張長(zhǎng)飛　丁克強(qiáng)　李乾軍　張東平　吳功德

(南京工程學(xué)院環(huán)境工程系,江蘇南京,211167)

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·氣墊式熱風(fēng)箱·

氣墊式熱風(fēng)箱及紙張傳熱性能模擬研究

張長(zhǎng)飛丁克強(qiáng)李乾軍張東平吳功德

(南京工程學(xué)院環(huán)境工程系,江蘇南京,211167)

通過(guò)最小二乘法研究熱空氣在氣墊式熱風(fēng)箱內(nèi)的速度、靜壓、溫度分布,探討了入口風(fēng)速、高度比、入口溫度、開孔率和噴口方式對(duì)氣墊層不均勻指數(shù)、氣墊靜壓和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響規(guī)律。通過(guò)量綱分析擬合Nu的函數(shù)關(guān)系式,數(shù)值模擬值與擬合值比較表明,最大相對(duì)誤差為9.53%,均方根誤差為9.5%,擬合方程可為熱風(fēng)箱氣墊層表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的優(yōu)化研究提供參考。

氣墊式；熱風(fēng)箱；傳熱特性；數(shù)值模擬

(*E-mail: dndx1984@126.com)

熱風(fēng)箱是形成空氣沖擊干燥的關(guān)鍵設(shè)備?？諝鉀_擊干燥是將高溫空氣通過(guò)噴嘴以極高的速度噴到紙幅的表面,高速氣流對(duì)紙幅表面產(chǎn)生極大的沖擊作用,消除了紙幅表面的滯流層進(jìn)而攜走水分的過(guò)程[1]。由于沖擊流產(chǎn)生大的湍流,因而具有較高的傳熱、傳質(zhì)系數(shù),可以有效地縮短干燥時(shí)間,具有極高的傳熱效率和蒸發(fā)速度。

研究表明，沖擊流的傳熱、傳質(zhì)系數(shù),隨流體相對(duì)噴嘴的位置而變化；與噴嘴的結(jié)構(gòu)、噴嘴的排列方式、流體出口截面距沖擊面的距離、介質(zhì)的溫度、被沖擊表面的幾何形狀、排氣孔的設(shè)置等因素有關(guān)；噴嘴的形式也嚴(yán)重影響傳遞過(guò)程,要達(dá)到相同的傳熱系數(shù),條形噴嘴的沖擊速度要比圓形噴嘴的低40%左右[2]。

鄭榮和[3]探討了氣墊式漿板機(jī)熱風(fēng)箱系統(tǒng)的氣體流動(dòng),首次建立氣墊式漿板機(jī)熱風(fēng)箱氣體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)和熱風(fēng)箱氣體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。在不同的入口風(fēng)速和外形尺寸的工況下對(duì)熱風(fēng)箱內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,測(cè)量了熱風(fēng)箱內(nèi)的速度和靜壓分布,探討了入口風(fēng)速和外形尺寸對(duì)熱風(fēng)箱內(nèi)靜壓和速度的影響,分析了熱風(fēng)箱內(nèi)靜壓分布及氣墊層的均勻性。曾滿連[4]在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)氣墊式漿板機(jī)熱風(fēng)箱的流場(chǎng)、壓力場(chǎng)和傳熱性能進(jìn)行了研究,分析了入口風(fēng)速、溫度、開孔率等因素對(duì)氣墊式漿板機(jī)熱風(fēng)箱系統(tǒng)氣體流動(dòng)特性和傳熱特性的影響。結(jié)果表明，傳熱系數(shù)與噴口傾角成反比,入口風(fēng)速、出風(fēng)板開孔率、高度比對(duì)傳熱系數(shù)有一定影響,均呈二次函數(shù)關(guān)系。

目前,對(duì)氣墊干燥過(guò)程的研究較少,其他關(guān)于熱風(fēng)箱系統(tǒng)氣體流動(dòng)特性和傳熱特性的研究寥寥無(wú)幾,沒(méi)有考慮到其他因素對(duì)氣體流動(dòng)和傳熱特性的影響,如熱風(fēng)箱噴口形狀和布置方式等。熱風(fēng)箱噴口處氣墊層流場(chǎng)規(guī)律及傳熱特性非常復(fù)雜,不同的噴口形式和布置方式、入風(fēng)參數(shù)對(duì)流場(chǎng)規(guī)律和傳熱特性的影響很大[5]。目前，關(guān)于熱風(fēng)箱開孔形狀和布置方式對(duì)系統(tǒng)氣體流動(dòng)特性和傳熱特性的影響未見(jiàn)報(bào)道。

本文將深入研究氣墊式熱風(fēng)箱在不同開孔形式和布置方式下風(fēng)速、開孔率、溫度等參數(shù)對(duì)氣體流動(dòng)特性和傳熱特性的影響。

氣墊層傳熱系數(shù)的大小直接影響熱風(fēng)箱的干燥速率[6]。氣墊式熱風(fēng)箱干燥原理如圖1所示,熱空氣通過(guò)下吹箱上的噴孔將紙幅托起,使其懸浮在熱風(fēng)箱上,減少了紙幅在干燥器內(nèi)的摩擦阻力,紙幅斷紙、破損的機(jī)率大大減少,同時(shí),熱空氣與紙幅間進(jìn)行強(qiáng)烈的傳熱傳質(zhì)過(guò)程,使紙幅上水分蒸發(fā)、擴(kuò)散至空氣中,紙幅不斷得以干燥。上吹箱把熱空氣吹向紙幅上部,進(jìn)一步增強(qiáng)紙幅水分蒸發(fā)效果[7-9]。上、下吹箱開孔方式不一樣,開孔作用也不同。上吹箱面上的開孔方式是圓形,而下吹箱面上的開孔方式是中間三角形,兩側(cè)圓形。熱空氣的壓力在熱風(fēng)箱中逐漸降低,為了使吹到紙幅上的風(fēng)力均勻,熱風(fēng)箱常設(shè)計(jì)成開口端向封閉端逐漸縮小的錐形,見(jiàn)圖2。

圖1　氣墊式熱風(fēng)箱原理圖

圖2　熱風(fēng)箱流場(chǎng)示意圖

根據(jù)相似原理,建立熱風(fēng)箱干燥實(shí)驗(yàn)臺(tái)。相似原理的3個(gè)核心內(nèi)容：幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似。幾何相似是指模型與其原型形狀相同,但尺寸可以不同,而一切對(duì)應(yīng)的線性尺寸呈比例；運(yùn)動(dòng)相似是指對(duì)不同的流動(dòng)現(xiàn)象,在流場(chǎng)中的所有對(duì)應(yīng)點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的速度方向一致,且比值相等；動(dòng)力相似是指作用在流體上相應(yīng)位置處各力組成的力多邊形幾何相似。在本研究中要保證實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)的介質(zhì)流動(dòng)與熱風(fēng)箱原型中的氣體流動(dòng)相似[10-11]。

符合物理現(xiàn)象相似的原則,應(yīng)做到以下幾方面：搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)時(shí),首先要保證氣體通道的幾何形狀相似,即實(shí)驗(yàn)熱風(fēng)箱的尺寸與原型對(duì)應(yīng)呈比例；熱風(fēng)箱與原型的內(nèi)部流動(dòng)為同類流動(dòng)；進(jìn)入熱風(fēng)箱的氣體的物性參數(shù)相似；進(jìn)出界面的速度分布相似[12]。

關(guān)于特征數(shù)間的關(guān)系和現(xiàn)象的相似已進(jìn)行了大量的研究,結(jié)果表明，在黏性流體流動(dòng)過(guò)程中,當(dāng)雷諾數(shù)Re大于某一值時(shí),流動(dòng)從層流狀態(tài)進(jìn)入湍流,這一數(shù)值稱為第一臨界雷諾值,Re小于第一臨界雷諾值的流動(dòng)處于第一自模化區(qū),此時(shí)處在層流狀態(tài)。Re大于第一臨界雷諾值之后,隨著Re增大流體紊亂程度變化較大,當(dāng)其值增大到一定程度時(shí)這種影響便消失了,該Re稱第二臨界雷諾值。Re大于第二臨界雷諾值時(shí)流動(dòng)處于第二自模化區(qū)[13]。

1　實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

在本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?研究對(duì)象為黏性不可壓縮定常流動(dòng)熱空氣,熱風(fēng)箱系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖3。

圖3　熱風(fēng)箱系統(tǒng)模型示意圖

熱風(fēng)箱原型尺寸為：長(zhǎng)度3720 mm、寬度400 mm、高度220 mm。

熱風(fēng)箱入口當(dāng)量直徑(de)：

熱空氣運(yùn)動(dòng)黏度為2.002×10-5m2/s,當(dāng)熱風(fēng)箱原型入口風(fēng)速為6 m/s時(shí),雷諾數(shù)Re=93234.21,大于第二臨界雷諾值,流動(dòng)處于第二自?；瘏^(qū)。根據(jù)相似原理,熱風(fēng)箱模型按照原尺寸2∶5的比例制作,熱風(fēng)箱模型的外形尺寸分別為：長(zhǎng)度1488 mm、寬度160 mm、進(jìn)口高度88 mm；熱風(fēng)箱入口當(dāng)量直徑(de)：

雷諾數(shù)Re表征的是流體的流動(dòng)狀態(tài),Re=ρvl/η,其中v、ρ、η分別為流體的流速、密度與黏性系數(shù),l為熱風(fēng)箱長(zhǎng)度。普朗特?cái)?shù)代表了熱邊界層與流動(dòng)邊界層的相對(duì)厚度,即流體中動(dòng)量擴(kuò)散與熱量擴(kuò)散能力的對(duì)比。努塞爾數(shù)表征了流體對(duì)流換熱能力的大小。不同的換熱條件下,流體的換熱能力不相同。

表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算公式為:

式中，A為紙張傳熱面積；A=1.488×0.16=0.2381(m2)；ta為紙張下底面不同位置測(cè)量溫度平均值，℃；tw為紙張溫度，℃；Q為熱空氣和紙張之間交換的熱量，J(包括水分汽化所吸收的熱量Q1,絕干紙張溫度升高所吸收熱量Q2,紙張中水分溫度升高所吸收熱量Q3,紙張對(duì)環(huán)境的散熱量Q4)。影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的主要因素見(jiàn)表1。

表1　影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的主要因素

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)除熱風(fēng)箱模型主體外,還有動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)。

動(dòng)力系統(tǒng)：熱風(fēng)箱內(nèi)部空氣處于紊流狀態(tài),流動(dòng)處在第二?；瘏^(qū)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ托枰L(fēng)量4500 m3/h,壓力4256 Pa、流量4792 m3/h的離心鼓風(fēng)機(jī),可完全滿足要求。

加熱系統(tǒng)：采用電加熱器把空氣加熱到一定的溫度,對(duì)紙幅進(jìn)行干燥。本實(shí)驗(yàn)中采用的電加熱器的最大功率為33 kW,可將該流量的空氣加熱到150℃。

控制系統(tǒng)：采用XMT-3000系列智能專家PID工業(yè)控制/調(diào)節(jié)器控制溫度。調(diào)節(jié)器通過(guò)對(duì)電加熱器的通斷來(lái)控制溫度。當(dāng)熱電偶測(cè)量的空氣溫度高于設(shè)定值時(shí),調(diào)節(jié)器可以把電加熱器暫時(shí)斷開,低于設(shè)定值時(shí)接通,通過(guò)控制使得空氣溫度恒定在一個(gè)設(shè)定值,其誤差小于1%。

測(cè)量系統(tǒng)：本實(shí)驗(yàn)中主要測(cè)量的參數(shù)有紙張定量、熱風(fēng)箱和氣墊層靜壓、空氣流量、空氣和紙幅溫度。定量采用電子天平測(cè)量、風(fēng)速采用QFD-3熱球風(fēng)速儀測(cè)量,靜壓采用U型壓力計(jì)測(cè)量,溫度采用熱電阻測(cè)量。

2　量綱分析及擬合

在熱風(fēng)箱的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)相同時(shí),熱風(fēng)箱入口風(fēng)速越大,氣墊層產(chǎn)生的靜壓值就越大,所以紙幅被浮起高度越大。紙幅的浮起高度直接影響氣墊層的傳熱性能。在本研究中,都是在氣墊層靜壓值和紙張定量相等時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),該表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)值才有研究意義。在模擬計(jì)算時(shí),先模擬出靜壓值與紙張定量相等時(shí)的氣墊層高度尺寸,然后在此高度條件下求解表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

在表1中,含有4個(gè)基本量綱,質(zhì)量的量綱M、時(shí)間的量綱T、長(zhǎng)度的量綱L和溫度的量綱θ。根據(jù)π定理得到式(1)和式(2)。

(1)

[MT-3θ-1]a[θ-1]b[LT-1]c[L2T-2θ-1]d[L2T-1]e[MLT-3θ-1]f[L]g[L2T-1]h=1

(2)

由量綱分析得：

a+f=0

(3)

-3a-c-2d-e-3f-h=0

(4)

c+2d+2e+f+g+2h=0

(5)

b-a-d-f=0

(6)

10個(gè)因素變量中有4個(gè)基本量綱,因此需要存在6個(gè)獨(dú)立準(zhǔn)則項(xiàng)。整理得：

a=-f

(7)

b=d

(8)

c=-2d-e-h

(9)

g=-f-e-h

(10)

式(1)化簡(jiǎn)得：

(11)

(12)

整理式(2)得：

(13)

式中，Pr為普朗特?cái)?shù)；Re為雷諾數(shù)；Nu為努塞爾數(shù)。

將式(13)兩邊取對(duì)數(shù)化為線性方程見(jiàn)式(14)。

表2　最小二乘法擬合相關(guān)數(shù)據(jù)表

表3　不同風(fēng)速對(duì)Re和Nu的影響

(14)

綜合上述各因素的影響,選取穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)通過(guò)最小二乘法求解,相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2和表3。

代入擬合得到：k=-0.60,a=0.62,b=0.47,c=-1.43,d=4.64,e=8.26,帶回整理得：

(15)

為驗(yàn)證擬合方程(15)的準(zhǔn)確性,將數(shù)值模擬結(jié)果與擬合值進(jìn)行比較,不同工況下Nu數(shù)的模擬值和擬合值對(duì)比如圖4所示。從圖4可以看出,風(fēng)速8m/s、開孔率7.42%、高度比0.5時(shí)，Nu數(shù)模擬值69.05，擬合值75.63，此時(shí)相對(duì)誤差最大，為9.53%，均方根誤差為9.5%，Nu數(shù)值模擬結(jié)果與擬合值吻合較好,表明擬合方程完全可用于熱風(fēng)箱氣墊層表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的研究。

圖4　不同開孔率Nu數(shù)的模擬值和擬合值對(duì)比

3　結(jié)　論

(1)實(shí)驗(yàn)表明紙張干燥中對(duì)流換熱能力的大小與普朗特?cái)?shù)(Pr)和雷諾數(shù)(Re)有關(guān)。

(2)通過(guò)量綱分析擬合努塞爾數(shù)(Nu)數(shù)與Re、Pr函數(shù)關(guān)系式為：

(3)Nu數(shù)的模擬值與擬合值比較表明,風(fēng)速8m/s、開孔率7.42%、高度比0.5時(shí)，Nu數(shù)模擬值69.05，擬合值75.63，最大相對(duì)誤差為9.53%,均方根誤差為9.5%，Nu數(shù)值模擬結(jié)果與擬合值吻合較好，表明擬合方程完全可用于熱風(fēng)箱氣墊層表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的研究。

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(責(zé)任編輯：董鳳霞)

The Numerical Simulation Research on Heat Transfer in Hot Air Box System and Paper Sheet

ZHANG Chang-fei*DING Ke-qiangLI Qian-junZHANG Dong-pingWU Gong-De

(SchoolofEnvironmentalEngineering,NanjingInstituteofTechnology,Nanjing,JiangsuProvince, 211167)

The distribution of hot air speed, temperature and static pressure in the hot air box,and the influence of inlet velocity, height ratio, air temperature, percentage of opening and the style of jets on the uneven index, static pressure and surface heat transfer coefficient of the air cushion were discussed. With dimensional analysis, a functional relationship ofNuwas obtained. Comparing fitted values with numerical simulation values, the maximum relative error was 9.53%,root mean square error was 9.5%. The fitting formula could be used to study and calculate heat transfer coefficient in engineering cushion layer.

air cushion； hot air box； heat-transfer characteristic; numerical simulation

張長(zhǎng)飛先生；講師；主要從事傳熱傳質(zhì)方面的研究。

2016- 02- 03(修改稿)

南京工程學(xué)院青年資金項(xiàng)目(QKJA2011007)。

TS733+.6

ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.07.011