单通道滚筒干燥机内温度场和流场数值模拟毕业论文

单通道滚筒干燥机内温度场和流场数值
模拟毕业论文
第1章绪论
1.1概述
干燥是许多工业生产中的重要工艺过程之一，它直接影响到产品的性能、形态、质量以及过程的能耗等。

干燥技术的覆盖面较广，既涉及复杂的热、质传递机理，又与物料的特性、处理规模等密切相关，最后体现在各种不同的设备结构及工艺上。

从70年代开始，中国着手进行干燥设备改造工作；80年代初逐步引进国外的各种干燥设备。

近二十年来，中国的干燥设备取得了巨大的进步。

由于中国干燥器需要量猛增，随之在中国出现了一批干燥器制造厂，基本上满足了国内市场的需要，还有极少量产品出口国外。

除了特大型的和特殊需要的少量干燥器之外，大批进口干燥装置的时代已经结束；预料今后要逐渐增加出口，这是中国的干燥工程技术人员和制造厂共同努力的奋斗目标。

让中国的研究、设计、制造和使用单位联合起来，为使中国的干燥技术与装备尽快地赶上世界先进水平而努力奋斗。

滚筒干燥机是一种以对流为主的传热方式使物料加热、水分汽化的干燥器。

尽管滚筒干燥机技术上并不先进，但它对物料的特殊作用使之到目前为止仍在广泛使用，目前还没有其设备能完全代替它。

滚筒干燥机在化工、轻工、煤炭、建材以及矿冶行业占有重要地位，它不但可以用来干燥，还可以用来炒熟、杀菌和加热，在食品领域可以用滚筒干燥机干燥的物料有粮食、鱼粉、玉米酱、玉米饲料、牧草、果粉、淀粉渣饲料等，这些物料干燥的共同特点是都需要大量连续处理[1-3]。

物料在干燥机内的运动是靠内部抄板不断将物料抄起和撒落，周期性向前输送，同时气流与飘落的物料相互作用，易于输送，不会有物料滞留死角等现象，干燥比较均匀[4-5]。

颗粒物料在滚筒干燥机内的运动是十分复杂的，颗粒运动的机理取决于一系列的状态因素和物料本身的特性。

目前有数以百计的各种干燥机类型，但适用处理高湿、物料产量大的干燥器并不多，滚筒干燥
机就是其中的一种。

按照被干燥物料的加热方式，可将目前的滚筒干燥机分为五种类型，即直接加热式干燥机、间接加热式干燥机、复合加热式干燥机、蒸汽煅烧干燥机、喷浆造粒干燥机[6]。

而直接加热式干燥机内载热体直接与被干燥物料接触，主要靠对流传热，使用最广泛。

本课题所研究的直接加热式单通道滚筒干燥机，规格为φ1.8×16m，此类滚筒干燥机与其他类型干燥机相比，其明显的优势在于：生产能力大，可连续操作。

圆筒空间大，物料流动阻力小。

操作弹性大，生产上允许产品的流量有较大的波动范围，并且不影响产品质量，清扫容易。

可以用它干燥颗粒状物料，对于那些附着性物料也很有利。

但在实际生产应用中的单通道滚筒干燥机，常常会出现热效率不高，操作人员对运行机理和内部温度和流动状况不清楚等现象，造成设计和使用的盲目性。

本文利用计算流体动力学软件Fluent对滚筒干燥机内温度场和流场进行模拟分析。

1.1.1干燥技术及其设备
人们通常把采用热物理方式将热量传给含水的物料并将此热量作为潜热而使水分蒸发、分离操作的过程称为干燥。

其特征是采用加热、降温、减压或其他能量传递的方式使物料中的水分产生挥发、冷凝、升华等相变过程与物料分离以达到去湿目的。

简言之，干燥就是从各种物料中去除湿分的过程。

各种物料可以是固体、液体或气体，固体又可分为大块料、纤维料、颗粒料、细粉料等，而湿分一般是物料中的水分，也可以是其他溶剂。

在此以水分为对象，将干燥方法分为三类。

（1）机械脱水法。

为了减少干燥器的热负荷，减少湿物料中的水分含量是很重要的。

机械脱水法就是通过对物料加压的方式，将其中一部分水分挤出。

常用的有压榨、沉降、过滤、离心分离等方法。

机械脱水法只能除去物料中部分自由水分，结合水分仍残留在物料中。

因此，物料经机械脱水后其含水率仍然很高，一般为40%~60%。

但机械脱水法是一种最经济的方法。

（2）加热干燥法。

此方法也就是我们常说的干燥，它利用热能加热物料，汽化物料中的水分。

除去物料中的水分需要消耗一定的热能。

通常是利用空气来干燥物料，空气预先被加热送入干燥器，将热量传递给物料，汽化物料中的水分，形成蒸汽，并随空气带出干燥器。

物料经过加热干燥，能够除去物料中的结合水分，达到产品或原料所要求的含水率。

（3）化学除湿法。

是利用吸湿剂除去气体、液体、固体物料中的少量水分，由于吸湿剂的除湿能力有限，仅用于除去物料中的微量水分。

因此生产中应用很少。

在实际生产过程中，对于高湿物料一般均尽可能先用机械脱水法去除大量的自由水分，之后再采取其他干燥方式进行干燥[4]。

干燥过程的技术研究是一门庞大的学科，由于干燥过程的技术涉及面广，在化学工业技术研究中占有非常重要的地位，所以近年来备受人们关注。

目前，对于干燥的研究越来越广泛和深入。

研究内容包括：基础研究（理论、模拟、模型等）；应用研究（以设备为对象的工艺、控制、测试等）；干燥方法研究（微波、冷冻、喷雾、过热蒸汽干燥等）；基于产品的研究（如食品、农产品、纸张、木材干燥等）；还有环境、能源、质量、管理、软件等方面的研究。

干燥可以分为两大类，一类要求干燥结束后，仍保持原料的原形，如很多食品类的干燥，建筑材料的干燥等。

另一类是把液体、泥状、块状、粉状物料干燥后，成为粉状或颗粒状产品。

有的干燥过程，特别是药品的干燥，希望不破坏原来的晶形。

药品生产中，还常用到液体和粉状物料经干燥后达到一定粒径的颗粒。

干燥设备的选型主要是根据被干燥物料的形态来确定，物料形态不仅决定其干燥方式，同时对干燥机的干燥效率、干燥质量、干燥均匀性及进（出）料装置等都有很大的影响，原料有时在进行干燥前需经前处理（如：减小尺寸、切片、造粒、挤压、与干品返混等），这些也会影响对干燥机的选择[7]；此外，回收和用户安装地点的可行性问题也要考虑[8]。

因此干燥设备不仅仅是一个选型的问题，还应该制定科学的干燥工艺，才能达到满意的效果。

干燥机的进料和出料也有技术问题，很多方面还是要凭借实践经验。

从经济角度分析，处理量的大小也是选择干燥设备形式的因素之一。

1.1.2干燥技术的未来趋势
一般地，干燥技术的发展趋势仍将沿着：有效利用能源、提高产品质量及产量、减少环境影响、安全操作、易于控制、一机多用等方向发展。

具体讲，干燥技术的未来发展将着重于：
（1）在直接式干燥器中使用过热蒸汽作为干燥介质[9-11]；
（2）大量使用间接加热（传导）方式；
（3）采用组合式传热方式（对流、传导与介电或热辐射的组合）；
（4）在特殊情况下，使用容积式加热（微波或高频场）；
（5）组合使用不同类型的干燥器或常规干燥技术；
（6）采用间断传热方式；
（7）运用新型或更为有效的供热方法（如脉冲燃烧、感应加热等）；
（8）运用新型气固接触技术（如二维喷动床、旋转喷动床等）；
（9）设计灵活、多用途的干燥器；
（10）使用模糊逻辑、神经网、专家系统等实现过程的控制；
（11）干燥过程中包含的传热传质过程的变化和物理化学变化时注意环保；
（12）在线测量湿含量及产品质量，等等[12]。

1.2干燥原理
1.2.1外部条件控制的干燥过程
干燥过程中外部变量有湿度、温度、物料的物理形态、气流的流速和方向、搅动状况，和干燥器的持料方法。

外部条件在排除非结合表面湿分时，即干燥的初始阶段特别重要，物料表面的水分通过物料表面的气膜以蒸汽形式向周围扩散，并伴随传热进行，故加速干燥可采取强化传热[13]。

但干燥速率难以控制，例如原木类物料和瓷器排除自由水后，由内部到表面产生大湿度梯度，表面蒸发越快越易导致收缩，也就是过度收缩和过干燥。

过干燥会在物料内部产生很高的应力，物料会弯曲或龟裂。

在此情况下，相对湿度较高的气体作干燥介质既有较高的干燥速率又避免出现质量缺陷。

另外，水果切片和根茎类蔬菜在此过程中过快干燥，会提高临界含水量而不利于提高干燥全过程的速率。

1.2.2内部条件控制的干燥过程
当物料表面的自由水分不充足时，湿物料接受热量后，就开始升温并形成内部的温度梯度，热量由外部传入内部，湿分自物料内部迁移到表面，此过程的机理依据物料结构特征而异。

临界湿含量与物料干燥的最终湿含量基本一致时，内部湿分迁移发挥着主要作用。

一些外部因素通常会提高表面蒸发速率，从而降低了重要性。

若物料可以在较高温度下停留很长时间，此过程就能够顺利进行。

受内部条件控制的干燥过程，其强化手段是有限的，通常减小物料的尺寸来减小湿分的扩散阻力是有效的。

施加超声波、振动、脉冲有助于内部水分的扩散。

由微波提供的能量可汽化内部水分，若辅以对流或抽真空方法能排除水蒸气。

1.3滚筒干燥机概况
1.3.1滚筒干燥机的国内外现状
伴随着工农业领域的深刻变化以及科学技术和生产力的发展，人们对加工工艺和产品的质量的要求也逐年增高，产量也越来越大，滚筒干燥机是干燥较大物料产量的设备之一。

它在现代干燥技术领域发挥着关键的作用，然而现代干燥技术在国民生产中应用的程度与一个国家的国民生活质量的水平和综合国力密切相关。

从一定意义上说，它代表着一个国家社会文明和国民经济的发达程度[14]。

所以，滚筒干燥机的作用不容忽视。

根据对湿物料的加热方式，把滚筒干燥机分为五种类型，分别是直接加热式干燥机、间接加热式干燥机、蒸汽煅烧干燥机、复合加热式干燥机、喷浆造粒干燥机。

而直接加热式干燥机内载热体靠对流传热，与湿物料直接接触，应用范围最广泛。

进一步细分，直接加热式干燥机分为常规直接加热滚筒干燥机、通气管式滚筒干燥机和叶片式穿流滚筒干燥机三种。

间接加热式滚筒干燥机的载热体与湿物料不直接接触，湿物料所吸收的热量都是靠传热壁传给的。

根据热载体的不同，间接加热滚筒干燥机又细分为常规式和蒸汽管式。

蒸汽煅烧干燥器，顾名思义既能进行煅烧，又能进行干燥。

位于回转筒内的翅片管用来传递加热蒸汽而获得热量。

复合加热式滚筒干燥机的一部分热量是载热体与物料直接接触而传递的；另一部分热量是干燥介质经过传热壁传给湿物料，是对流传热和热传导两种形式的组合，热利用率高。

喷浆造粒干燥机[15]的回转筒中能完成干燥和造粒两个任务。

喷嘴将料浆喷射到筒内，返料螺旋抄板安插在筒体内部，能完成自身返料的工序，简化流程，提高了设备的生产强度。

国内的许多地方都在研究新型干燥机。

合肥水泥研究院成功研制了组合扬料板式烘干机，内部设有多段形状不同的扬料板，导向阻料圈和径向折流板，物料在烘干机内部沿轴向呈“波浪”向前“蠕动”，在圆断面撒落均匀，延长了烘干的时间。

山东省的天力干燥设备有限公司成功研发了带自清理结构的糟渣类物料转筒干燥机，该干燥机涵盖了流化床技术、惰性粒子回转圆筒干燥技术、气流技术。

三种技术相结合极大地拓宽了使用范围，不仅仅能干燥粘性物料、甚至可以干燥液体物料。

DJH型烘干机[6][16]是顺流、单筒、升举抄板转筒机，依据被干燥物料的性能和运行的具体条件，设定干燥器的倾角和转速、扬料板的结构尺寸，DJH型烘干机采用最佳组合参数工作，提高了干燥能力。

除此之外，该类烘干机制造简单，维修所需备品备件少，筒体配有保温措施，使散热损失最小化，提高烘干热效率。

国外的干燥设备一直都处于领先的地位。

日本生产的φ54×23m具有联合装置的大
型转筒干燥器，其内部分段设置普形扬料板、羽状扬料板和铁链环，可以将被干燥物料的水分从12%减小到4%。

芬兰生产的规格为φ2.4×24m新型转筒干燥器，可将物料水分从8%降至1%[17]。

这是因为回转筒内部首段设有直板形扬料抄板，中段安装套索板紧密排列，后段为空筒段，在筒壁的尾部开φ20mm的小孔，起到分离块状和粉料物料的作用。

美国生产的设置有五种结构形式的阻料圈和扬料抄板的新型干燥器，此类干燥器将位置可调整的环形挡板安装在回转筒的断面上，构成阻料圈，延长了被干燥物料在干燥器内的滞留时间；再根据扬料板呈不同高度设置，把进料端设置较高，出料端的设置逐渐降低[6]。

1.3.2滚筒干燥机工作原理
如图1.1所示，单通道滚筒干燥机包括回转筒、回转筒驱动装置、进风加料室、出风排料室以及回转筒内的抄板装置。

工作时依靠略倾斜（或水平）的筒体回转，湿物料从左端上部加入，载热体既可以与物料一起进入回转筒，也可以从低端进入筒体，构成了物料和载热体的逆流接触。

筒体内壁上安装抄板，随着回转筒的慢慢转动，将物料边移动、边翻滚并不断的被抄起和撒落，与进入回转筒内的热空气充分换热从而均匀干燥。

干燥时用到的载热体通常为热空气或者烟道气等。

若载热体与物料直接接触，在经过干燥后，可以用旋风除尘器将细粉物料从气体中捕集下来，同时把废空气放空[18-19]。

图1.1滚筒干燥机工作原理图
Fig. 1.1 Drum dryer machine working principle diagram
图1.1所示的是滚筒干燥机的工作原理图，该机组属于顺流式干燥机。

a.回转筒：滚筒干燥机的主体即回转筒，进行着传热和传质的过程，其内部的抄板能把物料输送出去。

b.传动装置：此装置由电机、齿轮、减速器和齿圈等部分组成。

电动机经减速器减速，传递给齿轮和齿圈等部件，带动回转筒转动。

c.支撑装置：滚筒干燥机的支撑装置包括滚圈、托轮和挡轮，回转筒的重量经滚圈传递给托轮。

此外，回转筒轴向窜动可以由挡轮控制。

d.进料装置：物料从入料口进入滚筒干燥机，在热风和抄板的作用下沿回转筒向前移动。

e.出料装置：被干燥的物料运行到出料口排出，废气经除尘后由引风机排除。

f.保温装置：本文研究的筒体由保温材料包围，起到了减少热量消耗的作用。

1.4本文研究意义、研究内容及研究方法
1.4.1课题研究意义
一直以来，滚筒干燥机的研究情况仅限于对干燥过程提出数学模型和对干燥过程的试验研究，这些研究还不能完全揭示出滚筒内部物料的运动情况，更不能反应出干燥机内部流场和温度场的实际情况[20-21]。

又因为常规的测试手段很难通过测试得到，致使人们在开发和设计更高效率的设备上步履维艰。

正因如此，这种干燥机在应用和发展上都受到了限制。

目前国内所做的滚筒干燥机内温度场和流场这方面，研究的还很少。

鉴于温度场的模拟，很多学者针对干燥机内气流温度的测量方法做了相关介绍，研究了热电偶的制作方法和标定结果，探究了干燥机内气流温度的测量，以及怎么使用热电偶来测量气流的平均温度值及加热器两侧的温度场[22]。

除此之外，周修理、郑先哲[23]等人研究了滚筒式牧草干燥机的参数模拟和分析。

进行了在滚筒式牧草干燥机上建立的干燥试验，计算模拟出滚筒干燥机内部的热风流场和温度场分布，确定物料含水率受干燥条件的影响。

从干燥试验结论中得到的滚筒干燥的参数组合，使用了ANSYS有限元分析软件模拟出干燥过程中滚筒内部温度和气流的分布，最后利用Excel做数据分析，优化了滚筒式牧草干燥机的结构，为确定合理工艺参数提供了理论依据。

关于流场的数值模拟，目前还没有关于滚筒干燥机流场的充分研究。

但是，国内的一些研究人员也开始着手做了大量有关流场的工作，姜洪舟和李应开[24]已经进行了悬浮烘干机冷态流场的数值计算。

研究烘干机内的冷态流场，依照混合长度理论和Boussinesq假说，并在四项合理性假定的基础
上，把流场的雷诺方程简化成一个边值问题与一个初值问题。

分别对边值问题和初值问题进行求解，得到了相应的理论计算结果，它与实测结果相吻合。

本课题基于CFD软件的高计算精度、强适应性、计算结果的准确性和规范统一的计算格式等优点，应用于滚筒干燥机内部的温度场和流场数值模拟。

通过此项技术的研究，可以找到最优的操作参数，在获得较好的干燥质量的前提下，减少能量的浪费。

另外，可以对滚筒干燥机进行更加全面的传质传热研究，对我国干燥事业的发展有着现实意义。

1.4.2主要研究内容
根据φ1.8×16m单通道滚筒干燥机的二维图，建立干燥机内流体的计算模型。

探求最适合单通道滚筒干燥机的计算域网格划分的方法，理论模型的选择方法和数值计算的方法，先对回转筒内进行气体单相流场的数值模拟。

本课题以褐煤为干燥对象，分析褐煤的物理性质，再研究滚筒内气固两相流数值模拟，模拟颗粒的运动特征，寻找各操作参数对于干燥机工作性能的影响，为结构的优化和改进奠定基础。

1.4.3研究方法
本课题借助计算流体力学CFD软件对单通道滚筒干燥机内流体进行温度场和流场的数值模拟，具体实施方案如下：
（1）根据φ1.8×16m干燥机型号，设定入风口和出风口的温度和速度，确定研究分析的参数。

（2）分析干燥机工作原理和结构特性，对回转筒内部的流体计算域进行简化，利用三维建模软件Pro/E构建流体模型，然后导入Gambit中并对模型进行网格划分、边界条件的设置，最后输出MESH文件。

（3）打开CFD软件的FLUENT模块读入网格文件，选择合适的流体模型、定义材料属性、设定边界条件等进行求解设置。

（4）分别对气体单相和气固两相的流场和温度场分布图进行分析，改变滚筒干燥机入风口结构重新模拟，分析结果变化的原因。

（5）研究物料颗粒离散相分布情况，模拟出颗粒的运动轨迹、直径变化情况和在滚筒内停留的时间。

第2章计算流体动力学理论基础
随着计算机软件技术的提高与流体力学理论基础的发展，流体力学的数值模拟方法有了较大的提高，对流体力学问题采用数值计算的方法进行研究已经成为一种趋势，在很多领域获得了令人满意的计算结果。

解决计算流体力学一些问题的步骤，首先是根据工程实际中的问题建立合理的数学模型，根据数学模型的特点选择恰当的数值计算方法，然后提出合理的边界条件，最后编制计算机辅助程序将微分方程简化成代数方程进而对其求解。

根据数值模拟的结果对流动现象实行其再现和预测，对比多种方案分析研究各种工程措施的结果，对工程建设具有先进的指导作用。

本课题研究的温度场和流场的数值模拟是计算流体动力学、现代计算机科学、传热学等学科结合在一起综合发展的具体运用。

在空间的维数上，计算流体力学理论已经从简单的一维流动模拟向二维流动模拟，扩展到复杂的三维流动的模拟。

在模拟未知量个数上来说，计算流体力学理论已经从单相流体运动模拟向多相流动模拟演变，从单一的流体运动模拟向带有传热、传质模拟的方向发展。

本章将对课题中所用到的相关知识做基本介绍。

2.1计算流体动力学
2.1.1计算流体动力学概述
计算流体动力学的简写是CFD（Computational Fluid Dynamics），它可以定义为一个系统，该系统是使用计算机来进行相关的数值计算与图像显示，分析其中的流体流动和热传导等一系列物理现象的。

CFD模拟流动和传热现象时是将空间域内连续的物理量的场，如速度场或压力场，采用一些数量有限离散点上对应的变量值的集合来替代；然后，建立一些与离散点上场变量之间存在对应关系的代数方程组，求解所有代数方程组进而获得场变量的近似值。

这即为CFD处理问题的基本思想[25]。

CFD可以看作是在流动基本方程（质量守恒方程、能量守恒方程、动量守恒方程）的作用下对流体的数值模拟。

通过这种数值模拟方法，得出复杂问题的基本物理量（如速度、温度、压力、浓度等）随时间改变的情况，以及这些物理量在流场内不同的分布位置，可以确定空化特性、漩涡分布特性、及脱流区等[26]。

进而还可以算出相关的其他物理量，如水力损失和效率、旋转式流体机械的转矩等。

此外，CFD与CAD联合，还能够进行结构优化设计等。

CFD 的优点是适应性强和应用面广。

因为流动问题的自变量多，控制方程大多是非线性的，计算域的边界条件和几何形状较为复杂，求解相对困难，要想获得满足工程需要的数值解，只有用CFD 方法；并且，计算机还能进行各种数值试验。

另外，CFD 方法避免了实验模型和物理模型的限制，有较多的灵活性，省时省钱，能给出完整和详细的资料，很容易模拟高温、特殊尺寸、易燃、有毒等真实条件或实验中只能近似而无法完全达到的理想状态[27]。

传统的理论分析方法、CFD 方法和实验测量方法共同构成了流体流动问题的研究体系。

CFD 数值计算和实验观测、理论分析三者是相互联系、相互依赖、相互促进的关系，所以不能完全被替代，三者各自有其适用场合。

在实际生产实践中，三者的应用要有机的结合起来。

2.1.2 流体力学基本概念
（1）压强
压强在流体静力学（处在平衡状态的流体）中可以做如下描述：浸没在流体中的物体，作用在其表面单位面积上的正应力（法向压缩力）。

在国际单位制中，压强的单位定义为Pascal （帕斯卡），记作Pa （帕）；有的时候也可以写成N/m 2。

FLUENT 软件中定义一个大气压值是1.01325×105Pa ，压强和参考压强（通常被设为大气压强）之间的差值定义成表压（Gauge Pressure ）。

（2）粘性
粘性度量运动着的流体对剪切反抗的能力。

处于静止中的流体不会承受剪应力，但一旦流体运动时，它抵抗着相邻的两层流体间的相对运动，这种抵抗作用所产生的应力称为粘性应力。

从而，流体的这种抵抗变形的性质称之为粘性。

dy du μτ= (2.1)
式中τ代表剪应力，单位是Pa ；du/dy 代表流体的剪切变形速率；μ是流体的粘性系数或动力粘性系数，单位是/kg m s ⋅()。

粘性系数与密度的比值称为运动粘性系数，把它记作ν。

（3）密度
单位体积内含有物质的多少即为流体的密度。

密度同粘性一样，它也是流体固有的物理属性。

假设在连续介质前提下，流体中某一点的密度可以用下面的公式表示 0lim v M V
ρ→∆=∆ (2.2) 这里，ρ是流体的密度，单位为kg/m 3；M ∆是该流体微团中含有流体物质的质量；。