劉曉雯

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煙花微丸自動化低溫烘干系統(tǒng)設(shè)計與研究

劉曉雯

（唐山學院機電工程系，河北 唐山，063000）

為研發(fā)一種煙花微丸用遠紅外與熱風聯(lián)合低溫烘干裝置，基于熱損耗理論，通過計算烘干箱安裝功率，設(shè)計出滿足烘干要求的兩塊遠紅外電熱板。利用ANSYS軟件對烘干箱內(nèi)各點的溫度分布情況進行分析，驗證了烘干箱內(nèi)溫度分布的均勻性。研究結(jié)果使煙花生產(chǎn)線的自動化烘干卸料環(huán)節(jié)得以實現(xiàn)。

煙花微丸；聯(lián)合烘干；低溫；熱損耗；溫度分布

目前我國煙花所用藥粒的烘干大多采用自然晾曬的方式[1]，這種方式烘干效率低，無法連續(xù)化生產(chǎn)。也有采用熱風烘干的方式，該方式能量消耗大且利用率低、烘干時間長、濕度不均勻，烘干時的粉塵造成了一定程度的環(huán)境污染[2]。本文提出一種新型自動化低溫烘干系統(tǒng)，不僅可實現(xiàn)快速干燥，且不會破壞煙花藥粒內(nèi)部屬性，具有低溫烘干、快速烘干、熱能利用率高且無環(huán)境污染的優(yōu)點。

1 總體方案設(shè)計及原理

烘干系統(tǒng)是由料倉、烘干箱（3個）、傳輸帶組成。總體方案如圖1所示。

圖1 總體方案

其工作過程為：上一工序中碼垛完成的料倉由傳輸帶輸送至第1個烘干箱，其前后板將烘干箱密封，起到一個“門”的封閉作用，達到設(shè)定烘干時間，傳輸帶動作，分別由第2及第3個烘干箱烘干。每個烘干箱右側(cè)均安裝有限位裝置，通過氣缸動作使擋板下降至料倉中部實現(xiàn)限位。烘干完成后，由卸料機械手實現(xiàn)自動卸料，進入碼垛系統(tǒng)。

本設(shè)計采用遠紅外與熱風聯(lián)合烘干方式。由分別安裝在烘干箱兩壁上的兩塊遠紅外電熱板提供熱量，通過熱輻射達到烘干物料的目的，同時由軸流風機提供一定的風量，進風管和出風管通過軸流風機作用形成循環(huán)通風系統(tǒng)，從而使托盤中的藥粒均勻受熱。集塵器安裝在中間烘干箱的側(cè)面，與進風管和出風管連接，用來收集烘干過程中產(chǎn)生的粉塵，以免粉塵散落產(chǎn)生安全問題。

考慮到將藥粒直接置于最佳烘干溫度下，其表面溫度與內(nèi)部溫度相差太大，反而會減少物料內(nèi)部水分的蒸發(fā)[3]，影響烘干效果。故采用分段烘干法：3個烘干箱（從左到右）設(shè)定溫度分別為45℃、60℃和45℃，溫度由低到高再到低。實驗證明，分段烘干可使藥粒表面形成一定的濕度和溫度差，從而水分持續(xù)不斷地蒸發(fā)出來，烘干效果更好。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及關(guān)鍵

烘干箱機組由3個烘干箱、BT35 型防爆軸流風機、百葉窗型集塵器、限位裝置組成。其中，烘干箱箱體外層材料為鋼板，內(nèi)層材料為硅酸鋁隔熱板，可減少熱量散失。3個箱體兩側(cè)面內(nèi)部均安裝有遠紅外電熱板，電熱板由擋風板與物料隔開。軸流風機安裝在箱體頂端，集塵器安裝在中間烘干箱外側(cè)面上。限位裝置由安裝在烘干箱出口一側(cè)的氣缸和擋板組成。由氣缸推動擋板下降至貨架中部實現(xiàn)限位。

工作時，軸流風機運轉(zhuǎn)，風在烘干箱上部由兩側(cè)向下運動，兩側(cè)的擋風板開有等距風孔，電熱板產(chǎn)生的熱量由風孔進入烘干箱，然后空氣向上流動，經(jīng)過出風管形成封閉的通風循環(huán)，聯(lián)合烘干方式可使物料的烘干更加均勻。烘干箱機組具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，烘干箱工作示意圖如圖3所示。

圖2 烘干箱機組結(jié)構(gòu)圖

圖3 烘干箱工作示意圖

Fig.3 Working sketch of drying oven

設(shè)計關(guān)鍵點包括：（1）烘干過程采用PID溫度控制系統(tǒng)，可通過調(diào)節(jié)遠紅外電熱板功率，自由設(shè)定溫度，還可實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)功能。（2）系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有報警裝置。烘干箱上安裝有急停開關(guān)，當出現(xiàn)緊急情況時按下開關(guān)，保證工作過程中的安全。（3）電機均選用防爆電機，所有的電線應(yīng)密封好，防止接觸藥粉和細小顆粒。

3 烘干箱安裝功率計算

烘干箱總熱損耗Q由烘干箱外壁散失的熱損耗量Q1、加熱貨物（微丸、托盤及貨架）熱損耗量Q2及開門過程和縫隙熱損耗量Q3組成。

Q1=3ΣAK（2-1）= 3× [5.328×0.71×(60 -25)]

=397.2 k J/h （1）

式（1）中：A為烘干箱第個外壁的表面積，m2；K為第個外壁的傳熱系數(shù)，W/ (m2·K)；1為車間溫度，°C；2為烘干箱的工作溫度，°C。

Q2=(11+22+33+44)(2-1)=2 472.25 kJ/h （2）

式（2）中：1、1、2、2、3、3和4、4分別為藥粒、托盤、貨架鋼板和貨架硅酸鋁纖維隔熱板的質(zhì)量和比熱容，單位分別為kg和kJ/ (kg·K)；

Q3= 0.15Q1=60 kJ /h （3）

故總熱損耗量Q=Q1+Q2+Q3=2 929.45kJ/h

每個烘干箱所需安裝功率：

=Q/3×3 600=301.4W （4）

式（4）中：為輻射器轉(zhuǎn)換效率，取0.9。根據(jù)電熱膜的標準參數(shù)，選用兩塊電熱膜，其長寬均為：500mm×1 250mm；總面積為1.25m2，總功率為 350W；從而設(shè)計出烘干箱內(nèi)左右兩塊電熱板的尺寸均為：560 mm×1 310 mm×40mm；間距為 800mm。由于電熱板功率可調(diào)，因此完全能夠滿足烘干煙花微丸的需要。

4 烘干箱熱力學有限元分析

烘干箱中溫度傳遞方式為熱輻射，由于熱輻射引起的熱流與物體表面絕對溫度的4次方成正比[4]，因此熱輻射分析屬于高度非線性。烘干箱內(nèi)的流體為層流，熱能流動、系統(tǒng)的溫度和熱載荷均不隨時間的變化而變化，滿足熱力學第一定律[5]，故該溫度場的分析屬于穩(wěn)態(tài)的流體分析。采用ANSYS軟件中的CFD模塊進行穩(wěn)態(tài)熱輻射的有限元分析，單元選用FLUID141。（1）定義單元類型：單元選用二維單元2D FLOTRAN 141。（2）建立截面模型：選擇中間烘干箱為分析對象，溫度為60℃即華氏140K，各面熱輻射率為0.98，烘干箱的二維截面模型如圖4所示。

圖4 烘干箱截面模型

（3）設(shè)定網(wǎng)格密度，劃分網(wǎng)格。采用手動劃分全局網(wǎng)格，網(wǎng)格密度為20；以3~4個邊為單位，使用映射網(wǎng)格劃分。（4）載荷及邊界條件施加速度邊界約束條件：約束施加在實體中坐標=0，=0的節(jié)點上。施加溫度邊界約束條件：在實體中線上的節(jié)點處施加溫度邊界約束，左、右邊界坐標的約束范圍分別為0，1.45，0.96和1.45。在節(jié)點上定義左、右邊界的溫度均為140K。左、右溫度邊界條件如圖5所示。

圖5 溫度邊界條件

（5）設(shè)置FLOTRAN求解選項。設(shè)置總體迭代200次，結(jié)果文件覆蓋頻率為50。（6）定義流體的材料屬性并施加流體重力。流體密度、粘性、導熱系數(shù)和比熱均為國際單位制，流體密度特性可變；流體重力9.8。（7）求解。當殘差收斂曲線完全收斂時，計算完成。

流線分布云圖、熱流密度分布云圖和溫度場布云圖如圖6所示。由圖6（a）可得：在軸流風機作用下，中間烘干箱截面以右側(cè)熱源為中心，呈輻射狀態(tài)線性降低；由圖6（b）~（c）可得烘干箱內(nèi)溫度為140K，且分布均勻。

圖6 分布云圖

5 結(jié)論

（1）本文設(shè)計了一種新型的用于煙花微丸的自動化低溫聯(lián)合烘干系統(tǒng)，不僅可實現(xiàn)快速干燥，且不會破壞微丸藥粒的內(nèi)部屬性，具有低溫烘干、快速烘干、熱能利用率高且無環(huán)境污染的優(yōu)點，研究結(jié)果能滿足目前煙花微丸自動化連續(xù)生產(chǎn)的需要。（2）烘干箱內(nèi)選用2塊額定功率為 350 W的遠紅外電熱板，高于微丸在烘干中所需要的功率301.4W，滿足了煙花微丸烘干過程的需要。（3）大部分熱風在箱內(nèi)循環(huán)，熱效率高，節(jié)省能源，無環(huán)境污染。（4）對烘干箱內(nèi)溫度場進行分析，驗證了烘干箱內(nèi)溫度分布的均勻性。

[1] 茅慧蓮.關(guān)于低溫循環(huán)烘干機風機排放粉塵的處理方式的探討[J]. 糧食與食品工業(yè),2017(03):17-19

[2] 汪澤. 烘干機烘干效果不佳的原因及解決方法[J]. 農(nóng)業(yè)裝備技術(shù),2018(4):11-12.

[3] 周建中.真空干燥機控制技術(shù)研究[J]. 蘇州市職業(yè)大學學報,2009(3):26-28.

[4] Sakai N, Hanzawa T. Application and advances in far infrared heating in Japan [J] . Trends in Food Science and Technology, 1994, 5 (11) : 357-362.

[5] 李建軍.遠紅外干燥技術(shù)及應(yīng)用前景研究[J].赤峰學院學報(自然科版), 2013(6):58-59.

Design and Research of Automatic Low Temperature Drying System for Fireworks Pellets

LIU Xiao-wen

( Department of Electromechanical Engineering，Tangshan College，Tangshan，063000)

To develop low temperature drying device with combination of far-infrared and hot air for fireworks pellet, based on the theory of thermal losses, two far-infrared electric heating boards meeting the drying requirements were designed, by calculating the installation power of the oven. The temperature distribution of each point in the oven was analyzed using ANSYS software, and the uniformity of temperature distribution in the oven was verified. The automatic drying and unloading part of the fireworks production line was realized by using the research results.

Fireworks pellet；Combined drying；Low temperature；Thermal losses；Temperature distribution

1003-1480（2019）01-0058-03

TJ450.5

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.01.015

2018-12-12

劉曉雯（1983 -），女，副教授，主要從事特種機械技術(shù)研究。