轉(zhuǎn)筒干燥機熱效率研究現(xiàn)狀與趨勢
行業(yè)動態(tài)
在眾多的干燥器中，轉(zhuǎn)筒干燥機是一類廣泛應(yīng)用于冶金、建材、化工等領(lǐng)域的大型回轉(zhuǎn)干燥設(shè)備。轉(zhuǎn)筒干燥機主要結(jié)構(gòu)是一個可旋轉(zhuǎn)筒體，濕物料被加入其中，筒體受高溫將物料干燥，并向一端輸送。轉(zhuǎn)筒干燥機對物料的適應(yīng)性較強，可用于干燥各種散狀農(nóng)產(chǎn)品物料。除此之外，轉(zhuǎn)筒干燥機還有設(shè)備機械化程度高、生產(chǎn)能力較大、運行費用較低、操作穩(wěn)定方便等優(yōu)點。
但由于轉(zhuǎn)筒干燥機存在熱效率低（除蒸汽管式轉(zhuǎn)筒干燥機外）、熱容量系數(shù)小、安裝困難等缺點，導(dǎo)致干燥系統(tǒng)不能以 狀態(tài)操作，因此對轉(zhuǎn)筒干燥機還有很大優(yōu)化空間：提高干燥效率、減少能源浪費。因此，本文以高效節(jié)能為目標(biāo)，論述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀并進行分析。
1 轉(zhuǎn)筒效率
選擇干燥裝置應(yīng)以總成本低為目標(biāo)。成本主要包括設(shè)備費和操作費，片面追求干燥的高熱效率以節(jié)省操作費而使設(shè)備費大增，或單純強調(diào)操作強化以減少設(shè)備費而增加能耗的做法都不可取。因此，要兼顧這兩個因素，實現(xiàn)高效、節(jié)能的目標(biāo)。高效就是用較小干燥容器實現(xiàn)較大蒸發(fā)水分，即干燥強度大；節(jié)能，就是以較小能耗獲得較大蒸發(fā)水量，即熱效率高。
1.1 效率指標(biāo)的介紹
干燥強度用于衡量轉(zhuǎn)筒干燥機生產(chǎn)能力，指單位時間和容積水分蒸發(fā)的能力，即單位時間內(nèi)1m3加熱容積可蒸發(fā)的水量。轉(zhuǎn)筒干燥機的干燥強度為10～50kg/（m3·h），隨熱風(fēng)溫度的提高而提高，還隨物料的水分、性質(zhì)而變化，受轉(zhuǎn)筒干燥機的進料口、進風(fēng)口大小和出料系統(tǒng)密封程度的影響。
熱效率用于評價轉(zhuǎn)筒干燥機的熱利用率，是指水分蒸發(fā)所需要的熱量與熱源提供給干燥機的熱量之比，熱源提供給干燥機的熱量主要包括水分蒸發(fā)需要的熱量、物料升溫所需熱量、熱損失。轉(zhuǎn)筒干燥機的熱效率為30%～70%，隨熱風(fēng)溫度的提高，熱效率也提高，并受進口、出口風(fēng)的溫度與系統(tǒng)密封情況的影響。
1.2 效率指標(biāo)的計算
1.2.1 干燥強度
干燥強度DR定義如下式所示：
DR=水分蒸發(fā)量/（干燥時間×干燥器容積）
其中，水分蒸發(fā)量W=L（H1-H2）=G2（X1-X2）
以上各式中：
L：干空氣用量，kg/h；
H1、H2：進入、排出轉(zhuǎn)筒干燥機空氣濕度，kg/kg絕干空氣；
T1、T2：物料進入、排出轉(zhuǎn)筒干燥機溫度，℃；
W1、W2：進入、排出轉(zhuǎn)筒干燥機的水量，kg/h；
G1、G2：進入、排出轉(zhuǎn)筒干燥機的物料量，kg/h；
X1、X2：進入、排出轉(zhuǎn)筒干燥機物料的含水量，kg/kg。
1.2.2 熱效率
熱效率η定義如下式所示：
Η=水分蒸發(fā)所需的熱量Qw/熱源提供的熱量Q×100%
計算的總能量用耗電量來表示，以設(shè)備的總開關(guān)處安裝電度表計，水分蒸發(fā)所需要的熱量通過被干燥物料從入口狀態(tài)加熱到出口狀態(tài)所吸收的熱量計算，如下式：
Qw=W（2490+1.88T2）-4.187T1×W
2 轉(zhuǎn)筒優(yōu)化研究現(xiàn)狀
目前國內(nèi)外在轉(zhuǎn)筒干燥機的研究與使用上大致相同。
物料和載熱體的接觸方式有兩種，即物料與載熱體直接接觸加熱，以對流傳熱方式進行干燥；載熱體不直接與物料接觸，間接加熱，干燥所需的全部熱量都是經(jīng)過傳熱壁傳給物料。
按照接觸方式，可將轉(zhuǎn)筒干燥機分為三種類型，即直接加熱式、間接加熱式、復(fù)合加熱式。在此介紹就直接和間接加熱方式的研究進行討論。
2.1 直接加熱式
2.1.1 傳統(tǒng)形式
直接加熱式主要包括常規(guī)式、葉片式穿流以及通氣管式轉(zhuǎn)筒干燥機。
常規(guī)轉(zhuǎn)筒干燥機，被干燥的物料與熱風(fēng)直接接觸，物料借助于圓筒的緩慢轉(zhuǎn)動，在重力作用下從較高一段向較低一段移動，筒體內(nèi)部裝有抄板，不斷將物料抄起又灑下，促使物料向前移動，按照熱風(fēng)與物料的流動方向，分為并流式和逆流式。
葉片式穿流轉(zhuǎn)筒干燥機，按照熱風(fēng)的吹入方式分為端面吹入型、側(cè)面吹入型。端面吹入型：筒體水平，沿筒體內(nèi)壁圓周方向等距離裝有側(cè)傾斜的葉片，熱風(fēng)僅從下部有料層的部分葉片間隙吹入筒內(nèi)。側(cè)面吹入型：筒體略傾斜，熱風(fēng)從開有小孔的筒體外吹入筒內(nèi)，方向與筒內(nèi)物料的移動方向成直角，再穿過三角形葉片的百葉窗孔進入料層。
通氣管式轉(zhuǎn)筒干燥機，內(nèi)沒有抄板，物料始終處于轉(zhuǎn)筒底部。中心管不隨筒體轉(zhuǎn)動，分支管沿著圓周集中在中心管下部均勻分布。熱空氣從端部進入中心管后，高速地從埋在料層內(nèi)的分支管小孔中噴出，與物料強烈接觸，強化傳熱傳質(zhì)過程。與葉片式相比，氣體在干燥機長度上分布更均勻。
2.1.2 提高干燥強度的研究
目前針對轉(zhuǎn)筒干燥機干燥強度提高的研究，主要包括多層滾筒干燥、并流干燥。
2.1.2.1 多層滾筒干燥
主要由兩個以上直徑不等的圓筒（通常設(shè)為3個）組成，按直徑大小，將多個圓筒同軸套裝在一起，并通過軸心連接成一個整體，內(nèi)、中、外滾筒內(nèi)壁均裝有抄板。多層滾筒物料走向是：熱風(fēng)帶著濕物料從內(nèi)筒進入，從末端返回進入中層滾筒走到首端，再轉(zhuǎn)入外層滾筒，由外筒末端排出。
與傳統(tǒng)形式相比的優(yōu)點：
因物料在圓筒內(nèi)部的物料行程長，延長了物料與熱風(fēng)接觸的時間，物料與熱風(fēng)的接觸面積增大，強化了傳熱傳質(zhì)過程，干燥效果大大提高。
2.1.2.2 并流
在筒體圓周壁開設(shè)至少三個通孔，將通孔與接管連通，每個接管的自由端彎向轉(zhuǎn)筒體較低端口，在該筒體外部至少有一個由密封裝置組成的載熱氣體出入口與這些接管溝通。使熱空氣從圓筒的兩端進入、中間排出，采用順流逆流并用的方式，實現(xiàn)干燥流向分段變化。
解決了干燥流向單一的問題，物料表面蒸發(fā)的水汽擴散加快，熱效率和干燥速率提高，克服了目前干燥設(shè)備或與物料并流或逆流所存在的干燥效率低的缺點，可廣泛應(yīng)用。
2.1.3 提高熱效率的研究
主要包括充分利用熱面空間：改進抄板形式、模型優(yōu)化、穿流干燥、廢氣循環(huán)、破碎裝置。
2.1.3.1 改進抄板形式
改進結(jié)構(gòu)形式：如在抄板上設(shè)置凹槽、設(shè)計活動式抄板、采用帶撓性件弧形抄板、抄板末端安裝彎曲齒等等。
改進分布形式：沿轉(zhuǎn)筒縱向?qū)⑥D(zhuǎn)筒分為幾個區(qū)間，在每個區(qū)間內(nèi)設(shè)置不同的形式的抄板，如大傾角式、傾斜式、帶清掃裝置圓弧型抄板等等。起到導(dǎo)料、撒料、破碎、清掃等作用，共同完成整個干燥過程。
改進抄板形式主要是延長物料的下落時間，攪動物料均勻干燥，充分利用熱面空間，從而提高熱量利用的程度，提高熱效率。
2.1.3.2 模型優(yōu)化
建立抄板模型，模擬抄板持料量，使得持料量增加，撒料也更均勻，增大物料與熱風(fēng)的接觸面積，提高熱效率。抄板模型可以適用于具有復(fù)雜截面的抄板結(jié)構(gòu)，以及在不同安裝角時抄板的持料與撒料量計算。
2.1.3.3 穿流干燥
使熱風(fēng)與物料成直角方向進行加熱干燥。熱風(fēng)從開有許多小孔的筒體外吹入筒內(nèi)，其方向與筒體內(nèi)物料運動方向成直角，物料在每次升舉下落中與垂直吹進的熱風(fēng)充分接觸。
這種方法水分?jǐn)U散距離短，有效地提高了熱量利用程度，無大顆粒出現(xiàn)，產(chǎn)品收率高。
2.1.3.4 廢氣循環(huán)
將出口氣體進行回收利用，與新鮮空氣按一定比例混合吹入干燥器，適合的比例可以使能量傳遞小，研究循環(huán)對被干燥物料水分含量的影響。
這種形式利用了廢熱，減少電耗，熱效率得到有效提高。
2.1.3.5 破碎
轉(zhuǎn)筒內(nèi)設(shè)置烘干格柵、破碎器、打散裝置等破碎裝置，將被抄板抄起的散狀物料進一步破碎，增加干燥機內(nèi)冷、熱介質(zhì)換熱面積，使物料拋灑均勻，干燥更充分，節(jié)能效果好。
除此之外，還有其它方法如：在筒體與熱氣進管處連接密封圈減少熱量損失、利用導(dǎo)料裝置延長物料下落時間、設(shè)置分隔板以形成多個接觸空間增大加熱面積等改進方法。
2.2 間接加熱式
2.2.1 傳統(tǒng)間接加熱式
間接加熱轉(zhuǎn)筒干燥機根據(jù)熱載體的不同，分為常規(guī)式和蒸汽管式兩種。
常規(guī)式的轉(zhuǎn)筒砌在爐內(nèi)，用煙道氣加熱外殼。在轉(zhuǎn)筒內(nèi)設(shè)置一個同心圓筒，煙道氣進入外殼和爐壁之間的環(huán)狀空間后，穿過連接管進入干燥筒內(nèi)的中心管；煙道氣的另一種走向是 入中心管，然后折返到外殼和爐壁的環(huán)狀空間。物料在外殼和中心管的環(huán)狀空間通過，這樣物料有足夠的停留時間。
蒸汽式的轉(zhuǎn)筒內(nèi)以同心圓方式排列1～3圈加熱管，物料在筒內(nèi)受到加熱管的升舉和攪拌作用而被干燥。它的單位容積干燥能力是常規(guī)直接加熱式轉(zhuǎn)筒干燥器的3倍左右。
2.2.2 提高干燥強度的研究
真空干燥：包括干燥滾筒、刮刀裝置和供料器，并設(shè)置于密閉真空罩內(nèi)。真空罩通過抽空管道連向真空泵，當(dāng)干燥機工作時，真空泵將真空罩內(nèi)的氣壓抽至一定的真空度，從而使物料在真空狀態(tài)下進行干燥。
既具有常壓轉(zhuǎn)筒干燥機熱效率高的優(yōu)勢，還具有干燥物料品質(zhì)優(yōu)的特點。
真空冷凍：通過轉(zhuǎn)筒使物料隨著轉(zhuǎn)筒而轉(zhuǎn)動，通過與干燥筒熱內(nèi)壁的不斷接觸而獲得升華所需的熱量，實現(xiàn)對物料的干燥；同時，由于滾動過程中物料被攪拌均勻，因此有利于物料吸熱及吸熱后的升華，物料干燥程度均勻一致，大大提高了干燥質(zhì)量。
干燥速度快、干燥均勻并且干燥成本低廉。
真空脈動干燥：將物料放入轉(zhuǎn)筒以設(shè)定溫度進行加熱抽真空。真空與常壓交替進行，不斷循環(huán)直至物料降至所需含水率為止。在干燥過程中真空泵一直處于工作狀態(tài)，這樣就能及時將物料蒸發(fā)出的水分帶走。
與傳統(tǒng)干燥方法相比大大縮短了干燥時間。
2.2.3 提高熱效率的研究
主要包括改進管束換熱、循環(huán)熱風(fēng)。
2.2.3.1 改進管束換熱
在轉(zhuǎn)筒中空腔內(nèi)的若干根換熱管，所述換熱管通過轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁相固接的至少兩塊橫置的支承管板安裝在轉(zhuǎn)筒內(nèi)腔中，再從該內(nèi)腔進入與管板相連通的換熱管內(nèi)，通過管束的換熱及轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn)對管束外物料進行加熱、翻轉(zhuǎn)、攪拌，從而使物料達到均勻干燥的目的。
與傳統(tǒng)形式相比，降低制造成本和加工難度，并有效解決了換熱管旋轉(zhuǎn)時受力不均現(xiàn)象，以及換熱管與管板之間的泄露問題。減少旋轉(zhuǎn)所需的功率，一定程度上提高了熱效率。
2.2.3.2 循環(huán)熱風(fēng)
轉(zhuǎn)筒內(nèi)部軸線方向上設(shè)置直徑大且貫穿整個筒體的中心火管，主要作用是通過循環(huán)熱風(fēng)的熱能來烘干物料干燥區(qū)的物料。通過循環(huán)熱風(fēng)提供了足夠的熱能。
除此之外，其他改進方法如：版式加熱、利用導(dǎo)熱油爐的煙氣預(yù)熱轉(zhuǎn)筒內(nèi)的空氣以減少能耗等改進方式。
縱觀以上幾種轉(zhuǎn)筒干燥機，主要是改善物料在轉(zhuǎn)筒橫截面上的分布。而物料的運動分為截面上的運動和軸向的運動。針對物料的軸向運動研究，國內(nèi)外建立了物料運動軌跡、物料停留時間數(shù)學(xué)模型，模擬分析轉(zhuǎn)筒內(nèi)傳熱過程，分析進料量、熱風(fēng)流量、抄板參數(shù)、轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速等參數(shù)的關(guān)系。通過模擬分析，得出物料溫度和氣體溫度，含水率和濕含量沿轉(zhuǎn)筒長度的變化關(guān)系。優(yōu)化出較佳干燥工藝參數(shù)，用于指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。
3 結(jié)論與建議
3.1 提高干燥強度和熱效率的方法
從干燥強度方面來看，單位時間內(nèi)傳送的熱量愈大，干燥強度就愈大。影響干燥強度的因素有：熱風(fēng)溫度、原料水分、引風(fēng)機風(fēng)量等。目前的方法集中于強化物料水分汽化的過程，加快汽化速度：如延長物料和熱風(fēng)接觸行程、真空干燥、并流干燥等。
從熱效率方面來看，在干燥蒸發(fā)水量恒定的情況下，提供的總熱量越小，干燥系統(tǒng)的熱利用率越高，節(jié)能效果越好。目前的方法主要集中于強化傳熱傳質(zhì)過程：延長物料的下落時間，攪動物料均勻干燥，增大換熱面積以充分利用熱面空間，利用廢熱。
從加熱方式來看，目前以常規(guī)型直接加熱式轉(zhuǎn)筒干燥機為主要研究對象，沒有針對葉片式和通氣管式轉(zhuǎn)筒干燥機的優(yōu)化：針對間接加熱式轉(zhuǎn)筒干燥機，本身蒸汽管式干燥機的效率較高，而現(xiàn)有的研究也是以蒸汽管式為主，對于常規(guī)式幾乎沒有相關(guān)研究。兩種加熱方式相比，間接加熱式干燥機優(yōu)化的研究較少。
從效率指標(biāo)來看，目前主要研究熱效率的提高。
綜合來看，常規(guī)式轉(zhuǎn)筒干燥機熱效率提高方法較多，而間接加熱式的干燥強度研究比較缺乏。綜合優(yōu)化轉(zhuǎn)筒的主要方法就是建立干燥過程的運動停留時間模型等來優(yōu)化操作參數(shù)，達到整體提高干燥強度和熱效率的目的。
3.2 建議
今后應(yīng)多考慮間接加熱干燥機的優(yōu)化，尤其是多對提高干燥強度展開研究，多方面系統(tǒng)地提高干燥機結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性，達到更好的高效節(jié)能的效果。
