■頊文娟 陳海峰

（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710021)

顆粒飼料加工中，出制粒機(jī)后的顆粒飼料溫度達(dá)70～85℃，濕度達(dá)13%～17%，此時(shí)顆粒飼料質(zhì)地松軟，濕分太大，不適宜運(yùn)輸和安全儲(chǔ)存，必須對(duì)其進(jìn)行冷卻除濕處理，使顆粒溫度不超過(guò)環(huán)境溫度3～5℃，濕度降至12.5%以下。逆流式冷卻器是目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的顆粒飼料冷卻設(shè)備。

1 逆流冷卻器的結(jié)構(gòu)和工作原理

逆流冷卻器的結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，主要包括關(guān)風(fēng)器（喂料器）、機(jī)蓋、冷卻倉(cāng)體、排料機(jī)構(gòu)、下料斗、料位計(jì)等。逆流冷卻器采用“逆流”工作原理，即熱顆粒物料經(jīng)過(guò)關(guān)風(fēng)器從冷卻器上方進(jìn)入冷卻倉(cāng)內(nèi)，方向?yàn)椤皬纳系较隆?，而空氣從冷卻倉(cāng)下方進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，方向?yàn)椤皬南碌缴稀?，物料與氣流形成逆流接觸。“逆流”冷卻方式使顆粒飼料從上到下均勻冷卻，成品顆粒裂紋少，粉化率低，儲(chǔ)存時(shí)不易變質(zhì)[1]。

圖1 逆流冷卻器（主視）

圖2 逆流冷卻器（右視）

2 冷卻器排料機(jī)構(gòu)

本文基于最常見(jiàn)的柵欄式和翻板式排料機(jī)構(gòu)以及其他3種改進(jìn)結(jié)構(gòu)對(duì)冷卻器內(nèi)風(fēng)速場(chǎng)進(jìn)行分析和對(duì)比。為簡(jiǎn)化計(jì)算，物理建模時(shí)對(duì)模型進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化。

2.1 翻板式

圖3是常用的翻板結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 翻板式

2.2 柵欄式(見(jiàn)圖4)

圖4 柵欄式

柵欄式排料機(jī)構(gòu)排料時(shí)，排料柵欄作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，顆粒從排料柵欄與調(diào)節(jié)柵欄之間的間隙排出，進(jìn)風(fēng)則是通過(guò)調(diào)節(jié)柵欄的間隙。

2.3 翻板加布風(fēng)板(見(jiàn)圖5)

該結(jié)構(gòu)由閭宏等[2]在翻板式基礎(chǔ)上改進(jìn)。除保留了原來(lái)的進(jìn)氣通道外，又在各個(gè)翻板的上端設(shè)置兩排通氣孔，在通氣孔上方罩有布風(fēng)板，布風(fēng)板通過(guò)幾對(duì)筋板連接在翻板上。進(jìn)氣時(shí)一部分氣流經(jīng)過(guò)通氣孔進(jìn)入，又經(jīng)過(guò)布風(fēng)板布置后進(jìn)入料層，目的是使倉(cāng)內(nèi)布風(fēng)更加均勻。

圖5 翻板加布風(fēng)板

2.4 帶減壓板“介型”(見(jiàn)圖6)

該機(jī)構(gòu)由閭宏等[3]在柵欄式基礎(chǔ)上改進(jìn)。調(diào)節(jié)柵欄改為整體沖壓機(jī)構(gòu)，上面留有許多通氣孔用于進(jìn)氣。

圖6 帶減壓板“介型”

2.5 “介型”(見(jiàn)圖7)

該結(jié)構(gòu)由郝波等[4]提出。上層為“介”形型鋼固定框，固定在底座上，固定框上沖有篩孔，用于進(jìn)風(fēng)。下層是矩形截面型鋼活動(dòng)框，排料時(shí)下層活動(dòng)框往復(fù)運(yùn)動(dòng)，物料從兩者的間隙中落下。

3 物理模型的建立和網(wǎng)格的劃分

本文建立的5種冷卻器模型中冷卻倉(cāng)均采用八角形結(jié)構(gòu)，出風(fēng)口結(jié)構(gòu)和尺寸相同，只有排料機(jī)構(gòu)不同，在Solidworks軟件中建模，以料層高度方向?yàn)閆方向，與翻板旋轉(zhuǎn)軸線平行的方向?yàn)閅方向，與翻板軸線垂直方向?yàn)閄方向，料層高度均設(shè)置為0.6 m，料層底面為Z=0面，排料機(jī)構(gòu)及其框架的Z坐標(biāo)為負(fù)，坐標(biāo)原點(diǎn)在Z=0面的幾何中心處，如圖8所示。建模后導(dǎo)入前處理軟件Gambit中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)飼料層以及進(jìn)、出風(fēng)區(qū)域進(jìn)行了細(xì)化。這里只列出翻板式冷卻器網(wǎng)格劃分之后的結(jié)果，其他4種類型根據(jù)不同的排料機(jī)構(gòu)分別建立了物理模型并劃分網(wǎng)格。

圖7 “介型”

圖8 冷卻器網(wǎng)格劃分和坐標(biāo)系

4 控制方程和邊界條件

4.1 控制方程

本文只分析冷卻器內(nèi)的流場(chǎng)，不涉及能量的傳遞，用到的控制方程是質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程。分別為公式(1)和公式(2)[5]。

其中：τij是應(yīng)力張量，其表達(dá)式見(jiàn)公式(3)；ρgi、Fi是重力體積力和其他體積力。

4.2 邊界條件的設(shè)置

將模型劃分好網(wǎng)格后導(dǎo)入Fluent中，湍流模型選擇κ-ε模型，將飼料層設(shè)置為多孔介質(zhì)區(qū)域，多孔介質(zhì)區(qū)域的黏性阻力和慣性阻力系數(shù)分別按照下面公式(4)和(5)計(jì)算。

其中：ε為孔隙率，DP為顆粒直徑。

表1列出了所有的邊界條件設(shè)置以及冷卻器尺寸和飼料的物性參數(shù)。

表1 冷卻器尺寸、飼料物性參數(shù)和邊界條件

5 模擬結(jié)果

為了定量研究風(fēng)速場(chǎng)的均勻性，在這里定義速度均勻性系數(shù)，見(jiàn)公式(6)。

均勻性系數(shù)越大表明風(fēng)速分布越均勻，系數(shù)可以為負(fù)值。

5.1 X方向風(fēng)速均勻性分析

為便于表述，將冷卻器按照排料機(jī)構(gòu)的不同進(jìn)行編號(hào)如表2。

表2 冷卻器分類編號(hào)

利用CFD-Post軟件進(jìn)行后處理，在飼料層范圍內(nèi)取7個(gè)監(jiān)測(cè)面，分別為Z1=0、Z2=0.1 m、Z3=0.2 m、Z4=0.3 m、Z5=0.4 m、Z6=0.5 m、Z7=0.6 m，將料層分為6份，在每個(gè)平面上等間距（2 cm）取監(jiān)測(cè)點(diǎn)，建立點(diǎn)云（Point Cloud）后導(dǎo)出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度值，最后在EXCEL中進(jìn)行計(jì)算和曲線或折線繪制。

分析風(fēng)速X向均勻性時(shí)，每個(gè)監(jiān)測(cè)面上X坐標(biāo)相同的點(diǎn)構(gòu)成一組監(jiān)測(cè)線，分別計(jì)算每組數(shù)據(jù)的平均速度，得出其關(guān)于X坐標(biāo)的變化曲線。圖9～圖11分別是Ⅰ型冷卻器Z1、Z4、Z7面監(jiān)測(cè)線平均風(fēng)速關(guān)于X坐標(biāo)的變化曲線。

圖9 Ⅰ型Z1面監(jiān)測(cè)線平均風(fēng)速關(guān)于X的變化

圖10 Ⅰ型Z4面監(jiān)測(cè)線平均風(fēng)速關(guān)于X的變化

圖11 Ⅰ型Z7面監(jiān)測(cè)線平均風(fēng)速關(guān)于X的變化

由曲線看出，由于流動(dòng)的不穩(wěn)定，Z1面上平均風(fēng)速關(guān)于X軸的變化波動(dòng)較大。但是隨著Z值的增大，平均風(fēng)速在X方向分布漸趨均勻，圖10和圖11中0.7～0.75 m區(qū)間的風(fēng)速較其他區(qū)間大，這是因?yàn)樵冖裥屠鋮s器建模時(shí)布置8排翻板之后，距離右側(cè)壁面一小段距離內(nèi)又固定有一水平條狀隔板，影響了氣流速度，如圖12所示。

圖12 水平隔板示意圖

由于篇幅有限，以上只列出了Ⅰ型冷卻器3個(gè)監(jiān)測(cè)面上的平均風(fēng)速關(guān)于X軸的變化曲線。為了評(píng)估每個(gè)面上風(fēng)速在X向的均勻性，按照上述公式計(jì)算5種類型冷卻器所有監(jiān)測(cè)面上的平均風(fēng)速關(guān)于X軸變化曲線對(duì)應(yīng)的均勻性系數(shù)如表3。

表3 各監(jiān)測(cè)面X方向的均勻性系數(shù)(%)

由表中數(shù)據(jù)繪制折線圖，如圖13。

圖13 各監(jiān)測(cè)面X方向的均勻性系數(shù)

由表4中的數(shù)據(jù)以及曲線可以得出，除了Ⅴ型冷卻器以外，其余4種類型冷卻器內(nèi)的平均風(fēng)速在X軸方向上的均勻性系數(shù)隨著氣流的上升呈增大趨勢(shì)，除了這7個(gè)面之外，平行于XY平面的其它監(jiān)測(cè)面的結(jié)果也表明了均勻性系數(shù)的趨勢(shì)。由于Ⅴ型冷卻器排料結(jié)構(gòu)使得進(jìn)風(fēng)阻力很小，因此氣流在X方向上很快達(dá)到最大均勻性，氣流上升過(guò)程中均勻性系數(shù)基本保持不變。綜上所述，可以認(rèn)為，這5種冷卻器結(jié)構(gòu)對(duì)于風(fēng)速在X方向上的均勻性隨著氣流的上升都有增強(qiáng)（或保持）的作用，實(shí)際上，這個(gè)結(jié)論不難理解，由于所有冷卻器都采用底部?jī)蓚?cè)進(jìn)風(fēng)，進(jìn)風(fēng)方向平行于X軸，因此氣流上升的過(guò)程中，必然會(huì)促進(jìn)X方向上的均勻性。

由圖13可知，5種冷卻器在X方向上平均風(fēng)速均勻性大小順序?yàn)椋孩笮停劲跣停劲粜停劲蛐停劲裥?。以上結(jié)論可以通過(guò)各個(gè)監(jiān)測(cè)面的速度云圖得到驗(yàn)證，此處對(duì)每種類型都列出了兩個(gè)面的速度云圖，由于每種類型的差異，取面的位置不同，見(jiàn)表4。

表4 各類型冷卻器取面位置

圖14 Ⅰ型Z=0面速度云圖

圖15 Ⅰ型Z=0.3 m面速度云圖

圖16 Ⅱ型Z=0面速度云圖

圖17 Ⅱ型Z=0.1 m面速度云圖

圖18 Ⅲ型Z=0面速度云圖

圖19 Ⅲ型Z=0.02 m面速度云圖

圖20 Ⅳ型Z=0面速度云圖

圖21 Ⅳ型Z=0.1 m面速度云圖

圖22 Ⅴ型Z=0面速度云圖

圖23 Ⅴ型Z=0.1 m面速度云圖

圖14～圖23顯示，隨著Z值的增大，速度云圖中垂直于X軸方向的條狀線之間的邊界越來(lái)越模糊，說(shuō)明風(fēng)速場(chǎng)在X方向上的均勻性越來(lái)越大，與表格中的數(shù)據(jù)一致。

5.2 Y方向風(fēng)速均勻性分析

分析風(fēng)速Y向均勻性時(shí)，每個(gè)監(jiān)測(cè)面上Y坐標(biāo)相同的點(diǎn)構(gòu)成一組監(jiān)測(cè)線，分別計(jì)算每組數(shù)據(jù)的平均速度，得出其關(guān)于Y坐標(biāo)的變化曲線。圖24～圖26分別是Ⅰ型冷卻器Z1、Z4、Z7面監(jiān)測(cè)線上平均風(fēng)速關(guān)于Y坐標(biāo)的變化曲線。

圖24 Ⅰ型Z1面監(jiān)測(cè)線平均風(fēng)速關(guān)于Y的變化

圖25 Ⅰ型Z4面監(jiān)測(cè)線平均風(fēng)速關(guān)于Y的變化

圖26 Ⅰ型Z7面監(jiān)測(cè)線平均風(fēng)速關(guān)于Y的變化

圖24～26表明，監(jiān)測(cè)面Z1平均風(fēng)速在Y方向上存在波動(dòng)。在Z1面，由于空氣剛剛從兩側(cè)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入倉(cāng)體底部，湍流明顯，形成小渦流，因此Z1面處流動(dòng)并不穩(wěn)定，各條監(jiān)測(cè)線上的平均速度存在波動(dòng)，尤其是-0.75～-0.5 m和0.5～0.75 m這段區(qū)間波動(dòng)明顯，這是因?yàn)榘私切卫鋮s倉(cāng)體的四個(gè)角包含在這段區(qū)間內(nèi)，棱角處是八角形倉(cāng)體和下方矩形排料框架的交接處，氣流運(yùn)動(dòng)受到結(jié)構(gòu)變化的影響變得不規(guī)律。Z4和Z7面氣流已經(jīng)穩(wěn)定，均勻性系數(shù)提高，但是在-0.75～-0.5 m和0.5～0.75 m這兩個(gè)區(qū)間，風(fēng)速也受到棱角結(jié)構(gòu)的影響而有輕微波動(dòng)。

由于篇幅有限，以上只列出了Ⅰ型冷卻器3個(gè)監(jiān)測(cè)面上的平均風(fēng)速關(guān)于Y軸的變化曲線。同樣，按照上述均勻性系數(shù)公式計(jì)算5種類型冷卻器所有監(jiān)測(cè)面上的平均風(fēng)速關(guān)于Y軸的變化曲線對(duì)應(yīng)的均勻性系數(shù)，見(jiàn)表5。

表5 監(jiān)測(cè)面Y方向的均勻性系數(shù)(%)

圖27 各監(jiān)測(cè)面Y方向的均勻性系數(shù)

由表5中數(shù)據(jù)繪制折線圖，如圖27。

表中Ⅲ型冷卻器的Z1面均勻性系數(shù)較小，因?yàn)闅饬鬟€未穩(wěn)定，分析Ⅲ型的Z=0.05 m面發(fā)現(xiàn)，該面上均勻性系數(shù)已經(jīng)達(dá)到99.26%。由以上數(shù)據(jù)可知，對(duì)于每種類型的冷卻器，在冷卻器底部由于氣流不穩(wěn)定，均勻性系數(shù)較小，但是隨著Z值的增大，均勻性系數(shù)很快穩(wěn)定下來(lái)，可以認(rèn)為風(fēng)速在Y向的均勻性不會(huì)隨著氣流的上升而增大，也就是說(shuō)，冷卻器內(nèi)風(fēng)速在Y向的均勻性只與初始狀態(tài)有關(guān)，取決于排料結(jié)構(gòu)對(duì)氣流的初始影響。

5種類型冷卻器風(fēng)速在Y向的均勻性大小順序?yàn)棰笮停劲蛐停劲裥停劲跣停劲粜?。以上結(jié)論也可以通過(guò)云圖14～23驗(yàn)證，每種類型的兩個(gè)面上速度云圖基本都是呈現(xiàn)平行于Y軸的條狀分布，也就是在Y方向上速度均勻性不會(huì)發(fā)生大的變化，與表格中的數(shù)據(jù)一致。

5.3 Z方向風(fēng)速均勻性分析

分析風(fēng)速在Z方向上的均勻性時(shí)，取Y=0監(jiān)測(cè)面，在監(jiān)測(cè)面上等間距（2 cm）取監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以Z坐標(biāo)相同的點(diǎn)構(gòu)成一組監(jiān)測(cè)線，計(jì)算每組數(shù)據(jù)的均勻性系數(shù)，得出其關(guān)于Z坐標(biāo)的變化曲線。圖28是Ⅰ～Ⅴ型冷卻器Y=0面上監(jiān)測(cè)線風(fēng)速均勻性系數(shù)關(guān)于Z坐標(biāo)的變化曲線。

圖28 5種類型冷卻器均勻性系數(shù)在Z向的分布

由上述曲線可以看出，在料層最高面到冷卻器頂部區(qū)間（0.6～1.4 m），風(fēng)速的均勻性基本一致，不作探討。在料層范圍內(nèi)（0～0.6 m），Ⅰ型、Ⅲ型、Ⅴ型的風(fēng)速均勻性系數(shù)均隨著Z值的增大有不同程度的增大，其中Ⅰ型最為明顯。而Ⅱ型、Ⅳ型冷卻器風(fēng)速均勻性系數(shù)隨著Z值的增大沒(méi)有明顯上升，而是呈現(xiàn)較大的波動(dòng)，均勻性系數(shù)偏小。

分析形成這個(gè)結(jié)果的原因，發(fā)現(xiàn)Ⅱ型和Ⅳ型的排料機(jī)構(gòu)都是3層結(jié)構(gòu)，進(jìn)風(fēng)通道主要是相鄰層之間的間隙，進(jìn)風(fēng)阻力較大，這一特點(diǎn)影響了氣流的交融匯合，限制了風(fēng)速場(chǎng)在Z向上均勻性的提升。

由圖28可知，5種冷卻器平均風(fēng)速在Z向上的均勻性大小依次為：Ⅲ型＞Ⅴ型＞Ⅰ型＞Ⅳ型＞Ⅱ型。以上結(jié)論也可以通過(guò)每種冷卻器Y=0面的速度云圖加以驗(yàn)證。以下圖29～圖33依次為Ⅰ～Ⅴ型冷卻器Y=0面的速度云圖。

圖29 Ⅰ型Y=0面速度云圖

圖30 Ⅱ型Y=0面速度云圖

圖31 Ⅲ型Y=0面速度云圖

圖32 Ⅳ型Y=0面速度云圖

圖33 Ⅴ型Y=0面速度云圖

以上云圖顯示，在料層范圍內(nèi)（0～0.6 m）隨著Z值的增大，Ⅰ型、Ⅲ型和Ⅴ型的Y=0面速度云圖輪廓逐漸模糊，說(shuō)明氣流均勻性增大，而Ⅱ型和Ⅳ型冷卻器速度云圖在整個(gè)料層范圍內(nèi)都顯示為雜亂無(wú)章的點(diǎn)絮狀，沒(méi)有明顯的氣流融合跡象，故而均勻性較差，與上述曲線得出的結(jié)論一致。

6 總結(jié)

由以上分析結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

①5種類型的冷卻器風(fēng)速場(chǎng)在Y向的均勻性隨著氣流的上升基本保持恒定，而在X方向上的均勻性隨著氣流的上升有增強(qiáng)（或保持）的作用，可以推斷，所有逆流冷卻器對(duì)平行于進(jìn)風(fēng)方向的風(fēng)速均勻性都有改善作用，對(duì)垂直于進(jìn)風(fēng)方向的風(fēng)速均勻性則無(wú)改善作用。

②Ⅰ型、Ⅲ型、Ⅴ型的風(fēng)速均勻性系數(shù)均隨著Z值的增大有不同程度的增大，其中Ⅰ型最為明顯。Ⅱ型、Ⅳ型冷卻器風(fēng)速均勻性系數(shù)隨著Z值的增大沒(méi)有明顯上升，而是呈現(xiàn)較大的波動(dòng)，均勻性系數(shù)偏小。多層排料結(jié)構(gòu)限制了風(fēng)速場(chǎng)在Z向均勻性的提升。

③綜合5種冷卻器在3個(gè)方向上的風(fēng)速均勻性，得出3型冷卻器在各方向上的風(fēng)速均勻性指標(biāo)如表6。

表6 五種冷卻器各向均勻性指標(biāo)(%)

由以上指標(biāo)可知，Ⅲ型和Ⅴ型冷卻器在所有類型中各個(gè)方向的均勻性指標(biāo)都較好(＞70%)，Ⅰ型和Ⅳ型冷卻器指標(biāo)中等（＞40%），Ⅱ型指標(biāo)較差。因此Ⅲ型和Ⅴ型排料機(jī)構(gòu)在促進(jìn)布風(fēng)均勻性上效果顯著，Ⅰ型和Ⅳ型中等，Ⅱ型較差。