多通道烘缸在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下矩形通道內(nèi)蒸汽冷凝換熱的實(shí)驗(yàn)研究

張樹(shù)林 董繼先王 莎 王 博 喬麗潔

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

在造紙工藝中，紙張干燥對(duì)成紙質(zhì)量起關(guān)鍵性作用。目前，紙張干燥以烘缸干燥為主，烘缸作為干燥部的重要設(shè)備，其干燥效率決定干燥工藝的節(jié)能程度。烘缸中不能及時(shí)排出的冷凝水會(huì)增加蒸汽傳熱熱阻，降低烘缸干燥效率。為解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，如改變虹吸管結(jié)構(gòu)[1-2]和增加擾流棒[3-4]以減少冷凝水存積，提高烘缸干燥效率，但冷凝積水阻礙冷凝傳熱的問(wèn)題仍未徹底解決。針對(duì)這一問(wèn)題，Choi等人[5]設(shè)計(jì)了一種夾套多通道烘缸，即在烘缸內(nèi)壁加工許多矩形通道，蒸汽在通道中冷凝放熱，產(chǎn)生的冷凝水被限制在通道內(nèi)由后續(xù)蒸汽推出，極大地減少了烘缸的冷凝積水；并以單個(gè)矩形通道為研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，夾套多通道烘缸的冷凝換熱系數(shù)是傳統(tǒng)烘缸換熱系數(shù)的7～20倍。本課題組[6-8]在Choi等人的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)并設(shè)計(jì)了一種新型的多通道烘缸，對(duì)多通道烘缸在靜態(tài)條件下做了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，嚴(yán)彥等人[9-11]、楊琸之等人[12]和喬麗潔等人[13]分別對(duì)蒸汽參數(shù)、冷卻水質(zhì)量流量、冷卻水雷諾數(shù)對(duì)多通道烘缸換熱系數(shù)的影響進(jìn)行了研究。

目前多通道烘缸的研究主要集中在靜態(tài)條件下，而對(duì)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下工質(zhì)換熱特性的現(xiàn)有研究主要集中在換熱器、熱管和U型管等方面。牟春燕等人[14]、田智昀[15]對(duì)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下工質(zhì)為R22的板式換熱器冷凝換熱特性進(jìn)行了研究；Francisco等人[16]在水力直徑為6.24 mm的矩形通道中，通過(guò)改變傾斜角研究了旋轉(zhuǎn)通道的壓降變化；孫浩峰等人[17]對(duì)徑向流入旋轉(zhuǎn)軸的空氣在矩形微通道中的換熱進(jìn)行了研究；Ibrahim等人[18]研究了旋轉(zhuǎn)三角形虹吸熱管的傳熱特性；何川等人[19]對(duì)繞平行軸旋轉(zhuǎn)熱管的傳熱進(jìn)行了研究；Morris等人[20]以空氣為熱流介質(zhì)，對(duì)繞平行軸旋轉(zhuǎn)的方形截面管內(nèi)湍流流動(dòng)的傳熱進(jìn)行了研究；劉傳凱等人[21]對(duì)旋轉(zhuǎn)U形通道內(nèi)換熱進(jìn)行了研究；周建佳等人[22]對(duì)旋轉(zhuǎn)U型通道內(nèi)的換熱進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算；嚴(yán)彥等人[23]對(duì)旋轉(zhuǎn)多通道烘缸進(jìn)行了數(shù)值模擬。

綜合前人研究成果可知，旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，影響換熱因素較多[24-25]，旋轉(zhuǎn)方式、工質(zhì)、通道結(jié)構(gòu)的不同均會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱效果的不同。本課題以多通道烘缸在靜止條件下的研究為基礎(chǔ)，在旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)[26]上，通過(guò)改變轉(zhuǎn)速和冷卻水質(zhì)量流量，對(duì)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下通道內(nèi)換熱和壓降進(jìn)行了研究，為多通道烘缸的實(shí)際生產(chǎn)提供理論和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參數(shù)依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

本課題的實(shí)驗(yàn)裝置主要由3部分組成，蒸汽回路、實(shí)驗(yàn)段、冷卻水回路，如圖1所示。通過(guò)變頻隔膜泵將去離子水加入電加熱蒸汽發(fā)生器中，產(chǎn)生蒸汽經(jīng)滑環(huán)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段蒸汽通道，與逆向流動(dòng)的冷卻水進(jìn)行換熱，蒸汽放出的熱量被冷卻水吸收，未冷凝的蒸汽通過(guò)板式換熱器降溫后返回蓄水池；冷卻水在其回路中循環(huán)流動(dòng)，進(jìn)口處設(shè)有玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)以測(cè)量冷卻水的質(zhì)量流量，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門來(lái)改變冷卻水的質(zhì)量流量，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)頻率改變通道的轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)段溫度通過(guò)PT 100熱電阻測(cè)量，壓降通過(guò)安裝在通道前后端的2個(gè)壓力變送器測(cè)得，實(shí)驗(yàn)溫度和壓力通過(guò)無(wú)線采集裝置傳輸至電腦。該實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of the experimental system

圖2 旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Rotating experiment platform

圖3為實(shí)驗(yàn)通道的截面圖。如圖3所示，蒸汽通道的長(zhǎng)、寬、高分別為1100.0 mm、13.5 mm、4.5 mm，高寬比為1∶3，冷卻水通道長(zhǎng)、寬、高分別為1100.0 mm、13.5 mm、9.0 mm，材質(zhì)為鋁。整個(gè)通道用橡塑材料包裹，保證實(shí)驗(yàn)段的熱量損失<0.5%。

圖3 實(shí)驗(yàn)通道截面圖Fig.3 Experimental channel cross section

圖4為實(shí)驗(yàn)段熱電阻分布圖。如圖4所示，熱電阻Ts1～Ts5布置于蒸汽通道內(nèi)測(cè)量蒸汽溫度，熱電阻Tw1～Tw5布置于壁面測(cè)量壁面溫度，熱電阻Tc1～Tc6布置于冷卻水通道測(cè)量冷卻水溫度，熱電阻溫度通過(guò)無(wú)線采集模塊傳輸?shù)诫娔X里。實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions

圖4 實(shí)驗(yàn)段熱電阻分布圖Fig.4 Thermal resistance distribution diagram of experimental section

2 數(shù)據(jù)處理

多通道烘缸通道內(nèi)蒸汽放出的熱量一部分被冷卻水吸收，另一部分散失在環(huán)境中，根據(jù)熱電阻的分布，將整個(gè)通道劃分為5段，各段均滿足能量守恒定律，計(jì)算方法如式(1)所示。

式中，Qs,i為第i段蒸汽釋放的熱量；Qc,i為第i段被冷卻水吸收的熱量；Ql,i為第i段蒸汽散失在環(huán)境的熱量。

本課題對(duì)實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行了保溫處理，熱損失較小，可以認(rèn)為蒸汽放出的熱量被冷卻水全部吸收，即Qs,i=Qc,i。冷卻水的吸熱量可由式(2)計(jì)算得到。

式中，mc為冷卻水的質(zhì)量流量；cp為冷卻水的比定壓熱容；tc,i為i點(diǎn)處冷卻水的溫度。

蒸汽在第i段釋放的熱量計(jì)算方式如式(3)所示。

式中，Ai為第i段蒸汽通道換熱面積；hi為第i段蒸汽通道換熱系數(shù)；ts,i為第i段蒸汽通道內(nèi)的蒸汽溫度；tw,i為第i段所對(duì)應(yīng)的壁面溫度。

綜合式（1）～式（3）得到多通道烘缸內(nèi)的換熱系數(shù)計(jì)算方式如式(4)所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 旋轉(zhuǎn)對(duì)冷凝換熱系數(shù)的影響

不同轉(zhuǎn)速下冷卻水質(zhì)量流量對(duì)通道局部換熱系數(shù)的影響如圖5所示。轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著冷卻水質(zhì)量流量的增加，不同位置的局部換熱系數(shù)也隨之增加，這是因?yàn)殡S著冷卻水質(zhì)量流量的增加，冷卻水的平均溫度降低，與壁面的溫差增大，換熱增強(qiáng)，導(dǎo)致通道內(nèi)部冷凝換熱量增大，因此冷凝換熱系數(shù)增大。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下冷卻水質(zhì)量流量對(duì)局部換熱系數(shù)的影響Fig.5 Effect of cooling water mass flow rate on local heat transfer coefficient at different rotation speeds

局部換熱系數(shù)隨沿流程方向呈先增大后減小的趨勢(shì)。通道入口處的蒸汽為過(guò)熱蒸汽，在流動(dòng)過(guò)程中，蒸汽溫度下降，非相變換熱較多，蒸汽釋放的熱量較少，換熱系數(shù)較小。隨著蒸汽不斷冷凝，蒸汽干度下降，氣相占比減少，液相占比增多，在此過(guò)程中會(huì)放出大量的汽化潛熱，換熱系數(shù)也隨之增加。隨著蒸汽干度進(jìn)一步減小，近壁面處水膜厚度逐漸增加，導(dǎo)致?lián)Q熱熱阻增加，換熱系數(shù)受此影響隨之降低。在通道的后半部分，液相幾乎占據(jù)了整個(gè)通道，此時(shí)換熱形式變?yōu)閱蜗嗨畬?duì)流換熱，因此傳熱量會(huì)迅速減小，換熱系數(shù)進(jìn)一步下降。

隨著轉(zhuǎn)速提高，局部換熱系數(shù)最大的位置向蒸汽進(jìn)口端移動(dòng)，轉(zhuǎn)速100 r/min時(shí)，換熱系數(shù)最大的位置出現(xiàn)在第二段，轉(zhuǎn)速小于100 r/min時(shí)，換熱系數(shù)最大的位置均出現(xiàn)在第三段。因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速的增加，離心力的作用增大，蒸汽在通道內(nèi)受到的擾動(dòng)增加，加速了蒸汽的冷凝速率，換熱系數(shù)最大的位置向前移動(dòng)。

圖6為不同轉(zhuǎn)速下冷卻水質(zhì)量流量對(duì)平均換熱系數(shù)的影響。從圖6可以看出，冷卻水質(zhì)量流量一定時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速增大，通道內(nèi)平均換熱系數(shù)呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)轉(zhuǎn)速70 r/min時(shí)，通道的平均換熱系數(shù)最大。在低轉(zhuǎn)速下，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力對(duì)蒸汽流動(dòng)的擾動(dòng)較小，氣液兩相間以剪切力為主；氣液界面的擾動(dòng)隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，使通道內(nèi)氣液流動(dòng)紊亂，換熱系數(shù)會(huì)逐漸增加；當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增加時(shí)，離心力對(duì)蒸汽流動(dòng)的影響加大，離心力和剪切力的共同作用會(huì)使蒸汽在通道內(nèi)的流動(dòng)更加紊亂，平均換熱系數(shù)進(jìn)一步增加。高轉(zhuǎn)速下，蒸汽在前半部分就幾乎全部冷凝，后半部分的換熱主要以單相冷凝液的對(duì)流傳熱為主，換熱能力不足，平均換熱系數(shù)降低。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下冷卻水質(zhì)量流量對(duì)平均換熱系數(shù)的影響Fig.6 Effect of cooling water mass flow rate on average heat transfer coefficient at different rotation speeds

冷卻水質(zhì)量流量較低時(shí)，不同轉(zhuǎn)速平均換熱系數(shù)很接近，隨著冷卻水質(zhì)量流量增大，不同轉(zhuǎn)速的平均換熱系數(shù)間差距增大。冷卻水質(zhì)量流量較低時(shí)，冷卻系統(tǒng)單位時(shí)間最大換熱量有限，此時(shí)提升轉(zhuǎn)速對(duì)整體換熱量的提升作用有限，不同轉(zhuǎn)速的平均換熱系數(shù)相差不大；當(dāng)冷卻水質(zhì)量流量較高時(shí)，冷卻系統(tǒng)單位時(shí)間最大換熱量增大，此時(shí)提升轉(zhuǎn)速對(duì)整體換熱量的提升作用明顯，不同轉(zhuǎn)速的平均換熱系數(shù)差距增大。

3.2 旋轉(zhuǎn)對(duì)兩相流動(dòng)壓降的影響

不同冷卻水質(zhì)量流量下轉(zhuǎn)速對(duì)通道壓降的影響如圖7所示。從圖7可以看出，轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著冷卻水質(zhì)量流量的增加，兩相流動(dòng)的壓降減小，冷卻水質(zhì)量流量增加到200 kg/h時(shí)，流動(dòng)壓降基本保持平穩(wěn)，不隨冷卻水質(zhì)量流量的增大而降低。這是因?yàn)殡S著冷卻水質(zhì)量流量的增大，壁面和冷卻水平均溫差增加，加速蒸汽的冷凝，蒸汽的氣相速度減小，氣液界面的摩擦壓降減小，通道壓降呈減小趨勢(shì)。當(dāng)冷卻水質(zhì)量流量進(jìn)一步增加時(shí)，壁面和冷卻水的平均溫差變化較小，蒸汽的冷凝速率變化較小，氣液界面間的摩擦壓降變化較小，因此流動(dòng)壓降基本保持不變。

從圖7還可以看出，冷卻水質(zhì)量流量一定時(shí)，隨轉(zhuǎn)速增加，通道的流動(dòng)壓降有略微下降的趨勢(shì)，基本保持不變。隨轉(zhuǎn)速增加，蒸汽受到的離心力增加，加速了蒸汽的冷凝，形成冷凝水的速度加快，蒸汽密度遠(yuǎn)小于冷凝水密度，使通道內(nèi)流體平均流速減小，流體與壁面的摩擦效果減弱，通道內(nèi)壓降減小。

圖7 不同冷卻水質(zhì)量流量下轉(zhuǎn)速對(duì)通道壓降的影響Fig.7 Effect of rotation speeds on channel pressure drop under different cooling water mass flow rate

4 結(jié) 論

本課題通過(guò)改變多通道烘缸的轉(zhuǎn)速和冷卻水質(zhì)量流量，研究了其對(duì)多通道烘缸的冷凝傳熱特性以及兩相流動(dòng)壓降的影響。

4.1 當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨冷卻水質(zhì)量流量增加，通道內(nèi)的平均換熱系數(shù)隨之增加。蒸汽在通道沿程方向的局部換熱系數(shù)呈先增大后減小的趨勢(shì)。

4.2 當(dāng)冷卻水質(zhì)量流量一定時(shí)，隨轉(zhuǎn)速增加，通道的平均換熱系數(shù)呈先增大后減小的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)速70 r/min時(shí)，通道的平均換熱系數(shù)最大。隨轉(zhuǎn)速增加，局部換熱系數(shù)最大的位置會(huì)向蒸汽進(jìn)口端移動(dòng)。

4.3 轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨冷卻水質(zhì)量流量增加，通道內(nèi)的壓降會(huì)呈下降趨勢(shì)，最后趨于穩(wěn)定；冷卻水質(zhì)量流量一定時(shí)，隨轉(zhuǎn)速升高，通道內(nèi)的壓降會(huì)略有下降趨勢(shì)。