（机械电子工程专业论文）沥青搅拌设备干燥滚筒热效率分析和结构优化设计.pdf

摘要 干燥技术在各个行业和领域都有着广泛的应用，是生产过程中耗能最大，污染 最大的环节之一，因此干燥装备的节能和环保成为现今社会人们的关注点之一。 论文研究了一种最常见的干燥装置回转干燥滚筒装置，在沥青混合料搅拌 设备上通常被称为干燥滚筒。干燥滚筒是沥青拌和设备的关键组成部分，也是路面 施工中不可缺少的关键设备之一，主要作用是把沥青路面施工所需骨料的水分干燥 并加热到施工规定的温度。在路面施工中，燃烧器燃烧产生的火焰和热气通过干燥 滚筒直接与骨料接触进行干燥和加热，骨料多采用逆流加热的方式，产生的烟气通 过后置除尘系统排入大气。所以，整个干燥过程中的能耗和污染成为现代路面施工 行业亟待解决的问题。 论文通过分析国内外干燥滚筒的发展状况，借鉴国内外相关技术，以市场上应 用的某j 2 0 0 0 型沥青搅拌站用干燥滚筒为研究实体，采用理论分析与软件仿真相结 合的研究方法，同时对仿真结果进行了初步的试验验证，分析了影响干燥滚筒热效 率的因素，综合理论分析和仿真分析结果，对干燥滚筒进行了结构优化设计，这对 于研究回转滚筒干燥装置，提高干燥滚筒热效率，节约能源，降低排放，都具有现 实意义。 论文参照某j 2 0 0 0 型沥青搅拌站用干燥滚筒，对干燥滚筒内颗粒运动进行了理 论分析，并建立了干燥滚筒内部颗粒运动的数学模型，计算了干燥滚筒内提料叶片、 持料量和物料在干燥滚筒内滞留时间，并分析了其影响因素；利用流体分析软件 f l u e n t 完成了对干燥滚筒内流场的数值模拟，通过试验对仿真结果进行了验证。通 过分析干燥滚筒内温度场，压力场和速度场的变化规律，设计了不同区段提料叶片； 在理论分析和仿真分析的基础上，确定了干燥滚筒各个参数的合理取值范围，对原 有模型进行了结构优化设计，提高了干燥滚筒的热效率。 关键词：干燥滚筒，热效率，干燥技术，数值模拟，f l u e n t a b s t r a c t d r y i n gt e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e dw i d e l yi nv a r i o u si n d u s t r i e sa n df i e l d s d r yi s a l s oo n eo ft h el a r g e s te n e r g y - c o n s u m i na n dt h em o s tp o l l u t i n gi ni n d u s t r yp r o d u c t i o n t h e r e f o r es c i e n t i f i ca n dt e c h n i c a lw o r k e r sa r ep a y i n gm o r ea t t e n t i o nt od r y i n ge q u i p m e n t o fs a v i n ge n e r g ya n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o ni nt o d a y ss o c i e t y t h i sp a p e rs t u d i e sak i n do ft h em o s tc o e m o nd r y i n ge q u i p m e n t - - r o t a r y d r u m d r y e r i tw a sw i d e l ya p p l i e di na s p h a l tm i ) ( i n gp l a n t ，w a sa l s oc a l l e dd r y i n gd r u m d r y i n g d r u mi sac r i t i c a lp a r to fa s p h a l tm i x i n gp l a n t ，i ti sa l s oo n eo ft h ek e ye q u i p m e n t si n p a v e m e n tc o n s t r u c t i o n i t sm a i np u r p o s ei st od r ya s p h a l tm i x t u r eo fm o i s t u r ea n dh e a t e d t oc o n s t r u c t i o ns p e c i f i e dt e m p e r a t u r e t h eb u r n e r sp r o d u c et h eb u r n i n gf l a m ea n dh e a ti n p a v e m e n tc o n s t r u c t i o n i tu s u a l l yu s e dc o u n t e r - c u r r e n th e a t i n ga n dt h ee x h a u s tg a si s v e n t e dt oa t m o s p h e r et h r o u g hd u s tr e m o v a l t h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dp o l l u t i o n e m i s s i o n si sap r o b l e mt h a ti se x i g e n tt ob es o l v e di nm o d e mp a v e m e n tc o n s t r u c t i o n i n d u s t r y t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fd o m e s t i ca n df o r e i g nd r y i n gd r u m r e f e r e n c ef o rt h er e l a t e dt e c h n o l o g i e sa th o m ea n da b r o a du s i n gt h ea s p h a l tm i x i n gp l a n t o f j 2 0 0 0o nt h em a r k e ta st h er e s e a r c hs u b j e c t t h i sp a p e ri sb a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da n a l y z e dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so ft h eh e a te f f i c i e n c y f i n a l l ya c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h en u m e r i c a ls i m u l m i o nr e s u l t r e d e s i g n a n do p t i m i z e dt h es t r u c t u r eo ft h ed r y i n gd r u m t h i sp a p e rc a np r o v i d es o m eg u i d a n c et o s t u d y t h er o t a r yd r y i n gd r u m r a i s et h eh e a te f f i c i e n c y s a v i n ge n e r g ya n dr e d u c i n g e m i s s i o n s t h i sp a p e rr e f e r e n c ef o rd r y i n gd r u mo ft h ea s p h a l tm i x i n gp l a n to fj 2 0 0 0o nt h e m a r k e ta st h er e s e a r c hs u b j e c t a n a l y s i st h ep a r t i c l em o v e m e n ta n db u i l d i n gt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ed r y i n gd r u m t h e nc a l c u l a t i n gt h eh o l d i n gc a p a c i t yo fs t i r r e d m a t e r i a lb l a d ea n dm e a nr e s i d e n c et i m eo fa g g r e g a t ep a r t i c l e si nd r y i n gd r u m u t i l i z i n g t h ef l u n e t o n eo fc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) s o f t w a r e ss i m u l a t et h ef l u i df l o w a n dh e a tt r a n s f e rw i t h i nt h ed r y i n gd r u m f u r t h e r m o r e ，m a k et h ei n d u s t r i a lt e s tt ov 丽f 3 ， i i t h ef e a s i b i l i t yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rd r y i n gd r u m a c c o r d i n gt ot h ef l o wf i e l do ft h e c h a n g er u l e s u c ha st e m p e r a t u r ef l o wf i e l d p r e s s u r ef l o wf i e l da n ds p e e df l o wf i e l d i tc a n g u i d ed e s i g no fs t i r r e dm a t e r i a lb l a d e s o nt h a tb a s i sa n a l y z e dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so ft h e h e a te f f i c i e n c ya n dc o n f i r mv a r i o u sp a r a m e t e r sr e a s o n a b l e v a l u er a n g eo fd r y i n g d r u m f i n a l l yr e d e s i g na n do p t i m i z e dt h es t r u c t u r eo ft h ed r y i n gd r u m k e yw o r d s ：d r y i n gd l x l m ；h e a te f f i c i e n c y ；d r y i n gt e c h n o l o g y ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； f l u e n t i i i 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 干燥技术是一门关键技术，广泛应用到工业的各个部门，也是工业生产中耗能最 大的环节之一。由于它涉及领域广，技术难度大，与节能环保密切相关，所以一直是 人们研究的重点。 干燥是采用物理方式将热量传给含水的物料，并将此热量作为潜热而使水分蒸发、 分离的过程。通常采用加热、降温、减压等能量传递的方式，使水分与物料分离以达 到干燥的目的。干燥技术是- - i q 跨学科和行业、试验性和操作性很强的技术之一【1 1 。 干燥的能耗和热效率是研究干燥过程和装备的主要关注点，采用较好的干燥设备 和过程控制能够提高干燥设备的热效率。 滚筒干燥设备也叫回转干燥滚筒【3 】，它是由倾斜转动的长圆筒构成，干燥物料在 其内部移动，靠干燥滚筒内的热气或者火焰直接加热被干燥物。该干燥装备主要用于 干燥散状物料，一般在粮食加工和沥青拌和设备上应用较多。 干燥滚筒设备内部干燥空间较大，产量较大，结构简单、成本低，所以应用较为 广泛。但是也存在缺点，比如物料充溢率较小，热效率较低，传动件易损坏等。 根据滚筒干燥装置的特点，干燥介质与湿物料之间的传热方式可以是间接传热， 直接传热和混合传热，干燥介质和湿物料之间的的流动方向可以是并流式，逆流式和 并流逆流联合式。一般在粮食行业上采用直接逆流热空气传热，而在沥青拌和站一般 采用火焰逆流直接加热冈。 1 1 国内外沥青拌和设备用干燥滚筒设备的现状 回转圆筒干燥器在沥青搅拌设备上常常被称为干燥滚筒装置【4 】。 干燥滚筒是沥青混合料搅拌设备的关键组成部分，也是路面施工中不可缺少的关 键设备之一，它主要是把沥青路面施工所需的骨料干燥，并加热到规定的温度【5 1 。 1 1 1 国外干燥滚筒设备的现状 国外在干燥滚筒方面的研究较多，主要针对提高热效率，降低烟气排放，节能减 排，已经取得了较好的成果。 比如说日工低空燃比的燃烧器的出现和低温除尘器的应用，这些技术为干燥滚筒 的节能减排和提高燃烧效率有很大的借鉴作用。世界公路设备生产的先导者安迈 生产的主流产品u n i g l o b e3 2 0 型沥青搅拌设备干燥滚筒经过特殊设计，其热效率可达 9 0 以上。玛连尼沥青混合料搅拌设备对整个干燥和除尘装置做了系统研究，使得每 1 第一章绪论 吨成品料节约燃油1 0 - 1 5 。印度s h i t l a r o a de q u i p m e n t 公司生产的干燥设 备操作简单，维护方便，热效率高。塞维利亚大学的m go r t e g a 等人研究了多变量鲁 棒技术在双干燥滚筒设计和分析中的应用，能更好的控制干燥过程，节能高效，对于 沥青搅拌设备用干燥滚筒的精确控制有很好的参考价值。但是这些研究只是某些企业 针对路面材料的干燥而进行的干燥设备的研究，其他相关的研究较多的是对化工和粮 食等领域通过热气加热进行干燥的研究，对于火焰直接加热以及对道路材料干燥的研 究相对就比较少。 美国康乃迪克州大学的b o d h i s a t t w ac h a u d h u r i 等人研究了回转煅烧炉中热量的传 递计算，分析了材料在回转炉中的热力学影响、转速影响、外形尺寸影响等各种影响 因素，其试验研究有很一定的参考价值。 英国曼彻斯特科技大学的li n n h o f f b 教授从整个生产系统考虑，提出了节能的整 体优化设计方法一窄点技术，这种方法易于应用于工程实践得到了广泛应用【6 1 。 澳大利亚莫纳什大学的l k s t r o e m 等人研究了在回转干燥筒内用过热蒸汽干燥 谷物，提出了一种实用的方法，该方法能很好的干燥谷物，热效率较高。 k r e y e n b o r gg m b h 讨论了红外线干燥技术的低能耗，干燥时间短，为干燥新技术 的应用提供了参考。 上述这些研究对于干燥滚筒的设计和分析都有一定的参考价值。 1 1 2 国内干燥滚筒设备的现状 国内近几年对干燥滚筒和热再生设备干燥技术的研究主要有：孙祖望教授曾在 1 9 9 9 年对连续式沥青混合料拌合工艺和双滚筒搅拌设备做过研究，解释和分析了不同 的加热形式和滚筒参数对混合料性能的影响【7 1 1 引，但是由于连续式沥青混合料设备在 我国没能广泛推广，并且受研究条件和手段的限制，最终没能得到突破性进展。 江苏大学田晋跃教授曾对再生沥青拌合烘干滚筒的温度场进行了数值模拟，对于 再生沥青烘干滚筒结构参数的改进做了分析，提出了再生沥青干燥滚筒的设计思想【9 1 。 其数值模拟虽然得出来关于再生沥青干燥滚筒的关键结论，但其模型是建立在静态分 析仿真的基础上，在实际生产中，干燥滚筒的转速和滚筒内的负压对其流场分布的影 响是不可忽视的一个因素，并且燃烧的空燃比情况和干燥滚筒后面的除尘设备是不可 分割的整体，必须做统一考虑。 江苏大学王浩研究了传统沥青砼拌和设备再生工艺改造和热效率，对再生干燥滚 2 长安大学硕士学位论文 筒热平衡进行了分析并且做了数值模拟，提出了干燥滚筒内部叶片优化和设计方法 【l o 】。但其模型仍然属于静态分析，并且是在干燥滚筒内没有分布叶片的基础上进行的 仿真，而提料叶片直接影响料帘的形成，影响干燥滚筒内流场的分布，有待进一步研 究和探讨。此外这种热再生研究是建立在连续式厂拌再生设备上，并没有将其研究成 果应用于间歇式搅拌设备上。 徐州师范大学凌杰提出了厂拌热再生沥青混凝土干燥滚筒设计方法【l i 】，但这种设 计方法仅仅是从结构和理论分析上提出来的，没有做深入分析，忽视了研究燃烧技术 与干燥滚筒及除尘系统的匹配，研究尚属于初级阶段。 长安大学张文会，张敏英，任哲栓等人分别对沥青路面厂拌热再生关键技术进行 研究，得出来一些热再生干燥装置的结论【1 2 】【1 3 1 ，但这些研究更多的是对热再生材料和 级配的研究，对干燥装置的研究尚不够深入，也不能满足干燥技术和节能环保的要求。 东北电力学院的吕太、张墨等人对粉煤灰转筒干燥装置进行了试验研究，利用正 交试验法对影响转筒干燥器的风速、温度、转速和给料量等因素进行了研究，得出了 各个参数对转筒干燥器的影响【1 4 1 ，对于设计粉状物料的干燥设备提供了很好的参考。 罗玉和、楼波等人研究了风速条件下回转窑内物料传输模型，建立了风速条件下 回转窑内物料输运模型模拟了窑内物料的传输和扩散，最后得出风速对回转窑内物料 平均滞留时间的影响【1 5 1 。 中国农业工程研究设计院的吴培龙、朱明研究了物料颗粒在干燥滚筒内停留时间， 给出了物料在干燥滚筒内停留时间的计算公式，并且提出了干燥滚筒设计过程中两个 重要的条件，为今后设计干燥滚筒设计提供了一定的理论基础【l 们。 北京工商大学机械自动化学院的黄志刚、朱清萍等人对转筒干燥器内颗粒物料运 动的模拟与试验研究，通过建立转筒干燥器内物料运动的数学模型，并且在自己设计 的转筒干燥装置上进行了验证试验，结果较为可靠1 7 1 。 清华大学化学工程系的潘健平等人对带倾斜抄板的水平转鼓内的颗粒输送特性进 行了研究，揭示了颗粒在水平转鼓内输送过程的规律和特性，为工业应用建立了理论 基础。但是其建立的运动模型和关联式与试验存在一定的差异，需要在工业应用中进 一步进行验证【1 引。 此外，其它类型的干燥设备的研究也没有停止过，东南大学能源与环境学院王燕、 郭宏伟等人研究了旋转闪蒸干燥器内热质传递特性【湖，模拟结果有一定的学术价值。 近年来，关于干燥设备内部传热和传质过称的数值模拟方面的论文和研究越来越 3 第一章绪论 多，在实践中由于干燥试验耗时和耗力，并且资金投入大，效果不明显，现阶段建立 数学模型模拟和仿真成为研究的重点。采用这种方法投资少，时间短，可以获得详细、 全面的结果和数据，用于优化设计有着很好前景，但是也存在缺点，比如说数学模型 准确性的确认，计算精度和可靠性等，但是随着c f x 软件的兴起和广泛应用，其计算 精度和准确性得到了很好的提高【2 l 】【2 2 1 2 3 1 。 由于干燥滚筒的燃烧过程较为复杂，除了稳定均匀的火焰直接加热外，干燥滚筒 内提料叶片和对流空气的相互作用对火焰燃烧也会造成很大影响。清华大学周怀春研 究了炉内火焰的可视化，对于人们认识燃烧的辐射传热过程有一定的指导作用【2 4 】。 1 1 3 国内外沥青搅拌站生产厂商对干燥滚筒的研究现状 在实际施工中，常见的沥青混合料搅拌设备的生产厂商主要有铁拓，路德，安迈， 玛连尼，华通动力，日工，百莱玛，中交西筑，泉筑，辽筑，泰安岳首，徐工，边宁 荷夫，南方路机，中联重科，三一等企业。其中日工在沥青混凝土搅拌设备中采用低 空燃比燃烧器技术( 降低送风量提高热效率和废气的排放量) 和高热效率干燥滚筒( 筒 内采用筐式叶片骨料包住燃烧火焰提高热效率) 技术，使得该设备干燥效率高，节能 环保。法亚集团下的玛连尼沥青混合料搅拌设备在能源循环利用上进行了特殊改进， 使得每吨成品料节约燃油1 0 - - 1 5 。林泰阁公司与著名的德国h e i l i t & w o e m e r 建筑公 司共同努力、研制、开发水平单筛网滚筒间歇式沥青搅拌技术，其中倾斜式双层筛网 滚筒的发明巧妙，可以缩短烘干滚筒、热料仓和搅拌机之间的热料流路径使温度损 失和重要部份的磨损和断裂减小，节能减排，结构如图1 1 所示。 糍爨一三 岬嘲黍娑攀缫颦紫晏 势。_ 1 螽鬻i + 7 _ | _ i ) 双层筛两烘干滚筒设计原理示意图 图1 1 林泰阁公司倾斜式双层筛网滚筒 百莱玛生产的沥青混合料搅拌设备技术和质量均达到世界先进水平，尤其是其干 燥滚筒热效率和一体化温控除尘系统的独特设计，节能环保，紧跟国际先进技术和最 4 长安大学硕士学位论文 新工艺。中交西安筑路机械有限公司作为国内最大的专业筑养路机械研发和制造企业， 也是国内最早生产沥青混合料厂拌设备的企业，凭借引进德国成熟的技术后，根据国 内市场需求，研发了节能环保等一系列沥青混合料搅拌设备，并且采用集装箱结构， 性能可靠。徐州工程机械科技股份有限公司自1 9 9 5 年引进英国a c p 公司t i t a n 2 0 0 0 型沥青搅拌站以来，对干燥技术的研究较多，滚筒内部的专利结构设计，能够保证高 速的烘干和加热，热效率较高。河南陆德筑机股份有限公司生产的l b 系列沥青混合 料搅拌设备对干燥滚筒的提料叶片进行了创新设计，提高了热效率，并且获得国家专 利。南方路机综合国内外多种机型的优点，设计开发了自己的l b 系列沥青混合料搅 拌设备，对干燥滚筒内的叶片进行优化设计，形成均匀料帘，加强对外层的保温材料 的研究，提高了热效率。 与国外知名品牌的企业相比，国内的企业对于干燥滚筒的研究较少，生产企业主 要关注在于设备的制造上，除了引进吸收国外名牌企业的产品外，大多数企业对干燥 滚筒没有形成自己的设计思路，不能根据骨料级配不同如何调整导料板的布局，形成 最佳的料帘，提高燃烧热效率等等【3 0 】，所以没有真正将节能减排渗透到产品的设计中 去。 除此之外，随着干燥技术的进一步发展，出现了一些专业性很强的特例干燥滚筒 技术，如水平式转筒烘干机，双热式滚筒干燥机以及后来出现的双回程滚筒干燥设备 和三回程滚筒干燥设备，其高效的热效率和优良的节能减排能力，开始广泛的在干燥 滚筒上应用。 1 2 干燥新技术 随着人们对干燥过程的认识以及干燥技术的进一步发展，出现了越来越多的干燥 新技术，这些新技术的出现，突破了传统的干燥机理，受到行业内重视，已经逐步开 始应用于工业化，对于降低能耗，减少污染，实现可持续发展收到了良好的效果。 这些新技术主要有：喷雾干燥技术、气流干燥技术、流化床干燥技术、超临界干 燥技术、真空冷冻干燥技术、微波辐射干燥技术、高频高压内热真空干燥技术、气体 射流冲击干燥技术、绿色干燥技术、高温空气燃烧技术等【2 5 】【2 6 】【”1 。 上述技术的出现和应用，不仅是原理上的一种突破，也是控制手段上的一种创新。 在干燥过程当中，适当的采用多种干燥技术的组合，发挥各自的优点，优化干燥过程， 提高干燥效率，是一种常见的干燥节能措施。 5 第一章绪论 综合上述分析，结合沥青搅拌站用干燥滚筒，可以看出： ( 1 ) 干燥滚筒的研究和发展离不开干燥技术的进步，尤其是新型干燥技术的研究和开 发，对于提高干燥滚筒的热效率，节能减排有重要意义【2 9 】【2 9 1 3 0 1 。 ( 2 ) 新型干燥滚筒和组合干燥滚筒的出现在节能减排中发挥着重要的作用。比如双回 程干燥滚筒和三回程干燥滚筒的应用。 ( 3 ) 利用快速发展的计算机和软件技术，提高干燥过程数值模拟的准确性，优化干燥 滚筒，提高传质传热过程。 ( 4 ) 绿色干燥技术有望在沥青混合料施工中得到推广和应用。 ( 5 ) 除尘设备和烟道布置以及燃烧器的选用和优化设计3 1 】【3 2 】。 ( 6 ) 高温空气燃烧技术有望在沥青搅拌设备用干燥滚筒上得到应用。 1 3 主要研究内容和方法 采用理论分析与软件仿真相结合的研究方法，同时对仿真结果进行了初步的试验 验证，分析了影响干燥滚筒的热效率的因素，最后综合理论分析和仿真分析结果对原 有干燥滚筒进行了结构优化。主要内容有： ( 1 ) 参照某j 2 0 0 0 型沥青搅拌设备用干燥滚筒，用p r o e 完成该干燥滚筒的实体模型。 ( 2 ) 对沥青搅拌设备用干燥滚筒内部颗粒物料进行运动分析，选取填充率、提料叶片 持料量、物料在干燥滚筒内滞留时间三个影响干燥效果因素较大的参数，进行了计算， 建立了干燥滚筒结构参数对滚筒内部颗粒运动规律影响的关联方程。 ( 3 ) 利用流体分析软件f l u e n t 完成了对干燥滚筒内流场的数值模拟【3 3 】【3 4 】【3 5 j ，通过简 单的试验对其仿真结果进行了验证，得出了干燥滚筒设计中各个参数的合理取值。通 过分析仿真结果中燃烧火焰特性和温度场、速度场分布规律，指导干燥滚筒内部不同 区段的划分，给出了j 2 0 0 0 型干燥滚筒进料区、预热区、料帘区、导流区、烘干区、 出料区六部分区段长度。 ( 4 ) 在理论分析和计算机仿真的基础上，对现有j 2 0 0 0 型搅拌设备用干燥滚筒内部结 构进行重新设计，提出了新型干燥滚筒的改进方案，并且通过计算机模拟，比较了改 进前后干燥滚筒内流场分布情况，结果显示改进较有效，可加工样机进行后续试验。 6 长安大学硕士学位论文 ，第二章干燥滚筒内颗粒物料运动分析 干燥滚筒内颗粒的运动一直是滚筒干燥设备研究的重点。物料的干燥过程就是热 介质和骨料进行热交换的过程，整个过程在干燥滚筒中完成。研究干燥滚筒中物料颗 粒的运动，能够有效的改善物料和热介质交换过程，提高热效率。干燥滚筒内的颗粒 运动过程十分复杂，需要对物料特性和干燥装置特性进行深入的研究1 3 6 37 1 。 2 1 提料叶片结构及其型式的选择 提料叶片是干燥滚筒内部最主要的结构，直接影响物料在干燥滚筒内的运动和滞 留时间，也是影响干燥滚筒热效率的主要因素，因此提料叶片的设计成为干燥滚筒最 主要的设计参数。 提料叶片在干燥过程中主要有三个作用，一是推动物料的向前运动，使得物料进 入干燥滚筒内部之后能够按照设计的物料流动轨迹运行；二是在合适的区段形成均匀 的料帘，提高热交换效率；三是提料叶片要有一定的持料量，使得在整个干燥滚筒转 动过程当中，物料能够较多的分布在干燥滚筒壁上，减少热损耗，提高热效率和设备 的使用寿命。 2 1 1 提料叶片的结构 最先设计的转筒干燥设备主要以l 型提料叶片为主，其中l 型的提料叶片又可以 分为直角型，钝角型和锐角型。基本结构如图2 1 所示。 o 直角形 钝角形锐角形 图2 1l 型提料叶片结构示意图 这种设计结构简单，可靠，加工方便，更换容易，但是对于干燥不同的物料和对 干燥要求不同时，热效率相差较大，能耗大，出料水分和温度难以精确控制，在运行 过程当中，l 型提料叶片主要存在以下几个问题： ( 1 ) 直角型和钝角型提料叶片物料被提升后很快就会下落，从而堆积在下面的空间 内，物料与热空气的接触时间和接触面积较少，而且料帘形成不均匀，在整个干燥滚 筒的径向平面内，料帘主要形成在一侧平面，另一侧基本没有料帘存在，“风洞 现象 7 第二章干燥滚筒内颗粒物料运动理论分析 较为明显，造成干燥不均匀和干燥热空气的浪费。 ( 2 ) 锐角型提料叶片由于叶片与干燥滚筒内壁开口较小，导致提料叶片内的物料与 外面物料的循环较少，不能更好地参与外面的热空气进行交换，热效率较低，同时由 于持料量较少，导致物料的堆积较为严重，干燥容易出现分层现象，干燥均匀性较差。 优点是能够保证物料包围整个干燥滚筒内壁，向外散射的热量较少【3 引。 所以这种l 型的提料叶片不能形成较为均匀的料帘，不利于干燥效率的提高。随 着人们对其干燥过程的研究，先后出现了较多l 型提料叶片的改进方案，结构如图2 2 所示。 0 0 t 字形 斗形 双斗形弧形 图2 2l 型提料叶片改进结构示意图 图2 2 中的设计方案能够较好的改善物料在干燥滚筒内的料帘分布，而且能够保 证在较大的角度内存在均匀的料帘，提高了热交换和物料的滞留时间，减少了热量对 外散射，有利于提高热效率。尤其是双斗型提料叶片，能够在干燥滚筒径向平面内的 两侧均能形成较好的料帘，同时在干燥滚筒中心位置没有料帘形成，减少了物料在下 落过程当中，带走热源火焰内部雾滴而形成的机械不完全损失，对于调整火焰形状， 提高燃烧效率具有积极的意义。 除了这些改善外，在整个轴向平面内，提料叶片的型式也做了改变。结构如图2 3 所示。 ( a ) 匿 霰赫妒黪 敷“ 黔飞。一 长安大学硕士学位论文 ( e )( f ) 图2 3 改进后的提料叶片型式示意图 2 1 2 提料叶片型式的选择 为了得到较好的干燥效果和干燥效率，要根据物料的特点和干燥要求选择不同的提 料叶片型式，常见的原则如下： 对于粘性物料和较大块的干燥物料，一般选择开口较大的提料叶片，比如钝角型、 t 型叶片，同时为了清理方便，必要时可以采用提料叶片与铁链相结合的结构，即在 每个提料叶片周围都装有耐磨铁链，转筒干燥器在转动过程中，铁链不停刷板，可以 消除粘结。这种结构在热再生干燥滚筒中较为常见，如图2 4 所示。 9 第二章干燥滚筒内颗粒物料运动理论分析 脓一。， 图2 4 装有铁链的提料叶片型式示意图 对于粉状物料或者颗粒较小的物料，易采用锐角型和斗型叶片，如果颗粒较小时 可以考虑增加适量振动使得整个颗粒不至于出现结堆等现象，料帘分布较为均匀，热 效率较高。 对于不同的干燥要求也要采用不同的提料叶片，比如含水量较少，干燥温度较低 时可以采用一般的直角型的提料叶片，便于加工和更换等。 但是不同的提料叶片的型式均有一定的弊端，而且在整个的转筒干燥器中，不同 的干燥段有着不同的要求，有的区段则以物料的轴向移动为主，有的区段则以物料形 成料帘为主，而有的区段则是以减少热散失为主，所以诞生了组合式干燥滚筒提料叶 片形式。 这种组合式提料叶片的设计，强化了干燥过程中的热交换，提高了物料在简体横 截面上的分散度，增加了接触面积和传热效率，容易形成均匀的料帘，提高了整个干 燥设备的干燥效率和干燥效果【3 9 1 。现有的干燥滚筒内部提料叶片结构中采用的最多， 也是现阶段较为流行的一种设计思路，如图2 5 所示。 。 j 善嚣 ”搿j _ _ 。t 。 ( a ) 1 0 长安大学硕士学位论文 ( e )( f ) 图2 5 组合式提料叶片的设计产品应用 这种组合式提料叶片的型式多样，不同的设计者有不同的考虑，甚至导致不同的 厂家有不同的提料叶片布置方式，但是这种装置上的改变需要更多的试验和模拟，以 及对干燥材料和干燥介质的研究，需要对干燥过程中存在的传热、传质做深入研究才 能最终优化。针对搅拌设备用干燥滚筒提料叶片的设计基本原则如下： 根据间歇强制式搅拌设备的工作特点( 火焰直接加热，逆流加热) ，首先宜采用多 样式组合提料叶片，以提高其干燥效率；其次要进行分段交错设计，在进料区骨料能 够快速移动，在对流区要强化对流效果，料帘要均匀，在燃烧区段内，骨料在下落区 段内不能阻挡燃烧器的火焰，创造较好的燃烧条件，减少由于燃油雾滴被骨料撞落造 成的机械不完全燃烧损失；减少通过滚筒壁散热的损失，减轻热辐射对滚筒壁的损害。 在出料区，要注意燃烧热量的保持和各类型的骨料的混合均匀等等；设计上要注意固 定、更换和可靠性。 2 2 颗粒物料的运动分析 沥青搅拌设备用干燥滚筒的干燥物料为松散的公路施工级配骨料，相比其它干燥 1 1 第二章干燥滚筒内颗粒物料运动理论分析 物料颗粒较大，由于骨料粒径大小各异，在干燥滚筒内的流动较为复杂，忽略物料之 间微小的滑移量，只考虑宏观较大的位移量，一般可以将其看为以下三个阶段的运动： ( 1 ) 匀速圆周运动阶段。该阶段物料随着提料叶片的圆周运动而被提升，随干燥滚筒 的转动做圆周运动。 ( 2 ) 滑移运动与圆周运动的组合运动阶段。该阶段物料随着被提料叶片的提升做匀速 圆周运动的同时，受提料叶片的角度和安装倾角的影响，骨料在提料叶片上向下作滑 移运动，整个呈现出组合运动。 ( 3 ) 骨料的抛洒运动阶段。该阶段骨料受休止角的影响，物料开始抛洒，形成料帘。 抛洒下来的骨料随着干燥滚筒继续滑动，直到再次进入提料叶片内进行匀速圆周运动， 开始进入下一次循环过程【4 0 】。 2 2 1 干燥滚筒内部颗粒运动参数计算模型 干燥滚筒内部颗粒运动较为复杂，影响因素较多，为了描述方便，作如下假设： ( 1 ) 假设物料在连续工作过程当中，相同条件下物料被提升和抛洒的概率相同。 ( 2 ) 忽略物料在下落过程当中相互影响，认为物料之间是相互独立的个体。 ( 3 ) 物料粒径、质量较大，所以忽略空气阻力和物料下落过程中热拽力等因素影响， 只考虑重力作用的情况。 选取影响因素最大的三个参数，即填充率、提料叶片持料量和物料在干燥滚筒内 的滞留时间进行计算，研究干燥滚筒内部颗粒的运动规律。 2 2 2 填充率的计算 干燥滚筒的填充率指的是干燥滚筒内物料的体积与干燥滚筒的有效容积之比。计 算过程涉及的各个参数如表2 1 所示。 表2 1 计算过程中主要参数 充盈率为a ( )生产能力为c ( t h ) 干燥滚筒的内径为r ( m )干燥滚筒的长度为l ( m ) 物料在干燥滚筒内的滞留时间为t ( s )物料的堆积密度为p ( k g m 3 ) 计算公式如式( 2 1 ) 所示。 口：掣!( z 一- 1 )口= ll ， 石，2 l 3 6 0 0 x p 按照式( 2 1 ) ，以某j 2 0 0 0 型沥青搅拌设备干燥滚筒为例进行计算，采用计算的 1 2 长安大学硕士学位论文 物料的级配如表2 2 所示。 表2 2 公路材料骨料级配组成表 物料类别 12345 粒径大小( r a m ) 1 9 3 01 2 1 96 1 23 60 3 质量( k g ) 4 0 04 2 04 2 01 2 05 6 0 所占比例( ) 2 02 12 162 8 查阅标准和资料，堆积密度取1 6 0 0 k g m 3 ；某j 2 0 0 0 型干燥滚筒的生产能力为 1 2 0 1 6 0 t h ；内径r = 1 0 5 3 m m ；长度l = 8 2 2 0 m m ；滞留时间约为1 8 0 s ；由于生产能力受 物料含水量的影响，有最大和最小值之分，故计算所得的充盈率亦有最大和最小值之 分。 = m p = 3 7 5 m 3 ( 2 2 ) = m p = 5 o 脚3 ( 2 3 ) 按照式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 对某j 2 0 0 0 型干燥滚筒充盈率进行计算如下： 充盈率最小为： “；：乓：1 3 1 2 丢充。1 3 j 充盈率最大为： 2 蔬叫7 4 6 故该型号干燥滚筒充盈率基本在1 3 1 0 - - - 1 7 4 6 之间，( 在下文计算中取中间值 1 5 进行计算) 按照最新干燥技术工艺与干燥设备选型及标准手册要求，一般较 为典型的转筒干燥器的充盈率基本都在1 0 1 5 ，可见该干燥设备基本符合上述要求。 2 2 3 物料滞留时间的计算 物料在干燥滚筒内滞留时间直接关系到干燥效率和干燥效果，合理的干燥时间设 置，能够在节约能源的同时，达到较好的干燥效果，使得物料干燥均匀。干燥时间过 长，物料在干燥滚筒内滞留时间过长，生产效率低，多余的热量随着干燥介质耗散， 并且增加了物料在干燥滚筒内之间的来回摩擦，影响物料表面的粗糙度，加剧了干燥 滚筒内提料叶片和干燥滚筒壁的磨损。干燥时间过短，物料来不及干燥彻底，干燥效 果较差，使得材料不能够满足施工要求1 4 1 1 1 4 2 1 。 影响物料在滚筒内滞留时间的因素主要有：物料特性，干燥滚筒转速、直径、长 1 3 第二章干燥滚筒内颗粒物料运动理论分析 度和安装倾角，以及充盈率，提料叶片的形状，布置形式以及气流速度和进料速度等， 是一个复杂的过程，很难用具体的数学模型来准确的表示，许多学者作了这方面的研 究，提出了一些常用的经验公式，但是这些经验公式都没有普遍适用性，并且在实际 的生产中与实际测量有很大的差异。 论文在借鉴前人的基础上，针对沥青拌合站用干燥滚筒的设计特点，提出了计算 沥青搅拌设备干燥滚筒内物料滞留时间的计算模型和公式。 首先做如下假设： ( 1 ) 假设物料在连续工作过程当中，相同条件下物料被提升和抛洒的概率相同。 ( 2 ) 忽略物料在下落过程当中相互影响，认为物料之间是相互独立的个体。 ( 3 ) 物料粒径、质量较大，所以忽略空气阻力和物料下落过程中热拽力等影响，只考 虑重力作用的情况。 ( 4 ) 假设干燥滚筒中各段之间没有相互影响，这样就为求每段干燥滚筒内的物料滞留 时间提供了前提。 ( 5 ) 滞留时间不同的颗粒受相互影响时间有所不同，滞留时间指的是平均滞留时间。 按照上述假设，将干燥滚筒中提料叶片分为五类分别进行计算滞留时间，最后求 其总和，即为干燥滚筒内部物料的滞留时间。 计算选取某j 2 0 0 0 型沥青搅拌设备干燥滚筒，将其分为五段计算，计算数据如表 2 3 所示。 表2 3j 2 0 0 0 型干燥滚筒区段计算划分 区段分类区段l ( l 1 )区段2 ( l 2 )区段3 ( l 3 )区段4 ( l 4 )区段5 ( l 5 ) 长度( 咖) 1 9 4 01 9 4 0 1 3 1 8 1 9 4 06 8 2 说明料帘段 料帘段螺旋段包络段 光筒段 注：对于所有的沥青搅拌设备用干燥滚筒基本上都可以按照上述分段进行计算 针对区段1 、区段2 、区段4 而言，物料的运动滞留时间计算方法相同，以区段1 为例，由于安装倾角的存在，物料在被提升的过程中会有轴向移动，在提升阶段： = 瞄2 x 0 ) 万6 0 ( 2 4 ) 5 ：志s 弘 纪5 ， s ( q ) ? 其中：n 干燥滚筒转速，r m i n ： 长安大学硕士学位论文 s 提料叶片持料量，i n 3 ； 日物料在提料叶片上散落位置的平均值。 在抛洒阶段： 其中：考为安装倾角，。； 一个循环内物料的轴向移动距离为 2 x r x s i n o x t a l l 善 所以在整个阶段总的时间为 k 酬= 托( + 乞) 2 瓦i l i 忑啄2 x 0 崤6 0 +2 rx s i n p t a n 芒 j u u1 v ( 2 6 ) ( 2 7 ) 将上式中的l 可以换成l l 、l 2 、l 4 分别进行计算即得到区段1 ，区段2 和区段4 的滞留时间。 对于l 3 段为螺旋段，设螺旋角为仃，所以轴向位移为旦1 8 0 t a i l 仃，其滞留时间见式( 2 9 ) 岛2 亡o n ：丽0 百6 0 汜” t a n 仃 故物料在干燥滚筒内的总的滞留时间见式( 2 1 0 ) ： t = f l + f 2 + 岛+ ( 2 1 0 ) 2 2 4 提料叶片持料量计算 提料叶片的持料量是料帘形成的重要参数，也是确定干燥滚筒内物料分布的重要 参数之一。 休止角是一个重要的参数指标，是衡量物料流动性的重要指标参数，它指的是物 料自由表面与水平线之间的夹角，试验测定一般是通过物料通过锥斗流下时，物料自 然堆积形成的圆锥状料堆表面与水平面的夹角进行测量而得，测量过程如图2 6 所示。 1 5 第二章干燥滚筒内颗粒物料运动理论分析 图2 6 休止角的测量方法示意图 由于干燥滚筒常常采用折弯型的提料叶片，所以计算较为简单，以某j 2 0 0 0 型干 燥滚筒模型计算。由于干燥滚筒内各个段提料叶片型式不同，所以主要分为四段进行 计算。 干燥滚筒中，提料叶片持料量按照式( 2 1 1 ) 计算 4 ：1 0 0 n s 妒 ( 2 1 1 ) 42 _ r 2 1 1 ) 以 其中：4 提料叶片持料量量，； 为提料板数； 单个提料叶片单位长度上体积持料量，m 3 m ； 彳转筒横截面积，m 2 ； 单个提料叶片在不同的角度下提料叶片单位长度上持料量不同，计算较为复杂， 为了简化计算，也为了考察物料在提料叶片的作用下分布的变化，现只考虑水平线以 上，即干燥滚筒上半部分上提料叶片持料量，这样可以清楚的计算得到上半部分物料 在空间内的分布情况，为设计提料叶片提供了计算依据。同时假设滚筒干燥设备的充 盈率低于3 0 ，也就是假设物料在水平线以下堆积，也避免了充盈率对其提料叶片持 料量的影响。 1 6 长安大学硕士学位论文 龋熊| 煺拶 图2 7 提料叶片持料量示意图 其中l 段、2 段、4 段为有提料叶片形式的区段，3 段为螺旋进料结构区段，所以 计算方法不同，故计算分为两部分进行。 计算过程如下t 定义滚筒干燥器在水平线以上才开始卸料，故存在最小卸料角， 直到卸料结束，则有一个最大角设为最大卸料角，如图2 7 所示。整个卸料过程从最 小卸料角开始到最后到达最大卸料角结束。其它为非卸料阶段，大小为最大卸料角。 持料量的多少也随着卸料角度的变化而变化，为了简化计算，方便的得出各个参数对 其提料叶片持料量的影响大小，假设如下： ( 1 ) 物料不考虑颗粒之间的间隙，认为物料颗粒之间无间隙； ( 2 ) 在水平线位置时候假设持料量为最大； ( 3 ) 最小卸料角为0 = 0 0 时出现。 根据图形计算，如图2 8 所示，当0 = 0 0 时提料叶片的持料量大小，给定计算参数 如表2 4 所示。 表2 4 持料量计算使用的参数 叶片尺寸 物料的休止角c p滚筒半径r叶片折弯角a叶片与筒壁形成的角i f ， 包。6 2 叶片外端点与 叶片