带有挡板的旋转鼓中可变形高长径比生物质颗粒系统的传热特性研究

《Biosystems Engineering》：Investigation on heat transfer characteristic of deformable high aspect-ratio biomass particle system in rotary drums with baffles

生物质颗粒在转鼓中的热传递与混合特性研究。通过实验与CFD-DEM耦合模拟，分析了转速、挡板数及壁温对高比表面积变形颗粒传热和混合的影响。结果表明，转速10 r/min、6块挡板和403.15 K壁温时热效率最优，混合指数与热传递效率呈正相关。

　　随着全球对可持续能源的需求持续增长，生物质能正在成为能源结构转型的重要组成部分。生物质能不仅可以直接用于燃烧发电和供热，还可以通过热化学方法转化为生物燃料和沼气。在热能转换之前，湿生物质通常需要经过干燥预处理，以提高能效、改善产品质量并减少污染物排放。然而，现有的干燥系统普遍面临能效较低、操作成本高以及干燥不均匀等问题，尤其是在处理结构松散、含水量变化较大的植物生物质颗粒时更为明显。这种情况下，热能分布不均会导致干燥质量下降，进而影响整体系统性能。

在工业应用中，传统的生物质干燥技术常遇到诸如热效率低、干燥均匀性差和操作成本高等问题，特别是在处理高含水量、多孔结构的植物生物质颗粒时尤为突出。具体而言，热能难以均匀地分布在颗粒内部，导致某些区域出现过度干燥或未充分干燥的现象，这会进一步影响后续热能转换的效率，并降低产品质量。此外，由于热传导机制和设备结构的差异，这些系统在单位水分去除下的能耗存在显著变化。

为了更清晰地了解主流干燥技术的特征，表1总结了六种常见的干燥方法及其加热源和典型能耗范围。其中，旋转鼓干燥器在能效方面展现出显著优势。其结构简单、操作稳定，并且适合对大量颗粒状材料进行连续处理，因此在生物质干燥应用中得到了广泛应用。

在旋转鼓干燥系统中，颗粒受到重力和机械力的共同作用，呈现出复杂的运动行为，如滑动、滚动和瀑布式流动。结构参数，如鼓的旋转速度、内部挡板配置和鼓壁温度，直接决定了颗粒的混合状态和热接触条件。已有研究表明，提高鼓的旋转速度可以增强颗粒与鼓壁之间的瞬时接触频率，从而促进热能的传递。然而，过高的旋转速度可能会减少颗粒在高温区域的停留时间，从而限制热能的积累。挡板结构可以打破颗粒的聚集，促进空间的重新分布和搅拌，从而提高混合均匀性和热能传递性能。同时，鼓壁温度决定了单位时间内的热能驱动，对颗粒的加热速率和表面温度分布具有关键作用。

在实际应用中，具有高长宽比的柔性生物质颗粒由于其非球形结构和可变形特性，其运动轨迹存在较大的不确定性。这些颗粒在鼓旋转过程中容易发生缠绕、重叠和聚集，从而打破热接触路径的连续性，导致热能传递的不均匀性，并引入热传导过程的不稳定性。传统的实验方法往往难以准确捕捉颗粒内部温度分布、热通量变化和接触演变等关键参数。在高温、快速旋转、复杂的多颗粒相互作用和不规则形状的颗粒条件下，系统扰动和测量精度不足成为主要障碍。

在此背景下，耦合计算流体力学（CFD）与离散元方法（DEM）的建模技术逐渐成为分析颗粒系统多尺度热能传递的有效工具。该方法能够同时解决流体流动和颗粒动态，从而实现对颗粒变形、旋转和接触演变等微观行为的详细模拟。近年来，针对纤维状非球形颗粒的建模方法取得了显著进展，引入了多样化的结构表示和接触建模策略，以更准确地模拟颗粒变形和多点接触行为。然而，对于高长宽比生物质颗粒在旋转鼓中的系统化建模和多参数分析仍较为有限，特别是在混合状态的演变、局部温度上升机制以及热能传递效率的控制方面。

此外，对非稳态热能传递如何影响生物质干燥质量的关注仍显不足。加热速率的变化和局部热能的积累可能会导致颗粒的结构变性以及热解区域的空间错配，从而改变燃烧性能，并影响转化产物的产量和组成。因此，理解鼓的结构参数如何影响颗粒的混合行为和热能演变，对于实现更均匀的热能传递、提高干燥效率和改善产品质量至关重要。

本研究选择了具有代表性的柔性、高长宽比的纤维状烟草叶颗粒作为生物质样本。烟草叶作为一种典型的非球形植物生物质，其结构形态和热响应具有广泛的代表性，适用于模拟其他纤维状颗粒的行为。研究模型系统地分析了鼓的旋转速度、挡板数量和鼓壁温度的变化对颗粒运动和温度演变的影响。为了定量评估混合程度，引入了Lacey混合指数，从而揭示了混合均匀性与热能传递效率之间的耦合关系。研究结果有助于更深入地理解高长宽比生物质在动态干燥过程中的热能传递机制，并为柔性颗粒系统的结构优化和操作设计提供了理论支持和建模指导。

本研究采用CFD-DEM方法对旋转鼓中变形的高长宽比颗粒的流动混合和热能传递过程进行了模拟。气体相的流动通过Navier-Stokes方程进行求解，而颗粒相则通过拉格朗日方法进行追踪，以获得颗粒的运动轨迹。研究考虑了气体与颗粒之间的相互作用、湍流对颗粒间相互作用的影响以及颗粒与鼓壁的碰撞。热能传递机制包括直接传导、辐射以及对流等多种形式。通过耦合CFD和DEM，研究能够更全面地模拟颗粒在旋转鼓中的运动行为和热能传递过程，从而揭示不同参数对热能传递效率的影响。

在模型验证方面，研究通过实验数据与模拟结果的对比，验证了颗粒热能传递模型的准确性。实验数据与模拟曲线在不同加热温度下表现出良好的一致性，表明模型具有较高的预测能力。为了评估热能传递模型的预测性能，研究采用平均绝对百分比误差作为衡量模拟与实验之间匹配程度的定量指标。结果显示，该模型在不同加热温度条件下的预测误差较小，表明其在实际应用中的可靠性。

在讨论部分，研究通过耦合CFD-DEM模拟，深入探讨了变形的高长宽比纤维状生物质颗粒在旋转鼓干燥器中的热能传递行为。研究从颗粒建模、颗粒温度的空间时间分布以及混合与热能行为的相互作用等角度，系统地分析了热能传递机制。与现有的基于DEM的颗粒系统研究相比，本研究在模拟精度和参数覆盖范围方面取得了更大进展，为后续相关研究提供了重要的参考价值。

研究的结论表明，实验与模拟方法的结合有助于深入分析变形的高长宽比生物质颗粒在旋转鼓中的行为，重点探讨鼓的旋转速度、挡板数量和鼓壁温度对颗粒混合和热能传递过程的影响。研究结果表明，颗粒的混合程度与热能传递效率之间存在紧密联系，混合程度的提高有助于颗粒之间的热能交换，从而增强热能传递效果。同时，研究还发现，挡板数量的增加有助于提高颗粒温度分布的均匀性，而优化鼓壁温度则进一步提升了热能传递效率。最佳的热能传递效果出现在6个挡板和鼓壁温度为403.15 K的条件下。这些发现为提高生物质系统的能效提供了重要的理论依据和实践指导。

此外，研究还发现，鼓的旋转速度对颗粒的热能传递具有显著影响。在实验过程中，观察到当鼓的旋转速度为10 r/min时，颗粒的热能传递效率达到最高。这一速度不仅促进了颗粒之间的热能交换，还优化了颗粒在鼓内的混合状态。通过提高混合指数，颗粒之间的热能交换变得更加高效，从而提升了整体的热能传递效率。研究中达到的最高混合指数为0.55，这一指数的提升导致了显著的温度上升，表明混合程度对热能传递具有重要影响。

在实际应用中，提高鼓的旋转速度可以增强颗粒与鼓壁之间的接触频率，从而促进热能的传递。然而，过高的旋转速度可能会减少颗粒在高温区域的停留时间，从而影响热能的积累。因此，在优化鼓的旋转速度时，需要在热能传递效率和颗粒停留时间之间找到平衡点。研究发现，当鼓的旋转速度为10 r/min时，热能传递效率达到最佳状态，这一速度能够有效促进颗粒之间的热能交换，同时避免因停留时间过短而影响热能积累。

挡板的数量对颗粒温度分布的均匀性具有重要影响。研究发现，随着挡板数量的增加，颗粒在鼓内的混合更加均匀，热能传递效率也随之提高。挡板的设置能够打破颗粒的聚集，促进空间的重新分布和搅拌，从而提高颗粒的混合程度和热能传递效率。研究中，挡板数量为6时，颗粒温度分布达到最佳均匀性，表明挡板的数量是影响热能传递效率的重要参数之一。

鼓壁温度对颗粒的加热速率和表面温度分布具有关键作用。研究发现，鼓壁温度的提高能够增强热能传递的驱动力，从而提升颗粒的加热速率和整体的热能传递效率。然而，过高的鼓壁温度可能会导致颗粒的过度干燥，影响其物理和化学特性，进而影响后续的热能转换过程。因此，在优化鼓壁温度时，需要在热能传递效率和颗粒质量之间找到合适的平衡点。研究中，当鼓壁温度为403.15 K时，热能传递效率达到最佳状态，表明这一温度条件能够有效促进颗粒的热能交换，同时避免因温度过高而影响颗粒质量。

研究还发现，提高混合指数能够显著提升颗粒之间的热能交换效率。混合指数的提高意味着颗粒在鼓内的运动更加均匀，热能传递路径更加连续，从而增强了热能的传递效果。通过提高混合指数，颗粒之间的热能交换变得更加高效，进而提升了整体的热能传递效率。研究中达到的最高混合指数为0.55，这一指数的提升导致了颗粒温度的显著上升，表明混合指数对热能传递具有重要影响。

在实际应用中，柔性、高长宽比的生物质颗粒由于其非球形结构和可变形特性，其运动轨迹存在较大的不确定性。这些颗粒在鼓旋转过程中容易发生缠绕、重叠和聚集，从而打破热接触路径的连续性，导致热能传递的不均匀性，并引入热传导过程的不稳定性。因此，在设计和优化旋转鼓干燥系统时，需要充分考虑颗粒的运动行为和热能传递特性，以实现更均匀的热能分布和更高的热能传递效率。

此外，研究还发现，非稳态热能传递对生物质干燥质量具有重要影响。加热速率的变化和局部热能的积累可能会导致颗粒的结构变性以及热解区域的空间错配，从而改变燃烧性能，并影响转化产物的产量和组成。因此，在优化旋转鼓干燥系统时，需要综合考虑热能传递的稳定性、均匀性和效率，以实现最佳的干燥效果和热能利用效率。

研究的最终目标是通过实验与模拟的结合，为提高生物质系统的能效提供理论支持和实践指导。通过分析鼓的结构参数对颗粒混合和热能传递的影响，研究揭示了热能传递效率与混合程度之间的耦合关系。这些发现不仅有助于更深入地理解高长宽比生物质在动态干燥过程中的热能传递机制，还为柔性颗粒系统的结构优化和操作设计提供了重要的参考价值。

在实验与模拟的结合下，研究还发现，鼓的旋转速度、挡板数量和鼓壁温度的优化对于提高生物质系统的能效具有重要作用。旋转速度的提高能够促进颗粒之间的热能交换，但需注意避免因停留时间过短而影响热能积累。挡板数量的增加能够提高颗粒温度分布的均匀性，而鼓壁温度的优化则能够提升热能传递效率。通过合理的参数设置，可以实现更高效的热能传递和更均匀的颗粒混合，从而提高生物质干燥的整体性能。

此外，研究还发现，提高混合指数能够显著提升颗粒之间的热能交换效率。混合指数的提高意味着颗粒在鼓内的运动更加均匀，热能传递路径更加连续，从而增强了热能的传递效果。通过提高混合指数，颗粒之间的热能交换变得更加高效，进而提升了整体的热能传递效率。研究中达到的最高混合指数为0.55，这一指数的提升导致了颗粒温度的显著上升，表明混合指数对热能传递具有重要影响。

研究还发现，鼓的旋转速度对颗粒的热能传递具有显著影响。在实验过程中，观察到当鼓的旋转速度为10 r/min时，颗粒的热能传递效率达到最高。这一速度不仅促进了颗粒之间的热能交换，还优化了颗粒在鼓内的混合状态。通过提高混合指数，颗粒之间的热能交换变得更加高效，从而提升了整体的热能传递效率。研究中达到的最高混合指数为0.55，这一指数的提升导致了颗粒温度的显著上升，表明混合指数对热能传递具有重要影响。

在实际应用中，提高鼓的旋转速度可以增强颗粒与鼓壁之间的接触频率，从而促进热能的传递。然而，过高的旋转速度可能会减少颗粒在高温区域的停留时间，从而影响热能的积累。因此，在优化鼓的旋转速度时，需要在热能传递效率和颗粒停留时间之间找到平衡点。研究发现，当鼓的旋转速度为10 r/min时，热能传递效率达到最佳状态，这一速度能够有效促进颗粒之间的热能交换，同时避免因停留时间过短而影响热能积累。

挡板的数量对颗粒温度分布的均匀性具有重要影响。研究发现，随着挡板数量的增加，颗粒在鼓内的混合更加均匀，热能传递效率也随之提高。挡板的设置能够打破颗粒的聚集，促进空间的重新分布和搅拌，从而提高颗粒的混合程度和热能传递效率。研究中，挡板数量为6时，颗粒温度分布达到最佳均匀性，表明这一挡板数量能够有效提升热能传递效率。

鼓壁温度对颗粒的加热速率和表面温度分布具有关键作用。研究发现，鼓壁温度的提高能够增强热能传递的驱动力，从而提升颗粒的加热速率和整体的热能传递效率。然而，过高的鼓壁温度可能会导致颗粒的过度干燥，影响其物理和化学特性，进而影响后续的热能转换过程。因此，在优化鼓壁温度时，需要在热能传递效率和颗粒质量之间找到合适的平衡点。研究中，当鼓壁温度为403.15 K时，热能传递效率达到最佳状态，表明这一温度条件能够有效促进颗粒的热能交换，同时避免因温度过高而影响颗粒质量。

研究还发现，提高混合指数能够显著提升颗粒之间的热能交换效率。混合指数的提高意味着颗粒在鼓内的运动更加均匀，热能传递路径更加连续，从而增强了热能的传递效果。通过提高混合指数，颗粒之间的热能交换变得更加高效，进而提升了整体的热能传递效率。研究中达到的最高混合指数为0.55，这一指数的提升导致了颗粒温度的显著上升，表明混合指数对热能传递具有重要影响。

综上所述，本研究通过实验与模拟的结合，系统地分析了旋转鼓中变形的高长宽比生物质颗粒的混合和热能传递行为。研究结果表明，鼓的旋转速度、挡板数量和鼓壁温度对颗粒的混合状态和热能传递效率具有显著影响。通过优化这些参数，可以实现更高效的热能传递和更均匀的颗粒混合，从而提高生物质干燥的整体性能。这些发现不仅有助于更深入地理解高长宽比生物质在动态干燥过程中的热能传递机制，还为柔性颗粒系统的结构优化和操作设计提供了重要的理论支持和实践指导。