射流氣罩優(yōu)化設(shè)計(jì)的傳熱性能探討

師晉生 呂洪玉 卞學(xué)詢

（天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津，300222）

衛(wèi)生紙機(jī)的干燥部一般由壓榨輥、揚(yáng)克烘缸與氣罩3部分組成，這3部分的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)共同決定紙機(jī)干燥部的工作狀態(tài)并影響其能源效率。其中壓榨輥和烘缸的設(shè)計(jì)制造已經(jīng)日趨成熟，而氣罩的形式和結(jié)構(gòu)還有許多問題需要解決。目前紙機(jī)的設(shè)計(jì)焦點(diǎn)已經(jīng)集中到節(jié)能方面[1-2]，要達(dá)到節(jié)能的目的，氣罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)是其中重要的一環(huán)[3-5]。

目前大量揚(yáng)克烘缸的氣罩是采用射流孔板向烘缸上的紙幅噴射高速高溫氣流，以對紙幅進(jìn)行干燥操作。對這種氣罩的設(shè)計(jì)要考慮兩方面，一是按照目前的能源政策，首先需要將已有的燃?xì)鈿庹指臑檎羝驘峥諝鈿庹郑侨绾卧O(shè)計(jì)出高效的蒸汽或空氣氣罩，充分發(fā)揮熱能的作用，這就要求氣罩的射流系統(tǒng)能在紙幅上產(chǎn)生高效的傳熱性能。本文對采用圓形噴孔的射流氣罩優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，分析特定工況算例的傳熱特性，并對傾斜射流提出改進(jìn)措施，旨為射流氣罩的設(shè)計(jì)提供參考。

1 射流孔板的結(jié)構(gòu)

1.1 射流工作過程

紙機(jī)上紙張的干燥是濕紙幅所含水分的蒸發(fā)過程，其內(nèi)部機(jī)理復(fù)雜，蒸發(fā)的快慢涉及很多因素[6-7]，濕紙幅的干燥速率是制約紙機(jī)生產(chǎn)能力的一個關(guān)鍵因素。在烘缸外表面，從氣罩上高速噴射出高溫氣流對紙幅的外側(cè)進(jìn)行射流加熱，是提高紙幅干燥速率的一個有效手段。射流氣罩就是在氣罩的底板上加工出多個圓形小孔，或者是在氣罩底板上開出相互等距平行的多條小槽縫。在烘缸的干燥過程中，高速高溫氣流噴射到紙幅外表面，把熱量傳遞給濕紙幅，同時，烘缸內(nèi)部由蒸汽冷凝放出的熱量也傳到紙幅的內(nèi)表面，內(nèi)外表面?zhèn)鱽淼臒崃渴辜埛鶞囟壬?，在外表面釋放出水蒸氣被射流氣體帶走。

在恒速干燥階段，紙幅溫度不變，射流傳給紙幅的熱量和烘缸內(nèi)部傳來的熱量完全用于紙幅水分的蒸發(fā)，在紙幅進(jìn)入和離開氣罩的階段，紙幅里邊蒸發(fā)出的水分較少，射流傳給紙幅的熱量主要用于紙幅溫度的升高。在干燥的恒溫恒速階段，傳熱和傳質(zhì)的能量達(dá)到平衡，只考慮傳熱速率就可以確定干燥速率。射流的傳熱效果與其流場密切相關(guān)，流場的好壞又主要取決于氣體噴射的速度以及噴孔孔徑、噴孔布局、噴孔之間的距離、噴孔與紙幅的距離等。因此，用于噴射氣體的射流孔板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，目前不同的造紙?jiān)O(shè)備廠對于氣罩射流板有著不同的設(shè)計(jì)。

1.2 噴孔的幾何設(shè)計(jì)

圖1為在烘缸外側(cè)圓周設(shè)有射流孔板的示意圖，可以看出一系列的長方形矩形盒子沿烘缸外表面均勻等距排列，形成一個包角>270o以上的圓弧，矩形方盒長度與烘缸軸線平行，方盒底面即為射流孔板，孔板板面與烘缸缸面等距平行，盒子與盒子之間沿烘缸周向留有間隙以供射流氣體排出。每一個噴孔的射流均在與自己正對的烘缸表面上的一小塊圓形區(qū)域內(nèi)達(dá)到最高傳熱效率，從這片區(qū)域向外，傳熱效率迅速降低。射流孔板上噴孔的布置就是要盡力使孔與孔之間的這片高傳熱區(qū)相互接近，同時又要使從噴射目標(biāo)板面上離開的射流氣體盡量沒有障礙地離開流場。

圖1 烘缸外側(cè)射流氣罩布置Fig.1 Jet hood displayed around dryer

圖2展示出了射流孔板上噴孔的一種等間距分布及其氣體回流的縫隙，噴孔的等間距分布大多形成等邊三角形，該結(jié)構(gòu)因其傳熱性能較好而受到推崇。

圖2 射流孔板及板間回流間隙Fig.2 Perforated plate and exhaust return duct

目前對各種形式的噴孔噴射出氣體或液體對目標(biāo)表面進(jìn)行加熱或冷卻已經(jīng)有了大量的研究[8-10]，很多研究工作者對射流的這種熱質(zhì)傳遞進(jìn)行了廣泛探索[11-13]，研究了射流速度、噴孔尺寸、溫度、射流角度、噴射面的形狀及運(yùn)動等因素對傳熱傳質(zhì)的影響，提出了各種具體實(shí)驗(yàn)條件下的傳熱關(guān)聯(lián)式[14-15]，其中德國人Martin[15]的綜合性報告是迄今為止關(guān)于射流熱質(zhì)傳遞最為系統(tǒng)全面的，有一定的權(quán)威性。它提出了多孔射流情況下傳熱傳質(zhì)系數(shù)的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，并提出了圓形噴孔與槽縫噴孔的孔板優(yōu)化設(shè)計(jì)的條件，其優(yōu)化目標(biāo)是在一定的泵功條件下通過調(diào)整射流噴孔孔徑、孔間距及與目標(biāo)表面的距離以獲得最大傳熱系數(shù)。對于圓形噴孔，要求孔板上的噴孔相互間等距排列，形成等邊三角形或正方形分布，等邊三角形分布也可認(rèn)為是正六邊形分布。噴孔在射流孔板上的排布采用正方形或正六邊形分布，使得每個噴孔的射流狀態(tài)相同，步調(diào)一致，有利于充分發(fā)揮每個噴孔射流的作用。Martin的觀點(diǎn)雖然只是針對靜止表面，溫度也局限在100℃以下，但其適用性很廣，在造紙工業(yè)得到廣泛采用。然而，迄今還很少有文獻(xiàn)論及這種優(yōu)化射流的具體傳熱性能，這對工業(yè)實(shí)際應(yīng)用的深化無疑是一個障礙，以下對Martin關(guān)于噴孔射流優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法做一概括。

1.2.1 Martin關(guān)于射流孔板的優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)[15]

（1）首先選定噴嘴到噴射目標(biāo)也就是到烘缸外表面之間的距離，間距（H）太大會使傳熱系數(shù)下降，間距太小又會導(dǎo)致斷紙堵塞，因此根據(jù)實(shí)際，一般選擇H=18～20 mm。

（2）當(dāng)選定間距H以后，噴孔孔徑及等距排列的各孔的孔間距選擇如下：

這種規(guī)定對圓孔噴嘴和槽縫噴嘴均適用，當(dāng)噴孔為圓孔時，S即為孔徑D；當(dāng)噴孔為槽縫時，S表示2倍的槽縫寬度B，即S=2B，孔間距指相鄰噴孔的孔中心之間的距離。

分別以fr和fs表示圓形噴孔和槽縫噴孔的開孔率，其計(jì)算見式(1)和式(2)。

（3）平均傳熱系數(shù)的近似計(jì)算公式

在以上優(yōu)化尺寸的條件下，烘缸外表面上射流的平均傳熱系數(shù)可由式(3)求得。

式中，-α表示平均對流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；λ表示射流氣體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Pr表示普朗特?cái)?shù)，ν/a；Va表示氣流對烘缸表面的實(shí)際速度，m/s；ν表示氣流的運(yùn)動黏度，m2/s；a表示氣體熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

將式(3)改寫為無量綱形式見式(4)。

式中，Nu表示努謝爾特?cái)?shù)，αH/λ；Re表示雷諾數(shù)，VaH/ν。

由此可得射流氣體與紙幅之間的平均傳熱系數(shù)見式(5)。

1.2.2 濕紙幅單位面積上的傳熱特性

在濕紙幅單位面積上的傳熱速率和干燥速率計(jì)算分別為式(6)和式(7)。

式中，q表示單位面積紙幅上單位時間得到的熱量，W/m2；Ti表示射流氣體的溫度，℃；Ts表示紙幅的溫度，℃；R表示單位面積上的干燥速率，kg/(m2·s)；r表示水在工作溫度下的氣化潛熱，J/kg。

射流質(zhì)量流量和射流耗功的計(jì)算分別為式(8)和式(9)。

式中，m?表示單位時間單位面積紙幅上的射流質(zhì)量流量，kg/(m2·s)；N表示單位面積紙幅上射流消耗的機(jī)械功率，kW/m2；ρ表示射流氣體的密度，kg/m3；f表示射流孔板開孔率無量綱量；ΔP表示射流孔板內(nèi)外的壓差，Pa。

綜上，當(dāng)一個揚(yáng)克烘缸和射流氣罩以及工作狀況都已確定后，射流與紙幅之間的傳熱系數(shù)就可由上述方法求出。

1.3 平均傳熱系數(shù)算例

1.3.1 問題

假定烘缸線速度為2000 m/min，即33.333 m/s，氣罩上的噴射氣流為160℃的干空氣，噴射速度選為烘缸線速度的4倍，即Va=133.33 m/s，噴射區(qū)紙幅平均溫度取90℃。在此條件下，設(shè)計(jì)最佳的射流噴孔幾何結(jié)構(gòu)，并確定其傳熱特性。

1.3.2 幾何設(shè)計(jì)

射流孔板選用圓形噴孔正三角形分布，按照前述優(yōu)化關(guān)系，先選定H=20 mm，然后由H/D=4，L/H=1.4，可得噴孔孔徑及噴孔之間的距離分別為D=4 mm,L=28 mm，射流孔板的開孔率由式(1)計(jì)算得到fr=0.0185。

1.3.3 平均對流傳熱系數(shù)

首先按射流氣體的定性溫度由物性表查取其有關(guān)熱物性：ν=30.09×10-6m2/s，λ=0.0364 W/(m·K)，Pr=0.682。

1.3.4 單位面積上的傳熱特性

（1）傳熱速率

由式(6)計(jì)算得到：q=34.4 kW/m2。

（2）干燥速率

由式(7)得到：R=0.0148 kg/（m2·s）。

（3）射流質(zhì)量流量

由式(8)計(jì)算得到：m?=2.467 kg/(m2s)。

（4）射流耗功

由式(9)計(jì)算得到：N=24.6（kW·m2）。

由此可知，在高速高溫氣流的噴射加熱條件下，傳熱系數(shù)較大，傳熱效率和干燥效率也均會比較高。表1列出了在其他條件保持不變，射流速度取烘缸線速度2、3、4、5倍時的特性數(shù)據(jù)。從表1可以看出，隨著射流速度的提高，傳熱速率及干燥速率明顯提高，同時射流質(zhì)量流量也同步增大，而射流耗功量增大得更快。

表1 單位面積上的傳熱特性Table 1 Heat transfer characteristics of unit sheet surface

1.4 平均傳熱系數(shù)的修正

當(dāng)射流孔板的噴孔孔徑、噴孔之間的排布和噴孔與烘缸缸面距離的關(guān)系不符合前邊的優(yōu)化要求時，傳熱系數(shù)達(dá)不到優(yōu)化的結(jié)果，此時須按實(shí)際的H/D和L/H按文獻(xiàn)[15]中圖33查取修正系數(shù)c，對優(yōu)化結(jié)果加以修正，如式(10)所示。

式中，c為小于1的系數(shù)。

平均射流傳熱系數(shù)是烘缸設(shè)計(jì)計(jì)算中熱應(yīng)力計(jì)算的必要邊界條件，因此在烘缸設(shè)計(jì)之前，首先應(yīng)確定氣罩的傳熱設(shè)計(jì)，為烘缸提供邊界條件；過去一些設(shè)計(jì)研究工作由于未能提供正確的傳熱邊界條件而導(dǎo)致了錯誤結(jié)論。

2 射流角度的修正

以上對烘缸上射流對紙幅的加熱估算均是把烘缸表面當(dāng)作靜止不動來處理的，目前比較成熟的射流熱質(zhì)傳遞的研究也均是針對這種情況。在烘缸低速運(yùn)動時采用這樣的方法不會產(chǎn)生大的誤差。但隨著高速紙機(jī)的日益普及，流體噴射在運(yùn)動物體和靜止物體上的差別逐漸增大，需給予認(rèn)真對待。

圓孔射流傳熱的優(yōu)化做法，是在各小孔等徑等距排布的情況下，射流氣體能垂直噴射在物體表面上，才會在物體表面被直接射中的一小片區(qū)域產(chǎn)生高效的傳熱傳質(zhì)效果，離開這小片直接射中的區(qū)域后，傳熱傳質(zhì)效果迅速降低，當(dāng)射流不是垂直射中物體表面時，傳熱效果也發(fā)生衰減，越不垂直，衰減越大。垂直于烘缸表面的射流，噴射到運(yùn)動的烘缸表面，射流與烘缸表面的實(shí)際接觸就不是垂直關(guān)系，而是形成一個斜角，在氣罩的設(shè)計(jì)中，可以將噴孔向反方向傾斜一個角度而減小或消除這種斜角。射流與運(yùn)動物體表面的接觸角與各自速度之間的關(guān)系如圖3所示。

2.1 射流斜角

圖3(a)表示射流氣體垂直射向下面的烘缸表面，烘缸表面向右運(yùn)動。對于烘缸表面而言，相當(dāng)于氣流在向下垂直射來的同時，還在以烘缸的速度反向運(yùn)動，相對于烘缸表面而言，氣流作用在它上面時的實(shí)際運(yùn)動速度為射流與烘缸速度的疊加，如圖3(b)所示。射流對于烘缸的真實(shí)速度如式（11）所示。

式中，Va1表示噴射氣流相對于烘缸表面的合成速度，m/s;Ve1表示烘缸運(yùn)動速度，m/s；Vr1表示噴射氣流從噴口噴出時的速度，m/s。速度和偏斜角度分別為式(12)、式(13)所示。

式中，α1表示傾斜角，(°)。

高速熱氣流噴射在旋轉(zhuǎn)的烘缸上形成實(shí)際的斜射流，落在壁面上的速度有所增大，方向有所傾斜。速度增大有利于傳熱，產(chǎn)生斜角則不利于傳熱，研究表明，當(dāng)圖3(b)的夾角α1=75°時，其傳熱系數(shù)將下降為垂直射流時的43%。所以，為盡力提高傳熱系數(shù)，噴射流體應(yīng)該盡量與被噴射面形成垂直關(guān)系。當(dāng)因條件所限，不得不形成斜射流時，射流的傾斜度也要盡量小。

圖3 射流氣體運(yùn)動合成Fig.3 Synthetic movement of jet gas

2.2 斜角的修正

在氣罩射流孔板的幾何設(shè)計(jì)中，除了采納Martin的相關(guān)建議外，還應(yīng)該考慮將射流孔板上的噴孔傾斜一個角度，如圖4所示。帶斜角的噴孔噴出的氣流斜射在運(yùn)動的烘缸壁面上，對于烘缸而言，相當(dāng)于氣流以一個疊加后的速度垂直射在表面上，此速度為式(14)。

圖4 射流孔板改進(jìn)設(shè)計(jì)Fig.4 Modified impingement perforated plate

式中，Ve2表示烘缸運(yùn)動速度，m/s；Va2表示氣體噴射速度，m/s，箭頭仍表示作用在烘缸表面上的氣流的實(shí)際速度，為氣流噴出速度與烘缸速度的矢量和。其大小及與噴孔軸線的夾角分別為式(15)和式(16)所示。

式中，α2表示噴孔的傾斜角度，(°)。

由此可知，射流孔板上的噴孔設(shè)計(jì)成傾斜一個角度后，射流作用在烘缸上的速度有所降低，但射到烘缸上的接觸角可以變成垂直，傳熱效率可以得到提高。這樣在設(shè)計(jì)射流孔板時，噴孔直徑、噴孔等間距排列、孔板與烘缸距離要盡量按Martin的優(yōu)化建議外，圓形噴孔的軸線與孔板表面的法線要傾斜α2角度，傾斜方向朝向烘缸的旋轉(zhuǎn)方向。

一些研究結(jié)果將射流氣體速度與烘缸線速度聯(lián)系起來，規(guī)定前者為后者的4倍，即式（17）。

由此，射流噴孔不用設(shè)計(jì)斜角，工作中射流與烘缸形成的實(shí)際射流角度即前邊的α1，如式（18）所示。

當(dāng)衛(wèi)生紙機(jī)的車速很快時，要求的風(fēng)速也很大，例如當(dāng)車速為2000 m/min時，其風(fēng)速要大于8000 m/min，即133 m/s，此時風(fēng)機(jī)耗功量太大。為此，射流孔板的幾何設(shè)計(jì)需要綜合考慮，調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，找到風(fēng)速、干燥效率與能耗的最佳點(diǎn)。

3 結(jié)語

本文從提供高效傳熱性能的角度，介紹了衛(wèi)生紙機(jī)中采用圓形噴孔射流氣罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出了射流氣罩對流換熱的計(jì)算方法，通過幾個算例對特定工況的傳熱特性做了初步分析，為烘缸的傳熱分析及熱應(yīng)力計(jì)算提供邊界條件，討論了實(shí)際工作中射流斜角對傳熱的影響，給出了消除這種影響的斜孔設(shè)計(jì)方案。