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旋转圆盘式和旋转管束式干燥设备的设计
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摘要：推广使用具有节能环保特性的间接式干燥设备是目前干燥技术发展的一个重要趋势。着重就旋转圆盘和旋转列管式这两种间接加热干燥设备的结构特点及工作原理作了介绍，并根据颗粒热传递模型给出实际传热系数计算公式。同时对旋转圆盘和旋转列管式干燥机承压转子的危险部位和校核内容进行了归纳。
关键词：旋转列管式干燥机；旋转圆盘式干燥机；传热系数；强度
干燥设备是化工、轻工、食品及农产品加工等行业中较为常见和能耗较高的一类单元设备，按热量传递方式可分为直接传热式和间接传热式两种[1][2]。其中直接传热式干燥设备，物料和干燥介质直接接触，通过对流方式传热，具有结构简单、制造成本低廉等优点，但热效率低，能耗高，同时对环境造成的污染也大。间接传热式设备由于其优异的节能环保特性，在工农业生产中应用日益广泛。本文介绍近年来开发成功并在多个行业投入运行的两种连续式间接加热干燥设备：旋转圆盘式和旋转列管式干燥机。
1结构与工作原理
1.1 结构简介
旋转圆盘式和旋转列管式干燥机的结构主要由四部分组成：①转子系统，此为干燥机的核心部件，不同种类的干燥机有不同的转子结构。旋转圆盘式干燥机的转子由中空轴和焊接在轴上的数十只圆盘组成；旋转列管式干燥机的转子由两端中空轴、封头及数百根以一定方式排列的管子共同构成。它们的结构如图1、图2所示。运转时转子靠两端轴承支撑：一端为固定轴承，另一端可以自由游动，协调转子的轴向热膨胀。转子四周有翻动物料的抄板。②传动系统，由主电机、减速装置组成。③管路系统，由进汽管、排水管、调节阀门、金属软管和旋转接头等组成。④排风除尘系统，一般借助引风机排风，同时回收粉尘。
1.2 工作原理
在密闭干燥室内，由管束或圆盘组成的转子缓慢旋转，通过转子的入口和出口中空轴导入导出热介质。热介质通过金属壁将热量传导给湿物料，物料吸热增加蒸发湿分。转子周缘安有特殊的抄板，一方面不断将物料翻起使之与金属换热表面接触，另一方面抄板有一定的轴向倾角，将物料从入口端推向出口端。对不同的物料，改变干燥室长度、转子转速及抄板轴向倾角，使物料从入口到出口刚好完成干燥过程。蒸发的湿分则由顶部风机抽出。
旋转列管式和旋转圆盘式干燥机都具有较高的热效率。但相对而言，前者由于物料在光滑管间的轴向运动无任何约束，物料与加热管的整体接触率要小于旋转圆盘式干燥机。一般加热面积相同时，后者的整机传热系数要比前者大60%～70%。但旋转圆盘式干燥机结构复杂，制造难度大，成本也高。
2 设计模型
间接式干燥机的规格大小是通过换热面积度量的。根据物料衡算，可以确定干燥过程的热消耗量Q（即单位时间内干燥机消耗的热量）。而Q=KA△t，因此干燥机换热面积的大小取决于总传热系数K和温差△t。其中温差△t可以调节蒸汽或热载流体入口温度来实现，而总传热系数K则由物料特性、干燥机内物料的混合搅拌水平及有效接触率等决定。另外该类干燥机的转子系统受热介质内压作用，为承压部件。因此间接式干燥机的设计有两个技术关键：①真实传热系数的分析计算；②干燥机转子的强度设计。
2.1真实传热系数的计算
从工作原理看，干燥机传热系数的计算可归结为管束或平板在搅动的颗粒床上的热传导。对搅动床的传热系数进行分析的资料在国外较少报道。文献3和4给出了大型旋转圆盘式干燥机传热系数的计算方法,即利用Schlunder提出的“颗粒热传递模型”[5]，采用移动加热板的方法来计算传热系数。该理论认为在移动加热面与待干燥的颗粒床间的热传递现象主要受三个机制控制，即热阻主要由以下三部分组成：①加热壁与颗粒间的热传递；②填料床内的热传导；③基体中由于颗粒运动引起的热对流。将各部分热阻叠加起来,就可以计算出总的传热系数。
在完全混合条件下，颗粒热传递模型主要计算过程如下：
加热壁与颗粒间的传热系数hs可由下列方程确定，即
其中hs为加热面与颗粒间的最大传热系数，W.（m2 .K）-1；hp为加热面与第一层颗粒间的最大传热系数，W.（m2 .K）-1；h2p为加热面与第二层颗粒间的最大传热系数，W.（m2 .K）-1；ψ为表面覆盖系数；hg为空隙空气传热系数，W.（m2 .K）-1；dp为颗粒直径，mm；cg为间隙空气的比热容，J.(kg .K)-1；R为空气常数；M为空气分子量；T为干燥室内空气温度，K；p为干燥室内压力，Pa；γ是考虑空气的影响而引入的调节系数，在实验的基础上，可建立如下经验公式：
（4）
（5）
其中，hc为颗粒床的传热系数，W.（m2 .K）-1；λe为颗粒的有效热导率，W.(m.K)-1；cpm为颗粒的比热容，J.(kg.K)-1；ρb为颗粒的密度，kg.m-3；t为接触时间，s。颗粒在干燥机料床中的运动规律十分复杂，目前还没有完全掌握。在简化的完全混合情况下，床身内无温度分布，颗粒热对流引起的热阻对传热系数的影响可以被忽略。
于是瞬时总传热系数就可根据下式得出： （6）
然后在颗粒-传热面接触时间τ内对瞬时总传热系数进行积分，即可得到平均传热系数： （7）
对一台干燥机而言，除具有一个宏观统计上的总体传热系数外，每段干燥区域还对应有一个局部传热系数，两者有联系也有区别。观察物料的测试报告可以发现，湿度对物料物理性质影响很大。一般湿度越大，密度就越大，导热系数也会迅速增大。因此颗粒传热模型的复杂性还在于分段性，必须根据不同物料的干燥特性曲线，对整台干燥机进行分区域计算传热系数，然后再依各段所占的加热面比例，得出总传热系数。通过与其他干燥模型计算结果的比较，发现用颗粒传热模型计算的间接式干燥机传热系数更符合实际工况。用该模型设计的JPG150、JPG300、JPG500圆盘式干燥机及RTD150、RTD180、RTD250列管式干燥机，实际运行中均达到了原设计的传热系数要求，运行情况良好。
2.2干燥机转子的强度设计
干燥机转子系统中需进行强度设计的部件因干燥机类型的差异而有所不同。对旋转列管式干燥机来说，其危险部位及校核内容主要为：①位于轴承支撑处的主轴应力；②转子的刚度分析及最大挠度计算；③管子与管板联接处考虑扭转应力后的强度保证；④封头在复杂载荷作用下的实际承载水平计算。由于该设备为非标准设备，在进行强度与刚度分析时，要首先进行合理的、处于安全的力学模型的简化，然后针对力学模型进行分析计算。
对于旋转圆盘式干燥机，转子强度的分析设计[6]主要包括两个部分：①承受内压的大直径工作圆盘的强度分析；②承受内压和弯曲扭转载荷的中空轴的强度分析。实际计算中要通过简化力学模型，计算主轴的挠度和最大应力。涉及强度设计的力学模型，过于复杂和专业化，本文不作具体介绍。
3 结 论
推广使用具有节能环保优势的间接式干燥设备是目前干燥技术发展的一个重要趋势。文中概述了旋转圆盘式和旋转列管式干燥机的结构特点与工作原理，并根据移动加热板条件下的“颗粒热传递模型”，建立了适用于间接式干燥机传热系数计算的数学模型，该模型的计算结果与干燥机的实际运行吻合较好；同时从弹性力学的角度对旋转圆盘和旋转列管式干燥机承压转子的危险部位和校核内容进行了归纳。
由于干燥机内的热量传递过程相当复杂，要进行更为精确的传热系数计算，必须针对实际工业干燥过程进行更多的实验工作和理论分析以完善数学模型；同时将CFD和CAD技术应用于干燥机的设计过程，对优化提高干燥装备的整体水平大有裨益。
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