沥青搅拌设备滚筒对流区骨料料帘的分布形式

王海霞，陈炳贵

(国网福建省电力有限公司技能培训中心，福建 泉州 362000)

0 引 言

干燥滚筒是沥青混合料搅拌设备的主要部件之一，其主要功能是加热和烘干骨料，并将骨料加热到能够获得高质量沥青混合料所需要的温度。根据沥青搅拌设备燃烧器的燃烧特点，其火焰长度一般为5 m左右[1-3]。因此，对于远离燃烧器5 m后的对流区，为强化燃气和骨料之间的热交换，采用刮料叶片以保证骨料在该区域多次被提升和自由散落，在断面处的中间区域形成均匀料帘，使燃气充分穿过料帘与骨料接触进行热交换[4-6]。

国内外对干燥筒内石料运动的研究已经比较广泛，Baker C G给出叶片式干燥筒的设计方法，并且建立了叶片持有量的数学模型，指出在理想情况下，叶片数量能够保证叶片持有量达到总料量的10%～15%[7]。Bodhisattwa C运用离散元模型对石料在烘干筒内的混流和传热过程进行了仿真研究，通过对多种烘干筒型式的对比得出，扬料叶片对石料的干燥升温具有积极的意义[8]。Lisboa M H等利用数学模型计算得到了两段式叶片在不同位置角的持有量和落料距离，并通过试验得出烘干筒干燥效率与叶片数量的关系，以及石料动摩擦系数随含水率的变化范围为0.974～1.015[9]。黄志刚构建了沥青颗粒在干燥滚筒内运动情况的数学模型，模拟出了沥青颗粒在干燥筒内的滞停时间，构建了沥青颗粒在干燥过程中的热交换模型，预测了沥青颗粒的温度和含水率变化情况[10]。王雪通过研究干燥筒转速、倾角、叶片数量对料帘分布的影响，阐述了形成均匀料帘的因素，构建了单叶片抛撒轨迹和抛撒范围的数学模型，并提出料帘密度的概念[11]。

以上研究的重点均集中在对沥青搅拌设备干燥滚筒叶片持有量的数学建模和沥青颗粒运动轨迹的影响因素[12]，对料帘分布的分析较少。在沥青的加热烘干过程中，对流区的骨料和热空气能否进行最大程度的热交换，是提高烘干效率的关键所在；而对流区的料帘分布形式，是实现均匀料帘并使热空气与骨料接触进行热交换的决定因素[13-14]。因此，本文以现有的研究为基础，重点研究沥青搅拌设备滚筒对流区骨料料帘的分布形式。

图1 燃烧器火焰大致形状及滚筒对流区域

1 叶片的持有量

文中论述的沥青搅拌设备均以4000型为例，其燃烧器如图1所示。

在干燥滚筒中，叶片的持有量定义为

(1)

式中：Zφ为叶片持有量(%)；N为叶片个数；Aφ为单个叶片单位长度上体积持有量(m3·m-1)，如图2所示；A为干燥滚筒的横截面积(m2)。

图2 叶片持有量定义

叶片的持有量是确定干燥滚筒中物料填充率的重要参数。在计算叶片持有量时，一般将物料自由表面与水平线之间的夹角定为物料的休止角。对于不同的休止角和叶片的几何尺寸等，可以先确定单一叶片单位长度上的持有量Aφ，然后利用式(1)计算叶片持有量。

2 刮料叶片单位长度上的持有量

图3是刮料叶片在不同位置上持有量的示意图。图中，θ角是叶片翼端点与通过滚筒中心的水平线之间的夹角，φ角是叶片上骨料的自由表面与水平线之间的夹角，R是滚筒的半径。

图3 刮料叶片在不同位置上持有量

当叶片位于位置a，即θ=0时，此时持有量达到最大值。随着滚筒的转动，叶片上的骨料不断撒落，直到完全倒空。图3中b和c两点分别表示叶片上持有部分料和完全无料的位置。

为了确定持有量的大小，必须首先导出各种位置处的一般表达式。图4是θ角和φ角的力学解析。

图4 θ角和φ角的力学解析

其中，作用力F平行于PQ平面，而作用力G垂直于PQ平面。骨料间的摩擦系数为μp，根据力的相互关系，可以得到：

根据上述式(2)～(4)，可以求得θ角和φ角的关系。

式中：M′为质量(kg)；rc为叶片翼端点至滚筒中心的距离(m)；ω为滚筒角速度(rad·s-1)；g为重力加速度(m·s-1)；v为系数。

本例中，ω=6.4 r·min-1，rc=1 132.5 mm，g=9.8 m·s-2，代入式(6)得v=0.001 31[15-17]。

由于v数量级较小，对式(5)作如下简化。

tanφ≈μp

(7)

式(7)间接表明：当滚筒角速度较小时(对于滚筒而言，叶片翼端点至滚筒中心的距离相差不是很大)，叶片上骨料的自由表面与水平线之间的正切值近似为骨料间的摩擦系数值，也即近似为常数值。

常用骨料动安息角为35°,即骨料间的摩擦系数为0.7[18]，对滚筒内对流区域骨料料帘分布形式的静态分析如图5所示。

图5 对流区域骨料料帘分布形式的静态分析

(1)阴影区域为各个状态下叶片的持有量。

(2)实心区域为各个状态下叶片的上个状态的持有量与当前状态下持有量的差值，即滚筒旋转过程中的抛出量。

(3)当骨料抛出后，受到的作用力可简化为向心力与重力，由式(6)及v=0.001 31可以得出，其骨料抛出的曲线曲率较大，可以近似看作直线型。

(4)β角为叶片由水平位置到完全倒空所旋转过的角度。

β=35°+(180°-83.7°)=131.3°

当滚筒旋转角速度ω=6.4 r·min-1减半或增倍时，φ角和θ角、v值、ω的变化关系如表1所示(骨料间的摩擦系数为0.7)。

3 FLUENT流体动力学分析叶片抛撒料路径

为了更为直观地查看滚筒对流区域骨料料帘的分布形式，应用FLUENT软件对其截面做流体动力学分析。

本例中，模型简化成一个面域，底部1/4处为骨料初始量，上部3/4处为空气，利用固液两相流模拟不同角速度下的情况[19-20]。抛撒料路径的等高线图和矢量图如图6所示，图中数字为分布率。

当热空气经过对流区域的截面处时，与骨料接触的热空气视为被截留，即有较少的热量直接贯穿，热效率较高；而截面没有骨料料帘的区域，热空气未与骨料发生热交换，直接贯穿滚筒外排，热量损失。

表1 不同θ、ω、v下的φ值

注：θ为0°时，φ为该ω值下的最小值；θ为72°时，φ为该ω值下的最大值。当ω值提高时，v值呈增大趋势，也即骨料抛出的曲线曲率不断变小。ω值小的，可以认为骨料在叶片的翼端点处做自由落体运动。φ角的跨度差呈增长趋势，且3种角速度下的φ均可近似为35°。

图6 叶片抛撒料路径的等高线图和矢量图

故滚筒内对流区域的热交换要达到最佳状态，需保证骨料料帘集中在截面的中间区域，即保证在同等骨料作用下，料帘所形成的断面面积趋于最大值。

由图6可以看出：当角速度ω=6.4 r·min-1(目前市面上大多数滚筒的实际运行值)时，骨料料帘分布情况较为靠中，边上扇形区域的面积也相对较小，满足最优热交换状态；当角速度ω=3.2 r·min-1时，骨料跌落较快；当角速度ω=12.8 r·min-1时，骨料跌落较慢，这2种情况无料帘区域面积均较ω=6.4 r·min-1时大，热损失也较大。

4 结 语

干燥滚筒是否正常运转，并充分进行热烘干作业，将直接影响整套沥青混泥土搅拌设备功能的发挥和使用效果，同时也是衡量整机性能的一个关键因素。本文进行了干燥滚筒对流区叶片持有量的数学建模，同时分析了沥青颗粒运动轨迹的影响因素，并通过FLUENT流体动力学软件分析叶片抛撒料路径，获取并验证了干燥滚筒关键参数对对流区骨料料帘分布的影响，获得如下结论。

(1)叶片的持有量是确定干燥滚筒中物料填充率的重要参数，在不同工作转速下均对骨料料帘分布具有较大的影响。

(2)当干燥滚筒角速度过小时，骨料跌落较快；当角速度过快时，骨料跌落较慢。这2种情况无料帘区域面积均较大，热损失也较大。

(3)干燥滚筒角速度ω=6.4 r·min-1时，骨料料帘分布情况较为靠中，边上扇形区域的面积也相对较小，满足最优热交换状态，具有较高的热交换效率。

通过对干燥滚筒对流区骨料料帘分布的研究，从而指导滚筒叶片的设计及选型工作，同时也对干燥滚筒的优化起到理论支撑作用。