張鵬飛 劉加偉 劉鑫 陳博 張琦 薛東曉

摘要：物料含水率均勻性是物料品質(zhì)的重要指標(biāo)，與烘干機(jī)內(nèi)部氣流均勻性相關(guān)。烘干機(jī)結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)對烘干機(jī)內(nèi)部流場均勻性產(chǎn)生較大影響。使用正交試驗(yàn)的方法研究導(dǎo)流板角度（30°、40°、50°）、側(cè)風(fēng)道均流板個數(shù)（1、2、3）與循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率（20 Hz、30 Hz、40 Hz）對烘干機(jī)內(nèi)氣流分布的影響，找到最優(yōu)的因素水平，使烘干機(jī)內(nèi)部風(fēng)速場最均勻。研究結(jié)果表明：風(fēng)機(jī)頻率對上料層的風(fēng)速場影響最顯著；導(dǎo)流板角度對上料層風(fēng)速場影響最不顯著。導(dǎo)流板角度對下料層風(fēng)速場影響最顯著；風(fēng)機(jī)頻率對下料層風(fēng)速場影響最不顯著。當(dāng)因素水平組合為導(dǎo)流板角度30°，均流板3個，風(fēng)機(jī)頻率20 Hz時，烘干機(jī)內(nèi)風(fēng)速場最均勻。

關(guān)鍵詞：帶式烘干機(jī)；風(fēng)速場均勻性；CFD仿真；DOE設(shè)計(jì)

中圖分類號：S22

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 02013005

收稿日期：2022年9月2日 ?修回日期：2022年12月6日

基金項(xiàng)目：江蘇省成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（BA2020071）；江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)重點(diǎn)基金（BE2018360）

第一作者：張鵬飛，男，1981年生，山東威海人，博士，高級工程師；研究方向?yàn)轱暳蠙C(jī)械裝備。Email： pengfeimy@163.com

通訊作者：張琦，女，1981年生，江蘇蘇州人，博士，副教授；研究方向?yàn)轱暳蠙C(jī)械裝備。Email： qizhang@yzu.edu.cn

Experimental study on the uniformity of airflow velocity inside belt dryer

Zhang Pengfei1， 2， Liu Jiawei1， Liu Xin1， Chen Bo2， Zhang Qi1， Xue Dongxiao1

（1. School of Mechanical Engineering， Yangzhou University， Yangzhou， 225127， China；

2. Jiangsu Famsun Group Co.， Ltd.， Yangzhou， 225120， China）

Abstract：

The uniformity of feed moisture content is an important parameter related with pellet quality. That the structure and process parameters of the dryer influence the uniformity of air distribution inside the dryer， thus affecting the feed uniformity of the moisture content. Effects of different deflector angles （30°， 40°， 50°）， number of side air duct flow plate （1， 2， 3） and fan frequency （20 Hz， 30 Hz， 40 Hz） on airflow distribution are studied by the method of orthogonal experiment. The results show that the fan frequency has the greatest effect on the wind velocity field of the upper layer and the angle of the deflector plate has the least effect on the wind velocity field of the upper layer. The angle of deflector plate has the greatest influence on the wind speed field of the lower layer and the fan frequency has the least influence on the wind speed field of the lower layer. When factor level combination is 30° angle of deflector plate， 3 side air duct flow plates and 20 Hz fan frequency， the wind velocity field in the dryer is the most uniform.

Keywords：

belt dryer; wind velocity field uniformity; CFD simulation; DOE design

0 引言

飼料工業(yè)是影響我國經(jīng)濟(jì)的重點(diǎn)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一［1］。2022年，中國飼料工業(yè)總產(chǎn)值13 168.5億元，比2021年增長7.6%；總營業(yè)收入12 617.3億元，同比增長8.0%。水產(chǎn)飼料加工過程包含粉碎、膨化、烘干和噴涂［23］。膨化后飼料的水分含量高達(dá)20%，容易滋生霉菌，不利于飼料的存儲與運(yùn)輸，需要進(jìn)行烘干將水分含量降低到10%以下［4］。帶式烘干機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中［5］。而物料水分均勻性是衡量飼料品質(zhì)和烘干節(jié)能的關(guān)鍵，因此，有效提高飼料水分均勻性是大型節(jié)能帶式烘干機(jī)（產(chǎn)量大于10 t/h）重要的研發(fā)方向［69］。

烘干機(jī)結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)影響烘干機(jī)內(nèi)風(fēng)速場均勻性，從而影響物料含水均勻性［1013］。Amjad等［10］研制了一種新型的對角進(jìn)風(fēng)式間歇烘干機(jī)，通過CFD模擬的方式研究了新型烘干機(jī)內(nèi)氣流分布，發(fā)現(xiàn)對角進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能改善烘干機(jī)內(nèi)部氣流分布均勻性。Darabi等［11］將檸檬烘干機(jī)進(jìn)風(fēng)口的進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)改為了風(fēng)道進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)，并在每個載物托盤下方都設(shè)有進(jìn)風(fēng)通道，縮短了檸檬的烘干時間，提高了檸檬的含水均勻性。Martin等［12］認(rèn)為帶式烘干機(jī)烘干物料含水率不均勻的主要原因是沿輸送帶的氣流分布不均勻，從而導(dǎo)致了烘干機(jī)能耗升高。將可調(diào)節(jié)閥角度改為45°能使烘干機(jī)兩側(cè)流量相等，從而讓氣流分布更均勻。張航等［13］研究了影響烘干機(jī)內(nèi)部流場分布的四個因素（物料層厚度、氣流速度、氣流溫度、氣流相對濕度），發(fā)現(xiàn)物料層厚度對氣流風(fēng)速分布的影響最大，其次為氣流速度，溫度和相對濕度影響最小。前期研究表明基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）可以很好地模擬烘干機(jī)流場。但是大型帶式烘干機(jī)頻率和結(jié)構(gòu)等多因素對內(nèi)部流場的影響尚不清晰。

本文以烘干機(jī)導(dǎo)流板角度（30°、40°、50°）、側(cè)風(fēng)道均流板個數(shù)（1、2、3）、循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率（20 Hz、30 Hz、40 Hz）三個參數(shù)為研究對象，研究組合參數(shù)對烘干機(jī)料層表面風(fēng)速場均勻性的影響規(guī)律，找到最優(yōu)組合參數(shù)。

1 烘干機(jī)內(nèi)部風(fēng)速場均勻性試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)平臺

圖1（a）是烘干機(jī)試驗(yàn)平臺。圖1（b）是烘干機(jī)模型簡圖，包含進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口、換熱器、循環(huán)風(fēng)機(jī)、導(dǎo)流板、側(cè)風(fēng)道均流板等部件?？諝鈴倪M(jìn)風(fēng)口進(jìn)入烘干機(jī)，經(jīng)過換熱器在循環(huán)風(fēng)機(jī)的帶動下進(jìn)入左側(cè)風(fēng)道，而后一部分熱空氣從上面穿過料層，另一部分向下穿過料層，空氣與烘干物料產(chǎn)熱濕熱交換，帶走物料中多余的水分，在排濕風(fēng)機(jī)的作用下通過右側(cè)風(fēng)道，一部分氣體離開烘干機(jī)，另一部分氣體受循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)。

（a） 烘干機(jī)試驗(yàn)平臺

（b） 3D模型簡圖

1.進(jìn)風(fēng)口

2.出風(fēng)口

3.換熱器

4.循環(huán)風(fēng)機(jī)

5.側(cè)風(fēng)道均流板

6.導(dǎo)流板

圖2（a）是導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)示意圖，烘干機(jī)導(dǎo)流板角度分別為30°、40°、和50°，導(dǎo)流板鋼板厚度為3 mm，兩板之間距離為170 mm，長度為2 000 mm，為便于更換，導(dǎo)流板與料層之間采用螺栓裝配。圖2（b）是側(cè)風(fēng)道均流板結(jié)構(gòu)示意圖，側(cè)風(fēng)道均流板尺寸（長×寬×高）為350 mm×3 mm×2 270 mm。為了避免均流板在氣流的作用下產(chǎn)生晃動，對均流板進(jìn)行了折彎處理，增強(qiáng)均流板的抗彎性能。

（a） 導(dǎo)流板角度示意圖

（b） 側(cè)風(fēng)道均流板模型示意圖

本試驗(yàn)用0.1 mm塑料顆粒來代替魚飼料顆粒。將顆粒平鋪在烘干機(jī)料層中，整個料層尺寸（寬×長）為2 000 mm×3 000 mm，上、下料層厚度分別為80 mm和100 mm。在兩個料層表面各放有9個風(fēng)速傳感器（德國，Siemens，QVM62.1），用于采集物料表面風(fēng)速。傳感器在料層的具體分布位置如圖3所示，傳感器距料層兩個邊界的距離分別為400 mm與300 mm，傳感器之間橫向距離為1 100 mm，傳感器之間縱向距離為700 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 因素水平及選擇

物料烘干后含水率均勻性與烘干機(jī)內(nèi)部風(fēng)速場均勻性相關(guān)［1923］。根據(jù)前期研究表明，烘干機(jī)內(nèi)部風(fēng)速場均勻性與導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)、均流板結(jié)構(gòu)、料層厚度和風(fēng)機(jī)頻率等參數(shù)相關(guān)。根據(jù)本試驗(yàn)的烘干機(jī)設(shè)計(jì)，導(dǎo)流板角度可調(diào)控范圍在30°～50°之間。因此，選擇30°、40°、50°作為因素水平。根據(jù)側(cè)風(fēng)道的寬度限制，均流板個數(shù)不宜多于3個。因此，均流板個數(shù)分別為1個、2個、3個作為因素水平。循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率可調(diào)節(jié)范圍在20～40 Hz之間，因此選擇20 Hz、30 Hz、40 Hz作為因素水平。試驗(yàn)因素與水平如表1所示。

1.2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。根據(jù)表1可知研究對象為三因素三水平，通過Spssau軟件生成正交試驗(yàn)表L9（34），試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表2所示。

表2中A、B、C為各因素編碼值，每組試驗(yàn)重復(fù)兩次后取平均值。用風(fēng)速極差值來評價烘干機(jī)內(nèi)部流場的均勻性。極差值越小代表料層表面風(fēng)速場越均勻，反之則代表風(fēng)速場不均勻，極差S如式（1）所示。

S=Xmax-Xmin

（1）

式中：

Xmax——

所測同組試驗(yàn)中的最大風(fēng)速值，m/s；

Xmin——

所測同組試驗(yàn)中的最小風(fēng)速值，m/s。

2 風(fēng)速場均勻性試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)速場均勻性試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表中的因素組合進(jìn)行試驗(yàn)，料層表面各點(diǎn)風(fēng)速值如表3所示。極差可以直觀地表達(dá)出各因素對烘干機(jī)內(nèi)部風(fēng)速場均勻性影響的重要次序，因素的極差越小，表明其對風(fēng)速場均勻性影響越小，反之，因素的極差越大，其對風(fēng)速場均勻性影響越大。對表3中各試驗(yàn)因素的水平進(jìn)行極差分析計(jì)算。

Rm=max（Km）-min（Km）

式中：

Rm——

第m因素極差，即第m因素各水平下的指標(biāo)值的最大值與最小值之差，m/s；

Kmi——

每個因素中第m因素第i水平的試驗(yàn)結(jié)果極差之和的平均值。

如導(dǎo)流板角度A的極差分析如下：KA1=（0.2+0.3+0.3）/3=0.27，KA2=（0.25+0.45+0.2）/3=0.3，KA3=（0.3+0.2+0.25）/3=0.25，RA=KA2-KA3=0.05。根據(jù)K值大小判斷各因素的最優(yōu)水平，在本試驗(yàn)中風(fēng)速值極差越小風(fēng)速場越均勻，因此，m因素水平選擇較小值。極差值可以判斷各因素對風(fēng)速場均勻性的影響程度，是確定重要因素和次要因素的根據(jù)。

2.2 導(dǎo)流板角度對風(fēng)速場均勻性的影響

為了更直觀地看出導(dǎo)流板角度、均流板個數(shù)、風(fēng)機(jī)頻率的變化值對風(fēng)速場極差K值的影響，分別繪制圖4，圖5和圖6。圖4為導(dǎo)流板角度對風(fēng)速場差異的影響，圖4（a）為導(dǎo)流板角度對上料層風(fēng)速場的影響。當(dāng)導(dǎo)流板角度為50°時，上料層風(fēng)速場極差值（KA3）為最小值0.25m/s；當(dāng)導(dǎo)流板角度為40°時，上料層風(fēng)速場均勻性最差，風(fēng)速場極差值（KA2）為最大值0.3m/s?？傮w上看，風(fēng)速場均勻性隨導(dǎo)流板角度增加，呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，因此選擇導(dǎo)流板角度為50°時，上料層風(fēng)速場最均勻。

圖4（b）為導(dǎo)流板角度對下料層風(fēng)速場的影響。當(dāng)導(dǎo)流板角度為30°時，下料層風(fēng)速場極差值（KA1）為最小值0.55m/s；當(dāng)導(dǎo)流板角度為50°時，下料層風(fēng)速場均勻性最差，風(fēng)速場極差值（KA3）為最大值1.33m/s?？傮w上看，風(fēng)速場均勻性隨導(dǎo)流板角度的增加，呈現(xiàn)下降的趨勢，因此選擇導(dǎo)流板角度為30°時，下料層風(fēng)速場均勻性最佳。

（a） 上料層

（b） 下料層

2.3 均流板個數(shù)對風(fēng)速場均勻性的影響

圖5（a）為均流板個數(shù)對上料層風(fēng)速場的影響。當(dāng)均流板個數(shù)為1個或3個時，上料層風(fēng)速場極差值（KB1或KB3）為最小值0.25m/s；當(dāng)均流板個數(shù)為2個時，上料層風(fēng)速場均勻性最差，風(fēng)速場極差值（KB2）達(dá)到最大值0.33m/s?？傮w上看，風(fēng)速場均勻性隨均流板個數(shù)的增加，呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，因此選擇1個或3個均流板時，上料層風(fēng)速場最均勻。

（a） 上料層

（b） 下料層

圖5（b）為均流板個數(shù)對下料層風(fēng)速場的影響。當(dāng)均流板個數(shù)為2個或3個時，下料層風(fēng)速場極差值（KB2或KB3）為最小值0.78m/s；當(dāng)均流板個數(shù)為1個時，下料層風(fēng)速場均勻性最差，風(fēng)速場極差值（KB1）為最大值0.88m/s。總體上看，風(fēng)速場均勻性隨導(dǎo)流板角度的增加，呈現(xiàn)先下降后保持不變的趨勢，因此選擇2個或3個均流板時，下料層風(fēng)速場均勻性最佳。

2.4 風(fēng)機(jī)頻率對風(fēng)速場均勻性的影響

圖6（a）為風(fēng)機(jī)頻率對上料層風(fēng)速場的影響。當(dāng)風(fēng)機(jī)頻率為20 Hz時，上料層風(fēng)速場極差值（KC1）為最小值0.2m/s；當(dāng)風(fēng)機(jī)頻率為40 Hz時，上料層風(fēng)速場均勻性最差，風(fēng)速場極差值（KC3）為最大值0.35m/s。總體上看，風(fēng)速場均勻性隨風(fēng)機(jī)頻率的提高，呈現(xiàn)下降的趨勢，因此選擇風(fēng)機(jī)頻率為20 Hz時，上料層風(fēng)速場最均勻。

圖6（b）為風(fēng)機(jī)頻率對下料層風(fēng)速場的影響。當(dāng)風(fēng)機(jī)頻率為20 Hz時，下料層風(fēng)速場極差值（KC1）為最小值0.55m/s；當(dāng)風(fēng)機(jī)頻率為40 Hz時，下料層風(fēng)速場均勻性最差，風(fēng)速場極差值（KC3）為最大值1.08m/s?？傮w上看，風(fēng)速場均勻性隨風(fēng)機(jī)頻率的提高，呈現(xiàn)下降的趨勢，因此選擇風(fēng)機(jī)頻率為20 Hz時，下料層風(fēng)速場均勻性最佳。

（a） 上料層

（b） 下料層

2.5 風(fēng)速場均勻性分析

通過正交試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析。通過對比各因素的極差值R的大小，可以確定各因素對風(fēng)速場均勻性影響的重要次序，但不考慮交互因素的影響。對于上料層，風(fēng)機(jī)頻率（C）>均流板個數(shù)（B）>導(dǎo)流板角度（A）；對于下料層，導(dǎo)流板角度（A）>均流板個數(shù)（B）>風(fēng)機(jī)頻率（C）。根據(jù)上述分析，因素水平為A3B1C1（角度50°、個數(shù)1、頻率20 Hz）或A3B3C1（角度50°、個數(shù)3、頻率20 Hz）時，上料層風(fēng)速場最均勻；因素水平為A1B2C1（角度20°、個數(shù)2、頻率20 Hz）或A1B3C1（角度20°、個數(shù)3、頻率20 Hz）時，下料層風(fēng)速場最均勻。由于導(dǎo)流板角度對下料層的風(fēng)速場均勻性影響最大，對上料層的風(fēng)速場均勻性影響最小，因此，可以參考的最佳因素水平組合為導(dǎo)流板角度30°，均流板3個，風(fēng)機(jī)頻率20 Hz（A1B3C1）。

3 結(jié)論

本文研究了導(dǎo)流板角度（30°、40°、50°）、循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率（20 Hz、30 Hz、40 Hz）和側(cè)風(fēng)道均流板個數(shù)（1、2、3）三個因素對于烘干機(jī)內(nèi)部風(fēng)速場均勻性的影響。

1） ?風(fēng)機(jī)頻率對上料層的風(fēng)速場影響最顯著，風(fēng)速場均勻性隨風(fēng)機(jī)頻率的提高呈現(xiàn)下降的趨勢；導(dǎo)流板角度對上料層風(fēng)速場影響最不顯著，風(fēng)速場均勻性隨導(dǎo)流板角度的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。

2） ?導(dǎo)流板角度對下料層風(fēng)速場影響最顯著，風(fēng)速場均勻性隨導(dǎo)流板角度的增加呈現(xiàn)下降的趨勢；風(fēng)機(jī)頻率對下料層風(fēng)速場影響最不顯著，風(fēng)速場均勻性隨風(fēng)機(jī)頻率的提高呈現(xiàn)下降的趨勢。

3） ?當(dāng)因素水平組合為導(dǎo)流板角度30°，均流板3個，風(fēng)機(jī)頻率20 Hz（A1B3C1）時，烘干機(jī)內(nèi)部風(fēng)速場最均勻。

參 考 文 獻(xiàn)

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