旋转圆盘干燥机中物料推进器输送特性研究*

李 渊 葛仕福 杨叙军 涂 勇 丁 晶

（1.东南大学能源与环境学院 2.无锡国联环保科技有限公司 3.江苏省环境科学研究院)

旋转圆盘干燥机中物料推进器输送特性研究*

李 渊**1葛仕福1杨叙军2涂 勇3丁 晶1

（1.东南大学能源与环境学院 2.无锡国联环保科技有限公司 3.江苏省环境科学研究院)

研究了旋转圆盘干燥机的转速、推进器角度、推进器个数及排布情况、物料粒径等因素对干燥机中物料输送通量、停留时间和充满度的影响及其变化规律，建立了物理模型和数学模型。得到物料输送通量半经验公式，其与实验数据的均方根误差小于5%。结果表明，干燥机转速越大、推进器向前排布个数越多，在物料粒径较大时体积通量越大，停留时间越短；当干燥机转速较小、物料粒径较小、推进器为前后分布时，能得到较大的充满度。

旋转圆盘干燥机 物料通量 停留时间 充满度 干燥

旋转圆盘干燥机是一种间接式干燥设备，国外已广泛应用于化工、食品、饲料等行业，近年来国内也对旋转圆盘干燥机干燥污泥进行了相关探讨。旋转圆盘干燥机与其它形式的干燥机相比，具有许多突出的优点[1]： （1）热效率高，能耗低，其热效率可达70%以上； （2）可调控性好，加热盘的数量、加热介质的温度和物料的停留时间等均可根据需要进行调整； （3） 被干燥物料不易破损；（4）无振动，低噪音，运转平稳，操作容易。

旋转圆盘干燥机运行时，湿物料从一端进入，另一端排出，物料运动由设在圆盘顶端的推进器控制。物料在干燥过程中，水分不断蒸发，物料体积不断减小[2-3]。如果推进器设置不当，会出现干燥机后端圆盘不充满物料的现象，干燥机的传热面积无法得到充分利用，单位面积的干燥能力下降。许多学者研究了旋转圆盘干燥机干燥过程中的传热过程，建立了相关传热模型，但对旋转圆盘干燥机内物料输送特性的相关研究寥寥无几[4-6]。物料在干燥机内的推进过程非常复杂，本文试图建立物料推进过程中的力学模型，实验研究转子转速、刮板数量、角度和物料种类对物料输送特性的影响，探讨物料运动规律，这对于充分利用干燥面积，优化干燥机结构，提高干燥机单位面积的干燥能力，具有一定的指导意义。

1 实验研究

1.1 实验装置

图1为旋转圆盘干燥机实验装置。它主要由外壳、圆盘和驱动装置组成。为便于观察、拍照及测量，外壳由有机玻璃制成，其长1.2 m，直径0.3 m，有效容积约为0.085 m3。圆盘是旋转圆盘干燥机的核心部件。本实验装置共设有20组圆盘，圆盘直径220 mm。圆盘顶端焊有推进器支架，不同角度的推进器通过螺栓与推进器支架相连。实验时，物料由螺旋进料机均匀送入进料口，转轴缓慢旋转，物料在推进器作用下向前移动，从入口侧推向出口侧。

图1 旋转圆盘干燥机实验装置

采用秒表测量物料停留时间；采用电子天平和量筒分别测量物料质量和堆积体积。

1.2 实验方法

实验分别以黄豆和大米为物料，研究物料粒径不同时旋转圆盘干燥机内物料推进速度以及充满度。转速通过电机转速调节按钮调节，设置为2、3、5 r/min。推进器角度分别选用30°和45°。推进器安装时，安装方向朝前则推动物料向前运动，安装方向朝后则反之。转轴上有20个圆盘，每个圆盘上有4个推进器支架，最多可安装4个推进器，前后圆盘上支架为交叉排布，相邻两个圆盘为一组。实验中前后两个圆盘上推进器安装情况为：1前1前、1前1后、2前2前、2前2后、3前3前、3前3后以及无推进器 （以2前2后为例：相邻两个圆盘其中一个安装两个推进器，方向向前，相邻另一个也安装两个，方向向后，以此类推）。

实验时，设定转轴转速并保持恒定，用螺旋进料机均匀送料，并始终保持干燥机进口处处于充满状态。当出口处有物料流出时，测定单位时间内物料流出量，直至流出量稳定，此时内部物料流动处于稳定状态。然后向实验机内放入4个示踪粒子（示踪粒子采用经过染色的相同物料），记录示踪粒子从进入到流出所用时间，取平均值作为物料停留时间。每组实验完成后拍照，并测量此时实验机内部剩余物料的体积。

1.3 数据处理

实验机从进口到出口总长度为L，通过秒表测得示踪粒子平均停留时间为T，物料平均速度V为:

物料输送通量q通过测量出料口处单位时间物料的流出量得到。

物料堆积密度ρ采用下列方法得到：

其中，Vi为物料体积，用量筒测出；Mi为体积Vi的物料的质量。每种物料做四组实验，取其平均值得到堆积密度ρ。

实验结束后拍照，用直尺测量其料位高度。

2 模型建立

2.1 物理模型

在物料推进过程中，圆盘上的推进器做圆周运动，通过推进器有效面积及倾向角度推动物料前进。图2为简化的物理模型，由图可知推动物料前进的为X方向的力。

2.2 数学模型

如图2所示，推进器旋转产生的线速度为：

式中，R为推进器平均半径，m；n为干燥机转速，r/min。

图2 推进器物理模型

设推进器角度为α，则在推进器法向方向上的分速度V1为：

物料在V1方向上的质量流量为：

其中，ρ为物料堆积密度，F为推进器面积。将通量q1分解至X方向，得到：

考虑到干燥机内物料运动情况复杂，采用修正系数k、m对式 （6）进行修正，得到物料推进质量通量公式：

式 （7）为一个推进器处物料推进质量通量。假设一个圆盘上安装N个推进器，则物料推进总通量为:

2.3 模型拟合

对式 （8）两边取对数，得到：

利用实验数据对式 （9）、式 （10）进行拟合，结果见图3。

图3 lnq～lnA关系图

图3拟合直线的斜率为0.032，截距为0.956，相关系数 R2为 0.91，所以 k=e0.956=2.6，m=0.032。由此可得到物料推进通量的半经验公式为：

将实验数据与半经验公式 （11）进行比较，见图4，通过计算得到二者均方根误差为4.9%，可见式 （11）与实验值吻合较好。

图4 半经验公式计算值与实验值的比较

3 物料推进通量及停留时间影响因素

3.1 转速

以黄豆为物料，在推进器角度为45°、推进器数量为2个的条件下，转速对推进通量和停留时间的影响如图5所示。随着转速的提高，单位时间内推动物料增多，通量增大，停留时间相应减小。

图5 转速对物料通量和停留时间的影响

3.2 推进器角度

实验选取了30°和45°两种推进器角度，角度对物料流出通量及停留时间的影响如图6所示。

由通量公式可知，速度和通量与角度有关，当α=45°时，通量最大，停留时间最小。

图6 推进器角度对流出通量和停留时间的影响

3.3 推进器数量及排布

推进器数量越多，圆盘转动时推动的物料就越多，即物料流出通量增大，停留时间减小，如图7所示。当前后两个圆盘安装推进器角度为向前、向后排布时，向前的推进器对物料产生向前的推动力，而向后的推进器则产生相反的推动力。理论上这两个力是相互抵消的。但由于两个方向力的存在，物料在干燥机内部运动剧烈，碰撞大，进料口物料充满，使得前面物料对后面物料的推动作用更加频繁。此种情况下物料通量比没有安装推进器时增加，但增加效果不明显，对比效果如图8所示。

图7 推进器数量对流出通量和停留时间的影响

3.4 物料粒径

由通量公式可知，物料堆积密度是一个重要的影响因素，堆积密度与物料的粒径有关。以大米和黄豆为物料，当转速为5 r/min、推进器角度为45°时，物料粒径不同引起的填充密度的差异对流出通量及停留时间的影响见图9。由图9可见，大粒径物料停留时间短，物料通量小。

4 旋转圆盘干燥机结构优化设计

图10示出了转速、推进器排布和粒径对物料充满度的影响。由图10可知： （1）转速越大，物料充满度越小； （2）推进器前后排布时对提高充满度有显著提高，并且由于前后排布使得物料局部来回运动，使停留时间增大； （3）粒径越大，充满度越小。因此，在可调节范围内减小转速，减小物料粒径，使相邻推进器安装为前后角度，有利于提高干燥机内部物料充满度，提高干燥机单位面积干燥能力。

综合考虑上述因素，设计旋转圆盘干燥机推进器数量及排布如表1所示。

图8 前后推进器排布对物料通量和停留时间的影响

图9 物料粒径对通量和停留时间的影响

图10 不同条件下的料位高度

表1 设计推进器数量及排布（表中符号+表示向前，-表示向后）

图11为优化方案与其它推进器排布方案充满度实物图比较。图12为优化方案料位高度与图10中最优充满度，即大米在2前2后、2 r/min条件下的比较。由图12可看出料位高度在实验机内变化情况。由于保持进料口处物料充满，所以进料端圆盘处物料几乎充满。随着物料移动，料位高度开始下降，尤其在圆盘12～16处下降趋势较为明显。此段优化方案采用较少推进器数量，使此段物料通量较小，提高充满度。出口端充满度较低，优化方案采用少量推进器，降低物料推进速度，同时采用推进器角度向后，这样有利于提高充满度。

图11和图12表明：实验中所提出的优化方案效果明显，可充分利用干燥机面积。

图11 不同条件下的料位高度实物图

图12 优化方案与大米在2前2后、2 r/min时料位高度比较

5 结论

（1）实验得到物料通量半经验公式：

物料通量与转速、圆盘半径、推进器向前安装的数量、推进器面积、粒径等因素成正相关，且推进器角度在45°时通量最大。

（2）物料停留时间与转速、圆盘半径、推进器向前安装的数量、推进器面积、粒径等因素成负相关。

（3）实验机充满度与转速、推进器向前安装数量、粒径等因素成负相关，推进器角度前后排布有利于提高充满度。

（4）提出了实验机推进器布置优化方案，实验证明该方案充满度较高，可充分利用干燥机面积。

[1]刘宝庆,蒋家羚.旋转圆盘干燥机转子圆盘的力学模型[J].农业机械学报，2005,36(8):45-48.

[2]许小宁，邓文义，李晓东.污泥在桨叶式干燥机内干化特性研究 [J].能源工程，2007（3）:53-55.

[3]He Huabo.Calculating the heat transfer coefficient of a tube rotary dryer using the particle heat transfer model[J]. Chemical Engineering Machinery，2003，30(4)：214-216.

[4]潘永康，王喜忠，刘相东.现代干燥技术 [M].北京:化学工业出版社,1998:1-180.

[5]Jiang Jialing.Test report of 300 m2alcohol grains dryer [R].Research Institute of Chemical Mechanic and Engineering of Zhejiang University,1995.

[6]武清忠,朱民禄.外加热内筒真空旋转干燥器的研制[J].武警技术学院学报,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）水体污染控制与治理科技重大专项（2010ZX07319-002）；（2）江苏省2012年环保科研计划（2012033）。

**李渊，男，1988年生，硕士研究生。南京市，210096。