1前言

    众所周知，干燥是工业生产中能耗最大的重要单元操作之一，生产的发展对干燥操作提出了愈来愈高的要求。旋流闪急干燥作为一种新型的干燥技术自70年代初在丹麦问世以来，无论在理论方面还是在技术方面都得到了长足发展，实现了将粘性膏糊状物料及滤饼物料一次干燥成粉粒的过程。目前，这一技术正逐步在化工、轻工、冶金、食品和制药等行业中得到广泛应用。

    国内关于这项技术发展的报导尚少，天津大学化工机械教研室对此进行了深入的实验研

究和理论分析，取得了显著成绩，并且该课题得到了天津市自然科学基金的资助。双螺旋加料器是该实验设备上的一个重要部件，非常适合输送粘性膏糊状物料，是旋流闪急干燥装置上理想的定量加料器。当然可用于干燥操作的加料器种类还有许多，如：单螺旋加料器、带式加料器和星形加料器等。但是，这些加料器对输送粘性膏糊状物料不大适用，甚至不能使用。

    加料对于干燥操作是非常重要的。作为干燥装置的附属部件，加料器是极为重要的机器之一。在生产中，加料器如果设计不当和使用不当，将会使操作产生故障。而且，即使性能很好的加料器，当被干燥物料的水分和性能发生变化时，有时亦无法发挥其作用和性能。干燥装置的性能在很大程度上取决于加料器的优劣，这种说法并不过分，因为这是干燥过程中不可缺少的操作。遗憾的是这个问题并没有引起人们足够的重视。

    因此，这里十分有必要对双螺旋加料器的输送机理和性能进行深入的实验研究和理论探

讨，尤其是在输送粘性膏糊状物料时，以使旋流闪急干燥装置达到整体优化。此外，研究双螺旋输送对其它行业也具有指导意义，因为它在其它行业中有着更为广泛的应用，如：聚合物加工、水泥和食品等行业，这就对双螺旋输送提出了愈来愈高的要求。

2螺旋加料器的两种输送机理

2.1  正位移送机理

    双螺旋加料器最显著的特点是正位移输送，所谓正位移输送，其特点就是移动的外表面置换了系统中的部分流体。最典型的例子是注射机中的柱塞一机筒结构，其中的熔体是靠往复运动的柱塞而被强制向前输送的，即垂直于柱塞轴线的柱塞端面移动把熔体推向前进。齿轮泵也是靠正位移输送介质的。

    L．P．B．M. Janssen在分析了异向旋转双螺杆中的四个间隙后，给出了完全基于正位移输送机理之上的理论输送量计算公式为[1]:

    Q1t = 2mnV               (l)

    式中：Q1t：——理论输送量；    n——螺杆转速；

    V——单个C形小室的体积；    m——螺纹头数。

这很容易理解，因为螺杆每旋转一周，它向外排出的体积就是2mV，相应的物料体积输送率也应该就是这个值。这个式子是更为复杂模型的基础。该式表明在一定的条件下，对完全啮合型异向旋转双螺杆，其理论输送量和螺杆的转速成正比，变得和物料特性毫无关系。这是完全正位移输送的显著特点。

2.2摩擦和粘性拖曳输送机理

 对单螺杆，不管它们在螺杆型式、机筒结构以及整机结构上有什么不同，从根本上讲是一样的，即物料的输送是靠机筒和螺杆之间的摩擦力和粘性拖曳力输送的（自然，在非螺纹区是靠压力梯度梯度输送的）。这很容易理：如果被加工的物料粘到螺杆上并在料筒表面打滑，就不会有物料输出，因为物料随着螺杆的回转而回转不会被向前推进。因此，为了获得最大的输送量，物料必须尽可能多地粘附到料筒壁面上。这种情况下，物料的回转速度小于螺杆的回转速度，致使物料被强制向前推进。

 基于摩擦和粘性拖曳输送机理的单螺杆的理论输送量为[2]：

    式中，Db——机筒内径（近似取螺杆外径）；

    ψ——以螺杆外径计算的螺纹升角；

    W——螺槽法向宽度；

    H——螺槽深度；

    L——螺杆有效长度；

    n——螺杆转速；

    fb——物料与机筒之间的摩擦系数；

    fs——物料与螺杆之间的摩擦系数；

    P1——物料在料斗进口处之静压力；

    P2——物料在出口端之压力。

如果不计及压力的增长，则式(2)可简化为： 

 这里需要指出的是，摩擦系数fb、 fs和我们通常所说的固体摩擦系数其含意是不同的。因为在处理具有粘性的物料时，在输送过程中，有时是物料和机筒、螺杆之间的摩擦，这时完全靠摩擦输送（固体颗粒物料的输送就是这样）；而有时物料又会粘在壁上，这时的输送是靠物料和物料之间的粘性拖曳作用。这两者的综合作用就是所谓的摩擦和粘性拖曳输送机理。要精确计算它们各占多大比例将十分困难，因为这是一个随机的不稳定过程，影响因素很多，如：物料性质、螺杆和机筒表面的光洁度等。摩擦系数fb、fs，要在和买验（或生产）相同的条件下进行测试。

3理论模型的建立

前面提到，非啮合型双螺杆好象是两根平行的单螺杆在两孔相交的机筒中转动。这就提示我们，如果将单螺杆的理论输出量乘以2是否可以得到双螺杆的理论输出量，当然问题并没有这样简单。因为双螺杆中的物料之间有一定程度的相互作用，机筒相交而并非相切，双螺杆本身又分为多种类型以及其它一些几何和物理因素的影响，不能这样简单地叠加。所以本文在这里引入一个修正系数B’来综合修正上面诸多因素的影响，这样就可得到完全按摩擦和粘性拖曳输送机理计算的双螺杆（这里指异向旋转非啮合型）的理论输出量，其表达式为：

    Q_2t = 2B'Q'_2t    (4)

式中，0

严格地讲，本文采用的是异向旋转非啮合型双螺旋加料器，非啮合型双螺杆除具有正位移输送能力外，还具有类似于单螺杆的靠摩擦和粘性拖曳输送的能力，因为非啮合型双螺杆的两根螺杆在某种程度上犹如两根平行的单螺杆在两孔部分相交的机筒中转动。其特点是纵横向皆为开放。它即具有正位移输送能力，又具有摩擦和粘性拖曳输送能力。所以我们只要把式(1)、(4)联合起来，再引入系数A和C分别表示两种输送各占的比例，就可得到双螺旋加料器的理论输出量模型：

    Qt= AQ_1t，+CQ_2t                (5)

即：

其中，O

    B= CB’                (7)

这样式(6)又可写为：

式中，O

最后需要说明：以上所说的输出量（即产量）都是指体积输出量，体积输出量乘以密度（即体积密度）才是质量输出量（或输送率）。

4模型的参数确定

为了确定模型参数，我们采用螺距分别为20、30、40、50和60mm的各种螺杆，而其它结构参数不变。物料为大白粉、汉砂黄和白碳黑（分别代表高粘性、中粘性和低粘性物料），并测得在不同湿含量时和机筒、螺杆的摩擦系数，然后对大量实验数据利用最小二乘法原理，采用复合形搜索法进行回归拟合，得出模型参数的值为：

    A=0. 0154    B=0.128

这样式(8)又可变为：

式中：Q——产量，(kg/h)；    m——螺纹头数，这里m=l;

    V——C形室体积，(mm3)；    fb，f．——摩擦系数；

    Y——物料堆密度，(kg/m3)；  n——螺杆转速(rpm)。

    Db，W，H——意义同前，单位均为(mm)。

这样，就得出了双螺旋加料器输送量和其结构参数、操作参数之间的关联式。由此也不难看出，影响双螺旋加料器输送量的因素，除了转速的高低外，主要还有其结构因素、物料性质、螺杆和机筒的表面状况、啮合状况以及其它的未知因素等。所以，为了设计出性能优良的加料器，应对这些因素进行综合考虑。

将实验值和计算值进行比较发现，该模型的误差在10％的范围之内。

参考文献

[I]L.P．B．M．Janssen著，耿孝政译：《双螺杆挤出》，轻工业出版社,1987

[2]朱复华编著，《螺杆设计及其理论基础》，轻工业出版社,1984.5

[3]张东利，“双螺旋加料器性能及输送机理研究”，天津大学硕士论文,1995.4

 

 

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