張靜峰,趙海波,喬玲敏,,劉 純

(1. 煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005;2. 煙臺(tái)大學(xué)海洋學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005;3. 煙臺(tái)艾克倫特新能源科技有限公司,山東 煙臺(tái) 264006)

干燥是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié),其中以熱泵作為熱源的干燥技術(shù)因其節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用較為廣泛。熱泵烘干箱可干制產(chǎn)品種類眾多[1-4],在干燥加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?jié)摿薮?。熱泵干燥原理是熱空氣在風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入干燥區(qū)域加熱物料,使得物料的水分蒸發(fā),實(shí)現(xiàn)脫水[5-8]。物料在烘干箱內(nèi)的干燥過程與干燥空氣的流動(dòng)特性緊密相關(guān),箱內(nèi)氣流分布均勻性是影響干燥特性及品質(zhì)優(yōu)劣的重要因素。由于物料干燥是一個(gè)復(fù)雜的熱質(zhì)耦合傳遞過程,提高風(fēng)速可以縮短干燥時(shí)間但效果有限,且過高的風(fēng)速會(huì)破壞烘干室內(nèi)流場的均勻性,影響干燥品質(zhì)[9-10]。此外,提高風(fēng)速需要增加風(fēng)機(jī)功率,直接導(dǎo)致干燥能耗增加。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同干燥對(duì)象的烘干箱內(nèi)部流場進(jìn)行研究,通過模擬仿真方法對(duì)各類烘房進(jìn)行分析,提出改進(jìn)設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化工藝參數(shù)[11-14]。張仲欣等[15]對(duì)食品廠的橫流循環(huán)式烘干機(jī)進(jìn)行氣流優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)影響干燥均勻性的主要因素是物料通風(fēng)層內(nèi)氣流分布不均勻,出現(xiàn)風(fēng)速梯度引起溫度差增加,導(dǎo)致干燥不均勻。嚴(yán)平等[16]在木材箱中應(yīng)用風(fēng)機(jī)正反轉(zhuǎn)產(chǎn)生不同方向氣流調(diào)控送風(fēng)系統(tǒng),提高木材干燥質(zhì)量。

在熱泵干燥方面,對(duì)烘干箱進(jìn)行流場模擬和數(shù)值計(jì)算的研究較多[17-20],但對(duì)烘干箱內(nèi)流場均勻性的試驗(yàn)研究相對(duì)較少。為此,本文以一熱泵烘干箱為研究對(duì)象,通過試驗(yàn)方法研究烘干室內(nèi)流場分布,探究物料架布置方式、風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)、風(fēng)機(jī)數(shù)量等因素對(duì)烘干箱內(nèi)空氣流動(dòng)速度及均勻性的影響,對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果,找出最佳的優(yōu)化方案,進(jìn)一步提高干燥品質(zhì)和干燥效率,為烘干室氣流優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 熱泵干燥試驗(yàn)臺(tái)

圖1為所用熱泵烘干箱試驗(yàn)臺(tái)原理。該烘干箱由烘干室、空氣靜壓區(qū)、熱泵裝置區(qū)和頂部回風(fēng)通道等四部分組成。烘干箱箱體采用泡沫保溫彩鋼板,整體尺寸為4000 mm×2000 mm×3000 mm(長×寬×高),其中烘干室、空氣靜壓區(qū)和熱泵裝置區(qū)長度分別為2500 mm、500 mm和1000 mm。烘干室中間有隔板將干燥區(qū)域分為左右兩側(cè),隔板末端與門之間有空氣通道。頂部回風(fēng)通道左端和空氣靜壓區(qū)上方的隔板上各裝有2臺(tái)型號(hào)為GKF/FB3S-2D的循環(huán)風(fēng)機(jī),空氣靜壓區(qū)上方設(shè)有冷凝器。烘干室與空氣靜壓區(qū)的隔墻上安裝有型號(hào)為GKT/FB5S-4D的雙向軸流風(fēng)機(jī),左右兩側(cè)各有三臺(tái)。為敘述方便,下文將安裝風(fēng)機(jī)一二三的一側(cè)稱為左側(cè),風(fēng)機(jī)四五六的一側(cè)為右側(cè)。實(shí)驗(yàn)時(shí),烘干室內(nèi)左右兩側(cè)各放置兩組物料托盤架,尺寸為800 mm×600 mm×2000 mm(長×寬×高)。

1.壓縮機(jī);2.冷凝器一;3.冷凝器二;4.蒸發(fā)器;5.顯熱交換器;6.頂部風(fēng)閥;7.風(fēng)機(jī)一;8.風(fēng)機(jī)二;9.風(fēng)機(jī)三;10.風(fēng)機(jī)四;11.風(fēng)機(jī)五;12.風(fēng)機(jī)六;13.頂部循環(huán)風(fēng)機(jī)一;14.頂部循環(huán)風(fēng)機(jī)二;15.底部離心風(fēng)機(jī)。

該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及運(yùn)行臺(tái)數(shù)控制。工作時(shí),如果風(fēng)機(jī)一二三正轉(zhuǎn),四五六反轉(zhuǎn),則在風(fēng)機(jī)的作用下,靜壓區(qū)內(nèi)的干燥空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)一二三送入烘干室,流動(dòng)到隔板末端時(shí),一部分繞過隔板末端,從烘干室的另一側(cè)經(jīng)風(fēng)機(jī)四五六流回靜壓區(qū),另一部分空氣進(jìn)入頂部回風(fēng)通道后又分成兩部分,一部分經(jīng)冷凝器二進(jìn)入空氣靜壓區(qū),另一部分經(jīng)風(fēng)閥后向下從顯熱交換器左側(cè)進(jìn)入,放熱后從右側(cè)流出,再進(jìn)入蒸發(fā)器除濕后,向上繞回,從熱交換器上側(cè)進(jìn)入,吸熱后從下側(cè)流出,進(jìn)入冷凝器一加熱后經(jīng)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)入空氣靜壓區(qū)。與經(jīng)冷凝器二進(jìn)入的空氣以及烘干室流回的空氣混合后再經(jīng)風(fēng)機(jī)一二三進(jìn)入烘干室。改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向,讓風(fēng)機(jī)一二三反轉(zhuǎn),四五六正轉(zhuǎn),則烘干室內(nèi)空氣可實(shí)現(xiàn)反向流動(dòng)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 托盤架與托盤擺放 托盤架的布置會(huì)直接影響烘干箱內(nèi)部流場分布,為了分析托盤架與托盤擺放對(duì)流場的影響并得到最合理的物料托盤布置方式,設(shè)計(jì)如下4種實(shí)驗(yàn)方案:

(1)滿載對(duì)齊方式如圖2(a):左右兩側(cè)物料托盤架前后對(duì)齊擺放且均滿載托盤。

(2)滿載錯(cuò)開方式如圖2(b):左右兩側(cè)托盤架前后錯(cuò)開擺放且均滿載托盤。

(3)半滿載對(duì)齊方式一如圖2(c):左右兩側(cè)物料托盤架前后對(duì)齊擺放,左側(cè)靠近風(fēng)機(jī)的物料托盤架上滿載托盤,遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的物料托盤架上放一半托盤,右側(cè)靠近風(fēng)機(jī)的物料托盤架上放一半托盤,遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的物料托盤架上滿載托盤。

(4)半滿載對(duì)齊方式二如圖2(d):左右兩側(cè)物料托盤架前后對(duì)齊擺放,左右兩側(cè)均在靠近風(fēng)機(jī)的物料托盤架上滿載托盤,而遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的物料托盤架上放一半托盤。

圖2 烘干室內(nèi)物料架的四種布置方式

1.2.2 風(fēng)機(jī)數(shù)量與運(yùn)轉(zhuǎn)方式 為了研究風(fēng)機(jī)數(shù)量以及風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)對(duì)箱內(nèi)流場的影響,設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)方案:

(1)兩送兩回:一側(cè)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)送風(fēng)、另一側(cè)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)回風(fēng)。

(2)三送三回:一側(cè)三臺(tái)風(fēng)機(jī)送風(fēng)、另一側(cè)三臺(tái)風(fēng)機(jī)回風(fēng)。

對(duì)兩種方案進(jìn)行風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

在上述方案基礎(chǔ)上,結(jié)合托盤架與托盤擺放、風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)量與方式等不同變量組合得到最終的試驗(yàn)方案如表1。試驗(yàn)時(shí),物料架上未放置干燥物料,利用PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔1 min記錄一次風(fēng)速數(shù)據(jù),每組實(shí)驗(yàn)至少進(jìn)行30 min,重復(fù)測試3次。

1.2.3 風(fēng)速測定方法 在烘干室一側(cè)中間截面居中自上而下均勻地布置5個(gè)熱線風(fēng)速傳感器,型號(hào)為JY-GD2,量程為0～15 m/s,風(fēng)速傳感器的測頭位于物料架上下相鄰?fù)斜P中間位置,左側(cè)自上而下編號(hào)為測點(diǎn)1—5,右側(cè)則為測點(diǎn)6—10。試驗(yàn)時(shí),待穩(wěn)定運(yùn)行后,利用PLC采集各測點(diǎn)風(fēng)速數(shù)據(jù),每隔1 min記錄一次,試驗(yàn)時(shí)間30 min。

表1 試驗(yàn)方案及序號(hào)

1.2.4 速度均勻性評(píng)價(jià) 為了定量分析熱泵烘干室內(nèi)的速度均勻特性,定義速度不均勻系數(shù):

由于熱泵干燥中,經(jīng)常采用正反轉(zhuǎn)交替運(yùn)行來保證干燥的均勻性,為此本文又定義正反轉(zhuǎn)交替運(yùn)行速度不均勻系數(shù):

2 結(jié)果與分析

對(duì)測得的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,先算出各測點(diǎn)風(fēng)速的平均值和方差,繪制帶誤差棒的各測點(diǎn)風(fēng)速圖,再用各測點(diǎn)的平均風(fēng)速算出單側(cè)截面的平均風(fēng)速,繪制單側(cè)截面平均風(fēng)速圖,分析可得到不同托盤架與托盤布置方式以及不同風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)量和方式情況下的風(fēng)速特征和同一縱向平面內(nèi)的風(fēng)速分布規(guī)律。

2.1 風(fēng)速分布

圖3是風(fēng)機(jī)兩送兩回情況下的各測點(diǎn)風(fēng)速。可以看出,風(fēng)機(jī)兩送兩回正轉(zhuǎn)時(shí),從五個(gè)測點(diǎn)的速度相對(duì)大小來看,四種布置方式的縱向風(fēng)速分布是測點(diǎn)1和2的風(fēng)速高于測點(diǎn)3—5。其原因是試驗(yàn)時(shí)開啟的風(fēng)機(jī)位于送風(fēng)側(cè)上部,故烘干室頂部風(fēng)速相對(duì)偏大。對(duì)于烘干室右側(cè)的測點(diǎn)6—10,四種布置方式的縱向風(fēng)速分布總體呈現(xiàn)中間測點(diǎn)8風(fēng)速最高,兩側(cè)測點(diǎn)風(fēng)速逐漸降低的趨勢。風(fēng)機(jī)兩送兩回反轉(zhuǎn)時(shí),烘干室左側(cè)平面內(nèi)的縱向風(fēng)速分布也呈中間風(fēng)速高,上下兩側(cè)低的趨勢。對(duì)于烘干室右側(cè)的測點(diǎn)6—10,四種布置方式的測點(diǎn)風(fēng)速相差不大且都較高。在縱向風(fēng)速分布方面,烘干室右側(cè)平面內(nèi)風(fēng)速分布相對(duì)均勻且都較高,各點(diǎn)風(fēng)速均在2.5m/s以上。

圖3 風(fēng)機(jī)兩送兩回各測點(diǎn)風(fēng)速

圖4是風(fēng)機(jī)三送三回情況下的各測點(diǎn)風(fēng)速。可以看出,風(fēng)機(jī)三送三回時(shí),布置方式對(duì)各測點(diǎn)風(fēng)速的影響以及縱向風(fēng)速分布規(guī)律與風(fēng)機(jī)兩送兩回方案類似。不同的是,風(fēng)機(jī)三送三回正轉(zhuǎn)時(shí),在烘干室左側(cè)平面內(nèi),大致呈現(xiàn)中間測點(diǎn)3風(fēng)速略低,其余測點(diǎn)風(fēng)速稍高的特征。

圖4 風(fēng)機(jī)三送三回各測點(diǎn)風(fēng)速

2.2 平均風(fēng)速

由圖5和圖6可看出,除錯(cuò)開方式外,正轉(zhuǎn)時(shí)其余三種方式的送風(fēng)平均速度大于回風(fēng),而反轉(zhuǎn)時(shí)則是送風(fēng)平均速度小于回風(fēng),其原因可能是這種風(fēng)機(jī)試驗(yàn)方案中烘干室內(nèi)部氣流存在回流。比較不同布置方式的平均風(fēng)速大小可知,風(fēng)機(jī)兩送兩回正轉(zhuǎn)時(shí),滿載對(duì)齊和錯(cuò)開方式的平均風(fēng)速基本大于半滿載對(duì)齊方式;反轉(zhuǎn)時(shí),半滿載對(duì)齊方式的平均風(fēng)速大于滿載錯(cuò)開方式,但是小于滿載對(duì)齊方式。另外,半滿載對(duì)齊方式一的送回風(fēng)風(fēng)速一般都大于半滿載對(duì)齊方式二的送回風(fēng)風(fēng)速,原因可能是測點(diǎn)布置在遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的貨架上,對(duì)齊方式一的靠近風(fēng)機(jī)的貨架上半布滿托盤,更有利于干燥空氣流動(dòng)。風(fēng)機(jī)三送三回方案的平均風(fēng)速規(guī)律與風(fēng)機(jī)兩送兩回方案一致。

圖5 風(fēng)機(jī)兩送兩回單側(cè)截面平均風(fēng)速

圖6 風(fēng)機(jī)三送三回單側(cè)截面平均風(fēng)速

由圖5和圖6還可看出,無論風(fēng)機(jī)兩送兩回還是三送三回,滿載對(duì)齊和半滿載對(duì)齊方式反轉(zhuǎn)的送風(fēng)和回風(fēng)的平均風(fēng)速均大于正轉(zhuǎn)。對(duì)于滿載錯(cuò)開方式而言,正反轉(zhuǎn)的送風(fēng)風(fēng)速相差不大,正轉(zhuǎn)回風(fēng)風(fēng)速顯著大于反轉(zhuǎn)。因?yàn)閭鞲衅鳒y點(diǎn)布置在物料架左右方向上的中心處,則對(duì)齊擺放方式的左右兩側(cè)物料托盤架上的傳感器位置均比錯(cuò)開擺放方式相對(duì)偏左。對(duì)比結(jié)果說明,送風(fēng)通道內(nèi)風(fēng)速左右分布均勻,在回風(fēng)通道內(nèi)遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的物料架處,越靠近箱體外側(cè),風(fēng)速越大。另外,對(duì)于滿載對(duì)齊和滿載錯(cuò)開兩種方式,三送三回方式下的平均風(fēng)速范圍為2.3～5.0 m/s,大于兩送兩回方式的平均風(fēng)速(范圍為2.0～3.9 m/s)。三送三回方式比兩送兩回方式高15%～28%。

2.3 速度均勻性評(píng)價(jià)

計(jì)算得到A1—D4試驗(yàn)方案下左側(cè)與右側(cè)的速度不均勻系數(shù)如表2。

表2 不同試驗(yàn)方案的速度不均勻系數(shù)

由不均勻性定義可知,這兩個(gè)系數(shù)越小則速度均勻性越好。

由表2可知,風(fēng)機(jī)兩送兩回正轉(zhuǎn)方案(A1、A4)的左右兩側(cè)不均勻系數(shù)都較小且相差不大,表示其兩側(cè)速度分布較均勻,而風(fēng)機(jī)三送三回正轉(zhuǎn)(C1)和三送三回反轉(zhuǎn)(D1)的右側(cè)系數(shù)較小,但左側(cè)系數(shù)較大,左側(cè)速度均勻性較差,風(fēng)機(jī)兩送兩回反轉(zhuǎn)B1的左右兩側(cè)系數(shù)都較大。因此,風(fēng)機(jī)兩送兩回正轉(zhuǎn),滿載對(duì)齊和半滿載對(duì)齊方式二的速度均勻性較好,分別適合干燥不同風(fēng)速要求的物料。

計(jì)算得到的正反轉(zhuǎn)交替運(yùn)行速度不均勻系數(shù)M′如表3。

表3 四種布置方式的速度不均勻系數(shù)

由表3可以看出,無論是風(fēng)機(jī)兩送兩回還是三送三回,滿載錯(cuò)開方式的速度不均勻系數(shù)都比滿載對(duì)齊方式的大,而半滿載對(duì)齊方式一和半滿載對(duì)齊方式二的系數(shù)較小,結(jié)合圖3和圖4可知后兩種布置方式對(duì)應(yīng)的風(fēng)速較小,不利于干燥效率的提高,但卻適合要求小風(fēng)速的干燥物料。滿載對(duì)齊方式風(fēng)速會(huì)大,適合要求大風(fēng)速的物料干燥。

3 總 結(jié)

熱泵烘干箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)物料干燥均勻性有重要影響,物料堆積密度不合理會(huì)造成烘干房內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)量分布不均勻,導(dǎo)致同一時(shí)間烘干房內(nèi)不同截面物料的干燥程度差別較大。風(fēng)速快、風(fēng)量大的地方物料干燥速度快,導(dǎo)致整體物料干燥程度不均勻,進(jìn)而影響最終物料的干燥品質(zhì)[22-24]。用速度不均勻系數(shù)定義均勻性指標(biāo),研究物料架和托盤布置方式、風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)、風(fēng)機(jī)數(shù)量等因素對(duì)烘干箱內(nèi)空氣流動(dòng)速度及均勻性的影響,結(jié)果表明,風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)風(fēng)速大于正轉(zhuǎn),但正轉(zhuǎn)的速度均勻性相對(duì)更好,風(fēng)機(jī)正反轉(zhuǎn)交替運(yùn)行,氣流正反向循環(huán)可使干燥均勻,有利于保證干燥品質(zhì)。托盤布置方式對(duì)烘干箱內(nèi)風(fēng)速均勻性有較大影響。滿載對(duì)齊方式的風(fēng)速相對(duì)較大且速度均勻性較好,可滿足要求風(fēng)速較大的物料干燥;滿載錯(cuò)開布置方式風(fēng)速稍小,速度分布均勻性較差;半滿載對(duì)齊布置方式,速度分布較均勻,但是風(fēng)速較小,適合于風(fēng)速要求低的物料干燥。烘干室左右兩側(cè)通道平面內(nèi)的縱向風(fēng)速分布均呈現(xiàn)中間風(fēng)速高,自中間向上下兩側(cè)風(fēng)速逐漸降低的趨勢。烘干室送風(fēng)通道內(nèi)的橫向流速均勻性較好,在回風(fēng)通道內(nèi)遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的物料架處,越靠近箱體外側(cè),風(fēng)速越大。

由于物料大小、品質(zhì)等因素的限制,物料對(duì)干燥空氣流速的要求是不一樣的。為保證干燥的均勻性,風(fēng)機(jī)可采用正反轉(zhuǎn)交替運(yùn)行。如果物料干燥要求風(fēng)速較大,則可采用滿載對(duì)齊布置方式,正反轉(zhuǎn)風(fēng)速都較大;如果要求風(fēng)速稍小,則可采用滿載錯(cuò)開布置方式,正轉(zhuǎn)風(fēng)速較大,反轉(zhuǎn)風(fēng)速稍小;如果要求風(fēng)速更小,則可采用半滿載對(duì)齊布置方式,但一次干燥量小。熱泵烘干箱內(nèi)氣流分布直接影響干燥效果,研究其內(nèi)部流場分布規(guī)律可為物料干燥工藝、貨架擺放方式和烘干室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)方案和理論參考,研究結(jié)果對(duì)改進(jìn)生產(chǎn)實(shí)踐具有重要意義。