衛(wèi)延斌, 侯和平, 張海燕

(西安理工大學 印刷包裝與數(shù)字媒體學院，陜西 西安 710048)

懸浮烘干系統(tǒng)烘箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

衛(wèi)延斌, 侯和平, 張海燕

(西安理工大學 印刷包裝與數(shù)字媒體學院，陜西 西安 710048)

烘箱體是懸浮烘干系統(tǒng)的核心部件，其主要功能是為干燥熱風進行分配，使干燥熱風均勻進入風嘴對基材進行烘干。本文以懸浮烘干系統(tǒng)的烘箱體為研究對象，采用Gambit軟件對烘箱體結(jié)構(gòu)進行三維建模，用Fluent軟件進行熱風流體力學分析，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化改進烘箱體結(jié)構(gòu)，并仿真對比幾種結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果。研究表明，改進的結(jié)構(gòu)設計不僅能獲得更好的熱風分配效果，而且能降低烘箱體結(jié)構(gòu)設計難度。

涂布設備； 懸浮烘干系統(tǒng)； 烘箱體； 流體動力學； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

懸浮烘干技術(shù)是一種新型的熱風干燥技術(shù)，它利用空氣動力學原理，由一系列上下水平交錯或?qū)ΨQ排列的空氣噴嘴形成特殊熱風流場，支撐基材在烘箱里面運行并進行干燥。該技術(shù)被廣泛應用于化工、電力、建材、印刷包裝等行業(yè)，尤其適用于高精度涂布機和凹印機以及造紙機等設備[1-7]。近幾年，國內(nèi)外印刷包裝行業(yè)發(fā)展迅猛，涂布機和凹印機是包裝印刷企業(yè)的重要生產(chǎn)設備，其生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量等關(guān)鍵參數(shù)均與干燥裝置有著相當大的關(guān)系，干燥裝置的性能已成為制約涂布機、凹印機等設備發(fā)展的主要因素之一[2-5]。

凹印機烘干裝置主要由風機、風管、烘箱體和風嘴等部分組成。在烘干過程中，空氣經(jīng)加熱后由風機引入風管，最后經(jīng)風嘴吹向承印 物表面以完成油墨的干燥。近年來，相關(guān)學者對烘干系統(tǒng)各環(huán)節(jié)進行了研究，劉建等[2]根據(jù)凹印機烘箱，建立了風嘴的三維流體數(shù)學模型，獲得了風嘴出風場分布情況，發(fā)現(xiàn)風嘴出風不均勻且存在湍流，為風嘴的風場優(yōu)化提供了基礎(chǔ)；白文華等[3]對烘箱噴嘴沖擊流流場進行了分析，研究了風嘴高度、寬度與壁面附近流射速度之間的規(guī)律；武吉梅等[6]對凹印機烘箱進行了分析，應用流體力學對烘箱內(nèi)部熱風進行了運動學、動力學等分析，提出了烘箱的改進設計方案。從相關(guān)的研究結(jié)果看，盡管已經(jīng)取得了一些成果，還存在一些不足之處，一是當前研究多集中在整個烘干系統(tǒng)中，對于風嘴、管道等基本部件分析不足；二是以主要部件為研究對象的研究內(nèi)容有待繼續(xù)擴展。

本文以懸浮烘干系統(tǒng)的烘箱體為研究對象，分析了影響烘干效果的幾種因素，對箱體結(jié)構(gòu)尤其是導流板進行了優(yōu)化設計，并仿真對比了幾種優(yōu)化效果。

1 懸浮烘干系統(tǒng)分析

懸浮烘干系統(tǒng)主要由供風系統(tǒng)、排風系統(tǒng)、烘箱體、風嘴和外箱體組成(見圖1)?；牡暮娓蛇^程在烘箱體內(nèi)完成，因此，烘箱體是烘干系統(tǒng)的核心部件。

懸浮烘干系統(tǒng)箱體由上箱和下箱組成，上、下箱體為長方體并鋪有保溫層，上箱體和下箱體間一端使用鉸鏈連接，另一端通過氣缸實現(xiàn)輔助開合功能。平穩(wěn)的氣流進入烘箱體，經(jīng)過烘箱體的引導和分配形成均勻熱風進入每個風嘴，風嘴噴出高速熱風在風嘴和基材之間形成湍流完成烘干，完成干燥任務的熱風由抽風機抽出，從排風管排出烘箱。

烘箱體是懸浮烘箱的內(nèi)腔體，體內(nèi)安裝依據(jù)箱體結(jié)構(gòu)設計的導流板，由導流板對干燥熱風進行引導和分配，以使干燥熱風均勻分布于烘箱體內(nèi)。因此，導流板規(guī)格和位置對烘干效果影響很大。

2 烘箱體建模與數(shù)值模擬

2.1 烘箱體模型的建立

依據(jù)資料對某公司烘箱體進行建模。模型熱風入口為長方形，10個長方形出口與10個風嘴相連，導流板長700 mm，寬186 mm，距離干燥熱風入口150 mm；采用Gambit對導流板進行設計并用Pro/E軟件建立三維模型(如圖2所示)。烘箱體主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

為后面對比分析方便，定義資料模型為模型結(jié)構(gòu)A。

2.2 邊界設定及求解方法

根據(jù)烘箱體內(nèi)干燥熱風的物理性質(zhì)，200℃時，干燥熱風密度ρ為1.235 kg/m3；動力粘度μ為2.58×10-5Ns/m2；比熱容Cp為1.034 kJ/(kg·K)；熱傳導系數(shù)λ為0.039 3 W/(m·K)。

速度進口邊界條件是用進口處流場的速度及相關(guān)流動變量作為邊界條件。本文模型中采用給定速度值且假定速度垂直于邊界，速度值以及當量直徑等參數(shù)的設定均以計算值為準。依據(jù)計算分析，速度入口邊界條件設為: 熱風速度取12.06 m/s；湍流強度I取3.55%；湍動能k為0.274 9 m2/s2；湍流耗散率ε為1.206 9 m2/s3。

出口條件為壓力出口邊界條件，壓力出口邊界條件設為靜壓定義為0 Pa；湍流強度I為4.96%；湍動能k為6.2×103m2/s2；湍流耗散率ε為6.13×103m2/s3。

求解算法采用SIMPLE算法，模擬計算的求解插值方法使用二階迎風格式。首先，假定一個作為計算動量離散方程中的系數(shù)及常數(shù)項的速度分布和一個壓力場，然后對動量方程依次進行求解；通過求解結(jié)果對壓力進行求證，根據(jù)修正后的壓力值對速度值進行改進；利用改進后的速度場求解那些通過源項物性等于速度場耦合的變量，如果變量并不影響流場，則應在速度場收斂后再求解；利用改進后的速度場重新計算動量離散方程的系數(shù)，并利用改進后的壓力場作為下一層次迭代計算的初值[8]。通過不斷地修正計算結(jié)果，交替求解壓力場和速度場的迭代過程，直到獲得收斂解。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

跡線是單個質(zhì)點在連續(xù)時間過程內(nèi)的流動軌跡線，速度跡線圖可以清晰地顯示計算域內(nèi)速度粒子的流動情況。根據(jù)分析數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)A干燥熱風軌跡線圖如圖3所示，左邊的顏色標尺代表速度，速度不同顏色不同，流線越密表示此處干燥熱風速度越大。

從圖3速度粒子的流動軌跡可以看出，干燥熱風進入烘箱體后，一部分干燥熱風由于導流板的作用在導流板處往兩邊流動；一部分干燥熱風直接流到烘箱體的入口對側(cè)的壁面上，在壁面的作用下往兩邊流動。

速度等值線云圖中不同顏色代表不同的速度，顏色越均勻代表速度的均勻性越好。圖4所示為十個出口的速度等值線云圖。從圖4可以看出，十個出口的干燥熱風速度很不均勻。

從圖3和圖4可知，懸浮烘干系統(tǒng)的烘箱體結(jié)構(gòu)A熱風分配效果與目標熱風分配效果差距很大。因此，必須對該烘箱體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以求更好的熱風分配方案和烘干效果。

3 烘箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

經(jīng)驗表明，影響烘箱體對干燥熱風分配的關(guān)鍵因素有烘箱體的長和寬、干燥熱風入口的位置和形狀、導流板的位置和形狀，以及某些對干燥熱風分配有影響的附加結(jié)構(gòu)如導風管等[2-6]。由于烘箱體的長和寬需根據(jù)風嘴的結(jié)構(gòu)來確定，文獻[5]研究確定了風嘴的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，因此本文烘箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化項目選擇不考慮烘箱體的長和寬，優(yōu)化的目標為使烘箱體十個出口的干燥熱風速度均勻性更好。

3.1 優(yōu)化方案

在烘箱體結(jié)構(gòu)A的基礎(chǔ)上，對烘箱體結(jié)構(gòu)設計了4種優(yōu)化方案，如表2所示，干燥熱風入口參數(shù)依據(jù)不同方案計算如表3所示。

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

采用本文前述方法分別對4種優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)進行仿真分析，分析結(jié)果如圖5所示。

對比分析優(yōu)化前結(jié)構(gòu)A和優(yōu)化后結(jié)構(gòu)B可以看出，烘箱體結(jié)構(gòu)B干燥熱風的入口位置和形狀優(yōu)化后，10個出口的熱風速度均勻性得到了改善。

對結(jié)構(gòu)B進一步優(yōu)化，增加導風管結(jié)構(gòu)，隨著導風管寬度增加，如方案2和3，10個出口干燥熱風的速度均勻性更好。

綜合考慮幾項優(yōu)化因素，并采用對稱結(jié)構(gòu)給出優(yōu)化結(jié)構(gòu)C，可以看出，出口熱風的均勻性遠遠優(yōu)于之前的幾個結(jié)構(gòu)，并且對稱結(jié)構(gòu)有助于降低箱體結(jié)構(gòu)設計難度。

進一步對烘箱體結(jié)構(gòu)C的仿真分析數(shù)據(jù)進行研究，提取10個出口干燥熱風的平均速度值，列于表4。

表4 10個出口的平均速度

Tab.4 Average velocity of ten outlets

由表4可看出，1、2、3、8、9、10出口的平均速度基本持平；4、7出口的平均速度基本持平，且比其它出口的平均速度要小一些；5、6出口的平均速度基本持平，比其它出口的平均速度大一些。

整體來看，10個出口的平均速度相差不大。

4 結(jié) 論

1) 現(xiàn)有資料提供的烘箱體結(jié)構(gòu)較差，此結(jié)構(gòu)烘箱體十個出口干燥熱風的均勻性很差，需要對它進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；

2) 影響干燥熱風均勻性因素較多，導風管的位置和尺寸對熱風的分配也有影響，增加導風管可以明顯改善十個出口熱風均勻性；

3) 綜合考慮干燥熱風入口、導流板、導風管對烘箱體內(nèi)熱風分配的影響，采用優(yōu)化方案4對稱機構(gòu)優(yōu)化烘箱體結(jié)構(gòu)利于熱風的更好分配，同時能降低設計難度。

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(責任編輯 王衛(wèi)勛)

Research on drying oven body structure optimization of suspension drying system

WEI Yanbin, HOU Heping, ZHANG Haiyan

(Faculty of Printing，Packaging Engineering and Digital Media Technology,Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China)

The oven body is the core component of suspended drying system，whose main function is to allocate the hot drying air whereby making the hot air enter into the wind mouth evenly for drying the substrates. In this paper, with the oven body of the suspended drying system as an object, three-dimensional model of the oven body structure is set up with Gambit software, and the hot fluid mechanics are analyzed with Fluent software. According to the analysis results, the oven body structure is improved optimally, and several optimizing structure is further simulated and compared. The study results show that the improved structure can not only get the better effect of the hot air distribution, but also reduce the difficulty of the oven body structure design.

coating equipment； suspended drying system； oven body； fluid dynamics； structure optimization

1006-4710(2015)02-0171-05

2015-01-07

國家科技支撐計劃資助項目(2013BAF04B00)；陜西省科技計劃資助項目(2014K07-03)；陜西省教育廳重點實驗室科研計劃資助項目(14JS068)。

衛(wèi)延斌，男，博士，講師，研究方向為印刷設備設計優(yōu)化及其自動化。E-mail：yb_wei@163.com。

TS803.6

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