[发明专利]一种褐煤微波干燥炉流场数值模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种褐煤微波干燥炉流场数值模拟方法。

背景技术

我国已探明的褐煤保有储量占全国煤炭总储量的13％，但是褐煤的高含水量(20％-50％)给褐煤的应用带来了诸多问题。为了提高褐煤的利用效率，提高褐煤的品质，通常需要对褐煤进行干燥。

微波干燥是利用微波的热效应，将微波的能量传入介质材料，使其内能增加后以水蒸气的形式释放的技术。与传统的干燥方式相比较，微波干燥具有快速、及时、选择性地干燥物料，是未来物料干燥的一个重要发展方向。

在微波干燥的研究中，不同干燥条件下，干燥过程可划分为4个阶段：

①预热阶段褐煤温度迅速上升，含水率基本不变；

②压力升高阶段内部蒸汽压力迅速升高，形成较高的总压力差，促使渗透流出现，脱水率显著增大；

③恒速干燥段，水蒸气流动的速度受内部传质阻力和所吸收的功率大小的影响；

④降速干燥阶段，脱水率下降，温度升高。在降速干燥阶段微波的利用效率较低，但是为了提高褐煤的干燥度最后一阶段却不可忽略。

目前微波干燥机理和应用研究大部分在食品行业，如Rami Y.Jumah和G.S.V.Raghavan研究喷动床中微波与热风联合干燥小麦的传热传质行为，根据非平衡动力学理论建立了数学模型，研究微波干燥小麦的行为，表明微波和热风结合比单纯热风干燥具有更高的干燥效率；东南大学的施明恒以中成药丸为对象，对微波与热风组合干燥进行了实验研究，得到微波功率、物料尺寸、堆积程度、气流温度和气流速度对微波对流干燥速度的影响。李涛以橡胶为对象，数值模拟橡胶微波加热变化过程，分析得出当微波加热时间短时效率较高，胶料经微波加热后，其内部的焦耳热密度分布和温度分布不均匀，焦耳热密度大小和温度大小随着微波功率的增大而增大。而采用微波对煤进行干燥的目前主要还是实验室阶段，如杨虓等研究利用微波场对褐煤干燥特性的研究，得到褐煤脱水速率与微波功率的关系。

当微波辐射到褐煤上时，极性分子的运行将随微波场作用而运动，由于褐煤中水分子以及相邻分子间的相互作用，产生了类似摩擦的作用，使水温迅速升高，脱离褐煤。由于煤中蒸发的水分并不一定能被及时排出腔体，将会有一部分水汽滞留在腔体内，还会继续吸收微波，促使温度上升，从而降低微波的干燥效率。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种褐煤微波干燥炉流场数值模拟方法，对微波干燥炉腔体内部空气中的水蒸气添加吸热源项，通过对微波干燥炉数值模拟，得到腔体内部流场分布，为褐煤的微波干燥的理论和应用提供参考。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种褐煤微波干燥炉流场数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：通过gambit软件建立微波干燥炉腔体的物理模型，并划分网格，设置模型的边界条件，其中，物理模型的尺寸与试验微波干燥炉相同；

步骤二：将腔体的物理模型导入fluent软件中，在fluent软件中设置求解模型，并通过自定义选项加入水蒸汽吸热的UDF源项；

步骤三：在fluent软件中计算求解模型。

优选，步骤一中，划分网格的具体步骤如下：

先划分腔体面网格，步长为0.1-0.5m；

再划分腔体体网格，步长为0.1-0.5m；

最后划分罩子表面网格，对罩子表面部分进行网格加密,同时进行整体划分时越靠近罩子部分网格越密。

优选，步骤一中，模型的边界条件如下：

腔体入口设置为速度入口，腔体出口设置为自由流出口，泵出口设置为压力出口，补风入口设置为压力进口，相邻两节单腔体间的上下出、入口设置为内部界面，并通过fluent软件给边界条件设置初始值。

本发明的有益效果是：本专利提出对干燥炉腔体内水蒸汽添加吸热源项，采用数值方法对微波干燥褐煤腔体流场进行建模和求解，并与试验结果对比分析，验证数值方法的可靠性；数值分析腔体结构变化对褐煤干燥速度以及微波效率的作用机理，得出腔体内部温度、含水率、流速的变化规律，可以用于分析微波干燥效率随流场变化的原因，得出提高微波脱水效率的腔体结构以及运行方法。

附图说明

图1是本发明微波干燥炉单腔体模型的结构示意图；

图2是本发明20节腔体主视图；

图3是排气口温度试验值与计算值对比；

图4是排气口含水率试验值与计算值对比；

图5是工况a和b腔体温度变化曲线；