粉体流热泵干燥机干燥器内流动性优化与实验研究.pdf

万方数据 山东建筑大学硕士学位论文题目 粉体流热泵干燥机粉体流热泵干燥机干燥器内流动性干燥器内流动性优化与实验研究优化与实验研究 计学位论文55 页 表格4 个 插图41 幅 评阅人盲审 盲审 指 导 教 师杨丽 学 院 院 长张林华 学位论文完成日期 2021 年 4 月 万方数据 万方数据 山东建筑大学硕士学位论文 I 摘 要 干燥机设备已被广泛应用于化工、制药、粮食、轻工、农林土特产品等领域。干燥 是个能耗较大的工艺过程，在发达国家，大约 10的燃料用于干燥，它也是一个复杂的 传热传质过程， 物料特性、 干燥介质参数以及干燥工艺都会对干燥过程产生影响。 因此， 为了降低干燥过程的能源消耗，有必要采取措施来提高干燥设备的能效。本文提出一种 粉体流热泵干燥机，能够提高干燥品质，同时降低干燥过程中的能耗。 本文研究的粉体流热泵干燥机是将热泵系统与特殊结构的立式粉体干燥器相结合， 立式粉体干燥器内制冷剂与粉体物料进行间壁换热， 并由少量的中低温风将湿空气排出 干燥器，实现加热与除湿分离，与传统热风干燥方式相比较，此粉体流热泵干燥机的能 效更高。粉体物料在立式粉体干燥器内的流动过程决定最终物料的干燥效果，粉体物料 在干燥器内的停留时间均等才能保证物料的干燥均匀性。 本文以粉体流热泵干燥机的干燥器为研究对象， 将离散单元法引入到粉体物料在干 燥器内流动过程的研究中，对干燥器内粉体物料的流动情况进行仿真模拟。在进行无分 流锥工况仿真模拟时，发现干燥器内颗粒的流动过程呈现汇聚流，位于干燥器中心位置 的颗粒流动轨迹基本与干燥器的轴线重合，并且最先流出干燥器；位于干燥器两侧的颗 粒在下落的过程中，还会不断向轴线靠近，在干燥器内停留时间较长，两侧颗粒在干燥 器内的停留时间约为中心位置颗粒的 1.3 倍，颗粒在干燥器内停留时间差异较大，可能 会导致干燥不均匀。 为了改善干燥内颗粒的流动情况，在干燥器内添加一定锥角角度的分流锥，分别仿 真模拟安置 40、50、60和 70分流锥后干燥器内颗粒的流动情况，并进行流动 性分析，分析内容主要包括流场形状的变化、典型颗粒运动轨迹的变化、颗粒位置随时 间的变化、速度场分布以及卸料速率。通过仿真模拟发现，当安置 40和 50分流锥 后，流场形状得到明显改善，但依旧为汇聚流；安置 60分流锥后，流场形状基本实 现平推流；安置 70分流锥后，流场形状变为“中间上凸”状。经综合分析，安置 60 分流锥后，流场形状基本实现平推流，典型颗粒在干燥器内停留时间比较均匀，下落最 快与最慢颗粒出现位置随机， 中心处颗粒与壁面处颗粒基本等速下落，总之， 安置 60 分流锥能使干燥器内颗粒的流动状态到达预期结果。 为验证仿真模拟结果的准确性，建立干燥器实验样机（样机尺寸与仿真过程所用三 维模型尺寸大小一致） ， 实验物料选用德州某化肥厂生产的尿素颗粒 （白色和黄色两种） ， 万方数据 山东建筑大学硕士学位论文 II 实验过程中首先在干燥器内填充一定高度的白色颗粒， 干燥器最顶端 40mm 空间填充黄 色颗粒，方便观看颗粒的流动状态，颗粒填充满干燥器后，开始卸料流动实验，使用数 码相机记录干燥器内颗粒的流动过程，并称量计算卸料速率。经实验验证，实验结果与 仿真结果基本一致。综合分析得出，在安置 60分流锥的工况下，颗粒的流场形状实 现平推流，颗粒在干燥器内的停留时间更均等，是实现干燥均匀的前提条件。 关键词关键词粉体流，热泵干燥，离散单元法，分流锥，汇聚流，平推流 万方数据 山东建筑大学硕士学位论文 III ABSTRACT The dryer equipment has been widely used in chemical industry, pharmaceutical, food, light industry, agriculture, forestrylocal, products and other fields. Drying is a process with high energy consumption. In developed countries, about 10 of the fuel is used for drying. It is also a complex heat and mass transfer process. Material characteristics, drying medium parameters and drying process will have an impact on the drying process.Therefore, in order to reduce the energy consumption of material drying process, it is necessary to take measures to improve the energy efficiency of drying equipment. This paper presents a powder flow heat pump dryer, which can improve the drying quality and reduce the energy consumption in the drying process. In this paper, we study the powder flow heat pump dryer is the heat pump system with the special structure of vertical powder dryer, the combination of vertical powder dryer partition and powder materials refrigerant in heat exchange, and by a small amount of cold wind will wet discharge air dryer, heating and dehumidification of separation, compared with the traditional hot air drying , the powder flow efficiency of the heat pump dryer is higher. The flow process of the powder material in the vertical powder dryer determines the drying effect of the final material, and the residence time of the powder material in the dryer can be equal to ensure the uniity of the drying material. In this paper, the drier of the powder flow heat pump dryer is taken as the research object, and the discrete element is introduced into the study of the flow process of the powder material in the drier, and the flow of the powder material in the drier is simulated. In the simulation without shunt cone condition, it is found that the flow process of particles in the dryer presents convergent flow, and the flow trajectory of particles located in the center of the dryer is basically coincident with the axis of the dryer, and it flows out of the dryer first. In the process of falling, the particles on both sides of the dryer will continue to get close to the axis and stay in the dryer for a long time. The residence time of the particles on both sides in the dryer is about 1.3 times that of the particles at the center. The residence time of the particles in the dryer is quite different, which may lead to uneven drying. In order to improve the flow of particles in the dryer, a shunt cone with a certain Angle 万方数据 山东建筑大学硕士学位论文 IV was added to the dryer to simulate the flow of particles in the dryer after the shunt cone was installed at 40, 50, 60 and 70, and the flow analysis was carried out. The analysis mainly includes the change of the shape of the flow field, the change of the trajectory of typical particles, the change of the particle position with time, the distribution of the velocity field and the discharge rate. Through simulation, it is found that the shape of flow field is obviously improved after the placement of 40 and 50 divergent cones, but it is still convergent flow. The shape of the flow field basically realized the horizontal thrust flow after the 60 shunt cone was installed. The shape of the flow field becomes “convex in the middle“ after placing the 70 shunt cone. Through comprehensive analysis, find a place for 60 after the shunting cone, realize the basic horizontal pushing flow shape of flow field, a typical particle residence time within the dryer is evener, falling fastest and the slowest particle position and randomized, particles and wall in granular basic equal falling, in short, placed within 60 diversion cone can make dryer particles flow state to reach the expected results. To test and verify the accuracy of simulation results, the establishment of dryer experimental prototype sample size is consistent with the 3 d model employed in the simulation process size, the experimental materials, select the urea particles from Texas a fertilizer into two white and yellow, the experimental process in the first place in the dryer white grain filling a certain height, the top dryer 40 mm space filling yellow grain, It is convenient to watch the flow state of the particles. After the particles are filled with the dryer, the discharge flow experiment is started. The flow process of the particles in the dryer is recorded with a digital camera, and the discharge rate is weighed and calculated. The experimental results are in good agreement with the simulation results. The comprehensive analysis shows that under the working condition of 60 shunt cone, the flow field shape of particles can realize the horizontal push flow, and the residence time of particles in the dryer is more equal, which is the prerequisite to achieve uni drying. Key Wordspowder flow, heat pump drying, discrete element , conical converter, convergent flow, parallel push flow 万方数据 山东建筑大学硕士学位论文 V 目录 摘 要I ABSTRACTIII 第 1 章 绪 论 1.1 研究背景及意义 1 1.2 国内外研究现状 3 1.2.1 热泵干燥机的研究现状 3 1.2.2 立式干燥机的研究现状 5 1.2.3 离散单元法的应用研究现状 5 1.3 主要研究内容 7 1.4 本章小结 8 第 2 章 粉体流热泵干燥机的机理分析 2.1 粉体流热泵干燥机的组成与原理9 2.2 粉体流热泵干燥机的独特优点 10 2.3 立式粉体干燥器的结构组成11 2.3.1 布料单元 12 2.3.2 干燥单元 12 2.3.3 卸料单元 14 2.4 本章小结 14 第 3 章 立式粉体干燥器内物料流动数值模拟 3.1 EDEM 介绍15 3.2 DEM 数学模型16 3.2.1 颗粒模型 16 3.2.2 运动方程 16 3.2.3 接触模型 17 3.3 EDEM 仿真模拟过程22 3.3.1 设定尿素颗粒特性22 3.3.2 立式粉体干燥器三维建模24 万方数据 山东建筑大学硕士学位论文 VI 3.3.3 创建颗粒工厂24 3.3.4 设置接触模型25 3.3.5 仿真模拟计算25 3.4 仿真结果与分析25 3.4.1 颗粒流动过程26 3.4.2 典型颗粒流动轨迹26 3.4.3 颗粒位置随时间变化27 3.4.4 颗粒速度分布29 3.4.5 卸料速率 30 3.5 本章小结31 第 4 章 优化后颗粒流动过程模拟结果与分析 4.1 优化方案32 4.2 分流锥锥角角度对流场形状的影响 33 4.3 分流锥锥角角度对典型颗粒流动轨迹的影响 35 4.4 分流锥锥角角度对颗粒位置随时间变化的影响 36 4.5 分流锥锥角角度对速度场分布的影响 37 4.6 分流锥锥角角度对卸料速率的影响 39 4.7 本章小结40 第 5 章 立式粉体干燥器内颗粒流动过程实验研究 5.1 实验样机41 5.2 实验材料和仪器41 5.3 实验方法42 5.4 实验结果与仿真结果对比43 5.4.1 流动过程结果对比43 5.4.2 卸料速率结果对比45 5.5 本章小结46 第 6 章 结论与展望 6.1 结论47 6.2 展望48 万方数据 山东建筑大学硕士学位论文 VII 参考文献50 致 谢 54 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况 55 万方数据 山东建筑大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪 论 1.1 研究背景及意义 能源是自然界中人类赖以生存和社会发展的最重要的一种物质资源， 是促进经济社 会发展和改善人民生活质量的物质基础。随着经济社会的发展，人类对能源的依赖性逐 渐增强，能源的短缺成为当今国际社会高度关注的问题。减少能源的浪费以及提高能源 利用率成为当今时代的关键话题。干燥机设备在化工、制药、农林土特产品、粮食、轻 工等领域已得到广泛应用，干燥作业涉及国民经济的广泛领域，是我国的耗能“大户”， 所用能源占国民经济总能耗的 12左右[1]， 提高干燥效率降低能耗对于缓解能源紧缺问 题具有重要意义。 在化肥制造行业，干燥的过程是必不可少的，目前，不管是高塔造粒、圆盘造粒还 是流化床造粒，造粒后都是通过对流热风干燥工艺干燥，基本都是两级或者多级干燥， 然后再冷却包装。 近年来随着农业科学技术的进步发展，我国的粮食产量不断增加。国家统计局公布 的全国粮食生产数据显示，2020 年全国粮食总产量 13390 亿斤，比上年增加 113 亿斤， 增长 0.9，创历史最高水平[2]。粮食收获后含水量较高，需经干燥处理后才能储存进粮 仓，否则会造成粮食的霉变。东北地区玉米收获时水分含量一般为 28 35，入库时 平均水分含量仍可达到 23 30；华南晚稻在收获时赶上雨季水分含量可达 16 20，在广东等部分地区甚至高达 30；小麦和大豆等其他主要粮食作物的水分含量往 往超过安全储存水分[3]。 图 1.1 滚筒式干燥机原理图 万方数据 山东建筑大学硕士学位论文 2 图 1.2 塔式干燥机原理图 现有干燥机大多是采用对流热风干燥的方法，即利用热风炉，蒸汽锅炉（或热导油 锅炉）等热源装置通过换热器加热空气，热空气与物料接触，在空气对流的时候将热量 传递给物料，使其物料温度升高，物料内部水份蒸发，并随对流空气排除到干燥机外， 以达到干燥目的，原理如图 1.1、1.2 所示。现有干燥技术的主要特点是通过热风进行加 热和干燥，而热风比热和导热系数较小，导致热源设备热效率低，同时干燥所要求风量 非常大，导致排出热风热量损失大，导致系统能耗高。传统烘干机普遍系统热效率在 60以下。 物料的干燥过程是一个复杂的传热传质过程， 是被干燥物料与干燥介质间水分以及 能量交换的过程。物料的干燥过程自身因素（形状、初始含水率、温度、热敏性等）、 干燥条件参数（干燥介质温度、干燥时间、干燥介质相对湿度等）等多种因素影响，同 时与干燥工艺，干燥室内部结构以及运行控制过程有关。干燥过程不仅是除去物料中的 水分，更是保证物料干燥后的品质，包括物料干燥后的物料参数、外观形状、光泽颜色 和内部结构等。 万方数据 山东建筑大学硕士学位论文 3 热源的种类和干燥器的内部结构直接影响了干燥机的能耗和干燥效果， 选择合适的 热源，并设计干燥器的内部结构对降低干燥过程的能耗至关重压。并增强物料的干燥品 质，提高干燥效率。本课题本着节能降耗的原则，旨在提高物料的干燥品质，研究设计 出一种粉体流热泵干燥机，选择空气源热泵作为干燥机的热源，立式粉体干燥器内采用 激光焊接枕形换热板和进气管上下交替布置的形式， 并探讨这种粉体流热泵干燥机对化 肥干燥的适用程度。本文以粉体流热泵干燥机的立式粉体干燥器为研究对象，通过仿真 模拟与实验测试的方法， 观察尿素颗粒在干燥器内的流场形状、 流动轨迹、 速度分布等， 探究不同锥角的分流锥对干燥器内尿素颗粒流动过程的影响关系， 从而为立式粉体干燥 器的结构优化设计和生产工艺优化提供理论依据。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 热泵干燥机的研究现状 法国科学家萨迪卡曼于 1824 年首次提出“卡诺循环”理论，这是热泵的起源。1852 年英国科学家开尔文（L.Kelvin）提出将逆卡诺循环用于加热的热泵设想。他首次提出 了正式的热泵系统，当时称为“热量倍增器”。热泵干燥技术是 20 世纪初新兴的一种高 效节能、环境友好的高新干燥技术[4]。1943 年，Sulzer 公司首次运用热泵干燥技术建成 除湿干燥装置，1950 年，美国取得了热泵干燥的相关专利，1973 年，全球第一台热泵 干燥装置专利的应用产生[5-6]。 在国外，专家学者对热泵干燥的研究起步较早，在装置结构、干燥工艺、能效等进 行了多方面的研究，热泵干燥技术已广泛应用于谷物、化工、水产、木材、食品、制药、 纺织和造纸等许多行业。 为了提高地源热泵干燥系统的能效，Zafer Erbay[7]在利用地源热泵干燥系统对食品 进行干燥时，首次使用先进的㶲分析评估其干燥性能，结果表明冷凝器的结构及安装位 置等对干燥系统的性能影响较大，通过对冷凝器和干燥系统其它重要部件的结构优化， 可大幅提高系统的干燥效率。Minea [8]指出热泵干燥系统的集成不合理以及不规范运行 均会导致系统的干燥效率低， 梳理热泵干燥系统设计过程中比较常见的设计错误以及遗 漏问题，并给出解决方案，提出更加合理的控制策略，避免发生运行事故，提高了高温 热泵干燥系统的整体效率，对加快热泵干燥的实际应用具有重要意义。 Hii 等[9]研究了单层可可豆在不同温度下热泵干燥动力学的规律。比较了在干燥过 程中种皮和子叶的水分含量变化及迁移规律。发现水分迁移主要是由水分势差引起，而 万方数据 山东建筑大学硕士学位论文 4 不是含水量的多少。 Fadhel 等[10]设计并制造了太阳能辅助化学热泵干燥机， 该系统由真 空管型太阳能集热器、储罐、固-气（Cacl2-NH3）化学热泵机组和干燥室四部分组成， 其中化学热泵机组由反应器、冷凝器和蒸发器组成。文献中对该系统进行了实验测试， 结果发现，当太阳辐射量减少时，冷凝器所能获得的能量明显降低，化学热泵的性能系 数衰减，同时降低热泵干燥效率。Oktay 等[11]以湿羊毛为热泵干燥实验物料，研究在不 同进口风速与不同装载率条件下热泵干燥系统的干燥效率， 通过实验研究得出最优的进 口风速值， 并通过干燥曲线方程对实验结果进行理论分析。 Nathakaranakule 等[12]将热泵 干燥和过热蒸汽干燥共同应用到鸡肉的干燥过程中， 比较了先热泵干燥后过热蒸汽干燥 和先过热蒸汽干燥后热泵干燥两种多级干燥方式下鸡肉的颜色、收缩率和复水率的变 化， 通过对比分析得出， 先采用过热蒸汽干燥再热泵干燥的方式可以获得较理想的产品。 在国内，学者对热泵干燥机的研究起步较晚，到目前为止，国内的学者对热泵干燥 机的系统结构、干燥工艺和干燥效果、能耗等方面做了大量的理论分析和实验研究。 在系统结构优化方面， 徐学冲等[13]将多组热泵循环并联， 提出多组热泵并联的高效 热泵干燥系统，该系统具有制热功率大，制热能效比高，压缩机排气温度低、工况好， 干燥装置无风无粉尘排放等技术优势。 王教领等[14]在提出一种转轮除湿热泵干燥机， 以 杏鲍菇为研究对象，利用三通阀转换机构合理转换新风和回风，并将冷凝器放出的热量 用于加热干燥进风或转轮再生， 实验结果达到了预期目标。 魏娟等[15]针对东北粮食干燥 过程中能耗大和污染严重问题，采用闭式多级串联除湿和加热的方法，玉米须和尘土在 回风管路被除尘装置收集， 减少污染物排放到环境中， 同时因为送风温度低且送风均匀， 玉米的干燥品质得到很大提高。 在干燥工艺和干燥效果研究方面， 杨先亮等[16]设计制作出一种热泵箱式干燥器， 并 利用其对太行山区的婆枣进行干燥试验，不断改进干燥方案，最终得出婆枣干燥的最佳 干燥工艺条件，通过本干燥工艺条件，婆枣营养成分得到最佳的保留、干燥效率高，并 且干燥过程能耗低。Wang 等[17]指出，在山楂饼的干燥初期，山楂饼的含水量对干燥温 度并不敏感，所以为了提高热泵干燥系统的性能系数，降低干燥过程中的能耗，可以在 山楂饼干燥的初始阶段采用较低的干燥温度。 在干燥过程能耗及经济性研究方面， 广东省农业机械研究所[18]利用热泵干燥系统对 高湿的稻谷进行干燥，对其干燥效率、能耗和品质等方面进行研究分析，得出采用回热 技术可以提高干燥能力 30左右，而且不会增加系统的能耗，并且与燃油干燥机相比， 使用热泵进行干燥可以降低运行费用约 60。李刚等[19]