小型生物質能源油菜籽分層床式干燥設備數(shù)值模擬及優(yōu)化.pdf

1、油菜作為我國主要的油料作物，在我國中南部地區(qū)廣泛種植，油菜籽采摘后干燥貯存是極其重要的一步加工環(huán)節(jié)。本課題組針對農(nóng)戶以低成本、低能耗、高效率為目的，自主設計制造了一種以半氣化生物質燃燒爐燃燒秸稈、薪柴等生物質能源作為熱源供給，通過換熱器加熱自然空氣，以互換通風的方式進行干燥的分層干燥床式小型油菜籽干燥設備。
　　本文以該設備為研究對象，通過試驗對油菜籽的物理特性及干燥設備的干燥效果做了研究，以此為基礎運用CFD（Computati

2、onal Fluid Dynamics）技術及多孔介質模型，分析了干燥室內(nèi)單相流場的分布情況，研究了設備的干燥均勻性，并對內(nèi)流場氣流分布做了組織優(yōu)化以改善干燥均勻性。在較高的風速條件下，采用歐拉雙流體模型，模擬分析了干燥室內(nèi)熱風與油菜籽的氣固兩相流動，研究了油菜籽的流化狀態(tài)。最后，采用不同生物質燃料作為熱源供給，研究了設備的燃料消耗率。以下為主要研究結論:
　　(1)采用甲苯浸液比重瓶法對油菜籽的真實密度進行了試驗研究，并用容重法

3、測定了其容積密度，試驗結果表明，油菜籽的密度隨含水率的增大而升高，并依據(jù)試驗數(shù)據(jù)通過計算法獲得了油菜籽床層的孔隙率為e=0.392。采用篩分法獲得了油菜籽顆粒的粒度分布，并求得其平均粒徑為Dp=1.8mm。通過回歸分析可得油菜籽的含水率和溫度對其比熱容和導熱系數(shù)的影響顯著，且呈正相關，并建立了比熱容、導熱系數(shù)對溫度和含水率的二維回歸方程。由于數(shù)值模擬中物料的參數(shù)輸入一般為常數(shù)，取初始含水率為25.7％時油菜籽的特性參數(shù)為模擬依據(jù)，即ρ容

4、=653.133kg/m3, C=3.528 KJ/kg·K,λ=0.167 W/m·K。
　　(2)在小型分層床式干燥設備樣機上進行了油菜籽干燥試驗，得出小型分層床式干燥設備能夠滿足干燥要求且干燥量大，使含水率降低到安全儲藏含水率(9％)以下所需的時間約為15h;干燥設備頂層及底層干燥效果較好，中間床層干燥效果較差;各個干燥床層中間部位干燥效果高于邊角部位。
　　(3)利用ANSYS Workbench平臺下的FLUENT

5、模塊對干燥室內(nèi)流場模型在2m/s及5m/s進口風速下進行了數(shù)值模擬，從速度及壓降分布云圖得出單一縱向通風時，風速在縱向上變化較為明顯，橫向上分布較為均勻，物料層邊角區(qū)域及中間物料層風速較低可能導致干燥不均勻，與試驗結果一致。通過干燥室結構優(yōu)化，增加通風管及橫向通風層后，干燥室中間床層處干燥效率增加，整個干燥室內(nèi)氣流分布較為均勻，在雙向交替通風情況下能夠有效地解決干燥均勻性問題。
　　(4)分析得出了油菜籽的臨界流化速度，在較大進口

6、風速條件下，油菜籽物料層被吹動而在干燥室內(nèi)形成氣固兩相流，在兩相流理論基礎及試驗數(shù)據(jù)基礎上對干燥室內(nèi)油菜籽顆粒的流化狀態(tài)進行了模擬，分析了氣固兩相流動狀態(tài)，研究了顆粒相在不同時間不同截面處的體積分數(shù)分布云圖，模擬結果表明油菜籽在干燥室內(nèi)處于較好的流化狀態(tài)，增大了油菜籽顆粒與熱風的接觸面積和接觸時間，能夠更好地改善干燥質量以及干燥均勻性，提高干燥效率。
　　(5)通過對生物質固體成型燃料、梧桐樹枝、棉桿及油菜秸稈在半氣化生物質熱風爐

7、中進行的燃料消耗率試驗，分析了生物質燃料的消耗率及消耗成本，結果表明，采用成型燃料消耗率為1.55kg/h，梧桐樹枝為2.41kg/h，棉桿為3.07kg/h，油菜秸稈為3.42kg/h。每小時消耗成本生物質固體成型燃料為1.47元，梧桐樹枝、棉桿及油菜秸稈基本持平約為1元。采用半氣化生物質燃燒爐及換熱器燃燒生物質燃料作為干燥設備熱源供給能夠提高干燥設備的經(jīng)濟性、節(jié)能性，并能夠減少煙氣排放保護環(huán)境。
　　本文通過CFD方法對小型生