運動散料熱質(zhì)交換特性的實驗研究及三維數(shù)值模擬.pdf

1、散料種類繁多、形狀各異，廣泛存在于自然界與工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，如化工、煤礦、環(huán)保、能源、醫(yī)藥、食品、輕工等。潮濕散料的干燥工藝是生產(chǎn)流程中一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，直接決定產(chǎn)品的輸出品質(zhì)。散料的干燥過程不僅與氣固兩相間的傳熱傳質(zhì)有關(guān)，往往還涉及到氣固兩相流動，其復(fù)雜性大大增加了散料熱質(zhì)交換特性研究的難度。目前國內(nèi)外對于運動散料的熱質(zhì)交換特性還知之甚少，尤其是在研究大顆粒量的散料方面。已有的實驗研究通常受到場地和測量手段的限制，很難獲取散料在干燥過程

2、中的傳熱傳質(zhì)信息;而大部分數(shù)值模擬研究則從微觀角度著手，以單一或少量顆粒為研究對象。為解決以上問題，本文基于實驗和數(shù)值模擬手段，從數(shù)學(xué)建模、中試實驗、工業(yè)級大型實驗系統(tǒng)三個層面，對大量運動散料的熱質(zhì)交換特性進行了系統(tǒng)的研究。
　　通過對絲狀散料干燥過程的分析，提煉出絲狀散料運動與熱質(zhì)交換的數(shù)學(xué)模型。為解決大顆粒量的計算問題，創(chuàng)造性地提出了“虛擬顆粒團”的概念。采用離散單元法跟蹤每個“虛擬顆粒團”的運動軌跡，利用軟球模型處理“虛擬顆

3、粒團”之間的碰撞問題。借鑒傳熱學(xué)和傳質(zhì)學(xué)的相關(guān)理論，對運動散料傳熱和傳質(zhì)過程進行數(shù)學(xué)建模。以散料在滾筒干燥器內(nèi)的動態(tài)干燥過程為研究背景，利用所建立的散體顆粒運動與傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型對運動散料的干燥過程進行了模擬。通過顆粒運動模型計算出散料在滾筒內(nèi)的平均停留時間，將這一參數(shù)導(dǎo)入顆粒熱質(zhì)交換數(shù)學(xué)模型中，總結(jié)出散料在干燥過程中溫度和含水率的變化規(guī)律。
　　基于絲狀散料運動的數(shù)學(xué)模型，建立了散料在中試滾筒內(nèi)運動過程的數(shù)理模型，結(jié)合實驗結(jié)果作

4、了對比驗證。在數(shù)值模擬方面，研究了絲狀顆粒在不同條件下的運動特性規(guī)律，計算出絲狀顆粒在滾筒內(nèi)的平均停留時間和停留時間分布;其中，考察的因素包括:滾筒轉(zhuǎn)速、傾角和氣流速度和顆粒質(zhì)量流量。在實驗方面，構(gòu)建了中試?yán)鋺B(tài)滾筒實驗系統(tǒng)，得到了絲狀顆粒在上述模擬條件下的平均停留時間;采用顆粒示蹤方法，測量了絲狀顆粒在滾筒內(nèi)的停留時間分布?？偨Y(jié)實驗與數(shù)值模擬結(jié)果可發(fā)現(xiàn):對比數(shù)值模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)，二者一致性較好;在不同干燥條件下，絲狀顆粒的停留時間均呈

5、正態(tài)分布。
　　通過分析堆積散料靜態(tài)干燥的實驗結(jié)果可知:在整個干燥過程中，堆積體內(nèi)部散料的溫度和含水率分布非常不均勻、干燥效率極低;熱源溫度和氣流速度對散料的傳熱傳質(zhì)過程影響顯著。為解決散料靜態(tài)干燥中出現(xiàn)的諸多問題，基于運動散料熱質(zhì)交換數(shù)學(xué)模型，研究了運動散料的熱質(zhì)交換特性，結(jié)合實驗方法進一步驗證運動顆粒傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型的可行性。在數(shù)值模擬方面，建立了絲狀顆粒在中試滾筒內(nèi)傳熱傳質(zhì)過程的數(shù)理模型，計算并繪制了不同筒壁溫度、氣流溫度和

6、速度下顆粒的溫度和濕基含水率變化曲線，探討了干燥條件對運動散料熱質(zhì)交換特性的影響。在實驗方面，構(gòu)建了中試熱態(tài)滾筒實驗系統(tǒng)，測量了多種絲狀散料在不同干燥條件下的溫度和濕基含水率，實驗結(jié)果驗證了運動散料熱質(zhì)交換數(shù)學(xué)模型的合理性。基于數(shù)值模擬與實驗手段所得的結(jié)果，建立了顆粒溫度和含水率與干燥條件之間的聯(lián)系。
　　基于“虛擬顆粒團”運動與傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，在工業(yè)級大量散料傳熱傳質(zhì)方面，成功地進行了數(shù)值模擬計算。鑒于滾筒干燥器在工業(yè)干燥領(lǐng)域

7、的廣泛應(yīng)用背景，利用所建立的大量運動散料熱質(zhì)交換數(shù)學(xué)模型，模擬了散料顆粒在滾筒干燥器中的傳熱傳質(zhì)過程。同時通過實驗方法獲取了物料在滾筒干燥器出口處的溫度和濕基含水率，進一步驗證了大量運動散料熱質(zhì)交換數(shù)學(xué)模型在工業(yè)級滾筒顆粒干燥過程中的可行性。借鑒單因素分析方法，采用數(shù)值模擬手段研究了筒壁溫度、氣流參數(shù)、滾筒參數(shù)以及物料入口質(zhì)量流量對滾筒內(nèi)大量運動物料熱質(zhì)交換特性的影響，揭示了工業(yè)級大型滾筒中干燥條件與物料顆粒溫度和濕基含水率之間的變化規(guī)