（环境工程专业论文）间接换热式列管回转干燥机干燥特性的实验研究及设备开发.pdf

a bs t r a c t i n d i r e c th e a tt r a n s f e rr o t a r yt u b ed r y e ri s d r y i n ge q u i p m e n to fi n d i r e c th e a t t r a n s f e r ，a n db a s eo nt r a d i t i o n a ld i r e c th e a tt r a n s f e rr o t a r yd r y e r ，i si n s t a l l e dt u b ei n e n t r a i l s q u a n t i t yo fh e a tf o rd r y m gi st r a n s f e r r e dt u b e r c o m p a r ew i t ht r a d i t i o n a l d i r e c th e a tt r a n s f e rr o t a r yd r y e r , i th a sv i r t u eh e r e i n s f t e r ：g o o d q u a l i t yo f p r o d u c t i o n ， e x p e d i e n t l yr e c l a i mw a t e ro fc o n d e n s a t i o no fs t e a m ，h i g hh e a te f f i c i e n c y ，l o w p o l l u t i o n h e a tt r a n s f e ri n s i d e r o t a r yt u b ed r y e ri sc o m p l i c a t e dc o m p a r et od i r e c th e a t t r a n s f e rr o t a r yd r y e r h e a tt r a n s f e r p r o c e s sc o n s i s to fh e a tc o n d u c t i o na n dh e a t c o n v e c t i o n r o t a r yt u b ed r y e rh a sb e e na p p l i e dt oi n d u s t r i e s ，a l t h o u g hr e s e a r c ho fh e a t e x c h a n g ec o e f f i c i e n tt od i r e c th e a tt r a n s f e rc o u n t r yi n s i d ea n do u t s i d e i no r d e rt om a k i n gas t u d yo fd r y i n gs p e c i a l i t yt o r o t a r yt u b ed r y e r , au n i q u e e x p e r i m e n t a ls e t 。u pw a sd e s i g n e da n db u i l t - u p t h ee x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e dt o a n a l y s i st h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e r ss u c ha sr o t a r y s p e e d ，m a t e r i a lf i l l i n gr a t i oo nt h e t u b e s h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t f i n a l l y , w es u c c e s s f u l l yd e v e l o ps e l f - d e t e r m i n a t i o n k n o w l e d g ep r o p e r t yr i g h tr o t a r yt u b ed r y e r k e yw o r d s ：r o t a r yt u b ed r y e r ；i n d i r e c th e a t ；d r y i n g 独创寸生声吵 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师增导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处夕 论文由不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得二叁奎立兰二或其他教育机构的学位或证 二弓而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中 作了! 目确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字同期：2 留年弓月岁日 学位论文版权使片j 授权书 ：本学位论文作者完全了解盘盗盘茎二季? 关保留、使用学位论文的疑定。 特授权盘盗盘堂可以将学位论文的全部或 邢分内容编入有关数据唪进行检 索笋采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查睡和借阅。同薏学校 fj ，雪冢有关部门或机构送交论文的复印件和磁盔! 。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授移：说膨t ) 学位论文作者签名：娃。一肇蚵i 餮冬：幺量缮仇 ；- 薹：字f = 1 期：力吼谚年弓月f - 1冬：字f 朗：- 7 伽妒：妒f 8f 第一章绪论 1 1 干燥技术综述 第一章绪论 干燥是利用热能将固体、膏状或液体物料中的液体蒸发排除，而获得固体产 品的过程。 干燥技术是许多工业产品生产的终端工艺过程，干燥设备的性能直接影响到 产品的性状、质量、价值以及能源消耗。干燥技术的研究既要研究成千上万种不 同被干燥物料的干燥性能，也要研究各种节能高效的新型干燥设备，以及研究一 定的物料在某种干燥设备中的合理操作参数。干燥系统的设计涉及到流体力学、 机械、热力学、传热学、物料学、除尘、防腐、输送、电器、仪表、控制等多方 面学科。【】 1 1 1 千燥技术的发展概况 干燥技术的应用，在我国具有十分悠久的历史。闻名于世的造纸技术，就显 示了干燥技术的应用。在解放前，我国干燥技术的应用，一般仍停留在手工作坊 阶段。解放以后，干燥技术的应用发展很快，2 0 世纪5 0 年代初期，分散悬浮态 干燥技术( 如气流干燥器等) 开始工艺应用，干燥技术的研究工作也普遍开展。； 从1 9 7 5 年至今，已举行过l o 届全国干燥会议。会议论文水平不断提高，设 计的交叉领域不断扩大，对国内干燥技术的交流、发展和提高，起了很大的促进 作用。另外，化学工程、化工机械、工程热力学、红外线加热技术等专业会议， 也都有不少干燥方面的论文发表。我国学者除了在国内会议刊物上发表论文以 外，在国际干燥会议上也有不少论文。 目前，我国从事干燥技术研究的各工程类大学( 化工、农工、轻工、机械、 林业、热工等) ，科学院( 工程热物理及省科院等) ，工业研究院、所( 4 z 工、医 药、燃料、轻工、林业、食品、粮食、造纸、硅酸盐、水产业、渔业等) 等单位 约5 0 多家，已形成了一支强有力的干燥科研队伍，广泛开展干燥技术的基础研 究、工艺研究及设备的结构研究。 在应用基础方面，开展了各类干燥方式中不同物料的关键参数的研究，如流 化速度、雾化程度、干燥强度与各项操作指标的关系、能量的节约等；也对许多 第一章绪论 种干燥进行数学模拟、离散理论、优化方法、专家系统、计算机调控、物料在干 燥过程中有关指标的变化，以及固体干燥过程中多孔介质的传热传质研究等。 化学工业中的干燥方法有三类：机械除湿法、加热干燥法、化学除湿法。 机械除湿法，是用压榨机对湿物料加压，将其中一部分水分挤出，物料中除去的 水分量主要决定施加压力的大小。物料经机械除湿后仍保留很高的水分，一般为 ( 4 0 - - - - 6 0 ) 左右。粒状物料或不许受压的物料可用离心机脱水，经过离心机除去 水分后，残留在物料中的水分为5 1 0 左右。其他，还有各种类型的过滤机， 也是机械除湿法常用的设备。机械除湿法只能除去物料中部分自由水分，结合水 分仍残留在物料中。因此，物料经过机械除湿后含水量仍然较高，一般不能达到 化工工艺要求的较低的含水量。加热干燥法，是化学工业中常用的干燥方法，它 借助热能加热物料、气化物料中的水分。除去计1 k g 的水分，需要消耗一定的热 量。例如用空气来干燥物料时，空气预先被加热送入干燥器，将热量传给物料j 同时气化物料中的水分，形成水蒸气，并随空气带出干燥器。物料经过加热干燥， 能够除去物料中的结合水分，达到化工工艺上所要求的含水量。化学除湿法，是 利用吸湿剂除去气体、液体和固体物料中少量的水分。由于吸湿剂的除湿能力有 限，仅用于除去物料中的微量水分，化工生产中应用极少。 化学工业中固体物料的干燥，。一般是先用机械除湿法，除去物料中大量的非 结合水分，再用加热干燥法除去残留的部分水分( 包括非结合水分和结合水分) ： 近年来，人们生活水平提高了，对生活质量要求越来越高，整个社会对环境 的要求也越来越严格了，对于正在发展中的干燥技术的有所期待，全国学者们_ 丁 直认为以下几个方面是最重要的： ( 1 ) 干燥操作要保证产品的质量； ( 2 ) 干燥工程不能对环境造成污染： ( 3 ) 干燥系统一定要做到节能。 三十年来，中国对许多干燥过程进行了卓有成效的研究，并实现了工业化。 这些过程主要有：喷雾干燥、流态化干燥( 普通流化床、振动流化床、流化床喷 雾造粒干燥、埋管流化床、多层流化床) 、蒸汽回转干燥、气流干燥、回转圆筒 干燥、旋转快速干燥、圆盘干燥、带式干燥、双锥回转真空干燥、桨叶式干燥、 冷冻干燥、微波及远红外干燥、粮食干燥、静电干燥、l i g l 转轮除湿干燥、对 撞流干燥等等。全国共有干燥设备制造厂6 0 0 多家，常规中燥设备基本可以满足 生产的需要，并有部分机型达到国际当代水平并出口到国外。 ， 1 1 2 干燥技术的发展趋势 干燥操作涉及的领域极为广泛，在化工、医药、食品、造纸、木材、粮食与 第一章绪论 农副产品加工、建材、环保等领域，干燥操作常常成为其生产过程的主要能耗环 节；同时，干燥单元对环境的污染也相当严重。按照国家“十一五”规划要求， 干燥技术必须走绿色可持续发展道路。 1 1 2 1 干燥技术理论研究趋势 在相关学科领域( 如新能源、材料、工程热物理、生物、计算机等) 新成果、 新技术的推动下，进行新技术、新能源、新工艺、新设备的研究开发； 深入模型、模拟领域的研究( 如微观孔级模型的建立、多相流物模、c f d 模 拟、激光检测技术) ，探究复杂过程干燥器( 如喷雾干燥、冲击流干燥等) 的干燥机理研究； 在基础学科研究成果的推动下，进行干燥机理、干燥传递过程机理的基础研 究，以改善干燥过程理论滞后于应用的现状； 用于特殊干燥对象的组合、优化专门干燥工艺及设备理论研究； 各种生物工程产品及食品质量指标干燥过程的降解机理、保护措施的研究。 1 1 2 2 干燥应用技术研究趋势 干燥应用技术发展要和我国经济发展结合起来，如高效节能、绿色环保、重 大装备的国产化，干燥技术发展趋势将沿着有效利用能源、提高产品质量和产量、 减少环境影响、安全操作、易于控制、一机多用、大型化等方向发展。具体地讲； 干燥技术的未来发展将侧重于： 在直接干燥器中使用过热蒸汽作为干燥介质； 大量使用间接加热( 传导) 式干燥； 使用组合式传热方式( 对流、传导与热辐射或介电等组合) ； 在特殊情况下，使用容积式加热( 微波或高频场) ； 不同类型干燥器或常规干燥技术的组合使用； 运用新型或更有效的供热方法( 脉冲燃烧、感应加热等) ； 使用新型气固接触技术( 如二维喷动床、旋转喷动床等) ； 设计灵活、多用途的干燥器； 使用模糊逻辑、神经网络、专家系统等实现过程的控制； 产品质量及湿含量的在线测量等； 大型干燥装备向专业化、大型化、成套化方向发展。 第一章绪论 1 2 国内外干燥设备 随着国民经济的发展，化工、酿造、食品、医药等行业产品的种类越来越多， 规模越来越大，给国家和企业带来巨大的经济效益和社会效益，在生产过程中产 生的固体废弃物也逐年增多。近几年，我国工业固体废弃物的产生量均在6 亿吨 年以上，其中具有回收价值的高湿粘性废渣的年产生量近亿吨。未经处理的工 厂废物废渣和生活垃圾如果简单露天堆放，不但占用土地、破坏景观，而且废物 中的有害成分通过刮风进行空气传播，经过下雨进入土壤、河流或地下水源，对 整个生态环境造成极大污染。 大量工业、生活废渣的产生，不仅对环境造成了巨大压力，而且也限制了地 区经济的发展和人民生活水平的进一步提高，其中有大量废渣可以通过现代干燥 技术使其成为可利用的饲料、肥料、工业原料、建材原料或燃料等，这些废弃物 多为滤饼状及膏状粘稠物料，我们迫切需要合适的处理设备与之相匹配。 目前国内外用于膏状、浆状、滤饼状物料干燥的干燥设备主要有旋转闪蒸干 燥机、载体流化床干燥机、搅拌型干燥机( 浆叶式干燥机、管束干燥机，圆盘干 燥机等) 、气流式喷雾干燥机、转筒干燥机。对这些干燥设备的应用情况分述如 下。 1 2 1 旋转闪蒸干燥机 其特征是在设备内部设有立式搅拌粉碎机构，在粉碎机和旋转气流的影响下 对物料进行粉碎和干燥。该机一般来说适用于不溶于水或其他溶剂且原始粒度很 小的物料形成的淤渣、膏、饼和半干燥粉末的连续干燥。其特点是干燥强度高， 布置紧凑，体积小，集干燥粉碎于一体，可以获得与物料原始粒度相当的粉末状 产品。缺点是系统阻力大，粉碎功率高，系统电耗较高。由于物料停留时间较短 ( 一般在o 1 0 秒左右) ，不适用于颗粒较大的物料的干燥；当物料中杂质较大、 较多时，容易出现卡死现象。目前最先进的机型是由a p va n h y d r o 公司于八十年 代末发展起来的，其最大机型直径巾1 6 m ，脱水能力在1 5 0 0 k g h 左右。我国于 九十年代初对国外设备消化吸收后形成了自己的系列产品，目前国内使用的最大 机型直径由1 8 m ，脱水能力在1 5 0 0 k g h 左右。 1 2 2 载体流化床干燥机 原理是将惰性载体加入流化床内，膏浆状物料在载体表面分散后迅速干燥， 与处于流化状态的载体球粒之间相互接触、摩擦，使得干燥膜从其表面剥离，随 第一章绪论 干燥介质进入收尘装置回收得到干燥成品。载体流化床干燥机的主要优点是物料 不必喷雾，便可以得到与料浆粒子直径相同的粉末产品，且热容量系数大，热效 率也较高。其主要缺点是动力消耗大，收尘要求高。因此很少用于低附加值物料 的处理上。近年来日本等国对载体流化床干燥机的研究和应用较多，主要用于微 米或亚微米浆料等的干燥上。日本大传原公司已形成系列产品，最大床层面积 1 5 m 2 ，脱水能力1 2 0 0 k g h 。国内大连理工大学，天津轻工学院等都对载体流化 床干燥机的干燥机理做了研究。我所于1 9 9 6 2 0 0 0 年间对带搅拌装置的载体流化 床干燥机进行了工业规模装置的研制，并形成了系列产品，最大床层面积2 m 2 ， 脱水能力达8 0 0 k g h ，目前己用于农药、亚硝酸钠等产品的干燥上，规模在 5 0 0 0 t a 以下。 1 2 3 搅拌型干燥机 该型干燥机的共同特征是采用不同形式的结构搅拌物料，加热介质一般为低 压蒸汽、导热油、热水，通过搅拌装置的内部通道将热量传递给物料。主要机型 有浆叶式干燥机、圆盘式干燥机、管束式干燥机等，其主要特点是热利用率高， 气体用量少，节省设备投资。近来国内外由发展出一种热风式槽型浆叶式干燥机， 用热风直接接触物料加热，可以处理含湿量较高的物料。然而，以上机型在处理 高含湿量和粘性大的膏、浆状物料是容易在传热表面或壁面形成附着层，很大程 度上降低了传热效率，当物料有较大粘性时搅拌装置操作十分困难，甚至不能工 作。解决的办法是将干料返回与湿料混合，降低湿料水分和粘性，但此举增加了 干燥的能耗。目前日本奈良株式会社已能生产6 0 m 2 的浆叶式干燥机，脱水能力 2 0 0 0 k g h ，国内实用的最大机型为4 0 m 2 ，脱水能力达1 2 0 0 k g h ，管束式干燥机 的传热面积最大为9 0 0 m 2 左右，当用于啤酒糟干燥时脱水能力为2 8 0 0 4 0 0 0k g h 。 1 2 4 喷雾干燥机 其原理是将溶液、乳浊液、悬浊液或浆料在热风中喷雾成细小的液滴，在它 下落的过程中，水分被蒸发而成为粉末状或颗粒状的产品。三流体或四流体气流 式喷嘴能够雾化成比较粘稠的液体或半膏状物料，固含量可达4 0 - - 5 0 ( 如啤酒 酵母) ，国外报道可见处理粘度达2 0 0 0 0 c p 物料的装置。国内也有处理1 0 0 0 0 c p 物料报道，但是在一般工业应用中离心式和压力式喷雾干燥机只能处理5 0 0 c p 以 下的溶液和悬浊液。气流式喷雾也在5 0 0 0 c p 以下。对于粘性很大的膏状物、滤 饼状物料等需加水稀释到合适的水分，因此浪费了能源。喷雾干燥的处理量可以 达l o t h 以上，然而对物料的杂质含量，粒度要求很高，而且设备投资较高，对 第一章绪论 于处理低附加值的工业废弃物来说不是理想的选择。 1 2 5 转筒干燥机 转筒干燥机是一个与水平线略呈倾斜的旋转圆筒，物料从高端加入，载热体 从( 高端) 低端加入，与物料成( 并流) 逆流接触，随着圆筒的转动，物料受重 力作用从高端运行到低端，湿物料在转筒内前行的过程中直接与载热体进行热量 交换，湿物料得以干燥。 在转筒干燥机的内壁上，装有抄板，它的作用是把物料抄起来又洒下，增大 物料与气流的接触面积，提高干燥速率并促进物料前进。普通结构形式的抄板对 干燥块状或粗粒状的物料是能够满足的，但物料有粘性时最好采用直型板而少用 弧型抄板，以防止物料过多的粘附在抄板上。近些年来，国外对活动结构的抄板 的研究和使用逐渐增多，而且已取得了很好的效果。例如日本和法国等就采用 种能够活动的羽状抄板，这种抄板能饯搅动料层且击碎料团，并且还能相互清理； 美国采用一种环状扇形挡板，这种挡板既能纵向安装作扬料板用，又能横向安装 作挡板用，既增加物料停留时间，又提高填充系数。以上改进主要是从提高干燥 效率和产品质量方面进行的。日本o k a w a r a 公司开发的高湿物料干燥机( s i u d g e d r y e r ) ，在普通转筒干燥机内部增加了一种搅拌破碎装置，将含水高达8 2 的膏 状物或滤饼加入，可直接干燥成成品。该型干燥机是比较理想的大规模处理膏奖 状物料的设备，尤其适合于处理各种工业，生活废弃物的设备。目前该公司已形 成了系列产品，脱水能力达5 0 0 0k g h ，热源为燃油炉。国内普通转筒干燥机主 要用于矿山、化肥等行业，用于矿山、煤、化肥等大容量、，低水分的松散物料的 干燥处理。少数几家公司生产的内置破碎装置的干燥机，用于干燥鸡粪、酒糟o 1 3 间接换热式列管回转干燥综述 r3 1 概述 间接换热式列管回转干燥机属于间接传热干燥设备，它是在传统的直接传热 周转干燥机的基础上加装蒸汽列管形成的，干燥所需的热量由蒸汽列管传递给被 干燥的物料。与传统的直接传热回转干燥机相比蒸汽回转干燥机具有以下优点： 【7 9 ( 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 6 第一章绪论 对物料的二次污染。 ( 2 ) 可以方便地回收换热后蒸汽形成的冷凝水，提高热能的利用率。 ( 3 ) 高的热效率。间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 来，达到相同的干燥质量，间接式干燥机所需热能是直接式干燥机的1 2 1 3 ， 并且随着成品目标湿度的降低，间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 控制在很小的范围内。同时由于尾气中湿分的含量可以很高，有利于一些特殊溶 剂的回收。 由于间接换热式列管回转干燥机携湿气量小，干燥机内溶剂浓度高，非常利 于解决煤粉和p t a 等物料干燥过程中的燃、爆问题。 1 3 2 国内外发展状况 间接换热式列管回转干燥机在我国大约问世于3 0 年前，由大连化工设计院 仿造美国同类产品，用于纯碱的煅烧。虽然间接换热式列管回转干燥机设备一次 性投资较大，但由于其明显的节能效果，目前越来越引起广大干燥设备使用厂家 的重视。以精对苯二甲酸( p t a ) 的干燥为例，我国从上世纪7 0 年代成套引进 p t a 生产装置和工艺，到2 0 0 3 年总产能已达到4 2 3 万吨，所有的干燥设备都采 用间接换热式列管回转干燥机。 精对苯二甲酸( p t a ) 是生产聚酯切片的重要原料。近年来，涤纶工业的迅 速发展有力地促进了聚酯的生产，也使p t a 的生产技术迅速发展起来。预计2 0 0 6 年，国内p t a 生产能力将达到6 9 0 万吨年，在其后的十年内，其需求量还将继 续扩大，且装置的规模也在向大型化发展，在建和拟建的p t a 工程的规模均在 6 0 - - 1 0 0 万吨年。目前，国内p t a 的生产技术和装置基本依靠进口，世界上生 产p t a 的专利技术主要有美国阿莫科公司专利、日本三井油化公司专利、英国 i c i ( 现为d u p o n t 英国公司) 专利。 干燥是生产p t a 半成品和最终产品的重要工序之一，干燥机的性能及运行状 ：。+ ： 况直接影响到p t a 最终产品质量。目前，国内p t a 生产厂家使用的干燥机基本均 为日本三井造船株式会社及月岛机械株式会社设计制造。随着国内p t a 生产需求 的不断扩大，实现干燥机的国产化，降低投资和生产成本，提高国内p t a 产品在 第一章绪论 市场上的竞争力，将是必然趋势。 1 4 课题的提出 由上述文献综述可见列管回转干燥机内部的传热过程较直接换热式回转干 燥机复杂的多。既存在被干燥物料颗粒与列管间的接触传热，又存在着列管与载 湿气体、载湿气体与物料颗粒之间的对流换热，以及物料颗粒层之间的热传导。 虽然列管回转干燥机已获得了一些工业应用，但目前，国内外对回转圆筒干燥机 换热系数的研究仅局限于直接换热形式，还没有用于列管回转干燥的工艺及装备 设计和计算的成熟方法，对其传热机理的研究也较少。 为对列管回转干燥机的干燥特性进行深入的研究，山东天力干燥设备有限公 司建立了一系列试验台。本文拟以p t a 为试验物料，利用该试验系统，对列管 回转干燥机的干燥特性进行深入地试验研究，并开发出了具有自主知识产权的列 管回转干燥机。 第二章实验研究 第二章实验研究 为对物料在蒸汽回转干燥机内的运动状况、物料与列管的传热机理和物料与 携湿气体的传质机理作出正确的了解，进而确定最佳的结构和操作参数，并找出 提高传热传质的有效途径，实现干燥p t a 和粗对苯二甲酸( c t a ) 的大型蒸汽回 转干燥机的国产化目标，山东天力干燥设备有限公司以p t a c t a 为物料进行了大 量的试验研究。 按规模和有无热源，本系列试验分为：小型冷态、小型热态、大型冷态和大 型热态。 2 1c t a p t a 小型冷态实验 2 1 1 实验目的 观察物料颗粒运动和料幕状况，分析简体转速、填充率、含湿率及管排方式 等因素对筒内物料运动状况的影响规律。 2 1 2 实验方法 2 1 2 1 实验系统 实际工程应用的列管回转干燥系统，主要由热源、干燥机、加料装置、出料 装置等组成。干燥机内脱水所需热量由列管内的热介质( 一般为蒸汽) 通过管壁 向被干燥物料传递。因列管随简体转动，所以，热源与列管间须进行动连接。这 种连接在实验室实现的难度较大，且不便于瞬时热流量的测量。为对列管回转干 燥机内的传热传质机理进行实验研究，我们建立了一套独特的实验装置。 实验系统由筒体、列管( 不锈钢) 弋电机、电磁调速器等组成，如图1 所示。 为便于观测，筒体由规格为由5 0 0 m m x6 7 5 m m 的有机玻璃制作而成。 列管由后管板和前管板支撑，前管板用顶丝固定于简体中。前后管板的板孔 第二章实验研究 直径、数目及其孔间距相同。按不同的板孔直径、数目及其孔间距，我们制作了 一系列的管板。更换管板及其相应的列管，可改变列管的排列方式。列管管捧方 式以无量纲量s 衡量：s = n 管管间距列管直径( l d ) 。 囝1c i a ，p t a 小型冷态试验台 传动系统由调速电机、链轮、链条和托轮组成。筒体通过电机带动托轮实现 转动，可通过调节电磁调速器来改变简体转速。 简体内物料的填充率通过加入物料的多少进行调节。而物料的含水量通过对 干物料的加水量来控制。 2t22 实验方案 本试验采用仅改变一项参数，维持其余参数不变的方法来考察该参数对物料 运动状况的影响。即通过初步运行，确定一套使系统能较稳定运行的结构和操作 参数在这组参数的基础上，改变其中需考察的一个参数，进而获得该参数对运 动状况的影响规律。 表1 列出了进行实验分析的基础工况参数。通过观察、拍摄各工况下颗粒的 运动状况，可获得该工况下物料的起始扬料角以及料幕密度( 料幕密度定义为： 物料扬洒面积与筒体有效截面积之比) 。 第二章实验研究 表1c t a p t a 小型冷态实验基础工况表 2 ：1 3 实验步骤 ( 1 ) 开启电机，调节简体至要求转速； ( 2 ) 待滚筒转速稳定后，从端部加料口按填充率要求加入物料； ( 3 ) 待系统运行稳定后从端部和筒壁侧面进行拍照和摄像； ( 4 ) 以表1 中的参数为基础，分别改变简体转速、填充率、物料初始含湿 率和管排方式重复步骤( 1 ) 一( 3 ) 进行实验； ( 5 ) 对获得的起始扬料角和料幕密度进行分析。 2 1 4 实验分析及结论 2 1 4 1 含湿率的影响 本试验分别对含湿率为0 1 ，2 ，5 ，10 9 6 ，1 2 ，1 5 的c t a 和p t a 进行了 物料运动状况观测。观测结果表明，物料在筒内的流动性与物料的含湿率明显相 关。对于含湿率为0 1 的物料，其流动性强，与筒壁及列管间的粘附力差，运 l 行工况非常稳定。随着物料含湿率的升高，物料间的团聚及物料与列管间的粘附 观象逐渐加强。当含湿率小于3 时，物料在列管表面仅形成一层稳定的料膜。 而当含湿率高于5 某个数值时，随着时间推移，粘壁状况不断严重，运行工况 逐渐恶劣，无法获得有价值的工况分析。因此下面涉及的冷态实验均以含湿率 0 1 的p t a 或c t a 为物料进行。 2 1 4 2 转速的影响 试验表明，简体与列管的转速对c t a 和p t a 颗粒在筒内的运动状况具有显著 的影响。在列管、筒壁、颗粒间的摩擦力及颗粒自身的惯性力和离心力的共同作 用下，物料在筒内作如图2 所示的月牙状循环运动。启动后，随着转速的增加， 物料的循环运动也逐渐加剧。同时，物料的偏析程度也加大，体现在物料层顶点 租筒体中心连线与垂直线的夹角( 即起始扬料角) 随之加大。在一段较大的转速 范围内，物料颗粒群在筒内呈现出明显的流态化运动特性( 如图2 所示) 。在此 第二章实验研究 状态下物料颗粒群的运动完全可以用流体流动进行描述，而这种状态也最有利于 列管表面与物料的传热及物料对周围环境的湿分传递。随着转速的进一步增加， 离心力的作用逐步增强，当筒体和列管的转速增加到某一数值后离心力将起主 导作用。这时大部分物科将随筒壁一起转动，无明显的起始扬料角。试验结果 表明对传熟和传质有利的的最佳转速应在1 5 4 0 r p m 之间。而当转速超过5 0 r 呷 后，大部分物料将随筒壁一起转动。 图2物料颗粒运动特性示意图 图3 为物料起始扬料角随转速变化的情况。 e 重 z 嚷 者 艟 妊遵* 柚a 】 图3 物料起始扬料角随转速的变化情况 第二章实验研究 2 1 4 3 填充率的影响 鉴于物料颗粒在筒内呈月牙状循环运动，筒内物料体积与简体有效容积的比 值( 即填充率) 必然影响物料运动区域的大小以及物料与列管的接触面积，从而 影响列管对物料的传热量。 实验观察发现，使列管与物料接触面积处于较大的填充率范围是1 5 至2 0 。 低于此范围时，因筒内料量太少，内排管与物料基本上无法接触，加热管未被充 分利用；而高于此范围时，有一部分物料处于靠近圆心的非列管区域，无法与列 管接触，如图4 所示。这种情况下，虽然不影响列管传热面积的利用，但对物料 的湿分传递具有不利的影响。因此，填充率过高不利于物料的干燥。 图4 填充率过高时物料状态 2 1 4 4 管排方式的影响 试验表明，管排方式的变化对起始扬料角及料幕的形状、密度影响比较明显。 随着l d 值的减小，带起的物料量明显增加，起始扬料角明显增大，料幕密度也 明显增加。但当l d 减小到一定值后，列管将起类似于抄板的作用对物料进行扬 洒，这种情况将使列管传热表面的利用率受到限制。实验发现，对传热传质有利 的周向l d 的值为0 8 1 5 ，径向l d 的值为0 5 1 2 。 第二章宴验研究 2 2c t a p t a 小型热态实验 22 1 实验目的 221 1 通过传热系数、干燥曲线的测定，分析简体转速、填充率、物料初始含 湿率及管捧方式的变化对传热传质特性的影响。 221 2 获得物斟发生粘壁的条件，为工程设计提供参考。 222 实验方法 222 1 实验系统 该系统在小型冷态实验台的基础上做了如下改动： 增加了携湿气体( ) 系统，包括：氨气瓶、氮气减压阀、流量计。提供用 来带走干燥过程中蒸发水蒸汽的携湿气体。 筒体内的列管分为不锈钢管、电加热管、测试管三种。 盟芈掣姓芦擅芦置产陛业础盟蛆 m 目儡生旦! 旦 图5 测试管结构 不锈钢管用于固定热电偶，测量物料或筒内环境的温度( 当热电偶与物料接 触时，测量的是物料温度；当不与物料接触时，测量的是筒内环境的温度) 。 电加热管做为热源，模拟蒸汽加热管，为实验系统提供热量。每根电加热管 的额定功率为1 k _ 。 测试管用于测量管壁温度，由紫铜管、不锈钢管、。热电偶( 铜一康铜， d = 05 t u r n ) 等组成，如图5 所示。热电偶敷设于紫铜管外壁，然后由不锈钢 管固定。由于紫铜的导热系数大热电偶比较细，反应灵敏，能够用于较高精度 的温度测量。两根测试管分别设置在简体内同一径向方向的内、外排列管位置处， 分测量内、外排管的管壁温度。每个热电偶各配有数显表，读取测量温度值， 读数精度0 1 。 第二章实验研究 采用电压调节器调节电加热管的发热量，获得不同的管壁温度。并设有电流 表，测量通入电加热管的电流。 小型热态实验系统组成如图6 所示。 下z 一蓑气馘1 - 孵一翱馘1 - _ l 一秀誓躺雪摊t 埘r 由张萎管嚣 图6 小型热态实验系统流程图 2 2 2 2 实验方案 与小型冷态实验方法类似，以表2 所列的稳定运行工况参数为基础，分别改 变筒体转速、填充率、物料初始含湿率和管排方式( 改变其中一项参数时，其它 参数保持不变) ，读取各工况下的内、外排管壁温度、物料温度，记录电流表、 电压表读数。按照公式( 1 ) 计算各工况下的传热系数，分析内、# i - m 管换热系 数随列管不同位置的变化情况，找出筒体转速、填充率、物料初始含湿率和管排 方式等因素对换热系数的影响规律。d o , n 】 j l i = 硐i u ( 1 ) ，叫i l 一7 ：l 其中，卜传热系数( w m 2 o c ) i 电流( a ) u 电压( v ) n 电加热管数量 卜每根加热管表面积( m2 ) t 广管壁温度( ) 第二章实验研究 t s - - 物料温度( ) 表2c t a p t a 小型热态试验基础工况表 2 2 2 3 实验步骤 ( 1 ) 连接各热电偶与显示仪表的连线，检查仪表工作是否正常； ( 2 ) 检查电机是否运转正常； ( 3 ) 筒内列管除两根测试管外，其余列管均采用非加热的不锈钢管，并固定 好热电偶； ( 4 ) 记录各温度显示表的初始读数； ( 5 ) 确定各线路连接正常后，启动电机，按工况要求调节筒体转速，接通测 试管电源，根据所需管壁温度调节电加热管电压。同时通入氮气置换筒内空气。 置换后适量减小气量； ( 6 ) 待滚筒转速稳定后，从端部加料口按填充率要求加入0 1 含湿率的物料 ( 7 ) 每3 分钟记录一次料温、加热管位置及温度、电流、电压表读数； ( 8 ) 分别改变筒体转速、填充率和管排方式，重复步骤( 4 ) 一( 7 ) ； ( 9 ) 计算每次温度记录时的传热系数； ( 1 0 ) 绘制各工况下传热系数随加热管位置的变化曲线； ( 1 1 ) 计算各工况下的综合传热系数，分析各因素变化对内、外排管换热系数 的影响； ( 1 2 ) 根据需要，将筒内的6 1 2 根不锈钢管更换为电加热管； ( 13 ) 确定各线路连接正常后，启动电机，按工况要求调节筒体转速，接通测 试管电源，根据所需管壁温度调节电加热管电压。同时通入氮气置换筒内空气， 置换后适量减小气量； ( 1 4 ) 待滚筒转速稳定后，从端部加料口按填充率要求加入物料； ( 1 5 ) 每3 分钟从简内取样测量物料含湿率； ( 1 6 ) 随时拍照，观察记录各含湿率情况下的物料粘壁状况。 第二章实验研究 ( 1 7 ) 分别改变简体转速、填充率、初始含湿率和管排方式，重复步骤( 1 3 ) 一( 1 6 ) ： ( 1 8 ) 绘制各工况下的干燥脱水曲线，获得不同工况下，c t a p t a 物料所需的 最小干燥时间，分析各因素变化对干燥时间的影响。 2 2 3 实验分析及结论 2 2 3 1 传热系数 同前所述，考虑到试验的稳定性和可重复性，且传热系数随转速、填充率和 管排方式的变化规律不受含湿率的影响，因此，本实验仍然仅针对0 1 的c t a 和p t a 物料进行。 加热管处于不同位置时，因其与物料的相对运动情况不同，其与物料间的传 热系数也有所不同。当加热管在筒体最下方( 0 0 ) 时，与物料的接触最充分，其 换热系数较大，随着筒体转动，物料与列管的相对运动逐渐加强，在9 0 。附近时： 物料开始扬洒( 即达到该工况下的起始扬料角) ，相对运动最强，此时的换热系 数最高。而当加热管运动到筒体最上方( 1 8 0 0 ) 时，基本与物料不发生接触，其换 热系数较低。一直到2 7 0 0 时，换热系数均处在较低水平f 待列管运动到最下方 ( 3 6 0 。) 时，又与物料接触充分，换热系数又有所提高。图7 a 、b 分别为c t a p t a ， 在n - - 2 5 r r a i n ，矿= 2 0 时内、外排管换热系数随加热管位置的变化情况。由 ； 图看出，在该工况下的同一角度位置，外排加热管的换热系数高于内排加热管的 换热系数；p t a 的换热系数高于相同工况下c t a 的换热系数。 蓼 “7 委 磊 鬻 癌 鬃 勰旺 ( a ) c t a 第二章实验研究 雾 霎 磊 鬟 霸 ( b ) p t a 图7 传热系数随加热管位置的变化情况 在下面进行的转速、填充率和管排方式对传热系数的影响分析时，均针对综 合换热系进行。 2 2 3 2 转速的影响 如前面冷态试验所述，在一定转速范围内，物料在筒内运动的剧烈程度随转 速的增加而加剧，而物料与列管表面间的传热系数正比于两者的相对运动速度。 因此，随着转速的增加，物料与加热管间的相对运动加强，传热系数也将升高。 但当转速到达一定值后，传热系数随转速的加大反而有所降低。 针对0 1 含湿率c t a 与p t a 物料的传热系数一转速曲线的变化趋势基本相似。 图8 为p t a 物料实验中，内、外排管的综合换热系数随转速的变化情况。 p 惹 荔 磊 ：舅 辚缝c v h d n t ：, 图8 综合换热系数随转速的变化情况 第二章实验研究 2 2 3 3 填充率的影响 与冷态实验填充率对物料运动状况的分析相对应，填充率在1 5 - - , - 2 0 的范围 内，随着填充率的增大，物料与列管之间的接触面积逐渐增大，换热更充分，传 热系数呈现升高的趋势。但当填充率大于2 0 时，随着填充率的增加，物料与列 管的接触面积不再增加，换热系数基本保持不变。c t a 与p t a 的综合传热系数一 填充率曲线变化趋势基本相似。图9 p t a 实验中，内、外排管综合换热系数随填 充率的变化情况。 图9 综合换系数随填充热率的变化情况 2 2 3 4 管排方式的影响 多 一 糍 ；i i 崧 糍 该鑫饿舟 ( a ) c t a 阳柏强柏菁： 第二章实验研究 经巍随，d ( b ) p t a 图1 0 周向间距l d = 1 0 时，综合换热系数随径向间距的变化情况 绷向湖敷，哇 ( a ) c t a 脚怒目露l 如 ( b ) p t a 图1 1 径向间距l d = 1 0 时，综合换热系数随周向间距的变化情况 与冷态实验中管排方式对物料运动状况的分析相对应，随着l i d 的减小，带 凸pil，一鳜瓣豢群 一辍蝌蜜蒋 p蕊磁豫鬟蓐 第二章实验研究 起并扬洒的物料量明显增加，物料与加热管问的相对运动增强，换热效果增强， 传热系数增加。但当l d 减小到一定值后，列管将仅起到类似于抄板的作用，物 料与列管间的相对运动减弱，传热系数将会减小。c t a 与p t a 的传热系数一管排 方式曲线变化趋势基本相似，且均在周向l c 值为0 8 1 5 ，径向l d 值为 0 5 - - - 1 2 时，具有较高的传热系数。图l o a 、b 分别为周向间距l d = 1 0 时的c t a 、 p t a 换热系数随径向间距的变化情况。图1 1 a 、b 分别为径向间距l d = 1 0 时的 c t a 、p t a 换热系数随周向间距的变化情况。 2 2 3 5 干燥脱湿曲线 当物料含湿率或填充率提高时，都会使物料含有的湿份总量增大，在加热面 积不变的情况下，所需的干燥时间无疑会增大。 图1 2 为针对p t a 物料在转速2 5 r m i n ，填充率2 0 ，周向间距1 0 ，径向间 距0 8 ，初始湿含量1 8 的试验条件下，根据获得的干燥时间一湿含量的实验数 据拟合出的干燥脱水曲线。由图看出，干燥过程有一段明显的恒速干燥阶段，物 料所需的最小干燥时间也基本由该阶段干燥脱水速率决定。根据拟合获得的临界 湿含量、临界干燥时间等参数，可计算出恒速干燥阶段的干燥脱水速率。该实验 主要分析转速、管排方式的变化对恒速段干燥脱水速率的影响。 窃 盖 邑 删 缸 剜 醐 h - 图1 2 基础试验条件下的p t a 干燥脱水曲线 第二章实验研究 图13 恒速段干燥脱水速率随转速的变化情况 在一定的转速范围内，随着转速的提高，单位时间内物料与电加热管的接触 频率增大，且二者的相对运动增强，传热系数增大，干燥速率增大。但当转速达 到一定值时，干燥速率反而随转速的提高而减小，其分析同转速对物料运动状况 的影响类似。图1 3 为c t a p t a 试验中，恒速段干燥脱水速率随转速的变化情况。 与管排方式对物料运动状况的分析相对应，随着l d 的减小，被带起并扬洒 的物料量增加，物料与加热管间的相对运动增强，换热系数增大，干燥速率增大； 但当三d 减小到一定值后，反而使物料与加热管间相对运动减弱，换热强度减小， 干燥速率减小。图1 4 为c t a p t a 物料在周向间距1 0 时，恒速段干燥速率随径 向间距的变化情况。图1 5 为c t a p t a 物料在径向间距1 0 时，恒速段干燥速率 随周间距的变化情况。由图看出，当周向三d 值为0 8 1 5 ，径向l d 值为0 5 1 2 时，具有较高的干燥速率。 图1 4 周向间距1 0 时，恒速段干燥速率随径向间距的变化情况 。q一旦旦v静溜蝼巾 第二章实验研究 e ，、 a z a 邑 瓣 制 喽 h - 周向间距l d 图1 5 径向间距1 0 时，恒速段干燥速率随周向间距的变化情况 2 2 3 6 物料粘壁状况 在对c t a p t a 物料进行干燥脱湿曲线的测试实验中，对物料的粘壁状况进行 了观察。当1 5 含湿率的湿物料加入筒体后，在运行初期有挂壁现象，敲击筒壁 可使部分湿料脱落。随着干燥时间的延长，含湿率逐渐降低，粘壁现象逐渐减轻； 当p t a 含湿率降至1 0 、c t a 含湿率降至9 时，均无粘壁现象；且无需敲击筒壁： 综上所述，对于p t a 和c t a ，转速、填充率、管排方式等参数的变化对换热 管与物料间的传热系数的影响趋势基本相似。两者在干燥过程中的干燥脱水曲线 的变化趋势也基本相似，但两者所需的干燥时间有所不同，c t a 所需干燥时间较 短，为2 2 2 5 m h l ( 随转速、填充率等运行条件的变化略有改变) ，p t a 所需干 燥时间为2 7 - - 3 0 幽( 随转速、填充率等运行条件的变化略有改变) 。p t a 和c t a 产生粘壁现象的临界含湿率略有不同，分别为1 0 和9 。 2 3p t a 大型冷态实验 2 3 1 实验目的 观察物料颗粒运动和料幕状况，分析简体转速、填充率、初水份等因素对筒 内物料运动状况、列管与物料间换热系数的影响，与传热传质机理研究所获得的 2 3 第二章实验研究 c f d 模型的模拟结果进行比较和验证。并与小型冷态实验的结果进行比较，获得 放大设计的准则。 232 实验方法 2321 实验系统 实验系统由筒体、列管( 碳铜、不锈钢) 、调速电机、电磁调速器等组成， 如图1 6 所示。 筒体采用碳钢材质，规格为：巾42 m x l m ，利用轴心支撑结构支撑。观察端 用有机玻璃封闭，用以观察物料在断面的运动情况并防止物辩和粉尘飞扬。简体 端部一半区域内列管为碳钢管。另一半区域内列管为不锈钢管，用于观察列管表 面光洁度对物料粘壁特性的影响。 传动系统由调速电机、链轮、链条组成。筒体通过调速电机带动链轮实现转动， 可通过调节电磁调速器实现筒体转速的