烟花微丸自动化低温烘干系统设计与研究

刘晓雯



烟花微丸自动化低温烘干系统设计与研究

刘晓雯

（唐山学院机电工程系，河北 唐山，063000）

为研发一种烟花微丸用远红外与热风联合低温烘干装置，基于热损耗理论，通过计算烘干箱安装功率，设计出满足烘干要求的两块远红外电热板。利用ANSYS软件对烘干箱内各点的温度分布情况进行分析，验证了烘干箱内温度分布的均匀性。研究结果使烟花生产线的自动化烘干卸料环节得以实现。

烟花微丸；联合烘干；低温；热损耗；温度分布

目前我国烟花所用药粒的烘干大多采用自然晾晒的方式[1]，这种方式烘干效率低，无法连续化生产。也有采用热风烘干的方式，该方式能量消耗大且利用率低、烘干时间长、湿度不均匀，烘干时的粉尘造成了一定程度的环境污染[2]。本文提出一种新型自动化低温烘干系统，不仅可实现快速干燥，且不会破坏烟花药粒内部属性，具有低温烘干、快速烘干、热能利用率高且无环境污染的优点。

1 总体方案设计及原理

烘干系统是由料仓、烘干箱（3个）、传输带组成。总体方案如图1所示。

图1 总体方案

其工作过程为：上一工序中码垛完成的料仓由传输带输送至第1个烘干箱，其前后板将烘干箱密封，起到一个“门”的封闭作用，达到设定烘干时间，传输带动作，分别由第2及第3个烘干箱烘干。每个烘干箱右侧均安装有限位装置，通过气缸动作使挡板下降至料仓中部实现限位。烘干完成后，由卸料机械手实现自动卸料，进入码垛系统。

本设计采用远红外与热风联合烘干方式。由分别安装在烘干箱两壁上的两块远红外电热板提供热量，通过热辐射达到烘干物料的目的，同时由轴流风机提供一定的风量，进风管和出风管通过轴流风机作用形成循环通风系统，从而使托盘中的药粒均匀受热。集尘器安装在中间烘干箱的侧面，与进风管和出风管连接，用来收集烘干过程中产生的粉尘，以免粉尘散落产生安全问题。

考虑到将药粒直接置于最佳烘干温度下，其表面温度与内部温度相差太大，反而会减少物料内部水分的蒸发[3]，影响烘干效果。故采用分段烘干法：3个烘干箱（从左到右）设定温度分别为45℃、60℃和45℃，温度由低到高再到低。实验证明，分段烘干可使药粒表面形成一定的湿度和温度差，从而水分持续不断地蒸发出来，烘干效果更好。

2 结构设计及关键

烘干箱机组由3个烘干箱、BT35 型防爆轴流风机、百叶窗型集尘器、限位装置组成。其中，烘干箱箱体外层材料为钢板，内层材料为硅酸铝隔热板，可减少热量散失。3个箱体两侧面内部均安装有远红外电热板，电热板由挡风板与物料隔开。轴流风机安装在箱体顶端，集尘器安装在中间烘干箱外侧面上。限位装置由安装在烘干箱出口一侧的气缸和挡板组成。由气缸推动挡板下降至货架中部实现限位。

工作时，轴流风机运转，风在烘干箱上部由两侧向下运动，两侧的挡风板开有等距风孔，电热板产生的热量由风孔进入烘干箱，然后空气向上流动，经过出风管形成封闭的通风循环，联合烘干方式可使物料的烘干更加均匀。烘干箱机组具体结构如图2所示，烘干箱工作示意图如图3所示。

图2 烘干箱机组结构图

图3 烘干箱工作示意图

Fig.3 Working sketch of drying oven

设计关键点包括：（1）烘干过程采用PID温度控制系统，可通过调节远红外电热板功率，自由设定温度，还可实现自动调节功能。（2）系统应设有报警装置。烘干箱上安装有急停开关，当出现紧急情况时按下开关，保证工作过程中的安全。（3）电机均选用防爆电机，所有的电线应密封好，防止接触药粉和细小颗粒。

3 烘干箱安装功率计算

烘干箱总热损耗Q由烘干箱外壁散失的热损耗量Q1、加热货物（微丸、托盘及货架）热损耗量Q2及开门过程和缝隙热损耗量Q3组成。

Q1=3ΣAK（2-1）= 3× [5.328×0.71×(60 -25)]

=397.2 k J/h （1）

式（1）中：A为烘干箱第个外壁的表面积，m2；K为第个外壁的传热系数，W/ (m2·K)；1为车间温度，°C；2为烘干箱的工作温度，°C。

Q2=(11+22+33+44)(2-1)=2 472.25 kJ/h （2）

式（2）中：1、1、2、2、3、3和4、4分别为药粒、托盘、货架钢板和货架硅酸铝纤维隔热板的质量和比热容，单位分别为kg和kJ/ (kg·K)；

Q3= 0.15Q1=60 kJ /h （3）

故总热损耗量Q=Q1+Q2+Q3=2 929.45kJ/h

每个烘干箱所需安装功率：

=Q/3×3 600=301.4W （4）

式（4）中：为辐射器转换效率，取0.9。根据电热膜的标准参数，选用两块电热膜，其长宽均为：500mm×1 250mm；总面积为1.25m2，总功率为 350W；从而设计出烘干箱内左右两块电热板的尺寸均为：560 mm×1 310 mm×40mm；间距为 800mm。由于电热板功率可调，因此完全能够满足烘干烟花微丸的需要。

4 烘干箱热力学有限元分析

烘干箱中温度传递方式为热辐射，由于热辐射引起的热流与物体表面绝对温度的4次方成正比[4]，因此热辐射分析属于高度非线性。烘干箱内的流体为层流，热能流动、系统的温度和热载荷均不随时间的变化而变化，满足热力学第一定律[5]，故该温度场的分析属于稳态的流体分析。采用ANSYS软件中的CFD模块进行稳态热辐射的有限元分析，单元选用FLUID141。（1）定义单元类型：单元选用二维单元2D FLOTRAN 141。（2）建立截面模型：选择中间烘干箱为分析对象，温度为60℃即华氏140K，各面热辐射率为0.98，烘干箱的二维截面模型如图4所示。

图4 烘干箱截面模型

（3）设定网格密度，划分网格。采用手动划分全局网格，网格密度为20；以3~4个边为单位，使用映射网格划分。（4）载荷及边界条件施加速度边界约束条件：约束施加在实体中坐标=0，=0的节点上。施加温度边界约束条件：在实体中线上的节点处施加温度边界约束，左、右边界坐标的约束范围分别为0，1.45，0.96和1.45。在节点上定义左、右边界的温度均为140K。左、右温度边界条件如图5所示。

图5 温度边界条件

（5）设置FLOTRAN求解选项。设置总体迭代200次，结果文件覆盖频率为50。（6）定义流体的材料属性并施加流体重力。流体密度、粘性、导热系数和比热均为国际单位制，流体密度特性可变；流体重力9.8。（7）求解。当残差收敛曲线完全收敛时，计算完成。

流线分布云图、热流密度分布云图和温度场布云图如图6所示。由图6（a）可得：在轴流风机作用下，中间烘干箱截面以右侧热源为中心，呈辐射状态线性降低；由图6（b）~（c）可得烘干箱内温度为140K，且分布均匀。

图6 分布云图

5 结论

（1）本文设计了一种新型的用于烟花微丸的自动化低温联合烘干系统，不仅可实现快速干燥，且不会破坏微丸药粒的内部属性，具有低温烘干、快速烘干、热能利用率高且无环境污染的优点，研究结果能满足目前烟花微丸自动化连续生产的需要。（2）烘干箱内选用2块额定功率为 350 W的远红外电热板，高于微丸在烘干中所需要的功率301.4W，满足了烟花微丸烘干过程的需要。（3）大部分热风在箱内循环，热效率高，节省能源，无环境污染。（4）对烘干箱内温度场进行分析，验证了烘干箱内温度分布的均匀性。

[1] 茅慧莲.关于低温循环烘干机风机排放粉尘的处理方式的探讨[J]. 粮食与食品工业,2017(03):17-19

[2] 汪泽. 烘干机烘干效果不佳的原因及解决方法[J]. 农业装备技术,2018(4):11-12.

[3] 周建中.真空干燥机控制技术研究[J]. 苏州市职业大学学报,2009(3):26-28.

[4] Sakai N, Hanzawa T. Application and advances in far infrared heating in Japan [J] . Trends in Food Science and Technology, 1994, 5 (11) : 357-362.

[5] 李建军.远红外干燥技术及应用前景研究[J].赤峰学院学报(自然科版), 2013(6):58-59.

Design and Research of Automatic Low Temperature Drying System for Fireworks Pellets

LIU Xiao-wen

( Department of Electromechanical Engineering，Tangshan College，Tangshan，063000)

To develop low temperature drying device with combination of far-infrared and hot air for fireworks pellet, based on the theory of thermal losses, two far-infrared electric heating boards meeting the drying requirements were designed, by calculating the installation power of the oven. The temperature distribution of each point in the oven was analyzed using ANSYS software, and the uniformity of temperature distribution in the oven was verified. The automatic drying and unloading part of the fireworks production line was realized by using the research results.

Fireworks pellet；Combined drying；Low temperature；Thermal losses；Temperature distribution

1003-1480（2019）01-0058-03

TJ450.5

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.01.015

2018-12-12

刘晓雯（1983 -），女，副教授，主要从事特种机械技术研究。