擾流棒的研究與應(yīng)用

呂洪玉　卞學(xué)詢

摘要：對(duì)擾流棒的設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，通過對(duì)擾流棒材質(zhì)、截面尺寸及間距的設(shè)計(jì)，改進(jìn)了烘缸排水系統(tǒng)，提出了新的“不溢流”原理，并取得了一項(xiàng)發(fā)明專利。

關(guān)鍵詞：擾流棒；烘缸；冷凝水；熱傳導(dǎo)；不溢流原理

中圖分類號(hào)：TS734

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：1011981/jissn1000684220180240

烘缸為紙機(jī)干燥部的核心部件。向烘缸內(nèi)通入高壓蒸汽以干燥濕紙幅，由于烘缸內(nèi)外壁存在溫差，烘缸在運(yùn)行過程中蒸汽冷凝會(huì)產(chǎn)生冷凝水。冷凝水隨烘缸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在不同的轉(zhuǎn)速下，冷凝水在烘缸內(nèi)的存在形態(tài)有所不同。不同直徑的烘缸轉(zhuǎn)動(dòng)到某一速度后，冷凝水均會(huì)形成水環(huán)，即接近層流，并附著在烘缸內(nèi)壁。冷凝水的導(dǎo)熱系數(shù)為06 W/（K·m），鑄鐵導(dǎo)熱系數(shù)是冷凝水導(dǎo)熱系數(shù)的40倍，因此冷凝水的熱阻非常大，影響烘缸的干燥效率。因此，研究如何消除水環(huán)對(duì)提高烘缸的傳熱效率非常重要。

以直徑為1500 mm烘缸為例，當(dāng)車速達(dá)到600 m/min時(shí)，冷凝水會(huì)在烘缸內(nèi)壁形成水環(huán)[1]。理論分析表明，烘缸內(nèi)壁的水膜厚度每增加1 mm，烘缸外壁溫度約下降45℃。所以解決烘缸缸體內(nèi)水膜熱阻問題極為重要。解決水膜熱阻問題的方法一般有兩種：①添加擾流棒破壞冷凝水膜，將水的層流變?yōu)槲闪?，擴(kuò)大高壓蒸汽與烘缸內(nèi)壁的傳熱面積；②選用較好的冷凝水排出系統(tǒng)。本課題對(duì)擾流棒進(jìn)行了研究，提出不同烘缸運(yùn)行條件下擾流棒設(shè)計(jì)的方法。

1擾流棒的流體振動(dòng)理論簡(jiǎn)介

自20世紀(jì)60年代起，已經(jīng)有許多關(guān)于擾流棒的研究報(bào)告。國(guó)內(nèi)外各企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)都申報(bào)過擾流棒的專利，并且發(fā)表了一些對(duì)烘缸使用擾流棒解決傳熱的研究論文[2]。其中，Appel等[3]的研究表明，冷凝水在烘缸缸體的帶動(dòng)下形成水瀑落下。安裝擾流棒可使水流振蕩加劇，將冷凝水激振到空中，露出大量缸體內(nèi)壁，從而提高傳熱效率。由流體振動(dòng)理論推出擾流棒設(shè)計(jì)公式，見式（1）。

S=Riδ（1）

式中，S為擾流棒間距，mm，Ri為缸體內(nèi)半徑，mm，δ為水膜厚度，mm。

然而，此方法存在的問題在于，一是沒有考慮烘缸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，二是沒有考慮擾流棒的材質(zhì)與結(jié)構(gòu)尺寸等因素。例如，當(dāng)烘缸轉(zhuǎn)動(dòng)速度較高時(shí)，離心力的作用將使擾流棒不能發(fā)揮作用，烘缸內(nèi)冷凝水還會(huì)形成水環(huán)。這種方法的理論基礎(chǔ)是擾流棒與冷凝水的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使冷凝水發(fā)生共振，使其濺落到烘缸底部（如圖1所示）， 從而用固定虹吸管排出烘缸外。而這種共振情況在車速較低時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。

2擾流棒設(shè)計(jì)的“不溢流”理論

在高車速情況下的擾流棒設(shè)計(jì)，很難用經(jīng)典理論解決這一復(fù)雜的流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律問題。因此，本設(shè)計(jì)研究工作使用仿真軟件，計(jì)算在指定運(yùn)行條件下，不同的擾流棒材質(zhì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的情況下，冷凝水的流場(chǎng)分布，并計(jì)算其溫度場(chǎng)分布。擾流棒布置情況如圖2所示。計(jì)算中仿真模型的二維網(wǎng)格劃分如圖3所示。應(yīng)用前處理軟件GAMBIT劃分網(wǎng)格，二維計(jì)算約有60萬個(gè)四邊形網(wǎng)格，三維計(jì)算約有160萬個(gè)六面體網(wǎng)格。

本項(xiàng)計(jì)算選用較差的工作環(huán)境，即環(huán)境溫度設(shè)定較低值，且烘缸外壁的對(duì)流換熱系數(shù)較高，水膜較厚，由此計(jì)算的結(jié)果相對(duì)較保守。

關(guān)于計(jì)算結(jié)果可信度問題，本研究工作沿用了數(shù)值解與解析對(duì)照的方法，結(jié)果證明，數(shù)值解精確度相當(dāng)高。

第一階段仿真計(jì)算條件：烘缸直徑為1800 mm，設(shè)定安裝20、25、30根擾流棒3種情況。擾流棒為25 mm×25 mm空心管，車速為600、800、1000、1200、1500 m/min 5種情況。計(jì)算烘缸內(nèi)冷凝水流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布，圖4為車速分別為600和1500 m/min時(shí)烘缸內(nèi)冷凝水流場(chǎng)圖的一部分。

從圖4可以清楚看到，在給定的仿真計(jì)算條件下，車速為600 m/min時(shí)，冷凝水已經(jīng)近似形成水環(huán)，但是還有冷凝水在一端凝聚；車速為1500 m/min時(shí)，冷凝水在烘缸內(nèi)壁分布趨向均勻化，冷凝水并沒有在一端凝聚。這是因?yàn)檐囁俑撸x心力的作用使水膜分布更均勻。

用圖4還可以計(jì)算溫度場(chǎng)，以模擬分別安裝20、25、30根空心擾流棒的工況。

在給定的計(jì)算條件下，大量計(jì)算后可以得到不同條件下的溫度場(chǎng)比較，并將空心擾流棒數(shù)據(jù)與實(shí)心擾流棒的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到了在不同擾流棒條件下烘缸外壁溫度與車速的關(guān)系圖，結(jié)果如圖5所示。

分析圖5數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論。

（1）車速600 m/min時(shí)，安裝20根空心擾流棒后，烘缸外壁溫度較無擾流棒情況下提高638℃。這是因?yàn)樵诘蛙囁贂r(shí)，冷凝水沒有形成完整水環(huán)，且為紊流，故擾流棒作用較大。加上擾流棒后，冷凝水被分隔成若干部分，在重力、離心力的綜合作用下，每部分都會(huì)向同一個(gè)方向凝聚。這樣就將層流破壞，在兩根擾流棒之間的冷凝水厚度不同，甚至?xí)胁糠趾娓變?nèi)壁裸露出來并與水蒸氣直接接觸，提高傳熱效率。

（2）車速1500 m/min時(shí)，安裝空心擾流棒后溫度場(chǎng)與無擾流棒下的溫度場(chǎng)基本相同。這是因?yàn)樵诟哕囁贂r(shí)冷凝水已經(jīng)形成完整水環(huán)，且水流近似為層流，故擾流棒的作用已經(jīng)不明顯。在形成水環(huán)之后，車速越高，擾流棒的影響越小。這是因?yàn)檐囁僭礁?，離心力的作用越明顯，冷凝水向?qū)恿髭吔?/p>

（3）相同車速下，實(shí)心擾流棒比空心擾流棒作用大。這是因?yàn)樵趯恿飨拢招臄_流棒實(shí)際上是淹沒在水中，并且擾流棒與缸體內(nèi)壁間有間隙，且被水充滿。而實(shí)心擾流棒采用熱阻小的金屬鑄造，并且與缸體內(nèi)壁貼合緊密。在經(jīng)過大量計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水不溢流時(shí)，烘缸傳熱效果更好，所以提出在設(shè)計(jì)擾流棒時(shí)應(yīng)遵循“不溢流”的原則。

3冷凝水“不溢流”設(shè)計(jì)理念

圖6所示為冷凝水分布情況仿真圖。從圖6可以觀察到冷凝水繞過擾流棒的情況，稱為溢流（overflow）[4]。這種情況下由于溢流使冷凝水占據(jù)烘缸內(nèi)壁，飽和水蒸氣不能更多地接觸烘缸的內(nèi)壁，影響傳熱效果。

本研究擬通過改變擾流棒材質(zhì)、截面尺寸及間距，并改進(jìn)排水系統(tǒng)，來進(jìn)行冷凝水“不溢流”設(shè)計(jì)。

31擾流棒材質(zhì)、截面尺寸及間距設(shè)計(jì)

在烘缸內(nèi)安裝擾流棒可將冷凝水隔開，而在每個(gè)獨(dú)立的空間中水膜厚度不均，增加了烘缸內(nèi)壁與水蒸氣直接接觸的幾率。擾流棒裸露部分直接和水蒸氣接觸，提高了傳熱效率。這相當(dāng)于烘缸內(nèi)加肋的效果，但是成本比加肋烘缸低。因此，冷凝水“不溢流”設(shè)計(jì)理念適合用于高速紙機(jī)。

計(jì)算數(shù)據(jù)分析表明，以前采用的空心擾流棒無論兩頭是否封閉，熱阻仍然很大。為解決這個(gè)問題，擾流棒被改為用導(dǎo)熱較好的材料鑄造成實(shí)心棒，如銅、鋁等高導(dǎo)熱材質(zhì)。經(jīng)過分析計(jì)算，與不加擾流棒時(shí)相比，采用高導(dǎo)熱材料擾流棒時(shí)，車速1500 m/min時(shí)，烘缸外壁溫度可提高72℃，而車速600 m/min時(shí)，烘缸外壁溫度可提高111℃。

用相同的方法研究了直徑3660 mm、安裝40根擾流棒的烘缸情況。計(jì)算結(jié)果表明，與無擾流棒時(shí)相比，車速為600 m/min時(shí)，烘缸外壁溫度可提高113℃，車速1500 m/min時(shí)，烘缸外壁溫度可提高67℃。

為進(jìn)一步提高烘缸外壁溫度，研究了改變擾流棒的截面尺寸來加大傳熱面積以提高烘缸外壁溫度的方法。與截面尺寸為30 mm×40 mm的實(shí)心高導(dǎo)熱材料擾流棒相比，40 mm×50 mm實(shí)心高導(dǎo)熱材料擾流棒可使烘缸外壁溫度進(jìn)一步提高。

32改進(jìn)排水系統(tǒng)

為進(jìn)一步提高烘缸外壁溫度，并確保冷凝水“不溢流”，本研究改進(jìn)了排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在大直徑烘缸（直徑大于2500 mm）中，可采用新的排水系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)思路是將加肋烘缸內(nèi)壁加工出來的環(huán)形槽，改為在無溝槽的烘缸內(nèi)壁上沿軸線方向安裝計(jì)算好數(shù)量的實(shí)心擾流棒，使冷凝水不溢流。其目的是使冷凝水聚集在一起以便于固定式虹吸管將其排出。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示。上述排水系統(tǒng)，比旋轉(zhuǎn)式虹吸系統(tǒng)有更好的排水功能，能大幅限制水膜厚度，使得烘缸外壁溫度進(jìn)一步提高。

4擾流棒新設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

相對(duì)加肋烘缸，擾流棒新設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）加工方便，只需要烘缸的內(nèi)壁精車，擾流棒與烘缸內(nèi)壁接觸面光滑，使其有高導(dǎo)熱性能。

（2）安裝方便，大大減少機(jī)加工工作量。

（3）價(jià)格較低，對(duì)直徑3660 mm烘缸進(jìn)行估算，擾流棒與排水系統(tǒng)需1萬余元。

（4）在內(nèi)壓與托輥線荷載作用下不會(huì)產(chǎn)生新的應(yīng)力集中。

（5）新型排水系統(tǒng)進(jìn)一步提高了烘缸外壁溫度。

（6）添加擾流系統(tǒng)后，烘缸承受線荷載強(qiáng)度略低于加肋烘缸，但不會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中與溫度不均勻現(xiàn)象。

本項(xiàng)研究成果已獲得國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局發(fā)明專利[5]。

5結(jié)語

通過對(duì)紙機(jī)用烘缸傳熱問題進(jìn)行討論，特別是冷凝水流場(chǎng)分布及其對(duì)溫度場(chǎng)的影響，提出了擾流棒“不溢流”的設(shè)計(jì)方法，以提高烘缸傳熱效果，將使烘缸節(jié)能設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高。安裝擾流棒的方法適合現(xiàn)代高速紙機(jī)，為提高烘缸外壁溫度提供了創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，為制造高效節(jié)能烘缸開辟了廣泛前景。

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