王　超，路原睿，徐　澍（天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司，甘肅省蘭州市730060）

一種新型管束干燥機

王超，路原睿，徐澍（天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司，甘肅省蘭州市730060）

管束式干燥機是間接加熱接觸式干燥機，是目前國內(nèi)使用最廣泛、技術(shù)最先進的干燥設(shè)備之一，具有高效節(jié)能、安裝方便、操作簡單等優(yōu)點，廣泛用于輕工、食品、飼料行業(yè)［1］。本文以現(xiàn)役管束干燥機技術(shù)基礎(chǔ)，結(jié)合我院（國家干燥技術(shù)及裝備工程技術(shù)研究中心）多年相關(guān)回轉(zhuǎn)干燥設(shè)備的設(shè)計研究經(jīng)驗，針對現(xiàn)役管束干燥機在運轉(zhuǎn)時的啟動或者停車階段，部分列管斷裂失效的現(xiàn)象，設(shè)計了一種新型換熱管浮動式管束干燥機，并制造投入使用，解決了列管斷裂問題，取得了良好的效果。

管束干燥機；列管斷裂；換熱管浮動式

1管束干燥機的結(jié)構(gòu)及工作原理簡述

（1）管束干燥機的結(jié)構(gòu)：管束干燥機系統(tǒng)主要由管束干燥機主機、出料螺旋、返料螺旋、高速混料螺旋等組成；其中管束干燥機主機由轉(zhuǎn)子（管束部件）、殼體、傳動系統(tǒng)、支撐、冷凝水輸出系統(tǒng)、熱蒸汽系統(tǒng)等組成，結(jié)構(gòu)見圖1：管束干燥機系統(tǒng)組成。

圖1管束干燥機系統(tǒng)組成

（2）工作原理簡述：管束干燥機工作時，物料由進料螺旋送入殼體內(nèi)，通過管束外緣的抄板，一方面將物料抄起，使之均布于管束截面，同時推動物料沿干燥機軸向前進，使物料被連續(xù)地從干燥機的一端均勻推進到另一端，經(jīng)過出料螺旋排出。同時，蒸汽從管束一端通過旋轉(zhuǎn)接頭進入封頭，均勻地進入管束中（由若干的換熱管組成），熱能通過管壁被傳遞到物料容腔，加熱和干燥物料；而蒸汽熱交換降溫形成的冷凝水則通過冷凝水排出系統(tǒng)從管束另一端排出，物料干燥后的廢氣則由風(fēng)機引出，經(jīng)旋風(fēng)除塵后排空［2］。

2管束干燥機管束列管斷裂問題分析

某企業(yè)現(xiàn)役的三臺管束干燥機在實際使用過程中，發(fā)現(xiàn)設(shè)備在啟動或者剛停車運轉(zhuǎn)的很短時間內(nèi)，靠近管束徑向中心的換熱管斷裂，而斷裂的換熱管失效后，泄露的帶壓蒸汽將周圍換熱管沖斷，導(dǎo)致整個管束失效。

針對此問題我院從干燥機設(shè)備結(jié)構(gòu)和設(shè)備運轉(zhuǎn)的特性對其進行了分析研究：

2.1換熱管熱膨脹量不均勻?qū)е聰嗔咽?/p>

在考察了設(shè)備的運轉(zhuǎn)過程后，發(fā)現(xiàn)沿管束徑向分布的換熱管與物料接觸不均勻：外側(cè)換熱管由于靠近干燥機抄板，與物料接觸幾率高，換熱快；靠近中心部分的換熱管接觸物料相對少，換熱少。換熱管的換熱效率不同：內(nèi)部的換熱管接觸物料少，熱交換量小，換熱管溫度較高，外側(cè)換熱管接觸物料多，熱交換量大，換熱管溫度較低，通過實際測量，內(nèi)外圈換熱管溫差約30℃，見表1。

表1換熱管壁溫測量數(shù)據(jù)

由換熱管的物理特性分析：

設(shè)定：換熱管材料為20#鋼，規(guī)格為φ51×3，長度l= 7200mm，計算熱膨脹量；

工作溫度（入口蒸汽）：135℃內(nèi)部管子溫度（延管壁軸向取平均值）：110℃，外側(cè)管子溫度 （延管壁軸向取平均值）：80℃；

取碳鋼材料在20～200℃的線膨脹系數(shù)a=11.3～13［3］，取經(jīng)驗參考值=11.8，則線膨脹量：Vl=a×Vt×l；

中間換熱管線膨脹量：

Vl1=a×Vt1×l=11.8×25×7200×10-6=2.124mm

外側(cè)換熱管線膨脹量：

Vl2=a×Vt2×l=11.8×55×7200×10-6=6.6728mm

由上式計算結(jié)果可知內(nèi)外側(cè)換熱管熱交換不均勻?qū)е聼崤蛎洸痪?，?nèi)外側(cè)換熱管因膨脹不均對管板應(yīng)力不均勻，內(nèi)側(cè)換熱管受到兩端管板擠壓而受壓力大，因而產(chǎn)生斷裂的可能，圖2是用ANSYS 9.0［3］分析的結(jié)果，從圖中可以看出，內(nèi)圈換熱管受管板擠壓，有斷裂失效的可能。

圖2 ANSYS 9.0應(yīng)力分析換熱管受力示意圖

2.2干燥機運轉(zhuǎn)時換熱管受扭矩分布不均影響斷裂

長度為7.2m的管束干燥機換熱管兩端與管板脹焊固定，沒有自由延伸的空間，并且換熱管在運轉(zhuǎn)過程中受管板的扭矩影響，管板直徑約3m，數(shù)百根換熱管以正三角形分布在管板上，內(nèi)外側(cè)的換熱管應(yīng)力分布不均勻，從而導(dǎo)致不同區(qū)域的換熱管斷裂，圖3用ANSYS 9.0模擬了內(nèi)外側(cè)換熱管在運轉(zhuǎn)時受扭矩的狀態(tài)。

圖3施加扭矩后換熱管的扭矩分布狀態(tài)

從管束干燥機設(shè)備結(jié)構(gòu) （換熱管的分布以及與管板的連接方式）以及工作中與物料的換熱情況分析，要解決換熱管斷裂的問題，需要對現(xiàn)有設(shè)備進行改進和優(yōu)化，使換熱管工作時的應(yīng)力和應(yīng)變均勻化。

3新型管束干燥機結(jié)構(gòu)說明

我院依據(jù)現(xiàn)役管束干燥機的特點，結(jié)合我院蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機換熱管單向浮動結(jié)構(gòu)的特點，設(shè)計并制造了國內(nèi)現(xiàn)役最大換熱面積（1540m2）的管束式干燥機。

新型管束干燥機的設(shè)計結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化：

（1）針對干燥機工作時，換熱管受扭矩不均勻，增加了中心軸管：通過對設(shè)備進行力矩和彎矩計算，以及動態(tài)模擬，加入中心軸管，連接兩端板，使工作中的扭矩主要作用于中心軸管上，有效平衡了換熱管在轉(zhuǎn)動時受到的扭矩，降低了換熱管受彎扭斷裂的可能；

（2）針對換熱管換熱膨脹不均勻，重新設(shè)計換熱管與管板聯(lián)接結(jié)構(gòu)：蒸汽單向進出，如圖4所示，換熱管一端與管板脹焊，另外一端（傳動端）設(shè)計為浮動式聯(lián)接。

圖4蒸汽進出通道示意圖

在干燥機在運轉(zhuǎn)時，換熱管脹焊端固定，浮動端可以自由膨脹，這樣就消除了熱膨脹量不均勻?qū)е碌膬?nèi)側(cè)換熱管受力導(dǎo)致的斷裂。

優(yōu)化后的干燥機結(jié)構(gòu)運用ANSYSY 9.0分析換熱管受力，即便存在溫差，因換熱管一端自由膨脹，內(nèi)外圈受力也是均勻分布，如圖5所示。

圖5改進結(jié)構(gòu)后內(nèi)外換熱管有溫差時應(yīng)變云圖（換熱管一端自由膨脹）

4結(jié)語

本文借助ANSYS 9.0有限元和對設(shè)備實際使用情況的分析，結(jié)合現(xiàn)有蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機結(jié)構(gòu)特點，通過以上兩處結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計和優(yōu)化，大大降低了換熱管應(yīng)熱膨脹和受不等扭矩影響的斷裂可能性。該設(shè)備投入運營至今，性能均達到設(shè)計指標，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。該種新型管束干燥機完全的繼承了傳統(tǒng)管束干燥機高效節(jié)能、安裝方便、操作簡單等優(yōu)點，并借助天華化工及自動化研究設(shè)計院有限公司長期積累的蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機的一些結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，解決了列管斷裂問題，提高了設(shè)備使用壽命，降低了設(shè)備維護成本，提升了經(jīng)濟收益，今后將推廣在其它類型（換熱面積 700m2、900m2、1100m2等）的管束干燥機中運用。

［1］夏紅軍.管束干燥機的設(shè)計、制作與選用.糧食加工，2004（1）：38～40. ［2］陳國桓.新型節(jié)能的管束干燥機.化工進展，1996（4）：40～43.

［3］博弈創(chuàng)作室.ANSYS 9.0經(jīng)典產(chǎn)品基礎(chǔ)教程與實例詳解.中國水利水電出版社，2006（2009重?。?

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2015-12-30