连续锦纶干燥塔的数学模型研究及数值仿真.pdf

第39卷第3期
化工机械
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连续锦纶干燥鎝的数学模型硏究及数值仿真
张伟·谷传纲
上海交道大学动力机及工程教育都重点实验室
搞要对某干燥塔的结构特点及行过程中传热传质特性,建立了谶干燥塔中干燥过程的传热传
质微分模型,并用試验数据验证其合理性。运用经典龙格库塔法获得该模型的数值结果,分祈了传热传
质过程中干燥氯气没湿度和纶切片温湿度沿塔高的分布情况。通过仿真优化操作条件,提高了燥
塔的千燥能力。
关词连续千燥塔传热传质敏学模型数值真
中图分类号T0053.5文献标识码A文章编号0254-6094(2012)03-0325-04
Y一湿物料含湿量,kg/kg
符号说阴
Y一物料表面温度下的氮气平簡湿度,kg/kg;
A, B-ergun方程系数
干燥塔高度方向坐标;
Cー一液态水比热,/(上?℃)
a一换热系数,kW/(m2?℃);
Cュ-千氯气比热,kI/(g?℃);
6一圆柱形物料的厚度,m
C一水蒸气比热,J/(kg?℃)
s一一干燥塔的空隙率
C一千物料比热,?/(g?℃)
Aー一氮气热导率,kW/(m?℃);
D一颗粒的当量直径,m;
ル一干氯气粘度系数,Pa?;
D。一质量扩散系数,m2/6;
P
湿氮气的密度,kg/m2;
d。一圆柱形物料的直径,m
P一干氮气的密度,kg/m2
G-一物料绝干质量流量,kg/e;
p。一湿物料的密度,kg
F一干爆塔高度,m;
混氯气的焓值,kJ/kg
热泵干燥系统是工业生产中广泛使用的干燥
ー一湿物料的燴值,J/kg
系统之一。在干燥塔的设计方面,前人已经做了
K一传质系数,kg/(ms);
大量开创性的工作…。但是,由于干燥过程的
Lー一气绝干质量流量,kg/8;
复杂性,到月前为止对干燥机理的解释尚未有定
p一干燥塔内压力,Pa;
论。因此,干燥塔的设计和操作运行过程中存在
g一一传热速率,W/m2';
很多经验性公式,对于干燥塔内部的温度场分布
R一一-物料干燥速率,kg/(m2?a);
和物料含湿量的微分模型研究也存在很大的难
0℃的汽化潜热,J/kg
度。文献[2]中给出了简化后的固定床、流化
S一干燥塔截面积,m2
S。一湿物料的换热面积,m
床及气流干燥等传统干燥过程的微分模型,然而
7。一干燥氮气温度,;
文中所涉及的系统与上述系统均有所不同,因此
Tー一湿物料温度,℃;
笔者针对该系统的结构特点和传热传质特性,建
V.一湿氮气的空塔速度,m/s
立了传热传质微分模型,并验证了该模型的合理
V一湿物料的运动速度,m/6;
性
X一氮气绝对湿度,kg/k
张伟,男,1985年6月生,颤士研究生。上海市,200240。
万方数据
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化工机械
2012年
连续干爆数学模型
C)T+△HX。
1.模型假设
干燥介质氮气与湿物料间的水汽平衡描述为:
由于实际的于燥过程是一个三维非定常问
Ldy-cdx=0
(5)
题,给建立基本的数学模型和后续的求解带来理
对微元体内的物料列热量传递动力学方程,
论、数值上的困难,为简化该问题,引入的模型假可得
设为:
qda =-gdr.+RI, d
a.物料的形状为均匀扁圆柱形,其几何尺式中,g=a(7、-T);R=K,(.-Y)
寸不随千燥过程发生变化,塔内空隙率不变;
1、=o+C,T
b.塔内同一高度处界面上的物料及气流参
根据物料侧的质量守恒,可以得到物料侧的
数分布均匀一致;
质量传递方程为
C.管壁的绝热情况良好,与外界无热辐射等
Cdx-rda=0
能量交换;
综合以土各式,可得热泵干燥系统干燥塔的
d.干燥过程为恒速干燥。
微分数学模型为:
经以上假设后,原模型变为一维定常问题的
dX6-K,(Y.-Y)(1-B
求解。
高温、高压的干燥气流通过干燥塔时的压降
dY_6sr-(Y.-Y)(1-6
de
与很多因素有直接联系。气流通过填充床时,单
(8)
T。68-[a-K,C,(Y、-)](7,-T
位高度上的压力损失公式为い,?
G(C.+C,x)D。
(1)
dxL(Ca+C,)D。
1.2塔内连续干燥的热质平衛模型
1.3传热系数与传质系数的确定
该系统的物料为扁圆柱形锦纶切片,其当量
本模型中采用如下经验公式计算系统的传热
直径为2,]:
传质系数:
(1.06RePr)
(9)
取图1所示的dz为薄层厚度,则薄层内的换
(1.06Re-03sc/)D
(10)
热面积dS。为:
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2数值模拟算法及结果分析
(3)2.1基于R-K法离散求解算法
采用经典四阶龙格库塔法求解方程组。根据
实际物理模型可知,边界条件分别给在物理边界
G
AT+T
的两侧,因此需要反复迭代方能求得该方程组的
f+ll
近似解。其求解流程如图2所示。
给定边界条件
初值
龙格库塔法
?否满足精度要求
图1千燥塔内薄层单元
足る需比精度一我路法反的
由能量守恒可得微元进出口处的能量守恒方
程如下:
结束)
Ldl -cdl=0
(4
其中,=(C。+C,Y)7,+oY;l=(C
因2R-K法求解流程
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