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1前言

    眾所周知，干燥是工業(yè)生產(chǎn)中能耗最大的重要單元操作之一，生產(chǎn)的發(fā)展對(duì)干燥操作提出了愈來(lái)愈高的要求。旋流閃急干燥作為一種新型的干燥技術(shù)自70年代初在丹麥問(wèn)世以來(lái)，無(wú)論在理論方面還是在技術(shù)方面都得到了長(zhǎng)足發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了將粘性膏糊狀物料及濾餅物料一次干燥成粉粒的過(guò)程。目前，這一技術(shù)正逐步在化工、輕工、冶金、食品和制藥等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

    國(guó)內(nèi)關(guān)于這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的報(bào)導(dǎo)尚少，天津大學(xué)化工機(jī)械教研室對(duì)此進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)研

究和理論分析，取得了顯著成績(jī)，并且該課題得到了天津市自然科學(xué)基金的資助。雙螺旋加料器是該實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的一個(gè)重要部件，非常適合輸送粘性膏糊狀物料，是旋流閃急干燥裝置上理想的定量加料器。當(dāng)然可用于干燥操作的加料器種類(lèi)還有許多，如：?jiǎn)温菪恿掀?、帶式加料器和星形加料器等。但是，這些加料器對(duì)輸送粘性膏糊狀物料不大適用，甚至不能使用。

    加料對(duì)于干燥操作是非常重要的。作為干燥裝置的附屬部件，加料器是極為重要的機(jī)器之一。在生產(chǎn)中，加料器如果設(shè)計(jì)不當(dāng)和使用不當(dāng)，將會(huì)使操作產(chǎn)生故障。而且，即使性能很好的加料器，當(dāng)被干燥物料的水分和性能發(fā)生變化時(shí)，有時(shí)亦無(wú)法發(fā)揮其作用和性能。干燥裝置的性能在很大程度上取決于加料器的優(yōu)劣，這種說(shuō)法并不過(guò)分，因?yàn)檫@是干燥過(guò)程中不可缺少的操作。遺憾的是這個(gè)問(wèn)題并沒(méi)有引起人們足夠的重視。

    因此，這里十分有必要對(duì)雙螺旋加料器的輸送機(jī)理和性能進(jìn)行深入的實(shí)驗(yàn)研究和理論探

討，尤其是在輸送粘性膏糊狀物料時(shí)，以使旋流閃急干燥裝置達(dá)到整體優(yōu)化。此外，研究雙螺旋輸送對(duì)其它行業(yè)也具有指導(dǎo)意義，因?yàn)樗谄渌袠I(yè)中有著更為廣泛的應(yīng)用，如：聚合物加工、水泥和食品等行業(yè)，這就對(duì)雙螺旋輸送提出了愈來(lái)愈高的要求。

2螺旋加料器的兩種輸送機(jī)理

2.1  正位移送機(jī)理

    雙螺旋加料器最顯著的特點(diǎn)是正位移輸送，所謂正位移輸送，其特點(diǎn)就是移動(dòng)的外表面置換了系統(tǒng)中的部分流體。最典型的例子是注射機(jī)中的柱塞一機(jī)筒結(jié)構(gòu)，其中的熔體是靠往復(fù)運(yùn)動(dòng)的柱塞而被強(qiáng)制向前輸送的，即垂直于柱塞軸線(xiàn)的柱塞端面移動(dòng)把熔體推向前進(jìn)。齒輪泵也是靠正位移輸送介質(zhì)的。

    L．P．B．M. Janssen在分析了異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿中的四個(gè)間隙后，給出了完全基于正位移輸送機(jī)理之上的理論輸送量計(jì)算公式為[1]:

    Q1t = 2mnV               (l)

    式中：Q1t：——理論輸送量；    n——螺桿轉(zhuǎn)速；

    V——單個(gè)C形小室的體積；    m——螺紋頭數(shù)。

這很容易理解，因?yàn)槁輻U每旋轉(zhuǎn)一周，它向外排出的體積就是2mV，相應(yīng)的物料體積輸送率也應(yīng)該就是這個(gè)值。這個(gè)式子是更為復(fù)雜模型的基礎(chǔ)。該式表明在一定的條件下，對(duì)完全嚙合型異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿，其理論輸送量和螺桿的轉(zhuǎn)速成正比，變得和物料特性毫無(wú)關(guān)系。這是完全正位移輸送的顯著特點(diǎn)。

2.2摩擦和粘性拖曳輸送機(jī)理

 對(duì)單螺桿，不管它們?cè)诼輻U型式、機(jī)筒結(jié)構(gòu)以及整機(jī)結(jié)構(gòu)上有什么不同，從根本上講是一樣的，即物料的輸送是靠機(jī)筒和螺桿之間的摩擦力和粘性拖曳力輸送的（自然，在非螺紋區(qū)是靠壓力梯度梯度輸送的）。這很容易理：如果被加工的物料粘到螺桿上并在料筒表面打滑，就不會(huì)有物料輸出，因?yàn)槲锪想S著螺桿的回轉(zhuǎn)而回轉(zhuǎn)不會(huì)被向前推進(jìn)。因此，為了獲得最大的輸送量，物料必須盡可能多地粘附到料筒壁面上。這種情況下，物料的回轉(zhuǎn)速度小于螺桿的回轉(zhuǎn)速度，致使物料被強(qiáng)制向前推進(jìn)。

 基于摩擦和粘性拖曳輸送機(jī)理的單螺桿的理論輸送量為[2]：

    式中，Db——機(jī)筒內(nèi)徑（近似取螺桿外徑）；

    ψ——以螺桿外徑計(jì)算的螺紋升角；

    W——螺槽法向?qū)挾龋?/span>

    H——螺槽深度；

    L——螺桿有效長(zhǎng)度；

    n——螺桿轉(zhuǎn)速；

    fb——物料與機(jī)筒之間的摩擦系數(shù)；

    fs——物料與螺桿之間的摩擦系數(shù)；

    P1——物料在料斗進(jìn)口處之靜壓力；

    P2——物料在出口端之壓力。

如果不計(jì)及壓力的增長(zhǎng)，則式(2)可簡(jiǎn)化為： 

 這里需要指出的是，摩擦系數(shù)fb、 fs和我們通常所說(shuō)的固體摩擦系數(shù)其含意是不同的。因?yàn)樵谔幚砭哂姓承缘奈锪蠒r(shí)，在輸送過(guò)程中，有時(shí)是物料和機(jī)筒、螺桿之間的摩擦，這時(shí)完全靠摩擦輸送（固體顆粒物料的輸送就是這樣）；而有時(shí)物料又會(huì)粘在壁上，這時(shí)的輸送是靠物料和物料之間的粘性拖曳作用。這兩者的綜合作用就是所謂的摩擦和粘性拖曳輸送機(jī)理。要精確計(jì)算它們各占多大比例將十分困難，因?yàn)檫@是一個(gè)隨機(jī)的不穩(wěn)定過(guò)程，影響因素很多，如：物料性質(zhì)、螺桿和機(jī)筒表面的光潔度等。摩擦系數(shù)fb、fs，要在和買(mǎi)驗(yàn)（或生產(chǎn)）相同的條件下進(jìn)行測(cè)試。

3理論模型的建立

前面提到，非嚙合型雙螺桿好象是兩根平行的單螺桿在兩孔相交的機(jī)筒中轉(zhuǎn)動(dòng)。這就提示我們，如果將單螺桿的理論輸出量乘以2是否可以得到雙螺桿的理論輸出量，當(dāng)然問(wèn)題并沒(méi)有這樣簡(jiǎn)單。因?yàn)殡p螺桿中的物料之間有一定程度的相互作用，機(jī)筒相交而并非相切，雙螺桿本身又分為多種類(lèi)型以及其它一些幾何和物理因素的影響，不能這樣簡(jiǎn)單地疊加。所以本文在這里引入一個(gè)修正系數(shù)B’來(lái)綜合修正上面諸多因素的影響，這樣就可得到完全按摩擦和粘性拖曳輸送機(jī)理計(jì)算的雙螺桿（這里指異向旋轉(zhuǎn)非嚙合型）的理論輸出量，其表達(dá)式為：

    Q_2t = 2B'Q'_2t    (4)

式中，0

嚴(yán)格地講，本文采用的是異向旋轉(zhuǎn)非嚙合型雙螺旋加料器，非嚙合型雙螺桿除具有正位移輸送能力外，還具有類(lèi)似于單螺桿的靠摩擦和粘性拖曳輸送的能力，因?yàn)榉菄Ш闲碗p螺桿的兩根螺桿在某種程度上猶如兩根平行的單螺桿在兩孔部分相交的機(jī)筒中轉(zhuǎn)動(dòng)。其特點(diǎn)是縱橫向皆為開(kāi)放。它即具有正位移輸送能力，又具有摩擦和粘性拖曳輸送能力。所以我們只要把式(1)、(4)聯(lián)合起來(lái)，再引入系數(shù)A和C分別表示兩種輸送各占的比例，就可得到雙螺旋加料器的理論輸出量模型：

    Qt= AQ_1t，+CQ_2t                (5)

即：

其中，O

    B= CB’                (7)

這樣式(6)又可寫(xiě)為：

式中，O

最后需要說(shuō)明：以上所說(shuō)的輸出量（即產(chǎn)量）都是指體積輸出量，體積輸出量乘以密度（即體積密度）才是質(zhì)量輸出量（或輸送率）。

4模型的參數(shù)確定

為了確定模型參數(shù)，我們采用螺距分別為20、30、40、50和60mm的各種螺桿，而其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。物料為大白粉、漢砂黃和白碳黑（分別代表高粘性、中粘性和低粘性物料），并測(cè)得在不同濕含量時(shí)和機(jī)筒、螺桿的摩擦系數(shù)，然后對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用最小二乘法原理，采用復(fù)合形搜索法進(jìn)行回歸擬合，得出模型參數(shù)的值為：

    A=0. 0154    B=0.128

這樣式(8)又可變?yōu)椋?/span>

式中：Q——產(chǎn)量，(kg/h)；    m——螺紋頭數(shù)，這里m=l;

    V——C形室體積，(mm3)；    fb，f．——摩擦系數(shù)；

    Y——物料堆密度，(kg/m3)；  n——螺桿轉(zhuǎn)速(rpm)。

    Db，W，H——意義同前，單位均為(mm)。

這樣，就得出了雙螺旋加料器輸送量和其結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)式。由此也不難看出，影響雙螺旋加料器輸送量的因素，除了轉(zhuǎn)速的高低外，主要還有其結(jié)構(gòu)因素、物料性質(zhì)、螺桿和機(jī)筒的表面狀況、嚙合狀況以及其它的未知因素等。所以，為了設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的加料器，應(yīng)對(duì)這些因素進(jìn)行綜合考慮。

將實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，該模型的誤差在10％的范圍之內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

[I]L.P．B．M．Janssen著，耿孝政譯：《雙螺桿擠出》，輕工業(yè)出版社,1987

[2]朱復(fù)華編著，《螺桿設(shè)計(jì)及其理論基礎(chǔ)》，輕工業(yè)出版社,1984.5

[3]張東利，“雙螺旋加料器性能及輸送機(jī)理研究”，天津大學(xué)碩士論文,1995.4

 

 

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