（机械设计及理论专业论文）串联式水平圆振动干燥机工艺参数及强度分析.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 串联式水平圆振动干燥机工艺参数及强度 分析 摘要 本文以化学原料聚丙烯酰胺为实验材料，利用二次旋转组合设计安排 实验，对d z g 一2 2 新型串联式水平圆振动干燥机的各个主要输入参数对输 出性能的影响进行实验研究，得到了此干燥机的输入输出性能参数的二次 回归方程。并以此为模型，对方程进行了单目标和多目标优化，得到了单 目标以及各个因素在不同加权值下的多目标最优结果，并对多目标最优结 果进行了比较分析，给出了最佳的干燥条件。并对二次回归方程进行了单 因素和交互因素的图形分析，对各个因素间及各因素对干燥效果的影响有 一个较清楚的比较，可为干燥操作提供指导。 本文的另一个工作是对此种振动干燥机的强度进行系统的分析。由于激 振力的周期性变化容易使机体产生振动疲劳破坏，特别是干燥机底盘部分与 振动电机连接的挂板处。本文利用大型有限元软件a n s y s 对于燥机的整体 和挂板处进行了静态和动态的应力、应变分析，得出了应力和应变分布的变 化图形和动载下的位移变化图形，找出了易出现裂纹的位置，并分析了容易 造成裂纹的原因，为干燥机的设计和改进提供了依据。 关键词多目标优化应变应力a n s y s i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e s t r e n g t h a n d t e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r a n a l y 7 s e s o ft h e h o r i z o n t a l l yc i r c l i n g i ns e r i e v i b r a t i n gd r y e r a b s t r a c t b a s e do nt h eq u a d r a t i cr o t a r yu n i t i z e dd e s i g n ，t h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so ft h e n e w s t y l ed z g - 2 2h o r i z o n t a l l yc i r c l i n gi ns e r i e sv i b r a t i n gd r y e ri ss t u d i e db yas e r i e so f e x p e r i m e n t si nt h ep a p e r s o m ei n p u ta n do u t p u tt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so fm u l t i a i m q u a d r a t i cr e g r e s s i o ne q u a t i o n s a r ea c q u i r e d t h ea u t h o rm a k e ss o m ec a l c u l a t i o no f s i n g l e a i ma n d m u l t i - a i mo p t i m i z a t i o nf o rt h ee q u a t i o n sa n d g a i n ss o m eo p t i m u m r e s u l t s i nd i f f e r e n tw e i g h tv a l u e t h em u l t i - a i mo p t i m i z a t i o nr e s u l t sa g e c o m p a r e d a n dab e s td r y c o n d i t i o ni s g i v e n t h ea u t h o r g a i n sf i g u r e r e s u l t so fs i n g l e - f a c t o r a n a l y z e a n d m u l t i f a c t o ra l t e r n a n ta n a l y s e s u s i n gt h ef i g u r e ，t h em u t u a le f f e c t sa m o n gt h ef a c t o r sa n d t h ee f f e c t st od r yp e r f o r m a n c ee a r lb ec o m p a r e d t h ea n a l y s e sc a np r o v i d eg u i d ef o rd r y o p e r a t i o n a n o t h e rw o r ki sa no m n ia n a l y s i st ot h es t r e n g t ho f t h i sk i n do f v i b r a t i n gd r y e ri nt h e p a p e r d u e t ot h e p e r i o d i c a lc h a n g eo f v i b r a n t f o r c ep r o d u c e db yt h ev i b r a n te l e c t r o m o t o r , f a t i g u ed e s t r u c t i o ni sl i k e l yt oa g g l u ei nt h ed r y e r i nt h ep a p e r , t h ea u t h o r u s ea n a s y s t o a n a l y z e s t a t i ca n dd y n a m i cs t r e s sa n ds t r a i no ft h ed r y e r b a s e do nt h e a n a l y s e s ， p i c t u r e so f s t r e s sa n ds t r a i nc h a n g e sa n d d i s p l a c e m e n tc h a n g e sh a v eb e e na c q u i r e d i nt h e p i c t u r e s ，t h ep o s i t i o n si nw h i c h c r a c ki sl i k e l yt oa p p e a rc a nb ef i n db a s e do nt h e p i c t u r e ， t h ea u t h o ra n a l y z e st h er g a s o no fo c c u r r e n c ef a t i g u ec r a c k t h ea n a l y s e ss e taf o u n d a t i o n f o rt h ef u t u r ed e s i g no f a p e r f e c td r y e ri nt h ef u t u r e k e y w o r d sm u l t i a i mo p t i m i z a t i o n , s t r e s s ，s t r a i na n s y s 。i - 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使 用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名： 日期 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁化 1 1 课题的提出及意义 干燥是较传统的化工单元操作之一，也是人们了解较少的技术。近几十年有许 多新型干燥机投入市场，另外，一些新的构想正处于实验阶段。目前，干燥技术在 国民经济中占有越来越重要的地位，广泛应用于各个行业。由于干燥操作是一个极 其复杂的过程，干燥过程中有时表现出的干燥特性差别很大，给干燥理论的研究带 来很大的困难。从国内外的资料上看，干燥操作仍然被了解的较少，普遍存在着工 业应用超前于理论研究的情况。干燥技术的研究方法主要是从宏观方面进行探讨， 通过大量实验的方法和理论推导，得出经验公式或直接找出影响干燥强度的主要因 素，以便提高性能。随着我国加入w t o 和世界经济一体化的发展，以及社会生产 的需要，干燥设备的设计必然通过理论创新等方式，越来越向着经济i 高效、可靠、 环保、标准化、自动化、大型化的方向发展，应用前景十分广阔。 振动流化干燥技术自3 0 年代提出来以来，东欧、日本等国都做了大量的探索。 但在理论方面的研究始于6 0 年代，经过3 0 多年的发展，振动流化床干燥技术因其 优良的性能已经为各个工业部门所广泛采用，东欧、日本每年都向工业界提供大批 这种干燥设备；我国自7 0 年代开始，也开展了振动流化干燥设备的应用研究，到 了8 0 年代，我国振动流化干燥机的生产和应用进入了高速的发展阶段，相继出现 了一些专业化大规模生产振动流化干燥机的企业。近些年来，各国学者开展了振动 流化床的性能研究，开发了多种机型，其中，水平圆振动干燥机以其占地面积少， 相对能耗低等优势，得到了快速发展。但是，因为其结构上的特点，限制了此种干 燥机的实用面，如，物料含水量较高或产品终含水要求较低时，就不能充分发挥其 作用；目前一些企业生产的水平圆干燥机不管物料的物性，产量的高低，都采用5 层孔板，物料运行时间虽然可调，但是路径一致，若要求终含水，则产量下降，若 要求产量较大，则终含水达不到要求，针对此种情况，我们对水平圆振动干燥机做 了进一步的改进，经过改进后的干燥机相当于在单机上实现了两台串联。这样，此 种干燥机的去水量比原来的最少提高了l 3 ，产量也增大了，且实际使用证明是成 功的，取得了较好的效果，可是，还没有针对此种干燥机具有的特殊性能所进行的 理论研究，给设计改进带来了一定的困难。而且干燥操作存在个性问题多，共性少， 物料种类五花八门，干燥机理十分复杂，检测手段落后和理论研究相对滞后的问题， 与干燥设备的开发应用相比，干燥的基础理论和实验研究相对落后。从国内发表的 东北大学硕士学位论文第一章绪论 与干燥相关的文章中可以看出，文献综述与干燥机的设计的较多，有关干燥性能的 文章较少，涉及的物料种类十分有限，研究者在研究振动流化干燥、传热特性时、 采用的大多是无团聚的模型颗粒，但工业应用中常遇到的是易团聚、易粘结物料的 干燥，因此，已有的研究结果也难以应用。国外发表的文章多来源于原苏联和东欧 等国，近年来，欧美和日本钓学者做了一定的工作，但他们的实验多采用热传导， 热辐射或热传导加对流的供热方式，单独采用对流方式供热干燥的干燥研究很少， 涉及的物料种类有限，对操作中的许多现象没有很好的说明，所用的实验物料多是 理想的圆形模型粒子，实验结果很难直接应用于生产实践。鉴于以上所述，本文拟 从现有的串联式振动水平圆干燥机出发，以具有初含水达78 的粘性化工原料颗 粒聚丙烯酰胺为实验材料，采用实验研究，计算机分析的方法，对此种干燥机的性 能进行全面的研究和探讨，找出在一定范围下的最佳的操作条件，为实际的生产过 程提供可靠依据，并对实验研究方法做一定的探索。 目前，对振动流化床的研究在流体动力学、传热传质方面较多，但对于机械结 构、刚度和强度方面的研究仍不充分，应当成为将来研究的一个重点。本课题所研 究的d z e 2 2 型串联式振动水平圆干燥机是最近新开发的新型干燥机( 其结构如 图1 1 所示) 。它由主机9 、振动电机7 、机架6 等组成，主机由多个环状的干燥筒 组成。干燥筒是由两个同心的圆筒构成的环状空间，内部有水平环状孔板，每层孔 板沿半径方向开有物料下落口，在内筒上开有布风孔。机体底部装有两部交叉布置 的振动电机，机体由1 2 个隔振弹簧支撑在机架上，机器在超共振区工作，并使机器 传给地基的动负荷较小。机器工作的原理是：两台振动电机反向同步旋转，其电动 机主轴两端的偏心块产生离心力，使机体产生沿铅垂线方向的往复振动和绕铅垂线 的扭振。合成的振动使得环状孔板上的物料作水平圆运动，并沿着每层的落料口进 入下一层孔板，依次进行，最后由最下面的一层盲板上的出料口排出机外，产出合 格产品。热风则从下往上依次穿过孔板，透过物料层使物料的水分蒸发，从而达到 干燥物料的目的。改变电机的安装角度或调整电机的偏心块夹角可改变物料的运动 状态和流量，从而扩大了机器的使用范围。此机与普通的振动水平圆干燥机相比具 有产量大，干燥终含水较低等优点，但是，由于它的体积和振动质量较大，以及振 动类干燥机工作条件较差，要承受交变载荷的作用，受力情况复杂，惯性大，所以， 在实际工作中，易发生破坏。且常常破坏后在很短的时期内就无法工作，造成很大 的损失。经过调查研究发现，破坏主要发生如下的情况下： ( 1 ) 底盘( 如图12 ) 的挂扳与底板，挂板与圆管的连接处和加强筋处产生开 焊和裂纹。 ( 2 ) 挂板( 如图1 3 ) 本身也有裂纹产生，虽然经过改进但有时也发生破坏。 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 设计人员为了提高干燥机的使用寿命，对底盘结构进行了改进，凭感觉增加板 厚，增大焊角，这样虽然基本上满足强度要求，但参振质量增大，动力消耗大，这 主要是没有对干燥机进行系统的应力应变分析，结构改进不合理所致，特别是挂板 和电机连接的的地方，由于分析的复杂性，到目前为止还没有一个较好的分析结果， 给设计改进带来了很大的困难。 图1 1d z g 2 2 型串联式振动水平圆干燥机示意图 f 汜1 1 t h cs k e t c h m a p o f d z g 2 2 h o r i z o n t a l l yc i r c l i n g i ns e r i e s v i b r a t i n g d r y e r 1 进风口2 出风口l3 出风口2 4 出料口5 隔振弹簧6 机架 7 振动电机 8 底盘 9 主机l o 进料口 1 e n t r a n c e o f w i n d 2 n o 1 e x i t o f w i n d 3 n o 2e x i t o f w i n d 4 e x i t o f m a t e r i a l 5 s p r i n g o f s e p a r a t i n g v i b r a t i o n 6 h o l d e ro f m a c h i n e7 v i b r a t i n ge l c c t r o m o t o r 8 s o l e p l a t e 9 m a i no f m a c k n o 1 0 e n h a n c eo f m a t e r i a l 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 j 。 、 一 i 一 0 i - 8 _ | | 7 一 。 。 、图l 2 底盘示意图 f i g 1 ，2 t h es k o t c hm a po f s o l e p l a t o 1 底板2 筋板3 挂板4 圆筒 1 s d e p l a t e2 r i b b i n g 3 h a n g e d b o a r d4 c y l i n d e r 图1 3 挂板示意图 f i g 1 3 t h es k e t c hm a p o f h g e d b o a r d 1 底板2 挂板3 螺栓孔4 圆筒 1 s o l c p l a t e2 h a n g e d b o a r d3 h o l eo f b o l t4 c y l i n d e r 总之，振动水平圆干燥机始终工作在高频交变振动状态中，足够的强度和一定 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 的寿命是制造厂家和用户们首要关心的问题，但是，由于干燥机品种多，生产周期 短，不可能对每种规格都做旷日持久的整机实验，所以，迫切的需要一种以理论 计算为主，测试为辅的方法来分析振动式水平圆干燥机的强度。根据问题的复杂性， 本文使用了大型有限元分析软件a n s y s 对其进行结构分析，以便有效的针对载荷 情况，通过计算给出各个部位具体的的受力情况，为干燥机的设计提供可靠的依据。 1 2 文献综述 振动流化床的概念发表于1 9 5 5 年【l l ，6 0 年代原苏联学者已经发表了关于振动 流化床的文章，此后，东欧、加拿大等国学者做了大量的探索。从1 9 8 6 年在上海召 开的全国第二次于燥技术交流会开始，国内才陆续有关于振动流化床理论研究方面 的论文发表。随后，有许多的单位建立了初具规模的小型或接近工业振动流化床的 实验装置，对该技术的各个方面展开了系统的研究和探讨。 v a l c h a d ：j 年u 用奶粉干燥的实验结果是：振动流化干燥机比固定床气流干燥机的 干燥速度高2 8 倍，且增加的倍数随频率的增加而增加。试验是在床层高为2 0 r a m ， 空气相对湿度为01 、风速为1 5 m s 、振幅为22 m m 、频率为0 - - 1 5 6 h z 的条件下进 行的。 v o l o v i k 2 】对抗菌素膏的实验：床层高为1 5 m m ，振动流化干燥1 0 分钟相当于 分批式干燥8 小时；在实验振动频率f - = - 8 4 0 i - i z 下，频率对恒速阶段的干燥速度没 有影响。 s t r u m i l l o l 3 1 年l j 用c a c o ，和( n h 。) ：s 0 。进行的干燥实验结果表明，第一干燥阶段 的干燥速度随振幅的提高而直线上升，而且存在使干燥速度达到最佳的振动频率， 并将振动参数的影响归因于气流与床层间的相对速度。 c u p t a 等州利用分子筛和硅胶的实验结果恰好相反，认为存在个影响干燥速度 的最低临界振动频率l ，当，= 厶时，干燥速度随振动频率的增加而增加，而且， f 临界振动频率总是对应着振动强度k = a w 2 g ( 这里足为振动强度，w 为振动频率， a 为振动幅值，耳为重力加速度) 的工况，振动对干燥的影响具有随即性。 b r e t z n a j d a r t 6 1 观察到，对不同的物料，临界振动频率值丘并不相同，对于一些 非常粘的物料，疋，对应的振动强度可能达到k = a w2 g - 2 3 ，甚至超过s 。 俞书宏等p 6 1 在干燥试验中进行了湿硫铵在振动流化床中的流体力学特性实验， 得到能较好进行流化操作的参数范围：f = 6 3 3 1 0 0 h z 。观察表明，湿硫毁在一 般流化床( f = 0 ) 以及低频率振动( f 63 3 h z 时恒速干燥速率r ，随振动参数的增大而线性增加，这是由于流化更加 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 激烈，进而提高了干燥速率。 顾延安等 1 卅利用处于恒速干燥段的活性碳和处于降速阶段的阳离子树脂进行 了研究表明：无论是恒速段还是降速段，增加振动强度，都可以提高干燥速度，但 不同的干燥阶段的干燥机理不同，并认为：在降速干燥段，振动能调整固体毛细管 中所含水分的共振频率，减小水分与固体的结合力，因而，振动的作用能部分的排 除结合水份，提高干燥速度。并建议，在振动流化床机械强度允许的情况下，应尽 可能使用较高的振动强度进行干燥操作。 甘玉敏哼1 的实验结果表明：振动可以降低恒速干燥阶段的临界水分，并使降速 段干燥速度提高。 刘东敏1 1 8 】利用酒糟的研究表明；振动强度对物料干燥的影响存在一个临界值， 只有振动强度大于临界值时，振动才能有利于物料干燥。 薛宏伟【2 0 利用酒糟和小麦的实验研究表明；对处于恒速段干燥的物料，存在一 个临界振动强度，当振动强度大于临界振动强度时，随振动强度的增加，干燥速度 逐渐增加。对处于降速干燥阶段的物料，存在个最佳振动强度，当振动强度小于 最佳振动强度时，随振动强度的增加，干燥速度逐渐增加。振动作用相当于增加了 风速，因而振动流化床具有明显的节能效果。 徐德等9 9 在对白糖的干燥中对于“临界振动频率”或“临界振动强度”厶的 存在做如下解释：在粘性物料的干燥过程中，都伴随着不同程度的结团现象，而物料 干燥速率的大小，主要取决于物料的松散程度、混合状态。实验中发现，当振幅a 一定时，当，在厶附近时，物料的松散程度和混合状态较，远离l r 时的状态有所 下降，料层有被压实而破坏流化的趋势。所以，在， ，仃时，大的 振动强度使床层的松散程度和混合状态达到良好的状况，这就使干燥速率有很大提 高，且随着厂的增加，这种情形更明显。但应注意，如果振幅过大，致使振动强度 很大，当振幅超过一定值时，床层会出现“活塞流”型的整体运动，从而使物料得 不到良好的混合或流化，传热传质随之恶化，造成干燥速率下降。 g u p t a 等1 4 1 认为，气流速度对于干燥有明显的影响，但其影响程度不如普通流化 床显著。 k a v e t s k i i 等【2 7 1 认为，在振动条件下，气流速度对于干燥的影响减小。 s i v e 和l o u d l 8 利用胡萝b 块和豌豆的实验表明，气流速度的增加会导致干燥速 度的下降。 俞书宏、钱逸泰等【3 6 1 对细的硫铵颗粒的实验表明：在其它条件一定的情况下， 恒速干燥速度随气速的增大而线性增加；在较高的振动频率和进气温度下增加的速 6 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 度更加显著。 李秀芹等p 8 1 认为，风速对降速干燥阶段的影响要比恒速干燥阶段的影响要小的 多。 金征宇【柏】对颗粒饲料的振动流化特性和效果的研究表明，振动有助于降低物料 的临界流化风速，以及加热介质的床层阻力，而干燥温度仍然是影响颗粒饲料干燥 效果的主要原因。 b h 巴杜拉耶夫等田】用结构力学的方法对振动筛进行了分析研究。他们把设 备结构化为钢架结构，计算了结构的主要内力、弯矩，指出了破坏的原因。并提出 了提高构件寿命的一些途径。但他们只是对结构中些部分进行了较详细的研究， 无法从整体上进行强度分析，而且受当时计算工具的限制，多数是依靠试验测试的 结果来分析，比较粗糙，基本上是定性分析的。 后来，又有许多学者应用有限元方法对振动设备进行了静力计算和分析，并与 实测结果进行比较，由于采用了新的计算方法，使得计算模型更加符合实际情况。 而且，都考虑了惯性力的作用。但仍属于静强度计算。实际上振动设备在工作中， 其受力是十分复杂的，用静强度方法对其进行分析是远不够的。必须进行动强度分 析才行。 随着电子计算机的发展，以及一些大中型软件的普及，使科技工作者的计算手 段发生了巨大的变革，导致了对振动设备的强度的研究有了新的突破。 东北大学的韩二中老师、徐小男、张道完等人多次应用s a p 5 有限元程序对振 动筛等振动设备进行动力响应分析并对其力学模型进行多次修正，使强度分析方法 进一步完善【2 4 1 【3 7 1 。 东北大学提运教研室的于国安老师曾对振动式水平圆干燥机进行了静态有限元 分析，并考虑了干燥机的振动加速度，对振动式水平圆干燥机的结构改进和发展起 到了一定的作用。但他没有进行动态分析，不能完全反映干燥机的真实应力分布。 袁喜春驯对c z e 一2 0 型振动式水平圆干燥机用g s a p 进行了静态和动态的分 析，并提出了改进意见，但是，分析较粗糙，且没有分析改进后，破坏发生相对较 多的，分析较复杂的振动电机和挂板的连接孔处的静、动态情况。 1 3 论文所做的工作 振动水平圆干燥机虽然有良好的性能和经济性，但仍然有很多需要研究和改进 的地方。很多人在这一领域做了大量的工作，但是还存在许多未解决的问题，无论 是在实验方面还是在机理的分析方面，都很不完善。例如： 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 各个独立因素如：气流速度，床层厚度，振动强度，热风温度等对干燥 性能的影响的研究还只是局限于个别模型，研究的深度和广度还不够。 ( 2 ) 有关干燥机性能的研究基本处于定性阶段，参数的影响还大部分局限于 单一因素分析，还远不能满足实际生产的需要。 ( 3 ) 除了床层厚度和振动强度之外，对温度极其它工业参数对干燥特性的影 响的研究还很少，对这些因素的影响还缺乏认识，还不能从机理上给予定量甚至定 性的解释。 ( 4 ) 理论手段研究的还很不完善，影响了对干燥机性能的进一步分析。 ( 5 ) 实际的干燥机设计主要还是凭借经验，带有很大的盲目性，理论依据不 足。 ( 6 ) 对干燥机的强度的分析还不多，还很不完善，使干燥机的强度得不到有 效的分析，使实际的设计没有可靠的依据，影响了干燥机的使用寿命和性能的发挥。 针对干燥机的设计研究情况，本文选择了以往学者没有研究过的，或研究但解 决不彻底的下列问题进行研究： ( 1 ) 串联式振动水平圆干燥机各个参数对干燥性能的影响和各个因素的交互 作用对干燥性能的影响，以及干燥机在单目标和多目标下的最佳工作状态时，各个 参数值的确定。 ( 2 ) 串联式振动水平圆干燥机的整体和挂板处的静、动态应力、应变计算和 图形分析。 一8 东北大学硕士学位论文第二章干燥机的基本干燥特性及相关分析 第二章干燥机的基本干燥特性及相关分析 2 1 干燥的基本特性 干燥通常是指将热量加于湿物料并排除挥发性湿份，从而获得一定湿含量固体 产品的过程。湿份以松散的化学结合形式或以液态溶液形式存在于固体中，或积聚 在固体的毛细微结构中。当湿物料做热力干燥时，以下两种过程相继发生： ( 1 ) 能量从周围环境传递到物料表面使表面水分蒸发。 ( 2 ) 内部湿份传递到物料表面，随之由于上述过程而蒸发。 2 1 1 振动流化床的干燥机理 干燥机理及其过程的深入研究是改善干燥方法，提高干燥效率的有力手段。所 以，从流化床到振动流化床的出现以来，已经有许多的学者对其进行研究，并在一 些主要的共性方面达成了一致。 物料含水率 图2 1 一种典型的干燥速度曲线 f i g 2 1a k i n do f t y p i c a lc u r v eo f d r ys p c , d 图2 1 定性的描述了在恒定的干燥条件下，吸湿性物料的一种典型的干燥速度 曲线。 被干燥物料干燥速度问题的解决是干燥设备计算的先决条件。大多数物料的干 燥速度曲线呈现两个阶段，恒速阶段和降速阶段两个阶段。在恒速阶段，传热传质 一9 越制蟥卜 东北大学硕士学位论文 第二章干燥机的基本干燥特性及相关分析 干燥速度主要取决于边界层的传递机理( 即外部条件) ；而在降速阶段，控制因素变 为被干燥物料内部的传热传质阻力( 即内部条件) 【】。 不同的湿含量和湿物料具有不同的干燥特性，表现出不同的干燥速度。第一干 燥段的干燥速度恒定，因为物料表面含有自由水分，蒸发首先从这里开始( 当湿表 面逐渐移向固体表面时，有可能发生一定程度的物料收缩) ，在此干燥阶段，控制干 燥速度的因素为水蒸气通过空气与湿份交界面的扩散，这时，可以通过强化外部条 件减少此扩散阻力，提高干燥速度；到恒速阶段后期，湿分必须从固体内部克服毛 细管力或其他力向物料表面传递，若该传递速度还足够快，可以保证物料与干燥介 质接触的表面保持湿润，那么干燥速度仍可以保持恒定n 鲫。当湿含量达到临界值时， 由于蒸发的作用，使物料表面的“水膜”不够继续保持连续，进步进行干燥就会 使表面上出现干燥的“斑点”，但，干燥速度是以整个物料表面积( 该表面积在干燥 过程中保持不变) 为依据的，因此，这时的干燥速度下降，这就是第二干燥阶段即 第一降速阶段，该阶段一直持续到整个物料表面的液体膜完全蒸发掉，这部分曲线 可能根本不出现，也可能构成整个降速干燥段。 再进一步干燥时( 第二干燥段也是第三干燥段的开始阶段) ，湿份由于在物料较 深的部分，内部湿份与表面的梯度差引起的迁移速度将成为控制因素，即干燥速度 由湿份内部向表面扩散和向表面的传递所控制。在此阶段，一部分结合水份被移去。 当平均含湿量达到给定条件下的平衡湿含量时，干燥停止。在整个过程中，由一个 阶段向另一个阶段过渡过程如图2 1 所示。 振动流化床由于振动的加入使湿物料颗粒克服了容易粘在一起，物料与干燥介 质间的有效传热传质面积小，湿份蒸发速度低等缺陷，实现了全部颗粒表面均能参 与传热与蒸发n ”；由于施加了振动可以方便的依靠调整振动参数来改变物料在机内 的停留时间，活塞流式的运动降低了对物料粒度和均匀度的要求，易于获得均匀的 产品；由于物料剧烈的跳动，大大减小了蒸发表面的气膜阻力，湿份从表面蒸发的 速度增加了，从而提高了干燥速度；振动也赋予物料内部水分一定的能量，使得其 活性增强，更容易克服与物料问的结合力，从而使干燥速度得到提高。 2 1 2 物料在床层中的运动分析 在振动床中，以位移x = as i n w t 振动的床层加速度为： 鹫= a w 2s i n w t ( 2 1 ) 当振动惯性力只= 一，耐小于物料的重力时，床层物料以x = a s i n w t 保持与床层 相同的运动轨迹。当在某一个时刻满足： 1 0 东北大学硕士学位论文第二章 干燥机的基本干燥特性及相关分析 e m g ( 2 2 ) 式中： m 为物料质量 譬为重力加速度 时，振动惯性力足以克服物料的重力，使得床中的颗粒与床面脱离接触被向上抛起， 呈悬浮疏松状态，直到有一个时刻重新返回筛板，如图2 2 所示。 x 八 “ v 图2 2 物料轨迹 f i g 2 2 t r a c ko f m a t e r i a l 如果床层振动加速度a w 2 g 条件下，物料同时受到振动惯性力只和气动力e 的 双重作用，t 可表示为： e = c m v ； ( 2 3 ) 式中： v ，为气流与颗粒的相对速度 c 为阻力系数，与物料的形状、运动方位、表面特性以及雷诺数有关 当满足条件： e + e m g 即： 一m + 硎v ：m g 亦即： a w 2 s i n w t + c v ：占 ( 2 4 ) 时，物料将脱离筛面产生流化。 由式2 4 可见，增加振动参数或风速均有利于床层的流化，而在干燥过程中， 热风速度的提高意味着热能消耗的增加，因此，风速的选择应以满足传热传质为条 1 1 东北大学硕士学位论文 第二章干燥机的基本干燥特性及相关分析 件，不宜过高，床层的流化可通过选择适当的振动参数来实现。由此可见，振动的 输入为风速的选择提供了较大的余地，从而可以从节能和实现流化的角度确定适宜 的工艺参数。振动对堆积物料的作用力由筛板经过物料底部逐层传递到上层，顶层 物料首先与下层分离，在周期性振动力作用下逐层疏松并伴有层间混合，这就大大 降低了气流通过床层的阻力，在流化状态下，颗粒保持疏松状态，为物料干燥提供 了更多的与气流直接接触的有效表面积，具有良好的传热传质条件。 2 2 串联式振动干燥机的基础性实验研究 本文以具有初含水达7 8 的粘性化学原料颗粒聚丙烯酰胺为实验材料，在串联 式振动水平圆干燥机上进行了基本的实验分析。干燥系统如图23 所示。 2 2 1 干燥过程 干燥机工作时，由安装在干燥机下面的两个交叉对称布置的同步振动电机产生 机体的上下振动和圆周方向的扭振，使得物料产生上下同时伴有向前的圆周运动； 载湿体空气由鼓风机鼓入，经过热风炉加热后，吹入干燥机的中心内简，再由内筒 上的布风孔进入干燥主机的内外筒之间的环型空间，然后穿过多层孔板对物料进行 干燥，废气经过出风口进入旋风分离器将细微颗粒的物料分离，然后由引风机引出 排空。 2 2 2 实验物料性质 实验分析所用的原料颗粒为直径3 5 姗的聚丙烯酰胺颗粒，初含水为7 8 。由 于造粒机的性能有问题，使干燥前颗粒呈现小片状连接在一起，加大了干燥的难度。 此物料呈现胶状，干燥属于液体扩散理论范围。这一理论认为，在降速干燥过程中， 物料内部水分具有浓度梯度，使得水分由含水率较高的物料内部向含水率较低的表 面扩散。 2 2 3 实验参数的调节和测试 实验的部分测试装置如图2 3 所示。 ( 1 ) 风温：进风口和出风口的风温由热电偶测定。从热电偶的温度表上可以 很方便地看到温度的变化值。 ( 2 ) 振动强度：实验中振动强度的改变是通过调节偏心块的重合程度或改变 1 2 东北大学硕士学位论文第二章干燥机的基本干燥特性及相关分析 振动电机的安装角度来实现的。振幅的测定是通过在干燥机上的合适位置固定( 如 图2 4 所示) 的振幅牌来实现的。它是由一排由直径为1 - 6 m m 的圆环构成的。振动 时圆环会出现如图2 4 下图所示的三种倩况：两圆相离、相切、相交；其中，两圆 相切对应的圆环数值便是主机的双振幅值，为振动方向的数值。 ( 3 ) 风速：通过调节离心风机入风口风门的开闭程度来控制进风量的大小， 可以获得不同的风速，风速由安装在干燥机进风口上的皮托管测得的压差( 单位 m l t l ，这里换算成m ) ，经下式获得。 = 2 9 ( - k h b ) = 2 尺( p 一p ) g p ( 25 ) 式中： r 为u 形压差计中的指示液的高度差读数，m ： p 为u 形压差计中的指示液密度，k g m 3 ； p 为热空气的密度，k g m 3 。 然后根据风量和风速的关系，可算出风量值。 图2 3 实验系统图 f i g 23 t h es y s t e ms k e t c ho f e x p e r i m e n t 1 引风机2 旋风分离器3 干燥机4 热风炉 5 鼓风机6 皮托管、u 型管 7 皮托管、u 型管8 热电偶 9 热电偶 1 m a c h i n e o f v e n t i n g w i n d 2 s e p a r a t o r3 d f y c r 4 s t o v e o f p r o d u c i n g h e a t w i n d 5 b l o w e r6 p i t o t t u b e7 us v y l e r o b e8 t h c r m o c o u p l e 9 t h e r m o c o u p l e 】3 燮学堕士学垡论文 第二章 干燥机的基本干燥特性及相关分析 o oo 动方向 动方向 图2 4 振幅的测量 f i g2 4 t h em e a s u r eo f s w i n g ( 4 ) 的湿含量：用水分快速测湿仪可直接测得物料的湿基湿含量。 ( 5 ) 空气的湿度：利用干球温度计和湿球温度计测得的干湿、球温度，在空 气的湿度图上可读出空气的湿度。 ( 6 ) 风压：由装着有色水柱的u 形管压差计一端连在要测的管路上，一端露 在大气压下，从u 形管的读数上可方便的读出数值，加上或减去大气压就可以得出 要测的压力了。 2 2 4 物料干燥特性的描述 本实验是在实际生产现场测试的，而且是连续加料的。而一般的干燥实验，是 在实验机上一次性加料，然后看随后的结果，与实际生产中的情况相比其结果失真 较多，所以一般的实验和实际生产不一样，不能直接表现出实际生产结果来。实际 生产中主要随时控制的是出口风温，二是加料量，二者互相调整，达到最佳。因 此本实验通过观测出风口排气温度随时间变化的情况，来分析物料的干燥情况。 从实验得到的图25 出风口排气温度随时间变化曲线中可以看出，排气口的温 度比较稳定，平缓，变化不大，基本在5 5 6 5 度之间波动，这是因为，实际的生产 加料和出料是连续的进行的。实际测的的干澡周期是2 5 , - - , 3 0 分钟之问，在前一个周 期，由于加入湿料，温度有所降低，当干燥到一定时间后，加入的物料和排出的物 一1 4 查! ! 查兰塑主兰竺笙墨苎三主塑竺查查鉴竺兰墨塑墨坌塑 料基本相等，干燥机内既有湿料，又有逐渐被干燥的物料，物料状态基本不变，温 度又逐渐恢复到平稳状态，波动不大。当停止加料后，温度又有所回升。 80 五7 o ， “ 嘣 f 枯60 50 102 旷30 40 5 o607og09010 01 1012 013 0i40 干燥时目( 1 i n ) 图2 5 出风口排气温度随时问变化曲线 f i g 2 5t h e g r a p h o f t e m p e r a t u r ec h a n g e o f e x h a u s ta l o n g w i t h t i m e i n v e n t 从物料的特性和上面的曲线分析来看，干燥的基本上是结合水，从而可以看出， 物料的干燥始终是均匀的，各批出来的物料问的含水率都差不多，比较均匀。从干 燥的物料结果来看，每个物料内外干燥的比较均匀，没有出现那种外面被干燥的很 干，甚至焦了，但里面还没千好的情况，物料总体干燥的也是比较均匀的，达到了 厂家要求的终含水量1 5 左右的标准，说明此种干燥机很适合干燥此种物料。实验 中观察到，振动流化干燥机内，物料在孔板上频繁的起伏振动，使得物料与风充分 接触，加大了相对速度，从而加快了干燥速度，提高了生产率，同时也避免了因干 燥时间过长而使物料过热现象的发生，因此也为干燥热敏性物料提供了条件。 1 5 i 鲨查兰堡主兰堡垒查釜三皇 塞垫塑墨：兰! ! 查墼箜壅竺翌壅 第三章 干燥机的干燥性能参数的实验研究 3 1 实验研究简介 串联式振动水平圆干燥机是普通振动水平圆干燥机的改进型。相当于由原来普 通的两个有效干燥主机主体部分串联式而成，物料的干燥过程是连续进行的，物料 的运行时间及干燥路径也加长了，虽然干燥特性相同，但该机的干燥能力提高了， 去湿能力也提高了，适合处理具有热敏性物料及干燥时间长的物料的干燥，与普通 机型相比，其实用范围增大许多。振动流化是一个复杂的传热传质过程，受到许多 因素的影响，例如，干燥介质，振动参数，物料特性等的影响。目前，还没有成熟 的理论，理论研究落后于生产实践的状况还没有较大的改变，而且都是实验性的， 以定性分析的较多。本文通过实际的干燥生产实验，运用数理统计中的回归分析来 对其进行定量的分析，并建立参数方程，然后对求出的两个所关心的目标方程进行 单目标和多目标的优化，找出在给定的条件下想要达到的最优化结果，并对其进行 单因素和交互因素的图形分柝，发现各个参数对目标结果的作用情况，使得此种机 型能充分发挥其效能。本次研究采用的回归分析方法是一种对随机的非线性过程很 有效的方法。回归分析是实际需要和研究的产物，在许多的实际问题中，由于变量 之间的关系比较复杂，使得我们无法得到精确的数学表达式，或由于生产或实验过 程中不可避免地存在着误差的影响，面使它们之间的关系具有一些不确定性，因此， 需要用统计的方法，在大量的实验观察中寻找隐藏在上述随机性后面的统计规律， 这类统计问题就是回归分析，本课题所做的工作是对干燥机输出结果与多个输入因 素之间的关系进行分析，找出它们之间的规律。 3 2 实验的设计及结果 本次实验的设计方案，选用的是数理统计中的二次回归分析中效果较好的二次 通用旋转组合设计安排的。这种方法的优点是：计算简便，实验次数少，消除了回 归系数闯的相关性，还具有旋转性和通用性，克服了回归正交设计中的二次回归分 析中预测值的方差强烈地依赖于试验点在因子空间位置的缺点，进行预测十分方便。 3 2 1 实验因素的选择 1 试验输入因素的选择 1 6 东北走学硕士学位论文 第三章干燥机的干燥性能参数的实验研究 因为本干燥实验所用的原料为初含水为7 8 的聚丙烯酰胺颗粒，为胶状粘性物 料，不能象其他颗粒物料那样可以把物料堆积成一定的厚度层来干燥，为了防止彼 此间粘接到一块，以一层平铺的方式进行干燥。根据以往的研究结果和经验，设计 用以下4 个因素作为输入参数： 。 热风温度：z ，； 气流速度：z ，m s ： 振动强度：z ，； 干燥时间：z 。，r a i n 。 其中； 振动强度：z 3 一- - a w 2 g 式中： 4 为振幅； 、 w 为振动频率； j g 为重力加速度。 ( 1 ) 试验次数的选择 二次通用旋转组合设计中，有，1 个实验点，而且这些试验点分布在三个半径不 同的球面上： n 。m 。+ 2 p + m o 式中： 聊。个点分布在半径为p 。= p 的球面上 2 p 个点分布在半径为p ，= r 的球面上； m 。个点集中在半径为风卸球面上。 本次实验次数的具体设计如表3 1 所示。 表3 1 实验次数的设计 ( 3 1 ) 实验计因素个 肌c 星号臂 聊0总试验 2 p 划方式数p公式次数公式 ， 查表次数 421 622873 l ( 2 ) 试验参数值的制定 根据以往的研究结果和经验，确定了如表3 2 所示的各个因素的取值参数值， 具体的实验安排如表3 3 第一个表项。 1 7 燮鲎壁学位论文 第三章 干燥机的干燥j j 生能参数的实验研究 其中因素水平与参数值满足如下的关系： 式中： x ：垃 l 觇 z 。为第个因素的参数值； j c ，为第j 个因素在参数值为z ，下的水平值； z ，。为z ，的零水平值； a z 扣为z ，的交化区间。 表3 2 二次旋转设计因素编码表 ( 32 ) 因素_ ，l2 34 水平数i水平值热风温度气流速度振动强度干燥时间 劬n u n l+ 21 3 59 03 9 5 93 6 2+ l1 3 08 53 4 3 83 3 301 2 5802 9 1 73 0 411 2 07 52 3 9 62 7 521 1 57 o1 8 7 52 4 3 2 2 试验输出性能参数的选择与计算 1 输出性能参数的选择 输出性能参数标志了干燥机的性能优劣，是干燥机设计的重要指标，如干燥速 度，单位热耗，汽化强度等性能指标。同时考虑干燥机的性能指标和经济指标以及 本干燥机的干燥特点和被干燥的物料的特点，本文选择下列两个输出变量作为评价 指标： 干燥速度：一，k g h 2 0 r a i n ； 单位热耗：y 2 ，k j k g q ：o 。 2 输出性能参数的计算 本文采用如下的性能参数计算公式， 单位热耗y ： 1 8 东北大学硕士学位论文 整三主 ! 墨垫塑王墨些堂