带式烘干机风速场均匀性试验研究

张鹏飞 刘加伟 刘鑫 陈博 张琦 薛东晓

摘要：物料含水率均匀性是物料品质的重要指标，与烘干机内部气流均匀性相关。烘干机结构与工艺参数对烘干机内部流场均匀性产生较大影响。使用正交试验的方法研究导流板角度（30°、40°、50°）、侧风道均流板个数（1、2、3）与循环风机频率（20 Hz、30 Hz、40 Hz）对烘干机内气流分布的影响，找到最优的因素水平，使烘干机内部风速场最均匀。研究结果表明：风机频率对上料层的风速场影响最显著；导流板角度对上料层风速场影响最不显著。导流板角度对下料层风速场影响最显著；风机频率对下料层风速场影响最不显著。当因素水平组合为导流板角度30°，均流板3个，风机频率20 Hz时，烘干机内风速场最均匀。

关键词：带式烘干机；风速场均匀性；CFD仿真；DOE设计

中图分类号：S22

文献标识码：A

文章编号：20955553 （2024） 02013005

收稿日期：2022年9月2日  修回日期：2022年12月6日

基金項目：江苏省成果转化项目（BA2020071）；江苏省现代农业重点基金（BE2018360）

第一作者：张鹏飞，男，1981年生，山东威海人，博士，高级工程师；研究方向为饲料机械装备。Email： pengfeimy@163.com

通讯作者：张琦，女，1981年生，江苏苏州人，博士，副教授；研究方向为饲料机械装备。Email： qizhang@yzu.edu.cn

Experimental study on the uniformity of airflow velocity inside belt dryer

Zhang Pengfei1， 2， Liu Jiawei1， Liu Xin1， Chen Bo2， Zhang Qi1， Xue Dongxiao1

（1. School of Mechanical Engineering， Yangzhou University， Yangzhou， 225127， China；

2. Jiangsu Famsun Group Co.， Ltd.， Yangzhou， 225120， China）

Abstract：

The uniformity of feed moisture content is an important parameter related with pellet quality. That the structure and process parameters of the dryer influence the uniformity of air distribution inside the dryer， thus affecting the feed uniformity of the moisture content. Effects of different deflector angles （30°， 40°， 50°）， number of side air duct flow plate （1， 2， 3） and fan frequency （20 Hz， 30 Hz， 40 Hz） on airflow distribution are studied by the method of orthogonal experiment. The results show that the fan frequency has the greatest effect on the wind velocity field of the upper layer and the angle of the deflector plate has the least effect on the wind velocity field of the upper layer. The angle of deflector plate has the greatest influence on the wind speed field of the lower layer and the fan frequency has the least influence on the wind speed field of the lower layer. When factor level combination is 30° angle of deflector plate， 3 side air duct flow plates and 20 Hz fan frequency， the wind velocity field in the dryer is the most uniform.

Keywords：

belt dryer; wind velocity field uniformity; CFD simulation; DOE design

0 引言

饲料工业是影响我国经济的重点基础产业之一［1］。2022年，中国饲料工业总产值13 168.5亿元，比2021年增长7.6%；总营业收入12 617.3亿元，同比增长8.0%。水产饲料加工过程包含粉碎、膨化、烘干和喷涂［23］。膨化后饲料的水分含量高达20%，容易滋生霉菌，不利于饲料的存储与运输，需要进行烘干将水分含量降低到10%以下［4］。带式烘干机由于结构简单被广泛应用于工业生产中［5］。而物料水分均匀性是衡量饲料品质和烘干节能的关键，因此，有效提高饲料水分均匀性是大型节能带式烘干机（产量大于10 t/h）重要的研发方向［69］。

烘干机结构和工艺参数影响烘干机内风速场均匀性，从而影响物料含水均匀性［1013］。Amjad等［10］研制了一种新型的对角进风式间歇烘干机，通过CFD模拟的方式研究了新型烘干机内气流分布，发现对角进风结构设计能改善烘干机内部气流分布均匀性。Darabi等［11］将柠檬烘干机进风口的进风结构改为了风道进风结构，并在每个载物托盘下方都设有进风通道，缩短了柠檬的烘干时间，提高了柠檬的含水均匀性。Martin等［12］认为带式烘干机烘干物料含水率不均匀的主要原因是沿输送带的气流分布不均匀，从而导致了烘干机能耗升高。将可调节阀角度改为45°能使烘干机两侧流量相等，从而让气流分布更均匀。张航等［13］研究了影响烘干机内部流场分布的四个因素（物料层厚度、气流速度、气流温度、气流相对湿度），发现物料层厚度对气流风速分布的影响最大，其次为气流速度，温度和相对湿度影响最小。前期研究表明基于计算流体力学（CFD）可以很好地模拟烘干机流场。但是大型带式烘干机频率和结构等多因素对内部流场的影响尚不清晰。

本文以烘干机导流板角度（30°、40°、50°）、侧风道均流板个数（1、2、3）、循环风机频率（20 Hz、30 Hz、40 Hz）三个参数为研究对象，研究组合参数对烘干机料层表面风速场均匀性的影响规律，找到最优组合参数。

1 烘干机内部风速场均匀性试验

1.1 试验平台

图1（a）是烘干机试验平台。图1（b）是烘干机模型简图，包含进风口、出风口、换热器、循环风机、导流板、侧风道均流板等部件。空气从进风口进入烘干机，经过换热器在循环风机的带动下进入左侧风道，而后一部分热空气从上面穿过料层，另一部分向下穿过料层，空气与烘干物料产热湿热交换，带走物料中多余的水分，在排湿风机的作用下通过右侧风道，一部分气体离开烘干机，另一部分气体受循环风机的作用继续进行循环。

（a） 烘干机试验平臺

（b） 3D模型简图

1.进风口

2.出风口

3.换热器

4.循环风机

5.侧风道均流板

6.导流板

图2（a）是导流板结构示意图，烘干机导流板角度分别为30°、40°、和50°，导流板钢板厚度为3 mm，两板之间距离为170 mm，长度为2 000 mm，为便于更换，导流板与料层之间采用螺栓装配。图2（b）是侧风道均流板结构示意图，侧风道均流板尺寸（长×宽×高）为350 mm×3 mm×2 270 mm。为了避免均流板在气流的作用下产生晃动，对均流板进行了折弯处理，增强均流板的抗弯性能。

（a） 导流板角度示意图

（b） 侧风道均流板模型示意图

本试验用0.1 mm塑料颗粒来代替鱼饲料颗粒。将颗粒平铺在烘干机料层中，整个料层尺寸（宽×长）为2 000 mm×3 000 mm，上、下料层厚度分别为80 mm和100 mm。在两个料层表面各放有9个风速传感器（德国，Siemens，QVM62.1），用于采集物料表面风速。传感器在料层的具体分布位置如图3所示，传感器距料层两个边界的距离分别为400 mm与300 mm，传感器之间横向距离为1 100 mm，传感器之间纵向距离为700 mm。

1.2 试验设计

1.2.1 因素水平及选择

物料烘干后含水率均匀性与烘干机内部风速场均匀性相关［1923］。根据前期研究表明，烘干机内部风速场均匀性与导流板结构、均流板结构、料层厚度和风机频率等参数相关。根据本试验的烘干机设计，导流板角度可调控范围在30°～50°之间。因此，选择30°、40°、50°作为因素水平。根据侧风道的宽度限制，均流板个数不宜多于3个。因此，均流板个数分别为1个、2个、3个作为因素水平。循环风机频率可调节范围在20～40 Hz之间，因此选择20 Hz、30 Hz、40 Hz作为因素水平。试验因素与水平如表1所示。

1.2.2 正交试验设计

选用正交试验设计的方法进行试验设计。根据表1可知研究对象为三因素三水平，通过Spssau软件生成正交试验表L9（34），试验设计方案如表2所示。

表2中A、B、C为各因素编码值，每组试验重复两次后取平均值。用风速极差值来评价烘干机内部流场的均匀性。极差值越小代表料层表面风速场越均匀，反之则代表风速场不均匀，极差S如式（1）所示。

S=Xmax-Xmin

（1）

式中：

Xmax——

所测同组试验中的最大风速值，m/s；

Xmin——

所测同组试验中的最小风速值，m/s。

2 风速场均匀性试验结果与分析

2.1 风速场均匀性试验结果

根据上述试验方案设计表中的因素组合进行试验，料层表面各点风速值如表3所示。极差可以直观地表达出各因素对烘干机内部风速场均匀性影响的重要次序，因素的极差越小，表明其对风速场均匀性影响越小，反之，因素的极差越大，其对风速场均匀性影响越大。对表3中各试验因素的水平进行极差分析计算。

Rm=max（Km）-min（Km）

式中：

Rm——

第m因素极差，即第m因素各水平下的指标值的最大值与最小值之差，m/s；

Kmi——

每个因素中第m因素第i水平的试验结果极差之和的平均值。

如导流板角度A的极差分析如下：KA1=（0.2+0.3+0.3）/3=0.27，KA2=（0.25+0.45+0.2）/3=0.3，KA3=（0.3+0.2+0.25）/3=0.25，RA=KA2-KA3=0.05。根据K值大小判断各因素的最优水平，在本试验中风速值极差越小风速场越均匀，因此，m因素水平选择较小值。极差值可以判断各因素对风速场均匀性的影响程度，是确定重要因素和次要因素的根据。

2.2 导流板角度对风速场均匀性的影响

为了更直观地看出导流板角度、均流板个数、风机频率的变化值对风速场极差K值的影响，分别绘制图4，图5和图6。图4为导流板角度对风速场差异的影响，图4（a）为导流板角度对上料层风速场的影响。当导流板角度为50°时，上料层风速场极差值（KA3）为最小值0.25m/s；当导流板角度为40°时，上料层风速场均匀性最差，风速场极差值（KA2）为最大值0.3m/s。总体上看，风速场均匀性随导流板角度增加，呈现先下降后上升的趋势，因此选择导流板角度为50°时，上料层风速场最均匀。

图4（b）为导流板角度对下料层风速场的影响。当导流板角度为30°时，下料层风速场极差值（KA1）为最小值0.55m/s；当导流板角度为50°时，下料层风速场均匀性最差，风速场极差值（KA3）为最大值1.33m/s。总体上看，风速场均匀性随导流板角度的增加，呈现下降的趋势，因此选择导流板角度为30°时，下料层风速场均匀性最佳。

（a） 上料层

（b） 下料层

2.3 均流板个数对风速场均匀性的影响

图5（a）为均流板个数对上料层风速场的影响。当均流板个数为1个或3个时，上料层风速场极差值（KB1或KB3）为最小值0.25m/s；当均流板个数为2个时，上料层风速场均匀性最差，风速场极差值（KB2）达到最大值0.33m/s。总体上看，风速场均匀性随均流板个数的增加，呈现先下降后上升的趋势，因此选择1个或3个均流板时，上料层风速场最均匀。

（a） 上料层

（b） 下料层

图5（b）为均流板个数对下料层风速场的影响。当均流板个数为2个或3个时，下料层风速场极差值（KB2或KB3）为最小值0.78m/s；当均流板个数为1个时，下料层风速场均匀性最差，风速场极差值（KB1）为最大值0.88m/s。总体上看，风速场均匀性随导流板角度的增加，呈现先下降后保持不变的趋势，因此选择2个或3个均流板时，下料层风速场均匀性最佳。

2.4 风机频率对风速场均匀性的影响

图6（a）为风机频率对上料层风速场的影响。当风机频率为20 Hz时，上料层风速场极差值（KC1）为最小值0.2m/s；当风机频率为40 Hz时，上料层风速场均匀性最差，风速场极差值（KC3）为最大值0.35m/s。总体上看，风速场均匀性随风机频率的提高，呈现下降的趋势，因此选择风机频率为20 Hz时，上料层风速场最均匀。

图6（b）为风机频率对下料层风速场的影响。当风机频率为20 Hz时，下料层风速场极差值（KC1）为最小值0.55m/s；当风机频率为40 Hz时，下料层风速场均匀性最差，风速场极差值（KC3）为最大值1.08m/s。总体上看，风速场均匀性随风机频率的提高，呈现下降的趋势，因此选择风机频率为20 Hz时，下料层风速场均匀性最佳。

（a） 上料层

（b） 下料层

2.5 风速场均匀性分析

通过正交试验进行设计，最终对试验结果进行极差分析。通过对比各因素的极差值R的大小，可以确定各因素对风速场均匀性影响的重要次序，但不考虑交互因素的影响。对于上料层，风机频率（C）>均流板个数（B）>导流板角度（A）；对于下料层，导流板角度（A）>均流板个数（B）>风机频率（C）。根据上述分析，因素水平为A3B1C1（角度50°、个数1、频率20 Hz）或A3B3C1（角度50°、个数3、频率20 Hz）时，上料层风速场最均匀；因素水平为A1B2C1（角度20°、个数2、频率20 Hz）或A1B3C1（角度20°、个数3、频率20 Hz）时，下料层风速场最均匀。由于导流板角度对下料层的风速场均匀性影响最大，对上料层的风速场均匀性影响最小，因此，可以参考的最佳因素水平组合为导流板角度30°，均流板3个，风机频率20 Hz（A1B3C1）。

3 结论

本文研究了导流板角度（30°、40°、50°）、循环风机频率（20 Hz、30 Hz、40 Hz）和侧风道均流板个数（1、2、3）三個因素对于烘干机内部风速场均匀性的影响。

1）  风机频率对上料层的风速场影响最显著，风速场均匀性随风机频率的提高呈现下降的趋势；导流板角度对上料层风速场影响最不显著，风速场均匀性随导流板角度的增加呈现先下降后上升的趋势。

2）  导流板角度对下料层风速场影响最显著，风速场均匀性随导流板角度的增加呈现下降的趋势；风机频率对下料层风速场影响最不显著，风速场均匀性随风机频率的提高呈现下降的趋势。

3）  当因素水平组合为导流板角度30°，均流板3个，风机频率20 Hz（A1B3C1）时，烘干机内部风速场最均匀。

参 考 文 献

［1］唐明娟， 熊敏芬， 李秀良， 等. 我国饲料行业市场发展现状与趋势分析［J］. 广西畜牧兽医， 2020， 36（4）： 157-159.

［2］Zhang P， Wu P， Zhang Q， et al. Optimization of feed thickness on distribution of airflow velocity in belt dryer using computational fluid dynamics ［J］. Energy Procedia， 2017， 142： 1595-1602.

［3］曹康. “饲料质量控制与加工工艺”——现代水产饲料加工质量控制要点与加工工艺发展趋势［J］. 饲料工业， 2014， 35（1）： 9-16.

Cao Kang. Quality control and processing technology of feed -the main points of quality control and the processing technology development prospect of current aquaculture feed ［J］. Feed Industry， 2014， 35（1）： 9-16.

［4］Zhang Q， Shi Z， Zhang P， et al. Predictive temperature modeling and experimental investigation of ultrasonic vibrationassisted pelleting of wheat straw ［J］. Applied Energy， 2017， 205： 511-528.

［5］Zhang Q， Huang M， Wang J， et al. Investigation on airflow distribution under different feed thickness combined CFD modeling and experimental verification ［J］. Drying Technology， 2020， 39（3）： 306-323.

［6］王嘉麟， 謝焕雄， 李国鹏， 等. 固定床式花生荚果烘干设备匀风机构设计与仿真［J］. 中国农机化学报， 2019， 40（4）： 84-92.

Wang Jialin， Xie Huanxiong， Li Guopeng， et al. Design and simulation of uniform wind mechanism for fixed bed drying equipment ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2019， 40（4）： 84-92.

［7］陆锐， 谭鹤群， 黄正明. 立式干燥机干燥单元风速场均匀性的研究［J］. 湖北农业科学， 2013， 52（2）： 435-439.

Lu Rui， Tan Hequn， Huang Zhengming. Study on the uniformity of velocity field in the chamber of vertical dryer ［J］. Hubei Agricultural Science， 2013， 52（2）： 435-439.

［8］黄敏凤， 薛东晓， 张鹏飞， 等. 料层厚度对四层带式烘干机内气流分布的影响［J］. 南方农机， 2021， 52（12）： 10-12.

［9］Hempattarasuwan P， Somsong P， Duangmal K， et al. Performance evaluation of parabolic greenhousetype solar dryer used for drying of cayenne pepper ［J］. Drying Technology， 2019.

［10］Amjad W， Munir A， Esper A， et al. Spatial homogeneity of drying in a batch type food dryer with diagonal air flow design ［J］. Journal of Food Engineering， 2015， 144： 148-155.

［11］Darabi H， Zomorodian A， Akbari M H， et al. Design a cabinet dryer with two geometric configurations using CFD ［J］. Journal of Food Science and Technology， 2015， 52： 359-366.

［12］Bhner M， Barfuss I， Heindl A， et al. Improving the airflow distribution in a multibelt conveyor dryer for spice plants by modifications based on computational fluid dynamics ［J］. Biosystems Engineering， 2013， 115（3）： 339-345.

［13］Zhang H， Deng S. Numerical simulation of moistureheat coupling in belt dryer and structure optimization ［J］. Applied Thermal Engineering， 2017， 127： 292-301.