間接加熱式列管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)傳熱系數(shù)的測試方法

吳靜，李選友，陳寶明，王瑞雪，高玲

（1山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014；2山東天力干燥股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101；3山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

研究開發(fā)

間接加熱式列管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)傳熱系數(shù)的測試方法

吳靜1，2，李選友2，陳寶明3，王瑞雪2，高玲2

（1山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014；2山東天力干燥股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101；3山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

在對(duì)列管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)內(nèi)傳熱過程進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了簡便、可靠的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并運(yùn)用非穩(wěn)態(tài)傳熱理論導(dǎo)出列管壁面與物料顆粒間的傳熱系數(shù)與被測量參數(shù)的關(guān)系式，從而建立了一套用于間接加熱式列管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)的加熱管壁面與物料顆粒間傳熱系數(shù)的測試方法。實(shí)驗(yàn)裝置的傳熱系數(shù)測量結(jié)果顯示，列管壁面與顆粒間的瞬時(shí)傳熱系數(shù)隨筒體轉(zhuǎn)動(dòng)呈現(xiàn)周期性的變化規(guī)律，隨著列管位置的升高，傳熱系數(shù)呈逐漸降低的趨勢。通過對(duì)測試結(jié)果的誤差分析表明，對(duì)傳熱系數(shù)測量精度影響最大的因素是紫銅管表面積，其余依次為壁面升溫速率、加熱電流、列管壁面溫度和物料溫度的測量。對(duì)常見的6種運(yùn)行工況的傳熱系數(shù)測試結(jié)果進(jìn)行了可靠性分析，結(jié)果表明，所產(chǎn)生的最大相對(duì)誤差小于3.5%，壁面升溫速率的測量誤差是總誤差的主要構(gòu)成部分。

干燥；傳熱；測量；間接加熱；列管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)

間接加熱式列管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)（以下簡稱列管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)）是在傳統(tǒng)的直接加熱式回轉(zhuǎn)干燥機(jī)的基礎(chǔ)上加裝加熱列管形成的。加熱管隨筒體一起轉(zhuǎn)動(dòng)，蒸汽或熱煙氣或?qū)嵊偷茸鳛闊嵩矗ㄟ^加熱管對(duì)筒體殼程空間內(nèi)的物料進(jìn)行加熱，使其脫除水分達(dá)到干燥的目的。與傳統(tǒng)的直接加熱式回轉(zhuǎn)干燥相比，列管回轉(zhuǎn)干燥方式具有產(chǎn)品質(zhì)量好、熱效率高、環(huán)境污染小、安全性高等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，在諸如高分子聚氯乙烯（HPDE）、精對(duì)苯二甲酸（PTA）等化工產(chǎn)品干燥，褐煤、脫硫石膏等工業(yè)生產(chǎn)及玉米干燥等農(nóng)產(chǎn)品加工中具有極大的應(yīng)用空間，并且越來越受到相關(guān)行業(yè)的青睞[4-7]。

盡管國內(nèi)外學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)的直接加熱式回轉(zhuǎn)干燥機(jī)（也稱回轉(zhuǎn)窯或轉(zhuǎn)筒）內(nèi)物料顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和傳熱特性進(jìn)行了一些理論分析[8-10]和實(shí)驗(yàn)研究[11-14]，但回轉(zhuǎn)窯內(nèi)加裝加熱列管后，物料顆粒的運(yùn)動(dòng)變得十分復(fù)雜，列管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)內(nèi)的傳熱機(jī)理亦與傳統(tǒng)直接加熱式回轉(zhuǎn)窯有著顯著的差異。由于對(duì)列管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)內(nèi)加熱管壁面與顆粒間的傳熱機(jī)理缺乏足夠的了解，迄今為止，尚無能夠確切描述加熱管壁與物料間傳熱過程的數(shù)學(xué)模型，工程設(shè)計(jì)中傳熱系數(shù)的確定仍依賴于實(shí)測或經(jīng)驗(yàn)[15-18]。研究表明，加熱管壁面與顆粒間的傳熱是列管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)內(nèi)傳熱過程的重要組成部分，其熱阻是影響總熱阻的主要因素[18]。因此，準(zhǔn)確測量加熱管壁與物料顆粒間的傳熱系數(shù)對(duì)深入研究列管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)內(nèi)的傳熱機(jī)理以及合理地進(jìn)行工程設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。干燥機(jī)的設(shè)計(jì)及其傳熱機(jī)理的研究提供實(shí)驗(yàn)支持。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

Turton[19]、葉世超[20]、符鑫堯[21]等對(duì)流化床中浸沒列管與兩相流間傳熱系數(shù)的測試技術(shù)進(jìn)行了研究，并建立了具有借鑒意義的測試方法。但就傳熱特性而言，列管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)卻與流化床存在著明顯的差異。在流化床中，列管始終浸沒在沸騰的床層中，列管與床層顆粒間的傳熱可視為穩(wěn)態(tài)過程。而在列管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)中，因筒體和列管的轉(zhuǎn)動(dòng)，列管與物料顆?；驓庀嘀g進(jìn)行周期性交替浸沒，其傳熱也必然呈現(xiàn)出明顯的周期性非穩(wěn)態(tài)特征。本文旨在對(duì)列管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)內(nèi)加熱列管與顆粒之間的傳熱過程進(jìn)行深入分析，并充分考慮非穩(wěn)態(tài)傳熱特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立一套精準(zhǔn)、可靠的列管壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的測量方法及數(shù)據(jù)處理方法，以期為列管回轉(zhuǎn)

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置及筒體端面實(shí)物圖

為測量列管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)內(nèi)列管與物料顆粒間的傳熱系數(shù)，本文建立了一套獨(dú)特的測試裝置和系統(tǒng)，如圖1、圖2所示。該系統(tǒng)由回轉(zhuǎn)筒體、列管、測試管、電動(dòng)機(jī)、變頻器、穩(wěn)壓電源、單向可控硅、電壓表、電流表、可編程熱電偶輸入節(jié)點(diǎn)（ NI WSN-3212）、NI LabVIEW PXI以及顯示器等組成。筒體及列管規(guī)格以及列管排布參照某實(shí)用裝置在徑向按一定比例縮小。筒體尺寸為φ380mm×580mm。筒體內(nèi)以同心圓方式排列2圈列管，每圈列管沿圓周均布16根?？拷脖诘耐馊α泄苤睆綖?2mm，內(nèi)圈列管直徑為25mm。為便于觀測，筒體采用有機(jī)玻璃制作而成。其中，沿同一半徑方向設(shè)置2根相應(yīng)直徑的測試管，如圖2(b)所示，用于測量內(nèi)圈和外圈列管的傳熱系數(shù)。其余列管均為相應(yīng)直徑的不銹鋼管，不進(jìn)行加熱，僅用于構(gòu)成筒體內(nèi)的列管排布?；剞D(zhuǎn)筒體的傳動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、鏈輪、鏈條和托輪組成。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)托輪實(shí)現(xiàn)筒體轉(zhuǎn)動(dòng)，通過調(diào)節(jié)變頻器改變筒體轉(zhuǎn)速。

用于測量傳熱系數(shù)的測試管由紫銅管、不銹鋼管、絕緣骨架、熱電偶、電熱管等組成，如圖3(a)所示。測試管總長度580mm，其中有效測試段為紫銅管，長200mm，壁厚1.5mm。測試段內(nèi)安裝有電熱管，為測試過程提供穩(wěn)定的熱流。測試段兩端與不銹鋼管之間分別通過絕緣骨架進(jìn)行連接，以防止電熱管提供的熱量傳遞至不銹鋼管。在每根紫銅管的中間截面的外表面上均勻敷設(shè)4根直徑0.1mm的熱電偶，其并聯(lián)輸出的溫度作為紫銅管壁面的平均溫度。在每個(gè)紫銅管壁溫測點(diǎn)的附近，分別通過設(shè)在管壁上的支撐結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)固定一根直徑0.1mm的熱電偶，且使熱電偶的探頭離開壁面1mm距離，用以測量壁面溫度測試點(diǎn)附近的顆粒相溫度，將其并聯(lián)輸出的溫度作為紫銅管近壁面的平均溫度。壁面及近壁處的溫度測試點(diǎn)設(shè)置如圖3(b)所示。所有溫度信號(hào)由熱電偶發(fā)射器無線發(fā)送，由LabVIEW接收，并根據(jù)需要設(shè)置合適的數(shù)據(jù)記錄間隔，實(shí)現(xiàn)溫度的在線記錄。電熱管通過電滑環(huán)與可控硅連接，可控硅與穩(wěn)壓電源相連，輸入功率由可控硅進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖1所示，為實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)外圈測試管輸入熱量的獨(dú)立調(diào)節(jié)和計(jì)量，對(duì)兩根測試管分別設(shè)置了通電線路，并在各自的線路上分別設(shè)有可控硅、電流表和電壓表，通過測量通入每根電熱管的電流和電壓值可計(jì)算每根電熱管的發(fā)熱量。因近壁面處的顆粒相溫度測點(diǎn)離開管壁僅1mm的距離，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相鄰列管之間的間距，且每根測試管的電熱管提供的熱量較小，故其余列管的存在對(duì)測試管的熱量及近壁面處顆粒相溫度測量的影響可以忽略。測試管的實(shí)物如圖4所示。

圖3 測試管結(jié)構(gòu)及溫度測點(diǎn)設(shè)置示意圖

圖4 測試管實(shí)物圖

2 傳熱過程特點(diǎn)簡析

觀察發(fā)現(xiàn)[22]，在穩(wěn)定的操作條件下，物料顆粒在干燥機(jī)筒體橫截面上形成一個(gè)穩(wěn)定的月牙狀區(qū)域，近似懸浮于列管之間，顆粒相與氣相存在一個(gè)明顯的分界面，如圖2(b)所示。列管在隨干燥機(jī)筒體轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，以筒體轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為周期，在顆粒相與氣相間交替浸沒。由于測試管本身的蓄熱作用及顆粒相與氣相的物性差異，當(dāng)測試管處于顆粒相時(shí)，管壁溫度逐漸降低，處于放熱狀態(tài)；而當(dāng)測試管處于氣相時(shí)，管壁溫度逐漸升高，測試管處于蓄熱狀態(tài)，如圖5(a)所示。圖5(b)為以直徑2mm的陶瓷球?yàn)閷?shí)驗(yàn)物料，在填充率30%、筒體轉(zhuǎn)速5r/min的實(shí)驗(yàn)工況下測得的筒體旋轉(zhuǎn)兩周內(nèi)的φ32mm測試管壁溫隨筒體轉(zhuǎn)動(dòng)的變化曲線。測試管的位置設(shè)定為：正下方位置定義為0°，沿筒體旋轉(zhuǎn)方向依次定義0°～360°；測試管位于0°位置時(shí)的時(shí)刻定義為τ=0s。由圖5(b)看出，列管在回轉(zhuǎn)干燥機(jī)內(nèi)的傳熱呈現(xiàn)出了明顯的周期性非穩(wěn)態(tài)特點(diǎn)。列管在完全浸沒于顆粒相（AB及A'B'段）區(qū)間內(nèi)，壁面溫度逐漸減??；在完全浸沒于氣體相（BC及B'C'段）區(qū)間內(nèi)，壁面溫度逐漸升高。而在列管開始接觸顆粒相至完全浸沒于顆粒相的過渡區(qū)（CA'段）內(nèi)，由于顆粒和氣流運(yùn)動(dòng)的共同影響，溫度變化規(guī)律較復(fù)雜。

圖5 測試管的周期性非穩(wěn)態(tài)換熱特點(diǎn)

3 測試方法的建立

為保證測量的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，本文選用具有良好分散性和流動(dòng)性的陶瓷球作為實(shí)驗(yàn)物料。按照所設(shè)定的填充率及筒體轉(zhuǎn)速等測試條件啟動(dòng)并調(diào)整實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，給電熱管通入一定的電流。在輸入功率一定的情況下，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，測試管壁溫的變化曲線基本上保持穩(wěn)定，此時(shí)開始記錄各參數(shù)的測量值。測量中，在干燥機(jī)前端一定距離處安放一架攝像機(jī)（JVCGZ-GX8），拍攝記錄各時(shí)刻測試管的位置，以便對(duì)LabVIEW的溫度記錄進(jìn)行校驗(yàn)。

由于陶瓷球具有良好的導(dǎo)熱性能，在受到列管充分?jǐn)嚢璧那闆r下，可以近似認(rèn)為顆粒間的溫度分布均勻。因此，在該測量系統(tǒng)中，可以認(rèn)為測試管壁溫測點(diǎn)附近的熱電偶測得的溫度為近壁處物料或氣體的溫度。

列管外壁與物料顆粒間的瞬時(shí)傳熱系數(shù)可表示為式（1）、式（2）[23]。

由于紫銅的導(dǎo)熱系數(shù)非常大，而電熱管的輸入功率僅為60W左右，故有式（3）。

由式（1）～式（3），得式（4）。

對(duì)于工程設(shè)計(jì)而言，最常使用的是列管與物料顆粒之間的平均傳熱系數(shù)，可通過式（5）求取。

圖6 完全浸沒于顆粒相中的測試管壁面瞬時(shí)傳熱系數(shù)的變化

式中，τ1和τ2分別為測試管完全浸沒于顆粒相的起始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻。

圖6為采用上述測試方法對(duì)φ32mm測試管分析獲取的列管與顆粒間傳熱系數(shù)的一個(gè)示例。實(shí)驗(yàn)以直徑2mm的陶瓷球?yàn)閷?shí)驗(yàn)物料，實(shí)驗(yàn)工況條件與圖5相同。由圖6可見，在完全浸沒于顆粒相的區(qū)間內(nèi)，隨著列管位置的升高，列管與物料顆粒間的瞬時(shí)傳熱系數(shù)逐漸減小。根據(jù)本文作者所建立的傳熱模型分析[24]，其原因可能是在筒體轉(zhuǎn)動(dòng)和列管攪拌的共同作用下，高處的顆粒群比低處顆粒群的膨脹量大，從而導(dǎo)致列管壁面形成的氣體邊界層增大，進(jìn)而使列管表面與顆粒間的傳熱系數(shù)減小。

4 可靠性分析

令k表示升溫速率，則式（4）可表示為式（6）。

式中，ki為τi時(shí)刻的壁面升溫速率，K/s；Tw,i+1和Tw,i分別為τi+1時(shí)刻和τi時(shí)刻的測試管壁面溫度，K。

根據(jù)誤差傳遞理論[25-27]，在某位置點(diǎn)的測試管壁面與顆粒間傳熱系數(shù)測試結(jié)果可能的最大絕對(duì)總誤差為式（8）。

式中，ΔU、ΔI、ΔmCu、ΔA、ΔTw、Δk和ΔTm分別為各參數(shù)測量的最大絕對(duì)誤差。式（7）中升溫速率為溫度差和和時(shí)間差的函數(shù)。測試中溫度和時(shí)間均在較小范圍內(nèi)變化，兩者的系統(tǒng)誤差均可視為固定值，不計(jì)入ΔTw和Δτ中。而升溫速率的誤差Δk僅為測量的隨機(jī)誤差，本文取其均方差[26]，即式（9）。

式中，f(τi)為τi時(shí)刻升溫速率隨時(shí)間變化的擬合值，K/s；n為記錄數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量。

由式（6）～式（8）可得在某位置點(diǎn)的測試管壁面與顆粒間傳熱系數(shù)測試結(jié)果的最大絕對(duì)總誤差，如式（10）。

式（10）右端的各項(xiàng)分別表示了由電壓、電流、紫銅管質(zhì)量、管壁升溫速率、加熱面積、壁面溫度、物料溫度等各因素測量的絕對(duì)誤差值而對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的傳熱系數(shù)測量絕對(duì)誤差，分別表示為e(U)、e(I)、e(mCu)、e(k)、e(A)、e(Tw)、e(Tm)。用上述各項(xiàng)分別與測得的平均傳熱系數(shù)的比值表示由各因素測量誤差而產(chǎn)生的傳熱系數(shù)相對(duì)誤差，分別由δU、δI、δmCu、δk、δA、δTw、δTm表示，即有式（11）。

傳熱系數(shù)測量可能產(chǎn)生的最大總相對(duì)誤差δ為式（11）計(jì)算的各項(xiàng)之和，表達(dá)為式（12）。

為保證各參數(shù)測量的精度，實(shí)驗(yàn)選取了較高準(zhǔn)確度的電流、電壓及溫度測試儀器。電流和電壓的測量選用美國Tektronic DMM4040型號(hào)的數(shù)字萬用表，AC電壓和AC電流的測試量程分別選取為0～100V和0～1A。以最大量程作為測試值時(shí)，按照其說明書規(guī)定的準(zhǔn)確度計(jì)算方法，確定其測試準(zhǔn)確度分別為0.1V和0.001A。測溫?zé)犭娕歼x用K型Ⅰ級(jí)熱電偶，為提高包括熱電偶、無線發(fā)射器和LabVIEW在內(nèi)的測溫系統(tǒng)的整體準(zhǔn)確度，采用二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)對(duì)測溫系統(tǒng)在0～99℃范圍內(nèi)進(jìn)行了多次標(biāo)定，保證了測溫系統(tǒng)的準(zhǔn)確度達(dá)到0.1℃。本文測試方法中所用儀器及準(zhǔn)確度列于表1中。

為分析測試方法的誤差，結(jié)合設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)的操作參數(shù)范圍，本文選取了如表2所示的6種實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行了測試。

表1 各因素測量儀器及準(zhǔn)確度

定義式（10）右端ΔU、ΔI、ΔmCu、ΔA、ΔTw、Δk和ΔTm前的各項(xiàng)系數(shù)為相應(yīng)各因素測量誤差的誤差傳遞系數(shù)，該系數(shù)可反映總誤差對(duì)相應(yīng)因素測量誤差的敏感度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中實(shí)際測試的參數(shù)值，按照式（10）計(jì)算出各因素測量的誤差傳遞系數(shù)，結(jié)果列于表3。其中，計(jì)算所用溫度為相應(yīng)周期的平均值?？梢姡傉`差對(duì)各實(shí)驗(yàn)因素測量誤差的敏感度存在明顯的差異。其中換熱面積A的計(jì)量精度對(duì)總誤差的影響最大，其次為壁面升溫速率k的測量、電流I的測量，而壁面溫度、物料溫度、電壓及紫銅管質(zhì)量的測量對(duì)總誤差的影響較小。所幸目前常見的用于尺寸計(jì)量以及可選的電流測量的儀表均具有較高的準(zhǔn)確度，能夠?qū)⑵鋵?duì)總誤差的影響控制在較小范圍內(nèi)。而本文根據(jù)上述誤差分析，采用了經(jīng)過標(biāo)定的LabVIEW溫度測試系統(tǒng)，也使壁面升溫速率和溫度及時(shí)間實(shí)現(xiàn)了高精度的測量，有效保證了傳熱系數(shù)測量的準(zhǔn)確性。

表2 實(shí)驗(yàn)工況條件表

表3 傳熱系數(shù)總誤差對(duì)各實(shí)驗(yàn)因素測量誤差的敏感度

表4 各因素測量誤差導(dǎo)致的各部分相對(duì)誤差及傳熱系數(shù)的最大總相對(duì)誤差 單位：%

針對(duì)表2所列各實(shí)驗(yàn)工況，由式（11）可計(jì)算獲得各實(shí)驗(yàn)工況條件下由各因素測量的最大絕對(duì)誤差而導(dǎo)致的傳熱系數(shù)相對(duì)誤差；由式（12）可計(jì)算獲得各實(shí)驗(yàn)工況條件下傳熱系數(shù)測量的最大總相對(duì)誤差。將各因素測量誤差導(dǎo)致的各部分相對(duì)誤差及傳熱系數(shù)的最大總相對(duì)誤差列于表4中。對(duì)表4的誤差結(jié)果分析顯示，在本文的6種測試工況條件下，所測得的φ25mm和φ32mm列管外壁與物料顆粒表面間傳熱系數(shù)可能產(chǎn)生的最大相對(duì)總誤差分別為2.963%（工況5）和3.346%（工況1）。計(jì)算表明，對(duì)于本文所用測試系統(tǒng)，誤差主要源于對(duì)升溫速率k、壁面溫度Tw和物料溫度Tm的測量。其中，對(duì)于φ25mm測試管的工況5和φ32mm測試管的工況1，升溫速率k的測量所產(chǎn)生的相對(duì)誤差分別為1.8%和1.732%，壁面溫度Tw和物料溫度Tm測量所產(chǎn)生的相對(duì)誤差分別為0.401%和0.591%。其余因素測量產(chǎn)生的相對(duì)誤差均小于0.3%。對(duì)于誤差傳遞系數(shù)最大的紫銅管表面積，因其測量的準(zhǔn)確度為10-6m2，使其實(shí)際產(chǎn)生的相對(duì)誤差值僅為0.016%和0.017%；同樣，因電流測量的準(zhǔn)確度為0.001A，使其實(shí)際產(chǎn)生的相對(duì)誤差值僅為0.181%和0.228%?？梢娫诒疚牡臏y量系統(tǒng)中，管壁升溫速率的測量誤差是測試系統(tǒng)總誤差的主要構(gòu)成部分。因此，減小紫銅管的質(zhì)量以及提高溫度、電流等儀表的精度等級(jí)并增加升溫速率的測量次數(shù)是進(jìn)一步提高測量精度的途徑。

5 結(jié) 論

（1）本文在對(duì)列管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)內(nèi)加熱列管與顆粒之間的傳熱過程進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，充分考慮非穩(wěn)態(tài)的傳熱特點(diǎn)，建立了一套精準(zhǔn)、簡便、可靠的列管壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的測量及數(shù)據(jù)處理方法。

（2）分析了傳熱系數(shù)總誤差對(duì)各實(shí)驗(yàn)因素測量誤差的敏感度。換熱面積的計(jì)量精度對(duì)總誤差的影響最大，其次為壁面升溫速率、加熱電流的測量，而壁面溫度、物料溫度、電壓及紫銅管質(zhì)量的測量對(duì)總誤差的影響較小。

（3）對(duì)本文采用的測試系統(tǒng)及選用的6種常見測試工況測試結(jié)果的可靠性分析表明，該方法具有較高的測試精度，可能產(chǎn)生的最大相對(duì)誤差小于3.5%。而升溫速率的測量誤差是測試系統(tǒng)總誤差的主要構(gòu)成部分。減小紫銅管的質(zhì)量以及提高溫度、電流等儀表的精度等級(jí)并增加升溫速率的測量次數(shù)是進(jìn)一步提高測量精度的途徑。

（4）列管在完全浸沒于顆粒相的區(qū)間內(nèi)，傳熱系數(shù)隨著測試管位置的升高呈逐漸下降的趨勢。

符 號(hào) 說 明

A——紫銅管的表面積，m2

cCu——紫銅管比熱容，kJ/(kg·K)

——加熱管壁與物料顆粒間的瞬時(shí)傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

——加熱管壁與物料顆粒間的平均傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

I——輸入電熱管的電流，A

k——壁溫升溫速率，K/s

mCu——紫銅管的質(zhì)量，kg

n——記錄數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量

q——測試管傳遞給物料顆粒的熱流量，kW

Tm——近壁處物料的溫度，K

Tw——紫銅管壁的溫度，K

U——輸入電熱管的電壓，V

ΔA——面積測量的最大絕對(duì)誤差，m2

ΔI——電流測量的最大絕對(duì)誤差，A

Δk——升溫速率測量的最大絕對(duì)誤差，K/s

ΔmCu——紫銅管質(zhì)量測量的最大絕對(duì)誤差，kg

ΔTm——物料溫度測量的最大絕對(duì)誤差，K

ΔTw——紫銅管壁面溫度測量的最大絕對(duì)誤差，K

ΔU——電壓測量的最大絕對(duì)誤差，V

τ——時(shí)間，s

e(i) ——由因素i測量的絕對(duì)誤差值而對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的傳熱系數(shù)測量絕對(duì)誤差

δi——由因素i的測量誤差而產(chǎn)生的傳熱系數(shù)相對(duì)誤差

δ——傳熱系數(shù)測量可能產(chǎn)生的最大總相對(duì)誤差

下角標(biāo)

Cu——紫銅管

m——物料

w—— 管壁

w-m——管壁與物料顆粒之間

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Research on measuring heat transfer coefficient in an indirect heating tube rotary dryer

WU Jing1，2，LI Xuanyou2，CHEN Baoming3，WANG Ruixue2，GAO Ling2
（1School of Energy and Power Engineering，Shandong University，Jinan 250014，Shandong，China；2Shandong Tianli Drying Technology Co.，Ltd，Jinan 250101，Shandong，China；3Department of Thermal Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，Shandong，China）

This paper presented a simple and reliable device system for the measurement of heat transfer coefficient between the immersed tube’s surface and particles in an indirect heating tube rotary dryer，based on analysis of heat transfer process in a tube rotary dryer. A mathematical model to derive heat transfer coefficient from the measured parameters was developed based on the unsteady heat transfer performance. Periodical instantaneous heat transfer coefficient between tube’s surface and particles was observed as the tube rotating with the cylinder. Low heat transfer coefficient was observed at the high position when the tube was immersed in the particle phase. Analysis of error transfer showed that the accuracy of heat transfer coefficient was sensitive to the measurement accuracy of tube surface area，tube’s surface temperature increasing ratio，electric current，temperatures of tube surface and materials. Test results also demonstrated that under the common six operating conditions in this paper，the developed measuring approach yielded high accuracy of heat transfer coefficient with relative error less than 3.5%，and the total measurement error was mainly composed ofthe error of tube’s surface temperature increasing ratio.

drying；heat transfer；measurement；indirect heating；tube rotary dryer

TK 173

A

1000-6613（2014）09-2266-08

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.09.006

2014-01-26；修改稿日期：2014-04-03。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51076086）。

吳靜（1975—），女，博士研究生，高級(jí)工程師，主要從事干燥技術(shù)及熱能利用技術(shù)的研究。E-mail wujingsd@163.com。聯(lián)系人：李選友，研究員，主要從事傳熱傳質(zhì)及工業(yè)節(jié)能技術(shù)的研究。E-mail lixuanyou_sd@163.com。