紙機(jī)多通道烘缸研究進(jìn)展

董繼先 史 韻 湯 偉 嚴(yán) 彥

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

紙機(jī)干燥部是造紙過程中能耗最大的工段，其蒸汽消耗成本占紙張生產(chǎn)成本的5% ～15%［1］，具有極大的節(jié)能潛力。烘缸作為干燥部的重要組成部分，一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。目前，在實(shí)際生產(chǎn)中，蒸汽加熱干燥仍然在紙張干燥中扮演重要角色，但其最大問題就是蒸汽冷凝放熱后形成的冷凝水若不及時(shí)排出，會(huì)在烘缸內(nèi)壁形成穩(wěn)定的冷凝水環(huán)，影響紙機(jī)干燥效率，限制紙機(jī)的高速化發(fā)展。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這一問題進(jìn)行了研究，其基本思路是采取措施以減小烘缸內(nèi)冷凝水環(huán)的厚度及其熱阻。基于此思路，前人在改進(jìn)烘缸結(jié)構(gòu)方面做了很多努力:如在烘缸內(nèi)部設(shè)置擾流棒，提升烘缸內(nèi)冷凝水的排出效率，提高熱傳導(dǎo)以及干燥均勻度［2-3］;將用于排出冷凝水的虹吸裝置由固定式虹吸管改為旋轉(zhuǎn)式虹吸管，再到目前廣泛使用的懸臂式虹吸管［4-5］;孫銘等人［6］提出將烘缸內(nèi)表面加工為均布的螺旋齒，各間隔齒槽底面分別向兩端傾斜，在兩端開回水環(huán)形槽，以提高傳熱效率和烘缸整體的熱均勻性;江村等人［7］提出一種無虹吸管葉輪排水式烘缸，依靠出水葉輪缸蓋上的葉片對(duì)冷凝水的向心作用，將冷凝水排出烘缸，不需要設(shè)置虹吸排水裝置。

前人的努力和探索雖然能在一定程度上改善烘缸內(nèi)冷凝水的問題，但是隨著造紙裝備向大型化、高速化、自動(dòng)化、綠色化和高可靠性的發(fā)展，這些改進(jìn)措施已經(jīng)很難滿足實(shí)際的生產(chǎn)需求，因此必須改變現(xiàn)有的干燥方式來適應(yīng)造紙裝備的發(fā)展趨勢(shì)，而多通道烘缸正是在這一背景條件下提出的［8］，并很快引起造紙裝備發(fā)達(dá)國(guó)家研究者的興趣。

本文綜述了紙機(jī)多通道烘缸的研究與發(fā)展情況，在介紹多通道烘缸的基本結(jié)構(gòu)與原理的基礎(chǔ)上，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)研究、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD)仿真研究等方面對(duì)國(guó)內(nèi)外多通道烘缸最新的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)今后的研究方向進(jìn)行了展望。

1 多通道烘缸

多通道烘缸的設(shè)計(jì)理念是提供一種可以從根本上解決烘缸內(nèi)冷凝水環(huán)的問題，并提高紙張干燥速率的紙張干燥解決方案。圖1為多通道烘缸的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，在此新結(jié)構(gòu)原理的烘缸中，過熱蒸汽通過旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入烘缸，然后沿緊貼烘缸內(nèi)壁的若干毫米級(jí)的細(xì)小通道中流過，在通道內(nèi)過熱蒸汽冷凝放熱，熱量穿過烘缸壁用于干燥紙幅，相變形成的冷凝水由后續(xù)蒸汽推動(dòng)，從通道出口排出。整個(gè)過程排水通暢，不存在冷凝水環(huán)問題，傳熱熱阻明顯減小，而且可以不使用虹吸管等排水裝置。在傳熱方面，多通道烘缸在干燥時(shí)的主導(dǎo)傳熱方式是強(qiáng)制對(duì)流傳熱，傳熱系數(shù)遠(yuǎn)高于主導(dǎo)傳熱方式為熱傳導(dǎo)的傳統(tǒng)烘缸。因此，從原理上講，多通道烘缸具有比傳統(tǒng)烘缸更高的傳熱效率與干燥效率，以及比傳統(tǒng)烘缸更小的尺寸，還有利于提高紙機(jī)車速［9-11］。

圖1 多通道烘缸結(jié)構(gòu)示意圖

2 多通道烘缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的研究進(jìn)展

2.1 國(guó)外多通道烘缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的研究進(jìn)展

Argonne National Laboratory與Johnson公司合作，首先對(duì)多通道烘缸進(jìn)行三維建模，并借助有限元分析軟件對(duì)多通道烘缸模型進(jìn)行有限元分析，研究多通道烘缸的結(jié)構(gòu)可行性，然后在一個(gè)縮短的傳統(tǒng)烘缸(長(zhǎng)6.3 m)上設(shè)計(jì)并試制出多通道烘缸的原型，如圖2［12］所示。

圖2 縮短的多通道烘缸原型

有學(xué)者提出了多通道烘缸通道部分的3種構(gòu)成形式 (見圖3)［13］:①將有溝槽的金屬波紋板固定在烘缸內(nèi)壁，與烘缸內(nèi)壁形成通道;②采用切削加工、鑄造等機(jī)械加工方法，在烘缸外壁上加工出溝槽，在其外側(cè)套裝一個(gè)導(dǎo)熱性能良好的金屬薄筒，烘缸外壁的溝槽與金屬薄筒形成通道，金屬薄筒外表面充當(dāng)干燥表面;③在烘缸內(nèi)壁上加工出溝槽，并將金屬薄筒固定在烘缸內(nèi)壁，烘缸內(nèi)壁上的溝槽與金屬薄筒構(gòu)成通道。第一種方法安裝拆卸方便、易維護(hù)修理，但是在金屬波紋板上加工溝槽較困難;第二種方案加工簡(jiǎn)單，但是其強(qiáng)度能否達(dá)到要求需要進(jìn)一步驗(yàn)證;第三種方法較前兩種方法而言更容易實(shí)施，且滿足加工工藝要求。

圖3 多通道烘缸通道部分的3種構(gòu)成形式

2.2 國(guó)內(nèi)多通道烘缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的研究進(jìn)展［14-16］

國(guó)內(nèi)對(duì)多通道烘缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的相關(guān)研究相對(duì)較少，陜西科技大學(xué)通過對(duì)多通道烘缸理論分析與有限元分析，發(fā)現(xiàn)單向進(jìn)汽、單向出水的多通道烘缸可能由于紙幅過寬，出現(xiàn)烘缸兩端表面溫度不均勻的現(xiàn)象，因此提出了雙向進(jìn)汽的圓柱形夾層多通道烘缸［17］(見圖4)。烘缸缸體的內(nèi)壁上加工出與主軸有一定夾角的溝槽，與烘缸內(nèi)筒配合形成通道，夾角的存在有利于在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下將通道中的冷凝水排出，在兩相鄰?fù)ǖ篱g開設(shè)小尺寸隔熱盲通道以避免相鄰?fù)ǖ篱g發(fā)生熱交換。在內(nèi)筒兩端開設(shè)蒸汽入口，單側(cè)蒸汽入口數(shù)量為通道總數(shù)的1/2，兩端蒸汽入口交錯(cuò)分布，使相鄰?fù)ǖ赖恼羝肟诜謩e位于內(nèi)筒兩端。兩相鄰汽水通道中的流體呈叉流流動(dòng)，減少因紙幅過寬而導(dǎo)致的烘缸兩端表面溫度不均勻的現(xiàn)象。烘缸筒體內(nèi)兩端均設(shè)有集水圈，集水圈中環(huán)形分布的進(jìn)水孔與其相應(yīng)側(cè)的通道出口相通，通道內(nèi)推出的冷凝水經(jīng)通道出口進(jìn)入其相應(yīng)端的集水圈，后經(jīng)集水圈收集后通過出水管排出。

在設(shè)計(jì)出圓柱形夾層多通道烘缸結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)烘缸整體及缸蓋進(jìn)行了受力分析，得出設(shè)計(jì)的多通道烘缸結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足的應(yīng)力要求。然后應(yīng)用Fluent軟件，取一組相鄰小通道建模，并進(jìn)行傳熱模擬，得到結(jié)論:新型雙向進(jìn)汽的多通道烘缸結(jié)構(gòu)滿足傳熱要求，烘缸表面溫度的均勻性明顯改善，烘缸表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高。

圖4 雙向進(jìn)汽的圓柱形夾層多通道烘缸

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面，現(xiàn)有的研究成果對(duì)于今后相關(guān)研究的進(jìn)一步開展具有一定的指導(dǎo)意義，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏足夠的理論支撐，未來需要大量試驗(yàn)和理論研究來尋找理論支撐，并發(fā)展適用于多通道烘缸的設(shè)計(jì)方法。

3 多通道烘缸的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

烘缸的傳熱速率Q(kW)是衡量紙幅干燥效率的重要指標(biāo)，如式 (1)所示［18］。

式中，A為烘缸有效干燥面積 (m2);Ts為缸內(nèi)蒸汽的溫度 (K);Tp為紙幅的平均溫度 (K);U為烘缸總傳熱系數(shù) ［kW/(m2·K)］，主要由冷凝傳熱系數(shù)、冷凝水環(huán)厚度、烘缸壁導(dǎo)熱系數(shù)及其壁厚、接觸熱阻、紙幅與空氣的傳熱系數(shù)等因素決定［18］。通過提高冷凝傳熱系數(shù)、烘缸壁導(dǎo)熱系數(shù)、紙幅與空氣的傳熱系數(shù)，減小冷凝水環(huán)厚度、接觸熱阻等措施，均可以提高總傳熱系數(shù)。

目前，多通道烘缸實(shí)驗(yàn)研究的目的是通過測(cè)量蒸汽在通道內(nèi)的平均冷凝傳熱系數(shù)，驗(yàn)證多通道烘缸總傳熱系數(shù)U及烘缸的傳熱速率Q較傳統(tǒng)烘缸是否得到提高，以證明多通道烘缸的可行性。

多通道烘缸在運(yùn)行過程中，蒸汽沿通道運(yùn)動(dòng)，若干通道關(guān)于中心軸圓周陣列。該模型具有很強(qiáng)的規(guī)律性，對(duì)于該模型，可先取單個(gè)通道來研究，其研究結(jié)果可以反映整個(gè)模型內(nèi)的流體流動(dòng)與傳熱特性。目前，對(duì)于多通道烘缸的實(shí)驗(yàn)研究，僅局限于靜止?fàn)顟B(tài)下的單通道內(nèi)蒸汽冷凝傳熱實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得多通道烘缸的平均冷凝傳熱系數(shù)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)烘缸，壓力降較小。

S.U.S.Choi等人［9］建立了靜止?fàn)顟B(tài)下模擬多通道烘缸中單個(gè)通道內(nèi)蒸汽冷凝傳熱過程的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)試管段用于模擬多通道烘缸中單個(gè)通道內(nèi)蒸汽冷凝傳熱的過程，包括緊貼在一起的蒸汽冷凝通道與冷卻劑通道，熱電偶、壓力傳感器、壓差傳感器、視窗等裝置。通道橫截面為矩形，尺寸為3000 mm×18.9 mm × 3.14 mm(長(zhǎng) × 寬 ×高)，材質(zhì)為導(dǎo)熱性能良好的鋁質(zhì)材料。熱電偶分兩組，一組等距布置在蒸汽冷凝通道與冷卻劑通道之間，一組等距布置在冷卻劑通道管壁。壓力傳感器用于測(cè)量蒸汽冷凝通道入口的壓力，壓差傳感器用于測(cè)量蒸汽冷凝通道的總體壓降，視窗用于識(shí)別兩相流流型、持液量及冷凝水厚度。

圖5 單通道蒸汽冷凝傳熱實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

該實(shí)驗(yàn)裝置在溫度180℃、壓強(qiáng)170～620 kPa、蒸汽質(zhì)量流率20～50 kg/(m2·s)、蒸汽干度0.1～0.8的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用能量守恒定律與牛頓冷卻公式對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，得到單通道的平均冷凝傳熱系數(shù)約為15 kW/(m2·K)［9］，約為配置有擾流棒的傳統(tǒng)烘缸內(nèi)冷凝傳熱系數(shù)的7倍，無擾流棒的傳統(tǒng)烘缸的21倍。另外，還研究了蒸汽質(zhì)量流率、壓力、蒸汽干度對(duì)平均冷凝傳熱系數(shù)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明平均冷凝傳熱系數(shù)幾乎不受蒸汽質(zhì)量流率、壓力以及蒸汽干度的影響。

實(shí)驗(yàn)還測(cè)量了蒸汽冷凝通道內(nèi)的壓力降，結(jié)果表明壓力降較小，且隨著蒸汽質(zhì)量流率增大而增大，當(dāng)蒸汽質(zhì)量流率為50 kg/(m2·s)時(shí)，壓力降最大值約為 2.2 kPa。

J.H.Shin 等人［19］認(rèn)為，在 Argonne National Laboratory的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)測(cè)試段的蒸汽與冷卻劑逆流流動(dòng)，用于描述實(shí)際濕紙幅熱力條件的管壁溫度沿蒸汽流動(dòng)方向逐漸降低。而在實(shí)際的紙幅干燥中，濕紙幅的熱力條件沿蒸汽流動(dòng)方向基本保持恒定。因此對(duì)該裝置進(jìn)行了改進(jìn)，將冷卻劑通道分為3段，進(jìn)口設(shè)在每一段中間，出口設(shè)在每一段兩端 (見圖6)，這樣既保證了管壁溫度的恒定，也使對(duì)濕紙幅熱力條件的模擬更符合實(shí)際情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)測(cè)試段的管壁溫度保持恒定在125℃左右。

實(shí)驗(yàn)表明平均冷凝傳熱系數(shù)幾乎不受系統(tǒng)壓力與蒸汽質(zhì)量流率的影響，驗(yàn)證了Argonne National Laboratory的實(shí)驗(yàn)結(jié)果;另外，還研究了通道橫截面尺寸對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，采用橫截面長(zhǎng)寬比分別為:1∶3(4.45 mm∶13.35 mm)、1∶6(3.14 mm∶18.9 mm)、1∶10(2.44 mm∶24.36 mm)的 3 種通道進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明長(zhǎng)寬比為1∶3通道的平均冷凝傳熱系數(shù)最高，約為17.5 kW/(m2·K)，且壓降最小，并預(yù)測(cè)了橫截面長(zhǎng)寬比為1∶3的通道為較理想的通道。

兩個(gè)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果都表明多通道烘缸的平均冷凝傳熱系數(shù)均較傳統(tǒng)烘缸的高［9，19］，且平均冷凝傳熱系數(shù)不受蒸汽質(zhì)量流率、壓力以及蒸汽干度的影響，通道內(nèi)壓較低。

但是靜止?fàn)顟B(tài)下的單通道蒸汽冷凝實(shí)驗(yàn)無法真實(shí)、全面地反映正常工作狀態(tài)下多通道烘缸內(nèi)通道中汽水兩相流的實(shí)際傳質(zhì)傳熱過程。因此，為了進(jìn)一步研究多通道烘缸的傳熱特性與干燥機(jī)理，驗(yàn)證多通道烘缸的可行性，將來要進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下單通道的蒸汽冷凝傳熱實(shí)驗(yàn)。

4 多通道烘缸的CFD仿真研究進(jìn)展

在多通道烘缸中，蒸汽被限制在通道中流動(dòng)，蒸汽冷凝并相變?yōu)槔淠?，兩者充分混合后在一起流?dòng)，形成汽水兩相流。由于氣相可壓縮，使得兩相之間具有可變形的相界面，因此是一種非常復(fù)雜的兩相流動(dòng)類型。為了探究多通道烘缸內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱特性，有必要進(jìn)行多通道烘缸的CFD仿真研究。CFD的基本思想是用一系列有限離散點(diǎn)上的變量值的集合來代替空間域和時(shí)間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng) (速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)等)，然后求解描述流體運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律的非線性數(shù)值方程組，得到在時(shí)間和空間上定量描述流場(chǎng)的數(shù)值解，對(duì)流體流動(dòng)和傳熱傳質(zhì)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)進(jìn)行分析，從而達(dá)到對(duì)物理問題進(jìn)行研究的目的［20］。

圖6 改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試段示意圖

國(guó)內(nèi)外對(duì)多通道烘缸的CFD研究相對(duì)較少，陜西科技大學(xué)對(duì)多通道烘缸的單通道進(jìn)行大量CFD研究［21-25］，首先建立了多通道烘缸通道中汽水兩相流均相流動(dòng)和分相流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型、通道內(nèi)蒸汽冷凝傳熱的數(shù)學(xué)模型;然后，利用Fluent軟件進(jìn)行了通道中汽水兩相流流型的數(shù)值模擬以及多通道烘缸傳熱性能的數(shù)值模擬。

在對(duì)流體流型的數(shù)值模擬方面，模擬了通道內(nèi)在不同氣相折算速率及不同液相折算速率工況下，通道中汽水兩相分布及其沿通道壁面方向的壓力降，模擬結(jié)果顯示通道內(nèi)兩相流流型與Mandhane流型圖中的數(shù)據(jù)有較高的吻合度，同時(shí)對(duì)通道內(nèi)壓力降進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)通道內(nèi)兩相流流型為環(huán)狀流或環(huán)霧狀流時(shí)通道內(nèi)壓力降有最小值，有助于提高烘缸傳熱效率。

在對(duì)多通道烘缸傳熱性能的數(shù)值模擬方面，對(duì)單個(gè)通道內(nèi)蒸汽冷凝傳熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到通道模型的平均冷凝傳熱系數(shù)約為15.6 kW/(m2·K)，與前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近，并且對(duì)通道的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)比具有不同長(zhǎng)寬比橫截面的數(shù)值模擬結(jié)果，得出長(zhǎng)寬比為1∶3的橫截面的傳熱系數(shù)相對(duì)較高，這與J.H.Shin的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符;另外，通過模擬多通道烘缸表面溫度，發(fā)現(xiàn)單一通道的傳熱過程有可能出現(xiàn)壁面溫度不均勻的現(xiàn)象。同時(shí)，通過模擬不同進(jìn)口壓力對(duì)多通道烘缸表面溫度的影響，得出在一定的范圍內(nèi)，提高入口壓力不僅可以提高多通道烘缸的干燥效率，還可以進(jìn)一步改善其表面溫度分布的不均勻性，為多通道烘缸優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)際操作條件提供了理論支撐。

5 結(jié)語

本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外多通道烘缸的研究進(jìn)展，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)研究以及CFD仿真研究等各個(gè)層面?，F(xiàn)有的研究成果表明，與傳統(tǒng)烘缸相比，多通道烘缸具有冷凝傳熱系數(shù)較高、壓力降較小、冷凝水排出順暢等特點(diǎn)，能夠滿足造紙?jiān)O(shè)備高速化的發(fā)展需要。同時(shí)，多通道烘缸目前仍有許多問題需要繼續(xù)探討和研究:在實(shí)驗(yàn)方面，未來要進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的單通道蒸汽冷凝傳熱實(shí)驗(yàn)。因此，在總結(jié)與分析前人研究成果的基礎(chǔ)上，用于模擬回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下單通道內(nèi)蒸汽冷凝傳熱過程的回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)正在籌建中。借助熱流儀(HFM，Heat Flow Meter)可以直接測(cè)得單通道內(nèi)各點(diǎn)熱流量及溫度，用于計(jì)算平均冷凝傳熱系數(shù);利用粒子圖像測(cè)速儀 (PIV，Particle Image Velocimetry)和平面激光誘導(dǎo)熒光測(cè)量系統(tǒng) (PLIF，Planar laser induced fluorescence)測(cè)量溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，得到通道內(nèi)部速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布情況;利用高幀頻數(shù)字相機(jī)觀察通道內(nèi)復(fù)雜的汽水兩相流流動(dòng)現(xiàn)象，觀察氣相的集中區(qū)域以及蒸汽堆積現(xiàn)象。借助以上先進(jìn)技術(shù)，可以研究單通道蒸汽冷凝傳熱模型的總體傳熱性能，并研究回轉(zhuǎn)的單通道內(nèi)兩相流流動(dòng)、熱傳遞等科學(xué)問題，以便能準(zhǔn)確掌握其規(guī)律。另一方面，現(xiàn)在還沒有一套完善、詳細(xì)的多通道烘缸設(shè)計(jì)方法和計(jì)算理論，適用于多通道烘缸的設(shè)計(jì)方法和計(jì)算理論需要進(jìn)一步的研究和完善。

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