波紋薄型熱板性能及設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

胡恒峰，梅 偵，周 波，周 慶，朱宇棟

（湖北京山輕工機(jī)械股份有限公司 技術(shù)中心，武漢 430024）

0 引言

瓦楞紙板生產(chǎn)線中的烘干機(jī)用于將單面瓦楞紙板和面紙進(jìn)行粘合、加熱固化及定形成瓦楞紙板，其中熱板的作用是使生膠糊化，確保紙板的粘合強(qiáng)度，同時(shí)烘干紙板［1］。傳統(tǒng)的熱板結(jié)構(gòu)形式是箱體式熱板［2］。箱體式熱板面板厚度較厚（16～25 mm），箱體內(nèi)的蒸汽熱量傳遞到熱板表面距離遠(yuǎn)、效率低，蒸汽浪費(fèi)嚴(yán)重。而且箱體式結(jié)構(gòu)重量大，使用大量鋼板，材料成本相對(duì)較高。隨著加工制造技術(shù)發(fā)展，出現(xiàn)了一種新型的平板式薄型熱板［3］。平板式薄型熱板面板厚度大幅減小，蒸汽加熱距離約10 mm左右，明顯提高了加熱效率。但是平板式薄型熱板加工是在熱板側(cè)部加工出占整個(gè)幅寬的小直徑的通孔，深度貫穿熱板，加工費(fèi)用大量增加，成本是傳統(tǒng)箱體式熱板的3～10倍不等。鄒漢生等［4］研發(fā)出一種多通道焊接式波紋薄型熱板，同樣減小面板厚度，厚度約10 mm左右，實(shí)現(xiàn)加熱效率提高，同時(shí)采用焊接式加工，制造成本比平板式薄型熱板大幅降低，而且鋼結(jié)構(gòu)用量比箱體式熱板少，材料成本得到進(jìn)一步降低。但蒸汽流道設(shè)置不合理，在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)表面溫度極易出現(xiàn)嚴(yán)重不均勻現(xiàn)象，導(dǎo)致紙板受熱不均勻，影響粘合與烘干效果［5］。基于產(chǎn)品使用現(xiàn)狀，對(duì)現(xiàn)有波紋薄型熱板結(jié)構(gòu)理論分析以及Fluent流體有限元仿真分析［6-7］，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行波紋薄型熱板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)優(yōu)化結(jié)果再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)改進(jìn)的有效性。

1 現(xiàn)有波紋薄型熱板結(jié)構(gòu)分析

鄒漢生等［4］提供的多通道焊接式波紋薄型熱板如圖1，2所示。薄形面板與波紋底板焊接連接，形成多個(gè)三角形加熱腔通道（簡(jiǎn)稱為“加熱腔”），飽和蒸汽分別從2個(gè)進(jìn)汽口進(jìn)入到蒸汽導(dǎo)槽內(nèi)；然后通過(guò)蒸汽導(dǎo)槽分布到加熱腔內(nèi)，對(duì)薄形面板進(jìn)行加熱，冷凝水回到蒸汽導(dǎo)槽內(nèi)，從回水口排出。

圖1 現(xiàn)有波紋薄型熱板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of existing corrugated thin hot plate

圖2 側(cè)部剖面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of side section

由于在同一蒸汽導(dǎo)槽內(nèi)同時(shí)設(shè)置有進(jìn)汽口和回水口，大部分蒸汽直接在蒸汽導(dǎo)槽內(nèi)由進(jìn)汽口進(jìn)入同側(cè)的回水口，而不是進(jìn)入加熱腔后到達(dá)遠(yuǎn)端的回水口排出。

中間加熱腔兩端均有進(jìn)汽口，因蒸汽對(duì)沖，在加熱腔內(nèi)無(wú)法正常流動(dòng)，形成漩渦，當(dāng)形成冷凝水時(shí)無(wú)法順利排出。兩端的加熱腔只有一端有進(jìn)汽口，另一端由封板封堵，蒸汽無(wú)法流動(dòng)，形成漩渦，加熱腔內(nèi)很難進(jìn)入蒸汽。當(dāng)形成冷凝水時(shí)，冷凝水被蒸汽推動(dòng)逐漸堆積在端部，無(wú)法排出。

鄒漢生等［4］提供的多通道焊接式波紋薄型熱板的流道如圖3所示。利用ANSYS的Fluent模塊對(duì)流道進(jìn)行有限元分析。采用默認(rèn)流體網(wǎng)格方法，設(shè)置邊界層。根據(jù)紙板生產(chǎn)廠商現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，邊界條件設(shè)為壓力入口0.9 MPa，175 ℃；壓力出口0.7 MPa，165 ℃；薄型面板熱通量20 W/m2，其他表面熱通量10 W/m2。

圖3 現(xiàn)有波紋薄型熱板流道Fig.3 Flow channel of existing corrugated thin hot plate

仿真計(jì)算結(jié)果如圖4所示。流體在中間及端部加熱腔中均存在明顯漩渦，而且端部加熱腔中流場(chǎng)線斷續(xù)，流體流動(dòng)困難。上表面溫差為6.6 ℃，表現(xiàn)為在幅寬方向溫度中間高兩端低，極易出現(xiàn)紙板中間過(guò)熱，而兩端未粘合現(xiàn)象。

圖4 現(xiàn)有波紋薄型熱板加熱表面溫度云圖Fig.4 Temperature nephogram of heating surface of existing corrugated thin hot plate

根據(jù)現(xiàn)有波紋薄型熱板的結(jié)構(gòu)缺陷，作如下改進(jìn)：同一蒸汽導(dǎo)槽不能同時(shí)存在進(jìn)汽口和回水口，因此結(jié)構(gòu)改進(jìn)為同一蒸汽導(dǎo)槽只有進(jìn)汽口或只有回水口；蒸汽流動(dòng)方向單一，不能同一加熱腔兩端同時(shí)進(jìn)汽，因此考慮在所有加熱腔的一側(cè)設(shè)置進(jìn)汽口；冷凝水能在蒸汽的帶動(dòng)下順利流動(dòng)進(jìn)入回水口，因此在所有蒸汽路徑末端均設(shè)有回水口。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真

2.1 進(jìn)汽口和回水口位置優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)熱板所有位置溫度均勻一致，當(dāng)只有1個(gè)進(jìn)汽口（x0，y0）時(shí)，要求進(jìn)汽口距離所有加熱點(diǎn)距離的方差S2最小，即min（S2）。定義熱板在生產(chǎn)線幅寬方向尺寸為W，生產(chǎn)線走紙方向尺寸為L(zhǎng)，則面板各處距離進(jìn)汽口距離：

其中，x∈［-L/2，L/2］，y∈［-W/2，W/2］，方差計(jì)算：

求min（S2）時(shí)，對(duì)應(yīng)的（x0，y0）即是最佳進(jìn)汽口位置。利用Matlab數(shù)值計(jì)算求解［8-9］，可得x0=0，y0=0時(shí)，滿足條件。即只有進(jìn)汽口時(shí)，進(jìn)汽口位于正中間最合適，與實(shí)際常識(shí)一致。

所有蒸汽路徑末端均有回水口，方能實(shí)現(xiàn)所有冷凝水均流出，因此中間設(shè)置1個(gè)進(jìn)汽口，兩側(cè)均至少各設(shè)置1個(gè)回水口，如圖5所示。

圖5 只有1個(gè)進(jìn)汽口時(shí)的回水口位置Fig.5 The return-port position when there is only one inlet

當(dāng)有多個(gè)進(jìn)汽口時(shí)，每一個(gè)加熱點(diǎn)的蒸汽可以來(lái)自多個(gè)進(jìn)汽口。當(dāng)多個(gè)進(jìn)汽口的蒸汽到達(dá)加熱點(diǎn)時(shí)，蒸汽運(yùn)動(dòng)方向不一致，蒸汽造成漩渦，流動(dòng)不暢，形成冷凝水時(shí)無(wú)法順利排出，影響加熱效果［10-11］。為避免多個(gè)進(jìn)汽口流動(dòng)方向不一致，形成漩渦，參照前述1個(gè)進(jìn)汽口的計(jì)算結(jié)果，多個(gè)進(jìn)汽口的位置位于中間豎直方向，均勻分布。在兩側(cè)均設(shè)置一個(gè)回水口即可滿足冷凝水的順利流出。

2.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)仿真

根據(jù)上述優(yōu)化過(guò)程，在加熱板中間設(shè)置進(jìn)汽導(dǎo)槽，兩端設(shè)置回水導(dǎo)槽。為蒸汽能均勻分布到加熱板各個(gè)位置，中間蒸汽導(dǎo)槽設(shè)置多個(gè)進(jìn)汽口。

對(duì)中間蒸汽導(dǎo)槽進(jìn)汽口數(shù)量從1～8分別進(jìn)行Fluent分析，網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置與前文一致，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同進(jìn)汽口數(shù)量?jī)?yōu)化結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算結(jié)果Tab.1 Simulation results of the optimized structure with different number of vapor inlets

隨著入口數(shù)量增加，表面溫差減小，加熱均勻性更好。但是隨著入口數(shù)量增加，進(jìn)汽導(dǎo)槽復(fù)雜程度增加，焊接工作量也會(huì)增加。當(dāng)入口增加到4個(gè)時(shí)，漩渦尺寸明顯減小，表面溫差明顯較小，入口數(shù)量和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度比較適宜，因此選擇采用4個(gè)進(jìn)汽口的方案。

4個(gè)進(jìn)汽口的方案雖然漩渦尺寸明顯減小，但是仍有大量地方存在漩渦，漩渦數(shù)量與未優(yōu)化之前并未有明顯改善。漩渦的產(chǎn)生主要是由于多個(gè)進(jìn)汽口的蒸汽到達(dá)某一個(gè)加熱點(diǎn)時(shí)，蒸汽流動(dòng)方向不一致，相互對(duì)沖。考慮在進(jìn)汽口之間增設(shè)擋板，避免各進(jìn)汽口之間的蒸汽相互影響，以減少漩渦數(shù)量，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 4個(gè)進(jìn)汽口并增設(shè)擋板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of the structure with four inlets and with added baffles

對(duì)增設(shè)擋板的4個(gè)進(jìn)汽口方案進(jìn)行Fluent分析，網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置與前文一致，計(jì)算結(jié)果如圖7，8所示。上表面溫差3.5 ℃，比未增設(shè)擋板時(shí)有明顯改善，而且流場(chǎng)漩渦數(shù)量明顯減少。說(shuō)明增設(shè)擋板后的4個(gè)進(jìn)汽口優(yōu)化方案能有效改善紙板加熱均勻性，提高紙板質(zhì)量。

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的流場(chǎng)Fig.7 Flow field after further structural optimization

圖8 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的溫度場(chǎng)Fig.8 Temperature nephogram after further structural optimization

3 改進(jìn)結(jié)構(gòu)測(cè)試

按照改進(jìn)后的4個(gè)進(jìn)汽口并增設(shè)擋板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行試制熱板，共生產(chǎn)21塊，在現(xiàn)有生產(chǎn)線上進(jìn)行替換測(cè)試，如圖9所示。改進(jìn)后，結(jié)構(gòu)面板厚度只有10 mm，整體高度小，比傳統(tǒng)箱體式熱板鋼材用量少，而且沒(méi)有平板式薄型熱板所需的在側(cè)部加工整個(gè)幅寬的小直徑通孔，整體結(jié)構(gòu)以焊接形式實(shí)現(xiàn)，因此改進(jìn)后結(jié)構(gòu)成本較市面上其他熱板成本更低。

圖9 生產(chǎn)線裝配示意圖Fig.9 Assembly diagram of production line

蒸汽壓力0.9 MPa時(shí)，各熱板操作側(cè)與驅(qū)動(dòng)側(cè)溫度曲線如圖10所示。

圖10 原方案操作側(cè)與驅(qū)動(dòng)側(cè)溫度Fig.10 Temperature of operation side and drive side in the original design scheme

蒸汽壓力0.75 MPa時(shí)，各熱板操作側(cè)與驅(qū)動(dòng)側(cè)溫度曲線如圖11所示。

圖11 改進(jìn)方案操作側(cè)與驅(qū)動(dòng)側(cè)溫度Fig.11 Temperature of operation side and drive side in the improvement design scheme

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，原方案與改進(jìn)方案各熱板表面溫差如圖12所示。原方案最大溫差為36 ℃，最小溫差1 ℃；改進(jìn)方案最大溫差6.9 ℃，最小溫差0.1 ℃。最大溫差改善81.8%，最小溫差改善90%，說(shuō)明改進(jìn)結(jié)構(gòu)能有效改善熱板加熱均勻性。由于每個(gè)客戶現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)條件不一致，導(dǎo)致原方案測(cè)試蒸汽壓力0.9 MPa，而改進(jìn)方案測(cè)試蒸汽壓力0.75 MPa。但蒸汽壓力越高，熱值越高，更有利于均勻加熱，而結(jié)果是蒸汽壓力更低的熱板表面溫差更小，進(jìn)一步說(shuō)明改進(jìn)結(jié)構(gòu)能有效改善熱板加熱均勻性。

圖12 原方案與改進(jìn)后各熱板表面溫差Fig.12 Temperature difference of hot plate surface in the original design scheme and the improvement design scheme

4 結(jié)語(yǔ)

改進(jìn)方案的波紋薄型熱板使用焊接加工，與現(xiàn)有市場(chǎng)通用薄型熱板相比，成本大幅降低。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有波紋薄型加熱板進(jìn)行結(jié)構(gòu)以及Fluent分析，發(fā)現(xiàn)存在的結(jié)構(gòu)缺陷，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。首先改進(jìn)進(jìn)汽口、回水口位置，對(duì)進(jìn)汽口數(shù)量從1～8個(gè)分別進(jìn)行Fluent分析，比較表面溫差及流場(chǎng)特征；然后結(jié)合結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度及加工量考慮，采用4個(gè)進(jìn)汽口進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增設(shè)擋板，阻隔各入口蒸汽，減少流場(chǎng)漩渦數(shù)量；最后通過(guò)試制并現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)果顯示優(yōu)化結(jié)果能有效改善熱板加熱均勻性。優(yōu)化后的波紋薄型加熱板在提高加熱效率及降低產(chǎn)品成本的基礎(chǔ)上，可有效改善紙板加熱均勻性，提高紙板質(zhì)量。