尹鳳交，杜 濱，趙改菊，王壽權(quán)，柴本銀，吳 靜

(1.山東天力能源股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.山東省科學(xué)院能源研究所，山東 濟(jì)南 250013；3.華能山東石島灣核電有限公司，山東 榮成 264300)

在工業(yè)生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)是一種常見的干燥設(shè)備，其主要由回轉(zhuǎn)圓筒和內(nèi)部抄板構(gòu)成，結(jié)構(gòu)比較簡單[1]。轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)內(nèi)物料的干燥過程是物料在轉(zhuǎn)筒內(nèi)撒落與熱風(fēng)接觸，物料吸收熱量水分蒸發(fā)使得物料脫水干燥[2]。抄板一般被用來強(qiáng)化物料與熱氣流的熱交換，因此通過正確選擇抄板的形式結(jié)構(gòu)可以提高轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)熱效率[3-4]。與實(shí)驗(yàn)研究相比，計(jì)算機(jī)模擬抄板撒料過程更加方便、直觀，故計(jì)算機(jī)模擬常常用來改造和優(yōu)化抄板的結(jié)構(gòu)[5]。

筆者建立了轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)轉(zhuǎn)動過程中抄板的持料量和撒料模型，并通過MATLAB編程考察了抄板安裝角和抄板類型對抄板傾盡角和撒料均勻度的影響，進(jìn)而對抄板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，為轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)抄板的設(shè)計(jì)提供參考。

1 抄板持料量和撒料模型的建立

圖1 轉(zhuǎn)筒截面坐標(biāo)圖

針對抄板的持料量和撒料模型，國內(nèi)外專家學(xué)者做了非常多的研究工作，也提出了眾多算法[6-8]，各種算法的區(qū)別主要是抄板上物料截面積的計(jì)算。持料量可以用截面積、抄板長度及物料密度的乘積表示，撒料過程則可看作是轉(zhuǎn)動過程中物料截面積的減小[1-4]。如圖1所示，抄板上物料的截面積是抄板位置、抄板幾何尺寸、轉(zhuǎn)筒負(fù)荷和物料動態(tài)休止角的函數(shù)[9]。

假設(shè)物料為自由流動的顆粒，則轉(zhuǎn)動過程中抄板上的物料自由表面與水平線的夾角一直為動態(tài)休止角，Glikin和Schofield推導(dǎo)出的動態(tài)休止角的計(jì)算公式[9]如下所示：

其中：φ-物料的動態(tài)休止角，rad；μ-動態(tài)摩擦系數(shù)；R3-抄板末端與圓心之間的距離，m；g-重力加速度，m/s2；ω-轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動角速度，rad/s；θ-抄板轉(zhuǎn)角，rad；α3-θ=0°抄板端點(diǎn)的水平夾角，rad。

抄板的幾何尺寸是在設(shè)計(jì)中設(shè)定的，抄板的截面輪廓可用分段的直線和曲線方程來表示。舉例：直角抄板按圖中坐標(biāo)隨著轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的轉(zhuǎn)動，1點(diǎn)、2點(diǎn)、3點(diǎn)及4點(diǎn)的坐標(biāo)可以用R、θ、α3的函數(shù)表示，可以得出隨著轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動，抄板的持料量可用下面公式表示：

其中：ρb-物料的堆積密度，kg/m3；L-抄板的長度m；R-轉(zhuǎn)筒的半徑，m；R2-2點(diǎn)與轉(zhuǎn)筒圓心的距離，m；α2-θ=0°時2點(diǎn)的水平夾角，rad。

2 模型中各參數(shù)的確定

2.1 休止角

運(yùn)動休止角雖然是抄板模型中的重要參數(shù)但是很難測量，當(dāng)顆粒運(yùn)動速度不高時可用靜態(tài)休止角代替。注入法和排出法是測定靜態(tài)休止角的兩種方法。本文采用注入法測量了直徑10mm的污泥顆粒在含水率為75%時的休止角為70°。

2.2 抄板類型和尺寸

表1 模型中所涉及的抄板類型和尺寸

為了簡化計(jì)算過程，本文模型中選取轉(zhuǎn)筒半徑為1m。

3 結(jié)果及分析

3.1 安裝角對傾盡角的影響

抄板傾盡角是指當(dāng)抄板上物料傾倒完畢時，抄板所轉(zhuǎn)過的角度，抄板轉(zhuǎn)過的角度越大，物料在整個上半周面上的撒料越均勻。本文選擇一段型抄板(抄板1)帶入模型進(jìn)行研究，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 一段式抄板不同安裝角時傾料曲線

由圖2可知，隨著安裝角的增大一段式抄板抄板傾盡角增大，但當(dāng)安裝角增大為120°時，傾盡角也僅為100°，在整個上半周面上還是不能均勻撒料。

3.2 抄板類型對傾盡角的影響

由圖3可以看出，三種類型抄板的傾盡角：圓弧抄板>折彎抄板>一段型。在不改變抄板安裝角的情況下，可改變抄板末端的結(jié)構(gòu)來改變傾盡角的大小。比較抄板轉(zhuǎn)角為零時抄板末段與轉(zhuǎn)筒壁面的夾角可以發(fā)現(xiàn)，抄板轉(zhuǎn)角越大傾盡角越大。在設(shè)計(jì)抄板結(jié)構(gòu)時，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該在保證撒料均勻的同時，使抄板末端與轉(zhuǎn)筒壁面夾角盡量大于180°。

圖3 90°安裝角時不同抄板類型的傾料曲線

3.3 不同抄板類型對撒料均勻度的影響

圖4 不同類型抄板的撒料均勻度比較

圖5 不同尺寸折彎抄板撒料均勻度比較

為使物料充分與熱氣流接觸，按照撒料的合理性，撒料量應(yīng)與所在位置的落料高度成正比[10-12]。物料在轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的上半圓周拋灑下來，落料高度在90°時最大，在0°和180°時最小。圖4和圖5為不同類型和尺寸的抄板撒料均勻度比較圖。

由圖4可以看出，一段型抄板的撒料均勻性最差，圓弧型抄板撒料也不合理。相比之下，折彎型抄板的撒料規(guī)律相對較好，兩端撒料量較少，中間段撒料量較多，初始階段撒料量也很大。于是進(jìn)一步考察了不同尺寸折彎抄板的撒料規(guī)律，如圖5所示。隨著末段尺寸的增大，抄板的初始撒料量逐漸減小，終了撒料量逐漸增多，中間撒料量峰值向后推移，只改變抄板末端尺寸不能達(dá)到合理撒料的目的。

4 抄板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過模型研究可以發(fā)現(xiàn)：抄板在各處的撒料量與抄板上持料截面的物料自由表面長度有密切的關(guān)系，當(dāng)物料自由表面長度與該位置的落料路程成正比時，撒料量最合理，而物料的自由表面長度完全可以通過設(shè)計(jì)抄板結(jié)構(gòu)來控制。

設(shè)抄板轉(zhuǎn)過的角度為θ，此時物料的自由表面長度為l(θ)，落料高度為h(θ)，抄板末端在θ=0°時的坐標(biāo)為(re，0)，轉(zhuǎn)筒的半徑為R，則由在轉(zhuǎn)動過程中抄板末端e點(diǎn)的坐標(biāo)可得，

(3)

假設(shè)物料自由表面長度與落料高度成正比，比例系數(shù)為 ，即

h(θ)=k·l(θ)

(4)

物料自由表面在橫截面的交線由抄板輪廓和轉(zhuǎn)筒壁面圍成，通過改變抄板的輪廓，可以使物料的自由表面與其相交的交線長度和落料高度成正比。通過選取恰當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)即可得到抄板的輪廓曲線，假定抄板不動，物料的自由表面相對轉(zhuǎn)動。設(shè)物料的休止角為φ，抄板的輪廓坐標(biāo)為(xc，yc)，則(xc，yc)可以通過下面方程組求出：

通過聯(lián)立(4)、(5)、(6)，選取恰當(dāng)?shù)?值即可得到抄板的輪廓曲線。將轉(zhuǎn)筒半徑為1 m，物料休止角為70°，抄板末端坐標(biāo)為(0.2，0)，帶入到模型中，可得當(dāng)k=8.7時，抄板輪廓線與轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁相交，此時抄板的輪廓曲線如圖6所示。

圖6 抄板的輪廓曲線

圖7 改進(jìn)后的抄板結(jié)構(gòu)

由此得到的抄板輪廓與王文周[12]提到的三弧抄板極為相似，新型抄板的撒料很均勻，但當(dāng)抄板位于轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)筒底抄料的時候，入口就顯得過于狹窄不方便物料的進(jìn)出，所以這種抄板需要在入口處加以改進(jìn)。將抄板與筒壁接觸點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，抄板的下部與壁面固定連接，抄板上部與內(nèi)壁是鉸鏈連接如圖7所示。抄板向轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)底部運(yùn)動時，鉸鏈連接部分會因?yàn)橹亓Φ淖饔孟蛳聫堥_，保證物料的抄起，解決了入口處進(jìn)出料難的問題。

5 小結(jié)

(1)建立了轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動過程中抄板的持料量和撒料模型，采用抄板持料截面積來表示持料量，截面積的變化量來表示撒料量。

(2)傾盡角主要受到抄板末段結(jié)構(gòu)的影響，抄板轉(zhuǎn)角為零時抄板末段與轉(zhuǎn)筒壁面的夾角越大，傾盡角越大；在撒料均勻度方面，圓弧型優(yōu)于折彎型,折彎型優(yōu)于一段型，不能達(dá)到撒料量與落料空間成正比的合理撒料狀態(tài)。

(3)物料自由表面長度與該位置的落料路程成正比時，撒料量最合理，物料的自由表面長度可以通過設(shè)計(jì)抄板結(jié)構(gòu)來控制，以此指導(dǎo)編程實(shí)現(xiàn)了對抄板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。