基于糧食干燥機旋轉管殼式換熱器設計與研究

刁顯琪，萬 霖，車 剛，李海龍，金中波

(黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

隨著我國糧食烘干產業的發展，提高烘干系統中換熱器的能源利用率，降低一次能源消耗，滿足節能減排的需求，提高單位能耗的產值已成為烘干產業的潮流，是干燥節能技術的關鍵[1-2]。東北地區糧食干燥適逢初冬時節，熱能損耗更為嚴重，而烘儲的質量和成本取決于高效換熱技術的應用。傳統的糧食干燥機換熱器多為板式換熱器和列管式換熱器[3-5]：板式換熱器傳熱系數高、傳熱阻力小、易清洗，但在換熱過程中密封性較差，容易泄漏造成能量損失，適用于型批式糧食干燥工藝；列管換熱器的應用較為廣泛，效率在70%左右，其結構簡單、易清洗，但氣體在糧食干燥過程中容易產生沉積，造成冷、熱氣體接觸不夠充分，且熱量損失較為嚴重[6]。

現代化大農業的快速發展將會使我國糧食的產量在未來幾年得到大幅提升，對干燥系統的生產能力和節能減排等方面提出了更高的要求[7]。目前，針對大批量谷物干燥的換熱器種類較少，現有的換熱器存在的主要問題是：熱量損失嚴重，冷、熱氣體分布不均勻，能源利用率低，換熱量小，換熱效率低等。為解決上述問題，為大批量糧食干燥提供保證，基于傳統的列管式換熱器創新設計了一種氣體分布均勻、換熱量大及能源利用率高的旋轉管殼式換熱器，并通過SolidWorks建立了三維實體模型及樣機，運用FLUENT進行了分析，驗證了方案的可行性。

1 現有的糧食干燥機換熱器分析

國內外設計了多種不同結構的換熱器，許多學者運用FLUENT對各種結構的換熱器的傳熱性能進行了分析[8-12]。根據傳熱原理和實現熱交換的方法，將換熱器分為間壁式、混合式和蓄熱式[13]，具體分類如圖1所示。目前，換熱器技術發展良好，但大部分結構復雜、成本較高，并不適用于大批量的糧食干燥生產中。

圖1 換熱器分類

現階段，糧食干燥機換熱器多采用板式換熱器和列管式換熱器。其中，板式換熱器流阻大，流道小，容易發生阻塞，而列管式換熱器流阻較板式換熱器小，因此針對大批量糧食干燥機多采用列管式換熱器，如圖2所示。這種換熱器結構簡單，與其他種類換熱器相比換熱量大，流阻小，但易造成氣體沉積、易結垢、熱量損失嚴重，所以無法實現大批量糧食干燥的快速生產。

圖2 列管式換熱器

2 基于強化傳熱理論旋轉管殼式換熱器創新設計

2.1 強化傳熱理論

強換傳熱的目的是提高換熱器的傳熱系數，由牛頓冷卻定律可知

Q=hAΔtm

式中Q—換熱器的換熱率(J);

h—換熱器的總傳熱系數(W/m2·K);

A—換熱器的換熱面積(m2);

Δtm—換熱器冷熱流體的平均溫差(K)。

強化傳熱過程，將對流強化技術分為主動強化和被動強化：主動強化技術的應用不如被動強化技術應用的廣泛；被動強化技術可分為處理表面、粗糙表面、擴展表面、擾流元件、旋流發生器、螺旋管和表面張力器件等[14]。大多數換熱器采取通過擴展表面的方法，即增大換熱器換熱面積來提高換熱器的換熱效率[15-16]。

2.2 基于強化傳熱理論旋轉管殼式換熱器創新設計

基于強化傳熱原理，針對傳統的逆流列管式換熱器，為了提高其換熱性能，解決氣體分布不均勻等問題，可通過擴展傳熱表面、增加擾流的方法來提高換熱器的殼程傳熱性能。因此，在殼程內側安裝螺旋葉片，并使其具有轉速，形成旋轉葉片機構，如圖3所示。使殼程內煙氣形成擾流，增大了換熱面積，延長冷、熱氣體的傳熱時間，避免熱煙氣快速通過換熱器。

根據熱平衡方程得

式中qm1、qm2—冷、熱氣流質量流量(kg/s);

cm1、cm2—冷、熱氣體比熱容(J/kg·K);

旋轉管殼式換熱器是基于逆流列管式換熱器的創新設計，假設傳熱系數不變，換熱器無散熱損失，質量流量和比熱容都是常量，根據對數平均溫差法可知

其中，Δtmax、Δtmin為A=0時Δt′和Δt″最大值和最小值。

圖3 旋轉葉片機構

3 旋轉管殼式換熱器三維模型設計

3.1 旋轉管殼式換熱器三維模型設計及工作原理

根據強化傳熱理論，對傳統的糧食干燥機列管式換熱器創新設計了旋轉葉片機構。運用SolidWorks軟件將各部件進行裝配，改進后的列管式換熱器三維模型，如圖4所示，各結構參數如表1所示。

1.導熱管 2.旋轉葉片機構 3.被動齒輪 4.驅動齒輪 5.電機

參數單位數值殼體內徑mm610螺旋角(°)135

續表1

創新設計后的逆流式換熱器主要由驅動電機、驅動齒輪、被動齒輪、旋轉滾筒、螺旋葉片和傳熱管組成。冷空氣從入口A′進入換熱器管程，熱煙氣從入口B′進入換熱器殼程，電機通過齒輪嚙合使旋轉葉片機構在被動齒輪的帶動下進行轉動，殼程煙氣在旋轉葉片機構的作用下，產生離心力，使殼程煙氣形成擾流，避免了殼程煙氣的沉積，同時延長了煙氣在殼程內的流動時間，避免煙氣快速通過換熱器將熱量帶走，節約能源，滿足節能減排的需求，同時滿足了我國農業大批量糧食加工的需求。

3.2 旋轉管殼式換熱器的仿真

利用SolidWorks三維建模軟件對旋轉管殼式換熱器的各部件進行建模，并進行裝配和運動仿真。結果表明，換熱器結構設計合理，在運動仿真的過程中，各零件沒有發生干涉現象，運動平穩。

4 旋轉管殼式換熱器的有限元分析

利用ANSYS軟件對換熱器在轉速為0r/min和10r/min，冷氣風速為1.5m/s，冷氣溫度為5℃，煙氣風速2.5m/s，煙氣溫度為100℃的條件下分別進行有限元分析。流體物理性質如表2所示。

表2 流體物理性質

湍流模型采用k-ε模型,采用SIMPLE算法，動量和能量離散采用二階迎風格式，精度為10-5。

4.1 溫度場

由圖5可看出：0r/min的旋轉管殼式換熱器管程中心有大量的低溫氣體聚集，列管周圍由低溫氣體包圍，而10r/min的旋轉管殼式換熱器管程低溫氣體聚集程度明顯低于0r/min時，且殼側高溫煙氣在旋轉葉片機構的作用下形成了擾流，避免了列管周圍低溫氣體的包圍。

(a) 0r/min

(b) 10r/min

由圖6可看出：10r/min的旋轉管殼式換熱器殼程流體整體混和均勻，換熱效果變化平穩；而 0r/min的旋轉管殼式換熱器殼側高溫煙氣在中心軸線附近溫度明顯低于10r/min的旋轉管殼式換熱器，且列管中心處溫度低且集中，低溫氣體聚集在列管中心處，溫度分布不均勻。這種現象主要是由于漏流導致低溫氣體與高溫氣體摻混不夠，所以溫度變化較慢。

(a) 0r/min

(b) 10r/min

4.2 壓力場

兩種轉速下的換熱器的殼程壓力云圖，如圖7所示。由圖7可看出：壓力場整體分布均勻、0r/min情況下，殼程壓降在6.45Pa左右，10r/min 殼程壓降為6.34Pa左右。這種現象的主要原因是由于糧食干燥機所需熱風速率較低，因此入口風速較低，進出口壓降較小，殼程平均壓強也較小。

(a) 0r/min

(b) 10r/min

4.3 綜合性能

綜合性能指標采用Nu/f1/3評價換熱器殼程傳熱性能[17-19]。努塞爾數為

式中l—傳熱面幾何特征長度(m);

λ—導熱系數[W/(m·K)]。

在煙氣入口溫度100℃、入口風速2.5m/s、冷氣入口溫度5℃、入口風速1.5m/s工況下，FLUENT計算結果：0r/min換熱器的殼程傳熱系數為4.11, 綜合性能為3.98；10r/min換熱器的殼程傳熱系數為6.60，綜合性能為6.39，綜合換熱性能提高了60.6%。

5 結論

1)針對糧食干燥機換熱器現有的問題進行了分析，基于強化傳熱創新設計了適用于大批量糧食干燥機的旋轉式換熱器，解決了煙氣沉積，換熱效率低，能源利用率低等問題。

2)建立三維模型，進行運動仿真，各零件之間沒有干涉，運動平穩，結構設計合理。

3)進行有限元分析，得到溫度場和壓力場的分布云圖，分析換熱器綜合性能。結果表明：該換熱器工作性能良好，改善了高溫煙氣在殼程內的分布，殼程壓降小，殼程綜合性能提高了60.6%，為后續的設計制造及試驗研究奠定了基礎。