絲狀顆粒傳熱傳質特性的研究.pdf

1、絲狀顆粒作為一類長徑比較大的非球形顆粒，其傳熱傳質特性的相關技術在工農業(yè)生產中具有廣闊的應用背景。絲狀顆粒本身的運動行為、溫度及含水率的變化特征較球形顆粒的情況更為復雜，相關理論研究涉及到多相流體動力學、顆粒物質力學、傳熱傳質學等多個方面。目前，國內外關于顆粒傳熱傳質特性的研究已逐漸由宏觀向顆粒尺度的微觀層面深入，不過主要成果都集中在球型顆粒方面，而對于絲狀顆粒傳熱傳質特性的研究還不夠系統(tǒng)，諸如用何種方式考慮顆粒的形狀因素、怎樣描述密相

2、絲狀顆粒系統(tǒng)中顆粒間相互碰撞（接觸）的傳熱過程、如何選擇在不同干燥條件下顆粒與流體之間的耦合對流傳熱及傳質模型等，這些關鍵問題尚未得到解決，因此該領域的基礎研究仍落后于實際工業(yè)技術開發(fā)與應用。
　　本文首先針對絲狀顆粒在于燥設備中的運動、傳熱和傳質三者同時發(fā)生的現(xiàn)象分別進行了數(shù)學建模，之后結合實驗，平行研究了絲狀顆粒在復雜多相流條件下的傳熱傳質特性和相關規(guī)律，其結果為該類粒子干燥效率的提高、干燥設備結構的進一步優(yōu)化提供了理論指導。

3、研究內容主要包含以下幾個方面:
　　氣固兩相傳熱傳質數(shù)學模型的建立。將氣體作為連續(xù)相，顆粒作為離散相，分別采用計算流體動力學(CFD)建立氣相數(shù)學模型，以及離散元法(DEM)建立固相數(shù)學模型。氣相模型主要基于經典的N-S方程，并結合局部平均法，來建立與固相之間相互耦合的質量、動量以及能量守恒方程。而對于固相模型，首先從單顆粒入手，根據絲狀顆粒長徑比較大、柔軟、易繞曲變形等特征，將其假設成由若干桿狀顆粒和鉸約束連接而成的細長鏈式結構

4、;之后在顆粒物質力學的基礎上，重點描述了絲狀顆粒相互碰撞時的受力模型;接下來在顆粒尺度的微觀層面提出了一種基于離散單元法的絲狀顆粒相互碰撞（接觸）傳熱模型，模型中綜合考慮了顆粒形狀因素以及顆粒碰撞過程中的相互接觸面積等關鍵參數(shù);最后又構建了不同固相濃度、不同風速條件下的顆粒與氣體之間的對流傳熱和傳質模型。數(shù)學模型的建立為研究絲狀顆粒的傳熱傳質特性提供了研究手段，并為數(shù)值實驗得開展奠定了理論基礎。
　　固定床和滾筒干燥實驗裝置的建立

5、?；诰頍熢细稍锏墓こ虘帽尘埃匀~絲這種細長柔性的絲狀顆粒為研究對象，分別設計制造了固定床和滾筒干燥實驗裝置。固定床實驗裝置能夠針對多種不同葉絲氣流干燥的工況進行實驗研究，其主要技術參數(shù)的設定范圍與實際生產相接近;另外，本文還建立了小型滾筒干燥裝置，可以實現(xiàn)對滾筒中顆粒平均溫度的測量，而顆粒平均含水率仍然采用烘箱法進行測量。本裝置所能調節(jié)的筒壁溫度、滾筒轉速、熱風溫度等技術參數(shù)范圍與實際卷煙生產過程中的基本符合，可針對葉絲在滾筒橫向

6、截面的傳熱傳質特性進行相關實驗研究。經過多次測試調節(jié)，表明本文所設計的實驗設備結構合理、運行可靠，測量方法可行，能夠為具體實驗研究提供穩(wěn)定的運行條件。
　　絲狀顆粒傳熱傳質數(shù)學模型的驗證。對于以顆粒-氣體之間對流換熱為主的固定床干燥過程，首先通過實驗探討了熱風溫度和表觀氣速等操作參數(shù)對顆粒熱、質傳遞特性的影響，之后模擬了與實驗相同工況條件下的固定床干燥過程，并將模擬結果與實驗進行了對比分析;而對于以顆粒與高溫壁面接觸導熱為主的滾筒

7、橫向干燥過程，起初在實驗臺上考察了筒壁溫度、滾筒轉速、熱風溫度的因素對顆粒傳熱傳質特性的影響，接下來模擬了與實驗相同工況條件下的葉絲溫度和含水率隨時間的變化，并將模擬結果與實驗進行了對比。通過實驗與數(shù)值模擬結果的對比表明:所建的絲狀顆粒傳熱傳質模型能夠反映葉絲的溫度、含水率等變化特征，模擬結果所展示的規(guī)律性與實驗結果較為吻合，具有從細節(jié)上反映顆粒干燥過程中傳熱傳質特性的能力，可為研究提供可靠分析各類傳遞信息的手段。
　　絲狀顆粒在

8、固定床中傳熱傳質特性的研究。通過研究發(fā)現(xiàn)，固定床干燥過程中會相繼經歷預熱段、等速干燥和降速干燥三個主要階段，并且由于上部顆粒獲取的熱量相對較小，因而在干燥過程中會存在一個明顯的等溫階段;顆粒溫度上升的速度以及含水率下降的速度隨著氣流入口溫度和表觀氣速的增加而提升，并且氣流入口溫度的因素相較于表觀氣速對絲狀顆粒傳熱速率起了主導作用，而從傳質速率的角度來看，表觀氣速的影響則要明顯大于氣流入口溫度的影響;此外在驗證了所建數(shù)學模型可行性的基礎上

9、，通過數(shù)值模擬可知，固定床中絲狀顆粒溫度和含水率的空間分布并不均勻，顆粒的溫度大體上是隨著床層高度的增加而降低，而含水率則是隨著床層高度的降低而降低的;比較不同傳熱模式發(fā)現(xiàn)，對流換熱在固定床傳熱過程中起了主導作用，隨著氣流溫度的提高，對流換熱量所占的比例有所降低，與此同時，顆粒與壁面、顆粒與顆粒之間的接觸導熱量卻有所增大，不過變化的幅度不大;模擬還獲取了不同顆粒厚度、導熱系數(shù)以及物料水分擴散系數(shù)條件下，顆粒平均溫度以及含水率隨時間的變化

10、規(guī)律。
　　絲狀顆粒在滾筒橫向截面內傳熱傳質特性的研究。通過研究發(fā)現(xiàn)，筒壁溫度對滾筒內顆粒的傳熱傳質特性有著直接且重要的影響，隨著筒壁溫度的升高，顆粒平均溫度上升以及含水率下降的速度明顯加快;滾筒中絲狀顆粒平均溫度上升和含水率下降的速度都隨著筒體轉速的增大而增大，但不同轉速條件下絲狀顆粒溫度和含水率變化特征之間的差別很小;由于所研究工況中的熱風風速較小，隨著氣流溫度的上升，顆粒溫度上升以及含水率下降的速度只是略有提高;通過數(shù)值模擬

11、研究還發(fā)現(xiàn)，在滾筒干燥的初始階段，顆粒溫度的不均勻性迅速增大，但隨著干燥的進行，又呈現(xiàn)出逐漸縮小的趨勢。另一方面，顆粒間含水率的不均勻性同樣在干燥的初始階段迅速增大，不過只要滿足一定的干燥條件或一定的干燥時間，筒體內部絲狀顆粒的干燥程度將逐漸均勻;絲狀顆粒在滾筒中所獲取的熱量主要來自于與高溫壁面特別是與筒體之間的接觸導熱，對流換熱所占總體換熱的比例則相對較小;結合顆粒流動特性的分析研究，獲取了不同滾筒固相填充率以及不同的抄板個數(shù)、長度、