（农产品加工及贮藏工程专业论文）新型旋转导向管喷动床干燥机研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 喷动床具有传递效率高、适用于热敏性物料、可用于多种单元操作的优点， 引起了国内外学者的广泛关注。到目前为止，喷动床已经具有多种结构形式，但 是其大型化和工业化仍然困难。 导向管喷动床是传统喷动床的发展，具有消除喷动区和环形区交互流，提高 颗粒适应性，压降减小，最大床层高增加等优点，但是仍然难以达到到工业化应 用的程度。针对目前喷动床难以大型化，无法实现工业化应用的现状，在导向管 喷动床的基础上提出了旋转导向管喷动床的新型结构。本课题旨在研究该新型结 构的可行性及探索放大的前景。 以小麦为物料进行了旋转导向管喷动床空气动力学特性实验，研究了风速一 压降关系，风量一循环量关系，以及物料的循环运动。并测到了相应的曲线。 以小麦为实验物料，在该薪型喷动床上进行了一系列干燥实验，包括：装料 量实验，工艺优化正交实验，变温实验，缓苏干燥实验。得到了各实验的干燥曲 线和热耗值，并和以前的研究结果进行了比较。装料量对于热耗和粮温、排气温 度具有重要影响；本实验条件下最佳装料量为2 5 虹( 湿物料) 。工艺优化实验考察 了入口风温、风量、装料量三个因素对于热耗的影响，其中入口风温和装料量对 于热耗具有显著影响，风量的影响不明显：最佳工艺为入口风温9 0 ，风量 9 8 m 3 l a ( 2 0 。c ，1 0 1 3 k p a ) ，装料量2 5 k g 。变温干燥实验表明：干燥初期采用较 高入口风温然后逐渐降低可以抑制粮温增加，且物料最低含水量低，热耗低。缓 苏干燥对于热耗没有明显影响。但是缓苏时间越长粮温越低，有利于保持物料的 品质。 进行了旋转导向管喷动床传递模型的研究，初步建立了喷动区、喷泉区、 环形区的数学模型，模型预测值与实验值较为接近。 关键词：喷动床，放大，干燥，旋转导向管，模型 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o ri t sa d v a n t a g e so fh i g h e rt h e r m a l - e f f i c i e n c y , c a p a b i l i t yo fd e a l i n gw i t h h e a l s e n s i t i v em a t e r i e la n dc a nb eu s e di nm a n yc h e m i c a lo p e r a t i o n s ，s p o u t e db e dh a s b e i n gs t u d i e de x t e n s i v e l yf o rm a n yy e a r s u pt on o w , t h e r ea r em a n yk i n d so fs p o u t e d b e d sw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e s ，b u tt h e yc a n tb eu s e dw i l d l yi nt h ef i l e do fi n d u s t r yd u e t ot h e i rl i m i t a t i o n s s p o u t e db e dw i t hd r a f tt u b ei sag o o dt y p eo fs p o u t e db e d ，i t ss p o u t i n gr e g i o n a n da n n u l a rr e g i o ni ss e p a r a t e db yd r a f tt u b et ov o i dp e r c o l a t i n gf r o me a c ho t h e ri t c a nd e a lw i t hs m a l l e ro rl a r g e rp a r t i c l e s ，i n c r e a s et h em a xh e i g h to fl o a d i n g ，d e c r e a s e p r e s s u r ed r o p h o w e v e rs p o u t e db e dw i t hd r a f tt u b ec a l l ts t i l l b es c a l e du pt o i n d u s t r i a ld i m e n s i o n t h u sw ed r e a mu pan o v e ls t r u c t u r eb a s e do ns p o u t e db e dw i t h d r a f tt u b e t h ed r a f tt u b ei nt h ec e n t e ro fn e ws p o u t e db e di ss t r u c t u r e do fr o t a t i n g p a r ta n df i x e dp a r t t h er o t a t i n gd r a f tt u b ec a r ld i s t r i b u t ep a r t i c l e st oa n n u l a rr e g i o n e q u a b l y t h i ss t r u c t u r ec a ne l i m i n a t eb a c k t r a ck i n go fs p o u t i n gp a r t i c l e s ，s oi t i s h e l p f u lt os c a l i n gu pt h es p o u t e db e d t h et h e s i s i ss t u d y i n gt h ef e a s i b i l i t yo ft h i s n o v e ls t r u c t u r e t a k i n g w h e a ta se x p e r i m e n t a lm a t e r i a lt h eh y d r o m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i co f s p o u t e db e dw i t hr o t a t i n gd r a f tt u b ew a sr e s e a r c h e di nt h et h e s i s ，a n di ti n c l u d e dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ng a sv e l o c i t ya n dp r e s s u r ed r o p ，g a sf l o wr a t ea n dw h e a tm a s s f l o wr a t e ，a n dt h ec i r c u l a t i o no fp a r t i c l e s a n dt h ec u r v e so ft h e i rr e l a t i o n s h i pw e r e g o t t e n ag r e a td e a ld r y i n ge x p e r i m e n t a t i o n sw e r ec a r r i e do ni nt h en o v e ls p o u t e db e d ， i n c l u d i n g l o a d i n ge x p e r i m e n t a t i o n s ，o p t i m i z i n ge x p e r i m e n t a t i o n s ， v a r i a b l e t e m p e r a t u r ee x p e r i m e n t a t i o n s ，i n t e r m i t t e n td r y i n ge x p e r i m e n t a t i o n s t h e b e s t c o m b i n a t i o n so ft e c h n i c a lp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d ，d r y i n gc u r v e sa n dh e a t c o n s u m p t i o np e rk gw a t e r a n dc o m p a r e d t h er e s u l tt op r e v e n t i o n sr e s e a r c h i n gr e s u l t s t h el o a d i n gq u a n t i t yo fp a r t i c l e sh a sd i s t i n c ti n f l u e n c e ，a n dt h eb e s tq u a n t i t yi s2 5k g i no p t i m i z i n ge x p e r i m e n t a t i o n s ，t h ea i rt e m p e r a t u r ea n dl o a d i n gq u a n t i t ya r et h em a i n f a c t o r sa f f e c t i n gh e a tc o n s u m p t i o np e rk gw a t e r u n d e rt h i ss p o u t e db e db e s t t e c h n i c a lp a r a m e t e r sa r e ：a i rt e m p e r a t u r e9 0 。c ，g a sf l o wr a t e9 8 m 。h ，l o a d i n gq u a n t i t y 2 5 k g 江苏大学硕士学位论文 i nt h ef i f t hc h a p t e ro ft h i st h e s i sm a t h e m a t i c a lm o d e lo nt r a n s f e ri nt h i sn e w s p o u t e db e di ss e tu p ，t h e o r e t i cv a l u ea n de x p e r i m e n t a lv a l u ei sq u i t ec l o s e k e yw o r d s ：s p o u t e db e d ，d r y i n g ，r o t a t i n gd r a f tt u b e ，m o d e l 江苏大学硕士学位论文 符号表 c d s 气阻力系数， c 。一十空气比热( j k g 干空气k ) c 一物料十物质比热( j k g k ) c , - 水蒸汽比热( j k gk ) c ，一水的比热( j k g k ) d 一导向管内行( m ) d o 一喷嘴直径( m ) d v 水分在空气中的扩散系数( m z s ) d ，物料颗粒当量直径( m ) d 。一床身直径( m ) e 一装料量( k g 十物料) e 一装料量( k g 湿物料) r 一单位体积颗粒的气搦阻力( n m 3 ) f 。一单位体积颗粒与管壁的摩擦力 ( n m 3 ) g 一霞力加速度( m s 2 ) g 一消耗的十空气质量( k g ) g 消耗的湿空气质量( k g ) g p ；- - 物料循环量( k g 千物质，s ) g 。一入l j 气体流量( m 5 h ) g 。；导向管内气流量( k g 十空气i s ) g 。一环形区气流量( k g 干空气s ) h 一物料喷出l j 离环形区上表层的高度( m ) h 。一喷动区颗粒传热系数( w m 2 k ) h a 一环形区颗粒传热系数( w m 2 k ) h i 环境湿度( k g k g 千空气) h 2 排出系统空气湿度( k g k g 十空气) h 。一环形区空气湿含量( k g k g 十空气) h 。；恒速干燥时颗粒表面空气饱和湿含量 ( k g k g 千空气) k 一锥形部分高度( m ) h ：一喷动区空气湿食量( k g k g 千空气 1 1 ，1 2 一空气加热前后的焓( k j k g 十空气) k 一环形区干燥常数 k s 一喷动区传质系数( k m 2 s ) m l ，1 , 1 , 1 1 一循环量回归系数 m ；一喷动区物料湿度( k g k g 干物料) m h 一喷动区平衡含水率( k g k g 二f 物利) m b 。一环形区物料平衡含水率( k g k g 十物 料) m 。一喷动区临界含水率( k g k g 十物料) m 。一环形区临界含水率( k g k g 十物料) m 。一环形区物料含水率( k g k g 干物料) m r 一含水率之比 mm 每次实验蒸发的水分质量( k g ) p r 一普朗特准数 q 一每次实验加热的总热鬟( k j ) ， r 一水的蒸发潜热( j k g ) r 。一喷动区相对雷诺数 r 。一环形区雷诺数 s 。一斯密特准数 t 。一环形区气流温度( k ) t 。，一喷动区气流温度( k ) t 。一环形区物料温度( k ) t 。f 一喷泉区颗粒温度( k ) t 。一喷动区物料温度( k ) u 。一沉降速度( m s ) u 。一空床速度( m s ) 江苏大学硕士学位论文 u 、一喷嘴速度( m l s ) v ，一喷动区物料速度( m l s ) v 。一喷动区气流速度( m l s ) w 、一喷动区物料表面蒸发速率( k g l s 一) x ，x ：一每批物料实验前后湿度( k g l k g 千 物料) x 一高度( m ) d 一环彤区单位体积颗粒面积( m 2 一) a ：一导向管内单位体积颗粒面积( 打m 3 ) 2 b 一代换符号 y 锥角( 。) 0 一时间( s ) e 。一环形区空隙率 e 。一喷动区空隙率 。一空气导热系数( j l s m k ) p 。一气体密度( k g l m 。) p ，一物料密度( k g l m 。) u 。一气体粘度( p a s ) 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权近苏大学可以将本学位论文 的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密哦 学位论文作者签名：吨r 孕 , p 4 - 年lr 晶 指导教师签名：名隹专 尹 ，年l 胃r 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：也r 孑， 日期：护舜钿店 江苏大学硕士学位论文 1 1 喷动床的发展 第一章绪论 2 0 世纪5 0 年代加拿大国家自然研究院( n a t u r a lr e s e a r c hc o u n c i l 或简写 为n r c ) 的g i s h e r 和m a t h u r 在开发一种可移动的体积小但处理量大的流化床的 时候发明了喷动床并进一步进行了一些基础研究。1 9 6 7 年加拿大英属哥伦比 亚大学( u b c ) 的n o r m a ne p s t e i n 教授和m a t h u r 合作在u b c 建立了世界上最大 的喷动床研究中心。美国r e n s s e l a e rp o l yt e c h n i ci n s t i t u t e 的h o w a r d l i r r m a n 教授领导的研究小组，从2 0 世纪6 0 年代末起就与前南斯拉夫贝尔格莱德大学 ( u n i v e r s i t yo fb e l g r a d e ) 的v u k o v i c d v 教授的科研组合作进行喷动床基础理论 的研究，对推动喷动床技术的发展也做出了很大贡献。前苏联的学者们，包括列 宁格勒的r o m a n k o v p g 教授等人和明颠克的z a b r o d s k y s s 等人，也对喷动床的发 展做了很多的工作。 目前很多国家的研究者都对喷动床进行了研究，英国、日本、西班牙、阿 根廷、巴西、土耳其等都有学者发表喷动床研究或应用的论文。 国内，清华大学、江苏大学、天津大学、四川 大学、东南大学，沈阳化工学院等l o 多所高校和科 研单位有喷动床方面的论文发表。 喷泉区 尽管全世界对喷动床的研究很多，已经有多种床晟表面 结构形式，但是大规模的工业应用比较少见。”1 。嚷动区 1 2 喷动床的喷动原理及特点 环搿区 嚷动区一环 1 2 1 喷动原理 彤区界面 图1 1 所示为柱锥形喷动床。床内装有相对粗 大的颗粒( 一般粒径d p l m m ) 。流体( 通常是气体) 从 圆锥形底部中心处垂直向上射入，形成一个射流区。 当流体喷射速率足够高时，该射流区将穿透床层两 居部锄键 填气人口 图1 l 柱锥喷动床结枸 f i g 1 1 s t n j c t u r eo f c s b 江苏大学硕士学位论文 在颗粒床层内产生一个迅速穿过床层中心向上运动的稀相气固流栓( 称为喷动 区。s p o u t ) 。当这些被流体射流夹带丽高速向上运动的粒子穿过颞粒床层升至商 过床层表面的某一高度时，由于流体速度的骤然减低，颗粒会像喷泉一样因重力 而回落到环形区( a n n u l u s ) 表面。床层上表面以上的部分日q 喷泉区( f o u n t a i n ) 。 这些回落的颗粒沿环形区缓慢向下移动至床层下部，然后在床身底部又渗入喷动 区被重新夹带上来，从而形成颗粒的极有规律的内循环。这种具有稀相喷动区、 密相环形区和喷泉区3 区流动形态的流动现象就是喷动床内的基本流动形态，如 图1 2 所示【2 】 。 1 2 2 喷动床的特点及局限 喷动床的特点有i s l - 16 】： 1 ) 其流动相对简单，有规律。 2 ) 操作压降比流化床低。 3 ) 对粗颗粒，其气固接触效率优于流化床。 4 ) 适合处理粘性强的物料以及需要去除表面层以促进传热及传质效率的物 料，操作物料磨损严重。 5 ) 造粒可以得到具有高强度和高球形度的粒状产品。 6 ) 可采用比正常许可温度高的气体，可方便地处理热敏性物料。 7 ) 结构简单 喷动床的局限； 1 ) 操作所需气流量由喷动要求 决定不是由操作工艺要求确定，喷 动床要运行首先需要满足物料在流 体中喷动起来的动力学要求，动力 学要求的风量往往大予单元操作需 要的风量，这样就造成能源的浪费 2 ) 最大压力降远大于喷动压力 降，喷动床启动时气流的阻力大， 图1 2柱锥喷动床的流动形态示意图 f i g 1 2 s g e a mo f c s b 对于风机的压头有定的要求，空床启动风机，然后加料，可以改善这一情况。 3 ) 尺寸受限，难于大型化，颗粒物料直径和入口喷嘴直径有比例要求，入 2 江苏大学硕士学位论文 在颗粒床层内产生一个迅速穿过床层中心向上运动的稀相气固流栓( 称为喷动 区，s p o u t ) 。当这些被流体射流夹带而高速向上运动的粒子穿过颗粒廉层升至高 过床层表两的某一高度时，由于流体速度的骤然减低，颗粒会像喷泉一样因重力 而回落到环形区( a n n u l u s ) 表面。床层、i ：表面以上的部分叫喷泉区( f o u n t a i n ) 。 这些回落的颗粒沿环形区缓慢向下移动至床层下部，然后在床身底部又渗入喷动 区被重新夹带上来，从而形成颗粒的极有规律的内循环。这种具有稀相喷动区、 密相环形区和喷泉区3 区流动形态的流动现象就是喷动床内的基本流动形态，如 图1 2 所示”。 1 2 2 喷动床的特点及局限 喷动床的特点有1 2 h l q ： 1 ) 其流动相对简单，有规律。 2 ) 操作压降比流化床低。 3 ) 对粗颗粒。其气固接触效率优于流化床。 4 ) 适合处理粘性强的物料以及需要去除表面层以促进传热及传质效率的物 料，操作物料磨损严重。 5 ) 造粒可以得到具有高强度和高球形度的粒状产品。 6 ) 可采用比正常许可温度高的气体，可方便地处理热敏性物料。 7 ) 结构简单 喷动床的局限： 1 ) 操作所需气流量由喷动要求 决定不是由操作工艺要求确定，喷 动庶要运行首先需要满足物料在流 体中喷动起来的动力学要求，动力 学要求的风量往往大于单元操作需 要的风量，这样就造成能源的浪费 2 ) 最大压力降远大于喷动压力 降，喷动床启动时气流的阻力大， 图1 2柱锥喷动床的流动形态示意图 f i g1 2 s t r c a mo f c s b 对于风机的压头有定的要求，空床启动风机，然后加科，可以改善这一情况。 3 ) 尺寸受限，难于大型化颗粒物料直径和入口喷嘴直径有比例要求，入 3 ) 尺寸受限，难于大型化颗粒物料直径和入口喷嘴直径有比例要求，入 江苏大学硕士学位论文 口喷直径和床体直径也有比例要求。 4 ) 装料高度有限制。 1 3 喷动床的应用 尽管喷动床是2 0 世纪5 0 年代中期发展起来的一种处理小麦等粗大窄筛分颗 粒( 粒径d , l m m ) 的流态亿技术，但随着对该技术研究的逐渐深入，其应用领域不 断拓展，目前已被试验用于以下方面【1 】【3 】f 4 1 5 】f 6 】【8 】 9 】【1 1 】【1 2 】： 1 ) 固体颗粒干燥，悬浮液及溶液的干燥： 2 ) 块状、颗粒物料的表面涂层，涂料； 3 ) 粉碎，造粒； 4 ) 煤燃烧和气化； 5 ) 铁矿石还原，油页岩热解，焦炭活化，石油热裂解等操作； 6 ) 废橡胶低温热解。 1 4 传统喷动床的局限 传统喷动床( c o n v e n t i o n a ls p o u t e db e d ，简写c s b ) ，即柱锥喷动床，具有 独特的结构，其内部物料的流动形态使得它具有多种优点，传热传质效率高。因 此出现后引起了各行业的广泛关注和研究， 为止，c s b 的研究已经比较深入，对于 c s b 的空气动力学特性和传递特性有 一系列的经验公式可用，但是都是建 立在小型的实验室设备的研究上。c s b罨 由于本身的局限难以大型化。c s b 的启 蚕 动压降比正常操作所需压降大得多， 如图1 3 所示，物料高度受到限制。 c s b 的结构尺寸有限制，底部气体喷嘴 的尺寸和物料颗粒的尺寸有比例关 系，喷嘴和床体直径也要满足一定比 例关系。因此径向尺寸受到限制“”“”。 已经证明可以用于多种操作。到目前 图1 3c s b 的速度一压降母 f i g 1 3p r e s s u r ed r o p - f l o wr a t ec u r v e 江苏大学硕士学位论文 1 5 喷动床的改进 针对c s b 的局限，各国学者对于喷动床进行了改进。 1 5 1 改进气体喷嘴 1 ) 多喷口喷动床 增加气体喷嘴数量以增大床体径向尺寸，如图1 4 。，从而提高处理能力。 每个入口喷嘴的流量必须分别控制。为改善床层稳定性，可把入射喷嘴略微伸进 喷动床或设置垂直档板以切断每个喷动区域流体的侧向流动”“”“。 图1 4 多喷口喷动床 f i g 1 4m u l t i j e ts p o u t e db e d 2 ) 涡流床 o 【体一 图1 5 涡流床 f i g 1 5w h i r l p o o ls p o u t e db e d 如图1 5 所示，气流从切向喷入，推动物料沿着床 壁运动，采用切向喷气可以减小喷嘴处的压力损失叭。 3 ) 旋转喷嘴喷动床 i 冀 瓣i 纛瀵 4 江苏大学硕士学位论文 图1 7 长槽式图1 8 半喷动床图1 9 锥影床 f i g 1 7s l o ts p o u t e db e df i g 1 8h a l f s p o u t e db e df i g i 9c o n e s h a p e ds p o u t e db e d 1 5 3 改进喷动区状态 1 导向管喷动床p l l 5 】【1 4 】1 1 6 1 【1 8 】f 1 9 】【2 0 】 在传统喷动床内加设一个导管( 叫做导向管、导流管、引流管、引导管) ，此 喷动床称为导向管喷动床( s p o u t e db e d sw i t hd r a f t t u b e ) ，物料循环见图1 1 0 ”1 。 设置了导向管后，喷动床具有了诸多优点： 1 ) 喷动区和环形区的交互流动大为减轻甚至消除；气流和物料运动更有规 律，方便控制物料在喷动区和环形区的停留时间 2 ) 颗粒适应性提高。c s b 适用于粗大窄筛分颗粒的处理( d p l m m ) ，插入 导向管后，一些不易喷动的物料实现了喷动( 如玉米) 1 l l ，超细粉也在导向管喷 动床里实现了稳定流化 2 0 1 3 ) 最大床层高度增加，生产能力提高【2 1 4 ) 压力降减小，喷动所需气流量更少，动力消耗减少，见图1 1 1 1 ”。导向 管也有多种结构。 图1 1 0 传统喷动床与导 流动形态比较 f i g ，1 1 0c o m p a r eb e t w e e nf l o wo f c s b a n ds p o u t e db e dw i t hd r a f tt u b e 3 ； 2 - ：$ 如 蓄t 。： 图1 1 1 料层厚度与最大压降a p m ， 最小喷动风速v m i n 的关系 f i g 。1 11r e l a t i o n s h i pb e t w e e na p ma n dv m i n 江苏大学硕士学位论文 2 机械导向喷动床 用机械驱动的螺旋导向，强制物料上升，物料颗粒适应性很大，但是结构复 杂。【6 】 1 5 4 改进环形区的状态 在环形区通入气体让环形区的物料流化或不流化，这样可以消除环形区的循 环死角，并提高环形区的传递效率。【3 】 5 】 1 6 喷动床发展中存在的问题 经过5 0 多年的发展，喷动床已经有了多种结构形式，很多局限得到改进， 但是大型化仍有困难。基于前人的研究工作，我们认为，喷动床要大型化必须改 变其自然喷动流态，提出了新型的改进型喷动床结构，为喷动床的大型化、工业 化提供思路。旋转导向管喷动床就是在导向管喷动床的基础上的改进，能够放大 导向管喷动床以实现工业化应用。它继承了导向管喷动床的优点，同时又避免了 导向管内物料的回落，改善了喷泉区状态使其分布到环形区整个面上。 1 7 研究主要内容 1 ) 参考已有文献，分析现有喷动床的各种结构的特点及局限，设计新型旋 转导向管喷动床。 2 ) 在自行设计的喷动床上进行小麦恒温干燥实验，考察各因索对喷动床干 燥特性的影响，进行干燥工艺优化实验，验证该结构放大的可行性，探索该新型 喷动床用于粮食干燥的前景。 3 ) 进行变温干燥实验，以探索变温干燥的优点。 4 ) 考察缓苏对于干燥者勺影响。 5 ) 建立旋转导向管喷动床的传热传质模型 6 江苏大学硕士学位论文 第二章旋转导向管喷动床结构特征及流体力 学特性实验研究 喷动床具有多种改进形式，每一种都有自身的特点及适用范围，它们互为补 充。改进的部分包括喷动区、环形区、床体、喷嘴。其中导向管喷动床具有较多 优点，有较大的研究价值，导向管喷动床床层高可以大大增加，所需气流量减少， 压降小环形区和喷动区分开，喷动更稳定更 有规律等等。但是导向管直径增大到一定程 度，物料回落严重，甚至喷动循环消失，物料 的散落范围较小且集中分布在中间。因此，虽 然导向管喷动床是一个进步，但是其生产能力 仍然受到限制，为此我们提出了旋转导向管的 设想，进行了研究。旋转导向管喷动床改交了 喷泉的形态，物料水平或向下方向喷出，可以 分向在较大直径范围，并且分柿范围可以人为， j 控制。采用旋转导向管可以大大增加导向管的 直径提高喷动床的生产能力。本研究对于喷 动床的大型化、工业化具有一定的意义。旋转 导向管喷动床的结构如图2 1 所示。 2 1旋转导向管赜动床的结构特征 2 1 1 喷嘴 实验证明喷嘴大小和结构对喷动的稳 定和压降有明显影响1 6 1 ，图2 2 a 的结构优 于图2 2 b 的结构。图2 2 a 的喷动气流更集 中，使喷动区的流动更加剧烈，所需的最小 喷动气流量较小，作者用两种喷嘴分别进行 电机及减速器2 拨抒3 旋转导向管 4 固定导向管5 柱体6 锥体 7 测温导管8 气体喷嘴 图2 1 旋转导向管喷动床结构示意图 f i g ，2 1s t r u c t u r eo f s p o u t e db e d w i t hr o t a t i n gd r a f tt u b e 平平 a b 图2 2 喷嘴结构 f i g 2 2 s t r t l c t u r eo f j e t 江苏大学硕士学位论文 实验，b 结构在8 0 m 4 h 的气流量下稳定喷动，而a 结构在l o o m l h 仍不能喷动。 前面已经指出，最小喷动气流量是由喷动决定而不是由传递特性确定的喷动床 的操作中工艺要求的气流量往往小于喷动所要求的气流量，因此减小最小喷动气 流量可以降低能量浪费。在相同的导喷距( 导向管下端与喷嘴上端的距离) 下， 图2 2 a 物料更容易进入导向管，而b 容易发，土堵塞。本研究所用豹旋转导向管 喷动床喷嘴内径3 0 m m 。 21 2 导向管 导向管( 图2 3 ) 分为旋转部分和固定部分，固定部分用支杆固定在简体 t ，旋转部分用轴承安装在固定部分上，并与固定部分同轴，二者都为中空。本 研究所用的旋转导向管喷动床导向管内径4 0 m m ，导喷距5 5 m m 。导向管旋转部分 出拨杼拨动旋转，拨杆连在减速器上，导向管旋转速度为1 3 r m ，这样物料从导 向管喷出后均匀的洒落在环形区，也可以在旋转导向管水平部分沿轴向丌几个 使物料分布更加均匀。拨杆的旋转中心与导向管的旋转中心尽量保证在一条 直线一l o 图2 3 旋转导向管 f i g 2 3 s tr u e t u r eo fr o t a t in gd r a f tt u b e 江苏大学硕士学位论文 21 3 床体 床体由柱体和锥体组成，本研究的喷动床柱体内径4 0 0t l i n ，导向管和床体 直径有一定的比例关系，一般略大于喷口直径。床体圆锥部分锥角6 0 。，以利于 物料的下落避免死角“”1 。柱体上面安装电机、减速器。 2 2 旋转导向管喷动床流体力学特性实验研究 旋转导向管喷动床的结构和传统喷动床( c s b ) 在结构上和内部流动形态上 已经有较大的差别，类似于c s b 和气流干燥的结合。该结构吸取了喷动床喷动区 干燥、环形区缓苏这一独特的优点和气流干燥传递效率高、处理量大的优点。 喷动床的流体力学特性对于操作具有重要的影响。喷动床的改进很大程度是 针对其内部的流动形态的。 2 2 1 实验装置、实验方法 实验装置如图2 4 。实验时，先装上料层 厚o 7 m 的小麦，启动旋转导向管，接上u 型 压力计5 ，将旁通阀3 全开调节阀4 关闭， 然后启动风机1 ，逐渐打开调节阀4 ，观察物 料的状态，读取各种风量下流量计2 和u 型压 力计5 的读数，喷动形成后每个风量下测量2 分钟物料喷出量，直到最大风量。然后减小风 2 l 1 风机2 流量计3 旁通阀4 调节阀 5 u 型压力计6 旋转导向管喷动床 图24 实验装置 量，读耿风量和压降，直到调节阀4 完全关闭， f ig 2 4 结束实验。 2 3 实验结果与分析 23 1 风速压降关系 旋转导向管喷动床的表观风速一压降关系和导向管喷动床相似，如图25 所 示。o a 段是固定床状态。压降随着风速几乎线性增加，经过a 点，气流穿破料 层，压降骤然下降，继续增大风速，到了b 点可以看到有物料喷出，bc 段喷动 不稳定，要到d 点以后才形成稳定喷动。从a 到d ，压力计读数不稳定，波动 江苏大学硕士学位论文 幅度很大。形成稳定后压降随着风速增大而增大，这与c s b 不同，主要原因是 导向管的管路压力损失随风速增大而增大：c s b 的气流冲破料层后赢接进入环 境，稳定喷动后压降几乎不再变化。 减小风速过程中，风速较大时与增大风速的曲线几乎重合，一直到e 点都能 稳定喷动，到了f 点喷动不稳定，e 点对应的风速为最小喷动速度【1 。旋转导向 管喷动床在起始喷动状态是不可逆的，原因是物料原来处于填充状态而后来是疏 松状态。形成稳定喷动以后，只要风速大于d 点的风速都可以认为是可逆的。 另外，最大压降与稳定喷动压降很接近( a 点t 6 5 m m h 2 0 ，d 点1 6 2 m m h 2 0 ) ， 因此喷动床启动压降大的问题已经解决，原因是加入导向管后气流所需冲破的料 层仅仅是导喷距的高度。 图2 5 表观风速一压降关系图 喷嘴内径3 0 m m ，导向管内径4 0 m m ，导喷距5 5 r a m ，床径4o o m m f i g 2 5r e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e s s u r ed r o pa n ds u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y 232 循环量与喷嘴风速的关系 在稳定喷动后，停止旋转导向管即可以测量物料循环量与风速之间的关系 ( 图26 ) ，在形成稳定喷动后循环量和风速几乎是线性关系，针对实验条件线性 回归方程为： y = 019 3 4 x 2 + 3 9 7 3 2r 2 = o 9 6 ( y 表示循环量k g m i n ，x 表示喷嘴气流速度( m s ) ) 0 江苏大学硕士学位论文 9 蔫8 5 二 8 粪7 5 7 喷嘴风速( m s ) 图2 6 循环量与喷嘴风速关系 f i g 2 6 r e l a t i o n s h i pb e t w e e t ls o i i d sc ir c u l a t i o nr a t ea n dg a sv e l o c i t yo fj e t 2 3 ，3 物料的循环 导向管内物料在进入点附近是以颗粒群的状态运动，然后逐渐分散，进入等 速运动阶段。到了旋转导向管，物料又集中，并逐渐过渡到水平加速运动，从旋 转导向管出来后形成旋转的抛射流洒落到环形区。如果导向管内气流速度不够 大，物料将在导向管内的某一个高度流化而不喷出来；另一种气流速度不够的表 现是，部分物料在旋转导向管的水平段堆积而堵塞。环形区物料在重力作用下向 下移动，到了喷嘴附近再次进入循环，床身物料在径向的移动速度并不相等，中 心速度快，边缘速度慢。 2 4 本章小结 分析了现有喷动床结构的局限性，提出了旋转导向管喷动床的新型结构。在 自行设计的旋转导向管喷动床上进行了流体力学实验，得到了压降曲线和物料循 环规律。实验表明旋转导向管喷动床的流体力学特性和导向管喷动床相近。 江苏大学硕士学位论文 第三章旋转导向管喷动床恒温干燥实验研究 3 1 概述 3 1 1 喷动床干燥的机理 在喷动床干燥过程中，热空气将热量传给物料，物料表面水分汽化，并通过 表面外的气膜向气流扩散，与此同时，由于物料表面水分的汽化，物料内部水分 受水分梯度的推动向表面扩散。汽化的水分出空气带走，所以干燥介质既是载热 体，又是载湿体，它将热量传给物料的同时，把由物料中汽化出来的水分带走。 干燥是传热和传质相结合的操作，干燥速率由传热速率和传质速率共同控制。干 燥操作的必要条件是物料表面的水气分压大于干燥介质中水气的分压，两者差别 越大，干燥操作进行得越快【2 2 】。 在喷动床干燥中，物料从导向管喷出藩到环形区。气体则带走物料中的水分。 物料在环形区进入缓苏阶段，颗粒内部水分重新分稚，趋于均匀，有利于物料进 入下一一次循环，提高干燥速度；同时可以降低颗粒内部由于水分梯度产生的应力， 从而减少干燥过程中物料的开裂。缓苏过程实质上是颗粒内部水分转移的过程 1 2 3 j 2 9 j 。 在导向管喷动床中，颗粒在导向管中高度分散，使得气固之间的传热传质的 表面积大大增加，再加上由于气流速度达到1 5 - 2 5 m s ，气固间较高的相对速度使 气固间有较大的面积给热系数，也有有较大的体积给热系数：另外，由于颗粒在 导向管中主要处在加速阶段，气固间相对速度较大，且颗粒本身的绝对速度较小， 同时，气固两相问的给热温差又较大，就使得颗粒在导向管中加速运动时，具有 较高的传热传质效率 3 0 j 【3 l l 。 旋转导向管的引入，使得物料在环形区的分布尽可能均匀，因而使得物料在 环形区缓苏的时间一致，同时也使得物料再次进入导向管干燥的时间一致，使得 物料的干燥更加均匀。此外，在旋转导向管中当气流和物料运动到弯头时由于 气流和物料的惯性的不同，具有剧烈的相互作用，也会加强传递作用。 2 江苏大学硕士学位论文 31 ，2 旋转导向管喷动床的传热传质 气流与床层物料间的传质可能受外部条件控制，也可能受内部条件控制。喷 动床内干燥谷物时一般处于降速阶段，传质由内部条件( 即水分的内部扩散) 所 控制。喷动床气固两相的传热性质是由喷动床中气体和颗粒的运动特性所决定 的。导向管中气体和颗粒的混合十分剧烈。与固定床相比，其传热效率明显提高 川。 气体与颗粒间的传热包括传导、对流、辐射，当床内温度小于6 0 c 时，对流 传热占主导地位。气固问传热系数的大小与气体在颗粒周围空隙间的流动状态密 切相关。提高气体流速，传热效率一般得到提高。此外，颗粒的大小和密度，床 体的结构特性以及内置构件等都对气固之间的传热有很大影响】【2 6 】。 本章以湿小麦为物料进行一系列实验，分析实验结果并和其他喷动床实验结 果比较，探索旋转导向管喷动床用于干燥的可行性。实验包括装料量实验，环形 区粮温分布实验，恒温干燥工艺优化实验。 3 1 ，3 实验设备及材料 旋转导向管喷动床：喷动床柱体内径4 0 0 r a m ，高7 0 0 m m ，下面为6 0 。锥角的 锥筒。导向管内径4 0 m m ，导喷距( 导向管下 端距喷嘴上端的距离) 5 5 m m ，导向管旋转速 度13 r i m ( 图4 1 ) 。 烧杯：5 0 m l ，3 0 只 电子天平：o 2 0 0 9 ，精度0 1 9 磅称：5 0 k g 烘箱：0 3 0 0 温度训：1 5 0 c 一支，1 0 0 。c 五只 卧式冰柜，风机，温控仪，流量计，电 加热器等。 实验材料：小麦，采购于镇江京口粮闸 1 风机2 流量计3 旁通闷4 加热嚣 5 温控仪6 温度表7 旋转导向管喷动床 图3 1 实验装置 f i g 3 。le x p er i m e n t a le m l ip m e n t 江苏大学硕士学位论文 32 装料量对旋转导向管喷动床干燥特性的影响实验 关于入口风温、风量对于干燥影响的研究已经很多，本实验围定风漏、风量、 导喷距离，装料量分别为l o k g 、2 0 k g 、2 5 k g 和3 0 k g ，研究装料量对于干燥特性 的影响。实验条件：风量1 0 6 m h ( 2 0 。c ，1 0 1 3 k p a ) ，入口风温l i o 。c 。 3 2 1 实验方法 将1 5 0 k g 小麦用水浸泡至含水率2 5 ( 湿基) 左右，沥干后放置在1 2 的 冷藏冰柜中，经7 2h 后小麦水分充分均匀，可供实验用。实验时，先把各阀门丌至 最大再调到所需风量，设置温控仪温度，接通加热电源，预热系统。待整个系统 达到稳定，加入物料，每十分钟记录一次粮温、排气干球和湿球温度，停止旋转 导向管( 取样后立即启动旋转导向管) 用烧杯取样并称湿麦重。干燥l o o m i n 后停 机( 由于干燥速度慢，装料3 0 k g 实验时i n1 2 0 m i n ) ，把湿麦样品放入烘箱，用1 0 5 烘2 4 小时后称干麦重，并计算湿麦样品合湿量。 3 2 2 实验结果曲线 不同装料量时，小麦层的温度、小麦的含湿量和排气温度情况如图3 2 、图 33 和图3 4 所示。 8 “ 7 n 一6 0 暑5 0 蜓d 0 3 ( ) 簧 i 【l 0l 【)2 n：、，14 05 06 07 )8 0h 01 0 i l 时闾【分) 一装料i o k g 十装料2o k g * 一装料25k g 装斟3 ( k g 图3 2 不同装料量下粮温曲线 f ig 3 2 t e m p e r a l u r eo fp a r t ic l eu n d e rd i f f e r e n tl o a d i n g 江苏大学硕士学位论文 80 60 p 一40 村 蝇2 0 0 4 夺 夺o pp 时间( m in ) p 装料10 kg f 装料20 kg ： h 装料25kg + 装料3 0 kg 图3 3 含湿量变化曲线 f i g 3 3 c u r v eo f c o n t a i n i n gw a t e r u1u2uj 【i4u，o60，uguy u1uu 时间( m i q ) _ 一装料1o kg _ 一装料2 o k g 一+ 一装料25 k g _ k 一装料3 0 k g 图3 4 排气干球温度曲线 f i g 3 4t e m p e r a t u r eo f e x h a u s t 从图3 2 和图3 3 可