多通道烘缸結(jié)構(gòu)參數(shù)對烘缸傳熱性能的影響

嚴(yán) 彥 董繼先 湯 偉 史 韻

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,陜西西安,710021)

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多通道烘缸結(jié)構(gòu)參數(shù)對烘缸傳熱性能的影響

嚴(yán) 彥 董繼先 湯 偉 史 韻

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,陜西西安,710021)

提出了多通道烘缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法,分析了多通道烘缸結(jié)構(gòu)參數(shù)對蒸汽冷凝傳熱及流動特性的影響。首先指出通道數(shù)量、高寬比和間隔比等參數(shù)與通道寬度、高度和當(dāng)量直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系,然后引入Cavallini冷凝傳熱系數(shù)實驗關(guān)聯(lián)式及均相流模型,分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對多通道烘缸蒸汽冷凝傳熱系數(shù)和沿程阻力的影響。結(jié)果表明,通道數(shù)量、高寬比和間隔比對蒸汽冷凝傳熱系數(shù)及沿程阻力的影響較大。綜合分析結(jié)果表明,當(dāng)通道數(shù)量為150～200、高寬比為1∶3及間隔比為1∶1～1∶3時,多通道烘缸的整體性能最好。

造紙機(jī)；多通道烘缸；冷凝傳熱；關(guān)聯(lián)式

造紙工業(yè)是一個與國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展、人民生活息息相關(guān)的工業(yè)。研究顯示,紙張消費量增長趨勢與國民經(jīng)濟(jì)增長趨勢基本平行。在發(fā)達(dá)國家,紙張消費量的增長速度與國內(nèi)生產(chǎn)總值的增長速度基本持平。近年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,消費者對紙品的需求量逐年增加[1]。

造紙生產(chǎn)過程中,干燥部是能耗較多的工段,如何降低干燥部能耗、提高烘缸干燥效率是造紙工業(yè)亟待解決的問題。傳統(tǒng)的干燥方式是將蒸汽通入旋轉(zhuǎn)烘缸內(nèi)并在其中冷凝放熱,通過烘缸壁將熱量傳遞給緊貼在烘缸外壁的紙幅上,以干燥濕紙幅。作為干燥部的主要干燥部件,傳統(tǒng)烘缸存在的最大問題是蒸汽冷凝所產(chǎn)生的冷凝水,未及時排出的冷凝水在烘缸內(nèi)聚積。當(dāng)冷凝水聚積較多且車速較高時便會形成水環(huán),水環(huán)的導(dǎo)熱系數(shù)僅為鑄鐵烘缸壁導(dǎo)熱系數(shù)的1/87,這將增大烘缸的熱阻,降低烘缸的干燥效率,從而使干燥部能耗增大。

為解決這一問題,Choi等人[2-3]設(shè)計了一種夾層多通道烘缸,如圖1所示。在夾層多通道烘缸中,蒸汽由進(jìn)氣管進(jìn)入烘缸內(nèi)筒,在蒸汽壓的推動下,從烘缸另一端的開口處進(jìn)入夾套內(nèi),并在夾套內(nèi)冷凝放熱而干燥紙張,極大地提高了烘缸傳熱效率。由于所有通道的傳熱行為相似,因此Choi等人選取1個水平通道來測定管內(nèi)蒸汽冷凝傳熱系數(shù)隨蒸汽壓力、質(zhì)量流速以及入口干度的變化情況。通道的截面為矩形,寬度18.9 mm,高度3.14 mm,通道長度3 m。結(jié)果顯示,夾層多通道烘缸的平均蒸汽冷凝傳熱系數(shù)可達(dá)15000 W/(m2·K),是傳統(tǒng)烘缸蒸汽冷凝傳熱系數(shù)的7～20倍(取決于傳統(tǒng)烘缸中有無擾流板)。

圖1 夾層多通道烘缸示意圖

董繼先等[4- 6]基于Choi等人的夾層多通道烘缸結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計了一種無虹吸管多通道烘缸,如圖2所示。董繼先等同樣在烘缸內(nèi)壁附設(shè)了許多細(xì)小通道,但與Choi等人設(shè)計的夾層多通道烘缸的主要區(qū)別是,蒸汽由進(jìn)氣口直接通入通道內(nèi),且通道與軸線之間形成一定夾角,當(dāng)蒸汽從通道中流過并在其中冷凝放熱后,形成的冷凝水不僅會被后續(xù)蒸汽推動而從通道出口排出,且由通道傾斜產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力也會促進(jìn)冷凝水排出,這樣冷凝水被限制在通道的有限空間內(nèi),排水通暢,不存在積水問題,從根本上解決了傳統(tǒng)烘缸冷凝水排出問題。

圖2 無虹吸管多通道烘缸示意圖

針對無虹吸管多通道烘缸,董繼先等[7-8]對其傳熱特性進(jìn)行了理論計算；常治國等[9]對其表面溫度分布進(jìn)行了分析研究；董繼先等[10]對其通道內(nèi)流體流動進(jìn)行了數(shù)值模擬,模擬結(jié)果顯示,無虹吸管多通道烘缸的蒸汽冷凝傳熱系數(shù)較傳統(tǒng)烘缸大。但是,以上研究均以Choi等人設(shè)計的通道作為研究基礎(chǔ),并沒有考慮通道結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳熱性能的影響。Jae Hee Shin等[11]對文獻(xiàn)[2]中的實驗進(jìn)行了改進(jìn),將冷卻劑段分為3段并分別通入冷卻劑,以最大限度地保證在實驗過程中冷卻劑溫度恒定,更接近實際烘缸工作過程；研究了通道高寬比與蒸汽冷凝傳熱系數(shù)和沿程阻力的關(guān)系,結(jié)果顯示，高寬比對蒸汽冷凝傳熱系數(shù)和沿程阻力的影響顯著,其中高寬比為1∶3最佳。

鑒于此,筆者首先建立了如圖3所示的烘缸簡化幾何模型,給出了通道數(shù)量、通道高寬比和間隔比等結(jié)構(gòu)參數(shù)與通道當(dāng)量直徑和烘缸有效傳熱面積之間的關(guān)系,然后采用相應(yīng)的冷凝傳熱實驗關(guān)聯(lián)式分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對蒸汽冷凝傳熱系數(shù)和沿程阻力的影響,最后對蒸汽冷凝傳熱系數(shù)和沿程阻力進(jìn)行綜合評定,得出最優(yōu)烘缸參數(shù)。

1 多通道烘缸通道幾何尺寸及蒸汽冷凝傳熱系數(shù)

1.1 通道幾何尺寸

圖3 烘缸內(nèi)壁鑄造凹槽

多通道烘缸通道設(shè)計有多種方案,如在烘缸外壁鑄造通道、在烘缸內(nèi)壁鑄造通道及利用金屬波紋板形成通道等。綜合考慮烘缸強(qiáng)度和制造工藝等方面,筆者采用在烘缸內(nèi)壁鑄造通道的方案來設(shè)計多通道烘缸,其幾何模型如圖3所示。缸體外表面為干燥表面,直徑為D,缸壁沿周向均勻開設(shè)n個矩形蒸汽通道(寬度為W,高度為H)。為防止兩相鄰?fù)ǖ喇a(chǎn)生交叉?zhèn)鳠?通道間設(shè)有隔熱間隔。烘缸壁厚度為δ,同時設(shè)置覆蓋板,形成封閉的通道。

若通道的高寬比B=H/W及隔熱間隔與通道寬度比ε=θ/φ保持一定,通道數(shù)量會直接影響通道寬度W和高度H、通道當(dāng)量直徑De及烘缸表面總有效干燥面積As。

若忽略通道上下寬度對應(yīng)圓心角的微小差異,以上寬度為基準(zhǔn),則通道所對應(yīng)的圓心角φ為：

(1)

通道的寬度和高度分別為：

(2)

(3)

通道當(dāng)量直徑為：

(4)

若烘缸幅寬為L,則總干燥表面積As約為：

As≈nWL

(5)

1.2 通道內(nèi)蒸汽冷凝傳熱系數(shù)和沿程阻力

蒸汽在通道內(nèi)的流動如圖4所示。蒸汽質(zhì)量流速(G)、平均流速(u)及雷諾數(shù)(Re)為：

(6)

(7)

(8)

圖4 通道內(nèi)蒸汽流動示意圖

式中,Q為蒸汽放熱量；hin和hout分別為蒸汽進(jìn)出烘缸的焓值；x為蒸汽干度；ρv和ρl分別為飽和蒸汽和水的密度；μv和μl分別為飽和蒸汽和水的動力黏性系數(shù)。

JG=xG/[gDeρv(ρl-ρv)]0.5

(9)

(10)

式中,g為重力加速度,CT=2.6。

Xtt=(μl/μv)0.1(ρv/ρl)0.5[(1-x)/x]0.9

(11)

h=hl[1+1.128x0.817(ρl/ρv)0.3685×

(12)

(13)

式中,Prl為飽和液體普朗特數(shù)。hl和hSTART的計算方法如下：

(14)

(15)

式中,r為潛熱；λl為水的導(dǎo)熱系數(shù)；tv和tw分別為蒸汽和壁面的溫度。

兩相流沿程阻力Δp計算非常復(fù)雜,本文中采用相對經(jīng)典的均相流模型,即：

(16)

均相密度ρm和速度um分別為：

(17)

(18)

限于篇幅,阻力系數(shù)λ的計算不再贅述,相關(guān)計算可參見文獻(xiàn)[13]。

1.3 烘缸傳熱量計算

顯然,由于烘缸有效包角α問題,并非烘缸全部干燥面積均有效,因此實際的有效干燥面積為：

(19)

烘缸單位有效面積蒸發(fā)的水量為：

(20)

烘缸蒸發(fā)紙張水分所需熱量為：

Q=mAe(he-hw)

(21)

其中,ω1和ω2為紙張進(jìn)出烘缸時的干度,W紙為紙機(jī)產(chǎn)量,hw和he為進(jìn)出烘缸紙幅中水的焓值。

2 結(jié)果與討論

為了對紙機(jī)參數(shù)的影響進(jìn)行分析,筆者選取ZW4型紙機(jī)進(jìn)行研究,烘缸直徑為1250 mm,烘缸包角為230°,烘缸個數(shù)19個,幅寬2500 mm,紙機(jī)產(chǎn)量780 kg/h；紙幅進(jìn)干燥部時溫度為50℃,干度為32%,離開干燥部時干度為92%；蒸汽壓力為0.2 MPa,干度為100%。

計算中僅分析一個烘缸,并認(rèn)為所有烘缸的熱量平均分配。

2.1 通道數(shù)量和高寬比的影響

首先,忽略通道之間的間隔,即認(rèn)為通道相互之間緊密排列(ε=0)來考察通道高度H及當(dāng)量直徑De隨通道數(shù)量n的變化情況,結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出,隨通道數(shù)量增加,通道高度H和當(dāng)量直徑De迅速下降；當(dāng)通道數(shù)量為150～200個時,下降趨勢變緩。而且,高寬比B越大,通道高度和當(dāng)量直徑變緩所需的通道數(shù)量越多。從圖5還可以看出,當(dāng)高寬比B很大且通道數(shù)量較少時,通道高度很高,這不僅造成烘缸加工困難,而且會使得缸體的總壁厚(δ+H)很大,造成材料浪費。

圖5 通道高度H及當(dāng)量直徑De與通道數(shù)量的關(guān)系

圖6給出了通道中蒸汽質(zhì)量流速G及Re隨通道數(shù)量的變化情況。從圖6可以看出,由于加熱所需的蒸汽質(zhì)量流量不變,因此蒸汽質(zhì)量流速G隨通道數(shù)量的增加而線性增大,但隨高寬比B的增大,質(zhì)量流速G的增大幅度有所降低。不論通道數(shù)量如何變化,通道中蒸汽的Re均保持不變,在本案例中均小于2000,即流動均為層流流動狀態(tài)。

圖6 通道中蒸汽質(zhì)量流速G及Re與通道數(shù)量的關(guān)系

圖7 蒸汽冷凝傳熱系數(shù)h和沿程阻力Δp隨通道數(shù)量的變化情況

圖7給出了不同高寬比B條件下通道內(nèi)蒸汽冷凝傳熱系數(shù)h隨通道數(shù)量的變化情況,同時也給出了蒸汽在通道內(nèi)的沿程阻力Δp隨通道數(shù)量的變化情況。由圖7可知,隨著通道數(shù)量的增加,蒸汽冷凝傳熱系數(shù)h急劇增大,但當(dāng)通道數(shù)量超過200個后,蒸汽冷凝傳熱系數(shù)h的增大趨于平緩。隨著通道數(shù)量增加,蒸汽沿程阻力Δp急劇增大。從圖7還可發(fā)現(xiàn),高寬比B越小,在同樣的通道數(shù)量下,蒸汽冷凝傳熱系數(shù)h和蒸汽沿程阻力Δp越大。當(dāng)通道數(shù)量為100和300個時,不同高寬比B下的通道尺寸和對應(yīng)的蒸汽冷凝傳熱系數(shù)h及沿程阻力Δp如表1所示。由表1可知,高寬比B較大的通道雖然沿程阻力Δp較小,但是蒸汽冷凝傳熱系數(shù)h也很小。此外,高寬比B為1∶3或1∶6時,通道的蒸汽冷凝傳熱系數(shù)h較大,同時沿程阻力Δp也不大。進(jìn)一步分析表明,高寬比B為1∶3的通道綜合性能更好,這與文獻(xiàn)[11]中的結(jié)果基本一致。

表1 不同高寬比對應(yīng)的通道尺寸和蒸汽冷凝傳熱系數(shù)及沿程阻力

2.2 間隔比對蒸汽冷凝傳熱系數(shù)及沿程阻力的影響

圖8 間隔比ε對蒸汽冷凝傳熱系數(shù)h和沿程阻力Δp的影響

在實際的多通道烘缸中,無論是從加工或傳熱角度考慮,均需要在通道之間設(shè)置如圖3所示的隔熱間隔。隔熱通道間隔比ε對蒸汽冷凝傳熱系數(shù)h和沿程阻力Δp的影響如圖8所示。由圖8可知,在相同的通道數(shù)量下,蒸汽冷凝傳熱系數(shù)h及沿程阻力Δp均隨間隔比ε的減小而減小,但當(dāng)間隔比ε小于1∶3后,蒸汽冷凝傳熱系數(shù)h及沿程阻力Δp減小幅度變緩。

單位(1 m)烘缸長度時，烘缸總干燥表面積As與間隔比ε的關(guān)系如圖9所示。由圖9可知,通道數(shù)量不會對As產(chǎn)生影響,但As隨著間隔比ε的增大而減小。其原因在于間隔比ε越大,在相同的通道數(shù)量下,隔熱間隔占的寬度越大,因此蒸汽與缸體外表面的接觸面積越小。從圖9還可發(fā)現(xiàn),隨著間隔比ε進(jìn)一步減小,As增大的幅度也變小。因此，過小的間隔比并不能十分有效地提高傳熱面積,但卻會造成加工困難,通道強(qiáng)度變差。因此,建議間隔比ε選為1∶1～1∶3。

圖9 單位烘缸長度總干燥表面積As

3 結(jié) 論

利用Cavallini的冷凝傳熱系數(shù)實驗關(guān)聯(lián)式及均相流模型分析了通道結(jié)構(gòu)參數(shù)對多通道烘缸傳熱系數(shù)和流動特性的影響。

3.1 通道中的蒸汽冷凝傳熱系數(shù)和沿程阻力均隨著通道數(shù)量的增加而增大,當(dāng)通道數(shù)量超過200個后,增加趨勢變緩。本研究案例中,根據(jù)通道的高寬比不同,最優(yōu)通道數(shù)量約為150～200個。

3.2 高寬比較小的扁平通道傳熱性能優(yōu)于高寬比較大的狹長通道,但沿程阻力比狹長通道大。本研究案例中,高寬比為1∶3的通道蒸汽冷凝傳熱系數(shù)較高,沿程阻力也相對較小,綜合性能較好。

3.3 隔熱間隔也會影響通道的傳熱和流動特性。隔熱間隔越小越好,但還需要考慮加工性能。建議間隔比選擇為1∶1～1∶3。

本研究的模型相對較簡單,未考慮蒸汽流動過程中干度變化的影響,也沒有考慮通道的肋片效應(yīng)；此外,當(dāng)烘缸直徑變化后,最優(yōu)通道數(shù)量也會發(fā)生變化。今后將進(jìn)一步展開相應(yīng)研究。

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[13] 林宗虎. 氣液兩相流和沸騰傳熱[M]. 西安： 西安交通大學(xué)出版社, 2003.

(責(zé)任編輯：陳麗卿)

Study on the Influence of Structural Parameters of Multi-channel Cylinder Dryer on Heat Transfer Performance

YAN Yan*DONG Ji-xian TANG Wei SHI Yun

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)

(*E-mail： yy8923507@163.com)

An approach to design a multi-channel cylinder dryer was proposed. The heat transfer performance and flow characteristic with various structural parameters were analyzed. The relationship among the number of channels, aspect ratio, spacing ratio, width, height and hydraulic diameter of a channel was firstly given, then the Cavallini condensing heat transfer coefficient experiment corelation formula and the homogeneous phase flow model were introduced in order to analyze the heat transfer performance and flow characteristic of the multi-channel cylinder dryer affected by different structural parameters. The study revealed that the structural parameters including number of channels, aspect ratio, spacing ratio of a channel dramatically influenced the condensation heat transfer coefficient and frictional resistance of the steam. Based on the selected paper machine, it was suggested that the overall performance of the multi-channel cylinder dryer was the best if the number of channels was 150～200, its aspect ratio and spacing ratio was 1∶3 and 1∶1～1∶3 respectively.

paper machine； multi-channel cylinder dryer； condensation heat transfer； correlation formula

2014- 12- 21

國家自然科學(xué)基金(51375286)“無虹吸管多通道烘缸流體流動及干燥機(jī)理的研究”；陜西省重點科技創(chuàng)新團(tuán)隊資助項目(2014KCT-15)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃重點項目(2012JZ7002)。

嚴(yán) 彥,女,1988年生；在讀博士研究生；主要研究方向：造紙機(jī)干燥部節(jié)能降耗。 E-mail:yy8923507@163.com

TS755

A

1000- 6842(2015)03- 0041- 06