運(yùn)動(dòng)散料熱質(zhì)交換特性的實(shí)驗(yàn)研究及三維數(shù)值模擬.pdf

1、散料種類繁多、形狀各異，廣泛存在于自然界與工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，如化工、煤礦、環(huán)保、能源、醫(yī)藥、食品、輕工等。潮濕散料的干燥工藝是生產(chǎn)流程中一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，直接決定產(chǎn)品的輸出品質(zhì)。散料的干燥過(guò)程不僅與氣固兩相間的傳熱傳質(zhì)有關(guān)，往往還涉及到氣固兩相流動(dòng)，其復(fù)雜性大大增加了散料熱質(zhì)交換特性研究的難度。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于運(yùn)動(dòng)散料的熱質(zhì)交換特性還知之甚少，尤其是在研究大顆粒量的散料方面。已有的實(shí)驗(yàn)研究通常受到場(chǎng)地和測(cè)量手段的限制，很難獲取散料在干燥過(guò)程

2、中的傳熱傳質(zhì)信息;而大部分?jǐn)?shù)值模擬研究則從微觀角度著手，以單一或少量顆粒為研究對(duì)象。為解決以上問(wèn)題，本文基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬手段，從數(shù)學(xué)建模、中試實(shí)驗(yàn)、工業(yè)級(jí)大型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)三個(gè)層面，對(duì)大量運(yùn)動(dòng)散料的熱質(zhì)交換特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　通過(guò)對(duì)絲狀散料干燥過(guò)程的分析，提煉出絲狀散料運(yùn)動(dòng)與熱質(zhì)交換的數(shù)學(xué)模型。為解決大顆粒量的計(jì)算問(wèn)題，創(chuàng)造性地提出了“虛擬顆粒團(tuán)”的概念。采用離散單元法跟蹤每個(gè)“虛擬顆粒團(tuán)”的運(yùn)動(dòng)軌跡，利用軟球模型處理“虛擬顆

3、粒團(tuán)”之間的碰撞問(wèn)題。借鑒傳熱學(xué)和傳質(zhì)學(xué)的相關(guān)理論，對(duì)運(yùn)動(dòng)散料傳熱和傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。以散料在滾筒干燥器內(nèi)的動(dòng)態(tài)干燥過(guò)程為研究背景，利用所建立的散體顆粒運(yùn)動(dòng)與傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型對(duì)運(yùn)動(dòng)散料的干燥過(guò)程進(jìn)行了模擬。通過(guò)顆粒運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算出散料在滾筒內(nèi)的平均停留時(shí)間，將這一參數(shù)導(dǎo)入顆粒熱質(zhì)交換數(shù)學(xué)模型中，總結(jié)出散料在干燥過(guò)程中溫度和含水率的變化規(guī)律。
　　基于絲狀散料運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，建立了散料在中試滾筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的數(shù)理模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果作

4、了對(duì)比驗(yàn)證。在數(shù)值模擬方面，研究了絲狀顆粒在不同條件下的運(yùn)動(dòng)特性規(guī)律，計(jì)算出絲狀顆粒在滾筒內(nèi)的平均停留時(shí)間和停留時(shí)間分布;其中，考察的因素包括:滾筒轉(zhuǎn)速、傾角和氣流速度和顆粒質(zhì)量流量。在實(shí)驗(yàn)方面，構(gòu)建了中試?yán)鋺B(tài)滾筒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，得到了絲狀顆粒在上述模擬條件下的平均停留時(shí)間;采用顆粒示蹤方法，測(cè)量了絲狀顆粒在滾筒內(nèi)的停留時(shí)間分布?？偨Y(jié)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果可發(fā)現(xiàn):對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，二者一致性較好;在不同干燥條件下，絲狀顆粒的停留時(shí)間均呈

5、正態(tài)分布。
　　通過(guò)分析堆積散料靜態(tài)干燥的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:在整個(gè)干燥過(guò)程中，堆積體內(nèi)部散料的溫度和含水率分布非常不均勻、干燥效率極低;熱源溫度和氣流速度對(duì)散料的傳熱傳質(zhì)過(guò)程影響顯著。為解決散料靜態(tài)干燥中出現(xiàn)的諸多問(wèn)題，基于運(yùn)動(dòng)散料熱質(zhì)交換數(shù)學(xué)模型，研究了運(yùn)動(dòng)散料的熱質(zhì)交換特性，結(jié)合實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)一步驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)顆粒傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型的可行性。在數(shù)值模擬方面，建立了絲狀顆粒在中試滾筒內(nèi)傳熱傳質(zhì)過(guò)程的數(shù)理模型，計(jì)算并繪制了不同筒壁溫度、氣流溫度和

6、速度下顆粒的溫度和濕基含水率變化曲線，探討了干燥條件對(duì)運(yùn)動(dòng)散料熱質(zhì)交換特性的影響。在實(shí)驗(yàn)方面，構(gòu)建了中試熱態(tài)滾筒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)量了多種絲狀散料在不同干燥條件下的溫度和濕基含水率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)散料熱質(zhì)交換數(shù)學(xué)模型的合理性。基于數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)手段所得的結(jié)果，建立了顆粒溫度和含水率與干燥條件之間的聯(lián)系。
　　基于“虛擬顆粒團(tuán)”運(yùn)動(dòng)與傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，在工業(yè)級(jí)大量散料傳熱傳質(zhì)方面，成功地進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。鑒于滾筒干燥器在工業(yè)干燥領(lǐng)域

7、的廣泛應(yīng)用背景，利用所建立的大量運(yùn)動(dòng)散料熱質(zhì)交換數(shù)學(xué)模型，模擬了散料顆粒在滾筒干燥器中的傳熱傳質(zhì)過(guò)程。同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法獲取了物料在滾筒干燥器出口處的溫度和濕基含水率，進(jìn)一步驗(yàn)證了大量運(yùn)動(dòng)散料熱質(zhì)交換數(shù)學(xué)模型在工業(yè)級(jí)滾筒顆粒干燥過(guò)程中的可行性。借鑒單因素分析方法，采用數(shù)值模擬手段研究了筒壁溫度、氣流參數(shù)、滾筒參數(shù)以及物料入口質(zhì)量流量對(duì)滾筒內(nèi)大量運(yùn)動(dòng)物料熱質(zhì)交換特性的影響，揭示了工業(yè)級(jí)大型滾筒中干燥條件與物料顆粒溫度和濕基含水率之間的變化規(guī)