（机械设计及理论专业论文）热风炉开发及干燥机强度分析.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 热风炉开发及干燥机强度分析 摘要 闭路循环干燥系统是一种新型的干燥系统，它在有机溶剂干燥方面有着广阔的 发展和应用前景。本文从节能和可靠性两方面分别对闭路循环干燥系统中的热风炉 和干燥机部分分别作了深入的研究和分析，从而为这种新型干燥系统用于工业化生 产提供了理论依据，本文所做的工作主要有以下几个方面： 本文以环保节能为原则，对干燥系统中的热风炉部分进行了开发研究，以提高 热风炉的传热系数为理论基础，对原有热风炉结构进行改进，采用喷流、插入件技 术，开发研制了间接换热高温高效热风炉，这一技术大大提高了换热效率和出口风 温，降低了干燥系统的能耗，并在实际生产中得到了验证。 本文利用有限元分析软件a n s y s 对闭路循环干燥系统中的新型振动流化床干 燥机进行了动态分析。由于振动的导入，使得对振动流化床干燥机这一振动系统进 行动态分析成为必要。本文利用大型有限元软件a n s y s 对振动流化床干燥机进行 了动态分析中的模态分析和谐响应分析：模态分析得到了振动流化床干燥机的前十 阶固有频率，并在此基础上扩展得到了干燥机的前十阶振型，可用于指导振动流化 床干燥机的动态设计；谐响应分析得到了几处危险点的应力和位移对频率的响应曲 线，为振动流化床干燥机的激振力频率的选择提供了理论依据，并得到了工作频率 下振动流化床干燥机的整体及电机挂板的应力分布，为振动流化床干燥机的设计和 改进提供了依据。 针对实际生产中振动流化床干燥机电机挂板上螺栓孔处易出现裂纹的现象。本 文利用a n s y s 软件弹性接触分析的功能，分两种工况对电机挂板进行接触应力分 析，得到了两种工况下接触应力的分布，找出了易出现裂纹的位置，为电机挂板进 一步的疲劳分析提供了理论依据。 关键词：干燥闭路循环热风炉振动流化床干燥机动态分析接触应力 a n s y s 一一 东北大学硕士学位论文a b s g a c t t h e d e v e l o p m e n to f h o t - b l a s tf u r n a c ea n d t h es t r e n g t ha n a l y s i so f d r y e r a b s t r a c t l o o p c i r c u i td r y i n gs y s t e mi san e wk i n do fd r y i n gs y s t e m ，w h i c hh a s aw i d e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d i nt h ep a p e r ，a c c o r d i n gt oe n e r g y - s a v i n ga n d r e l i a b i l i t ya s p e c t s ，h o t - b l a s tf l l l t l a c ep a r ta n dd r y e rp a r to fl o o p c i r c u i td r y i n gs y s t e ma r e d e e p l yr e s e a r c h e da n da n a l y z e di n d i v i d u a l l y ，t h e r e b yw h i c hc a l lp r o v i d ei n d u s t r i a l i z a t i o n p r o d u c t i o no ft h i sn e wk i n do fd r y i n gs y s t e mw i t ht h e o r e t i c a lr e l i a n c e ，t h ew o r k sh a v e b e e nd o n ei nt h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： i nt h ep a p e r , a c c o r d i n gt oe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g y s a v i n gp r i n c i p l e s ， h o t - b l a s tf b r b a c ep a r to ft h el o o p - c i r c u i td r y i n gs y s t e mi sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d i n t h et h e o r e t i c a lb a s eo fi m p r o v i n gh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fh o t - b l a s tf u r n a c e ，o r i g i n a l l y p o s s e s s e dh o t - b l a s tf u r n a c e s m a c l u r ci sr e f o r m e d u s i n gj e ts t r e a ma n di n t e r p o s i t i o n t e c h n o l o g y t h ea u t h o rh a sd e v e l o p e dt h ei n d i r e c t l ye x c h a n g i n gh e a tl l i g ht e m p e r a t u r ea n d l l i 曲e f f i c i e n c yh o t - b l a s t 缸n a c e t h et e c h n o l o g yh a sr a i s e dt h ee f f i c i e n c ya n do u t 、v i n d t e m p e r a t u r ea n d r e d u c e dt h ee n e r g yw h i c ha r en e e d e db yt h ed r y i n gs y s t e m ，b e e nv e r i f i e d i np r a c t i c a lp r o d u c i n g i nt h ep a p e r , u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y st h ea u t h o rh a sd o n ea d y n a m i c a la n a l y s i so nl a t e m o d e lv i b r a t e df l u i d i z e db e dd r y e r b e c a u s eo f t h ep a r t i c i p a t i o n o fv i b r a t i o n , i ti sn e c e s s a r yt od oad y m u n i c a la n a l y s i so i lv i b r a t e df l u i d i z e db e dd r y e r i n t h ep a p e r ，t h ea u t h o rh a sd o n em o d a la n dh a r m o n i ca n a l y s i so fd y n a m i c a la n a l y s i so n v i b r a t e df l u i d i z e db e dd r y e r ：t h r o u g ht h em o d a la n a l y s i st h ef r o n t a l1 0n a t u r a lf r e q u e n c y h a v eb e e na c h i e v e da n di nt h eb a c k g r o u n dt h ef r o n t a l1 0v i b r a t i o nm o d ea r cg m n e d w h i c hc a nd i r e c td y n a m i c a ld e s i g no f v i b r a t e df l u i d i z e db e dd r y e r ；t h r o u 曲t h eh a r m o n i c a n a l y s i s c u r v e so fr e s p o n s i n gt of r e q u e n c yo fd i s p l a c e m e n ta n ds t r e s so fs o m eo f d a n g e r o u sn o d e sh a v eb e e na c q u i r e d , w h i c h c a l lp r o v i d es e l e c t i n gf r e q u e n c yo fv i b r a t e d e l e c t r o m o t o rw i t ht l l e r e t i c a lr e l i a n c e a tt h es a l l et i m et h es t l e s so fv i b r m e df l u i d i z e db e d d r y e ra n dt h eb r a i db o a r dh a sb e e na c q u i r e d ，w h i c hc a l lp r o v i d ed e s i g n i n ga n dr e f o r m i n g v i b r a t e df l u i d i z e db e dd r y e r 、 ，i mt h e r e t i c a lr e l i a n c e a i m i n ga tt h ec a s eo fc r a c k l e so c c u r r e n c ei nt h el o c a t i o no fs t u db o l th o l l o wi nt h e e l e c t r o m o t o rb r a i db o a r do f v i b r a t e df l u i d i z e db e dd r y e r i nt h ep a p e r ，t h ea u t h o rh a sd o n e i 一 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t ac o n t a c ts t r e s sa n a l y s i so ne l e e t r o m o t o rb r a i db o a r di nt w od i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s u s i n gt h ea n s y s e l a s t i cc o n t a c ta n a l y s i sf u n c t i o n t h ec o n t d b u f i o n so fc o n t a c ts t r e s sa r e a c q u i r e da n dt h el o c a t i o no ff r e q u e n tc r a c k l e si sf o u n d a l la b o v er e s u l t sp r o v i d ed e 印 f a t i g u ea n a l y s i so f b r a i db o a r dw i t ht h e r e t i c a lr e l i a n c e k e yw o r d s ：d r y ，l o o p c i r c u 也h o t - w i n df u r n a c a j ，v i b r a t e df l u i d i z e db e dd r y e r , d y n a m i c a l a n a l y s i s c o n t a c ts t r e s s a n s y s 一一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 干燥是古老的单元操作之一，它通常是将热量加于湿物料并排除挥发性湿分( 大 多情况下是水) 而获得一定的湿含量固体产品的过程。干燥技术在国民经济中具有 重要的意义，除少数情况外，现今大多数工业产品均在某个阶段需作干燥处理，干 燥技术也随着相关产业的发展有着比较大的进展。在许多产品的生产中，干燥都是 重要的工艺环节之一。 作为一种史前的原始操作，干燥通常不与革新相联系，现在需要干燥的产品都 在使用现有的干燥技术( 某些技术实际上已有几百年的历史) ，所以对一般使用者而 言，通常不认为有必要对干燥和脱水进行革新以及进一步研究和发展，这反映干燥 所能吸引的研究和发展资金还处于相对低的水平。干燥是古老的单元操作之一，然 而它也是最复杂、人们了解较浅的技术，在干燥技术的许多方面存在着“知其然而 不知其所以然”的状况，因而大多数干燥器的设计仍然依赖于小规模试验及实际操 作经验。近年来，随着全球经济、技术的竞争同趋激烈，人们对有效利用能源、实 现对环境的良好操作以及提高产品质量的意识在逐步增强。干燥技术的发展，必须 通过革新的方式，进行开拓性研究，以迎接时代的挑战。 任何一种技术从出现到成功应用于生产实践都要经历一个漫长的探索过程，尤 其是在初期阶段许多亟待解决的问题都没有经验可循，只能在理论基础完备的基础 上经过无数次的试验才能最终成为一种成熟的新技术。 1 1 课题的提出及意义 1 1 1 课题背景 传统的对流干燥系统一般由鼓风机、加热器、干燥机、旋风分离器等几部分组 成，常用的干燥介质一般都是空气，首先空气经加热器加热到一定的温度后进入干 燥器和被干燥的物料进行热、质交换达到干燥的目的，由于排出干燥器的载湿体( 空 气) 都有一定的速度，难免会出现物料的夹带，为避免空气污染和回收这部分物料， 一般干燥系统都设有旋风分离器以回收被夹带的物料，若对排放的空气有更为严格 的要求时，往往设有二级除尘装置袋滤器，进一步气固分离，最后尾气直接排放 到大气中。其流程如图1 1 所示： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 一、2 、庐葡、户 伊5 三孙出 川 乍i = 三连昌 净忆姬=| 占萨斟嵝季声 o 图1 1 干燥系统流程图 1 鼓风机2 热风炉3 干燥机4 旋风分离器 f i g 1 1t h ep r o c e s sf i g u r eo f d r y i n gs y s t e m 1 b l o w e r2 h o t - b l a s tf u r n a c e 3 d r y e r4 c y c l o n es e g r e g a t o r 从流程图中可以看出：整个流程是开放的，也就是最终的干燥介质在排出旋风 分离器时仍有较高的热量和部分未被分离的被干燥物料的细粉，这样的气体排放到 大气中既污染环境又浪费资源；另外，若被干燥的物料挥发出的溶剂不是水而是某 种有毒或有害的有机溶剂时，传统的干燥就不能满足要求。因此，需要一种新型的 干燥系统来解决这一的问题，闭路循环干燥也就是在这种情况下应运而生的。闭路 循环干燥顾名思义，就是载热体在干燥系统中作循环操作，其流程如图1 2 所示： 闭路循环干燥系统是一种技术先进、无粉尘和废气排放的新型干燥系统，它具 有干燥成品质量好、操作安全可靠，能全部回收溶剂等优点，可广泛应用于化工、 医药、生物和精细化工等领域含有机溶剂的干燥。 1 1 2 课题的提出 由于国内溶剂产品干燥的追切性不够强，而且闭路循环干燥装置加工、制造要 求较高，所以一次性投资比较大，由于以上原因，目前闭路循环干燥系统大都处在 小试或中试规模。但闭路循环干燥系统以其自身的独特性，仍有着广阔的发展和应 用空间，对这一领域的研究将会促进闭路循环干燥系统的工业化进程，有着深远的 实际意义。 随着人们环保意识的提高，环保和节能逐渐成为社会和企业关注的焦点，同时 也成为衡量一个产品开发成功与否的重要尺度，干燥作为国民经济发展不可缺少的 一2 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 一项技术，其能耗约占整个加工过程能耗的1 2 左右。统计资料表明：法国干燥操 作的年能耗约为1 6 8 1 0 9 m j 年，美国达1 6 0 0 x 1 0 9 埘年，瑞典化学工业中干燥占 总能耗的1 5 ，中国干燥操作的能耗约占总能耗的1 0 吼因此，必须设法提高干 燥设备的能量利用率，节约能源。 图1 2 闭路循环干燥系统流程图 1 鼓风机2 热风炉3 振动流化床干燥机4 旋风分离器 5 冷凝塔6 液泵7 冷凝器8 缓冲罐 a 冷却水进口且冷却水出口c 待干燥物料进口 d 干燥后物料出口f 物料出口，溶剂回收出口 f i g 1 2t h ep r o c e s sf i g u r eo f l o o p - c i r c u i ta t r i gs y s t e m 1 b l o w e r2 h o t - b l a s tf u r n a c e3 v i b r a t e df l u i d e db e dd r y e r 4 c y c l o n es e g r e g a t o r5 c o n g e a l e dt o w e r6 l i q u i dp u m p 7 c o n g e a l e de q u i p m e n t8 b u f f e rp o t a i n l e to f c o o lw a t e rb o u t l e to f c o o lw a t e rc ，i n l e to f r a wm a t e r i a lw i l lb ed r y e d d o u t l e to f d r y e dr a wm a t e r i a leo u t l e to f r a wm a t e r i a l fo u t l e to f r e c y c l e ds o l v e n t 闭路循环干燥系统作为一种新型的干燥系统，它的应用和推广同样也受到能源 问题的制约，如何提高闭路循环干燥系统的能源利用率，成为这一新型干燥系统成 功应用于工业生产的关键。本课题就干燥系统节能问题，针对目前所用的热风炉普 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 遍采用板、光管对流换热，换热系数不高等缺陷，通过对其结构进行改造，采用喷 流换热及插入件技术，开发研制了一种新型的间接换热高温高效热风炉，从节能方 面为闭路循环干燥系统应用于工业生产提供依据。 针对待干燥物料的特点结合闭路循环干燥工艺流程的特殊性，拟选用振动流化 床干燥机作为该系统的干燥主机，它是一种较为成功的改型流化床干燥机，它是将 振动施加于流化床上，使物料在分布板上跳跃前进，同时与分布板下方送入的热风 接触进行热、质传递达到干燥的目的，它与普通流化床相比表现出许多优点，例如： 避免了死角的出现，因而可以干燥像炸药之类的危险物料：激振力的大小可调，其 生产能力范围较大，结构上可以实现较为理想的密封，可以应用于闭路循环干燥。 干燥机是整个系统的关键部件，它的使用寿命决定着整个系统的使用周期，和其它 振动机械一样，由于是承受周期性交化的冲击载荷，且机体本身较为庞大，参振质 量大，所受的惯性力也较大，加上该种型号的干燥机机身主要是板梁焊接结构，易 出现焊接应力及微小裂纹，另外，由于闭路循环干燥大都用来干燥有机物，应尽量 避免干燥机内出现死角，以致物料堆积摩擦造成安全隐患，为此本文所选用的干燥 机的结构不同于一般的振动流化床干燥机，它在结构上是用一横筒横穿干燥机的下 箱体，两电机则对称挂在横筒两侧的挂板上，这种悬臂式的结构使干燥机的受力情 况更为复杂，这些因素对干燥机在实际使用中的强度都有很大的影响。归纳起来， 大致有以下几种破坏情况： 第一，下箱体侧板和箱座接触部位，易出现裂纹。 第二，横筒和挂板焊接处，易出现开焊现象。 第三，联接电机和挂板的螺栓被剪断，螺母和电机挂板的接触部位出现裂纹。 第四，支撑干燥机的减震橡胶弹簧发生破坏。 振动的导入使得振动流化床干燥机成为一种较为成功的改型干燥机，但同时也 使干燥机的受力情况更加复杂，单纯的静力分析已不能满足设计的要求。因此，有 必要对流化床干燥机作进一步的动态分析，以更加全面、准确地分析其受力情况， 为此，本文利用有限元软件a n s y s 对流化床干燥机进行了模态分析、谐响应分析 两方面的动态分析，为振动流化床干燥机的设计和改进提供理论依据。 在振动流化床干燥机中，螺栓的作用是将电机和电机挂板联接起来，使振动电 机的激振力传递到干燥机体上，进而带动干燥机体按照预定的轨迹运动，所以螺栓 的作用至关熏要。螺栓和螺拴孔相互接触，接触应力的大小直接影响到螺栓和电机 挂板的强度和寿命，但是一直以来关于螺栓接触应力的大小分布及其影响因素都没 有很好的定性和定量的分析，因而造成设计上的困扰，针对这一问题作者利用有限 元软件a n s y s 对螺栓和电机挂板的接触部分进行了一些研究和探讨。 总之，对于工作时承受很大交变载荷的干燥机而言，足够的强度及一定的使用 寿命，是设计、制造及使用部门共同关心的问题。而干燥机的有效正常工作是整个 一4 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 闭路循环干燥系统能正常运行的前提条件，也是这种新型的干燥系统能否真正放大 应用于实际生产的关键环节。因此本课题另一部分内容就是利用大型有限元分析软 件a n s y s 对该种型号的干燥机作动态及接触分析，找出于燥机出现上述破坏的原 因，从而为该种干燥机设计和改进提供依据，使其更加适合于闭路循环干燥系统。 1 2 闭路循环干燥系统的发展现状 闭路循环干燥方法是由格鲁斯曼首先提出，曾应用过热蒸汽作为干燥介质，以 闭路循环操作来干燥带臭味的物料 1 0 j 。另外，还发现它可以节约能耗，对高温下的 一些易氧化的物料干燥也是有利的。美国的贝塔等人在美国化学工程师协会第5 8 届年会上曾宣布：含有机溶剂的物料干燥可采用封闭式循环干燥法，以便溶剂得以 回收。丹麦n i r o 公司在1 9 9 2 年a c h e m a 展览会上曾展出可用来干燥溶液、悬浮 液、膏糊状物料或滤饼等的闭路循环干燥器。 国内关于闭路循环干燥的研究大都处在小试或中试规模，其中上海化工设计院 开发的闭路循环干燥系统，现已推广到上海某台资化工公司和江苏某化工集团等两 家单位，设备运行良好，经济效益显著，与传统的真空厢式干燥器或真空双锥转鼓 干燥器相比，有显著的优点。用p s a 制氮技术1 2 6 j 可以连续产出氮气，其纯度为9 5 9 9 9 ，压力0 6 m p a , 露点一4 3 0 c ，即水含量约1 0 0 1 0 “p p m ，氮气源的解决 为闭路循环干燥系统实现工业化提供了前提。工业上较小规模的应用闭路循环干燥 系统干燥聚氧化烯( p e o ) 、氧化剂1 0 7 6 、抗氧化剂1 6 8 等含有机溶剂的物料，能 成功地将产品的含湿率降至o 0 2 2 3 1 。而理论研究大都是关于闭路循环干燥应用的 综述性文章，其中文献1 1 1 i 提到了闭路循环干燥器，并简要介绍了其流程；文献uj 采 用间接加热闭路循环操作，干燥丙烯腈一丁二一苯已烯共聚物( a b s ) ，热效率高、 经济性好：文献1 2 4 j 对闭路循环干燥某种原料药进行了试验研究，试验结果达到了预 期的湿含量并对所得的数据进行了分析和讨论：文献1 3 3j 将a b s 装置于燥系统改为 氮气循环的闭路循环干燥，改造后彻底消除了a b s 粉料在空气中的氧化，降低了黄 度指数：由于闭路循环干燥主要用于含有机溶剂的干燥，而目前我国有机溶剂干燥 的迫切性还不够强，所以关于这方面的理论研究较少。 1 3 振动流化床干燥机的应用现状及研究 振动流化床干燥机由于其优越的性能，目前已广泛地应用于国民经济的各行各 业。振动流化床作为一种成功的改型流化床，在近3 0 年时间里获得了突飞猛进的发 展，其外形结构如图1 3 所示，根据生产能力和被干燥物料特性的不同，尺寸大小 和结构也会稍有不同。国外，如丹麦、瑞士、日本、法国等，均每年向工业界提供 一5 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 大批这种干燥设备，应用在乳品、糖精、盐、化肥、聚酯、饲料、化工产品等各个 领域。装置逐渐向专业化及大型化发展。针对具体物料的振动流化床技术日趋成熟， 如丹麦n i r o 公司用在乳品干燥上、瑞士s u l z e r 公司用在化肥和精盐上，都是非 常成功的例子。为追求更大的单机生产率和综合经济技术指标，法国高梅萨公司开 发了分布板面积为2 6 时的振动流化床，大型化的发展势必会进一步推动研究。我国 自7 0 年代起，也开始了振动流化床工业应用的研究。如上海第六制药厂于1 9 7 6 年 试制了用于糖精钠的振动流化床干燥器，节约厂房3 0 0 0 吖劳动力2 3 人，生产能 力提高7 8 倍。同时期，广州广利糖厂和黑龙江乳品研究所也试制了不同结构的振 动流化床【“。到了8 0 年代，我国振动流化床的生产与应用进入了高速发展阶段，相 继出现了一些专业化大规模生产振动流化床的工厂。从1 9 8 2 年开始至今，平均每年 向社会推出约2 0 0 台这种干燥机。应用的行业也由开始的制药、乳品等行业发展到 轻工、饮料、食品、矿冶、饲料、化肥、种籽等行业。 图1 3 振动流化床干燥机 f i g 1 3t h ev i b r a t e df l u i d i z e db e dd r y e r 振动流化床的概念出现于1 9 5 5 年，自6 0 年代以来，原苏联学者已发表了关于 振动流化床的报道，此后，东欧、加拿大等国学者作了大量探索。在理论研究方面 从1 9 8 6 年上海召开的全国第二次干燥技术交流会开始，国内才陆续有振动流化床研 究的论文发表。随后，有许多单位建起了初具规模的小型或接近工业振动流化床的 试验装置，对该技术的各个方面展开了系统的研究和探讨。目前对振动流化床的研 究在流体力学传热传质方面已有大量报导，但对机械结构刚度和强度方面的研究仍 不充分，此外对该机种的模拟放大问题仍主要根据经验，理论研究较滞后。近年来， 随着电子计算机的发展，以及一些大中型软件的普及，使科技工作者的计算手段发 生了巨大的变革，使对振动设各的强度的研究有了新的突破。 一6 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 振动流化床干燥机与振动筛相似，因此对它的研究可参考振动筛方面的相关资 料，另外，目前关于大型分体式振动流化床干燥机的研究的文献也较多，虽然闭路 循环干燥系统对系统各部分的密封性有严格要求，所以大型分体式振动流化床干燥 机并不适用于闭路循环干燥，但对其强度和结构的分析对本文所研究的振动流化床 干燥机的分析还是有一定的借鉴意义。b h 巴杜拉耶夫等人用结构力学的方法对 振动筛进行了分析研究，计算了主要应力，指出了破坏原因，但受当时计算工具的 限制，多数是依靠试验测试的结果来分析，比较粗糙，基本上是定性分析的。文献d 5 j 在对y r - 9 2 4 振动筛筛框的结构理论模态分析中，发现用s a p 5 理论建模求的模态 解和实测的模态解存在差异，但二者可以相互补充，相互修正，并将修正后的结果 作为最终的模态解，提供了一种提高模态解精度的方法。文献 4 7j 用s a p 9 1 对 p z g 1 2 7 5 型大型分体式水平振动干燥机作了静态有限元分析，发现最大应力发生 在横筒、侧板、激振器三者联接处，且整体应力分布中间部分较大。文献b3 j 中采用 了梁单元、平板单元对大型振动流化床作了振动模态分析，由于所选的单元对结构 的形状有较为严格的要求，计算过程中作了大量的简化，计算结果和用试验方法测 得的结果有一定的差距。文献u 1j 对振动流化干燥机的参数及其设计方法进行了研究 分析；文献川针对振动技术在干燥机上的应用作了详细的论述。文献川对大型振 动流化床结构强度的探讨中认为采用框架式结构及上盖分离是大型振动流化床干燥 机的最佳结构方式。以上各文献所做的分析，大都是针对大型分体式振动流化床干 燥机作的强度分析，且大都采用了板单元、梁单元组合方式，这必然会对机体的结 构作较大的简化。这种简化的计算模型将带来一定的计算误差，特别是对一些重要 的局部区域，其模态分析误差较大。另一方面，这种简化对随之要进行的三维应力 分析、时间历程响应分析带来更大的计算误差。为此，本文研究以a n s y s 为计算 软件全部采用三维6 面体实体单元s o l i d 4 5 来进行三维机体模态分析，为机体的结 构分析和改进设计提供了更准确的参考依据。而且各文献关于横简和电机挂板部分 的分析几乎没有；另外，由于电机是靠螺栓与电机挂板联接的，螺栓是主要的承载 部件，实际生产中也有螺栓被剪断发生破坏的现象，因此，螺栓的受力情况也是设 计关心的重点，有必要对其作详细分析；同时，对于挂板上螺栓孔附近的裂纹是否 是由于接触应力较大而产生的，关于这两个方面的分析研究目前还没检索到相关文 献。 1 4a n s y s 软件介绍 有限元方法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种在计算数学、计算 力学和计算工程科学领域最有效的现代计算方法。经过4 0 多年的发展已经使各种不 同的有限元方法形态相当丰富，理论基础相当完善，并且开发了一批通用和专用有 1 东北失学硕士学位论文 第一章绪论 限元软件，如a n s y s 、m s c w a s t r a n 、m s c i 雌r c 、和a l g o r 等。在众多可 用的通用和专用有限元软件中，a n s y s 是最为通用和有效的商用有限元软件之一， 用户也最为广泛。 a n s y s 是由美国s a s 公司世界著名的力学分析专家d r s w a n s o n 率领科技人 员多年研究开发的，在1 9 7 0 年推出其产品，三十年来，经过不断完善，该软件己成 为当今世界上颇有影响的大型通用有限元分析软件。a n s y s 公司作为c a e 领域领先 的软件公司，被美国( ( b u s i n e s s 2 o 杂志评为第一届“b 2 1 0 0 ”一即“1 0 0 家发 展最快的科技公司”之一。其软件也是工程仿真软件供应商中第一个，也是迄今为 止唯一通过i s 0 9 0 0 1 ：2 0 0 0 质量体系认证的软件。作为一个多用途的有限元分析软 件，a n s y s 从1 9 7 1 年的2 0 版本到今天的8 0 版本己有很大的不同，起初它仅提 供结构线性分析和热分析，现在可以进行结构、流体、电力、电磁场及碰撞等多领 域多学科问题的求解。它包含了前置处理、求解过程以及后置处理模块，将有限元 分析、计算机图形学和优化技术相结合，现已成为解决现代工程学问题必不可少的 工具。 a n s y s 软件的功能强大，应用范围非常广泛，其基本功能包括：结构静力分 析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、计算 流体动力学分析、声场分析、压电分析等。高级功能包括：多物理场耦合分析、优 化设计、拓扑优化、单元生死等。a n s y s 的分析过程包括3 个阶段：前处理、求 解及后处理。有限元分析是对物理模型现象( 几何变形及载荷状况) 的模拟，是对 真实情况的数值近似模拟。通过分析对象划分网格，并求解有限个数值参量来模拟 真实环境的无限个未知量。a n s y s 分析过程中包含的3 个主要步骤，每个主要步 骤及其子步骤如下： 1 建立有限元模型 ( 1 ) 建立或导入几何模型 ( 2 ) 定义材料属性 ( 3 ) 划分网格建立有限元模型 2 施加载荷并求解 ( 1 ) 定义约束 ( 2 ) 施加载荷 ( 3 ) 设置分析选项并求解 3 查看分析结果 ( 1 ) 查看分析结果 ( 2 ) 检验分析结果( 验证分析结果是否正确) 上述3 个主要步骤也就是a n s y s 分析过程的3 个阶段：前处理、求解及后处 理，其分析流程如图1 4 所示： 一8 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 a n s y s 是a n a l y s i ss y s t e m 的简写，该软件以其优越的性能得到广泛的应用， 己从1 9 7 1 年的2 0 版本至现在的8 o 版本，已有3 0 多年的历史，目前已经成为一 种广泛性的商业套装工程分析软件。 图1 4a n s y s 分析流程图 f 追1 4t h ef l o ws h e e to f a n s y sa n a l y s i s 1 5 接触应力的研究概况 接触问题是一种高度的非线性问题，接触问题中存在两个较大的难点：一是在 求解问题之前接触区域、表面之间是接触或是分开还是突然变化均是未知的，它们 随载荷、材料、边界条件等因素而定；二是大多数的接触问题需要计算摩擦，而摩 擦模型繁多，且均为非线性，摩擦的存在使问题的收敛变得更加困难恻。 目前国内关于利用有限元软件进行接触分析的研究比较多，涉及的领域也很广。 关于接触分析理论方面的研究包括三维摩擦接触问题算法和收敛性研究1 3 ”，三维弹 性接触问题的数值模拟技术及其应用研究1 3 5 j ，接触分析中确定接触面的方法的研究 【4 3 j 等。而关于有限元接触分析应用的例子也很多，涉及到轴承阻j 、齿轮h 、联接 件p 6 瑚，4 、航天1 4 6 j 等领域。 接触分析的发展使得对机构的强度分析更加全面，为设计和优化提供了更为确 切的理论依据。目前，关于振动流化床干燥机的螺栓和电机挂板的接触分析还没检 索到相关文献。 一9 一 东北大学硕士学位论文第二章间接换热高温高效热风炉的开发 第二章间接换热高温高效热风炉的开发 随着人们环保意识的提高，环保和节能逐渐成为社会和企业关注的焦点，同时 也成为衡量一个产品开发成功与否的重要尺度，闭路循环干燥作为一种新型的干燥 系统和其他干燥系统一样能耗也是其首要考虑的问题，同时能耗也是这种新型的干 燥系统能否真正实现工业化生产的关键。因此，本章将对闭路循环干燥系统的热源 部分一热风炉作探讨。 2 1 技术背景 闭路循环干燥系统是一种新型的干燥系统，主要用于干燥含有机溶剂的物料， 用于回收溶剂，降低环境污染，但大部分有机溶剂气体都其有可燃性，当气体和空 气的比例达到一定极限时，还存在爆炸的危险。因此，与传统的干燥系统不同，空 气不能作为闭路循环干燥系统中的干燥介质。由有机溶剂气体的性质可知，当有机 溶剂中惰性气体的含量增加时，其混合物的爆炸极限范围就会缩小，当惰性气体的 含量增加到某一值时，混合物将不再发生爆炸。据此，选用物理和化学性质都较稳 定的惰性气体一氮气作为闭路循环干燥系统的干燥介质。 目前，用作加热空气或氮气输出热风的设备主要有三种，一是以电能为能源的 电热风炉；二是以锅炉蒸汽为热源的空气热交换器，这两种设备都能获得温度稳定， 纯净的热风，但是电热风炉需要消耗大量电能，成本比较高，有的还要架设电缆、 安装变压器等，而电是高品味能源，一次性投资比较大：利用锅炉蒸汽加热空气所 获得的热风温度比较低，一般只有1 3 0 1 4 0 。c ，要提高热风温度，需要提高蒸汽 压力，而对锅炉类压力容器过大的蒸汽压力则给操作带来了安全隐患。因此，用锅 炉蒸汽加热空气往往不能满足对热风温度的要求；三是热风炉，热风炉自带燃烧室， 是燃烧室与热交换器一体化的热源设备，燃料在燃烧室中燃烧，产生的高温烟气直 接加热空气，可以获得高达4 0 0 0 c 以上的热风。 对于氮气的加热可采用干燥设备的常用热风源热风炉，但由于闭路循环干燥 系统的特殊性，要求被加热的氮气不被污染；且氮气本身的热容量较小，相同换热 量下，需要的换热面积较加热空气更大。因此，为使热风炉不过于笨重，节约能源 和金属材料，须提高热风炉的换热系数。鉴于此，作者结合闭路循环干燥系统的特 点，在原有热风炉的基础上开发研制了间接换热高温高效热风炉，从节能方面为闭 路循环干燥系统应用于工业化生产提供理论依据。 一1 0 一 东北大学硕士学位论文第二章间接换热高温高效热风炉的开发 2 2 热风炉现状 自给能源热风炉较蒸汽热风炉和电热风炉有着显著的优点，但目前使用的热风 炉大都采用板、光管对流换热，普遍存在换热效率低、换热系数不高等缺陷，因此， 关于提高热风炉换热效率的研究的文献也比较多，文献1 4 9j 采用在燃烧室上部高温火 焰区用特殊结构的套管辐射锅进行辐射热交换技术，效果明显，但由于火焰区温度 较高，所以使用中有辐射锅底烧损的现象；文献【”j 采用两级换热及分体结构，可获 得5 5 0 0 c 以上高温热空气，热效率达7 5 以上。 目前工业化普遍应用的都是对流间接换热热风炉，其效果也较显著，但其出口 风温低，提高其出口风温制造成本又过高，一次性投资较大。而且，目前热风炉普 遍存在换热效率不高的缺陷，这主要是炉体内结构不同造成的，冷气如何在炉体内 多停留一段时间，并能快速带走炉内的热量，是提高热风炉热效率的关键。与其相 比，作者利用多种热工技术研制的适合多种燃料的间接换热高温高效热风炉，在工 业化生产中，在不提高投资的情况下，采用喷流、插入件技术，提高了热风炉的总 的换热系数，即节约了能源，又可达到较高的出口风温，显示出较强的竞争力。 2 3 理论基础 单就对流干燥而言，干燥机的进出口温差就直接决定着干燥工艺的效率、产能， 而提高这个温差又不能无限度地降低出口风温。因为有的干燥工艺采用二级回收， 其二级回收的袋滤器处，风温必须高于露点，所以在物料的物性允许的情况下只能 提高干燥机的进口风温。而提高进口风温就意味着增加热风源的投资。因此，有必 要开发高风温、高效率、低制造成本的热风炉。 干燥设备的热效率可表示为下式： f 一十 玎= 1 ! 1 0 0 ( 2 ，1 ) t l r 式中f 1 一f ，干燥过程中的热风的温度差：。c t 。气温度；o c 由式( 2 1 ) 可知，提高热风的温度，是提高热效率的关键。因此，在实际操作 时，在不影响被干燥物料的质量前提下，尽可能提高热风入口温度，降低排风温度， 对节约能源具有重大意义。间接换热高温高效热风炉就是在此基础上开发的用以提 高干燥系统热效率的热风炉。 对于烟气一金属壁一热空气的传热方式，热风炉输出的热量为： q = k a - r ( 2 2 ) 东北大学硕士学位论文第二章间接换热高温高效热风炉的开发 式中g 单位时问换热量：叫 世综合换热系数：材b 2 h 。c ) r 烟气与空气在换热段的平均温差；。c a 换热壁面积；m 2 而对于烟气一金属壁热空气的传热方式，综合传热系数k 为： 如尥口，+ 跗+ l ) q 3 式中 口，主辐射腔的辐射对流放热系数：u | m 2 h - 。c ) 嘞对流放热系数；七，k 2 h o c ) s 传热壁厚；m 五在工作温度下传热壁的平均导热系数；驯b 2 。c ) 烟气与空气平均温差t ： 丁：鱼二垒挺 尘 ( 2 4 ) l n 生二垒 式中，烟气的初始温度；o c ，为烟气的终了温度；。c r ，空气的进口温度；。c ，。为空气的出口温度；o c 从式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 4 ) 可以看出，有三种方法可以增加热风炉中空气 和烟气的热交换量，提高热风炉的传热效率： ( 1 ) 在一定的金属耗量下尽量增加换热面积a ( 2 ) 增大两换热介质之间的平均温差a t ( 3 ) 提高传热系数足 本文对热风炉的开发研制也正是基于这一理论基础，对热风炉的结构作了改进， 采用喷流、插入件技术，旨在增加空气和烟气的换热量，提高热风炉的效率。 2 4 设计流程 由于间接换热高温高效热风炉的结构及传热过程和实际的管壳式换热器十分接 近，同时插入件的使用使得该结构和翅片管式换热器有相似之处，因此，作者在间 接换热高温高效热风炉开发研制过程中的初步设计阶段的理论计算参照了这两种类 一1 2 东北大学硕士学位论文第二章间接换热高温高效热风炉的开发 型的换热器的设计。设计过程如下： ( 1 ) 由烟、气的4 个进出口温度，根据式2 4 计算平均温差丁： ( 2 ) 根据选定的热风炉的结构特点和流体流动方式，计算温差修正系数孝； ( 3 ) 假设传热系数为k ，由传热计算公式： o = k a r 善 ( 2 5 ) 初步估算换热面积4 ： ( 4 ) 根据换热面积a 和流体的流动方式，设计布置热风炉的结构； ( 5 )由布置好的热风炉结构，计算相应的传热系数k ： ( 6 ) 比较 i x - x _ _ _ j ：( 2 6 ) k 是否满足设计要求，如果不满足要求，重复步骤( 3 ) ( 5 ) ； ( 7 ) 计算两流体的流动阻力，如果流动阻力过大，则改变方案，重新设计。 由于热风炉的换热过程及机理极为复杂，其结构严格说来即不属于管壳式换热 器，也不属于翅片管式换热器，且烟气的物性参数随燃烧介质的不同而不同，因此 理论计算存在一定的误差，仅在设计初级阶段用于初步估算。而热风炉的使用已有 一定的历史，其技术目前已经比较成熟，在设计方面也积累了一定的经验。因此， 在间接换热高温高效热风炉设计过程中，作者采用了理论计算和以往设计经验相结 合的方法来完成的。 2 5 间接换热高温高效热风炉的结构特点 2 5 1 结构特点 间接换热高温高效热风炉主要由上部换热体、下部燃烧室组成，换热体和燃烧 室一体，因此结构比较紧凑。 如图2 1 所示，上部换热体为热风炉主体，采用内外镶套式结构，内筒为辐射换 热段，下部高温区空气侧采用多孔喷流冲击换热，外部采用环形密集排列多层钢管， 管内加螺旋形插入件，插入件管外部围筒上加肋片，增加对流换热的换热面积。 下部燃烧室主要有支架、护筒及耐火浇注料成型，可根据燃料种类不同制成燃 煤、燃油、燃气多种结构