張健平，趙彥賓，鄧 堯

(西南科技大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院 制造過程測(cè)試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010)

新收油菜籽極易吸濕和霉變，由于收獲前后多屬于梅雨季節(jié)，空氣溫度和濕度較高，如果不及時(shí)被干燥處理，可能會(huì)導(dǎo)致一夜之間新收油菜籽全部霉變，降低菜籽油的品質(zhì)和出油率[1-3]。通過熱空氣流化床干燥技術(shù)[4]使其在低能耗情況下短時(shí)間內(nèi)濕基含水率低于8.09%，達(dá)到油菜籽安全儲(chǔ)藏水分要求，提高油菜籽干燥品質(zhì)和干燥效率[5,6]。

熱空氣流化床干燥裝置的關(guān)鍵部件是布風(fēng)板，其主要作用是支撐和均勻流化固體顆粒。布風(fēng)板結(jié)構(gòu)參數(shù)顯著地影響著床層內(nèi)部氣固兩相流的速度、固含率和壓力等參數(shù)的分布規(guī)律，及熱質(zhì)傳遞特性[7]。目前許多研究人員針對(duì)布風(fēng)板類型、結(jié)構(gòu)參數(shù)和安裝方法進(jìn)行研究和探索。常見的布風(fēng)板結(jié)構(gòu)類型為直孔型、斜孔型、側(cè)縫型、側(cè)孔型和復(fù)合型等[8]。其中直孔型由于具有流動(dòng)性好、阻力較小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于固體顆粒流化床干燥，然而直孔型在干燥過程中所需的干燥時(shí)間較長(zhǎng)，干燥品質(zhì)不太理想，對(duì)于小顆粒固體物料將會(huì)出現(xiàn)漏料現(xiàn)象[9]。側(cè)縫型和側(cè)孔型布風(fēng)性能比直孔型或斜孔型好，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難適應(yīng)特殊結(jié)構(gòu)的流化床需求[10]。復(fù)合型具有空隙率大，耐壓性好等優(yōu)點(diǎn)，但加工工藝復(fù)雜，成本高，開孔率和壓降不易控制[11]。

國(guó)內(nèi)外許多研究學(xué)者在以上幾種傳統(tǒng)布風(fēng)板的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)布風(fēng)板結(jié)構(gòu)參數(shù)。陳娟等[12]優(yōu)化設(shè)計(jì)了循環(huán)流化床布風(fēng)板的風(fēng)帽結(jié)構(gòu)，研究分析了風(fēng)帽布置方式與出口小孔空氣射流對(duì)密相區(qū)射流特性的影響，建立了小孔射流射程的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，為風(fēng)帽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其布置方式提供理論支撐。魏新利等[9]采用Fluent軟件模擬分析不同布孔方式和開孔直徑的布風(fēng)性能，結(jié)果表明開孔直徑2 mm正三角形布孔是最優(yōu)的布風(fēng)板結(jié)構(gòu)參數(shù)。董淑芹等[13]研究分析了三種不同開孔率的布風(fēng)板對(duì)氣固流化床流動(dòng)特性的影響，結(jié)果表明壓降隨開孔率增大而減小，徑向固含率波動(dòng)隨開孔率增大而增大。王濤[14]分析了6種不同布孔方式對(duì)流化床層內(nèi)氣相分布特性的影響，其中大小孔間隔不均勻布孔的氣相速度分布較分散均一，流化效果好。朱沈瑾[15]研究發(fā)現(xiàn)平板布風(fēng)板固體顆粒平均體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)最大，∧形、∨形和斜板三種布風(fēng)板波動(dòng)較小且分布曲線接近。張健平等[16,17]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法優(yōu)化設(shè)計(jì)了布風(fēng)板的開孔率和布孔方式，結(jié)果表明15.84%開孔率圓形不均勻布孔是油菜籽流化床干燥的最佳布風(fēng)板。劉典福等[18]采用數(shù)字圖像處理技術(shù)可視化研究表明在非均勻布風(fēng)內(nèi)循環(huán)流化床內(nèi)，高風(fēng)速區(qū)將會(huì)產(chǎn)生大量向上運(yùn)動(dòng)的氣泡，且橫向偏移，增加了高風(fēng)區(qū)的流化速度。鄭磊等[19]通過數(shù)值模擬對(duì)比分析了切向和垂直兩種進(jìn)風(fēng)方式下鼓泡流化床的流態(tài)化特性，模擬結(jié)果表明垂直進(jìn)風(fēng)的情況下氣速在空間上分布均勻性更好。田鳳國(guó)等[20]通過試驗(yàn)考察發(fā)現(xiàn)在非均勻布風(fēng)配置下，隨著固體顆粒尺寸增加，在流化床內(nèi)平均停留時(shí)間變短。

綜上所述可知，流化床干燥裝置布風(fēng)板的布風(fēng)性能直接影響著固體顆粒的流態(tài)化和干燥速度的快慢。因此，如何有效地優(yōu)化設(shè)計(jì)出布風(fēng)板結(jié)構(gòu)參數(shù)是獲得較好干燥效果的關(guān)鍵因素，也是提高干燥效率和干燥品質(zhì)的關(guān)鍵影響因素。然而，目前有關(guān)布風(fēng)板結(jié)構(gòu)參數(shù)研究成果通常都具有明確的應(yīng)用對(duì)象，難以指導(dǎo)油菜籽流化床干燥設(shè)備的設(shè)計(jì)。即使文獻(xiàn)[16-17]對(duì)油菜籽流化床干燥裝置布風(fēng)板進(jìn)行研究，但還存在漏料現(xiàn)象，需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)布風(fēng)板結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[21-22]研究表明：布風(fēng)板面板結(jié)構(gòu)、風(fēng)帽開孔夾角和風(fēng)帽開口瓣數(shù)是風(fēng)帽布風(fēng)板性能的3個(gè)主要影響因素。因此，本文在文獻(xiàn)[16]15.84%開孔率圓形非均勻布孔布風(fēng)板的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，研究分析球面板結(jié)構(gòu)、風(fēng)帽開孔夾角和開口瓣數(shù)對(duì)油菜籽顆粒流化性能和空氣流速脈動(dòng)的影響，提出布風(fēng)板結(jié)構(gòu)數(shù)的優(yōu)化方案，防止出現(xiàn)干燥過程中的漏料現(xiàn)象，減少局部區(qū)域熱空氣的聚集，提高油菜籽顆粒流態(tài)化效果，同時(shí)也為干燥設(shè)備設(shè)計(jì)提供理論支撐。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 物理模型與網(wǎng)格

1.1.1 物理模型

圖1 物理模型的具體尺寸

1.1.2 網(wǎng)格劃分

利用Fluent Meshing對(duì)物理模型進(jìn)行網(wǎng)格生成，主要采用空間適應(yīng)能力較強(qiáng)的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中布風(fēng)板內(nèi)小孔較小，且小孔附近內(nèi)氣固兩相流屬于強(qiáng)烈對(duì)流，則在此區(qū)域內(nèi)進(jìn)行局部加密處理，提高模擬分析的精度。限于篇幅，此處僅展示5 mm凸度球面板、5°風(fēng)帽開孔夾角四瓣布風(fēng)板的流化床干燥裝置網(wǎng)格劃分結(jié)果，如圖2所示。

圖2 流化床干燥裝置的網(wǎng)格劃分

通過網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)后，不同面板凸度、風(fēng)帽開孔夾角和風(fēng)帽開口數(shù)下最終采用的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)見表1。

表1 網(wǎng)格劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用ANSYS19.1中的流體動(dòng)力學(xué)分析模塊Fluent對(duì)流化床干燥裝置內(nèi)部氣固兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬，選取Euler/Euler雙流體模型、顆粒動(dòng)力學(xué)模型和Standardk-ε湍流模型。應(yīng)用壓力-速度耦合方程組的SIMPLE計(jì)算方法和二階迎風(fēng)格式的離散方法進(jìn)行求解。

1.2.1 Euler/Euler雙流體模型

Euler/Euler雙流體模型通過對(duì)每一相求解動(dòng)量方程和連續(xù)性方程來對(duì)多相流的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬[23]。

連續(xù)性方程

(1)

氣相動(dòng)量方程

(2)

固相動(dòng)量方程

(3)

(4)

式中：f為包含基于相對(duì)雷諾數(shù)的曳力函數(shù)；τs為顆粒弛豫時(shí)間，s，定義式為

(5)

式中：ds為顆粒直徑，mm；μs為固相動(dòng)力粘度，kg/(m·s)

1.2.2 顆粒動(dòng)力學(xué)模型

(1)氣固兩相間作用的曳力模型

氣固兩相間作用的曳力模型大致可分成以下三種類型：一種是理論模型，如Koch-Hill模型[24]；另一種是經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停鏕idaspow模型[25]，Syamlal-O′Brien模型[26]；第三種是經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男拚Ｐ?，如修正的Syamlal-OBrien模型[27]，McKeen模型[28]。其中Gidaspow模型考慮了氣相體積份額對(duì)氣固兩相間曳力系數(shù)的影響，分別給出了相應(yīng)的表達(dá)式，在流化床中整個(gè)顆粒濃度范圍內(nèi)應(yīng)用更合理，因此對(duì)于密集的氣固流化床，相間曳力系數(shù)一般都采用Gidaspow模型，具體形式如下[29]：

當(dāng)αg>0.8時(shí)，氣固兩相間曳力函數(shù)f為

(6)

式中：CD為曳力系數(shù)。

當(dāng)αg≤0.8時(shí)，氣固兩相間曳力函數(shù)f為

(7)

其中，曳力系數(shù)CD為：

(8)

式中：Re固相雷諾數(shù)，其表達(dá)式為

(9)

(2)剪切應(yīng)力模型

氣相剪切應(yīng)力

(10)

式中：I為單位張量；μg為氣相剪切粘度，Pa·s，其表達(dá)式為：

μg=μgl+Cμαgρgk2/ε

(11)

式中：μgl為層流粘度，Pa·s；Cμαgρgk2/ε為湍流粘度，Pa@s。

顆粒相剪切應(yīng)力

(12)

式中：ξs為顆粒相表觀粘度，Pa·s；μs為顆粒相剪切粘度，Pa·s；顆粒相表觀粘度：

(13)

式中：g0為顆粒徑向分布系數(shù)；ess為顆粒碰撞的歸還系數(shù)，取0.9；Θ為顆粒溫度，m2·s2，其服從控制方程(19)

顆粒徑向分布系數(shù)：可按Bagnold方程[30]進(jìn)行計(jì)算：

(14)

式中：αs,max為填充狀態(tài)下最大顆粒體積份額，其值通常在0.6～0.7之間

顆粒相剪切粘度：

μs=μs,col+μs,kin+μs,fr

(15)

式中：μs,col為顆粒相碰撞粘度，Pa·s；μs,kin為顆粒相動(dòng)力粘度，Pa·s；μs,fr為顆粒相摩擦粘度，Pa·s。

顆粒相碰撞粘度：

(16)

顆粒相動(dòng)力粘度：可按Gidaspow模型[31]進(jìn)行計(jì)算。

(17)

顆粒相摩擦粘度按Schaeffer’s模型定義

(18)

式中：φ為內(nèi)部摩擦角；I2D為偏應(yīng)力張量的第二不變式

(3)顆粒溫度的輸運(yùn)方程

Euler雙流體中定義的顆粒溫度遵循輸運(yùn)方程：

(19)

式中：γΘs為顆粒相碰撞耗散；KΘ為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；φgs為氣體相和顆粒相的動(dòng)能交換

按照Lun et al 模型定義顆粒相碰撞耗散：

(20)

氣體相和顆粒相的動(dòng)能交換

φgs=-3KgsΘ

1.2.1 MRI檢查 本組患者均接受顱腦MRI檢查，應(yīng)用德國(guó)西門子公司公司生產(chǎn)的MAGNETOM Avanto型1.5T超導(dǎo)磁共振掃描儀檢查；指導(dǎo)并協(xié)助患者行平臥體位，先行常規(guī)顱腦掃描：T1WI(TR、TE分別為400ms、20ms)、T2WI（TR、TE分別為2800ms、105ms）及液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)成像（FLAIR）序列（TR、TE分別為8000ms、204ms）；矩陣為256×256，層后、層間距分別為5mm、1mm；再行增強(qiáng)掃描，應(yīng)用釓噴酸葡胺作為對(duì)比劑，按0.2mL/kg靜脈注射，再行軸位、矢狀位以及冠狀位掃描，均采用SET1WI抑制序列。

(21)

擴(kuò)散系數(shù)：

(22)

1.2.3 Standardk-ε湍流模型

Standardk-ε湍流模型具有形式簡(jiǎn)單、精度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用[32]，因此采用Standardk-ε湍流模型。在流化床的兩相流中存在著明顯的連續(xù)相(熱空氣)和離散相(油菜籽)，且兩相流又相互影響，而湍流只是連續(xù)相所固有的特性，為此把湍流模型應(yīng)于連續(xù)相中，然后再通過源項(xiàng)來描述離散相對(duì)連續(xù)相的擾動(dòng)影響，其詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型為

(23)

(24)

式中：Gk為由于平均速度梯度而造成的湍流動(dòng)能項(xiàng)；μt為湍流黏度系數(shù)；Gb為由于浮力而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能項(xiàng)；YM為湍流馬赫數(shù)；C1g、C2g、C3g為模型常數(shù)；σk為k的湍流普朗特?cái)?shù)；σε為ε的湍流普朗特?cái)?shù)；Sk、Sg為由于離散相對(duì)連續(xù)相擾動(dòng)而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能項(xiàng)。

數(shù)學(xué)模型常數(shù)值如表2所示。

表2 k-ε模型常數(shù)

1.2.4 邊界條件

(1)進(jìn)口邊界

熱空氣相：采用velocity-inlet，沿著軸向流入，設(shè)置為2.5 m/s，徑向速度為0，溫度設(shè)置為70 ℃。

(2)出口邊界：采用pressure-out，1atm。

(3)壁面邊界：假定壁面材料為絕熱體且壁面光滑，油菜籽顆粒與壁面碰撞后的彈性恢復(fù)系數(shù)為0.9，熱空氣相和顆粒相都采用無滑移壁面。

(4)初始條件：油菜籽顆粒層高度為135 mm，完全由顆粒堆積的區(qū)域，堆積密度為0.7；在計(jì)算區(qū)域的其余部分均為空氣所充滿。

1.2.5 物性參數(shù)

油菜籽固體顆粒平均直徑為2 mm，形狀為橢圓形。氣固兩相流相關(guān)的物性參數(shù)見表3所示。

表3 氣固兩相流的物性參數(shù)

2 布風(fēng)板結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與數(shù)值模擬

2.1 面板結(jié)構(gòu)優(yōu)選

2.1.1 面板結(jié)構(gòu)

根據(jù)文獻(xiàn)[33]研究結(jié)果可知，與平面直孔板和凹形球面板相比，凸形球面板的固含率徑向分布均勻性最好。因此，基于凸形球面板，對(duì)比分析不同凸度(2、5和10 mm)對(duì)布風(fēng)板布風(fēng)均勻性的影響，具體布風(fēng)板凸形球面結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(a) 2 mm

2.1.2 結(jié)果與分析

油菜籽體積分?jǐn)?shù)云圖和徑向平均體積分?jǐn)?shù)變化曲線分別如圖4和圖5所示。由圖4和圖5綜合可以看出，與凸形球面板相比，平面布風(fēng)板的油菜籽體積分?jǐn)?shù)最大，分布不均勻，布風(fēng)板上方中心區(qū)域內(nèi)油菜籽平均體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)最大，而凸形球面布風(fēng)板油菜籽分布均勻性好，油菜籽平均體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)幅度較小。其主要原因是凸形球面板布風(fēng)板可以有效地減弱“邊壁增濃”效應(yīng)，致使油菜籽固含率徑向和軸向分布均勻性提高[34]。另外，對(duì)于凸形球面板來說，凸度為2 mm和5 mm油菜籽體積數(shù)較小，分布均勻，其中凸度為5 mm球面板油菜籽平均體積分?jǐn)?shù)方差最小，為0.007 3，油菜籽顆粒流態(tài)化最好。其主要原因可能是球面板凸度太大時(shí)，容易導(dǎo)致流化床邊壁油菜籽堆積量增多，從而不利于油菜籽顆粒在流化床內(nèi)形成環(huán)流，降低了床內(nèi)顆粒流化質(zhì)量，造成小部分顆粒堆積現(xiàn)象[35]。因此，凸度為5 mm球面板油菜籽顆粒流態(tài)化好，促使與熱空氣接觸均勻充分，提高油菜籽的干燥效率。

圖4 油菜籽體積分?jǐn)?shù)云圖

徑向距離/mm

2.2 風(fēng)帽開孔夾角的優(yōu)化

2.2.1 風(fēng)帽開孔夾角

基于2.1節(jié)5 mm凸度球面布風(fēng)板，結(jié)合農(nóng)夫山泉品牌運(yùn)動(dòng)飲料 “尖叫”瓶口(圖6)，優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)帽開孔夾角，以防漏料?！凹饨小逼靠诘年P(guān)鍵部位為十字口，其結(jié)構(gòu)為中間部位較薄且軟，當(dāng)受液體沖擊時(shí)，在壓差作用下，十字口打開，飲料從瓶口流出。因此，基于十字開口，綜合考慮油菜籽平均直徑1.2～2 mm，擬采用四瓣弧板風(fēng)帽的布風(fēng)板，其中瓣與瓣間距為1.2 mm，弧板與水平面夾角優(yōu)選三種，即0°、5°、10°，具體布風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖6 “尖叫”瓶口結(jié)構(gòu)示意圖

(a) 0°

2.2.2 結(jié)果與分析

針對(duì)三種不同風(fēng)帽開孔夾角(0°、5°、10°)的布風(fēng)板，通過對(duì)流化床內(nèi)油菜籽體積分?jǐn)?shù)和徑向空氣速度進(jìn)行比較分析，其結(jié)果分別如圖8和圖9所示。

圖8 油菜籽體積分?jǐn)?shù)云圖

徑向距離/mm

由圖8(a)-(c)比較分析可以看出，布風(fēng)板的風(fēng)帽開孔夾角為0°布風(fēng)板時(shí)，流化床內(nèi)的油菜籽體積分?jǐn)?shù)分布不均勻，呈現(xiàn)出靠近邊緣區(qū)域固含率很小，中心區(qū)域固含率很大的規(guī)律，且邊緣區(qū)域很大一部分幾乎沒有油菜籽固體顆粒，產(chǎn)生了死區(qū)現(xiàn)象。而采用風(fēng)帽開孔夾角5°和10°時(shí)，流化床內(nèi)的油菜籽分布較均勻，邊緣處小部分區(qū)域沒有油菜籽固體顆粒。從圖8(b)和圖8(c)可以看出，相對(duì)風(fēng)帽開孔夾角10°而言，風(fēng)帽開孔夾角5°油菜籽體積分?jǐn)?shù)較小，油菜籽分布更均勻。由圖10距離布風(fēng)板8 mm徑向平均空氣速度變化曲線也可以看出，當(dāng)風(fēng)帽開孔夾角為5°時(shí)，在流化床干燥過程的絕大部分時(shí)間，氣流流動(dòng)速度較大，可以較好地促使油菜籽顆粒流態(tài)化，其主在原因是由于風(fēng)帽開孔夾角為5°時(shí)，有利于熱空氣產(chǎn)生微渦流，從而加強(qiáng)布風(fēng)板近表面空氣擾動(dòng)程度，提高了顆粒運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)脈動(dòng)流動(dòng)，局部顆粒濃度隨時(shí)空而變，使流化床層內(nèi)固體顆粒的速度分布更均勻，且作用范圍大，無溝流和死區(qū)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致整個(gè)床層內(nèi)氣流均布，流速增加[36]。因此，5°風(fēng)帽開孔夾角是油菜籽干燥布風(fēng)析的最佳角度。

2.3 風(fēng)帽開口瓣數(shù)的優(yōu)化

2.3.1 風(fēng)帽開口瓣數(shù)

在2.1節(jié)和2.2節(jié)基礎(chǔ)上，即5 mm凸度球面板、5°風(fēng)帽開孔夾角的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)三種風(fēng)帽開口瓣數(shù)，即均布四瓣[圖7(b)]、六瓣和八瓣，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示。

(a) 六瓣

2.3.2 結(jié)果與分析

針對(duì)三種不同風(fēng)帽開口瓣數(shù)，通過對(duì)流化床內(nèi)油菜籽體積分?jǐn)?shù)和空氣分布情況進(jìn)行比較分析，其結(jié)果分別如圖11和圖12所示。

圖11 油菜籽體積分?jǐn)?shù)云圖

徑向距離/mm

由圖11(a)-(c)比較分析可以看出，三種風(fēng)帽開口瓣數(shù)布風(fēng)板流化床內(nèi)的油菜籽分布都較均勻，邊緣處一小部分區(qū)域沒有油菜籽固體顆粒，油菜籽聚集區(qū)域較小，其主要因?yàn)闊峥諝馐菑牧骰仓行牟课贿M(jìn)入，當(dāng)布風(fēng)板風(fēng)帽開口瓣數(shù)增加時(shí)，熱空氣在布風(fēng)板通過所有小孔的時(shí)間相近，從而使得熱空氣的均勻分布性和脈動(dòng)性相差不大，油菜籽流化程度相當(dāng)。相對(duì)來說，布風(fēng)板風(fēng)帽開口瓣數(shù)四瓣時(shí)，油菜籽體積分?jǐn)?shù)較小，油菜籽分布更均勻，在流化床干燥過程的絕大部分時(shí)間氣流流動(dòng)脈動(dòng)較大(圖12)，可以較好地促使油菜籽顆粒流態(tài)化，其原因可能是四瓣開口數(shù)的空氣流動(dòng)阻力稍大，容易形成回流，將會(huì)更好地均布空氣流，有利于油菜籽與熱空氣流充分接觸，增加氣固兩相的熱量傳遞速度，從而提高油菜籽的干燥效率[37]。因此，四瓣布風(fēng)板風(fēng)帽開口瓣數(shù)是油菜籽干燥布風(fēng)析的最佳開口瓣數(shù)。

經(jīng)2.1節(jié)、2.2節(jié)和2.3節(jié)數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，5 mm凸度球面板、5°風(fēng)帽開孔夾角四瓣布風(fēng)板是油菜籽干燥布風(fēng)板的最佳結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)和尺寸如圖8(b)所示。其三維結(jié)構(gòu)圖如圖13所示。

(a) 正面結(jié)構(gòu)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 流化床干燥實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證采小型流化干燥實(shí)驗(yàn)裝置，如圖14所示，主要由流化床干燥器、空氣預(yù)熱器、風(fēng)機(jī)和空氣流量與溫度的測(cè)量與控制儀表等幾個(gè)部分組成。

其他儀器設(shè)備：電子天平儀器(LD型，精度0.001 g，沈陽(yáng)龍騰電子有限公司)、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(TST101A-1型，成都特思特儀器有限公司)和調(diào)速多用振蕩器(W-201B，河北潤(rùn)聯(lián)機(jī)械設(shè)備有限公司)。

實(shí)驗(yàn)工藝流程如下：新鮮空氣經(jīng)過電加熱管加熱后，由流化床干燥設(shè)備底部通過球面板凸度5 mm、風(fēng)帽開孔夾角5°的四瓣布風(fēng)板，進(jìn)入流化床床層將油菜籽流化進(jìn)行干燥，帶有水蒸汽的濕空氣由干燥設(shè)備頂部，經(jīng)旋風(fēng)分離器進(jìn)行固氣分離后放空；油菜籽采用間歇操作方式，由干燥設(shè)備頂部加料口加入，從下部卸料口排出或取樣。

油菜籽的初始含水率根據(jù)GB5497—85方法測(cè)定，而后再根據(jù)測(cè)定結(jié)果，將其調(diào)濕至含水量為0.33 kg水/kg干料，作為流化床干燥的實(shí)驗(yàn)樣品。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)不同球面板凸度、風(fēng)帽開孔夾角和風(fēng)帽開口瓣數(shù)的布風(fēng)板分析油菜籽流化床干燥速度變化情況，如圖15所示。

干基含水率/%

由圖15(a)可見，在油菜籽初始干基含水量和干燥時(shí)間相同條件下，凸度為5 mm的布風(fēng)板干燥速率最大，凸度為2 mm次之，平板和凸度為10 mm最小。由圖15還可看出，凸度增加，預(yù)熱和恒速干燥階段的干燥速率先增加后減小，而降速階段則增加緩慢，最后趨于不變。上述分析表明，凸度為5 mm的布風(fēng)板干燥速率最大，干燥時(shí)間最短，該凸度的布風(fēng)板是最佳球面板凸度。由圖15(b)可以看出，風(fēng)帽開孔夾角5°布風(fēng)板的油菜籽干燥速率最大，風(fēng)帽開孔夾角5°次之，風(fēng)帽開孔夾角10°最小。風(fēng)帽開孔夾角5°是布風(fēng)板的最佳開孔夾角值，其干燥時(shí)間最短。由圖15(c)可以看出，風(fēng)帽開口瓣數(shù)為四瓣布風(fēng)板的干燥速率最大，八瓣風(fēng)帽開口瓣數(shù)次之，六瓣風(fēng)帽開口瓣數(shù)最小。四瓣布風(fēng)板是布風(fēng)板的最佳風(fēng)帽開口瓣數(shù)，其干燥時(shí)間最短。

綜上所述可知，球面板凸度為5 mm、四瓣風(fēng)帽開孔夾角為5°的布風(fēng)板是最佳的布風(fēng)板，這與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模擬布風(fēng)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是合理可靠的，有效地提高了油菜籽干燥效率。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)與平面布風(fēng)板相比，凸形球面布風(fēng)板油菜籽分布均勻性好，其中凸度為5 mm球面板油菜籽平均體積分?jǐn)?shù)方差(0.007 3)最小，促使與熱空氣接觸均勻充分，是油菜籽干燥布風(fēng)板的最佳球面板凸度。

(2)5°風(fēng)帽開孔夾角有利于熱空氣產(chǎn)生微渦流，加強(qiáng)布風(fēng)板近表面空氣擾動(dòng)程度，使顆粒運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)脈動(dòng)流動(dòng)，整個(gè)床層內(nèi)氣流均布，流速增加，是油菜籽干燥布風(fēng)析的最佳風(fēng)帽開孔夾角角度。

(3)風(fēng)帽開口瓣數(shù)對(duì)布風(fēng)板的布風(fēng)性能影響不大，相對(duì)來說四瓣風(fēng)帽開口瓣數(shù)容易形成回流，更好地均布空氣流，有利于油菜籽與熱空氣流充分接觸。

(4)通過實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，證明了球面板凸度為5 mm、風(fēng)帽開口瓣數(shù)為四瓣、風(fēng)帽開孔夾角為5°的布風(fēng)板是合理可行的，為工程實(shí)踐提高油菜籽干燥速率提供了一種較理想的布風(fēng)板。