馬力輝，齊明君，侯曉華，臧揚(yáng)揚(yáng)，孫輝

(1.河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北 保定 071000；2.河北大學(xué) 低碳研究院，河北 保定 071000； 3.保定市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局 特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，河北 保定 071000)

在鉛酸蓄電池生產(chǎn)中，固化好壞至關(guān)重要.固化前，對(duì)涂膏板柵進(jìn)行快速干燥使附著的鉛膏含水量由11%下降到8%左右是重要的工藝之一.極板快速干燥機(jī)就是此過程的專業(yè)設(shè)備.其由窯體、風(fēng)道、加熱循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、排濕系統(tǒng)等組成，如圖1所示.涂膏板柵沿極板運(yùn)輸平面水平通過干燥機(jī)窯體，熱空氣以循環(huán)風(fēng)機(jī)為動(dòng)力，通過風(fēng)道導(dǎo)向，最終由出風(fēng)風(fēng)道(上、下風(fēng)道)出風(fēng)口吹出，對(duì)板柵上下表面進(jìn)行快速干燥，達(dá)到失水3%的目的.在干燥機(jī)的設(shè)計(jì)中，降低熱氣流在風(fēng)道內(nèi)流動(dòng)的損失、提高熱氣流流速的均勻性對(duì)提高干燥性能至關(guān)重要[1-5].由于空氣的流動(dòng)難以預(yù)測，對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)的反復(fù)實(shí)驗(yàn)成本高、效率低[6-7]，本文采用Solidworks對(duì)干燥機(jī)中出風(fēng)風(fēng)道進(jìn)行三維建模，依靠Flow Simulation插件對(duì)干燥機(jī)風(fēng)道內(nèi)熱空氣如何流動(dòng)進(jìn)行模擬，為風(fēng)道結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化提供寶貴依據(jù).

圖1 極板快速干燥機(jī)結(jié)構(gòu) Fig.1 Structure of fast plate dryer

1 幾何計(jì)算模型

干燥機(jī)風(fēng)道的流場十分復(fù)雜，結(jié)構(gòu)稍有改變流場隨即發(fā)生變化[8].針對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)道為簡單的長方形風(fēng)道及風(fēng)道內(nèi)導(dǎo)流板簡單安放的問題，分別對(duì)出風(fēng)風(fēng)道形狀、出風(fēng)風(fēng)道不同導(dǎo)流板位置建立模型.出風(fēng)風(fēng)道形狀主要研究出風(fēng)風(fēng)道由矩形轉(zhuǎn)變?yōu)樽兘孛娴奶菪涡螤詈髮?duì)出風(fēng)口風(fēng)速的影響.出風(fēng)風(fēng)道不同導(dǎo)流板位置主要研究出風(fēng)風(fēng)道中導(dǎo)流板不同位置對(duì)出風(fēng)口的風(fēng)速及均勻性的影響.上風(fēng)道與下風(fēng)道結(jié)構(gòu)相似，模型以下風(fēng)道為模擬對(duì)象，風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口位置由干燥機(jī)與風(fēng)道相關(guān)結(jié)構(gòu)綜合考慮確定，出風(fēng)口縫隙為30 mm，共有102個(gè)，分為2排，每排相鄰出風(fēng)口間隔100 mm，如圖2所示.

a.出風(fēng)風(fēng)道形狀的幾何計(jì)算模型;b.出風(fēng)風(fēng)道不同導(dǎo)流板位置的幾何計(jì)算模型.
圖2 幾何計(jì)算模型
Fig.2 Geometric model

2 數(shù)值模擬與結(jié)果

2.1 模擬方案設(shè)置

出風(fēng)風(fēng)道形狀、出風(fēng)風(fēng)道不同導(dǎo)流板位置模擬方案示意如圖3所示.出風(fēng)風(fēng)道形狀方案中，風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口位置及大小已確定，利用調(diào)節(jié)梯形底部長度(L)來改變風(fēng)道兩側(cè)變截面長度及角度，共有5組方案：1 600方案(L=1 600 mm)，1 800方案(L=1 800 mm)，2 000方案(L=2 000 mm)，2 200方案(L=2 200 mm)，矩形方案(L=6 650 mm). 出風(fēng)風(fēng)道的導(dǎo)流板不同位置方案設(shè)置有無導(dǎo)流板、1對(duì)導(dǎo)流板和2對(duì)導(dǎo)流板，共43組方案，方案參數(shù)設(shè)置見表1.用A1iB1j表示一對(duì)導(dǎo)流板參數(shù)，A1i表示深度參數(shù)(a1)，B1j表示位置參數(shù)(b1,b2)；A2mB2n表示2對(duì)導(dǎo)流板參數(shù)，A2m表示深度參數(shù)(a1,a2)，B2n表示導(dǎo)流板位置參數(shù) [(b1,b2)(c1,c2)].如A12B12表示一對(duì)導(dǎo)流板200(150,500)方案，A23B23表示2對(duì)導(dǎo)流板(100,400)(100,700)(250,450)方案.

圖3 風(fēng)道模擬方案尺寸示意 Fig.3 Dimensions schematic of simulation program on the air duct

序號(hào)A1/mmB1/mm A2/mmB2/mm1100(150,350)(100,200)(100,500)(250,400)2200(150,500)(100,300)(100,600)(250,450)3300(150,650)(100,400)(100,700)(250,450)4400(250,450)(200,300)(100,700)(250,550)5(350,550)(200,400)(100,700)(350,550)6(300,400)(200,500)(300,400)7(200,600)(300,500)

2.2 出風(fēng)風(fēng)道形狀模擬分析

圖4 出風(fēng)風(fēng)道形狀監(jiān)測點(diǎn)素速度統(tǒng)計(jì) Fig.4 Rate statistics of monitoring points in air duct

分別對(duì)5組方案進(jìn)行計(jì)算機(jī)流場模擬.在條形出風(fēng)口均勻選取監(jiān)測點(diǎn)素，充分分析檢測點(diǎn)素?cái)?shù)據(jù)，監(jiān)測點(diǎn)素位置選擇應(yīng)能充分表征出風(fēng)風(fēng)道速度規(guī)律.每個(gè)條形出風(fēng)口上均勻選取8個(gè)監(jiān)測點(diǎn)素，梯形較短一側(cè)取20個(gè)條形出風(fēng)口，梯形較長一側(cè)取40個(gè)條形出風(fēng)口.

由圖4可知，風(fēng)速10～12，12～14，14～16 m/s的監(jiān)測點(diǎn)素?cái)?shù)量均明顯增加，其中12～14 m/s的增幅最大，提升56.41%～69.23%，10～12 m/s的提升比率為9.1%～10.2%，14～16 m/s的提升比率為37.5%～58.3%，16～18 m/s相差不大、基本相當(dāng)，速度大于10 m/s的提升比率為31.1%～36.4%；風(fēng)速較小的監(jiān)測點(diǎn)素?cái)?shù)量有所下降，其中小于5 m/s的下降比率為44.0%～56.0 %，5～10 m/s的下降比率為25.6%～29.5 %.梯形風(fēng)道可以有效地增加兩端出風(fēng)口的風(fēng)速，使出風(fēng)口風(fēng)速為10～16 m/s的速度有所提升、小于10 m/s的速度有所減少及大于16 m/s的速度基本不變.這樣出風(fēng)口風(fēng)速就集中在中間比較高的風(fēng)速范圍內(nèi).

2.3 出風(fēng)風(fēng)道不同導(dǎo)流板位置模擬分析

由于方案多(一對(duì)導(dǎo)流板方案20組，2對(duì)導(dǎo)流板方案42組，無導(dǎo)流板方案1組)，經(jīng)過分析選取監(jiān)測點(diǎn)素速度大于10 m/s的數(shù)量、子區(qū)域速度大于10 m/s點(diǎn)素?cái)?shù)量百分比及對(duì)比速度云圖獲得結(jié)果.

2.3.1 監(jiān)測點(diǎn)素速度大于10 m/s的數(shù)量

統(tǒng)計(jì)風(fēng)道出風(fēng)口監(jiān)測點(diǎn)素總數(shù)，速度大于10 m/s點(diǎn)素?cái)?shù)量如圖5所示.根據(jù)表1可確定各方案的具體參數(shù).圖中各方案均對(duì)應(yīng)標(biāo)有速度大于10 m/s點(diǎn)素?cái)?shù)量，其中無導(dǎo)流板速度大于10 m/s點(diǎn)素?cái)?shù)量為536，篩選出點(diǎn)素?cái)?shù)量大于536的導(dǎo)流板方案：100(150,350)，100(150,500)，100(150,650)，100(250,450)，100(350,550)，200(250,450)，(100,400)(200,500)(300,400)，(200,300)(100,500)(250,400)，(200,300)(100,700)(250,450)，(200,400)(100,500)(250,400)，(200,400)(200,500)(300,400).這些方案通過添加導(dǎo)流板使速度大于10 m/s點(diǎn)素?cái)?shù)量有所增加，提高風(fēng)道出風(fēng)口較大風(fēng)速的區(qū)域范圍，作為第1次篩選的結(jié)果.

圖5 速度大于10 m/s的點(diǎn)素?cái)?shù)量統(tǒng)計(jì) Fig.5 Statistics of monitoring points which Speed is faster than 10 m/s

2.3.2 子區(qū)域速度大于10 m/s點(diǎn)素?cái)?shù)量百分比

出風(fēng)口劃分為12個(gè)子區(qū)域，分析子區(qū)域出風(fēng)口速度，如圖6所示.子區(qū)域出風(fēng)口速度對(duì)干燥效果的影響權(quán)重不同，子區(qū)域篩選權(quán)重為：A1^，A1，A2^，A2，B2^，B2，C1^，C1高于B1^，B1，C2^，C2.篩選原則：在高權(quán)重區(qū)域內(nèi)，出現(xiàn)大于10 m/s點(diǎn)素?cái)?shù)量百分比為0或很小(百分比小于0.3)的方案將去除；出現(xiàn)多個(gè)區(qū)域大于10 m/s點(diǎn)素百分比偏小的方案將去除；低權(quán)重區(qū)域內(nèi)，出現(xiàn)大于10 m/s點(diǎn)素?cái)?shù)量百分比為0將直接去除；出現(xiàn)大于10 m/s點(diǎn)素?cái)?shù)量百分比很小(百分比小于0.3)時(shí)，綜合考慮各區(qū)域情況后，決定是否去除.由圖7可知，無導(dǎo)流板方案在A2^，B2^，C1^區(qū)域內(nèi)大于10 m/s點(diǎn)素所占比例偏小(0.4285，0.2187和0.43758)，100(150,350) ，100(150,500)，100(250,450)，(100,400)(200,500)(300,400)方案在C1^區(qū)域內(nèi)大于10 m/s點(diǎn)素所占比例為0，(200,400)(100,500)(250,400)方案在B2及A1區(qū)域內(nèi)大于10 m/s點(diǎn)素所占比例均比較小(0.25和0.2321).篩選出出風(fēng)口速度大、分布較均勻的方案：100(150,650)，100(350,550)，200(250,450)，(200,300)(100,500)(250,400)，(200,300)(100,700)(250,450)，(200,400)(200,500)(300,400).

圖6 子區(qū)域劃分 Fig.6 Divided sub-regions in air duct

圖7 子區(qū)域大于10 m/s點(diǎn)素?cái)?shù)量百分比雷達(dá) Fig.7 Percentage of monitoring points which speed is faster than 10 m / s in sub-region

2.3.3 云圖分析

對(duì)比以上篩選方案的出風(fēng)口速度云圖，直觀的辨別出速度的均勻性，云圖如圖8所示.由圖8可知，方案100(150，650)、100(350,550)在均勻性上較差：白色區(qū)域面積大即速度較小所占面積大；方案200(250,450)進(jìn)風(fēng)口附近出現(xiàn)大面積低速區(qū)域，極板在干燥過程中加熱不均勻，容易出現(xiàn)一半已干燥另一半潮濕的現(xiàn)象；方案(200,300)(100,500)(250,400)相對(duì)于剩余2個(gè)方案，在云圖上方白色區(qū)域較大，速度較低.方案(200,300)(100,700)(250,450)與方案(200,400)(200,500)(300,400)相比，前者黑色區(qū)域更深、范圍更大即出風(fēng)口速度更大和較大風(fēng)速的區(qū)域更大，說明其在均勻性及速度大小上更好一些.

圖8 出風(fēng)風(fēng)道側(cè)進(jìn)風(fēng)篩選云圖 Fig.8 Cloud chart of the air duct

3 結(jié)論

設(shè)置多組模擬方案，針對(duì)極板快速干燥機(jī)風(fēng)道形狀及風(fēng)道內(nèi)導(dǎo)流板位置，進(jìn)行風(fēng)道流場分析，結(jié)果表明：梯形風(fēng)道與矩形風(fēng)道相比，可以一定程度提高風(fēng)道兩側(cè)末端出風(fēng)口速度，較長一側(cè)速度提升更為明顯，在模擬方案中，綜合考慮相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，1800方案穩(wěn)定性好，適宜應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)；對(duì)出風(fēng)風(fēng)道導(dǎo)流板位置改變而設(shè)置的眾多方案進(jìn)行3次篩選，分別對(duì)監(jiān)測點(diǎn)素速度大于10 m/s的數(shù)量、子區(qū)域速度大于10 m/s點(diǎn)素?cái)?shù)量百分比、云圖進(jìn)行分析，說明合理的導(dǎo)流板位置可以提高出風(fēng)風(fēng)道出風(fēng)口風(fēng)速的均勻性及風(fēng)速大小，在模擬方案中，方案(200,300)(100,700)(250,450)出風(fēng)口風(fēng)速的均勻性及大小效果更好，適宜應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn).

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