絲狀顆粒傳熱傳質(zhì)特性的研究.pdf

1、絲狀顆粒作為一類長徑比較大的非球形顆粒，其傳熱傳質(zhì)特性的相關(guān)技術(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用背景。絲狀顆粒本身的運(yùn)動(dòng)行為、溫度及含水率的變化特征較球形顆粒的情況更為復(fù)雜，相關(guān)理論研究涉及到多相流體動(dòng)力學(xué)、顆粒物質(zhì)力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)等多個(gè)方面。目前，國內(nèi)外關(guān)于顆粒傳熱傳質(zhì)特性的研究已逐漸由宏觀向顆粒尺度的微觀層面深入，不過主要成果都集中在球型顆粒方面，而對(duì)于絲狀顆粒傳熱傳質(zhì)特性的研究還不夠系統(tǒng)，諸如用何種方式考慮顆粒的形狀因素、怎樣描述密相

2、絲狀顆粒系統(tǒng)中顆粒間相互碰撞（接觸）的傳熱過程、如何選擇在不同干燥條件下顆粒與流體之間的耦合對(duì)流傳熱及傳質(zhì)模型等，這些關(guān)鍵問題尚未得到解決，因此該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究仍落后于實(shí)際工業(yè)技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用。
　　本文首先針對(duì)絲狀顆粒在于燥設(shè)備中的運(yùn)動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)三者同時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象分別進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，之后結(jié)合實(shí)驗(yàn)，平行研究了絲狀顆粒在復(fù)雜多相流條件下的傳熱傳質(zhì)特性和相關(guān)規(guī)律，其結(jié)果為該類粒子干燥效率的提高、干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)。

3、研究內(nèi)容主要包含以下幾個(gè)方面:
　　氣固兩相傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型的建立。將氣體作為連續(xù)相，顆粒作為離散相，分別采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)建立氣相數(shù)學(xué)模型，以及離散元法(DEM)建立固相數(shù)學(xué)模型。氣相模型主要基于經(jīng)典的N-S方程，并結(jié)合局部平均法，來建立與固相之間相互耦合的質(zhì)量、動(dòng)量以及能量守恒方程。而對(duì)于固相模型，首先從單顆粒入手，根據(jù)絲狀顆粒長徑比較大、柔軟、易繞曲變形等特征，將其假設(shè)成由若干桿狀顆粒和鉸約束連接而成的細(xì)長鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)

4、;之后在顆粒物質(zhì)力學(xué)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)描述了絲狀顆粒相互碰撞時(shí)的受力模型;接下來在顆粒尺度的微觀層面提出了一種基于離散單元法的絲狀顆粒相互碰撞（接觸）傳熱模型，模型中綜合考慮了顆粒形狀因素以及顆粒碰撞過程中的相互接觸面積等關(guān)鍵參數(shù);最后又構(gòu)建了不同固相濃度、不同風(fēng)速條件下的顆粒與氣體之間的對(duì)流傳熱和傳質(zhì)模型。數(shù)學(xué)模型的建立為研究絲狀顆粒的傳熱傳質(zhì)特性提供了研究手段，并為數(shù)值實(shí)驗(yàn)得開展奠定了理論基礎(chǔ)。
　　固定床和滾筒干燥實(shí)驗(yàn)裝置的建立

5、。基于卷煙原料干燥的工程應(yīng)用背景，以葉絲這種細(xì)長柔性的絲狀顆粒為研究對(duì)象，分別設(shè)計(jì)制造了固定床和滾筒干燥實(shí)驗(yàn)裝置。固定床實(shí)驗(yàn)裝置能夠針對(duì)多種不同葉絲氣流干燥的工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其主要技術(shù)參數(shù)的設(shè)定范圍與實(shí)際生產(chǎn)相接近;另外，本文還建立了小型滾筒干燥裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)滾筒中顆粒平均溫度的測(cè)量，而顆粒平均含水率仍然采用烘箱法進(jìn)行測(cè)量。本裝置所能調(diào)節(jié)的筒壁溫度、滾筒轉(zhuǎn)速、熱風(fēng)溫度等技術(shù)參數(shù)范圍與實(shí)際卷煙生產(chǎn)過程中的基本符合，可針對(duì)葉絲在滾筒橫向

6、截面的傳熱傳質(zhì)特性進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。經(jīng)過多次測(cè)試調(diào)節(jié)，表明本文所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)合理、運(yùn)行可靠，測(cè)量方法可行，能夠?yàn)榫唧w實(shí)驗(yàn)研究提供穩(wěn)定的運(yùn)行條件。
　　絲狀顆粒傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證。對(duì)于以顆粒-氣體之間對(duì)流換熱為主的固定床干燥過程，首先通過實(shí)驗(yàn)探討了熱風(fēng)溫度和表觀氣速等操作參數(shù)對(duì)顆粒熱、質(zhì)傳遞特性的影響，之后模擬了與實(shí)驗(yàn)相同工況條件下的固定床干燥過程，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比分析;而對(duì)于以顆粒與高溫壁面接觸導(dǎo)熱為主的滾筒

7、橫向干燥過程，起初在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上考察了筒壁溫度、滾筒轉(zhuǎn)速、熱風(fēng)溫度的因素對(duì)顆粒傳熱傳質(zhì)特性的影響，接下來模擬了與實(shí)驗(yàn)相同工況條件下的葉絲溫度和含水率隨時(shí)間的變化，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比表明:所建的絲狀顆粒傳熱傳質(zhì)模型能夠反映葉絲的溫度、含水率等變化特征，模擬結(jié)果所展示的規(guī)律性與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，具有從細(xì)節(jié)上反映顆粒干燥過程中傳熱傳質(zhì)特性的能力，可為研究提供可靠分析各類傳遞信息的手段。
　　絲狀顆粒在

8、固定床中傳熱傳質(zhì)特性的研究。通過研究發(fā)現(xiàn)，固定床干燥過程中會(huì)相繼經(jīng)歷預(yù)熱段、等速干燥和降速干燥三個(gè)主要階段，并且由于上部顆粒獲取的熱量相對(duì)較小，因而在干燥過程中會(huì)存在一個(gè)明顯的等溫階段;顆粒溫度上升的速度以及含水率下降的速度隨著氣流入口溫度和表觀氣速的增加而提升，并且氣流入口溫度的因素相較于表觀氣速對(duì)絲狀顆粒傳熱速率起了主導(dǎo)作用，而從傳質(zhì)速率的角度來看，表觀氣速的影響則要明顯大于氣流入口溫度的影響;此外在驗(yàn)證了所建數(shù)學(xué)模型可行性的基礎(chǔ)上

9、，通過數(shù)值模擬可知，固定床中絲狀顆粒溫度和含水率的空間分布并不均勻，顆粒的溫度大體上是隨著床層高度的增加而降低，而含水率則是隨著床層高度的降低而降低的;比較不同傳熱模式發(fā)現(xiàn)，對(duì)流換熱在固定床傳熱過程中起了主導(dǎo)作用，隨著氣流溫度的提高，對(duì)流換熱量所占的比例有所降低，與此同時(shí)，顆粒與壁面、顆粒與顆粒之間的接觸導(dǎo)熱量卻有所增大，不過變化的幅度不大;模擬還獲取了不同顆粒厚度、導(dǎo)熱系數(shù)以及物料水分?jǐn)U散系數(shù)條件下，顆粒平均溫度以及含水率隨時(shí)間的變化

10、規(guī)律。
　　絲狀顆粒在滾筒橫向截面內(nèi)傳熱傳質(zhì)特性的研究。通過研究發(fā)現(xiàn)，筒壁溫度對(duì)滾筒內(nèi)顆粒的傳熱傳質(zhì)特性有著直接且重要的影響，隨著筒壁溫度的升高，顆粒平均溫度上升以及含水率下降的速度明顯加快;滾筒中絲狀顆粒平均溫度上升和含水率下降的速度都隨著筒體轉(zhuǎn)速的增大而增大，但不同轉(zhuǎn)速條件下絲狀顆粒溫度和含水率變化特征之間的差別很小;由于所研究工況中的熱風(fēng)風(fēng)速較小，隨著氣流溫度的上升，顆粒溫度上升以及含水率下降的速度只是略有提高;通過數(shù)值模擬

11、研究還發(fā)現(xiàn)，在滾筒干燥的初始階段，顆粒溫度的不均勻性迅速增大，但隨著干燥的進(jìn)行，又呈現(xiàn)出逐漸縮小的趨勢(shì)。另一方面，顆粒間含水率的不均勻性同樣在干燥的初始階段迅速增大，不過只要滿足一定的干燥條件或一定的干燥時(shí)間，筒體內(nèi)部絲狀顆粒的干燥程度將逐漸均勻;絲狀顆粒在滾筒中所獲取的熱量主要來自于與高溫壁面特別是與筒體之間的接觸導(dǎo)熱，對(duì)流換熱所占總體換熱的比例則相對(duì)較小;結(jié)合顆粒流動(dòng)特性的分析研究，獲取了不同滾筒固相填充率以及不同的抄板個(gè)數(shù)、長度、