1、對撞流干燥技術(shù)原理
圖1是對撞流干燥的基本原理示意圖。如圖所示，兩股氣流在特定的容器內(nèi)迎面相撞，其中至少有一股氣流攜帶有待干燥的顆粒物料。濕物料在加料口進(jìn)入氣流，在氣流作用下逐漸加速，在對撞區(qū)內(nèi)完成其干燥過程。顆粒在到達(dá)兩股氣流對撞所形成的對撞面時，由于慣性繼續(xù)滲入到反向氣流中作減速運動，待速度為零時又被加速。如此反復(fù)作減幅震蕩運動，直至速度降至一定程度后被氣流帶出對撞區(qū)。顆粒在滲入反向高速氣流時，與氣流的相對速度極大，使得對撞區(qū)內(nèi)傳熱傳質(zhì)強(qiáng)度很高。
對于特定的干燥介質(zhì)和物料，干燥機(jī)的傳熱傳質(zhì)系數(shù)主要與物料運動的雷諾數(shù)有關(guān)，而雷諾數(shù)又與兩相間相對運動速度有關(guān)。提高兩相間相對運動速度，則雷諾數(shù)增大，熱質(zhì)傳遞系數(shù)就增大。對撞流技術(shù)的特殊流場，決定了物料顆粒和干燥介質(zhì)在對撞區(qū)的相對速度理論上最大可達(dá)介質(zhì)速度的2倍，這是其他氣流干燥形式所達(dá)不到的。另外，由于顆粒從一度氣流滲入另一股氣流和氣流的相向運動，顆粒的平均滯留時間得到延長，顆粒在對撞區(qū)高度湍流，使得其充分混合，溫度和濃度均化，進(jìn)一步強(qiáng)化了傳熱傳質(zhì)過程。
因此，對撞流技術(shù)依然是基于對流傳熱傳質(zhì)的原理，只是采用了特殊的流體動力形式，最大限度的強(qiáng)化了干燥過程的傳熱傳質(zhì)作用。
2、對撞流干燥的傳熱傳質(zhì)特性
中國農(nóng)業(yè)大學(xué)以及河南科技大學(xué)曾研究了同軸對撞流干燥方式的傳熱傳質(zhì)特性I8,9J，得出了一系列結(jié)論。
同軸對撞流干燥過程的傳熱速率在954 J /s—5 077 J，s范圍變化，傳熱系數(shù)在969W/(m2．K)—3 460W/(m2．K)范圍變化，容積傳熱系數(shù)在615 kW/(m3 K)～44157kW/(rn3．K)范圍變化，雷諾數(shù)在2006—3727范圍變化，努塞爾數(shù)在46～208范圍變化。
而各種干燥設(shè)備如流化床、噴動床等(Tamir等人，1984)的容積傳熱系數(shù)的實際值在0.172kW/(m3．K)～7.12kW/(m3．K)之間變化。這表明，對于物料干燥來說， 同軸對撞流干燥器是一種在單位容積上效率很高的裝置。這種新型干燥器具有更好的干燥性能，而且干燥過程的干燥強(qiáng)度大得多，從而可以在體積更小的情況下獲得更快的干燥速度。
3、對撞流干燥機(jī)的主要發(fā)展型式
3.1同軸對撞流干燥機(jī)
同軸水平對撞流干燥機(jī)烘干機(jī)裝置如圖2所示，它主要由風(fēng)機(jī)、電加熱器、對撞室、螺旋喂料器，旋風(fēng)分離器和管道等部分組成。干燥裝置工作時，空氣由風(fēng)機(jī)送至電加熱器加熱到所需要的溫度，然后經(jīng)過兩對稱安裝的水平進(jìn)氣管相向地輸送到對撞室，濕物料由螺旋喂料器喂入，在右側(cè)水平管中高速氣流的帶動下被送到對撞區(qū)，并在相向氣流的沖擊下，在對撞區(qū)內(nèi)作往復(fù)振蕩運動，當(dāng)物料的水平速度為零時，則被氣流帶出對撞室，經(jīng)排氣管到達(dá)旋風(fēng)分離器完成物料和氣流的分離，廢氣由旋風(fēng)分離器頂部的出口排入大氣，物料由下部錐形口排出。
目前，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)已在該機(jī)型上進(jìn)行了大量的谷物干燥試驗，取得了很好的效果。同軸對撞流干燥機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，干燥效果較好，但由于兩根加速管較長，其占地面積較大，另外，物料在對撞室停留時間太短，故在干燥谷物至安全含水量一般需多次循環(huán)干燥。
3.2 垂直對撞流干燥機(jī)
中科院熱物理研究所、廣東農(nóng)機(jī)院等單位對垂直對撞流干燥機(jī)進(jìn)行了大量糧食干燥試驗，得出一些有意義的結(jié)論。垂直對撞流干燥機(jī)工作原理和同軸相似，只是將進(jìn)料和進(jìn)氣管路垂直安裝，這樣有利于減少整機(jī)占地面積。同時，由于受重力影響，對撞室內(nèi)流場更復(fù)雜，其物料滯留時間有所增加。但實驗表明，該機(jī)系統(tǒng)壓力降較同軸系統(tǒng)大，高度較高，對風(fēng)源要求高。
3.3 圓環(huán)狀對撞流干燥機(jī)
系統(tǒng)中物料運動如圖3所示，風(fēng)機(jī)通過兩對稱安裝的管道，使氣相切向送入到環(huán)形空間，調(diào)節(jié)閥門可使兩管道中氣流速度相同。用加料器將顆粒物料送入氣流中，所要求的這個距離是為了使顆粒加速到一個足夠大的速度，而不使其下沉并立即排出。經(jīng)過幾次振蕩后顆粒速度降低到一定程度便被氣流帶出對撞區(qū)，在螺旋葉片區(qū)完成氣固分離，通過錐形出口從反應(yīng)器排出。該裝置環(huán)形對撞室里加裝一系列螺旋葉片，可在物料完成對撞后使氣固兩相順利分離。河南科技大學(xué)對此類干燥機(jī)進(jìn)行了一定研肅，得出一些結(jié)論。如：物料降水幅度、蒸發(fā)速率隨物料初始含濕量、物料流量、氣流速度和熱風(fēng)溫度的變化而改變。隨著氣流速度和溫度的增加降水幅度、蒸發(fā)速率增大；隨著顆粒流量的增加降水幅度減小，而蒸發(fā)速率增大。初始含濕量高的物料在對撞流中降水幅度高，蒸發(fā)速率快，因此該對撞流干燥器適合干燥高濕度物料。
這種形式的干燥機(jī)較其它形式最為突出的優(yōu)點是占地面積小，因為其兩進(jìn)氣管是并列切向進(jìn)入對撞室的，另外物料在環(huán)形對撞室內(nèi)運動軌跡是弧形，這樣增加了其滯留時間。試驗證明該機(jī)干燥效果較同軸為好，非常適合作為小型糧食干燥機(jī)。
4、國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
對撞流原理是由原蘇聯(lián)白俄羅斯科學(xué)院的Elperin于1961年首先提出的，但直到90年代才用于物料干燥方面。80年代，國外許多學(xué)者對對撞流技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究和試驗，其中以色列學(xué)者Tamir .A，加拿大學(xué)者M(jìn)ujumdar以及白俄羅斯學(xué)者M(jìn)elster的研究較為系統(tǒng)。Elperin和Tamir提出了多種對撞流的結(jié)構(gòu)形式，Tamir在1988年較為系統(tǒng)地研究了同軸對撞流特性，所得到的最重要的結(jié)論如下。
4.1 氣流速度一定時，顆粒在對撞流中的滯留量隨顆粒流量的增大而增加，達(dá)到最大值后下降；
4.2 在對撞室內(nèi)，兩進(jìn)氣管端面間的距離和對撞室的容積對物料的平均滯留時間無任何影響；
4.3 傳熱系數(shù)隨顆粒流量或顆粒滯留量的增大而增大，傳熱系數(shù)與對撞室的容積以及兩進(jìn)氣管之間的距離無關(guān)。
近年來，對撞流開始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，俄羅斯研制了SVS型工業(yè)同軸對撞流干燥機(jī)，用于干燥城市污泥，取得很好的效果。烏克蘭和白俄羅斯研制的用于谷物熱處理的多級半圓型對撞流反應(yīng)器，也取得了成功。
國內(nèi)對對撞流的研究近幾年才剛剛開始，還處于初步探索階段。目前中科院工程熱物理研究所對半環(huán)對撞流、垂直對撞流作了一定的理論和實驗研究，總結(jié)了一些干燥規(guī)律，并制造了國內(nèi)第一臺垂直對撞流實驗裝置。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了國內(nèi)第一臺水平同軸對撞流實驗裝置，并進(jìn)行了傳熱傳質(zhì)和小米干燥的試驗與研究。
5、結(jié)果與討論
綜上所述，當(dāng)前我國糧食烘干機(jī)械存在著能耗高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點，急需引入新技術(shù)新工藝，并使烘干機(jī)向小型化發(fā)展。作為一種新型干燥技術(shù)，對撞流干燥技術(shù)獨特的流體動力特性使其具有極高的干燥能力，從而為其小型化提供了可能，而且由于物料停留時間極短，非常適合種子干燥，能做到一機(jī)多用。并且已經(jīng)成功地進(jìn)行了多種形式的糧食干燥試驗，因此，可以嘗試在糧食干燥領(lǐng)域引入這門新興干燥技術(shù)。但同時應(yīng)積極探索相應(yīng)配套技術(shù)，如：對撞流干燥技術(shù)的自動化控制系統(tǒng)、干燥參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)、多級干燥結(jié)構(gòu)等。只要這些配套技術(shù)和對撞流干燥技術(shù)協(xié)同發(fā)展，筆者認(rèn)為，在我國是有可能推廣這一新興干燥技術(shù)的。
