（动力机械及工程专业论文）蒸汽管间加热转筒干燥器cad系统的设计与开发.pdf

摘要 蒸汽管间加热转筒干燥器作为一种新型的干燥设备广泛应用于化工、医药、 石化、食品、木材、粮食等领域，其研制与开发备受重视。目前国内没有完善的 蒸汽管间加热转筒干燥器设计方法和设计标准。此外，传统的干燥器设计方法普 遍采用手工计算与手工绘图，难以满足干燥器设计要求。因此，针对蒸汽管间加 热转筒干燥器设计提出一种新的设计计算方法，并开发出一套集工艺计算、c a d 参数化绘图于一体的辅助设计软件包对蒸汽管间加热转筒干燥器的开发与工程 应用具有重要的意义。 本文针对蒸汽管间加热转筒干燥器提出了一种设计计算新方法，并开发出一 套集工艺设计计算、参数校核、图纸绘制于一体的蒸汽管间加热转筒干燥器c a d 设计系统，其主要研究成果如下： ( 1 ) 基于传统的蒸汽管间加热转筒干燥器和回转窑式转筒干燥器的设计方 法，将回转窑式转筒干燥器的分段设计方法应用到蒸汽管间加热转筒干燥器的设 计过程中，提出了一种将蒸汽管间加热转筒干燥器设计分为预热段、蒸发段、升 温段的分段式设计新方法。 ( 2 ) 基于面向对象的模块化组合设计思想，进行了蒸汽管间加热转筒干燥 器c a d 系统方案设计，包括：参数数据库管理子系统、工艺设计子系统、参数 化绘图子系统及结果输出子系统。 ( 3 ) 根据蒸汽管间加热转筒干燥器传热传质机理与分段式设计新方法，开 发出蒸汽管间加热转筒干燥器的工艺设计计算子系统，实现了蒸汽管间加热转筒 干燥器热力参数的自动计算。并且将蒸汽管间加热转筒干燥器系统的整体计算方 法获得的结果与分段式计算方法获得的结果进行对比校核，提高设计参数的准确 性和干燥器的设计精度。 ( 4 ) 以a u t o c a d 2 0 0 7 为开发平台，基于上述热力计算结果基础上二次开发， 开发出了参数化绘图系统，实现了蒸汽管间加热转筒干燥器排管图自动绘制功 能。 ( 5 ) 将蒸汽管间加热转筒干燥器c a d 系统应用到工程实例计算中，计算结 果实例数据对比，有一定的误差但在可以接受的范围内，说明软件系统的可行性。 本软件系统具有用户界面友好、操作简单、实用性强等特点。该系统的应用 提高了蒸汽管间加热转筒干燥器设计精度、缩短了研发周期、提高了能源利用率， 同时对其它类型干燥器的研究与设计具有重要的参考价值。 关键词：蒸汽管间加热转筒干燥器；工艺设计计算；分段校核；模块化设计； c a d 参数化绘图 a b s t r a c t a san e wd r ye q u i p m e n t ，t h es t e a mt u b e sh e a t e dr o t a r yd r y e ri s w i d e l yu s e di n c h e m i c a li n d u s t r y , m e d i c i n e ，p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , f o o d ，t i m b e ra n ds oo n s ot h er e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to fd r y e r sh a sb e i n gp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n a tp r e s e n t , t h ed e s i g n m e t h o da n dd e s i g ns t a n d a r da r en o tc o m p l e t e l yf o r m e da b o u ts t e a mt u b e sh e a t e dr o t a r y d r y e ri no u rc o u n t r y i na d d i t i o n , t h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o do fs t e a mt u b e sh e a t e dr o t a r y d r y e rc a nn o tm e e td e s i g nr e q u i r e m e n t sb e c a u s ei t sd e s i g nm e t h o da d o p t sm a n u a lc a l c u l a t i o n a n dd r a w i n g s oi th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nt h a tan e wd e s i g n a n dc a l c u l a t i o nm e t h o do ft h es t e a mt u b e sh e a t e dr o t a r yd r y e rw a sp r o p o s e da n dt h ed e s i g n s o f t w a r es y s t e mw h i c hc a nr e a l i z et h ef u n c t i o n so ft h et e c h n o l o g i c a ld e s i g nc a l c u l a t i o n , c a d p a r a m e t r i cd r a w i n gw a sd e v e l o p e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，an e wd e s i g na n dc a l c u l a t i o nm e t h o do fs t e a mt u b e sh e a t e dr o t a r y d r y e rw a sp r o p o s e da n dt h ec a dd e s i g ns y s t e mw i t ht e c h n o l o g i c a ld e s i g nc a l c u l a t i o na n d p a r a m e t r i cd r a w i n gw a sd e v e l o p e df o rs t e a mt u b e sh e a t e dr o t a r yd r y e r m a j o rr e s e a r c h r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt r a d i t i o n a ld e s i g nw a yo fs t e a mt u b e sh e a t e dr o t a r yd r y e ra n dr o t a r yl 【i l n d r y e r , t h es e c t i o n a lt y p ed e s i g nm e t h o do ft h er o t a r yk i l nd r y e ri su s e di nt h ed e s i g np r o c e s s o fs t e a mt u b e sh e a t e dr o t a r yd r y e r , a n dan e ws e c t i o n a lt y p ed e s i g nm e t h o dw h i c hd i v i d e s t h ed e s i g no fs t e a mt u b e sh e a t e dr o t a r yd r y e ri n t ot h r e es e c t i o n ：p r e h e a ts e c t i o n , e v a p o r a t o r s e c t i o n , w a r m i n gs e c t i o ni s 芦o p o s e d ( 2 ) b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fo b j e c t - o r i e n t e ds o f t w a r ea n dm o d u l a r i z e dp r o g r a m ，t h e d e s i g np r o p o s a lo ft h ec a ds y s t e mo fs t e a mt u b e sh e a t e dr o t a r yd r y e ri n c l u d i n g t e c h n o l o g i c a ld e s i g n c a l c u l a t i o n s u b s y s t e n l ，p a r a m e t e rd a t a b a s es u b s y s t e m ，p a r a m e t r i c d r a w i n gs u b s y s t e ma n d r e s u l t se x p o r ts u b s y s t e mw a sb r o u g h tf o r w a r d ( 3 ) b a s e do nt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rm e c h a n i s ma n dt h es e c t i o n a ld e s i g nw a yo f s t e a mt u b e sh e a t e dr o t a r yd r y e r , t h et e c h n o l o g i c a ld e s i g ns u b s y s t e mw h i c hc o u l dr e a l i z e st h e a u t o m a t i cc a l c u l a t i o no ft h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r sw a sd e v e l o p e d i na d d i t i o n , t h er e s u l t s w e r ea g r e eb yc o n t r a s t i n gt h et r a d i t i o n a l l yi n t e g r a t e dc a l c u l a t i o nm e t h o da n dt h en o w s e c t i o n a lc a l c u l a t i o nm e t h o d ( 4 ) u s i n ga u t o c a d2 0 0 7 a s p l a t f o r ma n db a s e do nt h ec o m p u t i n gr e s u l t so f t h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r s ，t h ec a dp a r a m e t r i cd r a w i n gw a sa c h i e v e d , w h i c hc o u l d r e a l i z e st h ef u n c t i o no fa u t o m a t i c & a w i n ga r r a n g i n gt u b e sm a po fs t e a mt u b e sh e a t e dr o t a r y d r y e r i i ( 5 ) 1 1 1 ec a d s y s t e mo fs t e a mt u b e sh e a t e dr o t a r yd r y e rw a s u s e di np r o j e c t s ，a l t h o u g h t h e r ei ss o m ee r r o r , w h i c hi sw i t h i nt h ea c c e p t a b l er a n g e , i n d i c a t i n gt h ef e a s i b i l i t yo ft h e s y s t e m w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ff r i e n d l ym a n - m a c h i n ei n t e r f a c e , a p p l i c a b i l i t ye t c ，t h e s o f t w a r ee n h a n c e st h ed e s i g np r e c i s i o n , s h o r t e n st h ed e v e l o p m e n tc y c l e , i n c r e a s e st h ee n e r g y e f f i c i e n c y , a n dh a sr e f e r e n c ev a l u ef o rd e s i g n i n ga n dd e v e l o p i n gr e l a t e ds y s t e m s t e a mt u b e sh e a t e dr o t a r y d r y e r ；t e c h n o l o g i c a ld e s i g nc a l c u l a t i o n ； s e g m e n t a t i o nc h e c k ；m o d u l a rd e s i g n ；c a dp a r a m e t r i cd r a w i n g i i i 1 1 干燥技术发展现状 第一章绪论 干燥是一种采用热物理方法将物料中湿份( 水分、无机酸、有机溶剂等) 除 去的操作过程，它广泛应用于化工、医药、石化、食品、木材等行业【卜4 1 。干燥技 术的应用具有非常悠久的历史，早在几千年前，我国闻名于世界的造纸技术，就 是应用了干燥技术对纸张进行干燥。随着科学技术的发展及对干燥技术研究工作 的普遍开展，作为化工单元操作设备之一的干燥器，也得到迅速的发展。为加强 国内外干燥技术的进展和最新成果的信息交流，帮助干燥设备厂家提高产品质量， 降低环境影响，明晰行业发展趋势，把握市场走向，我国每两年举办一届干燥会 议，这极大的促进了我国干燥技术的交流，发展和提高。除此之外，在化工机械， 化学工程和工程热物理等国家专业会议上也都有干燥相关的高质量论文发表。我 国学者不仅在国内干燥会议和核心期刊上发表优秀的论文，还在国外干燥会议上 发表高质量论文【5 】。同时，我国已有多所高校，研究院，设计院从事干燥技术及工 艺的研究，干燥过程的传热传质分析等【6 】。经过几千年的发展，特别是近几十年的 发展，干燥技术无论在干燥方法、干燥设备的开发、干燥工艺的改进等方面都取 得了长足的进步。 1 1 1 干燥方法的分类 干燥过程是指采用物理方法将热量传递给含湿份的物料并将该热量作为潜热 使湿份蒸发、分离的过程。其中所采用的物理方法主要包括对流、热传导、热辐 射。根据干燥过程可以将干燥的方法分为三类：机械除湿法、热能干燥法、化学 除湿法。 机械除湿法是将干燥物料施压，使物料中的湿份挤出，对干燥物料施加压力 的大小决定了排出水分的多少。经过机械除湿法处理过的物料仍然含有很高的湿 份，一般为4 0 6 0 左右。对于不允许受压的物料和颗粒状物料可以采用离心机 脱水，经过离心机处理后的物料，残留在物料中的湿份为5 1 0 左右。还有其它 类型的离心机和过滤机，都是机械除湿法常用的设备。但是，机械除湿法只能除 去物料中的一部分自由水分，结合水分由于无法除去，而残留在物料中。所以， 经过机械除湿法处理的物料含水率仍然很高，一般达不到较低的含水率要求。 热能干燥法是应用最普遍的干燥方法，它利用热能加热物料及物料中所含的 湿份，待湿份温度升高达到气化温度，气化湿份。除去一定量的湿份要消耗一定 量的热能。例如用导热油来干燥物料时，高温导热油将热量传递给换热管，换热 管将热量传递给待干燥物料，同时气化物料中的水分，形成水蒸气，并被输送空 1 气带出干燥器。物料经过热能加热干燥后，不仅可以全部除去物料中的自由水分， 还能够除去物料中的部分结合水分，达到工艺要求的含水率。 化学除湿法是利用干燥剂除去物料中的湿份。由于干燥剂的除湿能力有限， 所以化学除湿法仅能除去物料中的少量水分，因此在工业生产中应用的很少【7 1 。 在工业实际应用中，干燥过程一般是先通过机械除湿法除去物料中大部分自 由水，再通过热能除湿法去掉物料中剩余的自由水和部分结合水，进而达到产品 含水率的要求。 1 1 2 干燥设备发展现状 干燥过程作为化工行业中非常重要的一个工艺环节，其直接影响到产品的性 能、质量以及整个过程的能量利用效果【8 】。干燥过程主要是通过干燥设备来实现， 所以干燥设备质量、干燥效率、热能的利用率等因素都在干燥过程中和能源的利 用方面起着至关重要的作用。 目前全国共有5 0 多家高等院校，设计研究院从事干燥技术的开发与研究，6 0 0 多家生产厂家从事干燥设备的制造，形成了强有力的干燥技术的研究开发与干燥 设备生产团队。在某些干燥领域的干燥设备的生产达到了世界先进水平，并且我 国某些类型的干燥器的生成基本实现了专业化、系统化、工业化。 由于干燥物料的多样性与干燥工艺的复杂性，这需要各种类型的干燥设备。 许多专家学者试图对干燥器进行分类，s l o a n 将干燥设备分成2 0 个类型。m c c o r m i e 从视觉角度对干燥设备进行分类。d i t t m a n 提出了工业上常用的分类标准，按照热 量与物料的接触方式分类，分为直接接触传热式干燥器和间接接触传热干燥器。 随着微波干燥设备，高频干燥设备和红外干燥设备等新型干燥的出现，i c k e m p 等在d i t t m a n 的分类基础上添加了新的类型。 直接接触传热式干燥器：干燥物料与热源( 热载体) 直接接触，把热量传递 给干燥物料，同时把物料中的湿份蒸发并带走。典型的直接接触干燥设备有直管 气流干燥器、脉冲气流干燥器、流化床干燥器、喷雾干燥器、滚筒干燥器等。该 类型干燥器具有结构简单，生产简单，但热载体的温度不宜过高。为了防止产品 因温度过高而变质，热载体的流量很大，使整个干燥设备的成本提高，同时热量 的利用率很低。 间接接触传热式干燥器：热载体和干燥物料中间隔着一层金属管壁，热量从 热载体传至金属管壁再传递给干燥物料，物料和湿份同时吸收热量升高温度，湿 份气化蒸发并被携湿气体带走。工业通常应用的热载体主要有高温蒸汽、高温导 热油等。与直接接触传热式干燥器相比，间接接触传热式干燥器具有以下几点有 点： ( 1 ) 易于保证产品的质量。由于物料不与热载体直接接触，避免了热载体对 干燥物料的污染。 2 ( 2 ) 热载体多样化。由于物料与热载体不直接接触，降低了对热源种类的要 求。我们可以用高温烟气，导热油作为热载体，这样解决了依靠单一的高温蒸汽 作为热载体的局限性。 ( 3 ) 提高了热能的利用率。间接接触传热式干燥器的尾气量小，与直接接触 传热式干燥器相比，尾气带走的热量少，约为直接接触传热式干燥器耗能的 i 2 i 3 。这种优越性随着产品湿度的降低，而变得更加明显。 ( 4 ) 污染少。尾气量少，带出的粉尘也少，可以把污染降低到很小的范围内。 但是，间接接触传热式干燥器也有自身存在的缺点：粘度大的干燥物料易于 与干燥表面粘结在一起，不利于干燥表面物料的更新，同时也导致换热系数的降 低，严重影响产品的质量和能源的利用率。专家学者正在致力于干燥机的结构和 干燥物料的性能的研究，以使间接接触传热式干燥器适应更多物料的干燥。据上 所述，间接接触传热式干燥器的良好节能环保特性符合国家十二五规划中的节能 减排的要求【9 j 。我国间接接触式干燥器发展渐入佳境，下面介绍应用比较广泛且正 在不断更新发展的间接接触式干燥器。 一盘式干燥机 盘式干燥机又名多层圆盘式干燥机( 图1 1 ) ，由多层圆盘、搅拌转耙、竖型 连续干燥装置组成。其工作原理为热载体通入固定的多层空心圆盘内部，加热金 属圆盘问接的加热圆盘上的干燥物料，并在类似犁型耙叶的搅拌作用下，使与金 属接触的物料不断的更新，均匀的干燥，同时还推进物料的向前推进，物料内的 水分在搅拌作用下不断的被加热升华，蒸汽从排湿口排出，在底部获得合格的产 品。因为主轴转速可以调整，因此可以单独控制每层的温度，同时结合冷却降温 措施，这克服了固定床传导干燥器的缺点。因而具有产品连续运输与传热效率高、 干燥速率快、产品质量好占地少，污染少等优点，但是该设备设计复杂，制造难 度大，设计成本较剐t o t 引。 6 图i - i 盘式干燥机 1 进料口；2 排气口；3 热载体出口；4 - 出料口；5 热载体进口；6 - 刮料板 二耙式干燥器 耙式干燥器( 图1 2 ) 是一种比较古老的干燥器，现在仍然较广泛的应用于化 3 工工业，已经有8 0 多年的历史。耙式干燥器是间歇操作的干燥设备，主要由壳体、 夹套、搅拌器和传动轴组成，干燥物料由干燥器加料口加入，利用耙齿和轴线的 夹角搅拌物料，同时在轴向方向做往复运动，物料充满干燥机下半部分。热载体 通入夹套，通过金属筒壁传递给物料，气化的蒸汽与物料经过滤器分离，干燥产 品被耙齿推向出料口排出。由于物料不直接与加热介质接触，适用于少量的、热 敏性和氧敏性的泥状、膏状物料。耙式干燥器比传统的箱式干燥器劳动强度低， 能够回收湿份，操作条件适宜，管理方便。缺点是生产能力低，设备结构复杂， 搅拌叶片易磨损等【1 5 17 1 。 图1 - 2 耙式干燥器 1 进料口，2 - f l 气口，3 热载体进口，4 - 热载体出口，5 卸料口 三旋转列管式干燥器 旋转列管式干燥器( 图1 3 ) 广泛应用于轻工、化工、食品等行业的松散物料 干燥。这种干燥器一般由以下几部分组成：换热管束，该部分是干燥器的核心 部件，蒸汽与物料的热交换通过它进行，同时还可以搅拌物料、疏松物料及推动 物料向出料口移动。管壳，物料的容腔，由封盖和简体组成。电动机和减速 器，带动管束旋转。轴承座，用于支撑管束。冷凝水排出系统，能够有效及 时的排出冷凝水。热载体连续供应系统，能够保证热量持续不断的供给。旋转 列管式干燥器工作原理是在密闭的容腔内，管束缓慢的转动，高温热载体从空心 轴的一端进入入口端箱体，然后均匀的分配到各个换热管，通过管束的转动将热 量传递给物料，物料在管外吸热增焓，不断的蒸发湿份，产生的湿蒸气通过排风 口排出，热载体在换热管另一端流出。管束周边焊接有固定角度的角钢，随管束 的旋转而旋转，不断的将物料疏松搅拌，同时向出料口端输送。该种干燥器具有 可以连续运行、干燥产品质量均匀、操作简单、自动化程度高等优点。由于制作 要求高，生产成本高，适用的物料的范围有限，现在还没有广泛的应用工业生产 中，但是由于干燥产品质量高，热效率高等优点，具有良好的开发设计前景【1 8 2 3 】。 4 图1 3 旋转列管式干燥器 1 进料口，2 热载体出口，3 一出料口，4 一热载体进口，5 排气口 1 1 3 干燥技术发展趋势 干燥作为工业中至关重要的环节，是耗能最多的环节，也是对环境污染严重 的环节。根据国家“十- - 五规划”中“节能减排”的规定1 9 1 ，干燥技术必须走绿色节能 环保的可持续发展的道路。因此干燥技术的发展趋势体现为： ( 1 ) 提高干燥设备能源的利用率 ( 2 ) 提高干燥的速率 ( 3 ) 减小干燥机的体积 ( 4 ) 提高产品质量 ( 5 ) 丌发可以干燥多种物料的干燥器 ( 6 ) 多功能化，既可以干燥，又可以冷却、加热等 ( 7 ) 可以采用多种热源作为干燥热源 ( 8 ) 干燥设备向专业化、大型化、系统化发展 ( 9 ) 尽最大可能的减少对环境的污染，做到绿色环保的干燥技术。 ( 10 ) 研究组合式新型干燥器，适应范围更广。 ( 1 1 ) 安全控制，易于操作。 1 2 国内外干燥器设计技术发展现状 随着科学技术的发展，软件的不断更新，计算机辅助系统广泛的应用于汽车、 机械、建筑、电子、能源空气动力学等领域。将设计研发人员的创造性思维、经 验知识、分析能力和逻辑思维能力与计算机存储、计算能力和操作的稳定性结合 起来，对于提高产品的设计精度，简短开发周期等有重要的帮助作用。 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 以软件系统、计算机 和输出设备为基础，包括图纸的绘制、几何图形的设计、优化、仿真及模拟等内 容【2 4 1 。随着计算机辅助技术的发展得到了彻底的改变，很大程度上缩短了设计右 图纸到产品的转换周期，同时也提高了设计的准确度，降低了设计成本。至今为 与 止计算机辅助技术的发展先后经历了四个阶段： 1 初始发展和初步应用阶段( 1 9 6 0 1 9 6 9 年代) ，1 9 6 3 年美国麻省理工学院研 究小组发表了五篇关于计算机辅助设计的论文，在美国计算机联合会议上，为计 算机辅助设计的发展和应用提供了理论基础。 2 普遍应用阶段( 1 9 7 0 1 9 7 9 ) ，1 9 7 0 年a p p l i c o n 公司首先推出了完整计算机 辅助设计( c a d ) 系统。该系统易于操作，得到了广大企业的广泛实用。 3 快速发展阶段( 1 9 8 0 1 9 8 9 ) 绘图系统的快速发展，是c a d 技术适用的领域 更加宽广，被大、中、小企业应用于产品的设计、工程设计和工艺设计。 4 标准化、集成化、智能化和开放式发展阶段( 1 9 9 0 今天) 随着计算机的飞 速发展，c a d 技术迸一步向开放性、标准化、集成化和智能化的方向发展，并逐 渐形成更为成熟的计算机辅助设计( c a d ) 系统。 目前，计算机辅助设计技术已经被应用到干燥器设计中。然而国内干燥器的 设计主要是凭借经验公式进行设计或者是模仿国外干燥器的设计过程，因此设计 的干燥器的干燥效果和能源利用率都是相对较低。国外干燥器的设计技术发展比 国内要早几十年，发展程度相对成熟，并取得了一定的成果【2 5 - 3 引。但是，无论国 内，还是国外，利用计算机辅助设计技术开发出来的干燥器设计软件主要是针对 某一类型的干燥器，具有通用性。所以当利用该软件进行某种干燥器的开发设计 时，就造成了较低的设计精度与能源利用率。同时在这些已开发的软件中大部分 是针对直接接触传热式干燥器( 流化床式干燥器、气流式干燥器、箱式干燥器等) ， 而对于间接接触式干燥器的计算机辅助设计软件的开发的报道相对较少。目前， 国内专家学者也对干燥机的c a d 软件进行了开发设计。例如韩静、韩大彤开发设 计了旋转闪蒸干燥机系统【”】；单宝峰、张旺盛进行了旋转闪蒸干燥系统c a d 系统 开发的研究 3 6 】；陆军进行了间接式干燥装备建模及c a d 应用开发【3 7 】；贺华波的 间接式干燥装备建模及面向对象软件开发等f 3 8 。4 0 1 。由于我国现在对间接接触传热 式干燥器的设计主要是凭借经验公式，没有形成自己的严谨的、可靠的一套开发 过程，因而根据这些经验开发出来的软件只具有针对这一类型干燥器的通用性， 而其精确度不是很高，在生产中有一定的误差，所以对于干燥器的c a d 系统的开 发还具有很大的潜力。而对于提高干燥器的设计精度和能生产出合格的产品的干 燥器，就需要我们设计出专门的针对某一类型的干燥器。在现有的计算机辅助设 计系统的基础上，开发出具有更为合理的、可靠性更强的、易于操作的的干燥器 c a d 系统【4 l - 4 4 1 。 1 3 课题研究意义 干燥器作为化工、医药等领域广泛应用的干燥设备，也是人们生活中不可或 缺的设备之一，其性能直接影响着产品的质量和能源的利用率。目前我国能源的 利用率仅为3 3 ，比美国等发达国家的能源利用率要低10 。其中干燥耗能占了 6 很大的比例，一般工业发达国家干燥耗能占全国耗能的1 0 1 5 ，中等国家干燥 能耗占全国能耗的2 0 一2 5 。如果能把我国的能源利用率提高l o ，每年可以节 约约一亿吨标准煤。同时我国没有充分利用好大量的工业余热，而是直接浪费了。 如果这些工业余热作为干燥过程的热源将会节省很多热量，在一定程度上提高了 能源的利用率。因此，现在很多专家学者都致力于研究和开发新型干燥器，提高 能源的利用率，完成国家“十二五规划中的节能减排的任务。 干燥技术是一门跨专业、跨学科，具有实践科学性质的技术。干燥技术的开 发需要掌握干燥物料的化学及物理性质、干燥原理( 传热、传质、空气动力学及 流体力学等原理) 及工程实施技术等，因此对干燥技术的研究要付出更多的精力。 目前国内对某些类型干燥器的干燥过程的研究已经取得了非常显著的成果，并在 原有的基础上有了进一步的创新，但对其它类型的干燥器的研究则停留在最基础 的阶段：不考虑干燥物料的性质直接引用类型相似的设计过程进行设计、直接应 用经验公式进行计算等。这样设计出来的干燥设备干燥产品的质量差、能耗大、 污染物排放多。在干燥器的设计过程中应该在原有的设计原理的基础上，经过合 理的分析研究添加新的设计方法，也可以把其它类型的干燥器的设计方法应用到 另一类型的干燥器设计过程中，设计出的设备与工程实例相比较，以检验新的设 计过程是否合理。 蒸汽管间加热转筒干燥器具有单位容积处理量大、热效率高、定温操作、停 留时间可控、污染物排放少、操作简单等优点。如果将计算机辅助设计技术与该 干燥器的设计过程相结合，开发设计出蒸汽管间加热转筒干燥器c a d 系统可以改 变传统的设计过程，在现有的基础上提高设备的设计效率和干燥设备的干燥效率 及能源利用率等，这对蒸汽管间加热转筒干燥器的开发与工程应用具有重要意义。 1 4 课题研究主要内容 本课题在研究蒸汽管间加热转筒干燥器和回转圆筒干燥机的设计过程的基础 上，大胆的尝试着将两种干燥器的设计过程有机的结合起来，开发出较为合理的 蒸汽管间加热转筒干燥器的设计过程，并与计算机技术结合开发出蒸汽管间加热 转筒干燥器c a d 系统软件包，并通过现有的工程实例验证该软件设计结果的合理 正确性。本课题的研究内容主要包括： 1 蒸汽管间加热转筒干燥器计算流程的开发 分析蒸汽管间加热转筒干燥器与回转窑式转筒干燥器的现有计算过程及特 点，并对两种干燥器性能进行比较，提出合理的蒸汽管间加热转筒干燥器的计算 方法与流程。 2 蒸汽管间加热转筒干燥器计算方法的研究 根据蒸汽管间加热转筒干燥器计算基本原理、传热方程式和热平衡方程式、 传热系数推导出蒸汽管问加热转筒干燥器设计步骤及计算过程。 7 3 蒸汽管间加热转筒干燥器c a d 系统总体结构设计及开发 根据前面提出的蒸汽管间加热转筒干燥器的设计原理及方法，提出蒸汽管间 加热转筒干燥器c a d 设计系统的总体设计框架。并综合应用计算机技术、数据库 技术、c a d 技术开发出蒸汽管间加热转筒干燥器c a d 紫铜软件包。 4 蒸汽管间加热转简干燥器c a d 系统的验证 应用开发完成的蒸汽管间加热转筒干燥器c a d 系统软件包进行工程实例计 算，计算出的结果与现有的工程实例数据进行对比，验证该软件包的计算结果的 准确性。 8 第二章蒸汽管间加热转筒干燥器设计计算方法的研究 蒸汽管间加热转筒干燥器是一种实现物料和热载体之间热量传递的节能设 备，是一种连续生产的一种大型间接接触式干燥设备，国外已广泛应用于食品、 轻工、化工、饲料等行业，国内已开始设计制造并且应用于无机盐的干燥。然而 该类型干燥器设计方法不很成熟，本章主要进行蒸汽管间加热转筒干燥器设计计 算方法的研究。 2 1 蒸汽管间加热转筒干燥器的现有计算过程及特点 蒸汽管间加热转筒干燥器被广泛的应用于化工、轻工、食品、粮食和饲料等 领域，主要是因为它具有以下特点：单位体积内处理物料量大，内部设有加热 管束，在搅拌过程中直接与物料接触，所以传热系数大，换热面积多。热量利 用率高，由于不需要使用多余的热空气，排气造成的热量损失很少。能够在一 定的温度范围内干燥，根据干燥物料的要求可以调整热载体的输入量，进而调节 所提供的热量。干燥时间可以调整，可以通过调节转速和倾斜度来调整物料在 干燥器内的干燥时间。污染物少，其能够在高湿度下排气，进而排放入大气的 粉尘等污染物很少。系统可以在密闭环境下操作，对于易氧化的干燥物料可以 通入氮气等保护气体以防止氧化。操作简单，不需要负责的管理。但是其也存 在自身的缺点如需要提供热源的加热装置和热源的供给装置：设备费用高、本身 价格高、管束易于被腐蚀、使用寿命短等。 由于干燥物料的多样性及蒸汽管间加热转筒干燥器设计过程本身的特点，干 燥器内设有搅拌装置使得加入的物料几乎处于完全混合状态，假设加入的物料呈 球状，干燥前后直径没有变化，基于s c h l u n d e reu 【4 5 1 提出的颗粒移动热传递模 型。壁面与颗粒间的传热系数h ，由以下方程确定： h p 邻+ 等m 扣i 协， 删孚浮南 协2 以= 缈 p + ( 1 - l f ) h 2 p ( 2 - 3 ) 式中：b 一加热面与第一层颗粒间的传热系数，w m - 2 k ； j i l 2 广加热面与第二层颗粒间的传热系数，w m 2 k ： ，加热面和颗粒间的传热系数，w m - 2 k ； 缸一为颗粒直径，m ； 9 a 广为间隙气体导热率，w m 2 k ； g r _ 为间隙气体的比热容，j k g - i k 一： 膨一为空气的分子量； p ，卜分别为干燥室内的压力和温度，p a 和o c ； 卜为表面覆盖系数； 】一为计算空气影响引入的调节系数。 在实验的基础上有经验公式可得y ： 培) = 0 6 一去( 半+ - ) c 2 4 ， 干燥室内的颗粒处于完全混合状态，其平均传热系数可表示为： f ：2 生丝 ( 2 5 ) 、f 万fr 式中：g 为干燥颗粒的比热容，j k g - 1 k ； p 为物料的密度，k g m ； f ，为颗粒在干燥室内接触的时间，s ； a ，为颗粒的导热率，w m - 2 k 。 假设颗粒处于完全混合状态，所以干燥室内不存在温差，热对流导热就可以 忽略不计，有上式( 3 ) 和( 5 ) 可得总的传热系数为： j i l = + ( 2 6 ) h ，+ 。 为了计算干燥过程中的湿份和温度变化，引入干燥前沿的瞬时相对位置亏的 计算公式： 廊c x p ( 善2 ) 形( 孝) 2 等 完全混合的状态下，没有温差时，则由式子( 6 ) 和( 7 ) 可得： 如- - h ( r o - - t b ) e x p ( - - f 2 ) q ，r a r x = _ 二一 s 细 瓦2 去 唧( 即 缸c ，+ 。 、 。 式中：乃一为加热面温度，k ； 死为物料表面温度，k ； g r 为湿份蒸发的热流，w m ； 彳卜为物料的湿度差； 1 0 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 彳r 为加热面面积，m 2 ； 口一为绝干物料的质量流率，k g s 一； 心，一为湿份的气化潜热，j k g 一。 假设物料处于完全混合状态，再假设物料与壁面完全接触，按照宏观统计的 平均的方法，其接触时间为： 铲r 等( 2 - 1 1 ) 式中：刀干燥机内的颗粒总数； ，z i i r 触的颗粒数； 卜停留时间，s 。 铲学 陆埘 式中：詹_ 碜与每一次物料与加热面接触过程的颗粒覆盖层数； 么j r 与物料接触的加热面积，m 2 。 以：些( 2 - 1 3 ) i i , 3 6 p 式中：珞一干燥机的容积，m 3 ； 9 物料的填充率。 以上是现有的基本的蒸汽管间加热转筒干燥器的设计计算过程，其中应用的 公式有理论公式，有经验公式。在一定程度上能满足生产设计需求，但是存在着 设计精度不高与能源的利用率不高的缺点。 2 2 回转窑式转筒干燥器的计算过程及特点 回转圆筒干燥器主要是由倾斜的、转动的长简体构成，干燥物料从简体上端 进入，在简体内被搅拌板搅动，不断的向前运动，在运动过程中与筒体内热空气 或是加热的热筒壁接触干燥，其主要适用于粉状材料。该类干燥器分为连续生产 和间接生产两种，大多数是连续生产。其优点是生产量大，可以连续生产。筒体 容积大，物料流动的阻力较小，操作上允许的波动范围大，对产品质量没生命影 响，结构简单，操作方便，成本低。缺点是：物料物料的填充系数较小，因此要 求圆筒的直径和长度都很大，传动部件很多，磨损大，需要经常维修而且还不适 合黏性物料。 现在国内回转圆筒干燥机的设计相对成熟，主要是采用分段设计的方法。将 干燥过程分成物料预热、水分蒸发和物料升温三个阶段，分别求出三个阶段的传 热量和容积系数，再求出每段干燥机的长度，最后求出干燥机总长度。同时通过 物料衡算和热量衡算可以求得空气消耗量和空气出干燥机的状况。 物料处理量：g l = q + q 水分蒸发量：形= g ，( c l c 2 ) 由热量衡算式可以计算出空气流流量l 口： 厶。 一h b ) = l 0 1 厶( t o t o ) + w ( 2 4 9 0 + 1 8 8 。乏) + q e 一) 根据上式得出的l 。，由物料衡算可得出空气离开干燥器时的湿度： 形 屯硝1 + i 式中：g 广一为物料处理量，k g h 一； g ，一为绝干物料生产力，k g h ； c 厂一为初始物料含水率，k g k g ； 肜一为水分蒸发量，k g h ； c 广为产品含水率，k g k g ： 。为空气流量，k g h 一； f 厂为空气初始温度，。c ； t t 为热空气温度，o c ； 1 l 厂一为t l 时刻空气的焓值，k j k g 一； i i l r 为t o 时刻空气焓值，k j k g 一； ，物料温度，o c ； f 所广为产品温度，。c ； x 广一为t t 时刻的空气湿度； x 广为空气离开干燥器时的湿度。 空气离开干燥器时的质量流量为： 。l ( 1 + x 2 ) 转筒的直径为：d = ( 2 一1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 。0 3 2 4 ( g ：) m 1 8 转筒内的换热系数为：九= 去l ( 2 2 0 ) 式中：江为转简直径，m ； 厶广为空气质量流率，k g m 2 h 1 ； d 为转筒横截面积m 2 ； j i l 广为简体内的传热系数，w m 2 k 一： 晚一为空气的质量流率，k g h 一。 分段计算出三段的长度，预热段长度l l ，首先计算出预热段所需要的热量q ： g = 暾瓯一乙1 )( 2 2 1 ) 1 2 c 历= c s + c ，c l 厶：_ 垒一 1 矗。a a t l 式中：q 广一为预热段消耗的热量，k j h ； c 二为物料的比热容，j k g - 1 k 一： c 一为绝干物料比热容，j k g l k 一； g 广棚热段出口温度时的比热容，j k g k 一； 彳f ，为预热段平均温差。 蒸发段长度厶计算：蒸发段所需要的热量为9 由公式( 2 4 ) 可得 q 2 = 形 妒盘 式中：q 广为预热段消耗的热量，k j h ； ) ，一为蒸发段温度下湿份的汽化潜热，k j k g ； 4 f ，为蒸发段对数平均温差； 三广为蒸发段长度，m 。 升温段长度三，计算：蒸发段所需要的热量为q j 由公式( 2 4 ) 可得 q 3 = q ( g + 气c 2 ) ( 乙：一乙) 小尚 ( 2 - 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 式中：q r 为升温段消耗的热量，k j h ； “一为蒸发段几口温度，o c ； 彳匀为升温段对数平均温差： 三，为蒸发段长度，m 。 则筒体总长度为：三= 三j + 三2 + l 3 物料被不断的搅拌，同时向前运动，要求筒体有一定的倾斜角度，则该倾斜角 计算公式为： 弘l 丝z n o 9 d + 静l 6 0 协2 8 ， 弘l + 礴l 加u 忆。2 引 式中：卜为筒体倾斜角； 卜为物料在筒体内干燥时间，s ； 以为颗粒平均直径，1 1 1 。 由上式求出的倾斜角可以确定转筒的倾斜率是不是在安全范围内。 最后校核物料填充系数，填充系数计算公式为： 。一fg ，( 1 + c 1 ) 矽= 东耐像29)9 0 0dl 22 9 ) 万p 2 l 式中：卜为物料填充系数； p 6 为物料堆积密度，k g n l 一； 若驴在5 一1 5 范围内，则转筒尺寸设计符合设计要求。 2 3 蒸汽管间加热转筒干燥器与回转窑式转筒干燥器性能对比 蒸汽管间加热转筒干燥器与回转窑式转筒干燥器，不仅在结构和尺寸上存在 区别，而且两种干燥器的性能指标也存在区别。总结起来，如下： ( 1 ) 传热系数 蒸汽管间加热转筒干燥器，主要是热载体和干燥物料间的间接接触换热，管 内传热系数大约为8 0 w m - 2 k - l , 管外换热系数大约为15 0 w m - 2 k j 左右；回转窑式 干燥器，分为热载体与物料直接接触和间接接触两种，直接接触的回转窑式干燥 器的传热系数4 0 0 8 0 0 w m - l k ，间接接触的回转窑式干燥器的传热系数为 2 0 0 w m - z k 。1 左右。基本上都是采用对流、传导、热辐射的传热过程。但是，目前 回转窑式干燥器的计算过程已经相对成熟，蒸汽管间加热转筒干燥器的计算过程 还是凭借经验公式进行计算【4 6 1 。 ( 2 _ ) 质量与成本 采用相同的制作材料，蒸汽管间加热转筒干燥器的换热面积相对大很多。在 换热面积相同的情况下，蒸汽管间加热转筒干燥器所用的材料较少而且重量也降 低，从而降低成本。 ( 3 ) 产品质量与污染物排放 蒸汽管间加热转筒干燥器所干燥的物料质量能够得到很好的保证，而且排放 空气的湿度可以控制，排放的粉尘