旋转导向管新型喷动床空气动力学特性研究

单元操作创新研究示例单元操作的创新研究涉及范围广泛。

课程负责人刘伟民2002年后在去过加拿大高访的徐圣言教授的指导和带领下，开展了喷动床技术的研究，开拓了江苏大学的一个研究方向。

喷动床技术属于流化床技术的一个分支，要在这个领域取得一些新的研究成果，需要发挥创造性思维。

刘伟民和徐圣言教授一道，先后利用喷动床进行了低温热解废橡胶粒子的化工流程开发、粮食干燥、生物质热解试验等研究，发表相关的研究论文10篇，获得发明专利1个，实用新型专利5个，新申报发明专利2个。

特别是采用创造技法，将导向管喷动床推陈出新为旋转导向管喷动床，得到了研究和发明的起点。

这种食品工程原理教学、单元操作研究和创造学教学和思维及方法应用于科研中相结合的尝试，推动了江苏大学食品工程原理课程的发展，达到新的高度。

以下是有关的部分证书和论文展示。

（发表在农业机械学报，上2005年第10期，EI收录，）旋转导向管新型喷动床空气动力学特性研究刘伟民，糜茂俊，李小果，徐圣言(江苏大学生物与环境工程学院，镇江，212013)摘要：为放大常规喷动床，提出了“旋转导向管喷动床”新概念，设计并安装了两种旋转导向管喷动床。

以小麦为原料，测定了旋转导向管新型喷动床的空气动力学特性，包括不同导向管在相同导喷距下风速与床层压降关系、导喷距对风速与床层压降关系的影响和旋转导向管喷动床的循环量等性能。

研究结果表明：采用旋转导向管后物料可洒布在整个床层截面上，因此可放大喷动床的直径；在喷动发生后，旋转导向管新型喷动床的床层压降与普通导向管喷动床的床层压降差异较小；导喷距影响最大床层压降，采用调节导向管安装高度的方法，可不考虑最大喷动压强，而根据正常喷动时的压降选用风机。

关键词：喷动床，旋转导向管，空气动力学，放大中图分类号：TQ016 文献标识码：AStudies on the Aerodynamics of a Novel Spouted Bed with Rotating Draft TubeLiu Weimin，Mi Maojun，Li Xiaoguo，Xu Shengyan（School of Biological and Environmental Engineering ,Jiangsu University，Zhenjiang，212013，China）Abstract: To scale up conventional spouted bed, authors put forward a new concept of “spouted bed with rotating tube(RDTSB)” and designed two kinds of such spouted bed. The aerodynamics of the novel spouted bed was determined with wheat. The characteristics include the relationship between gas velocity and pressure drop as draft tube-spouted jet(DTSJ) distance is same; the effect of the distance on the relationship between gas velocity and pressure drop and on the circulation quantity of wheat. The results show that: (1) Wheat can be spread on the whole bed surface with rotating draft tube so that the diameter of draft tube and bed can be magnified, (2) the DTSJ distance effect obviously only on the maximum bed pressure drop at the start moment of spouting; (3) the difference of bed pressure drop is small for different draft tube spouted bed when spouting is stable, thus (4) the fan can be choose according to the bed pressure drop at the state of stable spouting if a device to adjust the DTSJ distance is used.Key words: Spouted bed; Rotating draft tube; Aerodynamics; Scaling up1 引言喷动床的研究1950左右始于加拿大[1,4]。

喷动床的基本操作原理是：床身由圆柱筒体和圆锥底构成，圆锥底部有一喷管，气流高速通过喷管，吹起物料，物料在表面中心区域呈喷泉状喷出，再落下。

喷动区类似于顺流稀相流化床，环形区类似于逆流密相移动床。

喷动床有许多不同结构形式，已被试验用于粘性强或粗块状颗粒的表面涂层、涂料和悬浮液及溶液的干燥[2～5]、粉碎、造粒、煤燃烧和气化、铁矿石还原、焦炭活化、石油热裂解等操作过程中。

在农业工程领域，喷动床可作为粮食干燥器使用，主要具有如下特点：（1）粮食有循环运动，粮温均匀性好；（2）粮食在喷动床内的绝大部分时间处于环形区内。

可将环形区设计成缓苏区；（3）粮食在喷动区内与热空气接触仅几秒钟，有利于粮食这类热敏性物料干燥，干燥时热空气可采用较高的温度；（4）结构简单，无提升斗之类的运动部件，可望降低粮食干燥机的成本。

喷动床由于结构原理的限制，不能简单按比例放大，至今在生产上未能用于大型粮食干燥机。

导向管喷动床的导管在放大时，喷泉不能洒布到整个床层截面，回落到导向管中物料的比例变大。

国内外提出了一些新型结构试图解决这一问题[6～9]。

Mujumdar提出的旋转喷口喷动床是目前的研究热点，在喷动床的放大上有进展，但存在的局限也很明显：旋转喷口喷动床虽然能在直径较大的设备中实现喷动，但物料层的高度受到限制。

固定导向管喷动床物料的高度可以有较大幅度提高，但喷泉区面积有限，限制了喷动床的直径。

作者在深入研究喷动床[10～16]的基础上，已经获批两项国家专利。

现又对喷动床存在的问题反复开展创造活动，提出了“旋转导向管喷动床”新概念并已经申报国家专利。

旋转导向管出口的结构与传统的导向管不同，它具有类“T”形结构，在“T”形横梁上可以分布数个喷口，随着导向管的转动，喷泉洒落区将得到最大程度扩展。

该新型喷动床将有较高的物料层高度和较大的直径，可以克服传统喷动床的缺点。

对其空气动力学性能的研究，将有助于深入了解和推广使用该新型喷动床。

2 试验流程、设备参数和试验方法2.1 试验流程试验流程如图1所示。

空气由风机引入，经毕托管测定流量，从喷动床的底部喷管喷进床内，将床内事先加入的试验物料小麦吹起，由旋转导向管的喷口喷出，物料随旋转的导向管洒落在床层截面上。

床层物料的压降由压差计测量。

空气流量可由阀门调节。

2.2 设备参数导向管内径为40mm，喷动床柱体直径为1000mm，柱体高度为1000mm，锥形底角度为70o，锥形底喷口直径为40mm，机械驱动时导向管横梁的转速为16r/min。

空气反冲驱动时导向管横梁的转速由空气流量决定。

导向管与喷动床喷口间距（简称导喷距）可调，分别为40mm、50mm和60mm。

喷动床内装入约125kg的小麦。

2.3 试验方法（1）在普通导向管喷动床上（将旋转横梁拆除），在不同的导喷距下，调节进风量，测量进口风速、床层压降和物料循环量，以供对比。

（2）在机械驱动旋转导向管喷动床上，启动电机使导向管旋转，在不同的导喷距下，调节进风量，测量进口风速、床层压降和物料循环量，观察物料洒布情况。

（3）在自行驱动旋转导向管喷动床上，重复上述（2）的试验。

（4）分别在三种导向管喷动床上，在风量达到正常喷动的风速以上时，从零开始缓慢增加导喷距（调节导向管支撑架），使得物料能始终形成稳定的喷动，测量床层压降、风速和物料循环量。

3试验结果与分析3.1不同导向管在相同导喷距下风速与床层压降关系图2是相同导喷距下三种导向管喷动床在风速增加以及风速减小时的床层压降变化曲线图。

图1 机械驱动旋转导向管喷动床试验装置1—风机，2—毕托管，3—测压点，4—导向管支撑架5—导向管，6—电机及减速装置，7—卸料口图2 45mm导喷距空气速度—床层压降以自行驱动旋转导向管的曲线为例，由图2可以看出随着风速的增大，床层压降逐渐增加，风速与床层压降近似为直线关系，表现出固定床的性质。

到达A点时床层压降达到最大值。

再增加风速，空气吹开喷口上方的小麦，床层压降从A点下降到B点。

试验中，达到B 点风速后，喷动不稳定。

当气速稍大于B点气速后，喷动才稳定。

以后若继续增加风速，床层压降慢慢上升，因为带导向管时阻力随空气流速的增加而增加。

当气速由大至小调节时，床层压降也逐渐降低，到达I点时喷动不稳定，再稍降低风速，喷动停止。

I点的气速为最小喷动速度。

压降曲线沿I0线变化。

此线与0A线不重合，即喷动过程是不可逆的。

因为小麦原填充状态和喷动后回落的疏松状态是不一样的，阻力也不同。

比较三种导向管的曲线，可以发现，普通导向管、自行驱动旋转导向管和机械驱动旋转导向管喷动特性的最大区别就在于：在喷动初期，床层压降数值不同，其中，自行驱动旋转的压降线位置最高，机械驱动旋转的次之，普通导向管的最低。

主要原因是旋转喷头增加了喷动初期的阻力。

喷动稳定后，这种阻力作用的差异就不明显。

在图2中，C点以后，这三条曲线近似重合，I点所示的最小喷动速度差异也很小。

由床层压降曲线可以看出，如果能够设法降低起喷压强，风机的风压就可以降下来，对风机的选型十分有利。

经过试验，可以采用调节导向管安装高度即调节导喷距的方法来降低起喷的高压。

试验中，观察到旋转导向管喷动床小麦洒布在所希望的床层截面上。

传统喷动床喷泉截面受限制的缺点被克服。

3.2 导喷距对风速与床层压降关系的影响导喷距对床层压降有较大的影响。

图3和图4给出了机械驱动和空气反冲驱动旋转导向管时不同导喷距下风速和床层压降的关系。

相同导向管的喷动床在导喷距增加时，初始床层压降急剧增加。

自行驱动旋转导向管的喷动床的最大床层压降在任一导喷距下，都比相应的机械驱动旋转导向管喷动床的要大。

正常喷动后，这两种导向管在各导喷距下压降差异很小。