维普资讯 http://www.cqvip.com 第３７卷第２期 石油化工设备 ＶＯｌ＿３７ ＮＯ．２ ２００８年３月 ＰＥＴＲＯ－ＣＨＥＭＩＣＡＩ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ Ｍａｒ．２００８ 文章编号：１０００—７４６６（２００８）０２—０００８—０４ 蒸汽管回转干燥机传热系数研究 岳永飞 ，孙中心。，刘永忠 （１．西安交通大学．陕西西安 ７１００４９；２．天华化工机械及自动化研究设计院，甘肃兰州 ７３００６０） 摘要：通过对蒸汽管回转干燥机传热机理的理论分析，以工业数据为基础，对影响传热的各种因素 进行了系统分析，建立了可用于大型化工业干燥机设计的传热系数的数学关联模型，并由工业应用 实例的数据验证了其可靠性。 关键词：蒸汽管回转干燥机；传热系数；关联模型 中图分类号：ＴＱ ０５１．６２ 文献标志码：Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｓｔｅａｍ Ｔｕｂｅ ｉｎ Ｒｏｔａｒｙ Ｄｒｙｅｒ ＹＵＥ Ｙｏｎｇ—ｆｅｉ ．ＳＵＮ Ｚｈｏｎｇ—ｘｉｎ ．ＬＩＵ Ｙｏｎｇ—ｚｈｏｎｇ （１．Ｘｉ’ａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００４９，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｔｉａｎｈｕａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００６０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｖａｒｉｏｕｓ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｔｅａｍ ｔｕｂｅ ｒｏｔａｒｙ ｄｒｙｅｒ ａｎｄ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｄａｔａ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｕｓｅｄ ｉｎ ｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｄｒｙｅｒ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｉｎ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅａｍ ｔｕｂｅ ｒｏｔａｒｙ ｄｒｙｅｒ；ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ ｍｏｄｅｌ 蒸汽管回转干燥机是一种热传导型干燥设备， 系统等关键技术的研究不足，影响大型化干燥机运 以前主要应用于石化行业中ＨＤＰＥ、ＣＴＡ、ＰＴＡ等 行的平稳性和可靠性。 物料的干燥，其体积相对较小。近年来，蒸汽管回转 文中对蒸汽管回转干燥机的传热系数进行了系 干燥机的市场需求出现了两种趋势，一方面其应用 统研究，并建立了可用于工业设计的数学关联模型。 领域不断扩大，除传统领域的应用外，还应用于铜精 矿粉、煤粉、ＰＩＡ等物料的干燥。另一方面，由于被 １传热机理和热阻分析 干燥物料的产量大、初始湿含量高，使蒸汽管回转干 燥机向大型化或超大型化方向发展。但是，相对市 １．１传热机理 场需求的快速变化，蒸汽管回转干燥机的理论研究 蒸汽管回转干燥机的传热主要是饱和蒸汽通过 比较滞后，其主要表现在以下方面。 圆形蒸汽管与湿物料进行热传导换热，其传热系数 （１）在市场需求出现上述２种趋势的变化以前， 主要由热传导传热系数组成。 由于蒸汽管回转干燥机的应用范围较小，设备的设 与湿物料进行热量交换的蒸汽管大部分被湿物 计依靠工程经验就可以满足工艺要求，对干燥机的 料所包围，蒸汽管内饱和蒸汽放热后形成的冷凝液 传热、干燥机理缺乏系统研究，没有成熟可靠的数学 聚集在蒸汽管底部，对每个蒸汽管而言，蒸汽管底部 模型。 的传热效果最差，因此，选择蒸汽管底部作为研究对 （２）在市场需求出现变化以后，对大型化蒸汽管 象。单根蒸汽管底部的传热过程及热路分析见 回转干燥机的蒸汽分配系统、凝液排放系统及传动 图１。 收稿日期：２００７—１１—０９ 作者简介：岳永飞（１９７０一），男，甘肃会宁人，高级工程师，在读工程硕士研究生，主要从事干燥技术的开发与研究工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 岳永飞，等：蒸汽管回转于燥机传热系数研究 饱和蒸汽 冷凝液 裘踅晷壁 湿物料 ｒ （ａ）蒸汽管稳态传热示图 ｑ一 Ｔｓ Ｒ１ Ｒｚ Ｒａ Ｒ４ ｒ （ｂ）热路图 图１蒸汽管回转干燥机蒸汽管底部传热示图及热路分析 从图１ａ可以看出蒸汽管的传热过程为，饱和蒸 汽冷凝放出热量，该过程为相变传热，放出的热量经 过凝液层、污垢层、蒸汽管壁层传递到湿物料表面， 再由湿物料表面传到物料内部，从而使湿物料中的 湿分蒸发。因此，整个传热过程包括凝结热阻、污垢 热阻、管壁热阻以及物料的传热热阻共４个热阻。 这些热阻以串联形式连接（图１ｂ）。根据傅立叶定 律与欧姆定律之间的相似性，通过蒸汽管的热流量 可表示为 ］： 一 一 ㈩ 式中， 为通过蒸汽管管壁的热流量，Ｗ；Ｔ 为饱和 蒸汽的温度，丁 为物料平均温度，△丁为传热温差， Ｋ；Ｒ 为凝结传热热阻，Ｒ 为污垢传热热阻，Ｒ。为 管壁传热热阻，Ｒ 为物料传热热阻，∑Ｒ为总传热 热阻，Ｋ／Ｗ。 热流量还可表示为口］： 一△ＴＡ Ｋ （２） 式中，Ａ 为热传导传热面积，ｍ ；Ｋ 为蒸汽管总传 热系数，ｗ／（ｍ ・Ｋ）。 联立式（１）和式（２），可得： ＥＲ一 －Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ。＋Ｒ （３） １．２凝结热阻 蒸汽管回转干燥机的蒸汽管一般采用不锈钢材 质，不作特殊处理。同时，凝结换热的表面较小，液 膜的流速也低，因此，饱和蒸汽的冷凝过程主要是膜 状凝结。蒸汽管回转干燥机中的蒸汽管冷凝换热属 于管内壁面膜状凝结换热，见图２。 鉴于蒸汽管回转干燥机中蒸汽流速不大，并假 设凝液能够顺畅排出，因此凝结传热膜系数可近似 地按管外凝结情况进行估算。而水平单管外冷凝传 热膜系数可根据努塞尔公式进行计算 ］： ２ｓ（ ） ㈩ 式中 为凝结平均传热膜系数，ｗ／（ｍ ・Ｋ）； 为液相导热系数，ｗ／（ｍ・Ｋ）； 为液相粘度， Ｐａ・ｓ；ｒ。为饱和蒸汽的冷凝潜热，Ｊ／ｋｇ； 液相 密度，ｋｇ／ｍ。；ｄ 为管子内径，ｍ；△Ｔ 一Ｔ 一Ｔ △Ｔ 为跨过液膜的温度差，丁 为饱和蒸汽和壁面 的温度，Ｋ；ｇ为重力加速度，ｇ一９．８ ｍ／ｓ 。 因此，单根蒸汽管的凝结热阻为： Ｒ１－－ １ （５） ７（ ． Ｔ 式中，ｚ为管子长度，ｍ。 流区 层区 图２水平管凝结层状流简图 １．３污垢热阻 污垢热阻是指设备运行一段时间后，在管壁上 形成的一层水垢等杂物，对传热的影响，相对液相流 体来说，饱和水蒸气产生污垢的速率要小一些。 由于蒸汽管回转干燥的污垢层一般很薄，因此， 污垢层的导热可以近似为平壁的稳态导热，单层平 壁稳态导热示意图见图３。若污垢层的导热系数取 恒定值，按一维稳态导热口 ，有ｄ Ｔ／ｄｒ 一０，则ｄＴ／ ｄ，一为常数。 可见温度沿蒸汽管半径ｒ方向的变化为一直 线，即： 一 ｃｌｒ ，－２——，－】二 一 ； ｆ） （６） 式中，ｒ 和ｒ 分别为蒸汽管的内、外半径，ｂ为污垢 层厚度，ｍ；Ｔ 。、Ｔ 分别为污垢层内、外壁温度，Ｋ。 将式（６）代入傅立叶定律得： ． 一一 Ａ 坚一 Ａ ＴＴｗｌ－Ｔ￣一 ｂ 一Ｒ （７）、 ｍ Ａ 式中， 为污垢层的导热系数，ｗ／（ｍ・Ｋ）；Ａ 为 污垢层的导热面积，ｍ ； 为通过污垢层的热流量， Ｗ；Ｒ 为污垢层的导热热阻，Ｋ／ｗ。 维普资讯 http://www.cqvip.com 石油化ｑ———－’ ◇—［二二二二卜＿＿（） Ｒ （ａ）单层平壁导热 （ｂ）热路 图３单层平壁导热示图 因此，蒸汽管的污垢热阻为： Ｒ 一Ｒｗ－－ ｂ （８） １．４管壁热阻 管壁热阻指热量传过干燥机的蒸汽管管壁时 的导热热阻，蒸汽管回转干燥机的蒸汽管是通有 饱和蒸汽的圆形钢管，其管壁可以看作是一个内、 外半径分别为ｒ 和ｒ：、长度为１的圆管壁，无内热 源，内外两侧表面分别维持均匀稳定的温度Ｔ 和 Ｔ 。，且Ｔ ＞Ｔ ，见图４。圆管壁材料的导热系数 为常数。 ｝ １ Ｒ （ａ）单层圆管壁导热 （ｂ）热路图 图４单层圆管壁导热示图 根据给出的条件，经过推导求解可得通过圆管 壁的导热热流率为 ： Ｔｗｌ－ｑ—ｑ一１ ｌ－ ＴｗＯｄ２ ㈩‘ ） ２ Ｚ…＿ 其中 Ｒ 一 ７ｃ＾ ｌｎ （１ｏ） 式中，Ｔ 、Ｔ 分别为圆管壁内、外管壁温度，Ｋ；ｄ 、 ｄｚ分别为圆管内、外管直径，ｚ为圆管长度，ｍ； 为 圆管材质的导热系数，ｗ／（ｍ・Ｋ）；ｑ为通过圆管壁 的热流密度，ｗ／ｍ ；Ｒ 为长度为ｌ的单层圆管壁导 热热阻，Ｋ／Ｗ。 因此，蒸汽管的管壁热阻为： Ｒｓ—Ｒ 一 ｌｎ ｄ２ …） 工设备 ２００８年第３７卷 １．５物料传热热阻 由于物料在干燥过程中处于动态流动，且物料 中的湿含量也在不断变化。随着湿含量的不同，物 料的状态也有所不同，因此，其传热过程影响因素非 常复杂，无法用理论解析的方法进行计算，只能通过 间接方式进行计算。根据式（３）可得： Ｒ 一∑Ｒ—Ｒ 一Ｒ２一Ｒ。 （１２） 一般根据试验值或工业标定值可以计算物料的 传热系数。 ２热阻对蒸汽管回转干燥传热系数影响的 比较 通过前面的讨论可以看出，蒸汽管回转干燥 机综合传热系数的总热阻主要由４部分组成，即 凝结热阻、污垢热阻、管壁热阻和物料传热热阻。 下面以某一工业标定的运行数据为例，分析每种 热阻对综合传热系数的影响程度。某蒸汽管回转 干燥机的相关参数见表１。凝结热阻、污垢热阻和 管壁热阻的大小都与蒸汽管的大小有关，为了简 化计算，文中均以１４１．３ ｍｍ的单根蒸汽管为例进 行计算。 表１ 某蒸汽管回转干燥机的相关参数 根据文中的计算公式和已知数据，计算出各热 阻的数值，见表２。 表２某蒸汽管回转干燥机热阻计算结果Ｋ／Ｗ 通过表２的计算结果可以看出，凝结热阻、污垢 热阻、管壁热阻对总热阻的影响很小，在工程设计中 可以忽略不计，４种热阻在总热阻中所占比例分别 为０．４１ 、１．７０ 、０．８４ 和９７．Ｏ５ ９／６。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３７卷第２期 石油化工设备 ＶＯ１．３７ Ｎｏ．２ ２００８年３月 ＰＥＴＲＯ—ＣＨＥＭＩＣＡＩ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ Ｍａｒ．２ＯＯ８ 文章编号：１０００ ７４６６（２００８）０２—００１１－０４ 基于有限元分析的螺纹区磁化方法研究 丁劲锋，康宜华 （华中科技大学机械学院仪器系，湖北武汉４３００７４） 摘要：根据螺纹区的结构特点建立了相应的分离式漏磁检测模型。利用电磁场有限元分析方 法对螺纹区漏磁检测模型进行计算，分析了模型的磁场分布规律和特点，对每个检测模型中的 各项参数进行了计算和优化设计，其结果对螺纹检测传感器的结构设计和后续信号处理有一 定的参考价值。 关键词：；螺纹；漏磁；检测模型 中图分类号：ＴＥ ９３１．２ 文献标志码：Ａ ． ＦＥＭ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｍａｇｎｅｔｉｚｅｒ ｏｎ ｔｈｅ Ｔｕｂｉｎｇ Ｔｈｒｅａｄ Ａｒｅａ ＤＩＮＧ Ｊｉｎ—ｆｅｎｇ，ＫＡＮＧ Ｙｉ—ｈｕａ ， （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ ＨＵＳＴ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｖｅｒａｌ ＳＭＦＬ（ｓｅｐａｒａｔｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｌｕｘ ｌｅａｋａｇｅ）ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｓ ａｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ａｃ一 ．＋．－＋－．＋・－＋・・＋・・＋一＋一＋一—・＋＿・・＋．．＋－－＋一＋一＋一＋一＋－－＋・－＋“＋一＋－・＋・・＋・・＋一＋・・＋一＋・・＋・・＋・・＋・＋・・＋・・＋一—・＋＿・・—・＋＿．．＋．．＋一＋．．＋．－＋一＋－－＋－－＋一＋－－＋一＋・・＋・・＋・・—・＋＿・・—・＋＿・ ｌｎＫ ＝ｌｎｃ＋ａｌｎＰ ４－ｂｌｎｎ （１６） ３蒸汽管回转干燥传热系数的关联模型 将试验数据和工业标定数据代人式（１６）中进行 影响蒸汽管回转干燥传热系数的因素众多，但 联合求解，可得ａ：＝＝０．１１４ ７，ｂ＝０．０８５ ３，ｃ一８．６１３。 主要取决于物料层的特性，对于不同的物料提出一 将此数据代人式（１４）可得蒸汽管回转干燥机的传热 个通用计算公式是困难的，因此，只能采用因次分析 系数关联模型为： 方法对蒸汽管回转干燥机的总传热系数进行关联。 Ｋ 呵８．６１３ｆ ＂ ｓ。 （１７） 影响传热系数的主要因素有设备定性尺寸、物 ｔ ，ｔｍ ／ 料密度、物料比热、物料导热系数、颗粒粒度和进料 ４工业应用情况 量等参数，这些物理量可以用一般的函数关系表示 如下： 应用上述蒸汽管回转干燥传热系数的数学关联 厂（Ｋ。，Ｄ， ，ｃ ， ，ｄ ，Ｇ…） （１３） 模型对某工业干燥机运行数据进行验证后表明，采用 通过因次分析可得到下列关联式，即： 关联模型的计算结果与工业标定数据的误差不超过 Ｋ ｓ＝ｃｆ１５ ，证明文中提出的数学模型是可靠的。 ｔ ，ｔｍ ／ （１４） 式中， 为物料密度，ｋｇ／ｍ。； 为物料导热系数， 参考文献： ｗ／（ｍ・Ｋ）；ｃ 为物料比热容，Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）；Ｄ为简 ［１］Ｄ皮茨，Ｌ西索姆．传热学（第二版）［Ｍ］．葛新石，译．北京：科 体直径，ｍ；，２为设备转速，ｒ／ｍｉｎ；ａ、ｂ、ｃ为系数。 学出版社，２００２． ［２］徐济望．沸腾传热和气液两相流［Ｍ］．北京：原子能出版社， 令Ｐ 一Ｄ ｐｂｃ ／ａ （１５） ２００１． 则式（１４）可以表示为： ［３］姚仲鹏，王瑞君．传热学（第二版）［Ｍ］．北京：北京理工大学出 Ｋ 一ｃＰｓ ａ，２ 版社，２００３． 对上式两边取自然对数，有： （杜编） 收稿日期；２００７—０９—２６ 作者简介：丁劲锋（１９７６一），男，湖北武汉人，讲师，博士，从事油田管、杆用无损检测设备的研究开发工作。
