外热式回转装置内颗粒物质运动及导热特性研究

作     者：马杰 

作者单位：东北电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张立栋

授予年度：2020年

学科分类：080701[工学-工程热物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：离散单元法 数值模拟 颗粒运动 颗粒传热 球形颗粒 柱状颗粒 

摘      要：颗粒物质因其在化学、矿物、食品和医药等领域的广泛应用而备受关注。外热式回转装置也是工业生产中对颗粒物质进行热处理的一种常用设备。涉及到颗粒物质在外热式回转装置内运动传热过程的单元操作为工业生产中重要的一环,对最终产品的质量有着重要的影响。本文以回转装置内的双分散球形颗粒和单分散柱状颗粒为研究对象,将离散元素法(Discrete Element Method,DEM)与导热模型相耦合,对外热式回转装置内颗粒物质的运动以及传热过程进行了数值模拟。Lacey混合指数被用作颗粒混合效果的评价指标。颗粒平均温度、颗粒温度标准偏差、有效传热系数以及传热速率被用作颗粒床传热效果的评价指标。分析了不同长度的活动抄板对双分散球形颗粒运动混合的影响。分析了回转装置转速、固定直角抄板的数量和高度、颗粒体积、填充率对单分散柱状颗粒在外热式回转装置内传热特性的影响。分析了不同长度的活动抄板对单分散柱状颗粒在外热式回转装置内混合传热的影响。在双分散球形颗粒体系中,当回转装置转速为15 r/min时,颗粒平均速度波动的幅度随着活动抄板长度的增加而逐渐变大。在回转装置内添加活动抄板与固定抄板都能够增强颗粒混合,但与等长度的固定抄板相比,活动抄板更能够增强颗粒的混合。并且活动抄板的最优无量纲长度为1/3。当回转装置转速为60 r/min时,活动抄板对颗粒平均速度波动幅度的影响更倾向于随机性。并且仅有无量纲长度为1/4的活动抄板能够增强颗粒混合。在两种转速下,活动抄板都会使颗粒平均速度脉动的更加剧烈。在单分散柱状颗粒体系中,降低回转装置的转速,增加直角抄板的数量,提高直角抄板的高度,减小颗粒的体积,降低填充率,都能使颗粒平均温度升高的更快,增强颗粒床温度分布的均匀性。各影响因素主要通过增加颗粒与回转装置之间的接触面积或降低回转装置内颗粒的热容来优化传热。降低回转装置的转速,增加直角抄板的数量,提高直角抄板的高度,减小颗粒的体积都能够增加颗粒与回转装置间的接触面积。降低填充率则能够降低回转装置内颗粒的热容。当回转装置转速为15 r/min或60 r/min时,在回转装置内添加活动抄板会对单分散柱状颗粒的混合起到抑制作用。但是低转速下颗粒的混合要优于高转速下颗粒的混合。在两种转速下,活动抄板对颗粒与回转装置之间传热的抑制作用也随活动抄板长度的增加而逐渐变强。但是低转速下的传热速率要高于高转速下的传热效率。