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基于CFD模拟分析逆流冷却器 何仁财 程国华 ( （江西省农业机械研究所，江西 南昌 330044） 摘要：逆流冷却器是饲料、粮油加工行业中的重要设备工艺之一，现在饲料加工行业中常用的逆流冷却器采用八角形结构主要是除去四个冷却死角，本文在此结构基础上，以冷空气热物料逆流等特性分析，以气固两相流理论及能量方程为基础，利用CFD软件分析模拟研究饲料冷却过程中颗粒与气流运动之间流场传热传质状况，分析逆流冷却器中饲料的紊流冷却过程，计算分析冷却器中热量、气压及流量的分布云图等规律，这些图像规律有助于理解冷却器内部能量交换及流场变化，借助实验仪器测试所对应的参量并进行对比分析，优化设计调整改进冷却器结构以便物料充分和冷空气接触，节省能源提高物料冷却的质量并可以有效控制风速防止产生“风洞”和气流短路，使冷却器工作时达到最佳性能。 关键词：逆流冷却器，数值模拟分析，温度场分布 逆流冷却器具有结构简单、造价低廉、产量大、冷却时间短及维修方便等优点而被广泛应用在饲料、粮油行业中。由于制粒机制成的颗粒物料温度在85℃左右，水分在13%～17%，此时的物料颗粒易碎，应及时冷却和去水，使其温度降到和室温相差3～5℃左右，水分达到国家安全，水分一般控制在12%左右（安全储藏水分），这样物料就便于处理和贮运，逆流冷却器便是基于这种特殊作用而出现。本文研究逆流冷却器是八角形结构，主要是八角形结构可以避免工作过程中产生“死角”，其工作原理是热物料在逆流冷却器的进口处下落到转向盘上而均匀撒落在容积中，同时冷风是由于冷却器容积内产生的负压而强迫外界空气压入冷却器中，内部负压是靠风机吸出冷却器内的热风产生，这一过程中如果排风风速过大严重时还会使料床“流化”导致不同部位物料在冷却器中的滞留时间不一，冷却效果不佳；另外风速过大还可能会产生“风洞”现象，风速过小会使气流短路，这些会影响冷却效果和经济效益，有待提高冷却器的性能。根据逆流冷却器的结构、工况参数及气固之间运动特性，本文重点利用计算流体力学软件（CFD）建立模型分析冷却器内部气流压强分布和温度流场等分布，该分析解决实验研究复杂的限制，真实反映物理本质现象，使设计者理解问题产生的机理及规律，再结合工程实践与实验测试结果指导优化改进逆流冷却器结构，使其工作过程中具有合理的空气流场，物料与冷空气充分接触，保证物料颗粒均匀冷却，风机排出的空气带走更多热量及水分，逆流冷却器工作时达到最佳性能和最优配置，同等条件下节省能源，物料的冷却质量得到保证，产生经济效率。 1、逆流冷却器结构原理 逆流冷却器是利用热物料与冷空气在容积中紊流逆向流动原理使热物料与冷空气均匀充分接触，达到冷却的目的。主要功能是将进入的高温、潮湿、易碎的颗粒饲料迅速冷却和去水，使物料温度接近室温并便于贮运，其结构如图1-1示，逆流冷却器是高温饲料从上而下流动而冷风从下往上进入把饲料的热量和水份从排风口排出，该机构装置主要由喂料机构、散料耙料机构、冷却集料和卸料机构及机架底座等组成，其工作原理是饲料落入冷却器中的散料盘中，电机带动散料盘和耙料机构转动，使饲料均匀撒落到八角形容积中，物料达到料位器控制量时，液压缸自动工作打开卸料机构使饲料从出料口出来进入下一道工序。 图1-1 逆流冷却器结构图 逆流冷却过程的分析是以气固两相流理论为基础，研究冷却过程中颗粒与气流之间的传热传质状况是模拟分析的基础，由物料在容积中的受力可以列出物料在工作中运动方程，也可以根据物料的运动状况、容积中压力的大小及对流传热系数等来计算物料对流传热传质系数，从而分析物料的最佳冷却时间及冷却效率，从而对冷却器的机理和外形进行改造设计。 2、逆流冷却器冷却的影响因素 逆流冷却器结构中，冷却器风机风量、风门开度是重要的参数，除这些参数及采用八角形结构外，模拟分析逆流冷却器的影响因素是气流参数（风量、风压及风速），因为饲料颗粒中的热量和水份是通过传热传质原理由风机带走，因此选择风机必须合理，应具有适当的功率保证冷却质量和时间。由于冷却器对物料冷却滞留时间与物料颗粒大小有关（大的颗粒需要更长的冷却时间和排风风量）及物料的堆积高度有关，在相同大小的容积中，物料越高冷却时间越长，颗粒直径与风量及冷却时间如下表，根据颗粒直径及冷却时间选定合理的风机风量十分重要，因为风量过大会出现“风洞”现象，风量过小会使气流短路等影响冷却效果。 表2-1 颗粒直径与风量及冷却时间 颗粒直径（mm） 参考风量() 冷却时间（min） 22.6 25.5 28.3 31.1 3、逆流冷却器模拟模型与边界条件设置 CFD（计算流体动力学）有限元模拟分析软件由三部分组成前处理模块、计算模块和后处理模块三部分组成，它们在CFD软件之间的关系如图3-1示。 图3-1 CFD软件模块之间的关系 确定CFD软