呂洪玉　卞學(xué)詢

摘要：對(duì)擾流棒的設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，通過(guò)對(duì)擾流棒材質(zhì)、截面尺寸及間距的設(shè)計(jì)，改進(jìn)了烘缸排水系統(tǒng)，提出了新的“不溢流”原理，并取得了一項(xiàng)發(fā)明專利。

關(guān)鍵詞：擾流棒；烘缸；冷凝水；熱傳導(dǎo)；不溢流原理

中圖分類號(hào)：TS734

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：1011981/jissn1000684220180240

烘缸為紙機(jī)干燥部的核心部件。向烘缸內(nèi)通入高壓蒸汽以干燥濕紙幅，由于烘缸內(nèi)外壁存在溫差，烘缸在運(yùn)行過(guò)程中蒸汽冷凝會(huì)產(chǎn)生冷凝水。冷凝水隨烘缸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在不同的轉(zhuǎn)速下，冷凝水在烘缸內(nèi)的存在形態(tài)有所不同。不同直徑的烘缸轉(zhuǎn)動(dòng)到某一速度后，冷凝水均會(huì)形成水環(huán)，即接近層流，并附著在烘缸內(nèi)壁。冷凝水的導(dǎo)熱系數(shù)為06 W/（K·m），鑄鐵導(dǎo)熱系數(shù)是冷凝水導(dǎo)熱系數(shù)的40倍，因此冷凝水的熱阻非常大，影響烘缸的干燥效率。因此，研究如何消除水環(huán)對(duì)提高烘缸的傳熱效率非常重要。

以直徑為1500 mm烘缸為例，當(dāng)車速達(dá)到600 m/min時(shí)，冷凝水會(huì)在烘缸內(nèi)壁形成水環(huán)[1]。理論分析表明，烘缸內(nèi)壁的水膜厚度每增加1 mm，烘缸外壁溫度約下降45℃。所以解決烘缸缸體內(nèi)水膜熱阻問(wèn)題極為重要。解決水膜熱阻問(wèn)題的方法一般有兩種：①添加擾流棒破壞冷凝水膜，將水的層流變?yōu)槲闪?，擴(kuò)大高壓蒸汽與烘缸內(nèi)壁的傳熱面積；②選用較好的冷凝水排出系統(tǒng)。本課題對(duì)擾流棒進(jìn)行了研究，提出不同烘缸運(yùn)行條件下擾流棒設(shè)計(jì)的方法。

1擾流棒的流體振動(dòng)理論簡(jiǎn)介

自20世紀(jì)60年代起，已經(jīng)有許多關(guān)于擾流棒的研究報(bào)告。國(guó)內(nèi)外各企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)都申報(bào)過(guò)擾流棒的專利，并且發(fā)表了一些對(duì)烘缸使用擾流棒解決傳熱的研究論文[2]。其中，Appel等[3]的研究表明，冷凝水在烘缸缸體的帶動(dòng)下形成水瀑落下。安裝擾流棒可使水流振蕩加劇，將冷凝水激振到空中，露出大量缸體內(nèi)壁，從而提高傳熱效率。由流體振動(dòng)理論推出擾流棒設(shè)計(jì)公式，見(jiàn)式（1）。

S=Riδ（1）

式中，S為擾流棒間距，mm，Ri為缸體內(nèi)半徑，mm，δ為水膜厚度，mm。

然而，此方法存在的問(wèn)題在于，一是沒(méi)有考慮烘缸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，二是沒(méi)有考慮擾流棒的材質(zhì)與結(jié)構(gòu)尺寸等因素。例如，當(dāng)烘缸轉(zhuǎn)動(dòng)速度較高時(shí)，離心力的作用將使擾流棒不能發(fā)揮作用，烘缸內(nèi)冷凝水還會(huì)形成水環(huán)。這種方法的理論基礎(chǔ)是擾流棒與冷凝水的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使冷凝水發(fā)生共振，使其濺落到烘缸底部（如圖1所示）， 從而用固定虹吸管排出烘缸外。而這種共振情況在車速較低時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。

2擾流棒設(shè)計(jì)的“不溢流”理論

在高車速情況下的擾流棒設(shè)計(jì)，很難用經(jīng)典理論解決這一復(fù)雜的流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律問(wèn)題。因此，本設(shè)計(jì)研究工作使用仿真軟件，計(jì)算在指定運(yùn)行條件下，不同的擾流棒材質(zhì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的情況下，冷凝水的流場(chǎng)分布，并計(jì)算其溫度場(chǎng)分布。擾流棒布置情況如圖2所示。計(jì)算中仿真模型的二維網(wǎng)格劃分如圖3所示。應(yīng)用前處理軟件GAMBIT劃分網(wǎng)格，二維計(jì)算約有60萬(wàn)個(gè)四邊形網(wǎng)格，三維計(jì)算約有160萬(wàn)個(gè)六面體網(wǎng)格。

本項(xiàng)計(jì)算選用較差的工作環(huán)境，即環(huán)境溫度設(shè)定較低值，且烘缸外壁的對(duì)流換熱系數(shù)較高，水膜較厚，由此計(jì)算的結(jié)果相對(duì)較保守。

關(guān)于計(jì)算結(jié)果可信度問(wèn)題，本研究工作沿用了數(shù)值解與解析對(duì)照的方法，結(jié)果證明，數(shù)值解精確度相當(dāng)高。

第一階段仿真計(jì)算條件：烘缸直徑為1800 mm，設(shè)定安裝20、25、30根擾流棒3種情況。擾流棒為25 mm×25 mm空心管，車速為600、800、1000、1200、1500 m/min 5種情況。計(jì)算烘缸內(nèi)冷凝水流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布，圖4為車速分別為600和1500 m/min時(shí)烘缸內(nèi)冷凝水流場(chǎng)圖的一部分。

從圖4可以清楚看到，在給定的仿真計(jì)算條件下，車速為600 m/min時(shí)，冷凝水已經(jīng)近似形成水環(huán)，但是還有冷凝水在一端凝聚；車速為1500 m/min時(shí)，冷凝水在烘缸內(nèi)壁分布趨向均勻化，冷凝水并沒(méi)有在一端凝聚。這是因?yàn)檐囁俑?，離心力的作用使水膜分布更均勻。

用圖4還可以計(jì)算溫度場(chǎng)，以模擬分別安裝20、25、30根空心擾流棒的工況。

在給定的計(jì)算條件下，大量計(jì)算后可以得到不同條件下的溫度場(chǎng)比較，并將空心擾流棒數(shù)據(jù)與實(shí)心擾流棒的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到了在不同擾流棒條件下烘缸外壁溫度與車速的關(guān)系圖，結(jié)果如圖5所示。

分析圖5數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論。

（1）車速600 m/min時(shí)，安裝20根空心擾流棒后，烘缸外壁溫度較無(wú)擾流棒情況下提高638℃。這是因?yàn)樵诘蛙囁贂r(shí)，冷凝水沒(méi)有形成完整水環(huán)，且為紊流，故擾流棒作用較大。加上擾流棒后，冷凝水被分隔成若干部分，在重力、離心力的綜合作用下，每部分都會(huì)向同一個(gè)方向凝聚。這樣就將層流破壞，在兩根擾流棒之間的冷凝水厚度不同，甚至?xí)胁糠趾娓變?nèi)壁裸露出來(lái)并與水蒸氣直接接觸，提高傳熱效率。

（2）車速1500 m/min時(shí)，安裝空心擾流棒后溫度場(chǎng)與無(wú)擾流棒下的溫度場(chǎng)基本相同。這是因?yàn)樵诟哕囁贂r(shí)冷凝水已經(jīng)形成完整水環(huán)，且水流近似為層流，故擾流棒的作用已經(jīng)不明顯。在形成水環(huán)之后，車速越高，擾流棒的影響越小。這是因?yàn)檐囁僭礁?，離心力的作用越明顯，冷凝水向?qū)恿髭吔?/p>

（3）相同車速下，實(shí)心擾流棒比空心擾流棒作用大。這是因?yàn)樵趯恿飨?，空心擾流棒實(shí)際上是淹沒(méi)在水中，并且擾流棒與缸體內(nèi)壁間有間隙，且被水充滿。而實(shí)心擾流棒采用熱阻小的金屬鑄造，并且與缸體內(nèi)壁貼合緊密。在經(jīng)過(guò)大量計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水不溢流時(shí)，烘缸傳熱效果更好，所以提出在設(shè)計(jì)擾流棒時(shí)應(yīng)遵循“不溢流”的原則。

3冷凝水“不溢流”設(shè)計(jì)理念

圖6所示為冷凝水分布情況仿真圖。從圖6可以觀察到冷凝水繞過(guò)擾流棒的情況，稱為溢流（overflow）[4]。這種情況下由于溢流使冷凝水占據(jù)烘缸內(nèi)壁，飽和水蒸氣不能更多地接觸烘缸的內(nèi)壁，影響傳熱效果。

本研究擬通過(guò)改變擾流棒材質(zhì)、截面尺寸及間距，并改進(jìn)排水系統(tǒng)，來(lái)進(jìn)行冷凝水“不溢流”設(shè)計(jì)。

31擾流棒材質(zhì)、截面尺寸及間距設(shè)計(jì)

在烘缸內(nèi)安裝擾流棒可將冷凝水隔開，而在每個(gè)獨(dú)立的空間中水膜厚度不均，增加了烘缸內(nèi)壁與水蒸氣直接接觸的幾率。擾流棒裸露部分直接和水蒸氣接觸，提高了傳熱效率。這相當(dāng)于烘缸內(nèi)加肋的效果，但是成本比加肋烘缸低。因此，冷凝水“不溢流”設(shè)計(jì)理念適合用于高速紙機(jī)。

計(jì)算數(shù)據(jù)分析表明，以前采用的空心擾流棒無(wú)論兩頭是否封閉，熱阻仍然很大。為解決這個(gè)問(wèn)題，擾流棒被改為用導(dǎo)熱較好的材料鑄造成實(shí)心棒，如銅、鋁等高導(dǎo)熱材質(zhì)。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，與不加擾流棒時(shí)相比，采用高導(dǎo)熱材料擾流棒時(shí)，車速1500 m/min時(shí)，烘缸外壁溫度可提高72℃，而車速600 m/min時(shí)，烘缸外壁溫度可提高111℃。

用相同的方法研究了直徑3660 mm、安裝40根擾流棒的烘缸情況。計(jì)算結(jié)果表明，與無(wú)擾流棒時(shí)相比，車速為600 m/min時(shí)，烘缸外壁溫度可提高113℃，車速1500 m/min時(shí)，烘缸外壁溫度可提高67℃。

為進(jìn)一步提高烘缸外壁溫度，研究了改變擾流棒的截面尺寸來(lái)加大傳熱面積以提高烘缸外壁溫度的方法。與截面尺寸為30 mm×40 mm的實(shí)心高導(dǎo)熱材料擾流棒相比，40 mm×50 mm實(shí)心高導(dǎo)熱材料擾流棒可使烘缸外壁溫度進(jìn)一步提高。

32改進(jìn)排水系統(tǒng)

為進(jìn)一步提高烘缸外壁溫度，并確保冷凝水“不溢流”，本研究改進(jìn)了排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在大直徑烘缸（直徑大于2500 mm）中，可采用新的排水系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)思路是將加肋烘缸內(nèi)壁加工出來(lái)的環(huán)形槽，改為在無(wú)溝槽的烘缸內(nèi)壁上沿軸線方向安裝計(jì)算好數(shù)量的實(shí)心擾流棒，使冷凝水不溢流。其目的是使冷凝水聚集在一起以便于固定式虹吸管將其排出。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示。上述排水系統(tǒng)，比旋轉(zhuǎn)式虹吸系統(tǒng)有更好的排水功能，能大幅限制水膜厚度，使得烘缸外壁溫度進(jìn)一步提高。

4擾流棒新設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

相對(duì)加肋烘缸，擾流棒新設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）加工方便，只需要烘缸的內(nèi)壁精車，擾流棒與烘缸內(nèi)壁接觸面光滑，使其有高導(dǎo)熱性能。

（2）安裝方便，大大減少機(jī)加工工作量。

（3）價(jià)格較低，對(duì)直徑3660 mm烘缸進(jìn)行估算，擾流棒與排水系統(tǒng)需1萬(wàn)余元。

（4）在內(nèi)壓與托輥線荷載作用下不會(huì)產(chǎn)生新的應(yīng)力集中。

（5）新型排水系統(tǒng)進(jìn)一步提高了烘缸外壁溫度。

（6）添加擾流系統(tǒng)后，烘缸承受線荷載強(qiáng)度略低于加肋烘缸，但不會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中與溫度不均勻現(xiàn)象。

本項(xiàng)研究成果已獲得國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局發(fā)明專利[5]。

5結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)紙機(jī)用烘缸傳熱問(wèn)題進(jìn)行討論，特別是冷凝水流場(chǎng)分布及其對(duì)溫度場(chǎng)的影響，提出了擾流棒“不溢流”的設(shè)計(jì)方法，以提高烘缸傳熱效果，將使烘缸節(jié)能設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高。安裝擾流棒的方法適合現(xiàn)代高速紙機(jī)，為提高烘缸外壁溫度提供了創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，為制造高效節(jié)能烘缸開辟了廣泛前景。

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