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新型干燥技術脈動氣流霧化料液的試驗研究
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新型干燥技術脈動氣流霧化料液的試驗研究
脈動燃燒干燥技術是近年來出現的一種新型干燥技術，它利用脈動燃燒器產生的高溫，高頻脈動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，脈動燃燒噴霧干燥具有能耗低，熱，質傳遞速度高，環(huán)境污染小，以及投資成本低等很多特點。
長期以來，對噴霧干燥過程進行了各種試驗和模擬研究，但這些研究并不能揭示噴霧干燥室內氣體運動狀態(tài)，顆粒群的運動軌跡和各種熱力學參數分布信息，常規(guī)的測試手段又很難測得，而這些參數分布信息對干燥器沒計和過程優(yōu)化具有重要指導作用。
為解決這一難題，本文利用氣體一顆粒兩相流理論和計算流體力學CFD技術，建立了更符合實際噴霧干燥過程的數學模型即噴霧干燥的CFD模型，并進行了脈動燃燒噴霧干燥過程模擬，其主要內容如下：
1建立了脈動燃燒噴霧干燥的CFD模型 該數學模型建立在氣體一顆粒兩相流基礎之上，用標準k-ε模型預測干燥室內的氣體湍流運動過程，顆粒軌道模型追蹤干燥室內顆粒群的運動軌跡，熱質傳遞模型描述空氣和液滴的熱質傳遞過程。
通過模型的求解，得到了干燥室內氣體運動狀態(tài)，氣體溫度、濕度分布，顆粒運動軌跡，顆粒沿運動軌跡質量變化，顆粒沿運動軌跡的溫度變化等各種動力學和熱力學參數分布信息。
脈動燃燒噴霧干燥技術是將脈動燃燒器與傳統(tǒng)噴霧干燥過程相結合而成的一種新型干燥技術，具有能源利用率高，排放污染小，傳熱傳質效率高，設備簡單等優(yōu)點，該技術利用一種更有效的熱能發(fā)生器——脈動燃燒器產生的高頻、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)的噴霧干燥設備由于噴嘴容易堵塞和磨損，經常需要停機修理和更換噴嘴。作者在對脈動燃燒器運用過程的研究中發(fā)現，利用脈動燃燒器產生的高速脈動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間和費用，也無需氣體泵送裝置，這顯然是脈動燃燒噴霧干燥技術所具有的一個較大優(yōu)點。以脈動氣流作為霧化動力，對料液進行霧化操作，將能解決傳統(tǒng)的噴霧干燥技術難題。目前，國內外對于脈動燃燒噴霧干燥的研究主要集中在其干燥過程的傳熱傳質、數值模擬等基礎理論方面和物料的干燥適應性方面[2~5]，而對于干燥前脈動氣流料液霧化方面的研究極少。脈動氣流對料液的霧化效果對于后續(xù)的霧滴干燥過程的有效進行和干燥后固體顆粒產品的質量都密切相關，因此，深入了解脈動氣流霧化的特點、效果和作用機理非常必要。
評價料液霧化效果的兩個較重要指標是霧滴粒度和粒度分布。本研究的主要目的是通過脈動氣流霧化試驗探求料液流量、脈動氣流頻率和料液粘度這三個因素各自對霧滴粒度和粒度分布的影響規(guī)律，希望有助于脈動氣流霧化機理的研究，為脈動燃燒噴霧干燥技術的進一步開發(fā)和利用提供參考。
1 試驗裝置與方法
1.1 試驗裝置
圖1所示為脈動氣流霧化料液試驗裝置示意圖，裝置主體為脈動燃燒器和激光粒度測試儀。
圖1 脈動氣流霧化料液試驗裝置示意圖
1-液化氣瓶；2-減壓閥；3-轉子流量計；4-U形壓力計；5-電磁閥；6-控制器；7-燃氣去耦室；8-燃氣閥；9-火花塞；10-空氣閥；11-鼓風機；12-燃燒室；13-尾管基段；14-尾管；15-料液入口；16-激光粒度測試儀進行脈動氣流霧化試驗，首先需要一臺工作性能穩(wěn)定可靠的脈動燃燒器，本研究采用功率為25kW的膜片式亥爾姆霍茨（Helmholtz）型脈動燃燒器[1]產生高頻、高溫、高速的脈動尾氣流，脈動氣流與從料液入口流入的料液混合而進行霧化試驗，料液入口位于尾管末端。依據脈動燃燒器頻率跳變原理，脈動氣流的脈動頻率通過改變脈動燃燒器尾管的長度來改變[2]。料液的流量和粘度分別通過轉子流量計和粘度計測量。霧滴的粒度和粒度分布兩個指標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Malvern公司生產的MastersizerS型激光粒度測試儀[6]獲得，激光粒度測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 試驗設計和安排
通過前期預備試驗，本文試驗設計如下：首先進行脈動頻率為100Hz以水為料液的不同流量條件下的脈動霧化試驗，料液流量選三水平（62L/h、54
L/h和35 L/h）；再進行料液流量為35
L/h以水為料液的不同脈動頻率條件下的脈動霧化試驗，脈動頻率選三水平（100Hz、75Hz和61Hz）；較后進行100Hz頻率和35L/h流量下不同動力粘度麥芽糖溶液的脈動霧化試驗，實驗原料選用北京市飴糖廠生產的高麥芽糖漿，通過稀釋不同的倍數獲得不同的粘度，粘度選四水平（0.001Pa.s、0.007
Pa.s、0.016 Pa.s和0.041 Pa.s）。每一工況下試驗的具體步驟如下：
1)安裝脈動燃燒器，固定燃氣流量為0.9m3/h，選定脈動頻率水平；
2)安裝激光粒度測試儀，選擇直徑為300mm的透鏡，其粒度測量范圍為0.5～880µm；
3)安裝實驗臺，調整尾管出口與激光光束的位置，其垂直距離為560mm是激光探測器采集數據點的較佳位置；
4)點燃脈動燃燒器，進行此條件下激光粒度測試儀光學校準和背景規(guī)零；
5)分別選定料液的流量水平和粘度水平，檢測其霧化效果，記錄實驗數據；
6)選擇激光測試儀的多分散相分析模型和Standard-Dry(3RHA)表示式，進行數據處理，得出霧滴的Dvs值和粒度重量分布圖。
2 試驗結果和分析
2.1 脈動頻率一定，料液流量變化條件下霧化
圖2是脈動頻率為100Hz的脈動氣流霧化流量變化的純水料液時所得到的霧滴粒度重量分布圖。當流量分別為62L/h、54L/h和35L/時，測得霧滴DVS值分別為73µm、70µm和66µm。頻率為100Hz的脈動燃燒器產生的脈動氣流在霧化不同流量的料液時，隨著流量的減小，霧滴DVS值減小，粒度重量分布越均勻。試驗中還發(fā)現當流量低于28L/h時，霧滴粒度過小，極易被蒸發(fā)而來不及進行檢測。為方便實驗數據檢測，本文選擇霧化效果較好的流量為35L/h條件下進行后續(xù)實驗。
圖2 脈動頻率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，脈動頻率變化條件下霧化
圖3是流量為35L/h的純水料液脈動頻率變化時所得到的霧滴粒度重量分布圖。當脈動頻率分別為100Hz、74Hz和61
Hz時，測得霧滴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。當流量固定為35L/h，三個頻率樣本中頻率為100.51Hz時的霧化效果較好。
2.3 脈動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是脈動氣流頻率為100Hz，霧化流量固定為35L/h時的不同動力粘度的料液，所得到的霧滴粒度重量分布圖。當料液動力粘度分別為0.001Pa.s、0.007Pa.s、0.016Pa.s、和0.041Pa.s時，測得霧滴DVS值分別為66µm、53µm、59µm和76µm�？梢�，粘度變化對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。從實驗及分析可以看出，隨著料液動力粘度的增大，霧化細度先減小后增大。這種波動情況是由于表面張力的作用而出現的，粘度大的液體，其表面張力也大。適當的表面張力，有助于液滴的表面收縮，達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一步聚合；但是當表面張力過大，會對霧化起到阻礙的作用，霧化出來的霧滴粒度較大，對霧化過程不利。因此，在脈動頻率和料液流量一定時，動力粘度適中的料液的霧化效果較好。
圖4 脈動頻率100 Hz、流量35L/h霧滴粒度重量分布圖
3 結語
本文從霧滴的Sauter平均直徑和粒度重量分布兩個方面，分別進行了料液流量、脈動氣流頻率和料液粘度對霧化效果影響的試驗研究。試驗結果表明，這三個影響因素對脈動氣流霧化效果都有較大的影響，脈動氣流頻率越大、料液流量越小和料液粘度適中時霧化效果較好；本試驗條件下采用脈動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，應用前景廣闊。進一步的研究將通過理論與試驗相結合的方式，對脈動氣流的霧化機理進行探索。
脈動燃燒噴霧干燥試驗裝置和傳統(tǒng)的壓力噴霧干燥試驗裝置對 NaCl 溶液進行了噴霧干燥試驗,并對噴霧干燥過程的能耗作了分析。結果表明,利用脈動燃燒器產生的高速脈沖氣流可直接將料液霧化成微細霧滴,實現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),既簡化了結構,又節(jié)省了設備投資和維護費用。脈動燃燒噴霧干燥的熱能消耗為3300kJ/kgH_2O,平均體積蒸發(fā)強度為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)強度為12.1kgH_2O/m~3·h;脈動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。熱風循環(huán)烘箱的節(jié)能設計體現1.排渣口的節(jié)能設計，該設備轉鼓錐段底部沿圓周方向均勻地開有排渣口，排渣口在切線方向平行地加工成平面，避免了固相物料離開轉鼓前與排渣口的碰撞，磨損，在排渣過程中，固相物料可以較早地離開旋轉的轉鼓，節(jié)約。2.溢流口的節(jié)能設計，設備大端口有溢流口，溢流口裝有可以調節(jié)液池的溢流板SD系列隧道熱風循環(huán)烘箱具有的功能，如：便于操作等，是主要適用于脫水蔬菜，水果，農副產品，以及需要長時間干燥，材料包括：木制品，陶瓷制品及各種散裝材料�！ D系列隧道熱風循環(huán)烘箱工藝流程： ■原料將在托盤裝，穿上小車。驅動系統(tǒng)將轉移到手推車隧道窯。輸送臺車的速度可調。新鮮空氣進入，通過空旋轉閃蒸干燥是一種新型干燥機，與流化床相結合。干燥過程可以在1到10秒內完成。糊膏，糊狀物，蛋糕形狀的材料可以干。旋轉閃蒸干燥是旋轉攪拌器和氣流的完美結合。它能處理各種不粘粘的濕物料，可以是一種均勻、濕的產品，不需要進一步壓碎。
旋轉閃蒸干燥機的使用多種多樣，由于裝料裝置的連續(xù)部分旋轉閃蒸干燥機的操作條件，干燥室上部設有分級環(huán)，其作用主要是使顆粒較大或沒干燥的物料與合格產品分離，擋在干燥室內能有效保證產品粒度和水分要求。更換不同通徑的分級環(huán)可以滿足產品粒度要求。錐底熱風人口處設有冷風保護，防止物料與高溫空氣接觸產生過熱變質。干燥系統(tǒng)為封閉式，而且在微負壓下操作，粉塵不外泄 振動流化床干燥機的特點及不同類型的工作原理
振動流化床干燥機作為使用比較廣泛的干燥機型，在許多行業(yè)得到了廣泛使用。為適用于不同工作環(huán)境，不同物料的加工特點，其發(fā)展了很多衍生型號。每種型號都各有所長。下面日宏佳
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