變截面熱泵干燥艙熱環(huán)境性能實驗分析

(南京師范大學能源與機械工程學院 江蘇省能源系統(tǒng)過程轉(zhuǎn)化與減排技術(shù)工程實驗室 南京 210042)

干燥艙的溫濕度和風速分布對物料的干燥效果影響很大[1-3]。目前，干燥艙的分析大多采用CFD仿真方法[4-5]，有效簡化了實際設(shè)計過程[6-9]，但在實際運行過程中，受制作材料等因素影響，干燥艙風速和溫度均會有不同程度的波動[10-11]。因此，各區(qū)域的速度場、溫濕度場均需通過實測來進行綜合對比[12-13]。

國內(nèi)外多數(shù)干燥艙熱環(huán)境性能實驗通過控制變量，可分別得到溫度、濕度及風速單獨對干燥速率及干燥品質(zhì)的影響[14]，對速度場研究較少。但在冷藏運輸熱環(huán)境、高溫平板換熱性能等技術(shù)領(lǐng)域，速度場的研究與應(yīng)用也一直是研究熱點[15-16]。陸銳等[17]研究表明大型熱風干燥裝置內(nèi)部設(shè)置勻風板能達到提高均勻性的目的。

本文針對無靜壓層無變截面、有靜壓層無變截面、有靜壓層有變截面的熱泵干燥艙結(jié)構(gòu)，改變?nèi)肟陲L速，實驗對比熱質(zhì)交換區(qū)內(nèi)的速度場，得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)，并通過改變送風溫度分析其溫度場。

1 熱泵干燥艙及其測點布置

本文研究的熱泵干燥艙結(jié)構(gòu)尺寸為1 200 mm(L)×850 mm(D)×1 300 mm(H)，熱泵進、回風口尺寸均為850 mm(D) ×200 mm(H)。圖1所示為干燥艙外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，干燥艙圍護結(jié)構(gòu)采用雙層碳鋼內(nèi)夾石棉保溫，內(nèi)外碳鋼板厚度均為1.2 mm，導熱系數(shù)為45 W/(m·K)，石棉層厚度為80.0 mm，導熱系數(shù)為0.045 W/(m·K)，內(nèi)部隔板采用碳鋼板，厚度為1.0 mm，最外層噴涂油漆進行外觀處理。裝置頂部設(shè)排濕口，可根據(jù)需要開啟或關(guān)閉。

圖1 熱泵干燥艙外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 The exterior look and interior structure of the drying chamber

圖2所示為變截面-靜壓式平行送風型熱泵干燥艙結(jié)構(gòu)。干燥艙被送、回風隔板分為靜壓送風區(qū)、熱質(zhì)交換區(qū)和靜壓回風區(qū)，隔板上有均勻條縫孔，隔板開孔率為24.3%，在送風靜壓空間內(nèi)設(shè)置一個角度可調(diào)的變截面。

圖2 變截面-靜壓式平行送風型熱泵型干燥艙結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the drying chamber with variable-section and static pressure layer for parallel air supply

對干燥艙內(nèi)部熱質(zhì)交換區(qū)進行測點劃分，選用熱式風速儀和熱電偶分別采集速度、溫度數(shù)據(jù)，可分析得出干燥艙運行過程中的實際風速特性。

熱泵干燥艙熱質(zhì)交換區(qū)溫度測點分布如圖3所示。以熱質(zhì)交換區(qū)下邊界為z=0 mm，取z=280 mm為第一截面，均勻布置5×5個測點，x方向與y方向相鄰測點間距分別為175 mm和150 mm，在z=530、780、1 030 mm處進行同樣的測點分布，該實驗共布置100個測點。

圖3 熱泵干燥艙溫度測點布置Fig.3 The layout of temperature measurement points in the drying chamber

2 測量儀器儀表及測試過程

風機選用變頻軸流風機，風量為4 500 m3/h，用于提供設(shè)備循環(huán)空氣動能；用熱泵裝置加熱空氣，制熱量為9 kW。實驗過程中熱質(zhì)交換區(qū)內(nèi)空氣風速由熱式風速儀測定，測量范圍為0～20 m/s，入口空氣溫度由熱電偶測定，測量范圍為0～70 ℃。用熱式風速儀實時采集實驗數(shù)據(jù)，記錄30 s的平均值作為單個測點每次風速測量數(shù)據(jù)，每個測點記錄5次，去除極值后取平均值作為該測點風速值。

根據(jù)不同的估計方法, 不確定度分為按統(tǒng)計分布估計的A 類不確定度和按非統(tǒng)計分布估計的B 類不確定度[18-19]。對B 類不確定度，常以儀器誤差Δ儀乘以與其分布有關(guān)的因子KP簡化表示，但因Δ儀為儀器的允許誤差，則應(yīng)有接近100%的置信概率，故大多數(shù)實驗可將B 類不確定度簡化為Δ儀[20]。本文對干燥艙內(nèi)風速和溫度進行不確定度分析，如式(1)～式(3)所示。

A 類不確定度ΔA：

(1)

式中：tp(n-1)為n次測試所對應(yīng)的t分布概率；SX為標準偏差，由貝塞爾公式計算得出；n為測試取點數(shù)量。

B類不確定度ΔB：

ΔB=Δ儀

(2)

式中：Δ儀為儀器誤差。

合成不確定度，即最終所求不確定度值ΔX：

(3)

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出，干燥艙內(nèi)各水平高度的風速不確定度分別為：ΔXv,z=250=0.054，ΔXv,z=500=0.051，ΔXv,z=750=0.053，ΔXv,z=1000=0.052。干燥艙內(nèi)各水平高度的溫度不確定度分別為：ΔXt,z=250=0.011，ΔXt,z=500=0.008，ΔXt,z=750=0.010，ΔXt,z=1 000=0.009。

本文分別對10種實驗工況條件下的干燥艙內(nèi)部流場情況進行實驗，如表1所示。

表1 干燥艙實驗工況條件Tab.1 Test conditions of drying chamber

圖4 4個特征值點的實測風速變化Fig.4 Measured velocity variation of four feature points

3 測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 靜壓層、變截面及不同角度的速度場實測對比

實驗1～5分別選取x=50 mm,y=125 mm；x=50 mm,y=425 mm；x=400 mm,y=425 mm；x=750 mm,y=425 mm為4個特征值點進行分析。

圖4所示為4個特征值點的實測風速變化。由圖4(a)和圖4(b)可知，入口處各干燥艙內(nèi)的風速變化較大。由圖4(c)可知，熱質(zhì)交換區(qū)內(nèi)，x=400 mm，y=425 mm時，無靜壓層的干燥艙內(nèi)垂直方向上的風速分布嚴重不均，且整體風速偏小；增加靜壓層后，風速分布均勻性改善，平均風速提升。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置角度分別為arctan (3/40)的變截面，與無變截面有靜壓層的干燥艙相比，雖然內(nèi)部平均風速略有降低，但風速分布更均勻。為探究不同變截面角度對風速的影響，對比變截面角度分別為arctan (3/40)、arctan (1/10)、arctan (1/8)的干燥艙內(nèi)部的風速場，其中變截面角度為arctan (1/10)時風速在0.55 m/s左右波動，且分布均勻。出口處，x=750 mm，y=425 mm，變截面角度為arctan (1/10)時平均風速較高，可達0.65 m/s。故變截面角度為arctan (1/10)時結(jié)構(gòu)較優(yōu)。

3.2 變截面靜壓送風干燥艙速度場分析

圖5所示為不同入口風速下各截面特征值點實測風速變化，選取實驗4、6～8在y=425 mm處的測點數(shù)據(jù)進行對比。

由圖5可知，當入口風速為1.50 m/s時，在水平方向上整體風速降低較大；入口風速為2.00 m/s時，均勻性有所改善，但波動仍較大；入口風速為2.50 m/s時，風速較大，均勻性也較好；入口風速為3.00 m/s時，均勻性不再有明顯改善。故當入口風速為2.50 m/s時，風速分布較均勻。

圖5 不同入口風速下各截面特征值點實測風速變化Fig.5 Measured velocity variation of feature points of each section with different inlet air velocities

當設(shè)定熱空氣送風溫度為50 ℃，風速為2.50 m/s時，對熱質(zhì)交換區(qū)的溫度場分布結(jié)構(gòu)進行實測，將實驗數(shù)據(jù)導入軟件進行處理，并生成風速分布圖，如圖6所示。

圖6 4個截面的實測風速分布Fig.6 Measured velocity distribution of four sections

由圖6可知，遠離送、回風口處的風速在0.45～0.65 m/s波動，風速梯度較小，在干燥所需風速的合理范圍內(nèi)。在水平方向上，沿氣流流動方向，風速呈遞減的趨勢。在垂直方向上，隨著高度增加，各截面平均風速分別為0.65、0.70、0.55、0.50 m/s，熱空氣速度呈降低趨勢。同時實測結(jié)果表明各截面處干燥風速分布均勻性與現(xiàn)有干燥設(shè)備相比有明顯改善。

分層來看，z=280 mm截面上氣流入口處風速明顯高于平均風速；z=530 mm和z=780 mm兩個截面上，風速分布相對均勻，z=530 mm截面處有較大的平均風速；z=1 030 mm處干燥風速提高，減小了垂直風速梯度，平均風速為0.50 m/s，比底部平均風速低約22%。

3.3 變截面靜壓送風干燥艙溫度場分析

在入口熱空氣設(shè)定為50 ℃時，對熱質(zhì)交換區(qū)的溫度場分布進行實測，將數(shù)據(jù)導入處理軟件得到溫度場分布云圖，如圖7所示，為熱質(zhì)交換區(qū)4個截面的溫度分布情況。

圖7 4個截面的實測溫度分布Fig.7 Measured temperature distribution of four sections

由圖7可知，熱質(zhì)交換區(qū)整體上部空氣溫度高于下部溫度，在除z=1 030 mm截面的其余三個截面處表現(xiàn)較為明顯。z=1 030 mm截面因靠近熱質(zhì)交換區(qū)頂部，平均風速較低，故該截面處熱空氣流量較小，雖受下層熱空氣補充，但并未造成過熱。

圖8 不同送風溫度時熱質(zhì)交換區(qū)各測點的平均溫度Fig.8 Average temperature of measurement points in the area for heat and mass exchange with different inlet temperatures

分別在40、50、60 ℃ 3種送風溫度條件下進行實測，得出不同送風溫度時熱質(zhì)交換區(qū)水平方向上各測點的平均溫度，如圖8所示。結(jié)果表明，空載條件下送風溫度不同時，熱質(zhì)交換區(qū)溫度分布均勻性差別較小，故適宜送風溫度范圍較寬，可根據(jù)具體物料確定。

4 結(jié)論

本文實驗對比了無靜壓層無變截面、有靜壓層無變截面、有靜壓層有變截面(角度分別為arctan (3/40)、arctan (1/10)、arctan (1/8))5種熱泵干燥艙結(jié)構(gòu)，得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)。對于該最優(yōu)結(jié)構(gòu)，推薦適合的風速和溫度條件。得出如下結(jié)論：

1)在入口風速為2.50 m/s，干燥溫度為50 ℃的情況下對比5種干燥艙內(nèi)的速度場分布，整體而言，有靜壓層和變截面能夠有效增加速度分布的均勻性，調(diào)整變截面角度(arctan(1/10))可使干燥艙內(nèi)風速分布更加均勻。

2)實測發(fā)現(xiàn)，有靜壓層有變截面(arctan (1/10))的干燥艙內(nèi)，調(diào)整入口風速可控制熱質(zhì)交換區(qū)的風速分布。設(shè)定入口風速為2.50 m/s時，熱質(zhì)交換區(qū)風速分布狀況較為均勻。

3)有靜壓層有變截面(本文角度為arctan (1/10))的干燥艙內(nèi)，調(diào)整送風溫度對熱質(zhì)交換區(qū)溫度分布均勻性影響較小。其適宜送風溫度范圍較寬，可根據(jù)具體物料設(shè)定送風溫度。

本文受南京市軟科學研究計劃(201706044)資助。(The project was supported by the Research of Soft Science in Nanjing (No.201706044).)