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列管回转干燥机换热系数的测定
发布时间：2013-05-12 07:59 来源：未知
1、前言
列管回转干燥机烘干机是在传统的直接传热回转干燥机的基础上加装加热管形成的，属于间接换热干燥设备。加热管内可通入蒸汽、热烟气、导热油等作为热源。干燥所需的热量由加热管传递给被干燥的物料。与传统的直接传热回转干燥机相比，列管回转干燥机具有产品质量易于保证、热利用率高、污染小、便于回收溶剂等优点。由于列管回转干燥机携湿气量小，干燥机内溶剂浓度高，非常利于解决煤粉、PTA等物料干燥过程中的燃、爆问题。目前，间接换热式列管回转干燥机正在诸如干燥PTA、脱硫石膏等工业生产中获得越来越广泛的应用。
然而，列管同转干燥机内部的传热过程较直接换热式回转干燥机复杂的多。既存在被干燥物料颗粒与列管间的接触传热，又存在着列管与载湿气体、载湿气体与物料颗粒之间的对流换热，以及物料颗粒层之间的热传导。虽然列管回转干燥机已获得了一些工业应用，但目前，国内外对回转圆筒干燥机换热系数的研究仅局限于直接换热形式，还没有用于列管回转干燥的工艺及装备设计和计算的成熟方法，对其传热机理的研究也较少。而换热系数是进行干燥机设计计算的重要参数，它直接影响到所需换热面积设定的准确性，进而影响干燥机的热效率和容积蒸发强度，因此对列管回转干燥机内的传热机理和传热系数进行深入地分析和研究，对该类设备的设计及其工艺的计算具有十分重要的指导意义。
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2、实验
2.1实验装置
实际工程应用的列管回转干燥系统，主要由热源、干燥机、加料装置、出料装置等组成。干燥机内脱水所需热量由列管内的热介质（一般为蒸汽）通过管壁向被干燥物料传递。因列管随筒体转动，所以，热源与列管间须进行动连接。这种连接在实验室实现的难度较大，且不便于瞬时热流量的测量。为对列管回转干燥机内列管与物料颗粒之间的换热过程进行实验分析和研究，我们建立了一套独特的实验装置。该装置由简体、不锈钢列管、电机、电磁调速器、电流表、调压显示器、氮气瓶、氮气减压阀、流量计等组成。其流程图如图l所示。
筒体选用不锈钢材质，规格为∮500mmx675mm。筒体内的列管由不锈钢管和测试管组成。与测试管相邻的下游不锈钢管固定热电偶，用于测量物料或筒内环境的温度。
测试管用于测量管壁温度。由紫铜管、不锈钢管、热电偶、电阻丝等组成，如图2所示。热电偶敷设于紫铜管外壁，然后由不锈钢管同定。由于紫铜的导热系数大，热电偶比较细，反应灵敏，能够用于较高精度的温度测量。两根测试管分别设置在简体内同一径向方向的内、外排列管位置处，分别测量内、外排管的管壁温度。每个热电偶各配有数显表，读取测量温度值，读数精度0.1℃。电加热管作为热源，为实验系统提供热量。每根电加热管的额定功率为lkw。采用电压调节器调节电加热管的功率，可获得不同的管壁温度。并设有电流表和电压表，测量通入电加热管的发热功率。加热管的管壁温度Tw与调压器的可控硅实行反馈调节，使管壁温度稳定在所需的设定值。
传动系统由调速电机、链轮、链条和托轮组成。简体通过电机带动托轮实现转动，可通过调节电磁调速器来改变简体转速。
2.2实验方法
该实验选用含湿率为0.1%的精对苯二甲酸(PTA)为原料。这种水分下的物料具有较好的分散性能，可以保证测试的稳定性和可重复性。
实验观察发现，物料在列管、筒壁、颗粒间的摩擦力及自身的惯性力和离心力的共同作用下，做月牙状循环运动。启动后，随着转速的增加，物料的循环运动也逐渐加剧。同时，物料的偏析程度也加大。在一段较大的转速范围内，物料颗粒群在筒内呈现出明显的流态化运动特性。因此，物料颗粒群与列管的换热完全可以看作连续流体与列管的对流换热。
测量加热管外壁温度、物料温度及输入测试管的电流和电压，即可按照式(l)计算各工况下的瞬时换热系数。而截面上加热管与管外流体（物料颗粒或携湿气体）的综合换热系数为瞬时换热系数的积分。
3、实验结果及分析
3.1简体转速对换热系数的影响
在一定转速范围内，物料在筒内运动的剧烈程度随转速的增加而加剧，而物料与列管表面间的传热系数正比于两者的相对运动速度。实验发现，随着转速的增加，物料与加热管问的相对运动加强，传热系数也将升高。但随着转速的进一步增加，离心力的作用逐步增强，当简体和列管的转速增加到某一数值后，离心力将起主导作用。这时，物料与列管的相对运动将减弱，此时传热系数随转速的加大反而有所降低。实验测得的列管与物料问的综合换热系数随转速的变化规律如图3所示。
由图看出，就本文的实验装置及其涉及的被干燥物料而言，具有较高综合换热系数的转速范围为30～40r/min。
3.2换热系数随列管位置的变化
实验观察发现，物料颗粒在列管回转干燥机内呈现出不均匀的速度和浓度分布。因此，当列管随简体转动处于不同周向位置时，其外壁与物料间的传热系数也发生周期性变化。如图4所示，当列管在简体最下方(0°)时，与物料的接触较充分，其换热系数较大，随着筒体转动，物料与列管的相对运动逐渐加强，在900附近时，物料与列管的相对速度最大，此时的换热系数最高。在周向角度为接近180°至270°的扇形区域内，物料颗粒的浓度基本上为零。此时，列管与携湿气体进行换热。由于携湿气体的密度、导热系数及与列管的相对速度均低于实验物料，因此，在这个区域内换热系数均处在较低水平。待列管运动到最下方（接近360°）时，又与物料接触充分，换热系数又有所提高。实验还发现，由于线速度的差异，在同～简体周向位置，同一径向方向的外排列管换热系数明显高于内排列管的换热系数。
3.3填充率对换热系数的影响
列管回转干燥机截面内物料所占的比例对颗粒相的速度和浓度分布具有显著的影响。进而，其综合换热系数也随着填充率的变化而变化。实验发现（如图5所示），当填充率较低时，随着填充率的增大，物料与列管之间的接触面积逐渐增大，相对运动逐渐加强，换热更充分，综合换热系数呈现升高的趋势。但当填充率大于某一数值时，随着填充率的增加，物料与列管的接触面积不再增加，相对运动不再加强，综合换热系数基本保持不变。但当填充率过高时，一部分物料处于靠近圆心的非列管区域，无法与列管接触，这种情况下，虽然不影响列管传热面积的利用，但对物料的湿分传递具有不利的影响。
由图5可见，就本文的实验装置及其涉及的被干燥物料而言，具有较理想综合换热系数的填充率为20%左右。
4、结论
本文针对间接换热式列管回转干燥机传热过程的研究，建立了独特的实验系统，提出了一套换热系数测定方法，并应用该系统和方法以PTA为原料进行了大量的实验研究。
(1)综合换热系数随着转速的增加而增大。当转速达到到某一数值后，传热系数却随转速的增加而减小；
(2)不同径向位置的列管具有不同的换热系数，且同一根列管表面与物料颗粒的换热系数也随其所在的周向位置而改变；
(3)随着填充率的增大，综合换热系数呈现升高的趋势。但当填充率增加到某一数值后，随着填充率的增加，换热系数将基本保持不变。
