（农产品加工及贮藏工程专业论文）新型喷动床流体力学特性的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 喷动床是一种新型的干燥器，由于它的传热效率很高，结构简单，并能干燥热 敏性物质将得到广泛的应用。导向管喷动床作为一种改进的喷动床，突破了料层 高度的限制，其干燥效果更好。但是导向管喷动床的几何结构也有一定的限制。因 此导向管喷动床的放大研究成为目前更重要的任务。 本研究首先从流体力学角度分析了导向管出口的气流分布，并研究了物料在 导向管出口的力学特性，在理论上得到了导向管出口气流和物料运动特性的微分 方程组，并对方程组进行了求解。 在一个自制的导向管喷动床上用小麦做试验，来研究物料在导向管出口落回 到导向管中的比例以及在导向管外物料的分布，其结果和理论推导的结果很相似。 两者都表明，随着导向管直径的加大，相同风速下，导向管外的物料的分布没有相 应改变，物料落回导向管中的比例将相应增加。得到了物料落回比例和风速及导 向管直径的关系式。 在一个自制的全玻璃二维导流板喷动床上，迸行了小麦的喷动特性实验，直 观地研究了小麦在二维导流板喷动床中的运动情况及其动力学特性。 为了解决物料的回落以及在环形区分布不均匀的问题，本文提出了旋转导向 管的新概念，并对旋转导向管喷动床的空气动力学特性进行了分析，得出了旋转 导向管喷动床的运动特性方程以及压降的分析公式。 在自制的旋转导向管喷动床中进行了空气动力学试验。结果表明，旋转导向 管能改善物料的运动特性，并能改变物料落在环形区时的分布。而且，当导喷距 可以连续调节时，可以回避掉最大喷动压降。 分析了旋转导向管喷动床的干燥机理，并给出物料干燥的传热传质系数盼模 型。进行了小麦的干燥试验，对小麦的干燥速率，排气温度和湿度进行了研究。 关键词：导向管；喷动床；旋转导向管；流体力学特性；数学模型；干燥 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s p o u t e db e di so n eo fan e w - s t y l ed r y e rw h i c hw i l lb ea p p l i e dw i d e l yb e c a u s eo fi t s h i g h e rt h e r m a l e f f i c i e n c y , s i m p l el s t r u c t u r em i dc a p a b i l i t yo fd e a l i n gw i t hh e a t s e n s i t i v e m a t e r i a l sa n ds oo n d r a f tt u b es p o u t e db e d ，an e wi m p r o v e dd r y e r , i sm o r ee f f e c t i v e ， b e c a u s eo fi t se n l a r g e m e n to fb e dh e i g h t b u ti th a ss o m el i m i t a t i o n so fg e o m e t r y s t r u c t u r e ，s os c a l i n gu pt h ed r a f tt u b es p o u t e db e d i sa nu r g e n tt a s k t h eg a sd i s t r i b u t i o na n dh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fp a r t i c l ea tt h e o u t l e to f d r a f tt u b ei sd e d u c e d a n dd i f f e r e n t i a le q u a t i o n sw e r es e tu p t h es e to fe q u a t i o n sw e r e s o l v e d t h e n ，e x p e r i m e n t s ，w h i c hi su s e dt ot e s tt h ep e r c e n t a g eo fw h e a tf a l ! i n gb a c kt ot h e d r a f tt u b ea n dt h ed i s t r i b u t i o no fw h e a tf a l l i n gt ot h ea n n u l a r , i sc a r r i e do u tt h r o u g hi na d r a f tt u b es p o u t e db e d t h et h e o r e t i cv a l u ea n dt h ee x p e r i m e n t a lv a l u ea r es i m i l a rt o e a c ho t h e r , a n db o t ho ft h e ma l ls h o wt h a t ，a l o n gw i t ht h ee n l a r g e m e n to fd i a m e t e ro f d r a f tt u b e ，t h ep e r c e n t a g eo fw h e a tf a l l i n gb a c kt ot h ed r a f tt u b ei s c o n s e q u e n t l y i n c r e a s e d ，b u tt h ed i s t r i b u t i o no fw h e a ti nt h ea n m f l a rd o e s n tc h a n g e t h e e q u a t i o n ，w h i c hr e p r e s e n t sr e l a t i o n s h i pb e t w e e np e r c e n t a g eo fm a t e r i a lf a l l i n gb a c k ， d r a f tt u b ed i a m e t e ra n dv e i o c i t yo fg a si ss e tu p e x p e r i m e n t sw i t hw h e a ti s c a r r i e do u tt h r o u g hi nat w o d i m e n s i o nd r a f tp l a t e s p o u t e db e dw h i c hi sm a d eo fg l a s st os t u d yi t sh y d r o d ) ，n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa t l dt h e m o v e m e n to f w h e a ti nt h es p o u t e db e d t or e d u c et h ep e r c e n t a g eo fp a r t i c l e sf a i l i n gb a c ka n da s y m m e t r i cd i s t r i b u t i o ni n a n n u a l ，an o v e lr o t a t i n gd r a f tt u b ei sp r e s e n t e d i t sl l y d r o d y n a n a i cc h a r a c t e r i s t i ci s s t u d i e d ，a n de q u a t i o nt or e p r e s e n tp a r t i c l em o v e m e n ta n dp r e s s u r ed r o pa r es e tu p h y d r o d y n a m i ce x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u ti nar o t a t i n gd r a f tt u b es p o u t e db e d t h er e s u l t ss h o w 7t h a tt h er o t a t i n gd r a f tt u b ec a l li m p r o v et h em o v e m e n to fp a r t i c l e sa n d c h a n g et i md i s t r i b u t i o no fp a r t i c l ei nt h ea n n u l a r a l s ow i t ht h ed i s t a n c eb e t w e e ni n l e t a n dd r a f tt u b ec h a n g e dg r a d u a l l y ，t h em a x i m a lp r e s s u r ed r o pc a nb ea v o i d e d d r y i n gm e c h a n i s mi nar o t a t i n gd r a f tt u b es p o u t e db e di sa n a l y z e d t h em o d e lo f h e a ta n dm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n ta r es e tu p ad r y i n ge x p e r i m e n tf o rw h e a ti sc a r r i e d o u ti nt h eb e dt os t u d yd r y i n gr a t e ，t h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yo fe x i ta i r k e yw o r d s ：d r a f tt u b e ；s p o u t e db e d ；r o t a t i n gd r a f tt u b e ； h y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ；m a t h e m a t i c a lm o d e l s ；d r y i n g 江苏大学硕士学位论文 主要符号表 传热系数，w ( m 2 。c ) ，空气的导热系数，w ( m js ) b 一碰撞角，。c y 一锥底角，。c e 一空隙率 p 一气体密度，k g m 3 p 。物料密度，k g m 。 m 一物料旋转角速度 u 一气体粘性系数，p a s n 一修正的气体分率 n 一干燥效率 入一单相气体的摩擦阻力系数 e 一单相气体流过弯头的阻力系数 0c 一循环时间，s 0s 一停留日寸间，s b 一混合层厚度，m b 。一特征厚度，m c m - 一湿物料比热容，k j ( k g 。c ) c 。一固体粒子的比热，k j ( k g 。c ) c ，厂气体的定压比热，k j ( k g ，。c ) c d - 一阻力系数 d 。一物料当量直径。m d 厂物料直径，m d 导向管直径，m d 。一床层直径，m d i 一喷口直径，m d v 一空气中水分扩散系数，m 2 s d 一导向管弯头直径，i l l f b b a s s e t 加速度力，n f l 广- m a g n u s 力，n f b _ 浮力n f d _ 阻力，n f f 一重力，n f 一摩擦系数 g 一绝干物料量，k g s h 一混合物的膜系数 h g 一气体的膜系数 h 。_ 一进气湿度，k g k g 绝干气 h 。一排气湿度，k g k g 绝干气 h 一床层高度，m h 。一最大喷动高度，m k 一速度梯度 k 。一气固问传热系数 k 一新鲜空气量，k g 绝干气 l 一导向管长度，m m b 一床层物料量，k g m 。一进出物料量，k g s j t 】一床内物料质量循环率，k g s m 一力矩，n * s p ：一压力降，p a p f 一最大压力降，p a p 。一重位压力降，p a q ，导向管出口的气体流量，p a q 厂干燥过程热损失速率，w q 一导向管出口任一端面气流量，m 3 s q 一干燥系统总能量，w r 。一导向管出口断面的半径，m s 一颗粒迎风面积，m 2 t 。进气温度，o c t 。排气温度，。c 江苏大学硕士学位论文 1 1 r 一物料落回比例 u 一气流速度，m s u 厂导向管出口轴线上气流速度，m s l _ l m in - 最低喷动速度，m s u o _ 一导向管出口处气流速度，m s u 。r _ 一物料在r 方向速度，m s u 。x _ 一x 方向的沉降速度，m s v u 。r _ t 方向的沉降速度，m s u f 一导向管线速度，m s w 一物料循环量，k g s x 0 _ 一湿物料含水率，k g k g 绝干料 x ，一干燥物料含水率，k g k g 绝干料 x 一导向管底部与喷口距离，1 1 1 y 一导向管底部与锥形分布板距离， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文 的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密时。 学位论文作者签名：凛依欣艚蝴虢躯宏 泓加j 年月日 。r 年乞月心，日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文储虢康敢徙 日期：枷年月j i e j 江苏大学硕士论文 1 1前言 第一章绪论 1 1 1喷动床的由来及应用 喷动床( s p o u t e db e d ) 是流化床的一个分支，起步于2 0 世纪5 0 年代。加拿 大自然研究院( n a t u r a lr e s e a r c hc o u n e i l 即n r c ) 的g i s h e r 和m a t h u r 为了解 决小麦等颗粒状谷物的快速干燥问题，而设计了喷动床。喷动床是对传统流化床 的革新和改造，不仅克服了粗大颗粒不易流化的困难，而且在于燥热敏性物料方 面较流化床有明显的优势，具有结构简单、 处理量大、操作方便等特点，常规柱锥型喷 动床的结构如图1 ，1 所示。 尽管喷动床技术原来是一种处理小麦等 粗大、窄的筛分颗粒( 粒径d ， i m m ) 的流态 化技术，但随着对该技术研究的逐渐深入和 人们对喷动床干燥需求的不断提高，喷动床 的应用研究领域不断拓展，目前已有文章报 道喷动床应用于粘性强或粗块状颗粒的表面 涂层、涂料、悬浮液及溶液的干燥，也应用 于粉碎、造粒、煤燃烧和气化、铁矿石还原、 油页岩热解、焦炭活化、石油热裂解以及废 弃物处理、生物质热解等卜8 i 。 1 ，1 。2 喷动床干燥的特点 口 图i 1常规喷动屎基本结构示意吲 f i g 1 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f a c o n v e n t i o n a ls p o u t e db e d 喷动床是一种动态干燥设备，在各种先进干燥设备中已经崭露头角，有其独 特之处，吸引着厂家和众多的学者： ( 1 ) 颗粒在床内有规律的循环运动使喷动床造粒可以得到具有高强度和高球 形度的粒状产物。床内物料受到磨损而适用于脱壳、热解等。 ( 2 ) 操作压降比流化床要低，喷动的颗粒只占床层颗粒中很少的一部分，所 以鼓风机的风压与风量要低得多。 ( 3 ) 气流的喷动加热为瞬时加热，因此温度控制相对容易，可以处理热敏性 物料：另外，用喷动床干燥可以做到加热均匀，避免了传统静态干燥传热不均、 江苏大学硕士学位论文 影响总体质量的弊病。 ( 4 ) 结构简单无提升斗等移动部件，无分布板，占地面积小，设备成本低。 1 1 3 典型喷动床的原理 经过近5 0 年的发展，喷动嘛已经具有许多种形式，但最典型的喷动床是柱锥 形喷动床。图1 1 是其示意图。喷动床主要是由圆柱主体，底部倒锥及入口喷嘴 三大部分组成。流体( 通常是气体) 由喷嘴垂直向上射入，当流体速率足够高时， 将穿透颗粒床层而在床层内产生一个近似的圆柱形通道称为喷射区( 或称喷动 区) 。当颗粒再升至高过床层表面某一高度时，颗粒便会像喷泉样因重力而回落 到四周，形成喷泉区，并缓陧向下移动，进入环隙区( 或称环形区) 。物料在环隙 区缓慢向下运动直至倒锥形底部，最后又渗入喷射区被重新夹带上来。这样周而 复始形成了颗粒有规律的内循环运动。这种循环运动不仅引起气流夹带颗粒，加 剧了气流与颗粒间的热质交换，达到了加速干燥的目的，而且喷射区与环隙区的 互相渗透也促进了颗粒自身间的碰撞混合，有效地避免了局部过热，使产品湿含 量保持一致，而更重要的是颗粒的再循环实现了颗粒与热空气在床层内有规律的 间歇接触i 9 1 0 0 1 。 1 1 4 典型喷动床喷动状态的影响因素 在喷动床内，维持喷动状态需要一定范围的气流速度，而且，与床身的几何 尺可以及物料的特性等因素有关。一般来说，喷动床适用于直径d = l 8l l l m 的颗粒 物料，而均匀的颗粒物料有利于喷动的稳定。当颗粒大小不均匀时，容易产生偏 析。进气口位冒与进气口直径也会影响喷动稳定性。对于稳定的无脉动喷动床， 绝大多数物料要求喷动床锥底角y 要大于4 0 。，常用6 0 。或7 0 。 1 1 5 喷动床与流化床的对比 1 1 5 1 相似处 喷动床技术作为流态化技术的一个新应用，保留了流化床的些特点： ( 1 ) 都有明显的临界气流速，只有达到这个临界值，颗粒床层才分别开始喷 动和流化。 ( 2 ) 形成稳定流化或喷动床后，操作压降维持不变。 ( 3 ) 流化床如运作不当会将形成沟流、腾涌现象，而喷动床如操作不当会使 喷动床死床、鼓泡或腾涌。 ( 4 ) 在具有物料可流动性、相对均匀的温度分布以及较好的传热特性等优点 的同时，【乜存在气体短路、固体返回、颗粒扬析及磨损等缺点。 江苏大学硕士学位论文 影响总体质量的弊病。 ( 4 ) 结构简单无提升斗等移动部件，无分布板，占地面积小，设备成小低。 1 1 3 典型喷动床的原理 经过近5 0 年的发展，喷动嘛已经具有许多种形式，但最典型的喷动床是柱锥 形喷动床。图1 1 是其示意目。喷动床主要是由劂柱主体，底部倒锥及八口喷嘴 三大部分组成。流体( 通常是气体) 由喷嘴垂直向上射入，当流体速率足够高时， 将穿透颗粒床层而在床层内产生一个近似的圆柱形通道称为喷射区( 或称喷动 区) 。当颗粒再川至高过床层表面某一高度时，颗粒便会像喷泉一样园重力而回落 到四周，形成喷泉区，并缓慢向下移动，进入环隙区( 或称环形区) 。物料在环隙 区缓慢向下运动直至倒锥形底部，最后又渗入喷射区被重新灾带上来。这样周而 复始形成了颗粒有规律的内循环运动。这种循环运动不仅引起气流夹带颗粒，加 剧了气流与颗粒问的热质交换，达到了加速十燥的e l 的，而且喷射区与环隙区的 可相渗透也促进了颗粒自身问的碰撞混台，有效地避免了局部过热，使产品湿含 量保持一致，而更重要的是颗粒的再循环实现了颗粒与热空气在床层内有规律的 间歇接触 9 1 1 0 1 。 1 14 典型喷动床喷动状态的影响因素 在喷动床内，维持喷动状态需要定范罔的气流速度，而日，与床身的几何 尺可以及物料的特性等因素有关。一般来说，喷动床适用于直径d = 】8m m 的颗粒 物料，而均匀的颗粒物料有利于喷动的稳定。当颗粒大小不均匀时，容易产生偏 析。进气r 位科与进气口直径也会影响喷动稳定性。对于稳定的无脉动喷动床， 绝大多数物荆要求喷动床锥底角y 要大于4 0 。，常用6 0 。或7 0 。 1 1 5 喷动床与流化床的对比 1 1 5 1 相似处 喷动床技术作为流态化技术的一个新应用，保留了流化床的一些特点： ( 1 ) 都有明届的临界气流速，只有达到这个临界值，颗粒床层才分别升始喷 动和流化。 ( 2 ) 形成稳定流化或喷动床后，操作压降维持不变。 ( 3 ) 流化床如运作不当会将形成沟流、腾涌现象，而喷动床如操作不当会使 喷动床死床、鼓泡或腾涌。 ( 4 ) 存只有物料可流动性、相对均匀的温度分布以及较好的传热特性等优点 的同时，也存在气体短路、固体返回、颗粒扬析及磨损等缺点。 的同时，也存在气体短路、固体返同、颗粒扬析及磨损等缺点。 江苏大学硕士学位论文 影响总体质量的弊病。 ( 4 ) 结构简单无提升斗等移动部件，无分布板，占地面积小，设备成本低。 1 1 3 典型喷动床的原理 经过近5 0 年的发展，喷动嘛已经具有许多种形式，但最典型的喷动床是柱锥 形喷动床。图1 1 是其示意图。喷动床主要是由圆柱主体，底部倒锥及入口喷嘴 三大部分组成。流体( 通常是气体) 由喷嘴垂直向上射入，当流体速率足够高时， 将穿透颗粒床层而在床层内产生一个近似的圆柱形通道称为喷射区( 或称喷动 区) 。当颗粒再升至高过床层表面某一高度时，颗粒便会像喷泉样因重力而回落 到四周，形成喷泉区，并缓陧向下移动，进入环隙区( 或称环形区) 。物料在环隙 区缓慢向下运动直至倒锥形底部，最后又渗入喷射区被重新夹带上来。这样周而 复始形成了颗粒有规律的内循环运动。这种循环运动不仅引起气流夹带颗粒，加 剧了气流与颗粒间的热质交换，达到了加速干燥的目的，而且喷射区与环隙区的 互相渗透也促进了颗粒自身间的碰撞混合，有效地避免了局部过热，使产品湿含 量保持一致，而更重要的是颗粒的再循环实现了颗粒与热空气在床层内有规律的 间歇接触i 9 1 0 0 1 。 1 1 4 典型喷动床喷动状态的影响因素 在喷动床内，维持喷动状态需要一定范围的气流速度，而且，与床身的几何 尺可以及物料的特性等因素有关。一般来说，喷动床适用于直径d = l 8l l l m 的颗粒 物料，而均匀的颗粒物料有利于喷动的稳定。当颗粒大小不均匀时，容易产生偏 析。进气口位冒与进气口直径也会影响喷动稳定性。对于稳定的无脉动喷动床， 绝大多数物料要求喷动床锥底角y 要大于4 0 。，常用6 0 。或7 0 。 1 1 5 喷动床与流化床的对比 1 1 5 1 相似处 喷动床技术作为流态化技术的一个新应用，保留了流化床的些特点： ( 1 ) 都有明显的临界气流速，只有达到这个临界值，颗粒床层才分别开始喷 动和流化。 ( 2 ) 形成稳定流化或喷动床后，操作压降维持不变。 ( 3 ) 流化床如运作不当会将形成沟流、腾涌现象，而喷动床如操作不当会使 喷动床死床、鼓泡或腾涌。 ( 4 ) 在具有物料可流动性、相对均匀的温度分布以及较好的传热特性等优点 的同时，【乜存在气体短路、固体返回、颗粒扬析及磨损等缺点。 江苏大学硕士论文 1 1 5 2 不同处 喷动床作为一种新兴的装置，与普通的流化床相比在结构上的主要区别在于 各自的进气口。喷动床进气口直径大，数目少( 一般就一个) 。这个特点使得喷动 床具有自己的优点： ( 1 ) 由于喷动区与环形区之间气流互有渗透，因而喷动床内物料间的磨擦与 碰撞比流化床内激烈，强化了传热与传质。气回接触效率优于流化床，颗粒混合 更为均匀。这个特性有利于处理粘性强的物料 和需要去除表面层的物料。 ( 2 ) 操作压降比流化床低，气体与物料接 触时间短，使得喷动床可以采用比正常许可温 度高的气体，故适用于处理热敏性物料。 ( 3 ) 适用于粗大颗粒( 直径d o l m m ) ，设 计良好，颗粒均匀时，可用于d 。= 1 5 0 | lm 的物 料。 ( 4 ) 结构简单，床内流型重复性强，流动 更简单、更有规律。 1 2 喷动床的流体力学特性 喷动现象在一定的气流速范围内得以实 现，即喷动床有一定的操作范围，图 1 2 描述了特定流体、物料及固定结 构下的喷动床操作相图【1 2 。 1 2 1压力降r 与最大压力降巳 从固定床到形成喷动需要一个 较大的压差a p 。才能使床层松动，这 个压差远远大于正常喷动时床层的 操作压降a p 。从固定床到喷动床的 过渡可用压力降一速度图描述，如图 1 3 。当气流速度从零( a 点) 开始增 加时，首先在喷射口形成射流区，颗 粒在此区内循环。增加气速，射流区 图1 2 喷动床操作相图 f i g 1 2 f l o wr e g i m em a po fs p o u t e d b e d 表瑶嘎造m - 5 州 图1 3 喷动床表现气速与床层压降的关系 f i g ，1 _ 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e nb e dp r e s s u r ed r o pa n d s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y 小麦d 。= 3 6 m m ，d 。= 1 5 2 r a m ，d 。- 1 27 m m ， y = 6 0 ( 取白m a t h u r 和e s p e i n1 9 7 4 ) 江苏大学硕士学位论文 随之扩展直到穿透固定床层表面。相应的床层压降也从零增至最大( b 点) 。喷动形 成后增加气速，压降相反的随之下降，而在射流区逐渐形成稳定喷射区，床内形 成了稳定的三区循环流动后，压降便不再变化，这时的压降即称作喷动床操作压 降p 。在喷动床干燥设备设计中，r 决定了风机需要的功率型号。 1 2 ，2 最大喷动床高h 。 当起始静止床层高于某一临界高度时，无论如何调节气速都无法形成喷动床， 而是直接形成鼓泡床或腾涌床。这一 临界床层高度就是最大喷动床高h 。， 它是设计喷动床的一个重要参数，直 接涉及到一个喷动床所能处理的最 大物料量。 1 2 3 最低喷动速度u 在不同的起始床高下做实验，通 过在喷动状态下逐渐降低流速直至 喷射区塌陷而得到的各个起始床高 下最小喷动速度u 。最低喷动速度 h l c m 图1 4 最低喷动速 f i g 1 4t h em i n i m u ms p o u t i n g u 。i 。不仅和物料及流体的特性有关， v e l o c i t y ( y = 8 5 。，d 。，d ，= 6 ，空气- 小麦) 还与喷动床设备的几何尺寸有关。对 于圆柱形床身，u 。随着物料高度h 的增加及圆柱直径d 。的减小而增加，如图1 4 。 1 2 4 喷泉 喷泉高度h r 对干燥过程并无多大影响，仅 仅是影响喷动床的儿何尺寸。喷泉所占体积一 般为原始床层体积的6 。 1 25 物料运动规律 1 2 5 1喷动区内物料的运动规律 喷动区内物料垂直向上运动。根据 t h o r l e y 等人的力平衡原理，认为颗粒的加速 度仅来自上升起流的空气动力，而减速度主要 是由重力引起的。在喷动区内颗粒的径向速度 4 r 奁” 如 。牛 o 5 432io23 4j 矩辕线距离f ? 图15 喷动区内颗粒速度分布 f i g 1 5 t h eg r a i n sv e l o c i t y d i s t r i b u t i o ni t ls p o u tr e g i o n z c m ：l 一4 2 ：2 52 ：3 72 ：4 一1 0 ，2 5 一1 3 2 江苏大学硕士论文 有明显的差别，在任何高度沿径向速度分布均呈抛物线，如图1 5 。 1 2 5 2 环形区内物料的运动规律 此区内存在着垂直向下的运动与向着喷动区方向的径向运动。其运动规律为 ( 1 ) 靠侧壁的物料下降速度仅略大于其它部分的下降速度，因而能用它近似 代表颗粒平均下降速度； ( 2 ) 由于物料具有向着喷动区的横向速度，因而在圆柱部分物料下降速度减 小，试验表明，物料横向流动量近似为常数； ( 3 ) 增加床层高度会同时增加物料循环量和物料横向流量： ( 4 ) 确定床层高度，增加气流量会n , , 寸a 3 n 物料循环量和横向流动量： ( 5 ) 确定气流量，增加进气口直径，只会增加物料横向流动量，对于循环量 影响甚微。 1 2 5 3 物料的循环量和混合 物料循环量的经验公式为： 肛0 2 4 坚1 a r e s 爷( k g s ) ( 11 ) 此式表明颗粒大小及密度对物料循环量影响甚小，如果喷动床直径与床高确 定，主要影响因素还是气流量。 1 2 5 4 循环时问0 。与停留时间0 。 由于喷动区停留时间极短，故只训入环形区的停i j ? i h j 。计算所用到的经验 公式为： 眈= 。i mf 1 2 ) 矛 臼，= m m 。( 1 3 ) m h 为床层物料量，蚝；m 为床内物料质量循环率，k g s ；m 。为喂入或排出床身 的物料量，s 。 江苏大学硕士学位论文 1 2 6 喷动床的缺陷及具改进 1 2 6 1 缺陷 气流量是由喷动要求而不是由传热性质要求确定的；最大压力降远大于操作 压力降；喷动床几何尺寸受限，。难以实现大型化；颗粒磨损严重。 1 2 6 2 改进 针对以上缺点，喷动床研究人员通过不懈的努力，进行了一些结构改进。主 要的改进型喷动床有：带导向管的喷动床( s p o u t e db e d s w i t hd r a f t t u b e ) 1 4 】 15 】b 6 ， 渗透管式喷动床，多喷头喷动床( m u l t i p l es p o u t e db e d s ) 1 17 1 1 8 】，喷动流化床 ( s p o u t e d f l u i db e d ) 【1 9 2 0 1 ，脉动喷动床( p u l s e ds p o u t e db e d ) 【2 1 ，射流喷动床 ( j e t s p o u t e db e d 或j s b ) 【2 2 【2 3 ，旋转射流式喷动床( s w i r l - j e ts p o u t e db e d d r y e rw i t h p a r t i c l e s ) 【2 4 】，长槽式喷动床( s l o t r e c t a n g u l a rs p o u t e db e d ) 吲，半喷动床 ( s e m i - c y l i n d “c a is d o u t e db e d ) 【2 6 ，锥形喷动床( c o n i c a ls p o u t e db e d ) 2 7 2 8 l 2 9 ， 还有微波喷动于燥( m i c r o w a v es p o u t e db e d ) ，还有目前处于理论阶段的新型喷动 床，如旋转喷口喷动床( n o v e lr o t a t i n g j e ts p o u t e db e d ) 3 0 1 叫【3 2 】1 3 3 【3 4 。 1 3 导向管喷动床的流体力学特性 1 3 1 导向管喷动床的结构 导向管喷动床的结构如图1 6 所示，由喷动气入 口喷嘴l 、底部倒锥2 、导向管3 、圆柱主体4 组成。 正常喷动时，整个床层表现为稀相环形区，密相喷动 区，喷泉区三区流动结构。喷动区为气固并流逆重力 场流动，存在明显的轴向和径向流动的不均匀。颗粒 返混严重，气固两相流动行为十分复杂，环隙区为气 。， 固逆流并重力场流动，具有均匀的流体力学流动结 f i 9 1 6 构，表现为稳定的移动床特征p “。 1 3 2 导向管喷动床流体力学的研究 3 4 1 6 导向管喷动床 as p o u t e db e dw i t h d r a f tt u b e 随着导向管喷动床工业应用的不断扩展，导向管喷动床的流体力学行为也日 益受到人们的关注。 1 3 2 1 导向管喷动床的流动特征 罗宝林 3 6 1 等通过实验分别考察了喷嘴为圆形和矩形的二维导向管喷动床 流动特征。实验表明，在气流速度较低时，床层为固定床，随着喷嘴气速的增 江苏大学硕士论文 加，当气速达到颗粒的最小喷动速度时，气体卷吸周围固体颗粒并将其带入导向 管中形成喷动，而环隙区的气流速度低于颗粒的最小喷动速度，颗粒则以移动床 的方式向下移动，圆形喷嘴的床层表现出连续和稳定的“输送向上( 导向管中) 一移动向下( 环隙区) “的气固循环流动特征。 1 3 2 2 导向管喷动床流体力学参数的经验考察 与导向管喷动床中两相流动密切相关的参数有最小导向喷动速度、导向喷 动压降和颗粒循环速率等，为了对反应器的流体力学能有更为全面深刻的认识， 以往许多研究者对以上参数进行了考察，并取得了一定的成果 ( 1 ) 最小导向喷动速度 最小导向喷动速度是导向管喷动床设计和操作的一个关键参数，大量的研究 表明导向管的引入，使导向管喷动床的最小喷动速度比传统喷动床小得多 李宝霞等【3 7 j 考察了射流导向管喷动床的适宜循环条件，认为固体颗粒在导向 管中的流动实质上是气力输送过程，导向管中的最小气速是导向管中由节涌状态 转变为气力输送时的气速，最小喷动气速仅与颗粒的物性有关，而与导向管面积 无关。 李保国口目通过实验得到了气流速度与压力降的关系曲线，认为当从正常喷动 开始逐渐减小风速时，a p 逐渐下降，且低于相同风速下的压降，到达某点时稍减 小风速，喷动即消失，该点对应的风速就是最小喷动速度，此时若继续减小风速， 压降将继续下降直到0 。导向管喷动床的喷动过程是不可逆的，不可逆的原因是因 为填充状态与喷动后回落疏松状态之差异所致。 ( 2 ) 导向喷动压降 床层喷动压降是反映两相流动特征的又一重要参数，罗宝林 3 7 通过实验测定 了二维导向管喷动床在不同表观气速下的床层压降。研究表明压降在固定床阶段 随表观气速的增加而增大，当压降达到最大值后，继续增大气速，压降随之降低， 射流区逐渐形成一个稳定的喷射区，而床内最终建立起一个具有稳定三区流动结 构的完全喷动的喷动床。一旦形成稳定的喷动床，ap 会随着气速增加而增加，因 此该压降是导向管喷动床的操作压降ap 。王国胜等弘9 1 根据实验结果拟合了p 皿 和p s 的关联式 孥- 0 0 2 9 7 了x 例”俐” 。， x 一导向管底部与喷嘴的间距d 一导向管直径 江苏大学硕士学位论文 y 一导向管底部s 锥形分布板的间距d 。一颗粒平均直径 d 。一床层直径h 一床层高度 由上式可以看出，床层压降与床层几何结构，颗粒物性和操作条件都有关， 但上式仅为实验结果的经验关联式缺乏一定的理论基础，不具备普遍性。 李保国在实验中得出的结论是：当形成稳定的喷泉后，若继续增加风速，则 喷泉高度增加，同时压降也有所增加。 ( 3 ) 固体循环速率 固体循环速率能够直接反映颗粒的流动特征。文献 4 0 1 通过实验得出的定性结 论为：固体循环速率随喷动气速的增大而增大。以往的有关的固体循环速率的研 究多为实验考察，理论研究较少，已有的理论模型有：y a n gw c ( 1 9 8 2 b ) 峙艮据 射流锥质量守恒提出了颗粒卷吸的数学模型得到了可调参数的射流锥卷吸表达式 厂 w = 2 1 r p p 0 一s 1c lt a n o 3 l 3 + i i 、c 1 成2 + c 2t a n o ) l 2 + c 1 d 。2 x l ( 1 5 ) l z j 其中的射流深度l 可以根据已有的经验公式计算，0 为测量值，c 。c ：为公式：颗粒 径向速度v ，= c l + c ，中的可调参数，根据实验回归，颗粒卷吸量随射流气速的增 大而增大，随射流中固体含量的增加而减小，但由以上分析可以看出，c 。c z l 都 必须由实验结果得到，此模型不具有预测性，有待迸一步完善。 ( 4 ) 喷口直径对喷动特性的影响 李保国通过实验得出的结论是：喷口直径d 。与ap 。呈抛物线规律变化，与u 。 则为直线关系。他认为这是因为导向管喷动床只有当导向管中气流速度达到一定值 时，刁能带动物料向上形成喷动，当d 。较小时，气流通过喷口动量较大，易穿过导 向管底部与喷口间隙进入导向管形成喷动，流向环形区的气流量相对较少，因此u 。 较小，但由于d 。较小，气流速度造成压力损失p m 较高，相反，d i 较大时，流向环 形区的风量增大，形成喷动时所需风量大，即ap 。及l m i n 均较大。 ( 5 ) 导喷距对喷动特性的影响 李保国通过实验研究得出，随着导喷距x 的增大p 。与u 。线性增加，当x 较 小时，喷动所需压力降小，u 也较小，但x 过小时，气流大部分直接进入喷动区， 进入环形区的气流量很少，将影响物料循环次数和二f 燥速度。x 增大时通过环形区 的气流量增大，有利于提高热效率和干燥速度，但风机能耗增大。 ( 6 ) 料层厚度对喷动特性的影响 李保国认为料层厚度几乎不影响喷动状态，因此导向管喷动床可以通过增高x 江苏大学硕士论文 来提高生产效率。而普通喷动床随料层厚度的增加，p m 和。曲线变陡，这严重 影响喷动床的生产率，使其难以在生产中应用，导向管喷动床能克服这一缺点。 1 3 2 3 导向管喷动床的流体力学模型 由于颖粒相的流动行为十分复杂，以往的理论模型大多集中在气相的流动特征 的描述，而颗粒相的相关研究很少。m a n i c m a t t h e w 4 2 1 利用e u g e n 定理和方程对导 向管喷动床的环形区建立了二维的气相流体动力学模型，模型的矢量形式为 v 盯= 0 一v p = 驴坼+ 厶i 可| ) ( 1 6 ) 纠s 。半争；l = 1 7 5 p警 占： d 。 占；d ， 速度场方程 v 盯= 盯v 1 n + j 驴1 ) 压力场方程 v 2 p = 一疋妙可j 可j ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) 上述模型基于环形区为移动床的假设，描述了环形区的气相流动特征，但是 不能反映颗粒相的流动行为。因此需要建立能够同时描述两相流动特征的模型方 程。 导向管喷动床中的气固流动是典型的两相流动过程，因而可以运用两相流模 型来描述气固两相的流动行为。 根据对离散相( 颗粒相) 的处理不同，多相流模型可以分为双流体模型和颗粒 轨道模型。 双流体模型将颗粒相处理为类似流体的连续相( 拟流体) ，基本概念是认为颗 粒相是与真实流体相互渗透的拟流体。其基本假设为：( 1 ) 在流场中每一位置，颗 粒相与气相共存并相互渗透，每一相具有各自的速度温度和体积分数，但是每个 尺寸组的颗粒具有相同的速度和温度；( 2 ) 每一颗粒相( 尺寸组) 在空间中具有 相同的速度，温度和体积分数分布；( 3 ) 每一颗粒相除与气相有质量动量和能量 的相互作用外，还具有自身的湍流脉动，造成颗粒的质量动量和能量湍流输送， 且颗粒脉动取决于对流扩散的产生及与气相湍流的相互作用；( 4 ) 用初始尺寸分 布来区分颗粒组；( 5 ) 对于稠密相颗粒悬浮体，颡粒碰撞会引起附加的颗粒粘性、 扩散和热传导。 由于颗粒相方程组具有与气相相同的形式，因此采用双流体模型给求解带来 便利，且省时，并能处理较浓的颗粒流动。由于双流体模型建立在力学分析基础 上，如果能够就可以比较完善地刻画多相流场的流体的动力学行为，但现在理论 9 江苏大学硕士学位论文 模型对复杂流动的处理还不理想，需要进一步完善。 轨道模型将颗粒处理为离散相，建立单颗粒的运动方程，与气相n s 方程耦 合求解。颗粒的运动轨迹亦可以根据求得的颗粒速度和设定的时间步长积分得到， 将大量的颗粒进行统计平均，可以获得颗粒相的流场。轨道模型对颗粒相的处理 物理概念明确简单，容易模拟有蒸发、挥发及发生反应的颗粒过程。 在喷动床干燥粮食的过程中，由于粮食颗粒体积较大( 大于1 0 0 0 “i n ) ，例如本 研究中所使用的物料是小麦，其当量直径为3 9 9 m m ，同时在喷动过程中需要研究 物料在某一时刻的位罱及运动状态等，因此经常采用把气相看作连续相，而把颗 粒物料看作是离散相而建立的数学模型。对于气相采用欧拉( e u l e r ) 法，对于固相 采用拉格朗日( l a n g r a n g e ) 法。气相采用欧拉法得到的是场，便于利用场论这一强 有力的数学工具，同时所得方程为一阶偏微分方程组，求解较易。而且，在工程 实际中并无必要知道每一气体质点的来龙去脉。固相采用拉格朗日法，能根据各 个颗粒在流体中所受到的流体动力，算出颗粒的运动，同时能根据大量颗粒的运 动，得到悬浮颗粒在流场中的分布口5 j 【4 ”。 对流体相采用常规的欧拉方法。对于固粒相，考虑固粒尺寸不同，可以其进 行分组，即采用“计算粒子”的概念，单位体积内k 类粒子的数量用n 。表示，固 粒相的连续性方程为 警o p k u p k ) = 。 在拉格朗日坐标系中考虑固粒运动时， 等= 缸棚祁 1 3 3 导向管喷动床的优点和缺陷 ( 1 9 ) 动量方程可由牛顿第二定律给出 ( 1 1 0 ) 导向管喷动床和传统的喷动床相比，具有很多优点： ( 1 ) 突破床层高度的限制，因而使得物料处理量可以比传统喷动床大得多。 ( 2 ) 压力降低较传统喷动床低。 ( 3 ) 物料循环便于控制。 ( 4 ) 物料在床内停留时间一致，有利于保证干燥质量。 ( 5 ) 作业适应性强。 但是导向管喷动床也存在一些缺陷： ( 1 ) 导向管喷动床在喷动开始时，其最大喷动压降仍然很大，这就使得选择 风机时必须考虑最大喷动压降，所阻通常都选用高压风机。 江苏大学硕士论文 ( 2 ) 物料从导向管喷出后，主要分布在导向管周围一定区域，这就使得导向 管喷动床难以实现大型化，同时物料的干燥存在不均匀性。 ( 3 ) 在导向管出口喷出的物料有一部分有落回到导向管中的趋势，所以随着 导向管