鋼制導(dǎo)熱油烘缸的數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

馮益華 李亞男 王麗 張家薈 周炫

摘要： 針對(duì)鋼制導(dǎo)熱油烘缸在工作時(shí)出現(xiàn)工作表面溫度分布不均勻、溫差大等情況，采用三維建模和模擬仿真方法對(duì)鋼制導(dǎo)熱油烘缸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。本研究主要從3個(gè)方面對(duì)鋼制導(dǎo)熱油烘缸進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，分別是改變循環(huán)油路通道數(shù)量，改變進(jìn)油槽與出油槽上孔的排列方式，改變循環(huán)油路的結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，相對(duì)其他烘缸結(jié)構(gòu)，具有循環(huán)油路通道數(shù)量為20個(gè)、進(jìn)油槽與出油槽上孔為單排排列、循環(huán)油路兩兩相通的鋼制導(dǎo)熱油烘缸的性能更好，可以達(dá)到工作表面溫度分布均勻、溫差控制在±5℃以?xún)?nèi)的目的。

關(guān)鍵詞：溫度分布;溫差;模擬仿真;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TS734 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.11.008

Abstract： Aiming at the uneven temperature distribution and the large temperature difference on the working surface of steel drying cylinder with oil heating during operation. The structure of the steel dryer was optimized by three-dimensional modeling and simulation. In this study， the structural improvement of the steel cylinder was mainly carried out from three aspects： changing the number of circulating oil pass-ages; changing the arrangement of the holes on the oil tank; and changing the structure of the circulating oil passage. The research results showed that the performance of the steel dryer with 20 circulating oil passages， the holes on the oil tank were arranged in a single row， and the circulating oil passages connected with each other was better than that of other dryer cylinders. It achieved the uniform distribution of working surface temperature and temperature difference in ±5℃.

Key words： temperature distribution; temperature difference; simulation; sructural optimization

目前小型造紙企業(yè)的紙機(jī)干燥部設(shè)備應(yīng)用較多的是傳統(tǒng)蒸汽鑄鐵烘缸[1-2]。而鋼制導(dǎo)熱油烘缸由于質(zhì)量輕、烘缸外壁薄、傳熱效率高、制造周期短、對(duì)紙張邊緣受熱均勻性好等特點(diǎn)也得到一定的市場(chǎng)認(rèn)可。相對(duì)于蒸汽烘缸，導(dǎo)熱油烘缸還具有比熱容高、可攜帶更多的熱量、不會(huì)產(chǎn)生冷凝水、更不需要虹吸管[3-5]和擾流棒[6-8]等額外裝置的優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)某造紙?jiān)O(shè)備企業(yè)生產(chǎn)的某型號(hào)鋼制導(dǎo)熱油烘缸的用戶(hù)使用情況反映，烘缸工作表面的溫差仍達(dá)不到理想的工藝要求，需要針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。本研究采用Solidworks建模軟件和Ansys有限元分析軟件針對(duì)烘缸的結(jié)構(gòu)展開(kāi)優(yōu)化工作。烘缸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是改變循環(huán)油路通道的數(shù)量、循環(huán)油路的方向、進(jìn)油槽與出油槽的結(jié)構(gòu)。嚴(yán)彥等人[9]提出了多通道烘缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)分析通道數(shù)量、高寬比和間隔比對(duì)蒸汽冷凝傳熱系數(shù)及沿程阻力的影響。研究表明，當(dāng)通道數(shù)量為 150～200個(gè)、高寬比為 1∶3 及間隔比為 1∶1～1∶3 時(shí)，多通道烘缸的整體性能最好。H?m?l?inen等人[10]開(kāi)發(fā)和測(cè)試了一種應(yīng)用在重要工業(yè)最優(yōu)形狀設(shè)計(jì)問(wèn)題中的數(shù)值算法，通過(guò)將數(shù)值方法應(yīng)用到紙機(jī)流漿箱中錐形割臺(tái)幾何形狀的優(yōu)化中，證明形狀優(yōu)化可用于工業(yè)流動(dòng)模型中達(dá)到改進(jìn)的作用。Argonne National Laboratory與Johnson公司合作研究了多通道烘缸的可行性[11]，陜西科技大學(xué)針對(duì)多通道烘缸的理論與有限元分析，對(duì)烘缸內(nèi)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使烘缸內(nèi)的溝槽與主軸有一定的夾角，有利于冷凝水在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的通道中排出，在內(nèi)筒兩端設(shè)計(jì)蒸汽入口，使單側(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，使鄰汽水通道中的流體呈叉流流動(dòng)，并對(duì)多通道烘缸結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬及實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示滿(mǎn)足傳熱要求，烘缸表面溫度的均勻性也明顯改善，烘缸表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高。

1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)鋼制導(dǎo)熱油烘缸的實(shí)際工作條件和環(huán)境，運(yùn)用Ansys fluent軟件對(duì)其模型進(jìn)行模擬工作。在模擬過(guò)程中是將實(shí)際應(yīng)用轉(zhuǎn)化到數(shù)學(xué)問(wèn)題應(yīng)用上，以數(shù)值的方式輸出結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行整理和分析。烘缸在工作時(shí)的雷諾數(shù)Re≥4000，處于湍流階段，因此采用Standard k-ε湍流模型進(jìn)行運(yùn)算，在這個(gè)過(guò)程中的控制方程有質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、k和ε湍流動(dòng)能方程及能量守恒方程，其表達(dá)式如式（1）～式（7）所示[12-15]：

2 數(shù)值模擬工作

2.1 模型的建立及邊界條件的設(shè)置

鋼制導(dǎo)熱油烘缸的尺寸為Ф1800 mm×L 1300 mm，通過(guò)Soildworks軟件對(duì)烘缸結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模及烘缸內(nèi)循環(huán)油路的方向如圖1所示，運(yùn)用Ansys軟件對(duì)裝配模型進(jìn)行有限元?jiǎng)澐趾湍M工作。模型的裝配工作首先要對(duì)烘缸模型運(yùn)用布爾運(yùn)算得到在烘缸內(nèi)部的流體部分，再將流體部分與烘缸部分進(jìn)行耦合（即將烘缸與流體的接觸面和流體與烘缸的接觸面耦合在一起）。有限元?jiǎng)澐止ぷ鲗Ⅰ詈夏Ｐ蛣澐殖闪?個(gè)部分：進(jìn)口、出口、烘缸部分、流體部分、烘缸與流體的接觸面、流體與烘缸的接觸面、烘缸外壁表面、工作表面（烘缸外壁表面由中心往兩端取1060 mm）、其他表面。模擬過(guò)程的計(jì)算方法選擇Standard k-ε湍流模型，邊界條件的設(shè)置為烘缸進(jìn)口采用速度進(jìn)口，出口選擇自由出口。

1—外壁 2—金屬管 3—進(jìn)口 4—循環(huán)油路通道 5—出口 6—進(jìn)油槽 7—出油槽

2.2 數(shù)值模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型計(jì)算的準(zhǔn)確性，需要先根據(jù)設(shè)定的邊界條件對(duì)光滑管道進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)使用量綱分析法與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，得到相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的方法進(jìn)行驗(yàn)證，本方法通過(guò)引入以努塞爾數(shù)Nu為目標(biāo)函數(shù)的Dittus-Boelter實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，該努塞爾數(shù)已被大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并擬合，如式（8）～式（10）所示 [16]：

式中，d為管道特征直徑;ρ為流體密度;v為流體速度;μ為流體的動(dòng)力黏度;cp為流體的恒壓熱容。在流體加熱時(shí)，n=0.4;在流體冷卻時(shí)，n=0.3。Dittus-Boelter公式適用范圍為 0.7～120，L/d≥ 60。

對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行處理得到以Nu為目標(biāo)函數(shù)的模型，并驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，兩者趨向是一致的，誤差最大為7.75%，誤差在可允許的范圍內(nèi)，也證明了數(shù)值運(yùn)算模型可應(yīng)用到該模型上。對(duì)企業(yè)使用的鋼制導(dǎo)熱油烘缸模型在不同Re的邊界條件下進(jìn)行模擬工作，模擬的烘缸外壁表面溫度分布云圖如表1所示。從表1可以看出，隨著Re的增加，外壁表面平均溫度提高，溫度分布趨向均勻分布，但是溫差遠(yuǎn)達(dá)不到紙張生產(chǎn)干燥所要求的溫度，因此對(duì)烘缸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)模擬仿真工作確定優(yōu)化結(jié)果。

3 優(yōu)化和模擬工作

3.1 優(yōu)化方式

優(yōu)化工作以現(xiàn)有的鋼制導(dǎo)熱油烘缸結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)（循環(huán)油路為20個(gè)進(jìn)20個(gè)出、金屬管數(shù)量為20個(gè)、循環(huán)油路數(shù)量為20個(gè)、進(jìn)油槽和出油槽與金屬管連接孔雙排排列），主要從3個(gè)方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化：①改變金屬管的數(shù)量即循環(huán)油路通道數(shù)量;②將進(jìn)油槽與出油槽上與金屬管連接的孔的排列由雙排改成單排;③改變循環(huán)油路的方向。

優(yōu)化方式1（OMF）：將烘缸循環(huán)油路、金屬管的數(shù)量減少為12個(gè)和16個(gè);優(yōu)化方式2（OMS）：將烘缸進(jìn)油槽和出油槽上與金屬管連接的孔的排列由雙排改成單排，而OMS中各烘缸金屬管的數(shù)量，循環(huán)油路的通道數(shù)量、循環(huán)油路的方向與OMF中結(jié)構(gòu)相同;優(yōu)化方式3（OMT）：與OMF和OMS明顯不同的是循環(huán)油路的方向發(fā)生了變化。表2為不同優(yōu)化方式中鋼制導(dǎo)熱油烘缸結(jié)構(gòu)差異。從表2可以看出，OMT中的循環(huán)油路每?jī)蓷l通道是連通的，即連接相鄰兩條通道的隔板一端是封閉的，一端是連通的，而OMF和OMS中的循環(huán)油路連接每條油路通道的隔板兩端都是封閉的，這樣就導(dǎo)致OMT油路循環(huán)方向與OMF和OMS不同，且在相同循環(huán)油路通道數(shù)量下，OMT中連接進(jìn)油槽與金屬管、出油槽與金屬管的孔和金屬管的數(shù)量是OMF與OMS中孔和金屬管數(shù)量的1/2。

3.2 模擬結(jié)果

表3是不同優(yōu)化方式下的鋼制導(dǎo)熱油烘缸，在Re=1071428下進(jìn)行模擬工作后烘缸外壁表面溫度分布云圖。從表3中可以看出，隨著通道數(shù)量的增加，不同烘缸外壁高溫區(qū)域范圍也在增加，烘缸外壁表面的平均溫度在提高，但OMT優(yōu)化方式中烘缸工作表面溫差最小，溫度分布趨于均勻。

3.3 數(shù)據(jù)分析

圖3（a）、圖4（a）、圖5（a）分別為不同優(yōu)化方式中不同循環(huán)油路通道數(shù)量的烘缸工作壓力隨Re的變化。從總體上看，不同烘缸的工作壓力隨著Re的升高而升高，而且不同優(yōu)化方式中烘缸的工作壓力在相同Re下隨著循環(huán)油路數(shù)量的增加而增加，但工作壓力隨著通道數(shù)量變化的增加率遠(yuǎn)小于隨著Re變化的增加率。因此，烘缸通道數(shù)量的變化對(duì)烘缸的工作壓力影響較小。

圖3（b） 、圖4（b） 、圖5（b） 分別為不同優(yōu)化方式中不同循環(huán)油路通道數(shù)量的烘缸外壁表面平均溫度隨Re的變化。從圖中可以看出，不同烘缸的外壁表面平均溫度隨著Re的升高而升高，OMF中烘缸的外壁表面平均溫度在相同Re下隨著循環(huán)油路通道數(shù)量的增加而增加，但是增加率并不大，OMS和OMT中烘缸的外壁表面平均溫度在相同Re下隨著循環(huán)油路通道數(shù)量的增加變化并不明顯，再結(jié)合表3可以看出，循環(huán)油路通道數(shù)量的增加對(duì)烘缸外壁表面平均溫度的影響不大。

圖3（c） 、圖4（c） 、圖5（c） 分別為不同優(yōu)化方式中不同循環(huán)油路數(shù)量的烘缸外壁表面溫差隨Re的變化。從圖中可以看出，不同烘缸外壁表面溫差隨Re的增加而降低。

圖3（d） 、4（d） 、5（d） 分別為不同優(yōu)化方式中不同循環(huán)油路通道數(shù)量的烘缸工作表面溫差隨Re的變化。所有烘缸的工作表面溫差隨著Re的升高而降低，而且在相同Re的情況下，不同優(yōu)化方式中循環(huán)油路通道數(shù)量為20個(gè)的烘缸工作表面溫差最低。

以上分析得出，各參數(shù)隨Re的增加變化明顯，而且在相同Re條件下，烘缸通道數(shù)量的變化對(duì)其工作壓力以及烘缸外壁表面溫度分布的影響較小，對(duì)外壁表面溫差的影響也沒(méi)有一定規(guī)律，但是從通道數(shù)量對(duì)烘缸工作表面溫差的影響中得出，在相同Re的情況下，不同優(yōu)化方式中循環(huán)油路通道數(shù)量為20個(gè)的烘缸工作表面溫差最低。

圖6為不同優(yōu)化方式中循環(huán)油路通道數(shù)量為20個(gè)的烘缸各參數(shù)隨Re的變化趨勢(shì)，從圖6（a）可以看出，隨著Re的升高，不同烘缸的工作壓力均升高，但是烘缸結(jié)構(gòu)的變化對(duì)烘缸工作壓力的影響并不明顯。圖6（b）和圖6（d）分別為不同優(yōu)化方式中循環(huán)油路通道數(shù)量為20個(gè)的烘缸外壁表面平均溫度和工作表面溫差隨Re的變化，從圖6中明顯可以看出，OMT優(yōu)化方式的烘缸更理想，因?yàn)樵谙嗤琑e的條件下，OMT優(yōu)化方式的鋼制導(dǎo)熱油的烘缸外壁表面的平均溫度要高于其他兩種優(yōu)化方式的烘缸，而且工作表面的溫差低于其他兩種優(yōu)化方式的烘缸。因此通過(guò)綜合分析選擇優(yōu)化方式OMT的烘缸作為最優(yōu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié) 論

4.1 通過(guò)模擬計(jì)算分析，運(yùn)用Dittus-Boelter實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的方法對(duì)論文中的模擬模型進(jìn)行驗(yàn)證，證明了驗(yàn)證方法的可行性和模擬工作的準(zhǔn)確性。

4.2 通過(guò)綜合分析鋼制導(dǎo)熱油烘缸循環(huán)油路結(jié)構(gòu)的變化對(duì)烘缸的工作壓力和外壁表面平均溫度的影響很小，但烘缸工作壓力和外壁表面平均溫度會(huì)隨著Re的升高而升高。

4.3 經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，從烘缸工作表面溫差方面得出循環(huán)油路通道數(shù)量為20個(gè)的鋼制導(dǎo)熱油烘缸結(jié)構(gòu)比循環(huán)油路通道數(shù)量為12個(gè)和16個(gè)的要好，且循環(huán)油路通道數(shù)量為20個(gè)的優(yōu)化方式OMT鋼制導(dǎo)熱油烘缸結(jié)構(gòu)比其他兩種優(yōu)化方式好，因此選擇OMT優(yōu)化方式中循環(huán)油路通道數(shù)量為20個(gè)的鋼制導(dǎo)熱油烘缸結(jié)構(gòu)作為最優(yōu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] DONG Jixian， DANG Rui. The Study and Design of the New Type Multiport-dryer[J].China Pulp & Paper， 2009， 28（6）：45.董繼先，黨 睿. 造紙機(jī)新型烘缸的研究與設(shè)計(jì)[J].中國(guó)造紙，2009，28（6）：45.

[2] CHANG Zhiguo， DONG Jixian， DANG Rui， et al. Research Progress in the Dryer of Paper Machine[J]. Transactions of China Pulp and Paper，2012，27（4）：50.常治國(guó)，董繼先，黨 睿，等. 紙機(jī)烘缸的研究進(jìn)展[J].中國(guó)造紙學(xué)報(bào)，2012，27（4）：50.

[3] WANG Bing. Application of Single-Support Rotary Syphon in the Dryer of Paper Machine [J].China Pulp & Paper，2003，22（6）：38.汪 冰. 單支撐旋轉(zhuǎn)虹吸器在紙機(jī)烘缸中的應(yīng)用[J].中國(guó)造紙，2003，22（6）：38.

[4] Li Qingzhu， Zhao Taigang. A new type of fixed siphon in drying cylinder [J]. China Pulp & Paper Industry， 2002，23（4）：43.李慶祝，趙太剛. 新型烘缸固定式虹吸管[J].中華紙業(yè)，2002，23（4）：43.

[5] Ouyang Yuxia， Dong Jixian. New-style Stationary Siphon[J]. World Pulp and Paper，2006，25（2）：53.歐陽(yáng)玉霞，董繼先. 新型懸臂式虹吸管[J].國(guó)際造紙， 2006，25（2）：53.

[6] Hua Jian ，Shan Xiangnian. Johnson Tubulator Bars-Effective measures to increase the heat transfer efficiency of high- and medium-speed paper machine's duyer [J]. China Pulp & Paper Industry，2004，25（4）：29.華 建，單翔年. Johnson擾流棒——提高中高速紙機(jī)烘缸傳熱效率的有效裝置[J]. 中華紙業(yè)，2004，25（4）：29.

[7] Dong Jixian. Tabulator Bars——The Supplementary Installation Effective To Increase Drying Capactty Of Dryer Cylinder [J]. Hunan Papermaking， 2007（2）：54.董繼先. 擾流棒——有效提高烘缸干燥性能的輔助裝置[J].湖南造紙，2007（2）：54.

[8] Gregory L W，Shan Xiangnian. The effect of turbulence bar in increasing heat conduction performance and condensate discharge [J]. China Pulp & Paper Industry，2009，30（10）：105.Gregory L W，單翔年. 擾流棒在提高熱傳導(dǎo)性能和冷凝水排出過(guò)程中的作用[J]. 中華紙業(yè)，2009，30（10）：105.

[9] YAN Yan，DONG Jixian， TANG Wei，et al.Study on the Influence of Structural Parameters of Multi-channel Cylinder Dryer on Heat Transfer Performance[J]. Transactions of China Pulp and Paper， 2015，30（3）：41.嚴(yán) 彥，董繼先，湯 偉，等. 多通道烘缸結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)烘缸傳熱性能的影響[J].中國(guó)造紙學(xué)報(bào)， 2015，30（3）：41.

[10] H?m?l?inen J ，M?Kinen R A E ， Tarvainen P . Optimal design of paper machine headboxes[J]. International Journal for Numerical Methods in Fluids，2000，34（8）：685.

[11] Kadant Johnson . Multiport Dryer Technology Breakthrough Dryer Technology Will Greatly Improve Papermaking Efficiency[G]// Argonne National Laboratory. US Department of Energy Efficiency and Renewable Energy Industrial Technologies Program.Argonne，Illinois： 9700 South Cass Avenut， 2006.

[12] Wang Fujun. Computational Fluid Dynamics Analysis： Principles and Applications of CFD Software [M]. Beijing： Tsinghua University Press，2004.王福軍. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析： CFD 軟件原理與應(yīng)用[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社，2004.

[13] Wen Zheng， Shi Chenliang， Ren Yiru. Fluent Fluid Computing Application Tutorial [M]. Beijing： Tsinghua University Press，2009.溫 正， 石良辰， 任毅如. ?Fluent 流體計(jì)算應(yīng)用教程[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社，2009.

[14] Li Jinliang， Li Chengxi， Hu Renxi. Fluent flow field analysis[M]. Beijing： Chemical Industry Press， 2007.李進(jìn)良，李承曦，胡仁喜. Fluent 流場(chǎng)分析[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[15] Zhu Hongjun， Lin Yuanhua， Xie Longhan. FLUENT Fluid Analysis and Simulation Practical Tutorial[M]. Beijing： People's Posts and Telecommunications Press，2010.朱紅鈞， 林元華， 謝龍漢. FLUENT 流體分析及仿真實(shí)用教程[M]. 北京：人民郵電出版社，2010.

[16] Tian L T， He Y L， Lei Y G， et al， Numerical study of fluid flow and heat transfer in a flat-plate channel with longitude vortex generators by applying field synergy principle analysis[J]， Inter-national Communications in Heat and Mass Transfer，2009，36（2）：111.

（責(zé)任編輯：黃舉）