李 淵 葛仕福 楊敘軍 涂 勇 丁 晶

（1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 2.無(wú)錫國(guó)聯(lián)環(huán)?？萍加邢薰?3.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院)

旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機(jī)中物料推進(jìn)器輸送特性研究*

李 淵**1葛仕福1楊敘軍2涂 勇3丁 晶1

（1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 2.無(wú)錫國(guó)聯(lián)環(huán)?？萍加邢薰?3.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院)

研究了旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機(jī)的轉(zhuǎn)速、推進(jìn)器角度、推進(jìn)器個(gè)數(shù)及排布情況、物料粒徑等因素對(duì)干燥機(jī)中物料輸送通量、停留時(shí)間和充滿度的影響及其變化規(guī)律，建立了物理模型和數(shù)學(xué)模型。得到物料輸送通量半經(jīng)驗(yàn)公式，其與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的均方根誤差小于5%。結(jié)果表明，干燥機(jī)轉(zhuǎn)速越大、推進(jìn)器向前排布個(gè)數(shù)越多，在物料粒徑較大時(shí)體積通量越大，停留時(shí)間越短；當(dāng)干燥機(jī)轉(zhuǎn)速較小、物料粒徑較小、推進(jìn)器為前后分布時(shí)，能得到較大的充滿度。

旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機(jī) 物料通量 停留時(shí)間 充滿度 干燥

旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機(jī)是一種間接式干燥設(shè)備，國(guó)外已廣泛應(yīng)用于化工、食品、飼料等行業(yè)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)也對(duì)旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機(jī)干燥污泥進(jìn)行了相關(guān)探討。旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機(jī)與其它形式的干燥機(jī)相比，具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)[1]： （1）熱效率高，能耗低，其熱效率可達(dá)70%以上； （2）可調(diào)控性好，加熱盤的數(shù)量、加熱介質(zhì)的溫度和物料的停留時(shí)間等均可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整； （3） 被干燥物料不易破損；（4）無(wú)振動(dòng)，低噪音，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，操作容易。

旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機(jī)運(yùn)行時(shí)，濕物料從一端進(jìn)入，另一端排出，物料運(yùn)動(dòng)由設(shè)在圓盤頂端的推進(jìn)器控制。物料在干燥過(guò)程中，水分不斷蒸發(fā)，物料體積不斷減小[2-3]。如果推進(jìn)器設(shè)置不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)干燥機(jī)后端圓盤不充滿物料的現(xiàn)象，干燥機(jī)的傳熱面積無(wú)法得到充分利用，單位面積的干燥能力下降。許多學(xué)者研究了旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機(jī)干燥過(guò)程中的傳熱過(guò)程，建立了相關(guān)傳熱模型，但對(duì)旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機(jī)內(nèi)物料輸送特性的相關(guān)研究寥寥無(wú)幾[4-6]。物料在干燥機(jī)內(nèi)的推進(jìn)過(guò)程非常復(fù)雜，本文試圖建立物料推進(jìn)過(guò)程中的力學(xué)模型，實(shí)驗(yàn)研究轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、刮板數(shù)量、角度和物料種類對(duì)物料輸送特性的影響，探討物料運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這對(duì)于充分利用干燥面積，優(yōu)化干燥機(jī)結(jié)構(gòu)，提高干燥機(jī)單位面積的干燥能力，具有一定的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置。它主要由外殼、圓盤和驅(qū)動(dòng)裝置組成。為便于觀察、拍照及測(cè)量，外殼由有機(jī)玻璃制成，其長(zhǎng)1.2 m，直徑0.3 m，有效容積約為0.085 m3。圓盤是旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機(jī)的核心部件。本實(shí)驗(yàn)裝置共設(shè)有20組圓盤，圓盤直徑220 mm。圓盤頂端焊有推進(jìn)器支架，不同角度的推進(jìn)器通過(guò)螺栓與推進(jìn)器支架相連。實(shí)驗(yàn)時(shí)，物料由螺旋進(jìn)料機(jī)均勻送入進(jìn)料口，轉(zhuǎn)軸緩慢旋轉(zhuǎn)，物料在推進(jìn)器作用下向前移動(dòng)，從入口側(cè)推向出口側(cè)。

圖1 旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置

采用秒表測(cè)量物料停留時(shí)間；采用電子天平和量筒分別測(cè)量物料質(zhì)量和堆積體積。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)分別以黃豆和大米為物料，研究物料粒徑不同時(shí)旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機(jī)內(nèi)物料推進(jìn)速度以及充滿度。轉(zhuǎn)速通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)按鈕調(diào)節(jié)，設(shè)置為2、3、5 r/min。推進(jìn)器角度分別選用30°和45°。推進(jìn)器安裝時(shí)，安裝方向朝前則推動(dòng)物料向前運(yùn)動(dòng)，安裝方向朝后則反之。轉(zhuǎn)軸上有20個(gè)圓盤，每個(gè)圓盤上有4個(gè)推進(jìn)器支架，最多可安裝4個(gè)推進(jìn)器，前后圓盤上支架為交叉排布，相鄰兩個(gè)圓盤為一組。實(shí)驗(yàn)中前后兩個(gè)圓盤上推進(jìn)器安裝情況為：1前1前、1前1后、2前2前、2前2后、3前3前、3前3后以及無(wú)推進(jìn)器 （以2前2后為例：相鄰兩個(gè)圓盤其中一個(gè)安裝兩個(gè)推進(jìn)器，方向向前，相鄰另一個(gè)也安裝兩個(gè)，方向向后，以此類推）。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速并保持恒定，用螺旋進(jìn)料機(jī)均勻送料，并始終保持干燥機(jī)進(jìn)口處處于充滿狀態(tài)。當(dāng)出口處有物料流出時(shí)，測(cè)定單位時(shí)間內(nèi)物料流出量，直至流出量穩(wěn)定，此時(shí)內(nèi)部物料流動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。然后向?qū)嶒?yàn)機(jī)內(nèi)放入4個(gè)示蹤粒子（示蹤粒子采用經(jīng)過(guò)染色的相同物料），記錄示蹤粒子從進(jìn)入到流出所用時(shí)間，取平均值作為物料停留時(shí)間。每組實(shí)驗(yàn)完成后拍照，并測(cè)量此時(shí)實(shí)驗(yàn)機(jī)內(nèi)部剩余物料的體積。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)機(jī)從進(jìn)口到出口總長(zhǎng)度為L(zhǎng)，通過(guò)秒表測(cè)得示蹤粒子平均停留時(shí)間為T，物料平均速度V為:

物料輸送通量q通過(guò)測(cè)量出料口處單位時(shí)間物料的流出量得到。

物料堆積密度ρ采用下列方法得到：

其中，Vi為物料體積，用量筒測(cè)出；Mi為體積Vi的物料的質(zhì)量。每種物料做四組實(shí)驗(yàn)，取其平均值得到堆積密度ρ。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后拍照，用直尺測(cè)量其料位高度。

2 模型建立

2.1 物理模型

在物料推進(jìn)過(guò)程中，圓盤上的推進(jìn)器做圓周運(yùn)動(dòng)，通過(guò)推進(jìn)器有效面積及傾向角度推動(dòng)物料前進(jìn)。圖2為簡(jiǎn)化的物理模型，由圖可知推動(dòng)物料前進(jìn)的為X方向的力。

2.2 數(shù)學(xué)模型

如圖2所示，推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的線速度為：

式中，R為推進(jìn)器平均半徑，m；n為干燥機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

圖2 推進(jìn)器物理模型

設(shè)推進(jìn)器角度為α，則在推進(jìn)器法向方向上的分速度V1為：

物料在V1方向上的質(zhì)量流量為：

其中，ρ為物料堆積密度，F(xiàn)為推進(jìn)器面積。將通量q1分解至X方向，得到：

考慮到干燥機(jī)內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)情況復(fù)雜，采用修正系數(shù)k、m對(duì)式 （6）進(jìn)行修正，得到物料推進(jìn)質(zhì)量通量公式：

式 （7）為一個(gè)推進(jìn)器處物料推進(jìn)質(zhì)量通量。假設(shè)一個(gè)圓盤上安裝N個(gè)推進(jìn)器，則物料推進(jìn)總通量為:

2.3 模型擬合

對(duì)式 （8）兩邊取對(duì)數(shù)，得到：

利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)式 （9）、式 （10）進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 lnq～lnA關(guān)系圖

圖3擬合直線的斜率為0.032，截距為0.956，相關(guān)系數(shù) R2為 0.91，所以 k=e0.956=2.6，m=0.032。由此可得到物料推進(jìn)通量的半經(jīng)驗(yàn)公式為：

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與半經(jīng)驗(yàn)公式 （11）進(jìn)行比較，見(jiàn)圖4，通過(guò)計(jì)算得到二者均方根誤差為4.9%，可見(jiàn)式 （11）與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。

圖4 半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較

3 物料推進(jìn)通量及停留時(shí)間影響因素

3.1 轉(zhuǎn)速

以黃豆為物料，在推進(jìn)器角度為45°、推進(jìn)器數(shù)量為2個(gè)的條件下，轉(zhuǎn)速對(duì)推進(jìn)通量和停留時(shí)間的影響如圖5所示。隨著轉(zhuǎn)速的提高，單位時(shí)間內(nèi)推動(dòng)物料增多，通量增大，停留時(shí)間相應(yīng)減小。

圖5 轉(zhuǎn)速對(duì)物料通量和停留時(shí)間的影響

3.2 推進(jìn)器角度

實(shí)驗(yàn)選取了30°和45°兩種推進(jìn)器角度，角度對(duì)物料流出通量及停留時(shí)間的影響如圖6所示。

由通量公式可知，速度和通量與角度有關(guān)，當(dāng)α=45°時(shí)，通量最大，停留時(shí)間最小。

圖6 推進(jìn)器角度對(duì)流出通量和停留時(shí)間的影響

3.3 推進(jìn)器數(shù)量及排布

推進(jìn)器數(shù)量越多，圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)推動(dòng)的物料就越多，即物料流出通量增大，停留時(shí)間減小，如圖7所示。當(dāng)前后兩個(gè)圓盤安裝推進(jìn)器角度為向前、向后排布時(shí)，向前的推進(jìn)器對(duì)物料產(chǎn)生向前的推動(dòng)力，而向后的推進(jìn)器則產(chǎn)生相反的推動(dòng)力。理論上這兩個(gè)力是相互抵消的。但由于兩個(gè)方向力的存在，物料在干燥機(jī)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)劇烈，碰撞大，進(jìn)料口物料充滿，使得前面物料對(duì)后面物料的推動(dòng)作用更加頻繁。此種情況下物料通量比沒(méi)有安裝推進(jìn)器時(shí)增加，但增加效果不明顯，對(duì)比效果如圖8所示。

圖7 推進(jìn)器數(shù)量對(duì)流出通量和停留時(shí)間的影響

3.4 物料粒徑

由通量公式可知，物料堆積密度是一個(gè)重要的影響因素，堆積密度與物料的粒徑有關(guān)。以大米和黃豆為物料，當(dāng)轉(zhuǎn)速為5 r/min、推進(jìn)器角度為45°時(shí)，物料粒徑不同引起的填充密度的差異對(duì)流出通量及停留時(shí)間的影響見(jiàn)圖9。由圖9可見(jiàn)，大粒徑物料停留時(shí)間短，物料通量小。

4 旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖10示出了轉(zhuǎn)速、推進(jìn)器排布和粒徑對(duì)物料充滿度的影響。由圖10可知： （1）轉(zhuǎn)速越大，物料充滿度越??； （2）推進(jìn)器前后排布時(shí)對(duì)提高充滿度有顯著提高，并且由于前后排布使得物料局部來(lái)回運(yùn)動(dòng)，使停留時(shí)間增大； （3）粒徑越大，充滿度越小。因此，在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)減小轉(zhuǎn)速，減小物料粒徑，使相鄰?fù)七M(jìn)器安裝為前后角度，有利于提高干燥機(jī)內(nèi)部物料充滿度，提高干燥機(jī)單位面積干燥能力。

綜合考慮上述因素，設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機(jī)推進(jìn)器數(shù)量及排布如表1所示。

圖8 前后推進(jìn)器排布對(duì)物料通量和停留時(shí)間的影響

圖9 物料粒徑對(duì)通量和停留時(shí)間的影響

圖10 不同條件下的料位高度

表1 設(shè)計(jì)推進(jìn)器數(shù)量及排布（表中符號(hào)+表示向前，-表示向后）

圖11為優(yōu)化方案與其它推進(jìn)器排布方案充滿度實(shí)物圖比較。圖12為優(yōu)化方案料位高度與圖10中最優(yōu)充滿度，即大米在2前2后、2 r/min條件下的比較。由圖12可看出料位高度在實(shí)驗(yàn)機(jī)內(nèi)變化情況。由于保持進(jìn)料口處物料充滿，所以進(jìn)料端圓盤處物料幾乎充滿。隨著物料移動(dòng)，料位高度開(kāi)始下降，尤其在圓盤12～16處下降趨勢(shì)較為明顯。此段優(yōu)化方案采用較少推進(jìn)器數(shù)量，使此段物料通量較小，提高充滿度。出口端充滿度較低，優(yōu)化方案采用少量推進(jìn)器，降低物料推進(jìn)速度，同時(shí)采用推進(jìn)器角度向后，這樣有利于提高充滿度。

圖11和圖12表明：實(shí)驗(yàn)中所提出的優(yōu)化方案效果明顯，可充分利用干燥機(jī)面積。

圖11 不同條件下的料位高度實(shí)物圖

圖12 優(yōu)化方案與大米在2前2后、2 r/min時(shí)料位高度比較

5 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)得到物料通量半經(jīng)驗(yàn)公式：

物料通量與轉(zhuǎn)速、圓盤半徑、推進(jìn)器向前安裝的數(shù)量、推進(jìn)器面積、粒徑等因素成正相關(guān)，且推進(jìn)器角度在45°時(shí)通量最大。

（2）物料停留時(shí)間與轉(zhuǎn)速、圓盤半徑、推進(jìn)器向前安裝的數(shù)量、推進(jìn)器面積、粒徑等因素成負(fù)相關(guān)。

（3）實(shí)驗(yàn)機(jī)充滿度與轉(zhuǎn)速、推進(jìn)器向前安裝數(shù)量、粒徑等因素成負(fù)相關(guān)，推進(jìn)器角度前后排布有利于提高充滿度。

（4）提出了實(shí)驗(yàn)機(jī)推進(jìn)器布置優(yōu)化方案，實(shí)驗(yàn)證明該方案充滿度較高，可充分利用干燥機(jī)面積。

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Study on Transport Characteristics of Material Propeller in Rotating Disc Dryer

Li Yuan Ge Shifu Yang Xujun TuYong Ding Jing

Studied the effects on material transport flux,residence time and fullness degree in rotating disc dryer of rotation speed,propeller angle,number and arrangement,material particle size and so on,established physical and mathematical models.Obtained the hemi empirical formula of material transport flux,the root-meansquare error of which and experimental data was less than 5%.The experimental results showed that greater rotation speed,more propellers arranged in front and larger material particle size resulted in larger volumetric flux and shorter residence time;lower rotation speed,smaller material particle size and forward-backward propellers caused greater fullness degree.

Rotating disc dryer;Material flux;Residence time;Fullness degree；Drying

TQ 051.8+92

2013-05-10）

（1）水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2010ZX07319-002）；（2）江蘇省2012年環(huán)?？蒲杏?jì)劃（2012033）。

**李淵，男，1988年生，碩士研究生。南京市，210096。