李瑞虎 李建軍 喬麗潔

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

對(duì)于高速紙機(jī)，蒸汽產(chǎn)生的冷凝水會(huì)形成緊貼內(nèi)壁面的穩(wěn)定水環(huán)［1-2］，在不采用專門干擾的情況下，烘缸內(nèi)1 mm厚的冷凝水環(huán)的熱阻約等于15 mm厚的烘缸鑄鐵殼體的熱阻，當(dāng)冷凝水環(huán)層厚度超過2 mm時(shí)，熱阻顯著增加［3］。

烘缸在運(yùn)行過程中，為了降低冷凝水環(huán)層的熱阻，強(qiáng)化傳熱效果，必須加強(qiáng)以下兩方面的工作:①盡量及時(shí)有效地排除烘缸內(nèi)的冷凝水，降低冷凝水環(huán)層的厚度;②對(duì)冷凝水環(huán)層進(jìn)行干擾，使得液膜不穩(wěn)定因素增強(qiáng)，原本穩(wěn)定流動(dòng)的水環(huán)出現(xiàn)不穩(wěn)定趨勢(shì)，產(chǎn)生湍動(dòng)［4-5］。從而降低水環(huán)層熱量傳遞的阻力，提高傳熱系數(shù)，增加傳熱效率。

李瑞虎等人通過實(shí)驗(yàn)研究了專門干擾冷凝水環(huán)層對(duì)水環(huán)穩(wěn)定性的影響［6］，設(shè)計(jì)了烘缸內(nèi)汽刀式供汽實(shí)驗(yàn)裝置，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

創(chuàng)新的蒸汽供給方式通過盡量降低冷凝水環(huán)層的厚度來達(dá)到節(jié)能的目的，它是通過設(shè)計(jì)所謂傾斜式汽刀裝置，使“汽刀”斜向沖擊水環(huán)，削薄水環(huán)層的厚度，并使設(shè)置虹吸器吸嘴的局部冷凝水環(huán)層厚度稍有增加，便于冷凝水被虹吸器的吸嘴吸入，從而達(dá)到盡量及時(shí)有效地排除烘缸內(nèi)的冷凝水的目的。

1 汽刀裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 汽刀裝置結(jié)構(gòu)

汽刀裝置結(jié)構(gòu)如圖1～圖4所示，該裝置主要由中央蒸汽管、支管、連接管、集氣管、噴管板組成。中央蒸汽管與烘缸同心安裝，支管固定在中央蒸汽管上，集氣管通過連接管與支管相連接，噴管板固定在集氣管上，組成貫通的汽刀裝置。

集氣管、噴管板、連接管組合成汽刀組合件 (見圖2)，它是該裝置的核心部件。蒸汽集氣管與噴管板采用鋁合金材料，以減輕其質(zhì)量，蒸汽集氣管與噴管板間通過釬焊連接，集氣管兩端密封，噴管孔直接加工在噴管板上 (見圖3)。

1.2 工作過程

工作時(shí)，蒸汽依次進(jìn)入中央蒸汽管、連接管、支管、集氣管，再經(jīng)噴管板上的一排噴管孔噴出，形成所謂的汽刀，通過汽刀的沖擊，冷凝水環(huán)層局部將被沖擊下陷。

由于噴管孔中心線與連接管、支管中心線有一定的夾角，汽刀斜向沖擊冷凝水環(huán)層 (見圖4)，當(dāng)汽刀速度達(dá)到一定時(shí)，將使冷凝水環(huán)層產(chǎn)生剝離，冷凝水再通過如圖4所示的虹吸器吸嘴吸入，使冷凝水排出烘缸。

噴管與烘缸內(nèi)壁面距離12 mm，噴管孔間距5 mm，每個(gè)噴管板上設(shè)有1000個(gè)噴管孔。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 噴管蒸汽流量計(jì)算

本設(shè)計(jì)采用的烘缸直徑為Φ1.8 m，紙幅寬為5 m，高速烘缸車速500 m/min(8.33 m/s)。采用三段烘缸干燥，第一段共12個(gè)烘缸，每個(gè)烘缸設(shè)置三組汽刀組合件，其中一組汽刀組合件的主要功能用于減薄水環(huán)層的厚度，故其噴管孔中心線與連接管中心線有一定的角度 (見圖4)，另外兩組汽刀組合件的主要功能是用于干擾冷凝水層，使加熱蒸汽以汽刀的形式垂直噴射到冷凝水環(huán)層，使得原本穩(wěn)定流動(dòng)的水環(huán)產(chǎn)生湍動(dòng)［6］。

本烘缸用于生產(chǎn)定量50 g/m2新聞紙的干燥，干燥蒸汽消耗量2.5～4.0 kg蒸汽/kg紙［7］，取干燥1 kg紙需要3 kg的水蒸氣。

則:單位時(shí)間生產(chǎn)紙張量為8.33×5×50×10－3=2.083(kg/s)

第一段12個(gè)烘缸供汽質(zhì)量流量 2.083×3=6.248(kg/s)

第一段烘缸中每個(gè)烘缸供汽質(zhì)量流量 6.248÷12=0.52(kg/s)

每一個(gè)汽刀組合件供汽質(zhì)量流量 0.52÷3=0.174(kg/s)

每個(gè)噴管孔供汽質(zhì)量流量 qm=0.174÷1000=1.74 ×10－4(kg/s)

2.2 噴管參數(shù)計(jì)算

2.2.1 噴管選擇［8-9］

噴管孔采用漸縮噴管結(jié)構(gòu) (見圖3)，以提高噴管孔噴出蒸汽的流速，在噴管孔進(jìn)汽口與集氣管之間采用較大角度的錐體圓滑過渡，確保由噴管噴出的蒸汽呈層流狀態(tài)，避免出現(xiàn)紊流狀態(tài)［8］，以達(dá)到汽刀對(duì)冷凝水環(huán)層沖擊的強(qiáng)度，造成冷凝水環(huán)的湍動(dòng)效果。

設(shè)集氣管中蒸汽壓力 (P1)為0.8 MPa，蒸汽溫度 (T1)為205℃;烘缸內(nèi)蒸汽壓力 (P2)為0.5 MPa，0.5 MPa對(duì)應(yīng)的飽和溫度為 151.867℃≈152℃，校核烘缸內(nèi)蒸汽溫度 (T2)≥152℃。由公式 (1)計(jì)算蒸汽壓比 (v)。式中，vcr為過熱蒸汽臨界壓比，vcr=0.546。

因?yàn)檎羝麎罕却笥谶^熱蒸汽臨界壓比，應(yīng)選漸縮噴管，以增加噴管出口流速。

烘缸內(nèi)蒸汽溫度按溫度T與壓力P的關(guān)系式(2)計(jì)算。

式中，k為等熵指數(shù)，對(duì)于過熱蒸汽，k=1.3。

由式 (2)計(jì)算得到噴管出口蒸汽溫度為156℃＞152℃。

烘缸加熱蒸汽溫度、壓力參數(shù)如表1所示。

表1 加熱蒸汽溫度、壓力參數(shù)

2.2.2 噴管截面參數(shù)計(jì)算［8-9］

(1)計(jì)算噴管進(jìn)口蒸汽流出速度 (C2)

根據(jù)蒸汽進(jìn)入集氣管的流速，取噴管進(jìn)口蒸汽流入速度 (C1)為10 m/s:

式中，Cp為蒸汽的平均比定壓熱容，查得Cp=1.894 kJ/(kg·K);T1為噴管進(jìn)口蒸汽溫度，等于集氣管內(nèi)蒸汽溫度205℃;T2為噴管出口蒸汽溫度，等于烘缸內(nèi)蒸汽溫度156℃。

由式 (3)計(jì)算得:

C2=13.62+10=23.62(m/s)

(2)計(jì)算噴管出口直徑 (d2)

噴管內(nèi)質(zhì)量流量計(jì)算按公式 (4)進(jìn)行。

式中，qm為噴管內(nèi)質(zhì)量流量;A為噴管截面面積;C為蒸汽流速;v為蒸汽的比體積;A1為噴管進(jìn)口面積;C1為噴管進(jìn)口蒸汽流速;v1為噴管進(jìn)口截面處蒸汽的比體積;A2為噴管出口面積;C2為噴管出口蒸汽流速;v2為噴管出口截面處蒸汽的比體積。

查過熱蒸汽熱力性質(zhì)表得v1=0.38 m3/kg，v2=0.26 m3/kg。

把噴管出口蒸汽參數(shù)及流量代入式 (4)得:

A2=1.92(mm2)

計(jì)算得噴管出口直徑d2=1.2(mm)

(3)計(jì)算噴管進(jìn)口直徑 (d1)

把噴管入口蒸汽參數(shù)及流量代入式 (4)得:

A1=6.61(mm2)

則d1=3.0(mm)

噴管參數(shù)如表2所示

表2 噴管參數(shù)

2.3 計(jì)算汽刀沖擊進(jìn)入水環(huán)層的深度［8］

在重力場(chǎng)中介質(zhì)的伯努利方程見式 (5)。

式中，zg為單位質(zhì)量流體對(duì)某一基準(zhǔn)面具有的位置勢(shì)能，其中z表示所研究點(diǎn)相對(duì)某一基準(zhǔn)面的幾何高度，又稱為位置壓頭;g為重力加速度，m/s2。為單位質(zhì)量流體具有的壓力能，即由于流體壓力的存在，可以使流體上升至一定高度稱為壓力勢(shì)能，其中p為研究點(diǎn)的壓力，Pa;ρ為介質(zhì)的密度，kg/m3;為單位質(zhì)量流體具有的動(dòng)能，v為研究點(diǎn)的介質(zhì)的流速，m/s;C為常數(shù)。

2.3.1 垂直水環(huán)表面沖擊，汽刀進(jìn)入水環(huán)層表面的深度

圖5所示為汽刀垂直沖擊水環(huán)示意圖，由圖5所示，可針對(duì)汽刀沖擊水環(huán)層局部表面后出現(xiàn)的i表面及基準(zhǔn)0表面寫出伯努利方程。

為方便計(jì)算，簡(jiǎn)化如下:一是由于該研究介質(zhì)是在離心力場(chǎng)中，且離心加速度很大，忽略重力加速度;二是不考慮冷凝水的黏性，按理想流體處理。伯努利方程如式 (6)。

圖5 汽刀垂直沖擊水環(huán)層示意圖

式中，za離為在離心力條件下，單位質(zhì)量流體對(duì)某一基準(zhǔn)面具有的位置勢(shì)能，其中z表示所研究點(diǎn)相對(duì)某一基準(zhǔn)面沿離心加速度方向的幾何高度，又稱為離心力條件下的位置壓頭;a離為水環(huán)的離心加速度，m/s2;z0為基準(zhǔn)表面，則z0=0;zi為i表面相對(duì)于基準(zhǔn)0表面的高度或壓頭，m;為i表面單位質(zhì)量流體具有的壓力能，為基準(zhǔn)0表面單位質(zhì)量流體具有的壓力能，其中ρ為介質(zhì)的密度，kg/m3;p0為介質(zhì)在基準(zhǔn)0表面的壓力，pi為介質(zhì)在i表面的壓力;為基準(zhǔn)0表面單位質(zhì)量流體具有的動(dòng)能。其中v0為介質(zhì)在基準(zhǔn)0表面的流速，m/s，為i表面單位質(zhì)量流體具有的動(dòng)能，vi為介質(zhì)在i表面的流速，m/s。

由于汽刀的動(dòng)能是汽刀深入水環(huán)層的動(dòng)力。即蒸汽在基準(zhǔn)0表面的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為汽刀垂直深入水環(huán)層的深度zi。噴管距烘缸內(nèi)壁面只有12 mm，忽略汽刀從噴管出口噴射到冷凝水環(huán)層表面前的能量損失，得式(7)。

查飽和水熱力性質(zhì)表知:ρ水=917 kg/m3，基準(zhǔn)表面水蒸氣密度ρ汽=0.38 kg/m3，基準(zhǔn)表面水蒸氣流速(v氣，等于噴管出口水蒸氣流速)為23.62 m/s。

水環(huán)離心加速度計(jì)算:

式中，v水為水環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，r為水環(huán)的半徑，約等于烘缸的半徑0.9 m。

代入式 (7)得:zi=－1.50 mm

即汽刀垂直水環(huán)層表面沖擊時(shí)，深入水環(huán)層的深度為1.50 mm。

2.3.2 汽刀斜向水環(huán)表面沖擊，深入水環(huán)層表面的深度

如圖4所示，汽刀是斜向沖擊冷凝水環(huán)層的，使汽刀深入水環(huán)層的同時(shí)，剝離水環(huán)層。

設(shè)汽刀與水環(huán)層形成的夾角為45°，則由公式(7)計(jì)算的進(jìn)入水環(huán)層的深度zi=－1.50 mm是以?shī)A角為45°斜向沖擊水環(huán)層的深度，設(shè)此時(shí)汽刀沖擊水環(huán)的垂直深度為z，計(jì)算如下:

高速烘缸正常工作時(shí)，水環(huán)層厚度一般為1.0～2.5 mm［10］，當(dāng)將水環(huán)層厚度減薄1.06 mm，會(huì)使冷凝水環(huán)層的熱阻明顯降低。

2.4 吸水器的選擇［10］

選用懸臂式固定虹吸器。

在烘缸的兩端非工作段開設(shè)3 mm深的吸水槽，虹吸器間隙從虹吸槽底部測(cè)量。

虹吸器吸嘴軸向位置設(shè)置在吸水槽中，周向位置設(shè)置在距離斜汽刀20～30 mm的位置，如圖4所示，以利于排除冷凝水。

斜汽刀、虹吸器的具體位置，還需要在具體應(yīng)用中確定。

2.5 汽刀組合件各零件結(jié)構(gòu)

蒸汽支管選用D80鋁合金管。蒸汽集氣管選用D280鋁合金管加工而成，噴管板選用D280鋁合金管加工而成。

噴管孔表面的粗糙度要求在0.08～0.16 μm范圍內(nèi)。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 裝置［6］

實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示，筒體用有機(jī)玻璃，外直徑Φ300 mm，筒體厚度10 mm，長(zhǎng)度400 mm。集氣管上加工有一排間隔10 mm的直徑為Φ2 mm噴管，噴管與筒體徑向夾角45°。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)時(shí)蒸汽用空氣代替，冷凝水用著紅色的常溫水代替，筒體持液量取2000 mL，通入氣體壓力分別為:0.4、0.5 MPa，實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速取300 r/min，使烘缸內(nèi)壁面形成的水環(huán)層處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 效果

由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，空氣由噴嘴噴出斜向沖擊液環(huán)，對(duì)液環(huán)有強(qiáng)烈的擾動(dòng)作用，液環(huán)被沖擊的局部厚度減薄，但數(shù)碼相機(jī)拍攝的照片 (見圖7)效果不是很明顯。

隨著空氣壓力的提高，擾動(dòng)作用越強(qiáng)烈，液環(huán)厚度減薄程度越大。

圖7 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象照片

4 結(jié)語(yǔ)

4.1 高速烘缸內(nèi)采用汽刀式供汽方式，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)均說明該種設(shè)計(jì)能有效地削薄水環(huán)層的厚度，并對(duì)液環(huán)有強(qiáng)烈的擾動(dòng)作用;同時(shí)也使設(shè)置虹吸器吸嘴的局部冷凝水環(huán)層度厚稍有增加，便于冷凝水被虹吸器的吸嘴吸入，盡量及時(shí)有效地排除烘缸內(nèi)的冷凝水，達(dá)到提高水環(huán)的熱量傳遞，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的目的。

4.2 該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無活動(dòng)零件，不會(huì)影響烘缸的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和動(dòng)平衡。

4.3 通過噴管設(shè)計(jì)計(jì)算可知，為了保證烘缸內(nèi)蒸汽壓力0.5 MPa、溫度152℃的正常工藝參數(shù)，集氣管中蒸汽壓力及溫度應(yīng)達(dá)到0.8 MPa、205℃，雖然供汽參數(shù)有所提高，但也在正常范圍內(nèi)。

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