轉筒干燥機抄板撒料過程模擬及抄板優化

尹鳳交，杜 濱，趙改菊，王壽權，柴本銀，吳 靜

(1.山東天力能源股份有限公司，山東 濟南 250101；2.山東省科學院能源研究所，山東 濟南 250013；3.華能山東石島灣核電有限公司，山東 榮成 264300)

在工業生產中，轉筒干燥機是一種常見的干燥設備，其主要由回轉圓筒和內部抄板構成，結構比較簡單[1]。轉筒干燥機內物料的干燥過程是物料在轉筒內撒落與熱風接觸，物料吸收熱量水分蒸發使得物料脫水干燥[2]。抄板一般被用來強化物料與熱氣流的熱交換，因此通過正確選擇抄板的形式結構可以提高轉筒干燥機熱效率[3-4]。與實驗研究相比，計算機模擬抄板撒料過程更加方便、直觀，故計算機模擬常常用來改造和優化抄板的結構[5]。

筆者建立了轉筒干燥機轉動過程中抄板的持料量和撒料模型，并通過MATLAB編程考察了抄板安裝角和抄板類型對抄板傾盡角和撒料均勻度的影響，進而對抄板結構進行了優化，為轉筒干燥機抄板的設計提供參考。

1 抄板持料量和撒料模型的建立

圖1 轉筒截面坐標圖

針對抄板的持料量和撒料模型，國內外專家學者做了非常多的研究工作，也提出了眾多算法[6-8]，各種算法的區別主要是抄板上物料截面積的計算。持料量可以用截面積、抄板長度及物料密度的乘積表示，撒料過程則可看作是轉動過程中物料截面積的減小[1-4]。如圖1所示，抄板上物料的截面積是抄板位置、抄板幾何尺寸、轉筒負荷和物料動態休止角的函數[9]。

假設物料為自由流動的顆粒，則轉動過程中抄板上的物料自由表面與水平線的夾角一直為動態休止角，Glikin和Schofield推導出的動態休止角的計算公式[9]如下所示：

其中：φ-物料的動態休止角，rad；μ-動態摩擦系數；R3-抄板末端與圓心之間的距離，m；g-重力加速度，m/s2；ω-轉筒轉動角速度，rad/s；θ-抄板轉角，rad；α3-θ=0°抄板端點的水平夾角，rad。

抄板的幾何尺寸是在設計中設定的，抄板的截面輪廓可用分段的直線和曲線方程來表示。舉例：直角抄板按圖中坐標隨著轉筒干燥機的轉動，1點、2點、3點及4點的坐標可以用R、θ、α3的函數表示，可以得出隨著轉筒轉動，抄板的持料量可用下面公式表示：

其中：ρb-物料的堆積密度，kg/m3；L-抄板的長度m；R-轉筒的半徑，m；R2-2點與轉筒圓心的距離，m；α2-θ=0°時2點的水平夾角，rad。

2 模型中各參數的確定

2.1 休止角

運動休止角雖然是抄板模型中的重要參數但是很難測量，當顆粒運動速度不高時可用靜態休止角代替。注入法和排出法是測定靜態休止角的兩種方法。本文采用注入法測量了直徑10mm的污泥顆粒在含水率為75%時的休止角為70°。

2.2 抄板類型和尺寸

表1 模型中所涉及的抄板類型和尺寸

為了簡化計算過程，本文模型中選取轉筒半徑為1m。

3 結果及分析

3.1 安裝角對傾盡角的影響

抄板傾盡角是指當抄板上物料傾倒完畢時，抄板所轉過的角度，抄板轉過的角度越大，物料在整個上半周面上的撒料越均勻。本文選擇一段型抄板(抄板1)帶入模型進行研究，模擬結果如圖2所示。

圖2 一段式抄板不同安裝角時傾料曲線

由圖2可知，隨著安裝角的增大一段式抄板抄板傾盡角增大，但當安裝角增大為120°時，傾盡角也僅為100°，在整個上半周面上還是不能均勻撒料。

3.2 抄板類型對傾盡角的影響

由圖3可以看出，三種類型抄板的傾盡角：圓弧抄板>折彎抄板>一段型。在不改變抄板安裝角的情況下，可改變抄板末端的結構來改變傾盡角的大小。比較抄板轉角為零時抄板末段與轉筒壁面的夾角可以發現，抄板轉角越大傾盡角越大。在設計抄板結構時，設計人員應該在保證撒料均勻的同時，使抄板末端與轉筒壁面夾角盡量大于180°。

圖3 90°安裝角時不同抄板類型的傾料曲線

3.3 不同抄板類型對撒料均勻度的影響

圖4 不同類型抄板的撒料均勻度比較

圖5 不同尺寸折彎抄板撒料均勻度比較

為使物料充分與熱氣流接觸，按照撒料的合理性，撒料量應與所在位置的落料高度成正比[10-12]。物料在轉筒干燥機的上半圓周拋灑下來，落料高度在90°時最大，在0°和180°時最小。圖4和圖5為不同類型和尺寸的抄板撒料均勻度比較圖。

由圖4可以看出，一段型抄板的撒料均勻性最差，圓弧型抄板撒料也不合理。相比之下，折彎型抄板的撒料規律相對較好，兩端撒料量較少，中間段撒料量較多，初始階段撒料量也很大。于是進一步考察了不同尺寸折彎抄板的撒料規律，如圖5所示。隨著末段尺寸的增大，抄板的初始撒料量逐漸減小，終了撒料量逐漸增多，中間撒料量峰值向后推移，只改變抄板末端尺寸不能達到合理撒料的目的。

4 抄板的結構優化

通過模型研究可以發現：抄板在各處的撒料量與抄板上持料截面的物料自由表面長度有密切的關系，當物料自由表面長度與該位置的落料路程成正比時，撒料量最合理，而物料的自由表面長度完全可以通過設計抄板結構來控制。

設抄板轉過的角度為θ，此時物料的自由表面長度為l(θ)，落料高度為h(θ)，抄板末端在θ=0°時的坐標為(re，0)，轉筒的半徑為R，則由在轉動過程中抄板末端e點的坐標可得，

(3)

假設物料自由表面長度與落料高度成正比，比例系數為 ，即

h(θ)=k·l(θ)

(4)

物料自由表面在橫截面的交線由抄板輪廓和轉筒壁面圍成，通過改變抄板的輪廓，可以使物料的自由表面與其相交的交線長度和落料高度成正比。通過選取恰當的比例系數即可得到抄板的輪廓曲線，假定抄板不動，物料的自由表面相對轉動。設物料的休止角為φ，抄板的輪廓坐標為(xc，yc)，則(xc，yc)可以通過下面方程組求出：

通過聯立(4)、(5)、(6)，選取恰當的 值即可得到抄板的輪廓曲線。將轉筒半徑為1 m，物料休止角為70°，抄板末端坐標為(0.2，0)，帶入到模型中，可得當k=8.7時，抄板輪廓線與轉筒內壁相交，此時抄板的輪廓曲線如圖6所示。

圖6 抄板的輪廓曲線

圖7 改進后的抄板結構

由此得到的抄板輪廓與王文周[12]提到的三弧抄板極為相似，新型抄板的撒料很均勻，但當抄板位于轉筒干燥機筒底抄料的時候，入口就顯得過于狹窄不方便物料的進出，所以這種抄板需要在入口處加以改進。將抄板與筒壁接觸點進行改進，抄板的下部與壁面固定連接，抄板上部與內壁是鉸鏈連接如圖7所示。抄板向轉筒干燥機底部運動時，鉸鏈連接部分會因為重力的作用向下張開，保證物料的抄起，解決了入口處進出料難的問題。

5 小結

(1)建立了轉筒轉動過程中抄板的持料量和撒料模型，采用抄板持料截面積來表示持料量，截面積的變化量來表示撒料量。

(2)傾盡角主要受到抄板末段結構的影響，抄板轉角為零時抄板末段與轉筒壁面的夾角越大，傾盡角越大；在撒料均勻度方面，圓弧型優于折彎型,折彎型優于一段型，不能達到撒料量與落料空間成正比的合理撒料狀態。

(3)物料自由表面長度與該位置的落料路程成正比時，撒料量最合理，物料的自由表面長度可以通過設計抄板結構來控制，以此指導編程實現了對抄板結構的優化。