摘要：在所有传导式干燥机中，盘式连续干燥器的有效加热面积最高，理论上可达100%，但如果耙叶设计与选择不当，将导致实际有效加热面积降低，有的甚至低至50%以下，盘面上出现大量的裸露面积，严重影响了盘式连续干燥机效能的正常发挥。本文通过理论分析和图形解析方法，给出了盘式干燥机耙叶设计的一些准则，可消除盘面的裸露面积，提高干燥机的综合传热传质系数，确保盘式连续干燥机的节能优势。
    盘式连续干燥器以其节能、环保等优势，在传导类干燥设备中独树一帜，推广使用范围越来越大，对提升我国干燥技术整体水平，降低能源消耗，起到了巨大推动作用。
    传导干燥设备主要靠器壁来加热物料，一般料层较厚，不像对流干燥中的物料高度分散，因而，料层厚度和搅拌效果往往决定了整机的传热传质能力，在同等条件下，盘式连续干燥器的单位脱水能力之所以高于一般传导干燥设备，就是因为它直接与物料接触的有效加热面积最大，料层可控且较薄，搅拌效果好，物料加热面更新快，传热传质速率高，而其他一些传导干燥设备的有效加热面积只有20%~70%，料层也较厚。
    盘式连续干燥器的搅拌效果取决于耙杆及耙叶的正确设计，已有文献[1][2]曾有过很多论述，但一些明显影响工作性能的结构参数，如耙叶设计对有效加热面积的影响，仍未见报道，本文现就这些参数的设计问题予以探讨。
    1 耙叶支架中心孔到支点距离H对工作性能影响
    一种有代表性的简易耙叶设计如图1所示，由耙叶和两个支架及固定螺栓构成，耙叶角度可调。其中耙叶长度A，耙叶工作面与耙杆中心线（即耙叶两支架中心孔连线）夹角α，耙叶支点到支架中心孔距离H，两耙叶支架间距C。

       图1. 耙叶设计简图

    为了分析H对耙叶工作的影响，取长度和角度均相同的两个耙叶AB和ab，分别置于盘面的不同位置，AB支点距离H，ab支点距离h，H ＞ h，再以盘面中心为原点，分别以A、B、a、b为半径画弧，耙叶AB刮过的面积ABCD，耙叶ab刮过的面积abcd，很明显，ABCD ＜ abcd，即耙叶H小时，相同长度和角度的耙叶能控制更宽的盘面，从而可使用较少的耙叶控制整个料层，使物料铺满全部盘面。
    不同H时的料环形态也不同，将图2的两个耙叶布置在两个相同盘面上，其中一个耙叶支点过盘面中心线，且该中心线与耙杆中心线平行，见图3，再按料环首尾相接

图2. 不同H时耙叶控制料环宽度比较

的原则等间距布置4个耙叶，结果显示，耙叶支点过中心线时，内外环间距基本相等，相邻料环首尾相接，物料可以铺满盘面，如图3。而H较大时，料环较窄（见图4），内环面积明显小于外环，且内外环不能首尾相接，中间出现空隙。盘干机正常操作时，只要耙叶长度和角度相同，耙叶刮过的环形区域间隔相等，但由于内环直径较小，外环
 图3. 耙叶支点过中心线且H较小时的料环形态

 图4. 较大的H时料环形态
面积永远大于内环，这样，由外环聚拢来的物料摊开在内环时，形成了料层厚度差异，内环料层厚度稍大于外环，呈递增趋势，这对传质传热是不利的。如图4，当H较大时，内外环间距不等，内环面积比正常还要小，这就加剧了料层厚度的不均匀性，使内环物料产生堆积现象，阻碍物料的传热传质，降低干燥性能。同时，相邻料环之间的间隙区，物料实际上静止不动，没有被搅拌和移动，这与我们设计搅拌装置的初衷不符，应该是不允许的。
    综上所述，耙叶支架中心孔到支点距离H并不是可以任意设计的，该值在数值上等于耙杆中心与回转中心的距离，耙叶支点位于回转中心线上，如图3所示，而类似图4的设计效果不好。

2  耙叶角度
    耙叶角度α与料环大小，推料阻力以及物料粒度、粘滞性有关。角度大，料环小，同样盘面可以多设置几个耙叶，在转数相同情况下，提高搅拌效果，同时，搅拌、推料阻力小，与物料摩擦小，易于形成稳定均匀的料环，但物料沿径向移动速度慢，在盘面上滞留时间长。角度小时物料沿径向移动快，节省耙叶，但阻力大，物料有被耙叶带动运转的风险，物料滞留时间短，搅拌效果相对较差。
    有资料介绍，耙叶角度以45~55°为宜，热效率随角度的增大呈下降趋势，这个结论是在角度增大，耙叶数量不变，料环不连续情况下得出的，实际上，采用大耙叶角度时，一定会增加耙叶数量，在转数不变时，搅拌效果提高，物料与加热面更新快，传热传质速率提升，干燥能力与热效率都应该得到提高。KMPT公司的盘干机在干燥一种粉状物料时，耙叶角度高达62°。从提高搅拌效果出发，笔者认为应该采用较大角度，角度小时可能会有更多的物料随着耙叶转动，搅拌效果得不到保证。

3  耙叶支架间距C
    耙叶支架的间距决定了耙叶在耙杆上的安装状况，它取决于最大耙叶数量下的耙叶间距，设耙叶间距为B，则C ≤ B，过大的耙叶支架间距减小了调整耙叶数量的可能性，取较小的支架间距，用隔套调整耙叶与耙叶距离，是一个较为方便的办法，相反，取较大的耙叶支架间距，有可能无法调整耙叶数量。

4  不同耙叶间距的料环状态及对有效加热面积的影响
    正如表1显示的那样，盘式连续干燥器在所有传导式干燥机中，传热面的有效加热面积最大，见图5，物料在盘面上摊开为若干个均匀的同心圆料环，料环与料环首尾相
 图5. 盘式干燥机盘面上正常的料环形态
接，物料铺满整个盘面，有效加热面积接近100%。但在实践中，由于设计上的误区，相当多的盘干机达不到这一指标，有时甚至低至50%左右，极大的降低了盘干机的性能。下边分析耙叶设计对有效加热面积的影响。

4．1  松散粉粒物料在盘面上的堆积状态
    在盘干机中，物料（在此仅指松散粉粒状物料，下同）在耙叶推动下，沿盘面依一定曲线向盘的边缘移动，形成若干料环，如图5所示。当料层厚度（在此指料环波峰处高度）h确定，料环底部宽度为L，单个料环的断面图如图6，它遵循松散物料自然塌落的规律，由料堆的最高处向两边对称塌落，如安息角为β，则有下式成立：
h / 0.5L = tgβ
    ∴ L = 2 h / tgβ………………..(1)

 图6. 单个料环的理想断面图

式（1）的含义是，当料层厚度确定后，料环底部宽度只能是唯一值，数值上与2倍料层厚度成正比，与物料安息角的正切值成反比。即料层越厚，安息角越小，料环底部宽度越大。一些物料的安息角见表2，颗粒细小的物料一般安息角较大。实际物料由于含水的关系，安息角可能会稍大于干物料，可以现场测试。含水很高或粘性物料，如滤饼类物料，不在盘干机的适用范围内。
 
          表2  一些物料的安息角

以上分析是物料自正上方自由洒落时的理想状态，耙叶拖刮物料时形成的料堆，可能与此稍有差别，动态下，安息角可能会稍有不对称，或稍小。

4．2  满足有效加热面积100%的首要条件
    图7给出了具有2个耙叶和2个料环的断面简图，图中两个耙叶间距B，耙叶长度A，耙叶与平行于耙杆的水平轴线夹角α，且耙叶长度和角度合适（不合适情况后边分析），夹在耙叶1和2之间的料环，是料环M和N的一部分，经过耙叶刮动后滑到料环P位置。从图中可以看出，不管耙叶与前端料环相对位置如何，只要耙叶长度和角度
 图7. 两个耙叶及料环的示意图

合适，料环经过耙叶的导向，无粘滞向后滑动，在离开耙叶末端时，还会像前边分析的那样，在新位置形成独立料环P，各项参数符合式（1）的描述。不难看出，满足料环P能铺满耙叶1和耙叶2之间的条件，只能是两个耙叶间距小于或等于料环底部宽度L，因在物料和料层厚度确定后，L基本不变，即：
B ≤ L
B ≤ 2 h / tgβ…………………(2)

B = 2 h / tgβ时，相邻料环的波谷与波谷首尾相接，料环覆盖全部盘面。
    B稍小于2 h / tgβ时（指稍小于），相邻料环的波谷与波谷首尾叠加，料环覆盖全部盘面，但物料表层的裸露面积与料环数量和上边情况有差异，料环数量增加，搅拌效果增强，裸露面积的增减要经测算才能确定。
    B ＞ 2 h / tgβ时，相邻料环波谷与波谷首尾分离，盘面出现“空地”现象。
    式(2)表明，当工艺上料层厚度确定后，耙叶间距与物料安息角β直接相关，β大的物料，如粒度较小，分散性不好，或有一定含水的物料，耙叶间距必须小一些，否则物料不能铺满盘面，也就是说，只有针对具体物料设计耙叶间距，才能铺满整个盘面，达到有效加热面积100%，绝不能所有直径相同的盘干机全部采用相同的耙叶间距。
    这是铺满盘面的首要条件，不然，无论耙叶长度和角度如何改变，料环都无法首尾相接，使有效加热面积达到100%。

4．3  满足有效加热面积100%的第二个条件，耙叶长度与耙叶间距的关系
以上的结论，是在耙叶长度A和角度合适前提下得出的，下边分析耙叶长度变化时的影响，根据以往经验，耙叶角度确定为50~55°。

4．3．1  耙叶长度很短或耙叶间距过大时的料环
 图8. 耙叶过短或耙叶间距过大时的料环

分别以耙叶回转中心为圆心，以耙叶A1B1和A2B2的两个端点为半径，画出两个封闭圆环，圆环内的面积即为两个耙叶实际控制区域，尽管两个耙叶刮过的径向尺寸相等，但R2>R1，耙叶A1B1聚拢的物料要摊开的面积有两种可能，一是由于内环面积恒小于外环，实际摊开面积仍小于或等于聚拢面积，这时可以铺满盘面。另一种情况是，当R2 》R1时，即耙叶过短或耙叶间距过大时，实际摊开面积大于聚拢面积，内外料环将出现间断，盘面不能为物料全部覆盖，有效加热面积减小。
    从图8看出，尽管通过计算或画图法能确定满足内外环面积相等的条件，但此时内外环已不连续，两环中间出现空挡，该部分物料在耙叶回转时没有被搅动，对传热传质不利，因此，设计时应尽量避免。

4．3．2  耙叶间距等于耙叶长度在中心线上投影
分析可知，只有当前后两个料环等间距即首尾相接时，盘面才能无裸漏面积，为此，分别以耙叶回转中心为圆心，以耙叶A1B1和A2B2的两个端点为半径，且令A1和B2通过同一圆弧，则很明显，R1=R2，两个料环等间距，如果第一个料环上的物料能铺满盘面，则第二个料环同样能铺满盘面，而且，内环面积恒小于外环，只要保证最外环物料
 图9. 耙叶间距等于耙叶长度投影时的料环

能铺满盘面，其余均能满足。此时，两个耙叶间距B近似等于耙叶长度在耙杆中心线上的投影，
设A1B1=A，耙叶安装角度为α，则有下式成立：
B / A = COSα
分析得知，当耙叶间距和角度α一定时，A适当大一些，不影响物料铺满盘面，
 图10.耙叶长度、角度、耙叶间距关系
为此，可取：
A ≥ B / COSα
即 B ≤A COSα…………….(3)
    式（3）即为满足有效加热面积100%的第二个条件。
    由以上分析可知，式（2）考虑了物料的属性，式（3）则规定了耙叶与耙叶间距的关系，耙叶间距只有同时符合这两个公式，才能使盘面利用率达到100%，实际设计时，应根据不同物料，不同工艺条件区别对待，再配以现场适当调整，才能取得最佳效果。
    以上推算只是考虑了盘面利用率问题，所给出的公式只规定了耙叶间距的上限，耙叶间距应接近公式规定的数值，过小也不好，过小时尽管能铺满盘面，但将导致料环彼此重叠过多，料层加厚，影响传热传质，同时，耙叶过密也可能使料环跟随耙叶转动，起不到搅拌效果。

5．盘面内外环料层厚度均匀性问题
   采用相同长度的耙叶和相等耙叶间距时，由于外环面积大于相邻内环，无论是大盘小盘，内环上料层厚度总是大于外环，越接近盘面的圆心，料层越厚，这会影响传质传热，降低干燥机生产能力。从有利于传质传热角度考虑，盘面料层厚度应该均匀才好，这样，耙叶间距最好是变化的，由内向外逐渐减小，使相邻料环面积相等，或内外环采用不等长的耙叶，实践中一般采用不等长耙叶的办法解决这一问题，图11就是这种设计的实物图片，内环采用较长的耙叶，外环的耙叶则较短。
 图11. 内外环采用不同长度的耙叶
    6．结语
    盘式干燥机搅拌装置设计的目标是料层均匀、搅拌效果好，加热面更新快，盘面利用率接近100%，综合传热传质系数高，按本文提出的方法，恰当设计耙叶尺寸和个数，可以实现这一目标,从而实现盘式干燥机的高效节能目的。

参考文献
[1] 潘永康．现代干燥技术（第二版）[M]．北京：化学工业出版社，2006
[2] 张继军．盘式干燥器设计和应用[J]．化工之友，