مدل‌سازی عددی جریان در خشک‌کن پاششی دو جداره نیمه‌صنعتی و تعیین الگوی انتقال حرارت در دیواره به روش دینامیک سیال محاسباتی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار بخش تحقیقات فنی و مهندسی کشاورزی مرکز تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی فارس

2 استادیار دانشکده مهندسی دانشگاه آزاد اسلامی واحد شیراز

3 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک ساخت و تولید دانشگاه آزاد اسلامی شیراز و عضو باشگاه پژوهشگران جوان

چکیده

مدل‌سازی عددی جریان سیال درون خشک‌کن پاششی دو جداره به صورت تقارن محوری با استفاده از روش دینامیک سیال محاسباتی انجام و جهت مدل‌سازی جریان آشفته، از مدل  k-ε استاندارد استفاده شده‌ است.  در این راستا، الگوی جریان هوا و تغییرات دمای درون محفظة خشک‌‌کن و در جدارة جریان هوای خنک‌ آن بررسی و عایق‌ مناسب نیز جهت سقف محفظه خشک‌کن‌ انتخاب شد.  برای بررسی میزان قابلیت اعتماد و صحت نتایج حاصل از شبیه‌سازی، در آزمایشگاه در ارتفاع‌های مختلف برج خشک‌کن و در فواصل مختلف شعاعی، تغییرات سرعت با سرعت‌سنج سیم داغ و تغییرات دما با حسگرهای نصب شده در خشک‌کن، اندازه‌گیری و با مقادیر حاصل از مدل‌سازی مقایسه شد.  بر اساس نتایج حاصل از مدل‌سازی عددی، الگوی جریان هوا شامل یک هستة مرکزی پر سرعت است که به سمت پایین محفظة‌ خشک‌کن گسترش می‌یابد.  در اطراف هسته مرکزی گردابه‌هایی ایجاد می‌شود که باعث برگشت ذرات به طرف بالای برج خشک‌کن خواهد شد.  دما در اطراف هسته مرکزی بیشتر است و با دور شدن از این هسته شروع به کاهش می‌کند و این روند تا ناحیة نزدیک دیواره ادامه می‌یابد.  خطوط جریان در جدارة خنک‌کننده، نشان­دهندة‌ حرکت هموار لایه‌های جریان هوا در طول مسیر است.  تغییرات سرعت در راستای محوری درون جدارة خنک‌کننده بسیار ناچیز است و بیشترین مقدار‌ سرعت در خط مرزی وسط جداره وجود دارد.  در جدارة خنک‌کننده در محل اتصال قسمت استوانه‌ای به قسمت مخروطی، اغتشاش اندکی وجود دارد که باعث تغییر مسیر جریان به سمت لایة بیرونی جدارة خنک‌کننده می‌شود.  با در نظر گرفتن درصد کاهش اتلاف حرارتی، نسبت رسانش گرمایی به ضخامت عایق (K/L) محاسبه و بر اساس مقدار آن، جنس و ضخامت عایق انتخاب شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Computational Fluid Dynamic Simulation of Flow Pattern and Heat Transfer in a Pilot Plant Spray Dryer with Cooling Air Jacket

چکیده [English]

In this study, a numerical simulation was developed for flow in a pilot plant spray dryer with a cooling air jacket using the CFD method. A k-ɛ standard model was used to simulate turbulence. Air flow patterns and temperature variation in the chamber and cooling air jacket were estimated and suitable insulation calculated for the ceiling of the chamber. To verify the numerical results, velocity in the dryer was measured using a portable hot wire anemometer. Temperature variation was measured using transmitters installed at varying heights in the chamber. The numerical results showed that flow pattern consisted of a high velocity core extending toward the end of dryer. A circular flow around the circumference of the flow created vortices and caused particles to turn back toward the top of the dryer. The maximum temperature was at the core of the air flow and temperature decreased from the core toward the dryer wall. The flow path line in the cooling air jacket showed that the air layers were in smooth and harmonic motion around one another that produced little variation in axial velocity in this zone; however, at the junction of the cylindrical and conical parts of dryer jacket, some flow deviation occurred toward the wall. Adequate insulation for the ceiling was chosen according to the ratio of heat conductivity to the thickness of the insulator (K/L).

کلیدواژه‌ها [English]

  • Air Flow Pattern
  • Computational Fluid Dynamic
  • Cooling Air Jacket
  • Insulation
  • Pilot Plant Spray Dryer
  • Temperature Variation
Anon. 2001. FLUENT 6.0 User’s Guide. Fluent Inc.

Barzegar, R., Niakousari, M. and Masoudi, M. 2004. Experiments to optimize the conditions of thermo plastic powder production in pilot plant spray dryer. Proceeding of the 9th Congress of Iran Chemical Engineering. Iran University of Science and Technology. Tehran. Iran. (in Farsi).

Churchil, S. W. and Chu, H. H. S. 1975. Correlating equations for laminar and turbulent free convection from a vertical plate. Int. J. Heat Mass Transfer. 18(11): 1323-1329.

Crowe, C. T. 1980. Modeling Spray-Air Contact in Spray Drying Systems. In: Mujumdar, A. S. (Ed.) Advances in Drying. Hemisphere. New York.

Fox, R. W., Pritchard, P. and McDonald, A. T. 2006. Introduction to Fluid Mechanics. 7th Ed. Wiley & Sons. USA.

Gabites, J. R., Abrahamsona, J. and Winchesterb, J. A. 2010. Air flow patterns in an industrial milk powder spray dryer. Chem. Eng.  Res. Des. 88(7): 899–910.

Goldstein, R. J., Sparrow, E. M. and Jones, D. C. 1973. Natural convection mass transfer adjacent to horizontal plates. Int. J. Heat Mass Transfer. 16(5): 1025-1035.

Huang, L. X. and Mujumdar, A. S. 2007. Simulation of an industrial spray dryer and prediction of
off-design performance. Dry. Technol. 25(4): 703-714.

Huang, L. X., Kumar K. and Mujumdar A. S. 2003a. A parametric study of the gas flow patterns and drying performance of co-current spray dryer: results of a computational fluid dynamics study. Dry. Technol. 21(6): 957-978.

Huang, L. X., Kumar K. and Mujumdar A. S. 2003b. Use of computational fluid dynamics to evaluate alternative spray chamber configurations. Dry. Technol. 21(3): 385-412.

Huang, L. X., Kumar K. and Mujumdar A. S. 2004. Simulation of spray evaporation using pressure and ultrasonic atomizer- a comparative analysis. Russian TSTU Trans. 10(1A): 83-100.

Huang, L. X., Passos, M. L., Kumar K. and Mujumdar A. S. 2005. A three- dimensional simulation of a spray dryer fitted with a rotary atomizer. Dry. Technol. 23(9-11): 1859-1873.

Incropera, F. P. and De Witt, D. P. 2002. Introduction to Heat Transfer. John Wiley & Sons. New York.

Jin, Y. and Chen, X. D. 2009. Numerical study of the drying process of different sized particles in an industrial scale spray dryer. Dry. Technol. 27(3): 37-1381.

Kieviet, F. G. 1997. Modeling quality in spray drying. Ph. D. Thesis. Endinhoven University of Technology. The Netherlands.

Langrish, T. A. G. and Zbicinski, I. 1994. The effect of air inlet geometry and spray cone angle on the wall deposition rate in spray dryers. Chem. Eng. Res. Des. 72(a): 420-430.

Langrish, T. A. G., Williams, J. and Fletcher, D. F. 2004. Simulation of the effects of inlet swirl on gas flow patterns in a pilot-scale spray dryer. Chem. Eng. Res. Des. 82(7): 821-833.

Lioyd, J. R. and Moran, W. R. 1974. Natural convection adjacent of horizontal surfaces of various planforms. J. Heat Trans-T. ASME. 96(4): 443-447.

Mezhericher, M., Levy, A. and Borde, I. 2009. Modeling of droplet drying in spray chambers using 2D and 3D computational fluid dynamics. Dry. Technol. 27(3): 359-370.

Oakley, D. 1994. Scale-up of spray dryers with the aid of computational fluid dynamics. Dry. Technol. 12(1-2): 217-233.

Oakley, D. E. and Bahu, R. E. 1993. Computational modelling of spray dryers. Comput. Chem. Eng. 17(1): 493-498.

Papadakis, S. E. and King, C. J. 1989. Factors Governing Temperature and Humidity Fields in Spray Drying. In: Mujumdar, A. S. and Roques, M. (Eds.) Spray Drying and Drops. Drying’89. Versailles. France.

Roustapour, O. R., Hosseinalipour, M. and Ghobadian, B. 2006. An experimental investigation of lime juice drying in a pilot plant spray dryer. Dry. Technol. 24(2): 181-188.

Roustapour, O. R., Hosseinalipour, M., Ghobadian, B., Mohaghegh, F. and Maftoon-Azad, N. 2009. A proposed numerical-experimental method for drying kinetics in a spray dryer. J. Food Eng. 90(1):
20-26.

Salem, A., Ahmadlouiedarab, M. and Ghasemzadeh, K. 2011. CFD approach for the moisture prediction in spray chamber for drying of salt solution. J. Ind. Eng. Chem. 17(3): 527-532.

Sayyari, A. R., Roustapour, O. R., Tahhavor, A. R. and Afsari, A. 2010. Numerical simulation of particle trajectories and velocity in a pilot plant spray dryer with a two-fluid nozzle. 17th International Drying Symposium (IDS 2010). Magdeburg. Germany.

Schaldach, G., Berger, L., Razilov, I. and Berndt, H. 2002. Characterization of a double-pass spray chamber for ICP spectrometry by computer simulation (CFD). Spectrochim. Acta. B. 57(10):
1505-1520.

Sloan, D. G., Smith, P. J. and Smoot, L. D. 1986. Modeling of swirl in turbulent flow systems. Prog. Energ. Combust. 12(3): 163-250.

Southwell, D. B., Langrish, T. A. G. and Fletcher, D. F. 1999. Process intensification in spray dryers by turbulence enhancement. Chem. Eng. Res. Des. 77(3): 189-205.

Versteeg, H. K. and Malalasekera, W. 1995. An Introduction to Computational Fluid Dynamics. Longman. Malaysia. TCP.

Woo, M. W., Daud, W. R. W., Tasirin, S. M. and Talib, M. Z. M. 2009a. Controlling food powder deposition in spray dryers: Wall surface energy manipulation as an alternative. J. Food Eng. 94(2): 192–198.

Woo, M. W., Rogers, S., Lin, S. X. Q., Selomulya, C. and Chen, X. D. 2011. Numerical probing of a low velocity concurrent pilot scale spray drying tower for mono-disperse particle production-unusual characteristics and possible improvements. Chem. Eng. Process. 50(4): 417-427.

Woo, M. W., Daud, W. R. W., Mujumdar, A. S., Wu, Z., Talib, M. Z. M. and Tasirin, S. M. 2009b.
Non- swirling steady and transient flow simulation in short-form spray dryers. Chemical Product and Process Modelling.