盐泥干燥室导流板的流场分析及结构改进

朱桂华 李忠锴 魏 钊 洪泽玉

（中南大学机电工程学院）

近年来， 热泵干燥技术被广泛应用于木材、种子等物料的干燥过程中［1～3］。针对不同的物料特性，热泵干燥技术的干燥室结构和干燥方式也不尽相同：干燥室结构有顶风式［4］、侧进风式［5］；干燥方式有穿流式［6］、水平气流式［1，7］。 因此，为了实现对特定物料的干燥，需选择合适的干燥室结构和干燥方式。

盐泥作为一种固体废弃物，将其含水率降低至20%以下便可实现资源化利用［8］。 由于盐泥特有的干燥特性，目前利用热泵干燥技术对其进行干燥的研究较少。 文献［9］采用穿流式干燥方式，通过安装带孔铝板的方式使干热空气穿过盐泥层，改善盐泥的干燥效果。 但该方法中带孔铝板和盐泥层对热气流的动能产生了极大的损耗，影响了热气流速度对盐泥干燥的效果。 为此，笔者根据对流外掠平板的原理，采用横向水平气流式的干燥方式， 利用干热气流对流传热来干燥盐泥，从而提高其干燥效率。

1 干燥室三维模型

笔者选用的盐泥干燥设备二维模型如文献［9］所述。 在实际干燥过程中，盐泥经干燥室入口落在多孔链板上，盐泥跟随多孔链板移动，通过三层多孔链板的传送，盐泥得以在干燥室中进行热质交换，水分蒸发，盐泥含水率降低，从而达到干燥的目的，最后从干燥室出口排出。

为了简化计算，在三维建模时，忽略干燥室物料的入口和出口，忽略多孔链板的电机驱动机构，将盐泥简化为厚度50 mm的盐泥层。由于多孔链板为多孔结构，对热气流的流动有一定的阻碍作用，形成一定的压降，因此在简化模型时不能忽略多孔链板。 将多孔链板部分简化为平板结构，厚度为2 mm。简化后，干燥室的三维模型如图1所示。

图1 简化后的干燥室三维模型

2 干燥室流场数值模拟

使用简化后的模型，经初步仿真以及对雷诺数的计算，湍流仿真模型采用适用于各向同性均匀湍流的standard k-ε模型，盐泥层和多孔链板使用多孔介质模型［10］。

2.1 数学模型

在对模型内的流场进行模拟仿真时需要做出如下假设：

a.干燥室内部的气流均为不可压缩流且均满足Boussinesq假设；

b.干燥室内的气体流动为湍流流动，且为稳态；

c.干燥室内的气流视为不可压缩流动，且忽略流体黏性力做功所产生的耗散热；

d.干燥室内部气流的湍流黏性视为各向同性；

e.干燥室除入口和出口处外气密性良好。

干燥室工作时内部气流满足连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程。

连续性方程：

式（1）～（5）中，ρ为密度，t为时间，vx、vy、vz为x、y、z方向的速度分量；fx、fy、fz为x、y、z方向的单位质量力，p为压力，μ为动力黏性系数；T为温度，u为速度，k为热传导系数，Cp为定压比热容，Pr为普朗特数。

对于多孔介质模型， 其源项Si由粘滞损失和惯性损失两部分组成：

式中 C、D——系数矩阵；

vi——i向速度分量。

对于简单的、各向同性的多孔介质，源项可简化为：

其中， 渗透性系数α和惯性阻力系数C2的计算式为：

式中 Dp——盐泥颗粒的平均粒径；

φ——多孔介质的空隙率。

对于多孔链板， 只考虑其惯性阻力系数，忽略渗透性系数。 根据经验公式，多孔链板的惯性阻力系数计算式如下：

式中 A——多孔链板孔系数；

Af——多孔链板孔面积；

Ap——多孔链板总面积；

d——多孔链板厚度。

2.2 网格划分与边界条件

使用SolidWorks软件进行三维建模，使用design modeler进行流体域与盐泥、 链板区域的划分，使用mesh对流体域、盐泥、链板各区域划分网格，并对盐泥层和链板层进行局部加密，最终得到2 329 583个网格。

在实际应用中，热泵以5 m/s的速度将70 ℃的热风吹入干燥室入口，故将进口边界设置为速度入口，风速5 m/s，温度70 ℃，密度1.029 kg/m3，黏度2.06×10-5Pa·s。 出口设为压力出口，表压0 Pa。以多孔介质模型模拟盐泥层和多孔链板， 其中，盐泥颗粒的平均粒径为20 mm， 盐泥层的孔隙率为0.45%，多孔链板的孔隙率为0.05%；经计算，盐泥层的渗透性系数和惯性阻力系数分别为1 244 855.9、1 056.24， 多孔链板的惯性阻力系数为207.81。干燥室壁面为绝热壁面，边界类型设为无滑移壁面。

2.3 仿真结果及数据处理

盐泥层上方10 mm处的速度云图如图2所示，从下到上依次为第1层、第2层、第3层。 由图2可以看出，由于多孔链板和盐泥层对热气流的阻碍作用，热气流几乎从盐泥层与干燥室壁面间的空隙流过，盐泥层上方热风风速很低，导致干燥效率降低。 同时，由于干燥室为侧进风式，造成盐泥层上方的热气流速度分布不均匀，导致盐泥随多孔链板运动时，不同路径上盐泥干燥不均匀。 第3层盐泥上方的风速要远大于第2层和第1层的，但其分布不均匀；第2层和第1层盐泥上方的风速相差不大，但速度很小，对盐泥的干燥效率不高。 因此，当盐泥在第3层多孔链板上进行传送时，由于热气流速度较高， 干燥过程较快， 而传送到第2层、第1层时，由于传送链板对热气流流动的阻碍作用，使得盐泥上方热气流流动速度很小，导致盐泥干燥过程减慢，干燥效率降低。

图2 盐泥层上方10 mm处的速度云图

为了进一步对比优化，需要得到更加准确的仿真结果和仿真数据。 以干燥室底部中心为中心，长度方向为x方向，宽度方向为y方向，高度方向为z方向，建立参考坐标系，在每层盐泥上方10 mm处取100个（5×20）点作为数据监测点，如图3所示。

图3 监测点分布图

根据每个点的监测风速vij（第i行第j列的风速）可以得到盐泥层每层中每行的平均风速vi、平均风速v、标准差和不均匀系数M［9］。 其中，不均匀系数M用于评价风速分布的不均匀性， 其计算式为：

3 干燥室内部流场优化

3.1 原干燥室不足之处

由2.3节的数值模拟结果可知，干燥室盐泥上方的速度分布不均匀，另外大部分热气流从多孔链板与干燥室壁面的空隙间流过，未得到充分利用，导致干燥效果极差。

3.2 干燥室结构改进方案

根据多孔介质对流干燥的不可逆热力学和唯象热力学方法可知［11］，多孔介质的传质传热与气流速度等因素有关， 由于多孔链板的作用，每层之间的压差依旧存在，所以考虑提高热气流速度来提高干燥效率。 为了减小热气流动能耗散，并保证每层的流场分布一致，通过改进干燥室的结构来保证热气流能够流过盐泥上表面，避免其直接穿过盐泥层，同时使用外掠平板传热方式实现盐泥干燥。

考虑到干燥室为侧进风式的物理模型，笔者做出以下干燥室结构优化：

a.在x方向上， 盐泥层两端与干燥室内壁的间隙使用挡流板阻挡热气流的通过；

b.在y方向上， 盐泥层两端与干燥室内壁的间隙使用导流板对热气流强制导向。

改进后的干燥室三维模型如图4所示， 挡流板安装在盐泥层下方50 mm处， 导流板的布置需要确定3个参数： 导流板相对于盐泥层的安装高度H、引流板相对于盐泥层平面的安装角度θ和引流板的宽度W。这3个参数影响着盐泥层上方热气流的速度。

图4 改进后的干燥室三维模型

对流传热干燥过程中，干燥速率主要取决于物料本身内部湿分的迁移速度［12］，较高的气流速度在干燥过程中可以加快物料表面的汽化速率，有利于提高物料的干燥速率［13］。 但是气流速度不能过高，否则会降低热气流与物料之间的传热效果，因此盐泥层上方的热气流速度需要控制在合理范围内。

3.3 正交试验

为了得到合理的热气流速度，设计正交试验方案， 其中3因素分别是导流板相对于盐泥层的安装高度A、 引流板相对于盐泥层平面的安装角度B、引流板的宽度C，这3个因素彼此互不影响，采用L9（34）正交表来设计模型，并进行模拟仿真，结果见表1。

表1 正交试验方案及结果

表1中，K1、K2、K3分别表示不同因素值下仿真得到的平均速度总值；K1、K2、K3分别表示不同因素值下仿真得到的平均速度平均值；R表示同一因素不同值下的平均值的极差，极差用于反映各因素不同值对平均速度的影响程度，R值大表示该影响因素对平均速度的影响较大。 通过对比极差R可以发现， 各因素对平均速度的影响由大到小依次为高度A、角度B、宽度C。 因此优先考虑高度，取得其最佳值，然后再选取角度和宽度值。

根据文献［12，14］可知，盐泥层上方热气流速度在5～10 m/s范围内。 由表1可得，导流板的最佳布置方式为：导流板距离盐泥层的高度为100 mm，与水平方向的夹角为10°，导流板的宽度为300 mm，该参数下得到干燥室盐泥层上方热气流的平均速度为7.88 m/s。

3.4 仿真结果分析

网格和边界条件设置与2.2节相同，在新的结构参数下得到盐泥层上方10 mm处的速度云图如图5所示， 可以看到，3层盐泥层的风速整体较为均匀，且由于导流板的作用，风速得以提高。

图5 新结构参数下盐泥层上方10 mm处的速度云图

3层盐泥层x方向上y=0位置处的速度对比如图6（横轴“位置”对应于图3中的x方向位置分布）所示。 可以看出，应用导流板改进后的结构与原结构相比，虽然风速波动范围较大，但整体风速值也更大。 虽然热气流对盐泥的干燥方式不同， 但是在同等初始条件下， 通过流场的改善， 更快的风速更有利于盐泥颗粒中水分的传递与蒸发。

图6 3层盐泥层x方向上y=0位置处的速度对比

4 实验与验证

盐泥的初始含水率为30%。在实际工况下，每隔10 s于干燥室出口处平均间隔50 mm的5条路径上分别取样，共取20次。 经过称重-烘干-再称重的过程，计算20份样品的含水率ωi，得到总样品的平均含水率ω和20份样品的不均匀系数ξ。

样品的含水率计算过程如下：从干燥室出口处取盐泥样品，称重，质量记为m0；放入微波炉中，经10 min烤干后称重，质量记为m1，并再次放入微波炉进行烤干；经过反复烤干称重，直到mj=mj+1，此时盐泥样品的质量全为干基质量，计算得到盐泥样品的含水率ωi为：

分别测量原干燥室和改进后的干燥室的盐泥含水率，作对比实验。 同时利用干燥室内的速度传感器测出每层中间路径处的风速值，以验证仿真的可行性。 在实际读取数据时，传感器显示不再变化时记为该点处的风速值。

得到风速仿真值与实验值的对比如图7所示。 可以看出，风速仿真值随位置的变化趋势与实验值相近， 但是由于实验测量过程中存在误差，故仿真值整体较实验值略大。 经过对每层仿真值与实验值的相对误差计算，3层的相对误差平均值仅为11.17%，证明了仿真模型的可行性。

图7 风速仿真值与实验值对比

笔者分析仿真值与实验值之间出现误差主要有以下两方面原因：

a.干燥室的密封性达不到理想状态。 由于干燥室并不是完全密封的，所以实验测量的数据会略小于仿真值。

b.实验设备和数据读取时存在误差。 风速传感器在测量数据时存在误差，另外在人工读取数据时也存在不可避免的误差。

改进前后的盐泥平均含水率与不均匀系数见表2。 可以看出，应用导流板改进后的干燥室，在相同初始条件、相同时间内盐泥层的含水率可降低至12.84%，对盐泥的干燥效率较高，同时不均匀系数也得到了大幅降低，达到9.28%。

表2 改进前后的结果对比 %

5 结论

5.1 应用导流板可以改善盐泥上方层的流场分布， 通过正交试验确定了导流板的最佳布置方式。

5.2 改进后的干燥室相较于原干燥室，盐泥上方层的气流平均风速值提高到了7.88 m/s，热气流速度更快；经过计算可得，风速不均匀系数由33.4%降低至25.0%， 含水率不均匀系数由15.37%降低至9.28%，分布更均匀。

5.3 改进后的干燥室相较于原干燥室，在相同条件下， 盐泥平均含水率由17.32%降低至12.84%，干燥效率更高。