CN112522863A - 气流铺覆纤维装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开气流铺覆纤维装置，包括同轴的过渡区、布料扩流区、铺覆纤维区和导流收缩区；气体自所述过渡区的气体入口端进入，依次穿过所述布料扩流区、所述铺覆纤维区和所述导流收缩区，并自导流收缩区气体出口端排出；所述过渡区的内部设有与过渡区同轴的布料孔板，所述布料扩流区设有与布料扩流区同轴的导气孔板，所述导流收缩区的气体出口端设有与导流收缩区同轴的排气孔板，在所述铺覆纤维区内设有试样装夹。圆柱与圆台结合的纤维铺覆装置，可以避免壁面结合处气流速度较低甚至气流无法到达而出现气流死角，不会导致大量纤维的沉积，提高纤维铺覆比例。孔板开孔位置和开孔率进行设计，使径向气流分布更均匀，从而提高纤维分布均匀性。

Description

气流铺覆纤维装置

技术领域

本发明涉及铸造熔模装置技术领域。具体地说是气流铺覆纤维装置。

背景技术

申请人已经将单一纤维和混杂纤维作为增强介质，通过掺混进涂料中加 入硅溶胶型壳，型壳常温强度得到不同程度的提高，其综合使用性能得到改 善(CN108213344A)。但是，在制备型壳工艺中遇到了瓶颈问题，将大长径比 纤维掺混进涂料中加入型壳时，随着纤维掺混比例提高，涂料粘度增加，悬 浮性降低，涂挂性能变差，纤维会出现团聚或者结团现象，最终导致型壳强 度降低。采用如图1所示的初始铺覆纤维装置时，随着铺覆时间的延长，有 一少部分纤维会落在装置下部的四棱台壁面上，这时再增大气流压力，部分 纤维又被吹起继续做周期运动，当铺覆时间超过20s之后，受到壁效应的影 响，在壁面附近的纤维会平行壁面运动，并聚集在四棱台壁面和四棱住壁面 之间的结合处，即使再增大气流压力，纤维仍保持静止不再做悬浮运动，壁 面结合处气流速度较低甚至气流无法到达而出现气流死角，导致大量纤维的 沉积，致使纤维铺覆到型壳表面上的比例较低。因此有必要对现有的棱柱和 棱台结构进行改进，从而提高纤维铺覆效率。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种气流分布相对均匀，不 存在气流的死角区域、提高纤维铺覆效率的气流铺覆纤维装置。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

气流铺覆纤维装置，包括同轴的过渡区、布料扩流区、铺覆纤维区和导 流收缩区；气体自所述过渡区的气体入口端进入，依次穿过所述布料扩流区、 所述铺覆纤维区和所述导流收缩区，并自导流收缩区气体出口端排出；所述 过渡区与所述布料扩流区连接处设有与过渡区同轴的布料孔板，所述布料扩 流区设有与布料扩流区同轴的导气孔板，所述导流收缩区的气体出口端设有 与导流收缩区同轴的排气孔板，在所述铺覆纤维区内设有试样装夹。

上述气流铺覆纤维装置，所述过渡区和所述铺覆纤维区为圆柱结构，所 述布料扩流区和所述导流收缩区为圆台结构，所述过渡区的气体出口端与所 述布料扩流区的圆台小头端流体导通，所述布料扩流区的圆台大头端与所述 铺覆纤维区的气体进口端流体导通，所述铺覆纤维区的气体出口端与所述导 流收缩区的圆台大头端流体导通，所述导流收缩区的圆台小头端为气体出口 端。

上述气流铺覆纤维装置，所述布料扩流区、所述铺覆纤维区和所述导流 收缩区的总高度H₂与最大直径D₂比为1-1.5；所述布料扩流区的圆台壁面与 轴心夹角范围为15°≤α＜45°；所述过渡区的高度H₁为所述过渡区的管道 直径D₁的1-1.7倍。

上述气流铺覆纤维装置，所述铺覆纤维区的直径D₂为18cm，所述布料扩 流区的圆台壁面与轴心夹角为15°；所述布料扩流区、所述铺覆纤维区和所 述导流收缩区的高度分别为11.1cm、10cm和3.7cm；

所述导流收缩区气体出口端的排气孔板的直径为16cm；所述布料孔 板直径为12cm，所述导气孔板的直径为14cm；

所述过渡区的管道直径D₁为12cm；所述过渡区的高度H₁为20cm。

上述气流铺覆纤维装置，所述布料孔板的开孔率如下计算得到：

根据流化床分布板设计原则，分布板最小压降ΔP_d与床层压降ΔP_b之比， 可取经验值，即：

ΔP_d＝(0.1-0.4)ΔP_b；

取布料孔板压降为床层压降的40％，则：

ΔP_d＝0.4h₀(1-ε₀)(ρ_m-ρ)

其中：h₀为床层高度，ε₀为床层空隙率，ρ_m为颗粒密度，ρ为空气密度； 取阻力系数ξ＝2，则孔速为：

孔板开孔率为：

其中u₁为孔板径向平均气流速度，m/s；

根据

式中d₁为气体分布板小孔直径，m；D₁为板直径，m；N为开孔数量。

上述气流铺覆纤维装置，由于u_k为6.65m/s，u₁＝0.489m/s，则开孔率 ψ＝7.35％；当d₁＝5mm时，布料孔板的直径D₁为12cm时，N＝42个。

上述气流铺覆纤维装置，布料孔板的孔位置采用同心圆排列，分别在直 径为2cm、6cm和10cm的圆周上均匀开孔；在直径为2cm的圆周上开孔数量 为6个，在直径为6cm的圆周上开孔数量为12个，在直径为10cm的圆周上 开孔数量为24个。

上述气流铺覆纤维装置，所述导气孔板和排气孔板的气流速度存在如下 关系：

设入口气流速度为υ₁，面积为A₁，压强为p₁；布料孔板气流速度为υ₂， 开孔面积为A₂，压强为p₂；导气孔板气流速度为υ₃，开孔面积为A₃，压强为p₃根据实际流体的伯努利方程：

圆管沿程损失达西公式为：

式中：l为管长度，m；d为管直径，m；λ为沿程阻力系数；υ为断面平均流 速，m/s；

根据光滑区的布拉休斯公式：

布料孔板和导气孔板之间的压差为：

当

时，υ₃必定要大于υ₂，两孔板之间压差向 上，布料孔板上纤维受到气流向上的作用力，被气流带动向上运动，且随着 气流速度的增加，孔板之间的压差增加；

设排气孔板气流速度为υ₄，开孔面积为A₄，压强为p₄；

式中h_m为孔板压力损失，

ξ为孔板压损系数，根据标准ξ选取2，

排气孔板速度等于或者低于悬浮速度时两孔板的最大压差为4.46MPa；

根据连续性方程：Q＝υA＝常量

υ₁A₁＝υ₂A₂＝υ₃A₃＝υ₄A₄

由上述推导可知：υ₄≤υ₂≤υ₃，所以A₃≤A₂≤A₄；

为让纤维在装置内做一定时间的悬浮运动，布料孔板上气流平均速度要大 于悬浮速度，以补偿压力势能和沿程损失。

上述气流铺覆纤维装置，所述导气孔板和排气孔板的中孔位置采用同心 圆排列，当设置两孔板开孔率分别为3.92％和9.76％，能够满足υ₄≤υ₂≤υ₃的 速度要求。

上述气流铺覆纤维装置，导气孔板分别在圆心和直径为4cm、8cm和 12cm的圆周上均匀开孔径为5mm的孔共计31个孔；即在圆心上开1个孔， 在直径为4cm的圆周上开孔数量为6个，在直径为8cm的圆周上开孔数量为 12个，在直径为12cm的圆周上开孔数量为12个；

排气孔板分别在圆心和直径为4cm、8cm和12cm的圆周上均匀开孔经为 10mm的孔共计25个孔；即在圆心上开1个孔，在直径为4cm的圆周上开 孔数量为6个，在直径为8cm的圆周上开孔数量为6个，在直径为12cm的 圆周上开孔数量为12个。

本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：

1、针对现有技术的纤维铺覆装置的四棱台壁面和四棱住壁面之间的结 合处存在壁效应的问题，重新对纤维铺覆装置进行设计，对装置外形结构与 尺寸、孔板开孔位置、开孔率进行设计和计算，最终得到了圆柱与圆台结合 的纤维铺覆装置，使得纤维在装置内分散性好，提高纤维铺覆比例。

2、圆柱与圆台结合的纤维铺覆装置，可以避免壁面结合处气流速度较 低甚至气流无法到达而出现气流死角，不会导致大量纤维的沉积，提高纤维 铺覆比例。

3、对布料孔板、导气孔板和排气孔板的开孔位置和开孔率进行设计， 使径向气流分布更均匀，从而提高纤维分布均匀性。

4、在满足模样顺利装夹和取出的前提下，应尽量减小摸样与铺覆纤维 区域的体积比，提高悬浮运动纤维与型壳的接触几率。

5、为了防止布料扩流区的圆台壁面倾斜度过大导致沉落纤维无法继续 运动，对圆台壁面与轴心夹角进行了设计和优化。

6、通过软件对改进后铺覆纤维装置中气流分布进行数值模拟，气流分 布相对均匀，铺覆纤维区域的速度差变小，贴近壁面处气流速度较高，不存 在气流的死角区域，改进后铺覆纤维装置的气流分布能够降低纤维沉落，延 长纤维悬浮运动时间，有利于提高纤维铺覆效率。

附图说明

图1现有技术中的铺覆纤维装置结构示意图；

图2现有技术中的铺覆纤维装置实体模型网格划分，包括壳体和模样 及可伸缩转轴；

图3现有技术中的铺覆纤维装置的速度分布云图；

图4现有技术中的铺覆纤维装置的速度分布流线图；

图5单层圆筒形流化床干燥器主体尺寸示意图；

图6气流铺覆装置结构示意图；

图7布料孔板开孔设置示意图；

图8导气孔板开孔设置示意图；

图9排气孔板开孔设置示意图；

图10气流铺覆装置实体模型网格划分；

图11气流铺覆装置的速度分布云图；

图12气流铺覆装置的速度分布流线图。

图中附图标记表示为：1-排气孔板；2-模样；3-纤维铺放室；4-可伸缩 转轴；5-旋转手柄；6-导气孔板；7-导气孔；8-纤维存料架；9-支架；10- 橡胶气流导管；11-气压表；12-风机；13-电源；

N1-过渡区；N2-布料扩流区；N3-铺覆纤维区；N4-导流收缩区。

具体实施方式

一、对现有技术的气流铺覆纤维装置的数学模型分析

针对现有技术中(图1)所示的气流铺覆纤维装置的分析，发现铺覆纤 维时间延长，纤维会沉落到装置各个壁面上，不再做悬浮运动。这种现象的 出现与气流分布、纤维受力、装置结构有直接的关系。气流中纤维的受力较 复杂，有流场对纤维的作用力、纤维的重力、纤维间的作用力等，其中流场 对纤维的作用力对纤维的运动状态影响最大。为了延长纤维在装置内做悬浮 运动的时间，提高纤维接触到型壳表面的机率，增加型壳铺覆纤维的百分比， 有必要对装置中气流的运动状态和分布进行分析，发现纤维沉落原因，从而 为更合理的气流分布提供理论支撑。

此，本申请采用ANSYS(fluent)软件对铺覆装置中气流的分布进行了 数值模拟。

数学模型的建立：

连续方程：

动量守恒方程：

式中ρ为空气的密度，kg/m³，u为空气的流速，m/s，ε为孔隙率，β为相 间动量传递系数，kg/(m³·s)，

为压降，Pa·s，υ为颗粒的流速，m/s，g 为重力加速度，m/s^2,，T为粘性应力，kg/(m·s²)。

湍流模型采用标准的k-ε模型，k和ε满足以下方程：

式中G_k为由于平均速度梯度造成的湍流动能项，G_b由于浮力而产生的 湍流动能项，μ_t为湍流粘度系数；G_1ε、G_2ε是模型常数，Y_M为湍流马赫数， σ_k和σ_k分别为k和ε的湍流普朗特数，S_k和S_ε分别为用户自定义源项。

网格划分与边界条件：

计算网格采用非结构网格，网格大小采用相同尺度，网格总数为1146330 个,如图2所示。

进口边界条件定义为VELOCITY-INLET，速度为7.5m/s，出口边界条件 定义为OUT-PRESSURE，背压为0Pa，壁面采用无滑移壁面边界条件。计算 时不考虑温度对流动的影响，不考虑空气重力影响。

铺覆装置内的速度分布云图和速度分布流线图如图3和图4所示。

由速度云图3-3可以看出，模样下方中心气流和型壳宽度方向两侧气流 速度较大，模样正上方和模样下方偏离中心位置区域气流速度最小，靠近壁 面的气流速度介于二者之间。布料孔板和导气孔板均有使气流分散均匀的作 用，因此不同位置孔口出来的气体流速相当，但是孔与孔之间出现了低速区。 另外，气流分布在模样长度方向剖面和宽度方向剖面有所差异，最大区别在 于模样下方靠近壁面区域速度差别比较大，模样长度方向截面贴近垂直壁面 和锥形壁面处速度非常低，近壁面处速度低于0.2m/s的区域高于90％。

图4为装置内两垂直截面速度流线图，由图可以看出，中心气流向上运 动遇到型壳后，以中心线为分界气流转向壁面方向运动，遇到垂直壁面后改 变方向，一部分向下做回旋运动，另一部分向上做回旋运动，在铺覆纤维区 域出现了典型涡旋，结合图3分析可知，在涡旋中心区域和模样正上方气流 难以到达区域气流流速最低。

根据装置内气流分布模拟结果，可以推测纤维随着气流向上运动，遇到 模样后，与模样水平夹角较小的部分纤维在气流向上作用力下粘附到型壳涂 料上，与模样水平夹角较大，甚至垂直水平方向运动的纤维在遇到型壳后， 与型壳接触面积较小，即使有向上的升力作用，依然会从型壳表面脱落，随 气流向垂直壁面方向运动，未触碰到壁面的纤维向下回旋运动或者绕过模样 向上运动，运动到模样侧上方的纤维随着气流漩涡向低流速模样正上方运动， 与型壳表面接触的纤维均被粘附到涂料上；另一部分纤维在上升过程中随回 旋气流运动会触碰垂直壁面，纤维会发生转向，如若继续向上运动需要气流 速度达到纤维的悬浮速度，而壁面速度低于0.2m/s，导致这部分纤维沉落 至侧壁面。侧壁面上纤维能否继续向上运动受贴近侧壁面气流速度影响。

由装置速度云图和流线图可以判断，气流沿椎体向上运动过程中，截面 积增加，气流平均速度降低，靠近壁面处气流速度下降显著，尤其沿模样长 度方向截面贴近垂直壁面和侧壁面处速度更低，甚至出现了气流死角，所以 沉落纤维无法继续运动。经过一段时间悬浮运动后，滞留在侧壁面和两壁面 结合处的纤维数量会越来越多，纤维铺覆过程将无法继续。

综上分析可知，纤维在铺覆装置内运动状态与气流分布、气流速度、装 置结构及尺寸有直接关系。通过对装置内气流分布模拟分析，找到了试验过 程中出现纤维滞留壁面，纤维铺覆比例较低的原因，这为后续试验装置结构 改进提供了依据。

二、改进铺覆纤维装置结构设计

为解决铺覆试验中纤维沉落壁面、铺覆到型壳比例低等问题，需提高向 上运动气流分布的均匀性，使贴近壁面处气流速度至少达到纤维悬浮速度。

初始铺覆纤维装置中，气流分布不均匀，铺覆纤维区域内气流速度差别 较大与装置结构外形结构、布料孔板和导气孔板开孔特征有关。为此，有必 要结合铺覆工艺遇到的问题及纤维悬浮运动基本理论对初始铺覆装置结构 进行改进，对孔板开孔位置及开孔率进行重新设计。

改进装置在初始装置结构的基础上，重点对装置外形结构与尺寸、孔板 开孔位置、开孔率了设计与计算。为避免壁面结合处气流速度较低甚至气流 无法到达而出现气流死角，导致大量纤维的沉积，改进装置外形结构采用圆 柱和圆锥结构代替初始装置中棱柱和棱台结构；外形尺寸设计依据流化床干 燥器和反应器设计原则，结合铺覆装置改进目标——纤维在装置内分散性好， 提高纤维铺覆比例，在满足模样顺利装夹和取出的前提下，应尽量减小摸样 与铺覆纤维区域的体积比，提高悬浮运动纤维与型壳的接触几率；布料孔板 和导气孔板的设置最主要作用是使径向气流分布更均匀，从而提高纤维分布 均匀性。

2.1、设计要求

(1)长径比范围在40-200之间的纤维在装置内部做悬浮运动时间不低 于30s；

(2)型壳在装置内固定夹紧，并能做旋转运动；

(3)具有物料分布板；

(4)装置内纤维方便回收利用。

由于目前尚未有做此用途装置与设备，因此，本设计结合现有反应器种 类和功能，选择能够实现纤维悬浮运动，布料功能的流化床反应器结构与尺 寸作为参考，设计出满足试验要求且结构简单，易操作的装置，为证实装置 设计的合理性与可行性，后续试验过程中将对其进行修正与改进，进而为本 领域内新功能装置设计提供参考。

2.2、结构设计

流化床结构形式较多，其中圆筒形流化床结构简单，制造方便，在生产 和设计上已经取得较丰富的经验，如图5所示。为实现纤维均匀分散地铺覆 到型壳表面，铺覆装置结构在满足工艺操作性能的前提下，应使气流均匀平 稳地上升到铺覆区，并且方便纤维回收利用，而圆筒形流化床结构能实现这 些功能。为此，气流铺覆装置外形结构以此为参考进行设计。

(1)铺覆装置直径与高度的确定

流化床干燥器的床层高度由浓相段和稀相段高度之和决定，受床层空隙率、 膨胀比、气体在高温下的比容等因素影响。在设备内部还安装了附加结构件， 结构件的尺寸选择也会影响流化床直径与高度。本试验装置设计功能与之不 同，主要目标要实现纤维在装置内悬浮运动，并粘附到型壳表面。但其运用 了相同的流体力学基础理论知识，对物料颗粒进行流化和输送。为进行新工 艺试验研究，本着求同存异的观点，依据相同理论基础的设备结构设计方法， 设计一个单层圆筒形流化床的外形结构尺寸，然后根据试验功能需要，在不 影响流体运动特征的前提下，对其按比例缩放或者进行局部修正，从而确定 铺覆纤维装置的结构尺寸。

对于单层圆筒形流化床干燥器，主体尺寸主要是直径和总高。

拟设计一个生产能力为100kg/h的单层圆筒流化床干燥器，操作周期为 7000小时/年，进料湿含量为10％，出口湿含量为0.5％，干燥气体温度100℃， 气体出口温度为60℃，热源为饱和蒸汽，压力为200kPa，操作压力为常压。

干燥物料颗粒密度为ρ_s为910kg/m³，堆积密度ρ_b为700kg/m³，物料比热 2J/g℃，颗粒平均直径d_m为0.073mm，物料进口温度为θ₁为20℃。

临界流化速度计算：

对细颗粒流化床，R_e<20时

在100℃下空气的有关参数为：ρ_g＝0.966kg/m³,动力粘度μ_g＝2.19× 10^-5Pa·s

采用R_e校核：

自由沉降速度计算：

气体在100℃下的阿基米德数为

当颗粒被带出时，床层的孔隙率ε≈1，根据ε＝1和A_r数值，查李森科关 系图得Ly_mf＝0.3，则带出速度

操作流化速度：

通常取u＝0.6u_t，即u＝1.84×0.6＝1.10m/s

流化床层直径：

根据物料衡算和热量衡算求得通过床层的总气量V为3899.41m³/h，

扩大段直径D₁：

式中

u_tmin——细粉回收设备中的最小颗粒带出速度，m/s

通常扩大段中的气速取操作气速的一半来确定扩大段的直径，为此，取

则

流化床总高度：

如图5所示，流化床总高度H_t由流化床层高度H_f、分离高度H₁和扩大段 高度H₂组成，即

H_t＝H_f+H₁+H₂

流化床层H_f：

式中R——膨胀比

V_f——流化床层体积，m³

V₀——固定床层体积，m³

H_f——流化床层高度，m

H₀——固定床层高度，m

ε_f——流化床空隙率；

ε₀——流化床空隙率；

固定床空隙率按下式计算：

雷诺数

则膨胀比为：

根据《干燥装置设计手册》表4-12查得流化床静止床层高度为0.3m，从 而流化床层高度：

H_f＝RH₀＝2.10×0.3＝0.63m

分离高度H₁：

根据《干燥装置设计手册》中的图4-62查得分离段高度与分离段直径之 比为4.5，则H₁＝1.12×4.5＝5.04

扩大段高度H₂：

扩大段高度一般根据经验选取，大致等于扩大段直径。因此，取H₂为1.53。

带入数据，求得流化床总高为：

H_t＝H_f+H₁+H₂＝0.63+5.04+1.53＝7.20

由上述计算可知，流化床扩大段区域的高径比接近于1，其值要满足最小 颗粒直径的带出速度；而流化床层区域高径比为5.06，在一定高度固定床层 的基础上实现固体颗粒的浓相流化和稀相输送。如果单纯依据相似性原理将 流化床干燥器结构尺寸按比例缩放来确定铺覆装置的结构必然不够准确。因 为流化床层高度H_f+H₁要满足颗粒的堆放与流化，所以高径比较大，而本试 验装置中H_f+H₁高度区域设置目的是使气流稳定，则不需要过大的高径比， 反而增加能量消耗。

结合设计目标，首要解决的是纤维的悬浮运动，而且要保证纤维在装置内 运动一定的时间，创造其与涂料接触的机会。在气流携带固体颗粒运动之前， 气流分布要均匀，需要设置稳流管道，并借鉴流化床中分布板设计思路与方 法设置气流分布板；为使装置简化，气流分布板兼具布料板即支撑料柱作用， 并放置在扩大段与稳流段交界处，方便装卸；纤维在扩大段区域铺覆到型壳 表面，纤维的运动特征决定着铺覆效果及型壳性能，气流速度、布料孔板、 高径比都会影响纤维的运动。为此，设计出铺覆装置外形结构如图6所示。

气流过渡区连接风机和扩流区，使风机中出来的气流得到缓冲，在到达 孔板之前径向分布相对稳定，参考风洞稳定气流段尺寸设置标准，过渡区高 度设置为管道直径的1-1.7倍。为保持布料扩流区高度适中，在满足其功能 要求前提下，过渡区直径可以适当增大，以减小扩流区体积，进而减小纤维 悬浮运动的空间，提高能量利用。对过渡区直径取8-14cm时，计算扩流区 高度，经对比分析后，确定过渡区直径D₂为12cm，高度H₁为20cm。

所述铺覆纤维区N3的直径D₂为18cm，所述布料扩流区N2的圆台壁面与 轴心夹角为15°；所述布料扩流区N2、所述铺覆纤维区N3和所述导流收缩 区N4的高度分别为11.1cm、10cm和3.7cm；

铺覆纤维装置直径和高度在借鉴现有设备结构与参数设定的基础上，结 合试验经验与工艺操作要求，确定出结构和尺寸，为达到试验目的及效果， 需要经过后期模拟验证和试验修正。

2.3、气流速度计算

球状颗粒在气流中受重力，绕流阻力和浮力，其在装置内处于悬浮状态 的条件是浮力与绕流阻力之和等于重力，此时流体的速度称为悬浮速度(又 称自由沉降速度)。

绕流阻力

浮力

纤维重力

式中ρ为气体的密度，ρ_m为固体颗粒的密度，C_d为无因次阻力系数，u为 气流速度。

颗粒处在悬浮状态时：

式中d为球状颗粒的直径，当颗粒为非球形颗粒时，需要用颗球形度

进 行修正。

式中d_p为非球形颗粒直径，mm；d为球形颗粒直径，mm。

修正后的悬浮速度公式为：

当10^-3<R_e<1时，斯托克斯定律区：

假设悬浮速度相应的雷诺数小于1，根据聚丙烯纤维密度ρ_m为0.91g/cm³， 20℃时空气密度ρ为1.21×10^-3kg/cm³，动力粘度为1.81×10^-5m²·s^-1，求得 纤维长度为6mm时的悬浮运动的速度u＝0.145m/s，当气流速度大于悬浮速 度时，纤维粒子随气流上升。

校核：悬浮速度相应的雷诺数为

R_e＝0.708<1

假设成立，流体悬浮速度u_t＝0.145m/s。

以上求得悬浮速度的应用条件是：球形固体颗粒，稳定运动状态，单个 颗粒在离固体表面相当远处运动，颗粒在静止或在速度场均匀无湍流的流体 中运动。本试验中固体颗粒纤维长径比较大，在运动中纤维之间会发生碰撞 而消耗能量。为实现纤维在铺覆区随气流长时间做悬浮运动，铺覆区气流的 速度要大于球形颗粒自由沉降速度。

气力输送过程中，输送管内的风速与理论风速之间关系为：

u₀＝k₁u₀₁

式中u₀——输送管内风速，m/s

k₁——经验系数

u₀₁——理论风速，m/s

由《干燥设备设计手册》表11-2查得k₁＝1.3-1.7，求得输送管内风速 为0.189-0.247m/s。

根据连续性方程：

Q＝υA＝常量

可以计算得到纤维做悬浮运动时装置入口最低速度为3.52-5.00m/s。

以上求得悬浮速度的应用条件是：球形固体颗粒，稳定运动状态，单个 颗粒在离固体表面相当远处运动，颗粒在静止或在速度场均匀无湍流的流体 中运动。本试验中固体颗粒纤维长径比较大，在运动中纤维之间会发生碰撞 而消耗能量。

气力输送过程中，输送管内的风速与理论风速之间关系为：

u₀＝k₁u₀₁

式中u₀——输送管内风速，m/s

k₁——经验系数

u₀₁——理论风速，m/s

由《干燥设备设计手册》表11-2查得k₁＝1.3-1.7。为实现纤维在铺覆 区随气流长时间做悬浮运动，铺覆区气流的速度要大于球形颗粒自由沉降速 度，取k₁＝1.3-2.0，求得输送管内风速为0.189-0.290m/s。

根据连续性方程：

Q＝υA＝常量

可以计算得到纤维做悬浮运动时装置入口气流最低速度为3.52-5.87m/s。

2.4、分布板开孔率

分布板对流态化状态具有决定性地影响，如果分布板设计不合理，气体 分布不均匀会造成局部气流发达纤维被带走，而死区部分则纤维无法被输送 到悬浮区。分布板的开孔率为开孔面积占分布板总面积的百分数。为使分布 板起到均匀分布气体的作用，使纤维能稳定向上运动，必须合理选择分布板 的开孔率，开孔率较小时气体通过分布板的压降较大，气体分布愈均匀，但 动能消耗较大。目前，我国流化床干燥器气体分布板的开孔率一般为3％-10％。

对于单层多孔分布板，根据流化床分布板设计原则，分布板最小压降ΔP_d与床层压降之比，可取经验值，即

ΔP_d＝(0.1-0.4)ΔP_b

取布料孔板压降为床层压降的40％，则

ΔP_d＝0.4h₀(1-ε₀)(ρ_m-ρ)

＝0.5×0.02×(1-0.25)×(910-1.21)×9.81

＝53.48Pa

其中：h₀为床层高度，ε₀为床层空隙率，ρ_m为颗粒密度，ρ为空气密度； 取阻力系数ξ＝2，则孔速为：

孔板开孔率为：

式中u_a1——孔板径向平均气流速度，m/s

当纤维处于气力输送状态时，根据连续性方程：

Q＝υA＝常量

求得u₁＝0.489m/s，开孔率ψ＝7.35％。

选取孔径d₁＝5mm，根据

式中d₁——气体分布板小孔直径，m；

D——孔板直径，m；

N——开孔数量。

则孔板开孔数量为：

通常，气体分布板中心按等边三角形排列，每一圈是正六边形。为克服 正六边形与壁面之间不等距的缺点，最外2-3层可以采用同心圆排列。在同 心圆和正六边形之间的较大空隙处，可以适当补加小孔。根据功能不同在装 置内设置了三个孔板，由于孔板直径比较小，分别为布料孔板(Φ12cm)、 导气孔板(Φ14cm)和排气孔板(Φ16cm)，如果按照正六边形排列孔位置， 靠近壁面多处空隙较大，对边缘气流分布均匀性影响较大，气流流速低处会 出现纤维沉落壁面现象，为此，孔位置采用同心圆排列，布料孔板分别在直 径为2cm、6cm和10cm上开孔共计Φ5mm×42个，孔位置及排布如图7所 示。

导气孔板设置的主要目的是让搭接在一起或者结团的纤维经过孔板间多 次碰撞后分散，并将纤维带到铺覆区。为达到这一目的，要求其开孔率与布 料孔板有差异，在两孔板速度差的作用下，产生压强梯度力，促使气流夹带 结团纤维开始运动。

设入口气流速度为υ₁，面积为A₁，压强为p₁；布料孔板气流速度为υ₂，开 孔面积为A₂，压强为p₂；导气孔板气流速度为υ₃，开孔面积为A₃，压强为p₃。

根据实际流体的伯努利方程：

圆管沿程损失达西公式为：

式中l——管长度，m；

d——管直径，m；

λ——沿程阻力系数

υ——断面平均流速，m/s；

根据光滑区的布拉休斯公式：

布料孔板和导气孔板之间的压差为：

当

时，υ₃必定要大于υ₂，两孔板之间压 差向上，布料孔板上纤维受到气流向上的作用力，被气流带动向上运动，且 随着气流速度的增加，孔板之间的压差增加。

排气孔板开孔个数及排列对纤维在装置内做悬浮运动有重要影响。设排气 孔板气流速度为υ₄，开孔面积为A₄，压强为p₄。

式中h_m为孔板压力损失，

ξ为孔板压损系数，根据标准ξ选取2，

为防止排气孔板气流速度过大，纤维被吹出装置，排气孔板速度等于或 者低于悬浮速度时两孔板的最大压差为4.46MPa。

根据连续性方程：

Q＝υA＝常量

υ₁A₁＝υ₂A₂＝υ₃A₃＝υ₄A₄

由上述推导可知：υ₄≤υ₂≤υ₃，所以A₃≤A₂≤A₄

为让纤维在装置内做一定时间的悬浮运动，布料孔板上气流平均速度要 大于悬浮速度，以补偿压力势能和沿程损失。导气孔板(Φ14cm)和排气孔 板(Φ16cm)中孔位置采用同心圆排列，根据其排布特征，设置两孔板开孔 率分别为3.92％和9.76％，能满足其速度要求。导气孔板分别在圆心和直径为 4cm、8cm和12cm上开孔共计Φ5mm×31个孔；排气孔板分别在圆心和直 径为4cm、8cm和12cm上开孔共计Φ10mm×25个孔。孔位置及排布如图 8和图9所示。

2.5风机和电机的选择

风机按结构形式可以分为离心式和轴流式两类。轴流式风机排风量大而 风压很小，一般用于通风换气，而不用于气体输送。本试验中选择离心式风 机。根据计算得到气流速度范围，选择可调速度较大的风机，赣春风机功率 200-550W。

模样旋转选用电机为深圳恒铭智能设备有限公司生产的5IK60RGU-CF 型调速电机，转速范围10-260r/min。

三、改进后铺放纤维装置中气流分布

利用ANSYS(fluent)软件对改进后铺覆纤维装置中气流分布进行数值模 拟。数学模型采用稳态隐式求解，粘性方程采用标准k-ε方程，压力速度耦合 采用SIMPLE算法，控制方程的离散采用一阶迎风格式，本实施例只考虑气体 流动情况，其控制方程选择与初始铺覆装置相同。

网格划分与边界条件：

计算网格采用非结构网格，分为两个区域(静止区域和运动区域)，网格 大小采用相同尺度，网格总数为565628个，如图10所示。气体温度为20℃， 不考虑重力影响，进口边界条件定义为VELOCITY-INLET，速度为5m/s，出 口边界条件定义为OUT-PRESSURE，背压为0Pa，壁面采用无滑移壁面边界条 件。利用滑移网格实现工件的旋转，转速为60rpm，计算时不考虑温度对流 动的影响，不考虑空气重力影响。

改进铺覆装置内气流速度分布云图和流线图分别如图11和图12所示。

由图11以看出，上升气流经布料孔板和导气孔板重新分布后，不同剖面 径向气流分布较均匀，边缘和中心区域平均速度均在2.00m/s以上，气流继 续向上运动，由于椎体横截面积增加，边缘气流速度下降显著，中心气流速 度依然较高，但是靠近圆锥壁面的气体流速依然大于悬浮速度。模样旋转至 不同位置时，近模样区域气流速度差别较大。当模样铺覆纤维两表面与水平 夹角为90°时，型壳上方气流无法直接到达流速较低，下方速度较高。在型 壳旋转过程中铺覆纤维区域气流场在不断变化，气流型壳下方的速度沿着型 壳旋转方向向上运动，型壳周围同一位置高速区和低速区交替，气流扩散范 围明显扩大，使该区域气流速度周期性变化。

由图12气流速度分布流线图可知，模样处在不同位置时，布料孔板下方 增加的缓流区出现了回旋涡流，促进布料孔板下方气流分布的均匀化，经布 料孔板和导气孔板对气流进行二次分布后，使得进入铺放室的气流分布更加 均匀，将有利于其中纤维分布的均匀性。气流经过圆锥壁面上行时，由于圆 锥壁面与中心线夹角较小，壁面附近气流速度并未因截面增加而明显降低， 这种气流分布对纤维做悬浮运动有利，降低了纤维沉落在壁面上的可能性。 铺放室气流继续上升遇到型壳后运动特点与初始装置中气流运动模式相似，沿型壳边缘向圆柱壁面运动，随后在型壳的侧上和侧下形成涡旋区，涡旋内 除涡核速度较低外，其它区域气流速度均较高，将会提高气流中纤维悬浮运 动时间和接触模样的比例。

通过对两个装置结构分析可知，初始装置在功能上实现了铺覆纤维的工 艺操作，但是由于其始于尝试，未经实践探索和缜密的设计计算过程，结构 合理性只能通过 试验验证。在后期铺覆纤维试验过程中发现其铺覆效率较低，纤维悬浮运动 时间短。通过对装置内部气流分布进行模拟后发现，铺覆区域气流速度差较 大，局部甚至出现无气流的死角。既然工艺上可以实现纤维铺覆，且试验已 经证实此方法解决了纤维分散性问题，说明采用气流将纤维输送到型壳表面 是可以实现的。

上述气流分布模拟分析表明，铺覆纤维效率低和纤维悬浮运动时间短与 气流分布不合理有着密切的联系，而气流分布的合理性由装置结构尺寸、孔 板开孔率、入口速度等参数决定。为此，有必要对装置结构进行重新设计与 计算。经对改进装置内气流分布模拟后发现，气流分布相对均匀，铺覆纤维 区域的速度差变小，贴近壁面处气流速度较高，不存在气流的死角区域，这 一气流分布能够降低纤维沉落，延长纤维悬浮运动时间，将有利于提高纤维 铺覆效率。

结论

现有技术中的铺覆纤维装置存在铺覆效率较低，纤维悬浮运动时间短的 缺陷。对装置内部气流分布模拟分析发现，铺覆纤维区域速度差较大，贴近 壁面处气流速度低于0.2m/s，气流分布不合理。而气流分布的合理性由装 置结构尺寸、孔板开孔率、入口速度等参数决定，为此，对装置结构进行重 新设计与改进。

通过分析气流输送技术和干燥器设计方法，结合初始铺覆纤维装置不足 之处，计算设计出改进气流铺覆纤维装置。为保证试验过程达到预期效果， 在制作改进装置之前对其内部气流分布状况进行模拟分析，模拟结果显示， 铺覆纤维区域气流分布相对均匀，贴近壁面处气流速度高于0.8m/s，不存 在气流的死角区域，这一气流分部将有利于延长纤维悬浮运动时间，提高纤 维与型壳的接触机率。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式 的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做 出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。 而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保 护范围之中。

Claims (10)

1.气流铺覆纤维装置，其特征在于，包括同轴的过渡区(N1)、布料扩流区(N2)、铺覆纤维区(N3)和导流收缩区(N4)；气体自所述过渡区(N1)的气体入口端进入，依次穿过所述布料扩流区(N2)、所述铺覆纤维区(N3)和所述导流收缩区(N4)，并自导流收缩区(N4)气体出口端排出；所述过渡区(N1)与所述布料扩流区(N2)连接处设有与过渡区(N1)同轴的布料孔板，所述布料扩流区(N2)设有与布料扩流区(N2)同轴的导气孔板，所述导流收缩区(N4)的气体出口端设有与导流收缩区(N4)同轴的排气孔板，在所述铺覆纤维区(N3)内设有试样装夹。

2.根据权利要求1所述的气流铺覆纤维装置，其特征在于，所述过渡区(N1)和所述铺覆纤维区(N3)为圆柱结构，所述布料扩流区(N2)和所述导流收缩区(N4)为圆台结构，所述过渡区(N1)的气体出口端与所述布料扩流区(N2)的圆台小头端流体导通，所述布料扩流区(N2)的圆台大头端与所述铺覆纤维区(N3)的气体进口端流体导通，所述铺覆纤维区(N3)的气体出口端与所述导流收缩区(N4)的圆台大头端流体导通，所述导流收缩区(N4)的圆台小头端为气体出口端。

3.根据权利要求2所述的气流铺覆纤维装置，其特征在于，所述布料扩流区(N2)、所述铺覆纤维区(N3)和所述导流收缩区(N4)的总高度H₂与最大直径D₂比为1-1.5；所述布料扩流区的圆台壁面与轴心夹角范围为15°≤α＜45°；所述过渡区(N1)的高度H₁为所述过渡区(N1)的管道直径D₁的1-1.7倍。

4.根据权利要求3所述的气流铺覆纤维装置，其特征在于，所述铺覆纤维区(N3)的直径D₂为18cm，所述布料扩流区(N2)的圆台壁面与轴心夹角为15°；所述布料扩流区(N2)、所述铺覆纤维区(N3)和所述导流收缩区(N4)的高度分别为11.1cm、10cm和3.7cm；

所述导流收缩区(N4)气体出口端的排气孔板的直径为16cm；所述布料孔板直径为12cm，所述导气孔板的直径为14cm；

所述过渡区(N1)的管道直径D₁为12cm；所述过渡区(N1)的高度H₁为20cm。

5.根据权利要求1所述的气流铺覆纤维装置，其特征在于，所述布料孔板的开孔率如下计算得到：

根据流化床分布板设计原则，分布板最小压降ΔP_d与床层压降ΔP_b之比，可取经验值，即：

ΔP_d＝(0.1-0.4)ΔP_b；

取布料孔板压降为床层压降的40％，则：

ΔP_d＝0.4h₀(1-ε₀)(ρ_m-ρ)

其中：h₀为床层高度，ε₀为床层空隙率，ρ_m为颗粒密度，ρ为空气密度；

取阻力系数ξ＝2，则孔速为：

孔板开孔率为：

其中u₁为孔板径向平均气流速度，m/s；

根据

式中d₁为气体分布板小孔直径，m；D₁为板直径，m；N为开孔数量。

6.根据权利要求4所述的气流铺覆纤维装置，其特征在于，由于u_k为6.65m/s，u₁＝0.489m/s，则开孔率ψ＝7.35％；当d₁＝5mm时，布料孔板的直径D₁为12cm时，N＝42个。

7.根据权利要求6所述的气流铺覆纤维装置，其特征在于，布料孔板的孔位置采用同心圆排列，分别在直径为2cm、6cm和10cm的圆周上均匀开孔；在直径为2cm的圆周上开孔数量为6个，在直径为6cm的圆周上开孔数量为12个，在直径为10cm的圆周上开孔数量为24个。

8.根据权利要求1所述的气流铺覆纤维装置，其特征在于，所述导气孔板和排气孔板的气流速度存在如下关系：

设入口气流速度为υ₁，面积为A₁，压强为p₁；布料孔板气流速度为υ₂，开孔面积为A₂，压强为p₂；导气孔板气流速度为υ₃，开孔面积为A₃，压强为p₃根据实际流体的伯努利方程：

圆管沿程损失达西公式为：

式中：l为管长度，m；d为管直径，m；λ为沿程阻力系数；υ为断面平均流速，m/s；

根据光滑区的布拉休斯公式：

布料孔板和导气孔板之间的压差为：

当

时，υ₃必定要大于υ₂，两孔板之间压差向上，布料孔板上纤维受到气流向上的作用力，被气流带动向上运动，且随着气流速度的增加，孔板之间的压差增加；

设排气孔板气流速度为υ₄，开孔面积为A₄，压强为p₄；

式中h_m为孔板压力损失，

ξ为孔板压损系数，根据标准ξ选取2，

排气孔板速度等于或者低于悬浮速度时两孔板的最大压差为4.46MPa；

根据连续性方程：Q＝υA＝常量；

υ₁A₁＝υ₂A₂＝υ₃A₃＝υ₄A₄；

由上述推导可知：υ₄≤υ₂≤υ₃，所以A₃≤A₂≤A₄；

为让纤维在装置内做一定时间的悬浮运动，布料孔板上气流平均速度要大于悬浮速度，以补偿压力势能和沿程损失。

9.根据权利要求8所述的气流铺覆纤维装置，其特征在于，所述导气孔板和排气孔板的中孔位置采用同心圆排列，当设置两孔板开孔率分别为3.92％和9.76％，能够满足υ₄≤υ₂≤υ₃的速度要求。

10.根据权利要求9所述的气流铺覆纤维装置，其特征在于，导气孔板分别在圆心和直径为4cm、8cm和12cm的圆周上均匀开孔径为5mm的孔共计31个孔；即在圆心上开1个孔，在直径为4cm的圆周上开孔数量为6个，在直径为8cm的圆周上开孔数量为12个，在直径为12cm的圆周上开孔数量为12个；

排气孔板分别在圆心和直径为4cm、8cm和12cm的圆周上均匀开孔经为10mm的孔共计25个孔；即在圆心上开1个孔，在直径为4cm的圆周上开孔数量为6个，在直径为8cm的圆周上开孔数量为6个，在直径为12cm的圆周上开孔数量为12个。

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