馬春雨，陳 蕾，杜 樂，馬景陶，趙興宇，楊 雷，張龍剛，李小杰

(1.中核北方核燃料元件有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014035； 2.清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084； 3.西安慧金科技有限公司，陜西 西安 710061)

1 研究背景

開展中等規(guī)模生產(chǎn)UO2核芯干法關(guān)鍵設(shè)備研究，凝膠球的干燥要在現(xiàn)有單臺(tái)設(shè)備生產(chǎn)設(shè)計(jì)能力為4kgU/批的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)備和生產(chǎn)工藝進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，改變現(xiàn)有操作生產(chǎn)方式，提高單臺(tái)設(shè)備產(chǎn)能。

根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果，ADU凝膠球的干燥不同于普通物料，干燥速度過(guò)快及干燥不均勻會(huì)引起微球的開裂，直接導(dǎo)致核芯顆粒不合格。真空干燥可以在保障一定干燥速率的情況下，通過(guò)ADU凝膠球內(nèi)部的毛細(xì)孔道使微球內(nèi)外同時(shí)脫水，達(dá)到均勻干燥，從而得到無(wú)開裂的干燥凝膠球。而ADU凝膠球的干燥處理還需要考慮臨界安全問題，在有限的設(shè)備體積內(nèi)只能裝入臨界安全質(zhì)量以下的ADU凝膠球，這與優(yōu)化生產(chǎn)所需的處理量要求之間的矛盾是急需解決的問題。原有臺(tái)式的干燥設(shè)備，由于臨界安全要求的限制，有處理量的限制，如要滿足優(yōu)化生產(chǎn)的需求，需要大量的臺(tái)數(shù)，無(wú)法保證經(jīng)濟(jì)性能，還會(huì)帶來(lái)各臺(tái)設(shè)備之間的差異性和分散性。因此在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外設(shè)備的基礎(chǔ)上，針對(duì)目前干燥能力較大的真空干燥設(shè)備的腔體進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，滿足臨界安全要求，同時(shí)提高單臺(tái)設(shè)備產(chǎn)能。

ADU凝膠球干燥設(shè)備是一種能夠進(jìn)行間接或者連續(xù)完成干燥功能的爐型，該類型設(shè)備在冶金、食品等多個(gè)領(lǐng)域有過(guò)很多的應(yīng)用，但在凝膠球之類的干燥領(lǐng)域使用較少。由于安全及檢修方面的要求，該設(shè)備的設(shè)計(jì)和應(yīng)用尚有一些關(guān)鍵技術(shù)待解決。本文就從這些問題出發(fā)，在吸取國(guó)內(nèi)、外先進(jìn)的技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合這一領(lǐng)域設(shè)備的自身特點(diǎn)，展開分析和探討，同時(shí)提出相應(yīng)的對(duì)策。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本干燥設(shè)備主要用于經(jīng)陳化洗滌及預(yù)干燥后的含有約30%～40%水分的凝膠球，一定重量的濕凝膠球通過(guò)每個(gè)加熱爐管前端的上料裝置和傾翻裝置分別進(jìn)入6個(gè)爐管中進(jìn)行干燥處理。6個(gè)爐管可獨(dú)立工作，相互之間無(wú)干擾，在連續(xù)抽負(fù)壓和爐管連續(xù)旋轉(zhuǎn)的條件下，按照工藝制度進(jìn)行干燥，生產(chǎn)出含水量和表面質(zhì)量等符合要求的干燥球。

根據(jù)項(xiàng)目背景，確定干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)形式，干燥設(shè)備研究和設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：①上料裝置；②加熱爐體；③出料裝置；④旋轉(zhuǎn)裝置；⑤傾翻裝置；⑥真空系統(tǒng)；⑦底座。具體詳見圖1。

圖1 干燥裝置示意圖

通過(guò)項(xiàng)目背景、加熱工藝及物料的特殊性進(jìn)行分析，方案設(shè)計(jì)時(shí)有以下技術(shù)難點(diǎn)：

(1)多工位工作，交錯(cuò)作業(yè)，任意工位出現(xiàn)異常，其余工位設(shè)備不停產(chǎn)；

(2)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，可匹配工藝曲線；

(3)爐溫均勻性要求±5 ℃；

(4)設(shè)備維修方便可靠；

(5)確保物料進(jìn)料和出料順暢及密封性，設(shè)計(jì)進(jìn)出料方式及爐管結(jié)構(gòu)。

3 技術(shù)方案

對(duì)加熱工藝及物料的特殊性進(jìn)行分析，6工位采用相同的加熱爐，每個(gè)加熱爐都能夠按照工藝曲線進(jìn)行獨(dú)立生產(chǎn)運(yùn)行，互不干擾。每個(gè)加熱爐有單獨(dú)的進(jìn)、出料裝置及爐管旋轉(zhuǎn)裝置，每組爐子的真空管路上設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)球閥，可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)調(diào)節(jié)和關(guān)閉功能。設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)(見圖2)，每個(gè)加熱爐及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用相同的結(jié)構(gòu)。爐管采用滾筒式結(jié)構(gòu)(外圓內(nèi)八方)，物料在爐管內(nèi)部隨爐管旋轉(zhuǎn)不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，配合均勻布置在爐管圓周方向的紅外加熱器，可保證凝膠球的加熱均勻性。

圖2 干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)總圖

加熱爐由2個(gè)半圓柱的加熱爐體組合而成，加熱爐體的爐殼采用半圓柱形雙層中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部填充隔熱材料，爐體及紅外加熱器結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 爐體及紅外管結(jié)構(gòu)布置圖

3.1 加熱器

采用高新材料碳纖維為發(fā)熱體設(shè)計(jì)研制的加熱器具有加熱快、紅外輻射滲透性強(qiáng)、升溫快等優(yōu)越性。加熱元件采用多根一體化紅外加熱管結(jié)構(gòu)，從爐體兩端拆裝與固定。爐殼前后端均勻分布著相同的加熱器安裝孔，保證加熱爐體模塊化設(shè)計(jì)，6個(gè)加熱爐采用相同設(shè)計(jì)，當(dāng)加熱元件損壞時(shí)，可以快速更換加熱元件，同時(shí)保證最小的備件儲(chǔ)備量。

3.2 進(jìn)出料結(jié)構(gòu)

進(jìn)、出料接管采用316L不銹鋼制作而成。進(jìn)料接管采用四管結(jié)構(gòu)(見圖4)，最外層為主管，主管內(nèi)部共兩個(gè)小管，一個(gè)為進(jìn)料管，另外一個(gè)為抽真空管，排水管設(shè)置于主管底部。其中抽真空管道，其抽口朝上并伸入爐管內(nèi)接近進(jìn)料錐管處，在抽真空管道端頭設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)，防止吸入物料，并減少水蒸氣冷凝于進(jìn)料管前端，防止其回流至爐管物料區(qū)。通過(guò)爐管出料端設(shè)置帶有傾角的擋片，即可以實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)防止進(jìn)料速度過(guò)快沖出爐管，又可以實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)物料自動(dòng)出料且物料不逆流。排水管設(shè)置于主管底部用于收集殘余冷凝水，并設(shè)置收集倉(cāng)，通過(guò)手動(dòng)閥門定期排放冷凝水，防止冷凝水回流至爐管物料區(qū)。四管結(jié)構(gòu)上的主管通過(guò)動(dòng)密封與爐管相連。動(dòng)密封采用彈簧骨架的唇形密封圈，材質(zhì)采用硅橡膠。

圖4 四管結(jié)構(gòu)

在四管結(jié)構(gòu)的上方設(shè)置了物料過(guò)渡倉(cāng)，過(guò)渡倉(cāng)兩側(cè)采用電動(dòng)真空管夾閥，以便在工作時(shí)加熱腔體實(shí)現(xiàn)真空干燥狀態(tài)，便于排除物料內(nèi)的水分。出料管裝置與爐管也是通過(guò)動(dòng)密封連接，出料管裝置也設(shè)置相應(yīng)的電動(dòng)真空管夾閥，確保爐管加熱時(shí)呈真空狀態(tài)。

3.3 爐管結(jié)構(gòu)

整個(gè)爐管結(jié)構(gòu)由中部爐筒，過(guò)渡錐管、兩側(cè)進(jìn)出料小徑連接管組成。爐管中段采用耐熱鋼經(jīng)精密鑄造后精加工而成，進(jìn)出料端采用耐熱鋼管與錐管焊接而成，錐管采用耐熱鋼精加工而成，出料錐管內(nèi)部均布帶有傾角的擋片。工作時(shí)物料在爐管中部大直徑區(qū)域加熱。物料加熱期間，整個(gè)爐管通過(guò)旋轉(zhuǎn)裝置(減速電機(jī)通過(guò)鏈條驅(qū)動(dòng)爐管上的鏈輪)實(shí)現(xiàn)(0～15)r/min的旋轉(zhuǎn)。物料在爐筒內(nèi)可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的物料翻轉(zhuǎn)，保證物料加熱均勻。出料時(shí)只需通過(guò)傾角機(jī)構(gòu)將爐體調(diào)節(jié)適當(dāng)斜度并將爐管反向轉(zhuǎn)動(dòng)，就可以徹底將爐管高溫段中的物料帶出。通過(guò)爐管出料端設(shè)置帶有傾角的擋片，即可以實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)防止進(jìn)料速度過(guò)快沖出爐管，又可以實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)物料自動(dòng)出料且物料不逆流。

本套凝膠球帶式干燥設(shè)備的制作難點(diǎn)就是中間的爐管結(jié)構(gòu)，由于ADU凝膠球這種物料的特殊性，為了降低爐管內(nèi)壁的表面黏附性，制作中對(duì)爐管內(nèi)壁的光潔度要求比較高，中間直管段精鑄后一次加工而成，制作中采用多種工藝對(duì)內(nèi)壁的光滑度進(jìn)行保障。

該技術(shù)方案具有如下有益效果：

(1)相較于別的干燥設(shè)備，爐管的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的分散力使得物料攪拌率較高，克服了干燥過(guò)程中物料容易結(jié)疤，損失率較高的缺點(diǎn)；

(2)干燥物料不與熱載體直接接觸進(jìn)行加熱，而是向爐管的壁面輸出熱載體進(jìn)行加熱，減少了用氣體加熱時(shí)出口氣體帶走的熱量損失，提高了設(shè)備熱量利用率；

(3)爐管內(nèi)物料與壁面充分接觸，單位設(shè)備的傳熱效率大面積小，大大減少了設(shè)備的占地面積；

(4)爐管兩端的圓弧狀結(jié)構(gòu)能有效防止物料攪拌時(shí)出現(xiàn)死區(qū)；在干燥完成時(shí)通過(guò)升降機(jī)的抬降使物料自然滑出，減少了物料的滯留時(shí)間。

4 理論計(jì)算

本設(shè)計(jì)通過(guò)方案比選、設(shè)備結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)三個(gè)方面闡述了方案設(shè)計(jì)的可靠性，通過(guò)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，熱場(chǎng)計(jì)算分析提供理論依據(jù)。

4.1 熱場(chǎng)分析

將爐殼外空氣看作自然對(duì)流，外部環(huán)境當(dāng)作層流處理，那么，對(duì)于自然對(duì)流，其努塞爾數(shù)為

Nu=C(Gr，Pr)m=H×L/K

(1)

對(duì)于水平放置的爐體：

(2)

Pr=cp/K

(3)

式中：Gr為作用在流體上浮力與黏性力的比率；C為實(shí)驗(yàn)得出的無(wú)量綱常數(shù)；Pr為溫度邊界層和流動(dòng)邊界層的關(guān)系；β為空氣的熱擴(kuò)散率，m2/s；L為外殼長(zhǎng)度,m；U為空氣動(dòng)力黏度,Pa·s；cp為空氣比熱容,kJ/(kg·℃)；K為空氣導(dǎo)熱率,W·m·K。

由于爐體水平放置，取C=0.53，m=0.25，代入得對(duì)流換熱系數(shù)Hc=2.15W/K。

對(duì)于輻射換熱系數(shù)，等效為

Hr=εσ(Tw4-T∞4)/(Tw-T∞)=4.71W·m2/K

(4)

那么，爐殼外殼換熱系數(shù)H=Hr+Hc=6.86 W·m2/K 。

爐內(nèi)換熱主要是對(duì)流換熱，無(wú)相變發(fā)生，空氣在內(nèi)部流動(dòng)，將三維爐內(nèi)的熱傳導(dǎo)模型簡(jiǎn)化為二維矩形，并使用ANSYS-steady state thermal軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬。首先通過(guò)對(duì)熱量方程和能量方程進(jìn)行聯(lián)立，得到最終表達(dá)式為

λ[?2t/?x2+?2t/?y2]=uφ+單值性描述

(5)

單值性條件為爐殼長(zhǎng)寬、物性參數(shù)、加熱條件和邊界條件，其中，物性參數(shù)為常數(shù)，無(wú)內(nèi)熱源，穩(wěn)態(tài)，此時(shí)可以把空氣看成導(dǎo)熱材料。最終設(shè)置參數(shù)后用ANSYS軟件模擬得到如下溫度分布圖(見圖5)。

圖5 熱場(chǎng)溫度分布

按照設(shè)計(jì)出來(lái)的模型進(jìn)行熱場(chǎng)計(jì)算，爐管在加熱區(qū)域橫向方向的溫度誤差在±5 ℃內(nèi)，滿足爐溫均勻性要求。

4.2 加熱功率的計(jì)算

采用flunet分析軟件分析動(dòng)態(tài)加熱時(shí)間，用CFD作后續(xù)結(jié)果處理。干燥爐溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型網(wǎng)格總數(shù)275.98萬(wàn)，全部為六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，采用雙精度穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型，輻射方程采用DO模型，總迭代次數(shù)3 000次。得到16個(gè)不同截面溫度分布云圖以及外殼硅酸鋁纖維，內(nèi)部硅酸鋁纖維等4種溫度變化曲線(見圖6、圖7)。

圖6 熱場(chǎng)模型圖

圖7 全功率溫度曲線分布圖

由圖7可知，迭代進(jìn)行到350步(1.5 h)時(shí)就可以達(dá)到工作溫度，迭代1 000步(4.5 h)時(shí)達(dá)到理論最高溫度，完全符合預(yù)定要求的加熱時(shí)間。

熱量計(jì)算過(guò)程如式(6)所示。

Q=G×C×T

(6)

式中：G為加熱區(qū)料管質(zhì)量，kg；C為材料比熱容,J/(kg·℃)；T為溫升,℃。

按照最大升溫速度計(jì)算，從40 ℃升溫到65 ℃需要25 min,需要的總熱量為

Q∑=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

(7)

式中：Q1為加熱器所需熱量，J；Q2為爐襯蓄熱所需熱量，J；Q3為物料總蓄熱量，J；Q4為爐殼總蓄熱量，J；Q5為其他散熱量，J。

1)加熱區(qū)所需熱量

加熱區(qū)所需熱量(按照升溫25 ℃計(jì)算)Q的計(jì)算公式如式(6)所示。

由設(shè)計(jì)參數(shù)可知，料管內(nèi)尺寸為外接圓內(nèi)八邊形，外接圓直徑為200 mm，爐管在爐內(nèi)長(zhǎng)度為1 759 mm，最小壁厚δ為16 mm，料管材質(zhì)選用316L不銹鋼，料管質(zhì)量G約為150 kg，料管加熱區(qū)溫度為65 ℃，比熱容為0.460 kJ/(kg· ℃)。由此可以計(jì)算:

Q1=G×C×T=150×0.460×25=1 726 kJ

2)環(huán)形爐襯蓄熱量

環(huán)形爐襯的詳細(xì)尺寸為：內(nèi)徑494 mm，外徑594 mm，壁厚50 mm；長(zhǎng)度1 850 mm，硅酸鋁纖維密度0.16 g/cm3，比熱容為0.9 kJ/(kg· ℃)，纖維模塊質(zhì)量為25 kg，爐襯溫度呈階梯分布，當(dāng)爐襯升溫到65 ℃，爐殼外壁按照30 ℃計(jì)算，那么：

爐襯平均升溫=(65-30)÷2= 17.5 ℃；

爐襯1蓄熱量：Qlc1=G×C×T=25×0.9×17.5=393.75 kJ。

3)端面爐襯蓄熱量

端面爐襯尺寸為內(nèi)徑128 mm，外徑488 mm，壁厚50 mm，兩側(cè)纖維模塊質(zhì)量為3 kg，那么，爐襯2蓄熱量:Qlc2=G×C×T=3×0.9×17.5=47.25 kJ。

爐襯總蓄熱量:Q2=Qlc1+Qlc2=441 kJ。

4)物料蓄熱熱量

單個(gè)加熱爐內(nèi)物料質(zhì)量8.4 kg，含水量40%，比熱容0.71 kJ/(kg· ℃)，假設(shè)物料初始溫度為20 ℃，最終溫度為65 ℃，溫度上升了45 ℃，那么：

物料蓄熱熱量：Qwl=G×C×T=8.4×0.6×0.71×45=161 kJ；

水蓄熱量：Qs=G×C×T=8.4×0.4×4.186×45=728 kJ；

物料總蓄熱熱量：Q3=Qwl+Qs=161+728=889 kJ。

5)爐殼蓄熱熱量

外爐殼質(zhì)量為127 kg，比熱容為0.46 kJ/(kg· ℃)，爐殼溫度由20 ℃上升至35 ℃，溫升15 ℃，外爐殼蓄熱熱量：Qwk=G×C×T=127×0.46×15=876 kJ。

內(nèi)爐殼質(zhì)量為82 kg，比熱容為0.46 kJ/(kg· ℃)，爐殼開始溫度40 ℃，最終溫度65 ℃，溫升25 ℃，內(nèi)爐殼蓄熱熱量：Qnk=G×C×T=82×0.46×25=943 kJ；

爐殼總蓄熱熱量：Q4=Qwk+Qnk=876+943=1 819 kJ。

6)其他散熱熱量

散熱熱量主要包括軸承座、進(jìn)料管、出料管、真空裝置等造成的熱損失，一般可取爐襯散熱損失的0.5%～1.0%，Q5=1 819×0.01=18.19 kJ。

7)爐子功率的確定

加熱爐從40 ℃升溫到65 ℃需要25 min，需要的總熱量為

Q∑=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=1 726+441+889+1 819+18.19=4 893.19 kJ

所需功率：Q∑÷0.417÷3 600+0.82≈4.08 kW；

功率系數(shù)按照1.4計(jì)算，那么總功率為4.08×1.4≈5.7 kW，取6 kW。

4.3 冷卻風(fēng)量計(jì)算

1)冷卻熱量的計(jì)算

爐子在90 min內(nèi)從95 ℃降到40 ℃，散熱量的大小為

Qwl=G×C×T=8.5×60%×0.71×(95-40)=200 kJ

單根加熱料管的散熱量：

Qgl=G×C×T=47×0.46×(95-40)=1 190 kJ

一臺(tái)加熱管及物料總的散熱量為：

200+1 190=1 390 kJ

2)壓縮空氣量的計(jì)算

爐管和物料在90 min內(nèi)從95 ℃降到40 ℃，散熱量為1 390 kJ，空氣的比熱容為1.017 kJ/ kg· ℃，內(nèi)爐殼質(zhì)量為82 kg，比熱容為0.46 kJ/ kg· ℃，爐殼溫度由95 ℃降至40 ℃，那么內(nèi)爐殼散熱量大小為Q2=G×C×T=82×0.46×55=2 075 kJ，那么：

所需空氣質(zhì)量：m= (1 390+2 075)/[1.017×(95-40)]=61.88 kg；

在氣壓為0.4 MPa時(shí)，空氣密度ρ為4.69 kg/m3，有

所需空氣用量:V=Q/ρ=13.18 m3；

所需冷卻時(shí)間:13.18/[(0.028/2)2×3.14×12×3 600]=0.496 h，遠(yuǎn)小于要求的冷卻時(shí)間。

4.4 計(jì)算和模擬小結(jié)

(1)設(shè)備整體方案充分考慮了凝膠球的工藝需求，結(jié)構(gòu)緊湊、加熱體布置均勻和時(shí)間要求，爐溫均勻性好，能夠滿足長(zhǎng)壽命、便于檢修的可靠性要求。

(2)本設(shè)備共6個(gè)工位同時(shí)工作，按照工藝要求加料依次交錯(cuò)工作，可實(shí)現(xiàn)物料間歇式連續(xù)進(jìn)料，通過(guò)進(jìn)出料自動(dòng)閥門與真空電動(dòng)閥門實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)連續(xù)控制，通過(guò)6個(gè)工位依次交錯(cuò)工藝同時(shí)工作滿足大產(chǎn)量的要求。

(3)采用模塊化的加熱元件，解決了加熱體布置困難的問題，大大提高了功率密度，優(yōu)化了爐溫均勻性，提高了設(shè)備的可靠性和可維修性。

(4)控制系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)，同時(shí)具備在線檢測(cè)功能，不但保證了設(shè)備的可靠性，也提高了設(shè)備的可維修性。

5 結(jié) 論

本文介紹ADU凝膠球帶式干燥設(shè)備從工藝要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建模驗(yàn)證完全滿足ADU凝膠球的干燥處理；在后期的試驗(yàn)階段，干燥效果也達(dá)到了理想的工藝要求，爐溫均勻性達(dá)到±5 ℃，符合ADU凝膠球加熱均勻性的使用要求。

ADU凝膠球帶式干燥設(shè)備，從設(shè)備結(jié)構(gòu)及互換性方面，特別是爐管旋轉(zhuǎn)和物料攪拌功能，更能確保物料加熱的溫度均勻性，從性能上更能確保凝膠球干燥的合理性。該設(shè)備的研制與應(yīng)用為該領(lǐng)域提供了一種新的路徑，具有較高的實(shí)用性能和借鑒作用。