隧道式涂層電極干燥機的設計與研究

董高彬，丁武學，潘準峰

(1. 南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094； 2. 宜興恩創(chuàng)環(huán)保有限公司，江蘇 宜興 214200)

0 引言

隨著人們環(huán)境保護意識的提高，認識到水資源缺乏的嚴重性，污水資源化也顯得愈發(fā)重要。國家環(huán)境治理力度不斷加強，習近平十多年前就提出了“綠水青山就是金山銀山”的論斷，以“努力建設美麗中國，實現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展”為偉大目標，黨和政府也大力推進生態(tài)文明建設。通過外加電場，設計電化學反應的方法對生活污水、工廠廢水進行處理，避免對環(huán)境造成二次污染。這種環(huán)境友好型的水處理技術(shù)應用越來越廣泛，電解去污所使用的鈦基涂層電極也迎來了廣闊的市場前景。

電極基體主要為閥型金屬鈦，表面會生成堅固的氧化膜薄層，使電極基體電阻大幅增加，為了讓電解液獲得大電流只能增加外部電勢差，因此從經(jīng)濟性與可行性的角度考慮，電解污水時不能直接使用閥型金屬作電極。常見解決方法為：在基體表面包覆一層貴金屬鹽材料的活性涂層，增加鈦基體的耐電化學腐蝕性與導電性。熱分解法是最常見的生產(chǎn)涂層電極的方法，該方法為將貴金屬鹽溶液涂覆于基體表面，烘干后進行高溫燒結(jié)，金屬鹽通過熱分解的方式生成氧化物涂層。本文將針對涂層電極生產(chǎn)過程中的烘干操作設計相應的隧道式干燥設備，保證電極基體能夠均勻、高效地完成烘干。

1 隧道長度與濕物料運行速度

1.1 電極在隧道內(nèi)姿態(tài)的確定

板類零件干燥時，常見擺放方式有平放、平行于運動方向豎直擺放、垂直于運動方向豎直擺放。相較于豎直擺放，電極平放時涂層與料架之間接觸面積較大，烘干后電極與料架的接觸部位必然會留有明顯水漬，豎直擺放時電極與料架主要接觸部位為側(cè)邊，接觸面積較小，對涂層幾乎無影響。豎直迎風擺放時，板由于鈦基之間相互阻隔，每架電極只有邊緣處一塊電極受風，物料干燥較快，且兩邊電極對風場阻力大，中部數(shù)塊電極風速低，空氣濕度高，物料干燥緩慢，因而造成總體物料干燥不均勻，影響產(chǎn)品品質(zhì)。 本課題中采用順風豎直擺放的方式對完成涂覆后的鈦基進行烘干。

1.2 隧道長度的計算

待烘干電極為l1×l2=230mm×440mm形狀規(guī)則的矩形薄板類零件。使用料架搭載電極，擬每架搭載5片電極，每片間距X=100mm，插槽h1=5mm，料架尺寸L1×L2×L3=500mm×500mm×230mm；電極單側(cè)所攜帶溶液質(zhì)量近似為m1=5.9g。

求解隧道長度可從干燥器的干燥能力入手，根據(jù)干燥器干燥面積求得。隧道式干燥器干燥面積可由式(1)計算獲得

w=Gc(y2-y1)=kxF1(Δy)m

(1)

式中：w為干燥能力，kg/h；Gc為干燥器截面空氣流速，kg/(m2·h)；y1為入口空氣含濕量，%；y2為出口空氣含濕量，%；kx為汽化系數(shù)，kg(H2O)/(m2·h·Δy)；F1為每行面積，m2；(Δy)m為對數(shù)平均含濕量，%。

料架上每兩片電極間的間隙面積近似為S間隙=X×l1=100×230=23 000mm2。為計算簡便，每道間隙之間只取單側(cè)電極表面進行計算，則每個間隙的截面面積也只取一半，即

S1=50×230=11 500mm2=1.15×10-2m2。

根據(jù)已有生產(chǎn)經(jīng)驗，風速暫取ν1=2m/s，則每小時通過每道間隙的風量為：

Q1=ν1tS1=2×60×60×1.15×10-2=82.8m3。

每道間隙每小時流過的空氣質(zhì)量可由式(2)求得：

M1=ρQ1

(2)

式中：ρ為空氣密度，kg/m3，可由式(3)求得

(3)

式中:T為空氣溫度，℃。

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，空氣溫度取150 ℃，則空氣150 ℃條件下密度為ρ=0.835 kg/m3；將其代入式(2)中得每道間隙單位時間流過的空氣值質(zhì)量為M1=0.835×82.8=69.14 kg。

干燥器干燥能力由單位時間內(nèi)可干燥出的水分來表征，可由式(4)求得：

W=(y2-y1)M1

(4)

空氣含濕量取經(jīng)驗值，入口取y1=0.015，出口取y2=0.03。則理想情況下每小時可干燥出的水分為W=(0.03-0.015)×39.14=1.037 kg/h[1]。

對數(shù)平均濕含量(Δy)m可由式(5)解出：

(5)

式中y為物料表面空氣濕含量，%。

干燥過程中，為保證干燥效果，使出口空氣的含濕量不超過y=0.05，則：

Δy1=y-y1=0.035

Δy2=y-y2=0.020

由式(1)變換可得：

(6)

電極寬l1=0.23m，假設電極在隧道中緊密排列，那么沿隧道方向上每米長度、每道間隙之間待干燥的電極面積為：

S2=230×10-3×1=0.23m2

(7)

則隧道長度：

(8)

根據(jù)實際生產(chǎn)，進入隧道的料架之間定會有適當間隙，為后續(xù)設計與計算方便，隧道長度取整L=4.5m[1-2]。

1.3 料架運行速度的計算

為使涂層與基體之間緊密結(jié)合，干燥過程中需使溶劑充分揮發(fā)。干燥徹底的電極經(jīng)過熱氧化后，表面不會出現(xiàn)明顯裂紋，并且涂層與基體結(jié)合牢固，使用濾紙擦拭，其上不會出現(xiàn)明顯黑色。根據(jù)已有生產(chǎn)經(jīng)驗，待干燥電極在150℃環(huán)境下保溫3～5min即可使溶劑徹底揮發(fā)、涂層質(zhì)量達到要求。因此料架運行速度取為v料=4.5÷180=0.025m/s。

2 隧道內(nèi)流場仿真

本文將采用計算流體力學的方法對干燥器內(nèi)部流場進行CFD建模并求解，從而獲得隧道內(nèi)流場信息。

2.1 模型的建立

按所確定的電極擺放方式與隧道長度建立隧道內(nèi)流場模型如圖1所示。根據(jù)產(chǎn)能要求，每小時干燥125片，即13個料架，每片電極的干燥時間為3～5min，假設生產(chǎn)速度均勻，隧道內(nèi)料架數(shù)不會超過2架。由于劃分網(wǎng)格后電極處網(wǎng)格較密集，每多一架電極，網(wǎng)格數(shù)量和模型復雜程度將會巨幅增加。因此，隧道內(nèi)料架數(shù)目取2架即可?？紤]電極輸送方式與電極之間的相互遮擋，選取進排風方式為下進風、下排風，使?jié)裎锪显谒淼纼?nèi)逆流運行。為提高烘干系統(tǒng)的熱利用率，降低設備能耗，往往將排風口排出的仍具有較高溫度、濕度卻不是很高的廢氣循環(huán)加熱以排入隧道再次使用。使用工業(yè)熱風機作為氣源，并設置相應的漸擴裝置使熱空氣均勻地擴散至隧道內(nèi)。建立隧道內(nèi)流體域模型如圖1所示，表1為隧道部分關(guān)鍵尺寸[3-6]。

圖1 隧道內(nèi)流體域模型

2.2 求解結(jié)果

1)氣體流速均勻性指數(shù)

選取x1=315mm，z1=-1 200mm，z2=-3 300mm，3個面作為監(jiān)測面，圖2-圖4分別為x1、z1、z23個有代表性的監(jiān)測面的氣流速度矢量圖，記錄各個監(jiān)測面的風速均勻性指數(shù)。

表1隧道部分關(guān)鍵尺寸

圖2 監(jiān)測面x1風速云圖

圖3 監(jiān)測面z1風速云圖

圖4 監(jiān)測面z2風速云圖

隧道截面上的熱風均勻性對濕物料干燥過程的均勻性有重要影響。由于風量分布不均勻：風速較快的部位電極干燥速度快；氣流速度較慢的部分電極干燥較慢，造成總體物料干燥不均勻，甚至加重涂層龜裂，以致出現(xiàn)明顯裂隙。Fluent中可以通過均勻性指數(shù)γ來表征指定平面上某物理量的分布情況，由式(9)可計算截面上的風速均勻性指數(shù)。

(9)

γ取值范圍[0,1]，γ越大表示流動均勻性越好，1表示理想狀態(tài)下的均勻流動。所取3個截面的均勻性指數(shù)如表2所示。

表2 各監(jiān)測面風速均勻性指數(shù)

由速度云圖與表2可知：進口位置的各壁面結(jié)構(gòu)對氣流具有阻隔或?qū)虻淖饔?，氣流擾動劇烈，接近進口處熱風的流動均勻情況最差；隨著熱風在隧道內(nèi)運動距離增加，流速場趨于穩(wěn)定，均勻性指數(shù)逐漸增加；接近排風口的位置均勻性稍微有所降低。

2)隧道內(nèi)溫度均勻性指數(shù)

隧道內(nèi)溫度分布的均勻性對濕物料的均勻干燥有著重要影響，圖5為監(jiān)測面x1=315mm溫度分布情況，觀測并記錄其溫度均勻性指數(shù)。監(jiān)測面x1溫度均勻性指數(shù)為γ1=0.994 5。

圖5 監(jiān)測面x1溫度云圖

3)隧道內(nèi)平均溫度

圖6 監(jiān)測面z1溫度云圖

3 干燥設備其他關(guān)鍵參數(shù)

隧道結(jié)構(gòu)上除最關(guān)鍵的隧道長度、濕物料運行速度等參數(shù)決定著干燥設備的干燥能力外，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)諸如隧道截面尺寸、漸擴管形狀等在一定程度上也影響著設備的性能。本小節(jié)將結(jié)合上文隧道流體域的仿真結(jié)果進行正交試驗分析，尋求隧道截面寬度、高度、漸擴部分傾角等參數(shù)的最佳水平組合，為后續(xù)干燥設備的結(jié)構(gòu)設計提供參考[7-10]。

圖7 監(jiān)測面z2溫度云圖

3.1 實驗設計

為選擇最佳的參數(shù)組合，實驗選擇隧道口寬度、隧道高度、漸擴部分傾角、入口風速4個參數(shù)作為因素，每個因素3個水平，設計18組正交試驗方案，表3為正交實驗結(jié)果的統(tǒng)計。

隧道寬度A：600mm、650mm、700mm(分別記為A1、A2、A3)；

隧道高度B：350mm、400mm、450mm(分別記為B1、B2、B3)；

漸擴部分傾角C：30°、45°、60°(分別記為C1、C2、C3)；

入口方向D：45°、60°、75°(分別記為D1、D2、D3)；

回流位置E：1 500mm、2 500mm、3 000mm(分別記為E1、E2、E3)；

回流氣體比例F：1∶2 、1∶1、2∶1(分別記為F1、F2、F3)；

隧道上下表面曲率G：1 000mm、2 000mm、∞(分別記為G1、G2、G3)。

表3 正交實驗結(jié)果統(tǒng)計

3.2 實驗結(jié)果分析

極差分析法(R法)計算簡單，形象直觀，是正交試驗常用的結(jié)果分析方法。本次實驗指標有3個，分別為3個監(jiān)測面的風速均勻性指數(shù)，隧道內(nèi)溫度均勻性指數(shù)和隧道內(nèi)平均溫度。先采用極差法直觀分析各因素對單一指標的影響，然后對各指標的分析結(jié)果進行綜合比較，確定最優(yōu)方案。

因素A：取值A2時風速均勻性指數(shù)與溫度均勻性指數(shù)兩個指標均為最優(yōu)，因此取值A2為最佳水平。

因素B：取值B1時風速均勻性指數(shù)、隧道內(nèi)平均溫度兩個指標達到最優(yōu)，因此取值B1為最佳水平。

因素C：取值C1時溫度均勻性指數(shù)、隧道內(nèi)平均溫度兩個指標為最優(yōu)，則最佳水平取C1即可。

因素D：取值D3時風速均勻性指數(shù)、溫度均勻性指數(shù)兩個指標達到最優(yōu)值，則取值D3為最佳水平。

因素E：取值E3時隧道內(nèi)風速均勻性指數(shù)、平均溫度兩個指標達到最優(yōu)值，因此取值E3為最佳水平。

因素F：取值F3時隧道內(nèi)風速均勻性指數(shù)、溫度均勻性指數(shù)兩個指標達到最優(yōu)值，因此取值F3為最優(yōu)水平。

因素G：取值G2時隧道內(nèi)溫度均勻性指數(shù)、平均溫度兩個指標達到最優(yōu)值，取值G2為最優(yōu)水平。

因此綜合分析得到最佳水平組合為A2、B1、C1、D3、E3、F3、G2，即隧道關(guān)鍵尺寸為隧道長3m、隧道截面寬650mm、高350mm、漸擴傾角30°、入口方向75°、回流位置距離出口3 000mm、進氣與回流氣體比例2∶1、隧道上下表面曲率2 000mm。

4 結(jié)語

使用fluent軟件對隧道內(nèi)流體域進行了數(shù)值仿真，仿真結(jié)果結(jié)合正交試驗分析，以隧道內(nèi)風速均勻性、溫度均勻性等參數(shù)為指標，合理地選取了隧道截面寬、高穹頂曲率、進風方向等結(jié)構(gòu)參數(shù)，保證涂層電極得到均勻徹底的干燥，為后續(xù)干燥設備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計以及實際生產(chǎn)提供了參考。