旋轉圓盤干燥機中物料推進器輸送特性研究*

李 淵 葛仕福 楊敘軍 涂 勇 丁 晶

（1.東南大學能源與環境學院 2.無錫國聯環保科技有限公司 3.江蘇省環境科學研究院)

旋轉圓盤干燥機中物料推進器輸送特性研究*

李 淵**1葛仕福1楊敘軍2涂 勇3丁 晶1

（1.東南大學能源與環境學院 2.無錫國聯環保科技有限公司 3.江蘇省環境科學研究院)

研究了旋轉圓盤干燥機的轉速、推進器角度、推進器個數及排布情況、物料粒徑等因素對干燥機中物料輸送通量、停留時間和充滿度的影響及其變化規律，建立了物理模型和數學模型。得到物料輸送通量半經驗公式，其與實驗數據的均方根誤差小于5%。結果表明，干燥機轉速越大、推進器向前排布個數越多，在物料粒徑較大時體積通量越大，停留時間越短；當干燥機轉速較小、物料粒徑較小、推進器為前后分布時，能得到較大的充滿度。

旋轉圓盤干燥機 物料通量 停留時間 充滿度 干燥

旋轉圓盤干燥機是一種間接式干燥設備，國外已廣泛應用于化工、食品、飼料等行業，近年來國內也對旋轉圓盤干燥機干燥污泥進行了相關探討。旋轉圓盤干燥機與其它形式的干燥機相比，具有許多突出的優點[1]： （1）熱效率高，能耗低，其熱效率可達70%以上； （2）可調控性好，加熱盤的數量、加熱介質的溫度和物料的停留時間等均可根據需要進行調整； （3） 被干燥物料不易破損；（4）無振動，低噪音，運轉平穩，操作容易。

旋轉圓盤干燥機運行時，濕物料從一端進入，另一端排出，物料運動由設在圓盤頂端的推進器控制。物料在干燥過程中，水分不斷蒸發，物料體積不斷減小[2-3]。如果推進器設置不當，會出現干燥機后端圓盤不充滿物料的現象，干燥機的傳熱面積無法得到充分利用，單位面積的干燥能力下降。許多學者研究了旋轉圓盤干燥機干燥過程中的傳熱過程，建立了相關傳熱模型，但對旋轉圓盤干燥機內物料輸送特性的相關研究寥寥無幾[4-6]。物料在干燥機內的推進過程非常復雜，本文試圖建立物料推進過程中的力學模型，實驗研究轉子轉速、刮板數量、角度和物料種類對物料輸送特性的影響，探討物料運動規律，這對于充分利用干燥面積，優化干燥機結構，提高干燥機單位面積的干燥能力，具有一定的指導意義。

1 實驗研究

1.1 實驗裝置

圖1為旋轉圓盤干燥機實驗裝置。它主要由外殼、圓盤和驅動裝置組成。為便于觀察、拍照及測量，外殼由有機玻璃制成，其長1.2 m，直徑0.3 m，有效容積約為0.085 m3。圓盤是旋轉圓盤干燥機的核心部件。本實驗裝置共設有20組圓盤，圓盤直徑220 mm。圓盤頂端焊有推進器支架，不同角度的推進器通過螺栓與推進器支架相連。實驗時，物料由螺旋進料機均勻送入進料口，轉軸緩慢旋轉，物料在推進器作用下向前移動，從入口側推向出口側。

圖1 旋轉圓盤干燥機實驗裝置

采用秒表測量物料停留時間；采用電子天平和量筒分別測量物料質量和堆積體積。

1.2 實驗方法

實驗分別以黃豆和大米為物料，研究物料粒徑不同時旋轉圓盤干燥機內物料推進速度以及充滿度。轉速通過電機轉速調節按鈕調節，設置為2、3、5 r/min。推進器角度分別選用30°和45°。推進器安裝時，安裝方向朝前則推動物料向前運動，安裝方向朝后則反之。轉軸上有20個圓盤，每個圓盤上有4個推進器支架，最多可安裝4個推進器，前后圓盤上支架為交叉排布，相鄰兩個圓盤為一組。實驗中前后兩個圓盤上推進器安裝情況為：1前1前、1前1后、2前2前、2前2后、3前3前、3前3后以及無推進器 （以2前2后為例：相鄰兩個圓盤其中一個安裝兩個推進器，方向向前，相鄰另一個也安裝兩個，方向向后，以此類推）。

實驗時，設定轉軸轉速并保持恒定，用螺旋進料機均勻送料，并始終保持干燥機進口處處于充滿狀態。當出口處有物料流出時，測定單位時間內物料流出量，直至流出量穩定，此時內部物料流動處于穩定狀態。然后向實驗機內放入4個示蹤粒子（示蹤粒子采用經過染色的相同物料），記錄示蹤粒子從進入到流出所用時間，取平均值作為物料停留時間。每組實驗完成后拍照，并測量此時實驗機內部剩余物料的體積。

1.3 數據處理

實驗機從進口到出口總長度為L，通過秒表測得示蹤粒子平均停留時間為T，物料平均速度V為:

物料輸送通量q通過測量出料口處單位時間物料的流出量得到。

物料堆積密度ρ采用下列方法得到：

其中，Vi為物料體積，用量筒測出；Mi為體積Vi的物料的質量。每種物料做四組實驗，取其平均值得到堆積密度ρ。

實驗結束后拍照，用直尺測量其料位高度。

2 模型建立

2.1 物理模型

在物料推進過程中，圓盤上的推進器做圓周運動，通過推進器有效面積及傾向角度推動物料前進。圖2為簡化的物理模型，由圖可知推動物料前進的為X方向的力。

2.2 數學模型

如圖2所示，推進器旋轉產生的線速度為：

式中，R為推進器平均半徑，m；n為干燥機轉速，r/min。

圖2 推進器物理模型

設推進器角度為α，則在推進器法向方向上的分速度V1為：

物料在V1方向上的質量流量為：

其中，ρ為物料堆積密度，F為推進器面積。將通量q1分解至X方向，得到：

考慮到干燥機內物料運動情況復雜，采用修正系數k、m對式 （6）進行修正，得到物料推進質量通量公式：

式 （7）為一個推進器處物料推進質量通量。假設一個圓盤上安裝N個推進器，則物料推進總通量為:

2.3 模型擬合

對式 （8）兩邊取對數，得到：

利用實驗數據對式 （9）、式 （10）進行擬合，結果見圖3。

圖3 lnq～lnA關系圖

圖3擬合直線的斜率為0.032，截距為0.956，相關系數 R2為 0.91，所以 k=e0.956=2.6，m=0.032。由此可得到物料推進通量的半經驗公式為：

將實驗數據與半經驗公式 （11）進行比較，見圖4，通過計算得到二者均方根誤差為4.9%，可見式 （11）與實驗值吻合較好。

圖4 半經驗公式計算值與實驗值的比較

3 物料推進通量及停留時間影響因素

3.1 轉速

以黃豆為物料，在推進器角度為45°、推進器數量為2個的條件下，轉速對推進通量和停留時間的影響如圖5所示。隨著轉速的提高，單位時間內推動物料增多，通量增大，停留時間相應減小。

圖5 轉速對物料通量和停留時間的影響

3.2 推進器角度

實驗選取了30°和45°兩種推進器角度，角度對物料流出通量及停留時間的影響如圖6所示。

由通量公式可知，速度和通量與角度有關，當α=45°時，通量最大，停留時間最小。

圖6 推進器角度對流出通量和停留時間的影響

3.3 推進器數量及排布

推進器數量越多，圓盤轉動時推動的物料就越多，即物料流出通量增大，停留時間減小，如圖7所示。當前后兩個圓盤安裝推進器角度為向前、向后排布時，向前的推進器對物料產生向前的推動力，而向后的推進器則產生相反的推動力。理論上這兩個力是相互抵消的。但由于兩個方向力的存在，物料在干燥機內部運動劇烈，碰撞大，進料口物料充滿，使得前面物料對后面物料的推動作用更加頻繁。此種情況下物料通量比沒有安裝推進器時增加，但增加效果不明顯，對比效果如圖8所示。

圖7 推進器數量對流出通量和停留時間的影響

3.4 物料粒徑

由通量公式可知，物料堆積密度是一個重要的影響因素，堆積密度與物料的粒徑有關。以大米和黃豆為物料，當轉速為5 r/min、推進器角度為45°時，物料粒徑不同引起的填充密度的差異對流出通量及停留時間的影響見圖9。由圖9可見，大粒徑物料停留時間短，物料通量小。

4 旋轉圓盤干燥機結構優化設計

圖10示出了轉速、推進器排布和粒徑對物料充滿度的影響。由圖10可知： （1）轉速越大，物料充滿度越小； （2）推進器前后排布時對提高充滿度有顯著提高，并且由于前后排布使得物料局部來回運動，使停留時間增大； （3）粒徑越大，充滿度越小。因此，在可調節范圍內減小轉速，減小物料粒徑，使相鄰推進器安裝為前后角度，有利于提高干燥機內部物料充滿度，提高干燥機單位面積干燥能力。

綜合考慮上述因素，設計旋轉圓盤干燥機推進器數量及排布如表1所示。

圖8 前后推進器排布對物料通量和停留時間的影響

圖9 物料粒徑對通量和停留時間的影響

圖10 不同條件下的料位高度

表1 設計推進器數量及排布（表中符號+表示向前，-表示向后）

圖11為優化方案與其它推進器排布方案充滿度實物圖比較。圖12為優化方案料位高度與圖10中最優充滿度，即大米在2前2后、2 r/min條件下的比較。由圖12可看出料位高度在實驗機內變化情況。由于保持進料口處物料充滿，所以進料端圓盤處物料幾乎充滿。隨著物料移動，料位高度開始下降，尤其在圓盤12～16處下降趨勢較為明顯。此段優化方案采用較少推進器數量，使此段物料通量較小，提高充滿度。出口端充滿度較低，優化方案采用少量推進器，降低物料推進速度，同時采用推進器角度向后，這樣有利于提高充滿度。

圖11和圖12表明：實驗中所提出的優化方案效果明顯，可充分利用干燥機面積。

圖11 不同條件下的料位高度實物圖

圖12 優化方案與大米在2前2后、2 r/min時料位高度比較

5 結論

（1）實驗得到物料通量半經驗公式：

物料通量與轉速、圓盤半徑、推進器向前安裝的數量、推進器面積、粒徑等因素成正相關，且推進器角度在45°時通量最大。

（2）物料停留時間與轉速、圓盤半徑、推進器向前安裝的數量、推進器面積、粒徑等因素成負相關。

（3）實驗機充滿度與轉速、推進器向前安裝數量、粒徑等因素成負相關，推進器角度前后排布有利于提高充滿度。

（4）提出了實驗機推進器布置優化方案，實驗證明該方案充滿度較高，可充分利用干燥機面積。

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[6]武清忠,朱民祿.外加熱內筒真空旋轉干燥器的研制[J].武警技術學院學報,1996,12(3):30-31.

Study on Transport Characteristics of Material Propeller in Rotating Disc Dryer

Li Yuan Ge Shifu Yang Xujun TuYong Ding Jing

Studied the effects on material transport flux,residence time and fullness degree in rotating disc dryer of rotation speed,propeller angle,number and arrangement,material particle size and so on,established physical and mathematical models.Obtained the hemi empirical formula of material transport flux,the root-meansquare error of which and experimental data was less than 5%.The experimental results showed that greater rotation speed,more propellers arranged in front and larger material particle size resulted in larger volumetric flux and shorter residence time;lower rotation speed,smaller material particle size and forward-backward propellers caused greater fullness degree.

Rotating disc dryer;Material flux;Residence time;Fullness degree；Drying

TQ 051.8+92

2013-05-10）

（1）水體污染控制與治理科技重大專項（2010ZX07319-002）；（2）江蘇省2012年環保科研計劃（2012033）。

**李淵，男，1988年生，碩士研究生。南京市，210096。