新型干燥技術(shù)脈動(dòng)氣流霧化料液的試驗(yàn)研究
脈動(dòng)燃燒干燥技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種新型干燥技術(shù)，它利用脈動(dòng)燃燒器產(chǎn)生的高溫，高頻脈動(dòng)尾氣流直接霧化和干燥液態(tài)物料。
與傳統(tǒng)噴霧干燥相比，脈動(dòng)燃燒噴霧干燥具有能耗低，熱，質(zhì)傳遞速度高，環(huán)境污染小，以及投資成本低等很多特點(diǎn)。
長(zhǎng)期以來，對(duì)噴霧干燥過程進(jìn)行了各種試驗(yàn)和模擬研究，但這些研究并不能揭示噴霧干燥室內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，顆粒群的運(yùn)動(dòng)軌跡和各種熱力學(xué)參數(shù)分布信息，常規(guī)的測(cè)試手段又很難測(cè)得，而這些參數(shù)分布信息對(duì)干燥器沒計(jì)和過程優(yōu)化具有重要指導(dǎo)作用。
為解決這一難題，本文利用氣體一顆粒兩相流理論和計(jì)算流體力學(xué)CFD技術(shù)，建立了更符合實(shí)際噴霧干燥過程的數(shù)學(xué)模型即噴霧干燥的CFD模型，并進(jìn)行了脈動(dòng)燃燒噴霧干燥過程模擬，其主要內(nèi)容如下：
1建立了脈動(dòng)燃燒噴霧干燥的CFD模型 該數(shù)學(xué)模型建立在氣體一顆粒兩相流基礎(chǔ)之上，用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型預(yù)測(cè)干燥室內(nèi)的氣體湍流運(yùn)動(dòng)過程，顆粒軌道模型追蹤干燥室內(nèi)顆粒群的運(yùn)動(dòng)軌跡，熱質(zhì)傳遞模型描述空氣和液滴的熱質(zhì)傳遞過程。
通過模型的求解，得到了干燥室內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，氣體溫度、濕度分布，顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，顆粒沿運(yùn)動(dòng)軌跡質(zhì)量變化，顆粒沿運(yùn)動(dòng)軌跡的溫度變化等各種動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)分布信息。
脈動(dòng)燃燒噴霧干燥技術(shù)是將脈動(dòng)燃燒器與傳統(tǒng)噴霧干燥過程相結(jié)合而成的一種新型干燥技術(shù)，具有能源利用率高，排放污染小，傳熱傳質(zhì)效率高，設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)利用一種更有效的熱能發(fā)生器——脈動(dòng)燃燒器產(chǎn)生的高頻、高溫、高速振蕩尾氣流直接將液態(tài)物料霧化成小霧滴，然后快速完成霧滴的干燥過程。傳統(tǒng)的噴霧干燥設(shè)備由于噴嘴容易堵塞和磨損，經(jīng)常需要停機(jī)修理和更換噴嘴。作者在對(duì)脈動(dòng)燃燒器運(yùn)用過程的研究中發(fā)現(xiàn)，利用脈動(dòng)燃燒器產(chǎn)生的高速脈動(dòng)氣流可直接霧化料液，無需噴嘴和高壓泵，可免除噴嘴維修的時(shí)間和費(fèi)用，也無需氣體泵送裝置，這顯然是脈動(dòng)燃燒噴霧干燥技術(shù)所具有的一個(gè)較大優(yōu)點(diǎn)。以脈動(dòng)氣流作為霧化動(dòng)力，對(duì)料液進(jìn)行霧化操作，將能解決傳統(tǒng)的噴霧干燥技術(shù)難題。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于脈動(dòng)燃燒噴霧干燥的研究主要集中在其干燥過程的傳熱傳質(zhì)、數(shù)值模擬等基礎(chǔ)理論方面和物料的干燥適應(yīng)性方面[2~5]，而對(duì)于干燥前脈動(dòng)氣流料液霧化方面的研究極少。脈動(dòng)氣流對(duì)料液的霧化效果對(duì)于后續(xù)的霧滴干燥過程的有效進(jìn)行和干燥后固體顆粒產(chǎn)品的質(zhì)量都密切相關(guān)，因此，深入了解脈動(dòng)氣流霧化的特點(diǎn)、效果和作用機(jī)理非常必要。
評(píng)價(jià)料液霧化效果的兩個(gè)較重要指標(biāo)是霧滴粒度和粒度分布。本研究的主要目的是通過脈動(dòng)氣流霧化試驗(yàn)探求料液流量、脈動(dòng)氣流頻率和料液粘度這三個(gè)因素各自對(duì)霧滴粒度和粒度分布的影響規(guī)律，希望有助于脈動(dòng)氣流霧化機(jī)理的研究，為脈動(dòng)燃燒噴霧干燥技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)和利用提供參考。
1 試驗(yàn)裝置與方法
1.1 試驗(yàn)裝置
圖1所示為脈動(dòng)氣流霧化料液試驗(yàn)裝置示意圖，裝置主體為脈動(dòng)燃燒器和激光粒度測(cè)試儀。
圖1 脈動(dòng)氣流霧化料液試驗(yàn)裝置示意圖
1-液化氣瓶；2-減壓閥；3-轉(zhuǎn)子流量計(jì)；4-U形壓力計(jì)；5-電磁閥；6-控制器；7-燃?xì)馊ヱ钍遥?-燃?xì)忾y；9-火花塞；10-空氣閥；11-鼓風(fēng)機(jī)；12-燃燒室；13-尾管基段；14-尾管；15-料液入口；16-激光粒度測(cè)試儀進(jìn)行脈動(dòng)氣流霧化試驗(yàn)，首先需要一臺(tái)工作性能穩(wěn)定可靠的脈動(dòng)燃燒器，本研究采用功率為25kW的膜片式亥爾姆霍茨（Helmholtz）型脈動(dòng)燃燒器[1]產(chǎn)生高頻、高溫、高速的脈動(dòng)尾氣流，脈動(dòng)氣流與從料液入口流入的料液混合而進(jìn)行霧化試驗(yàn)，料液入口位于尾管末端。依據(jù)脈動(dòng)燃燒器頻率跳變?cè)�，脈動(dòng)氣流的脈動(dòng)頻率通過改變脈動(dòng)燃燒器尾管的長(zhǎng)度來改變[2]。料液的流量和粘度分別通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)和粘度計(jì)測(cè)量。霧滴的粒度和粒度分布兩個(gè)指標(biāo)在本文分別用霧滴的Sauter平均直徑(Dvs)和粒度重量分布表示。霧化后霧滴的Dvs值和粒度重量分布圖由英國(guó)Malvern公司生產(chǎn)的MastersizerS型激光粒度測(cè)試儀[6]獲得，激光粒度測(cè)試儀安裝在距料液管出口下方280mm處，此處料液霧化完全。
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和安排
通過前期預(yù)備試驗(yàn)，本文試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：首先進(jìn)行脈動(dòng)頻率為100Hz以水為料液的不同流量條件下的脈動(dòng)霧化試驗(yàn)，料液流量選三水平（62L/h、54
L/h和35 L/h）；再進(jìn)行料液流量為35
L/h以水為料液的不同脈動(dòng)頻率條件下的脈動(dòng)霧化試驗(yàn)，脈動(dòng)頻率選三水平（100Hz、75Hz和61Hz）；較后進(jìn)行100Hz頻率和35L/h流量下不同動(dòng)力粘度麥芽糖溶液的脈動(dòng)霧化試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原料選用北京市飴糖廠生產(chǎn)的高麥芽糖漿，通過稀釋不同的倍數(shù)獲得不同的粘度，粘度選四水平（0.001Pa.s、0.007
Pa.s、0.016 Pa.s和0.041 Pa.s）。每一工況下試驗(yàn)的具體步驟如下：
1)安裝脈動(dòng)燃燒器，固定燃?xì)饬髁繛?.9m3/h，選定脈動(dòng)頻率水平；
2)安裝激光粒度測(cè)試儀，選擇直徑為300mm的透鏡，其粒度測(cè)量范圍為0.5～880µm；
3)安裝實(shí)驗(yàn)臺(tái)，調(diào)整尾管出口與激光光束的位置，其垂直距離為560mm是激光探測(cè)器采集數(shù)據(jù)點(diǎn)的較佳位置；
4)點(diǎn)燃脈動(dòng)燃燒器，進(jìn)行此條件下激光粒度測(cè)試儀光學(xué)校準(zhǔn)和背景規(guī)零；
5)分別選定料液的流量水平和粘度水平，檢測(cè)其霧化效果，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；
6)選擇激光測(cè)試儀的多分散相分析模型和Standard-Dry(3RHA)表示式，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出霧滴的Dvs值和粒度重量分布圖。
2 試驗(yàn)結(jié)果和分析
2.1 脈動(dòng)頻率一定，料液流量變化條件下霧化
圖2是脈動(dòng)頻率為100Hz的脈動(dòng)氣流霧化流量變化的純水料液時(shí)所得到的霧滴粒度重量分布圖。當(dāng)流量分別為62L/h、54L/h和35L/時(shí)，測(cè)得霧滴DVS值分別為73µm、70µm和66µm。頻率為100Hz的脈動(dòng)燃燒器產(chǎn)生的脈動(dòng)氣流在霧化不同流量的料液時(shí)，隨著流量的減小，霧滴DVS值減小，粒度重量分布越均勻。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)當(dāng)流量低于28L/h時(shí)，霧滴粒度過小，極易被蒸發(fā)而來不及進(jìn)行檢測(cè)。為方便實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)，本文選擇霧化效果較好的流量為35L/h條件下進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
圖2 脈動(dòng)頻率100 Hz霧滴粒度重量分布圖
圖3 料液流量35 L/h 霧滴粒度重量分布圖
2.2 料液流量一定，脈動(dòng)頻率變化條件下霧化
圖3是流量為35L/h的純水料液脈動(dòng)頻率變化時(shí)所得到的霧滴粒度重量分布圖。當(dāng)脈動(dòng)頻率分別為100Hz、74Hz和61
Hz時(shí)，測(cè)得霧滴DVS值分別為66µm、73µm和93µm，中間直徑DM值分別為80µm、88µm和107µm。隨著頻率的減小，霧滴DVS值增大，粒度重量分布均勻性變差。當(dāng)流量固定為35L/h，三個(gè)頻率樣本中頻率為100.51Hz時(shí)的霧化效果較好。
2.3 脈動(dòng)頻率和料液流量一定條件下，料液粘度變化條件下霧化
圖4是脈動(dòng)氣流頻率為100Hz，霧化流量固定為35L/h時(shí)的不同動(dòng)力粘度的料液，所得到的霧滴粒度重量分布圖。當(dāng)料液動(dòng)力粘度分別為0.001Pa.s、0.007Pa.s、0.016Pa.s、和0.041Pa.s時(shí)，測(cè)得霧滴DVS值分別為66µm、53µm、59µm和76µm。可見，粘度變化對(duì)霧化效果也存在很大的影響，而且影響程度隨著料液粘度的變化而變化。從實(shí)驗(yàn)及分析可以看出，隨著料液動(dòng)力粘度的增大，霧化細(xì)度先減小后增大。這種波動(dòng)情況是由于表面張力的作用而出現(xiàn)的，粘度大的液體，其表面張力也大。適當(dāng)?shù)谋砻鎻埩�，有助于液滴的表面收縮，達(dá)到比較小的霧滴粒度，而且一定的表面張力可以阻止顆粒間進(jìn)一步聚合；但是當(dāng)表面張力過大，會(huì)對(duì)霧化起到阻礙的作用，霧化出來的霧滴粒度較大，對(duì)霧化過程不利。因此，在脈動(dòng)頻率和料液流量一定時(shí)，動(dòng)力粘度適中的料液的霧化效果較好。
圖4 脈動(dòng)頻率100 Hz、流量35L/h霧滴粒度重量分布圖
3 結(jié)語
本文從霧滴的Sauter平均直徑和粒度重量分布兩個(gè)方面，分別進(jìn)行了料液流量、脈動(dòng)氣流頻率和料液粘度對(duì)霧化效果影響的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，這三個(gè)影響因素對(duì)脈動(dòng)氣流霧化效果都有較大的影響，脈動(dòng)氣流頻率越大、料液流量越小和料液粘度適中時(shí)霧化效果較好；本試驗(yàn)條件下采用脈動(dòng)氣流霧化得到的霧滴的Sauter平均直徑在50～100µm之間，粒度重量分布均勻，應(yīng)用前景廣闊。進(jìn)一步的研究將通過理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方式，對(duì)脈動(dòng)氣流的霧化機(jī)理進(jìn)行探索。
脈動(dòng)燃燒噴霧干燥試驗(yàn)裝置和傳統(tǒng)的壓力噴霧干燥試驗(yàn)裝置對(duì) NaCl 溶液進(jìn)行了噴霧干燥試驗(yàn),并對(duì)噴霧干燥過程的能耗作了分析。結(jié)果表明,利用脈動(dòng)燃燒器產(chǎn)生的高速脈沖氣流可直接將料液霧化成微細(xì)霧滴,實(shí)現(xiàn)了料液霧化和加熱過程的合二為一,較之壓力噴霧干燥系統(tǒng)省去了霧化噴嘴和高壓輸送系統(tǒng),既簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu),又節(jié)省了設(shè)備投資和維護(hù)費(fèi)用。脈動(dòng)燃燒噴霧干燥的熱能消耗為3300kJ/kgH_2O,平均體積蒸發(fā)強(qiáng)度為217.3kgH_O/m~3·h;壓力噴霧干燥的熱能消耗為5501kJ/kgH_2O,平均體積蒸發(fā)強(qiáng)度為12.1kgH_2O/m~3·h;脈動(dòng)燃燒噴霧干燥裝置因省去了壓力泵輸送系統(tǒng),因此電能消耗也比壓力噴霧干燥裝置有所降低。電烘箱是實(shí)驗(yàn)室測(cè)定物質(zhì)含水率的儀器。它是利用電阻絲加熱空氣，電子管自動(dòng)控制溫度，從而去除物質(zhì)的水分。電烘箱具有操作簡(jiǎn)便、動(dòng)作靈敏、控溫準(zhǔn)確、安全可靠、工效高等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)技、科研、醫(yī)療等行業(yè)中。根據(jù)功率和控溫范圍分為高、低溫兩種類型，工作溫度在50℃以上的，稱為高溫烘箱，簡(jiǎn)稱烘箱； 水平氣流帶式干燥機(jī)一般處理不帶粘性的物料，對(duì)于有微粘性的物料，需設(shè)布料器，以使物料均勻散布在帶上。物料從輸送帶上脫離和連續(xù)出料也需有相應(yīng)的專門裝置。為了保持輸送帶的水平運(yùn)動(dòng)，以及承擔(dān)滾筒和輸送帶的荷重，常采用滾筒托輥的結(jié)構(gòu)。若輸送帶由數(shù)段組成，應(yīng)設(shè)隔板，使的閃蒸干燥機(jī)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)：技術(shù)特別強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、新材料技術(shù)和現(xiàn)代系統(tǒng)管理技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和干燥管理、銷售及售后服務(wù)等方面的應(yīng)用。閃蒸干燥機(jī)不斷吸收各種高新技術(shù)成果與傳統(tǒng)干燥技術(shù)相結(jié)合，使干燥技術(shù)成為能駕馭生產(chǎn)過程的物質(zhì)流、信息流的系統(tǒng)工程。在現(xiàn)代技術(shù)工業(yè)中，技術(shù)工藝，是衡量一個(gè)企業(yè)是否具有先進(jìn)性，是否具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，是否能不斷領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)者的重要指標(biāo)依據(jù)。隨著我國(guó)熱風(fēng)循環(huán)烘箱市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，與之相關(guān)的核心生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用與研發(fā)必將成為業(yè)內(nèi)企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。了解國(guó)內(nèi)外【返回】
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