互補(bǔ)式布漿器分布特性影響因素的實(shí)驗(yàn)研究

劉 偉

(廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東茂名，525000)

布漿器對(duì)水力流漿箱的漿料均布性能具有決定性的影響。早期的布漿方法有擴(kuò)展流道布漿法、多重對(duì)分布漿法、中間進(jìn)漿多支管布漿法、錯(cuò)流布漿法等，但由于存在缺陷，已基本被淘汰［1］，現(xiàn)在基本使用方錐管單向進(jìn)漿布漿法［2］。為解決進(jìn)漿壓力波動(dòng)的問題，20世紀(jì)末，出現(xiàn)了帶有脈沖衰減器的集中布漿法［3］。

方錐形布漿總管布漿性能取決于總管形狀的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的基本要求是進(jìn)入布漿管束漿料的流速和壓力相等。根據(jù)對(duì)流動(dòng)摩擦損失、分岔壓頭損失和收縮壓頭損失的考慮，出現(xiàn)了以Baines方程設(shè)計(jì)法為代表的一系列方法［4-6］。但Baines方程設(shè)計(jì)的方形錐管后壁形狀為復(fù)雜曲線，不便于加工制造。因此，盡管有較大的誤差，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)法即直線設(shè)計(jì)法仍然得到應(yīng)用。

近年來，對(duì)布漿器的分布性能、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及流動(dòng)特性進(jìn)行了較多的研究。劉曉丹等人［7-8］在分析了方錐管的不同設(shè)計(jì)理論和計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，對(duì)方錐管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，分析了過渡管結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)特性的影響。楊帥等人［9］對(duì)孔板式錐形布漿器孔口均一性布漿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。王海琛等人［10-11］通過增加進(jìn)口管后壁調(diào)節(jié)裝置，提出了一種無回流可調(diào)階梯式擴(kuò)散器流漿箱。J.H m l inen 等人［12］提出了數(shù)學(xué)模型，分析了從纖維懸浮流體到固態(tài)紙的動(dòng)力學(xué)。

針對(duì)方形錐管分布器內(nèi)橫向壓差較大及集中布漿器對(duì)幅寬適應(yīng)性較差的問題，采用互補(bǔ)式布漿器，利用方錐管器的分布不均勻性，可有效地解決上述問題［13-15］。

本課題簡(jiǎn)要分析了互補(bǔ)式布漿機(jī)理，通過簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了互補(bǔ)式布漿器的結(jié)構(gòu)和尺寸。采用實(shí)驗(yàn)研究了回流比、方錐總管進(jìn)料波動(dòng)及混合室結(jié)構(gòu)對(duì)互補(bǔ)式布漿器布漿性能的影響。

1 互補(bǔ)式布漿作用機(jī)理

互補(bǔ)式布漿器與傳統(tǒng)布漿器的組成有所區(qū)別，該布漿器主要由布漿總管Ⅰ、布漿總管Ⅱ、布漿支管束及混合室等部分組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中布漿總管由一對(duì)結(jié)構(gòu)形式、尺寸及制造方法完全相同的方錐總管組成，反向?qū)ΨQ上下布置?；旌鲜遗c傳統(tǒng)流漿箱混合室結(jié)構(gòu)基本相同，用于保障兩個(gè)總管支管束漿流的有效互補(bǔ)平均再分配?；パa(bǔ)式布漿器工作時(shí)，漿料分別經(jīng)由兩個(gè)布漿總管的過渡管按相等的流量，相向流入方錐總管內(nèi)，回流部分由回流口反向流出，其余部分漿料由支管束流出進(jìn)入混合室，再由湍流發(fā)生器均勻分布流入唇口收縮段，噴漿上網(wǎng)。

圖1 互補(bǔ)式布漿器結(jié)構(gòu)示意圖

由于方錐總管布漿的不均勻性，使得兩個(gè)布漿器對(duì)應(yīng)支管的質(zhì)量流量分布是兩種剛好相反的分布形態(tài)。因此，漿料在混合室中混合時(shí)，形成質(zhì)量流量分布完全相反的兩種趨勢(shì)的互補(bǔ)，因此達(dá)到了均勻布漿的目的［13］。

2 互補(bǔ)式布漿器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 方錐總管

方錐總管的設(shè)計(jì)方法有很多，常用的有簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)法、Baines方程設(shè)計(jì)法及其衍生法。由于互補(bǔ)式布漿方式能夠有效地使?jié){料混合均勻，所以采用簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)方錐總管的形狀，計(jì)算模型如圖2所示［14］，計(jì)算見式 (1)和式 (2)。

式中，A0為總管進(jìn)口截面積，m2;Ae為回流端截面積，m2;Ax為距進(jìn)口x處的截面積，m2;L為總管長(zhǎng)度，m;x為任一橫截面距總管進(jìn)口的距離，m。

圖2 方錐總管計(jì)算模型

互補(bǔ)式布漿器的布漿總管由兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸完全相同的方錐管組成，總漿料體積流量Q0為150 m3/h。由湍流發(fā)生器的高度確定總管的總高度B0為98 mm。錐管布漿器的錐管內(nèi)漿料流速v0通常在1.3～4.5 m/s范圍以內(nèi)，取v0=2.5 m/s作設(shè)計(jì)計(jì)算值，則錐管的高度H0計(jì)算見式 (3)。

經(jīng)驗(yàn)算，雷諾數(shù)Re=3.87×105，進(jìn)口漿流處于湍流狀態(tài)。取回流比a=10%，則回流端錐管高度h為17 mm。方錐總管的長(zhǎng)度L為274 mm。

2.2 布漿支管束

布漿支管束是一種高效的布漿整流元件，依靠漿料與管壁摩擦作用形成強(qiáng)烈的湍動(dòng)，漿流極易處于湍流狀態(tài)，形成一種均勻的纖維懸浮液，達(dá)到均勻布漿的作用。布漿支管束采取垂直式上下排列方式，如圖3所示。

支管漿速與總管漿速的比值，稱為加速比i。加速比i是影響錐管布漿器布漿性能的一個(gè)重要因素。支管的加速比i與噴漿偏角的關(guān)系如圖4所示，當(dāng)i≥3時(shí)，支管噴漿與總管垂直［4］。選定支管數(shù)量為12根，滿足加速比后，經(jīng)計(jì)算確定支管直徑 d為20 mm，排成兩排。

圖3 支管排列方式

圖4 加速比i與噴漿偏角的關(guān)系

在確定支管的長(zhǎng)度時(shí)，考慮到側(cè)向進(jìn)漿轉(zhuǎn)折流動(dòng)所產(chǎn)生的頸縮段要經(jīng)過一定長(zhǎng)度的進(jìn)口段區(qū)域流動(dòng)，才能逐漸擴(kuò)展成為充分發(fā)展流動(dòng)，因此，支管的長(zhǎng)度必須大于頸縮段和進(jìn)口段的長(zhǎng)度之和，其中進(jìn)口段長(zhǎng)度Le可按式 (4) 進(jìn)行計(jì)算［13］。

2.3 混合室

混合室的橫截面積通常由布漿器的橫截面積所決定，互補(bǔ)式布漿器混合室的長(zhǎng)度l在滿足式 (5)的要求下，確定其長(zhǎng)度為300 mm，高度為98 mm，寬度為 274 mm［16］。

式中，b0為支管半徑，mm;m0為流速比;C為常數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖5所示。儲(chǔ)液槽中的漿料經(jīng)泵送至互補(bǔ)式布漿器兩個(gè)相同的總管，兩路回流流回儲(chǔ)液槽，其余漿料經(jīng)由布漿管束進(jìn)入混合室，再流回儲(chǔ)液槽。在兩個(gè)布漿總管的進(jìn)口和回流口均設(shè)有調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)，泵的流量通過閥門調(diào)節(jié)。

本實(shí)驗(yàn)采用的測(cè)量?jī)x器是YK-TUF-2000H1型手持式超聲波流量計(jì)，配備的TS-2型傳感器可測(cè)量管徑范圍為15～100 mm。測(cè)量方法為將傳感器緊貼在管道外壁即可準(zhǔn)確測(cè)量流體的平均速度、流量及累計(jì)體積，測(cè)量結(jié)果可精確到小數(shù)點(diǎn)后4位。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

4 結(jié)果與討論

4.1 回流比的影響

為了檢驗(yàn)回流比對(duì)互補(bǔ)布漿效果的影響，在兩個(gè)方錐布漿總管的回流比相同的前提下，將回流比a分別設(shè)定為8%、10%、12%、15%，混合室出口布漿支管的漿料質(zhì)量流量和漿料分布偏差結(jié)果分別如圖6和圖7所示。從圖6、圖7可見，不同回流比時(shí)，混合室出口布漿支管的漿料質(zhì)量流量分布趨勢(shì)相似，質(zhì)量流量分布曲線與期望值非常接近。當(dāng)回流比a為8%時(shí)，漿料質(zhì)量流量最大差值為0.0118 kg/s，偏差為0.37%;回流比為10%時(shí)，漿料質(zhì)量流量最大差值為－0.0107 kg/s，偏差為－0.342%;回流比為12%時(shí)，漿料質(zhì)量流量最大差值為－0.0103 kg/s，偏差為－0.337%;回流比為15%時(shí)，漿料質(zhì)量流量最大差值為－0.0097 kg/s，偏差為－0.328%。結(jié)果表明，回流比對(duì)互補(bǔ)布漿效果影響不大，實(shí)際操作時(shí)允許回流比圍繞10%有一定的波動(dòng)。

圖6 不同回流比下漿料質(zhì)量流量

4.2 兩個(gè)錐管內(nèi)漿料流量波動(dòng)的影響

流漿箱實(shí)際工作時(shí)，由于漿泵的工作特性，布漿總管的進(jìn)料流量可能會(huì)有微小的波動(dòng)。對(duì)于單錐管布漿器，這種流量的微小波動(dòng)對(duì)漿料均布性能和紙張成形將產(chǎn)生較大的影響?；パa(bǔ)布漿時(shí)，同樣會(huì)存在總管進(jìn)料波動(dòng)的問題。實(shí)驗(yàn)中，在保持互補(bǔ)式布漿器總進(jìn)料量不變的前提下，設(shè)計(jì)了兩個(gè)工況，工況一為兩個(gè)布漿總管進(jìn)口漿料體積流量分別為75.5 m3/h和74.5 m3/h，每個(gè)總管相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)漿料體積流量的偏差為0.67%;工況二為兩個(gè)布漿總管進(jìn)口漿料體積流量分別為76 m3/h和74 m3/h，每個(gè)總管相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)漿料體積流量的偏差為1.3%。對(duì)兩種工況的測(cè)量結(jié)果如圖8所示。兩個(gè)總管漿料質(zhì)量流量不相等時(shí)，漿料分布的均勻性有所降低，不僅兩排支管的漿料質(zhì)量流量分布有較明顯的差別，與期望值的差別更明顯。如圖8(a)～圖8(c)所示，工況一時(shí)，第一排支管總質(zhì)量流量為18.7616 kg/s，第二排支管總質(zhì)量流量為18.7155 kg/s，相差0.0461 kg/s。工況二時(shí)，第一排支管總質(zhì)量流量為18.7929 kg/s，第二排支管總質(zhì)量流量為18.6845 kg/s，相差0.1084 kg/s。工況一時(shí)，第一排支管質(zhì)量流量最大差值為0.012 kg/s，偏差為0.384%，第二排支管質(zhì)量流量最大差值為0.0194 kg/s，偏差為0.621%。工況二時(shí)，第一排支管質(zhì)量流量最大差值為0.0158 kg/s，偏差為0.416%，第二排支管質(zhì)量流量最大差值為－0.0196 kg/s，偏差為0.717%。由于布漿器Ⅰ進(jìn)料流量比布漿器Ⅱ的大，在混合室中兩排支管漿料流混合時(shí)，射流會(huì)偏向流量大的一側(cè)，造成混合時(shí)出口第一排支管流量大于第二排支管的流量。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，兩個(gè)總管內(nèi)的流量應(yīng)該盡量保持相等。但實(shí)際操作時(shí)，不可避免會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)總管內(nèi)流量有波動(dòng)的情況，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建議單個(gè)總管內(nèi)流量波動(dòng)偏差控制在1%以內(nèi)較為合適。

圖7 不同回流比下漿料分布偏差

圖8 兩個(gè)錐管內(nèi)流量不同時(shí)漿料分布

圖9 混合室結(jié)構(gòu)示意圖

4.3 混合室結(jié)構(gòu)的影響

混合室是互補(bǔ)式布漿器的重要部分，也是漿料互補(bǔ)混合、平均的場(chǎng)所。單腔混合室中支管射流存在明顯的偏流現(xiàn)象，會(huì)影響漿料均布性能［17］。實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)計(jì)了3種結(jié)構(gòu)的混合室，即混合室Ⅰ、混合室Ⅱ、混合室Ⅲ，如圖9所示［18］。

對(duì)不同混合室的布漿器，測(cè)試了不同回流比下的漿料質(zhì)量流量分布，結(jié)果如圖6、圖7、圖10、圖11、圖12、圖13所示。采用混合室Ⅰ結(jié)構(gòu)時(shí)，由于混合室是單腔結(jié)構(gòu)，從布漿總管進(jìn)入混合室的支管射流在混合室內(nèi)混合時(shí)，明顯的射流卷吸作用使射流偏向混合室中部，導(dǎo)致混合室出口中間位置的流量明顯大于兩側(cè) (見圖6)。混合室Ⅱ是兩組支管為一組的多腔結(jié)構(gòu)，射流在混合分室內(nèi)的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象明顯得到改善，漿料分布更加均勻，如圖10所示?；旌鲜尧笫且唤M支管為一組的多腔結(jié)構(gòu)，每組對(duì)應(yīng)的支管射流在混合分室內(nèi)獨(dú)立混合，基本不存在射流偏轉(zhuǎn)，混合效果最好，漿料分布最均勻，更接近期望值，如圖12所示。從漿料質(zhì)量流量偏差來看，3種結(jié)構(gòu)的最大偏差分別為－0.342%、－0.285%、0.258%，也說明了多腔混合室比單腔混合室混合效果好。

圖10 混合室Ⅱ出口漿料分布

圖11 混合室Ⅱ出口漿料分布偏差

圖12 混合室Ⅲ出口漿料分布

圖13 混合室Ⅲ出口漿料分布偏差

5 結(jié)論

根據(jù)互補(bǔ)式布漿方法，設(shè)計(jì)了互補(bǔ)式布漿器，采用實(shí)驗(yàn)方法研究了回流比、布漿總管進(jìn)料波動(dòng)、混合室結(jié)構(gòu)對(duì)布漿性能的影響。

(1)在互補(bǔ)式布漿方式下，不必采用復(fù)雜的錐管設(shè)計(jì)方法，可采用簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)布漿總管結(jié)構(gòu)。

(2)在兩個(gè)布漿總管回流比相同的情況下，回流比的輕微變化對(duì)互補(bǔ)式布漿器的漿料均布性能影響不大，仍可保證良好的布漿效果。

(3)兩個(gè)布漿總管的漿料流量波動(dòng)時(shí)，布漿性能曲線與期望值的偏差增大，但將總管內(nèi)的漿料流量偏差控制在1.3%以內(nèi)時(shí)，支管內(nèi)漿料流量偏差仍能保持在1%以內(nèi)。

(4)3種混合室結(jié)構(gòu)的布漿器在不同回流比時(shí)均具有較好的布漿效果，但多腔混合室好于單腔混合室。