董繼先 史 韻 湯 偉 嚴 彥

(陜西科技大學機電工程學院，陜西西安，710021)

紙機干燥部是造紙過程中能耗最大的工段，其蒸汽消耗成本占紙張生產(chǎn)成本的5% ～15%［1］，具有極大的節(jié)能潛力。烘缸作為干燥部的重要組成部分，一直是國內(nèi)外學者研究的熱點。目前，在實際生產(chǎn)中，蒸汽加熱干燥仍然在紙張干燥中扮演重要角色，但其最大問題就是蒸汽冷凝放熱后形成的冷凝水若不及時排出，會在烘缸內(nèi)壁形成穩(wěn)定的冷凝水環(huán)，影響紙機干燥效率，限制紙機的高速化發(fā)展。國內(nèi)外學者針對這一問題進行了研究，其基本思路是采取措施以減小烘缸內(nèi)冷凝水環(huán)的厚度及其熱阻?；诖怂悸?，前人在改進烘缸結(jié)構(gòu)方面做了很多努力:如在烘缸內(nèi)部設(shè)置擾流棒，提升烘缸內(nèi)冷凝水的排出效率，提高熱傳導以及干燥均勻度［2-3］;將用于排出冷凝水的虹吸裝置由固定式虹吸管改為旋轉(zhuǎn)式虹吸管，再到目前廣泛使用的懸臂式虹吸管［4-5］;孫銘等人［6］提出將烘缸內(nèi)表面加工為均布的螺旋齒，各間隔齒槽底面分別向兩端傾斜，在兩端開回水環(huán)形槽，以提高傳熱效率和烘缸整體的熱均勻性;江村等人［7］提出一種無虹吸管葉輪排水式烘缸，依靠出水葉輪缸蓋上的葉片對冷凝水的向心作用，將冷凝水排出烘缸，不需要設(shè)置虹吸排水裝置。

前人的努力和探索雖然能在一定程度上改善烘缸內(nèi)冷凝水的問題，但是隨著造紙裝備向大型化、高速化、自動化、綠色化和高可靠性的發(fā)展，這些改進措施已經(jīng)很難滿足實際的生產(chǎn)需求，因此必須改變現(xiàn)有的干燥方式來適應(yīng)造紙裝備的發(fā)展趨勢，而多通道烘缸正是在這一背景條件下提出的［8］，并很快引起造紙裝備發(fā)達國家研究者的興趣。

本文綜述了紙機多通道烘缸的研究與發(fā)展情況，在介紹多通道烘缸的基本結(jié)構(gòu)與原理的基礎(chǔ)上，從結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化、實驗研究、計算流體動力學 (CFD)仿真研究等方面對國內(nèi)外多通道烘缸最新的研究進展進行總結(jié)，并對今后的研究方向進行了展望。

1 多通道烘缸

多通道烘缸的設(shè)計理念是提供一種可以從根本上解決烘缸內(nèi)冷凝水環(huán)的問題，并提高紙張干燥速率的紙張干燥解決方案。圖1為多通道烘缸的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，在此新結(jié)構(gòu)原理的烘缸中，過熱蒸汽通過旋轉(zhuǎn)接頭進入烘缸，然后沿緊貼烘缸內(nèi)壁的若干毫米級的細小通道中流過，在通道內(nèi)過熱蒸汽冷凝放熱，熱量穿過烘缸壁用于干燥紙幅，相變形成的冷凝水由后續(xù)蒸汽推動，從通道出口排出。整個過程排水通暢，不存在冷凝水環(huán)問題，傳熱熱阻明顯減小，而且可以不使用虹吸管等排水裝置。在傳熱方面，多通道烘缸在干燥時的主導傳熱方式是強制對流傳熱，傳熱系數(shù)遠高于主導傳熱方式為熱傳導的傳統(tǒng)烘缸。因此，從原理上講，多通道烘缸具有比傳統(tǒng)烘缸更高的傳熱效率與干燥效率，以及比傳統(tǒng)烘缸更小的尺寸，還有利于提高紙機車速［9-11］。

圖1 多通道烘缸結(jié)構(gòu)示意圖

2 多通道烘缸結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化的研究進展

2.1 國外多通道烘缸結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化的研究進展

Argonne National Laboratory與Johnson公司合作，首先對多通道烘缸進行三維建模，并借助有限元分析軟件對多通道烘缸模型進行有限元分析，研究多通道烘缸的結(jié)構(gòu)可行性，然后在一個縮短的傳統(tǒng)烘缸(長6.3 m)上設(shè)計并試制出多通道烘缸的原型，如圖2［12］所示。

圖2 縮短的多通道烘缸原型

有學者提出了多通道烘缸通道部分的3種構(gòu)成形式 (見圖3)［13］:①將有溝槽的金屬波紋板固定在烘缸內(nèi)壁，與烘缸內(nèi)壁形成通道;②采用切削加工、鑄造等機械加工方法，在烘缸外壁上加工出溝槽，在其外側(cè)套裝一個導熱性能良好的金屬薄筒，烘缸外壁的溝槽與金屬薄筒形成通道，金屬薄筒外表面充當干燥表面;③在烘缸內(nèi)壁上加工出溝槽，并將金屬薄筒固定在烘缸內(nèi)壁，烘缸內(nèi)壁上的溝槽與金屬薄筒構(gòu)成通道。第一種方法安裝拆卸方便、易維護修理，但是在金屬波紋板上加工溝槽較困難;第二種方案加工簡單，但是其強度能否達到要求需要進一步驗證;第三種方法較前兩種方法而言更容易實施，且滿足加工工藝要求。

圖3 多通道烘缸通道部分的3種構(gòu)成形式

2.2 國內(nèi)多通道烘缸結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化的研究進展［14-16］

國內(nèi)對多通道烘缸結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化的相關(guān)研究相對較少，陜西科技大學通過對多通道烘缸理論分析與有限元分析，發(fā)現(xiàn)單向進汽、單向出水的多通道烘缸可能由于紙幅過寬，出現(xiàn)烘缸兩端表面溫度不均勻的現(xiàn)象，因此提出了雙向進汽的圓柱形夾層多通道烘缸［17］(見圖4)。烘缸缸體的內(nèi)壁上加工出與主軸有一定夾角的溝槽，與烘缸內(nèi)筒配合形成通道，夾角的存在有利于在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下將通道中的冷凝水排出，在兩相鄰?fù)ǖ篱g開設(shè)小尺寸隔熱盲通道以避免相鄰?fù)ǖ篱g發(fā)生熱交換。在內(nèi)筒兩端開設(shè)蒸汽入口，單側(cè)蒸汽入口數(shù)量為通道總數(shù)的1/2，兩端蒸汽入口交錯分布，使相鄰?fù)ǖ赖恼羝肟诜謩e位于內(nèi)筒兩端。兩相鄰汽水通道中的流體呈叉流流動，減少因紙幅過寬而導致的烘缸兩端表面溫度不均勻的現(xiàn)象。烘缸筒體內(nèi)兩端均設(shè)有集水圈，集水圈中環(huán)形分布的進水孔與其相應(yīng)側(cè)的通道出口相通，通道內(nèi)推出的冷凝水經(jīng)通道出口進入其相應(yīng)端的集水圈，后經(jīng)集水圈收集后通過出水管排出。

在設(shè)計出圓柱形夾層多通道烘缸結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用ANSYS有限元分析軟件對烘缸整體及缸蓋進行了受力分析，得出設(shè)計的多通道烘缸結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足的應(yīng)力要求。然后應(yīng)用Fluent軟件，取一組相鄰小通道建模，并進行傳熱模擬，得到結(jié)論:新型雙向進汽的多通道烘缸結(jié)構(gòu)滿足傳熱要求，烘缸表面溫度的均勻性明顯改善，烘缸表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高。

圖4 雙向進汽的圓柱形夾層多通道烘缸

在結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化方面，現(xiàn)有的研究成果對于今后相關(guān)研究的進一步開展具有一定的指導意義，但結(jié)構(gòu)設(shè)計缺乏足夠的理論支撐，未來需要大量試驗和理論研究來尋找理論支撐，并發(fā)展適用于多通道烘缸的設(shè)計方法。

3 多通道烘缸的實驗研究進展

烘缸的傳熱速率Q(kW)是衡量紙幅干燥效率的重要指標，如式 (1)所示［18］。

式中，A為烘缸有效干燥面積 (m2);Ts為缸內(nèi)蒸汽的溫度 (K);Tp為紙幅的平均溫度 (K);U為烘缸總傳熱系數(shù) ［kW/(m2·K)］，主要由冷凝傳熱系數(shù)、冷凝水環(huán)厚度、烘缸壁導熱系數(shù)及其壁厚、接觸熱阻、紙幅與空氣的傳熱系數(shù)等因素決定［18］。通過提高冷凝傳熱系數(shù)、烘缸壁導熱系數(shù)、紙幅與空氣的傳熱系數(shù)，減小冷凝水環(huán)厚度、接觸熱阻等措施，均可以提高總傳熱系數(shù)。

目前，多通道烘缸實驗研究的目的是通過測量蒸汽在通道內(nèi)的平均冷凝傳熱系數(shù)，驗證多通道烘缸總傳熱系數(shù)U及烘缸的傳熱速率Q較傳統(tǒng)烘缸是否得到提高，以證明多通道烘缸的可行性。

多通道烘缸在運行過程中，蒸汽沿通道運動，若干通道關(guān)于中心軸圓周陣列。該模型具有很強的規(guī)律性，對于該模型，可先取單個通道來研究，其研究結(jié)果可以反映整個模型內(nèi)的流體流動與傳熱特性。目前，對于多通道烘缸的實驗研究，僅局限于靜止狀態(tài)下的單通道內(nèi)蒸汽冷凝傳熱實驗。實驗測得多通道烘缸的平均冷凝傳熱系數(shù)遠高于傳統(tǒng)烘缸，壓力降較小。

S.U.S.Choi等人［9］建立了靜止狀態(tài)下模擬多通道烘缸中單個通道內(nèi)蒸汽冷凝傳熱過程的實驗裝置，如圖5所示。實驗測試管段用于模擬多通道烘缸中單個通道內(nèi)蒸汽冷凝傳熱的過程，包括緊貼在一起的蒸汽冷凝通道與冷卻劑通道，熱電偶、壓力傳感器、壓差傳感器、視窗等裝置。通道橫截面為矩形，尺寸為3000 mm×18.9 mm × 3.14 mm(長 × 寬 ×高)，材質(zhì)為導熱性能良好的鋁質(zhì)材料。熱電偶分兩組，一組等距布置在蒸汽冷凝通道與冷卻劑通道之間，一組等距布置在冷卻劑通道管壁。壓力傳感器用于測量蒸汽冷凝通道入口的壓力，壓差傳感器用于測量蒸汽冷凝通道的總體壓降，視窗用于識別兩相流流型、持液量及冷凝水厚度。

圖5 單通道蒸汽冷凝傳熱實驗裝置示意圖

該實驗裝置在溫度180℃、壓強170～620 kPa、蒸汽質(zhì)量流率20～50 kg/(m2·s)、蒸汽干度0.1～0.8的條件下進行實驗時，使用能量守恒定律與牛頓冷卻公式對實驗數(shù)據(jù)進行處理計算，得到單通道的平均冷凝傳熱系數(shù)約為15 kW/(m2·K)［9］，約為配置有擾流棒的傳統(tǒng)烘缸內(nèi)冷凝傳熱系數(shù)的7倍，無擾流棒的傳統(tǒng)烘缸的21倍。另外，還研究了蒸汽質(zhì)量流率、壓力、蒸汽干度對平均冷凝傳熱系數(shù)的影響，實驗結(jié)果表明平均冷凝傳熱系數(shù)幾乎不受蒸汽質(zhì)量流率、壓力以及蒸汽干度的影響。

實驗還測量了蒸汽冷凝通道內(nèi)的壓力降，結(jié)果表明壓力降較小，且隨著蒸汽質(zhì)量流率增大而增大，當蒸汽質(zhì)量流率為50 kg/(m2·s)時，壓力降最大值約為 2.2 kPa。

J.H.Shin 等人［19］認為，在 Argonne National Laboratory的實驗中，實驗測試段的蒸汽與冷卻劑逆流流動，用于描述實際濕紙幅熱力條件的管壁溫度沿蒸汽流動方向逐漸降低。而在實際的紙幅干燥中，濕紙幅的熱力條件沿蒸汽流動方向基本保持恒定。因此對該裝置進行了改進，將冷卻劑通道分為3段，進口設(shè)在每一段中間，出口設(shè)在每一段兩端 (見圖6)，這樣既保證了管壁溫度的恒定，也使對濕紙幅熱力條件的模擬更符合實際情況。實驗結(jié)果表明，改進后實驗測試段的管壁溫度保持恒定在125℃左右。

實驗表明平均冷凝傳熱系數(shù)幾乎不受系統(tǒng)壓力與蒸汽質(zhì)量流率的影響，驗證了Argonne National Laboratory的實驗結(jié)果;另外，還研究了通道橫截面尺寸對實驗結(jié)果的影響，采用橫截面長寬比分別為:1∶3(4.45 mm∶13.35 mm)、1∶6(3.14 mm∶18.9 mm)、1∶10(2.44 mm∶24.36 mm)的 3 種通道進行對比試驗，結(jié)果表明長寬比為1∶3通道的平均冷凝傳熱系數(shù)最高，約為17.5 kW/(m2·K)，且壓降最小，并預(yù)測了橫截面長寬比為1∶3的通道為較理想的通道。

兩個實驗研究結(jié)果都表明多通道烘缸的平均冷凝傳熱系數(shù)均較傳統(tǒng)烘缸的高［9，19］，且平均冷凝傳熱系數(shù)不受蒸汽質(zhì)量流率、壓力以及蒸汽干度的影響，通道內(nèi)壓較低。

但是靜止狀態(tài)下的單通道蒸汽冷凝實驗無法真實、全面地反映正常工作狀態(tài)下多通道烘缸內(nèi)通道中汽水兩相流的實際傳質(zhì)傳熱過程。因此，為了進一步研究多通道烘缸的傳熱特性與干燥機理，驗證多通道烘缸的可行性，將來要進行回轉(zhuǎn)運動狀態(tài)下單通道的蒸汽冷凝傳熱實驗。

4 多通道烘缸的CFD仿真研究進展

在多通道烘缸中，蒸汽被限制在通道中流動，蒸汽冷凝并相變?yōu)槔淠瑑烧叱浞只旌虾笤谝黄鹆鲃?，形成汽水兩相流。由于氣相可壓縮，使得兩相之間具有可變形的相界面，因此是一種非常復(fù)雜的兩相流動類型。為了探究多通道烘缸內(nèi)流體流動與傳熱特性，有必要進行多通道烘缸的CFD仿真研究。CFD的基本思想是用一系列有限離散點上的變量值的集合來代替空間域和時間域上連續(xù)的物理量的場 (速度場、溫度場等)，然后求解描述流體運動基本規(guī)律的非線性數(shù)值方程組，得到在時間和空間上定量描述流場的數(shù)值解，對流體流動和傳熱傳質(zhì)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)進行分析，從而達到對物理問題進行研究的目的［20］。

圖6 改進的實驗測試段示意圖

國內(nèi)外對多通道烘缸的CFD研究相對較少，陜西科技大學對多通道烘缸的單通道進行大量CFD研究［21-25］，首先建立了多通道烘缸通道中汽水兩相流均相流動和分相流動的數(shù)學模型、通道內(nèi)蒸汽冷凝傳熱的數(shù)學模型;然后，利用Fluent軟件進行了通道中汽水兩相流流型的數(shù)值模擬以及多通道烘缸傳熱性能的數(shù)值模擬。

在對流體流型的數(shù)值模擬方面，模擬了通道內(nèi)在不同氣相折算速率及不同液相折算速率工況下，通道中汽水兩相分布及其沿通道壁面方向的壓力降，模擬結(jié)果顯示通道內(nèi)兩相流流型與Mandhane流型圖中的數(shù)據(jù)有較高的吻合度，同時對通道內(nèi)壓力降進行分析，發(fā)現(xiàn)當通道內(nèi)兩相流流型為環(huán)狀流或環(huán)霧狀流時通道內(nèi)壓力降有最小值，有助于提高烘缸傳熱效率。

在對多通道烘缸傳熱性能的數(shù)值模擬方面，對單個通道內(nèi)蒸汽冷凝傳熱過程進行數(shù)值模擬，得到通道模型的平均冷凝傳熱系數(shù)約為15.6 kW/(m2·K)，與前人實驗結(jié)果接近，并且對通道的尺寸進行優(yōu)化，對比具有不同長寬比橫截面的數(shù)值模擬結(jié)果，得出長寬比為1∶3的橫截面的傳熱系數(shù)相對較高，這與J.H.Shin的實驗結(jié)果相符;另外，通過模擬多通道烘缸表面溫度，發(fā)現(xiàn)單一通道的傳熱過程有可能出現(xiàn)壁面溫度不均勻的現(xiàn)象。同時，通過模擬不同進口壓力對多通道烘缸表面溫度的影響，得出在一定的范圍內(nèi)，提高入口壓力不僅可以提高多通道烘缸的干燥效率，還可以進一步改善其表面溫度分布的不均勻性，為多通道烘缸優(yōu)化設(shè)計和實際操作條件提供了理論支撐。

5 結(jié)語

本文總結(jié)了國內(nèi)外多通道烘缸的研究進展，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化、實驗研究以及CFD仿真研究等各個層面。現(xiàn)有的研究成果表明，與傳統(tǒng)烘缸相比，多通道烘缸具有冷凝傳熱系數(shù)較高、壓力降較小、冷凝水排出順暢等特點，能夠滿足造紙設(shè)備高速化的發(fā)展需要。同時，多通道烘缸目前仍有許多問題需要繼續(xù)探討和研究:在實驗方面，未來要進行回轉(zhuǎn)運動狀態(tài)下的單通道蒸汽冷凝傳熱實驗。因此，在總結(jié)與分析前人研究成果的基礎(chǔ)上，用于模擬回轉(zhuǎn)運動下單通道內(nèi)蒸汽冷凝傳熱過程的回轉(zhuǎn)實驗平臺正在籌建中。借助熱流儀(HFM，Heat Flow Meter)可以直接測得單通道內(nèi)各點熱流量及溫度，用于計算平均冷凝傳熱系數(shù);利用粒子圖像測速儀 (PIV，Particle Image Velocimetry)和平面激光誘導熒光測量系統(tǒng) (PLIF，Planar laser induced fluorescence)測量溫度場和速度場，得到通道內(nèi)部速度場和溫度場分布情況;利用高幀頻數(shù)字相機觀察通道內(nèi)復(fù)雜的汽水兩相流流動現(xiàn)象，觀察氣相的集中區(qū)域以及蒸汽堆積現(xiàn)象。借助以上先進技術(shù)，可以研究單通道蒸汽冷凝傳熱模型的總體傳熱性能，并研究回轉(zhuǎn)的單通道內(nèi)兩相流流動、熱傳遞等科學問題，以便能準確掌握其規(guī)律。另一方面，現(xiàn)在還沒有一套完善、詳細的多通道烘缸設(shè)計方法和計算理論，適用于多通道烘缸的設(shè)計方法和計算理論需要進一步的研究和完善。

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