 9 1 ) ；r 为颗粒半径，m ： k 。为颗粒内某一点的传热系数，由下式确定： k j = g s c 式中：xg 为空气的导热系数，w m k ；s 。为有效空气间隙，i n s 。= s + o - - r - - ( r 2 一r 2 ) 1 0 + o 把r = d p 2 代入得： 忙鲁m + 争眦十去h ， 其中o 为表面增大系数，计算为： 盯：2 丑 f 2 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) f 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) r 2 - 3 4 ) ：生 f 2 3 5 ) p ( 2 巳一r i m ) 、 其中y 为调节系数，计算空气的作用，有经验公式 l g ( 1 y 一1 ) = o 6 一( 1 0 0 0 t g + 1 ) 2 8 ( 2 - 3 6 ) r + 为气体常数，8 3 1 4 j m o l k ；m 为空气分子量，2 8 9 5 9 m o l ； c g 为空气比热，j k g k ；t g 为空气温度，k ；p 为干燥机内压力，m p a 。 根据空气温度、该温度下空气的导热系数和比热及颗粒半径来计算管壁与 第一层颗粒之间的传热系数，由计算公式可以看出，该项热阻仅与空气温度( 因 为空气温度决定该温度下的导热系数和比热) 和物料颗粒半径有关，而与颗粒性 质无关。方程( 2 - - 3 2 ) 的第2 、3 项数值在常压下与第一项相比较小，可以忽略。 关于( 2 ) 对于颗粒床内的热传导，在前面已经有详细论述了，其平均传热 系数山下式计算： h 。= 2 以i 而 ( 2 3 7 ) 式中： 一 生搪 + 呱 堡办 + k 丝办 1 1 数系弘 厚 浙江大学硕j 学位论文 兄。为颗粒的有效导热率，w m k ；c 。为颗粒的比热，j k g k ； p 为填充床的密度，k g m 3 ；1r 为接触时间，s 。 从上式可看出，颗粒床内部的热传导系数随着颗粒与管壁接触时间的增大 而减小，而从颗粒在干燥机内部的运动规律也可看出，随着颗粒与管壁接触时间 的减小，颗粒在内部的混合程度就会提高，而混合程度的提高则会直接增强传热 效果，即提高传热系数。 关于( 3 ) 颗粒床中由于颗粒运动引起的热对流，由于颗粒在填料床的运动 规律十分复杂，目前还没有完全被掌握，s c h l u n d e r 认为由颗粒运动引起的热对 流不能定量分析。假定讨论的是完全混合情况，在此条件下，床身内无温度分析， 颗粒热对流引起的热阻对总传热系数的影响可以被忽略。 总的传热系数由( 1 ) 、( 2 ) 两部分的构成，可由下式得出： h - t 3 8 ) 上 h ，h c 2 3 2 理论模型计算旋转圆盘干燥机传热系数的实例分析 以一台用于玉米酒糟生产高蛋白饲料的3 0 0 m 2 旋转圆盘干燥机为例，对上述 理论用于本干燥过程的有效性进行核算。该干燥机实际生产能力、能耗和工作参 数的测试情况如表2 1 。 表2 13 0 0 m 2 旋转圆盘干燥机测试结果“。 序号检测项目单位检测结果 1 生产能力( 以绝干料计) t h 1 4 2 8 2 消耗蒸汽量 t 1 1 3 3 5 3 物料出【_ 】湿度 8 5 4 物料进口湿度 6 8 5 换热面积 m 2 3 0 0 6 压力( 表压) m p a o5 蒸汽入口 7 温度 1 6 4 8 压力( 表压) m p a o 2 排出冷凝水 9 温度 1 3 3 1 0 物料与圆盘的接触率 4 5 5 0 根据表2 1 我们可以按照以下各步计算出运作过程的实际平均传热系数 1 物料衡算 下料产量m o =