立式干燥机干燥单元风速场均匀性的研究

摘要：大型立式干燥机干燥室内介质空气的速度均匀性直接影响干燥效果。通过对干燥室内风速场均匀性的研究，为大型立式干燥机的研发提供理论依据。主要通过在进风道内设置匀风板和改变物料表面的平整度测量干燥室内风速值，分析匀风板和料面情况对介质速度均匀性的影响。结果表明，在立式干燥机两侧进风道内设置匀风板，可明显改善介质进入干燥室和穿过干燥物料的介质空气的速度均匀性，与无匀风板的情况比较，设置360 mm的短匀风板后，介质进入干燥室A、B风道进风口的速度均匀性的变异系数由73.67%和73.90%降低到22.27%和29.36%，介质在干燥室平面范围内穿过物料的速度均匀性变异系数由40.3%降低到28.7%；料面的平整度对干燥室内的风速场有影响。

关键词：立式干燥机；风速场；匀风板

中图分类号：S226.6 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）02-0435-05

大型立式干燥机干燥室面积大，且采用侧面进风，干燥室内介质空气速度场的均匀性是影响其干燥效果的重要因素之一。国内外对多层带式干燥机[1]、箱式穿流干燥机[2，3]、喷雾干燥机[4，5]等干燥室内的温度场和风速场的均匀性及其对物料的干燥效果的影响进行了诸多研究，发现干燥机干燥室内风速分布不均匀是导致干燥效率低、干燥不均匀的主要原因。因此，对大型立式干燥机干燥室内的风速场，尤其是风速场的均匀性进行研究是非常重要的。研究通过在立式干燥机侧面进风道内设置不同长度的匀风板，并对样机内风速场的均匀性进行了试验研究，目的在于为立式干燥机的风道结构设计提供参考。

1 立式干燥机的结构与工作过程

大型立式干燥机具有占地面积小、控制简单、生产效率高、成本低等特点，有较强的推广价值。整体的立式干燥机采用多层顺逆流结合的干燥方式，干燥机内相间地配置多层进气和排气风道，热气流在设备内实现循环利用，可充分利用热能，减少能量损失。立式干燥机共8层，由1个布料单元、3个干燥单元和1个冷却单元组成，其中每个干燥单元为两层结构（图1）。

立式干燥机的基本工作过程：物料由干燥机顶部的布料单元进入干燥机，由布料装置作用均匀摊布在布料层，在物料支承板翻转机构的作用下进入第一个干燥单元的干燥室内；经换热器加热的热空气由风机作用分散进入两侧进风风道，再从进风口进入干燥室，部分气流向上运动干燥每个干燥单元上层的物料，部分气流向下流动干燥下层物料；物料在各干燥单元干燥一定时间后，通过控制卸料翻板装置逐层向下移动，进入下一个干燥单元继续干燥；热空气加热干燥物料并带走汽化水分后，在风机的作用下经出风风道排到沉降室内，将携带的粉粒沉降后再由换热器加热，并在风机的作用下重新进入干燥系统，最终由干燥机顶部的排湿风机排出；物料从干燥室顶部开始逐层干燥直至进入干燥机底部的冷却单元冷却，再由底层排料装置卸出，完成整个干燥过程。

2 立式干燥机风速场的测量

2.1 试验装置

为了研究干燥机内干燥室的风速场，本研究试制了立式干燥机的一个干燥单元，其基本结构如图2所示。每个干燥单元主要由风机、换热器、风道和干燥室等部分组成。试验干燥单元的干燥室平面尺寸为1 080 mm×1 080 mm，每层高度为470 mm。两侧面安装的风机型号为CF-2A-1，配套电机功率为1.1 kW，换热器用等风阻的栅板代替。

干燥机干燥室内的风路图和匀风板布置如图3所示。两侧进风风道均设置长、短匀风板各1块，其中长匀风板长度为720 mm，图2中①、②、③的长度分别为360、310、410 mm。干燥室内的翻板卸料机构在样机中简化为10个人字形物料支承板，物料支承板采用钢板材料折制而成，每个物料支承板之间叠放时预留有3 mm的间隙。

2.2 试验物料及测量仪器

试验物料是湖北六和饲料厂生产的颗粒饲料。经测定，其物理特性参数为容重705 kg/m3、长度5～10 mm、平均直径3.2 mm，堆放时料层孔隙率0.346。

试验采用KANOMAX公司6004热线式风速仪，测定立式干燥机干燥单元样机进风口风道和干燥室内各测量点的风速。

2.3 测量方法与试验指标

主要进行立式干燥机的风速场试验，研究立式干燥机干燥室内的风速分布情况，因而所有试验均在冷态条件下进行。在每次干燥室内各测量点的风速测量之前，先让干燥单元样机运行10～15 min左右，待干燥机运行稳定、干燥机室内流场达到稳定状态后进行测量。干燥机两侧A、B风道进风口的风速试验测量点分布见图3，图3中黑圆点为测量点，两侧各取10个测量点。

干燥室内的测量点分布如图4。以干燥室内一角为坐标轴原点（图3中O点位置），测量点均匀分布在干燥室内物料面的121个点上。试验以风速场的均匀性作为评价指标，采用各测量点的风速变异系数CV来反映。CV=σ/v×100%。其中，σ为两侧风道全部测量点或干燥室内全部测量点风速的标准差，m/s；v为两侧风道全部测量点或干燥室内全部测量点风速的平均值，m/s。

3 研究结果

3.1 冷态空载试验结果

冷态空载试验时，干燥室内不铺试验物料，测定干燥单元在空载状态下匀风板对介质在进风风道内风速的影响。风速测量点分布如图3，取A、B风道内所有测量点的标准差和变异系数作为评定进风气流分布均匀性的指标。

匀风板状态设置如下：“无”表示无匀风板；①、②、③分别表示图3中所示①、②、③位置的长度，所有状态下长匀风板长度保持不变。

A、B风道进风口的风速平均值、标准差和变异系数见表1，各测量点风速如图5。设置匀风板后，进风风道内的风速均匀性得到了很大改善。而且，不同长度匀风板状态下，进风风道内风速的均匀性存在较大差异，其中①状态下，样机两侧A、B风道进风口的风速标准差最小，即风速最为均匀。与无匀风板状态相比，①状态下两侧风道内风速变异系数分别由73.67%和73.90%下降为22.27%和29.36%。

3.2 冷态满载试验结果

冷态满载试验时，干燥单元两层干燥室都均匀铺放厚度为100 mm的试验物料。测定匀风板对于样机干燥室内风速均匀性的影响。以干燥室内121个测量点风速的标准差和变异系数作为评定指标。

设置两种匀风板状态，分别为“无”和状态①（其含义与3.1相同）。每种状态试验2次重复，试验结果如表2、图6和图7所示。

由表2可知，无短匀风板时，干燥室内的风速均匀性较差。对照图6可知，此时风量主要集中在x=（7、8、9、10、11）的区域及靠近进风风道远端的干燥室区域。且在干燥室主干燥区域，风速场亦存在较明显的波动。干燥室内风速场气流分布不均匀的主要原因是在风机的作用下气流在进风风道内更倾向于向前作直线运动，使得风量主要汇集在风道的后半部分，进入干燥室内的气流也主要集中在干燥室远离风机的一侧。这也表明，设置匀风板强制介质气流改变其在进风风道内的流向，应可改善干燥室内的风速场均匀性。

表2和图7所示试验结果验证了这种改善的可能性。增加长度为360 mm的短匀风板后，干燥室内风速场变异系数由40.3%下降为28.7%。由图7可知，此时尽管仍然存在风速偏高区域，但这种区域已不局限于干燥室的某一部分，而是分布在干燥室的四周，在中心主要干燥区域风速均匀性大为改善。

干燥室边缘的风速较高，一方面是因为壁效应，即干燥室壁面附近的物料空隙率总是大于干燥床层内部，阻力比较小，流体在近壁处的流速大于床层内部[6，7]；另一方面是由于样机加工精度和物料支承板的布置，影响了干燥室的边界风速，这可在以后的产品试制中予以改进。

考虑到物料经支撑翻板卸入下一层时，料层可能形成波纹形表面，为考察这种料层表面对干燥室风速均匀性的影响，安排了典型波纹料面状态下的风速测量试验。

如图8所示，干燥室内装载平均厚度为100 mm的物料，并将物料表面调整为波纹面，料厚最大值为120 mm，最小值为80 mm，匀风板设置为①状态。试验结果如图9所示。

由图9可知，干燥区风速随物料厚度的波动而波动，当物料表面处于最高点的时候，风速场的值处于最低值，反之亦然。干燥机工作时，物料表面的这种波纹是由于物料经翻板条状卸料而形成的，物料厚度的波动幅度取决于卸料翻板的宽度和物料休止角。在同样宽度的干燥室内，增加卸料翻板的个数，减小每一个翻板的宽度，可有效控制这种波动幅度，从而使干燥室内的气流速度更为均匀。

4 结论

立式干燥机干燥室内存在风速不均匀现象。通过在两侧风道内增加匀风板可以有效改善介质进入干燥室和穿过干燥物料的介质空气的速度均匀性，有效改善干燥室内的风量分配，保证干燥室内风速场分布的均匀性。物料厚度的均匀性对风速场的均匀性有直接的影响，卸料装置的设计对立式干燥机的干燥质量非常重要。

试验只在两侧风道中各布置了长短两个匀风板，可以预计，如在两侧布置更多匀风板，介质进入干燥室和穿过干燥物料的介质空气的速度均匀性将更高。

参考文献：

[1] 赵金红，岳晓禹，施娥娟，等.多层带式干燥机风速场的CFD模拟及检验[J].干燥技术与设备，2007，5（1）：15-21.

[2] 殷 勇，谢秀英，白崇仁，等.提高箱式穿流干燥机流场均匀性的研究[J].农业机械学报，1993，24（3）：40-45.

[3] 朱学文，白崇仁，谢秀英.穿流箱式干燥机干燥室内的风速场[J].中国农业大学学报，1998，3（2）：61-64.

[4] GABITES J R，ABRAHAMSON J，WINCHESTER J A. Air flow patterns in an industrial milk powder spray dryer[J]. Chemical Engineering Research and Design，2010，88（7）：899-910.

[5] WOO M W，DAUD W R W，MUJUMDAR A S，et al. CFD evaluation of droplet drying models in a spray dryer fitted with a rotary atomizer[J]. Drying Technology，2008，26（10）：1180-1198.

[6] 李静海，郭慕孙.气固并流上行两相流不均匀性机理的进一步研究[J].化工学报，1993，44（1）：49-58.

[7] 焦予秦，乔志德.翼型风洞侧壁干扰的数值模拟研究[J].空气动力学学报，2001，19（4）：471-477.