師晉生 呂洪玉 卞學詢

（天津科技大學機械工程學院，天津，300222）

衛(wèi)生紙機的干燥部一般由壓榨輥、揚克烘缸與氣罩3部分組成，這3部分的設(shè)計結(jié)構(gòu)共同決定紙機干燥部的工作狀態(tài)并影響其能源效率。其中壓榨輥和烘缸的設(shè)計制造已經(jīng)日趨成熟，而氣罩的形式和結(jié)構(gòu)還有許多問題需要解決。目前紙機的設(shè)計焦點已經(jīng)集中到節(jié)能方面[1-2]，要達到節(jié)能的目的，氣罩的優(yōu)化設(shè)計是其中重要的一環(huán)[3-5]。

目前大量揚克烘缸的氣罩是采用射流孔板向烘缸上的紙幅噴射高速高溫氣流，以對紙幅進行干燥操作。對這種氣罩的設(shè)計要考慮兩方面，一是按照目前的能源政策，首先需要將已有的燃氣氣罩改為蒸汽或熱空氣氣罩，二是如何設(shè)計出高效的蒸汽或空氣氣罩，充分發(fā)揮熱能的作用，這就要求氣罩的射流系統(tǒng)能在紙幅上產(chǎn)生高效的傳熱性能。本文對采用圓形噴孔的射流氣罩優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行介紹，分析特定工況算例的傳熱特性，并對傾斜射流提出改進措施，旨為射流氣罩的設(shè)計提供參考。

1 射流孔板的結(jié)構(gòu)

1.1 射流工作過程

紙機上紙張的干燥是濕紙幅所含水分的蒸發(fā)過程，其內(nèi)部機理復雜，蒸發(fā)的快慢涉及很多因素[6-7]，濕紙幅的干燥速率是制約紙機生產(chǎn)能力的一個關(guān)鍵因素。在烘缸外表面，從氣罩上高速噴射出高溫氣流對紙幅的外側(cè)進行射流加熱，是提高紙幅干燥速率的一個有效手段。射流氣罩就是在氣罩的底板上加工出多個圓形小孔，或者是在氣罩底板上開出相互等距平行的多條小槽縫。在烘缸的干燥過程中，高速高溫氣流噴射到紙幅外表面，把熱量傳遞給濕紙幅，同時，烘缸內(nèi)部由蒸汽冷凝放出的熱量也傳到紙幅的內(nèi)表面，內(nèi)外表面?zhèn)鱽淼臒崃渴辜埛鶞囟壬?，在外表面釋放出水蒸氣被射流氣體帶走。

在恒速干燥階段，紙幅溫度不變，射流傳給紙幅的熱量和烘缸內(nèi)部傳來的熱量完全用于紙幅水分的蒸發(fā)，在紙幅進入和離開氣罩的階段，紙幅里邊蒸發(fā)出的水分較少，射流傳給紙幅的熱量主要用于紙幅溫度的升高。在干燥的恒溫恒速階段，傳熱和傳質(zhì)的能量達到平衡，只考慮傳熱速率就可以確定干燥速率。射流的傳熱效果與其流場密切相關(guān)，流場的好壞又主要取決于氣體噴射的速度以及噴孔孔徑、噴孔布局、噴孔之間的距離、噴孔與紙幅的距離等。因此，用于噴射氣體的射流孔板的結(jié)構(gòu)設(shè)計是關(guān)鍵，目前不同的造紙設(shè)備廠對于氣罩射流板有著不同的設(shè)計。

1.2 噴孔的幾何設(shè)計

圖1為在烘缸外側(cè)圓周設(shè)有射流孔板的示意圖，可以看出一系列的長方形矩形盒子沿烘缸外表面均勻等距排列，形成一個包角>270o以上的圓弧，矩形方盒長度與烘缸軸線平行，方盒底面即為射流孔板，孔板板面與烘缸缸面等距平行，盒子與盒子之間沿烘缸周向留有間隙以供射流氣體排出。每一個噴孔的射流均在與自己正對的烘缸表面上的一小塊圓形區(qū)域內(nèi)達到最高傳熱效率，從這片區(qū)域向外，傳熱效率迅速降低。射流孔板上噴孔的布置就是要盡力使孔與孔之間的這片高傳熱區(qū)相互接近，同時又要使從噴射目標板面上離開的射流氣體盡量沒有障礙地離開流場。

圖1 烘缸外側(cè)射流氣罩布置Fig.1 Jet hood displayed around dryer

圖2展示出了射流孔板上噴孔的一種等間距分布及其氣體回流的縫隙，噴孔的等間距分布大多形成等邊三角形，該結(jié)構(gòu)因其傳熱性能較好而受到推崇。

圖2 射流孔板及板間回流間隙Fig.2 Perforated plate and exhaust return duct

目前對各種形式的噴孔噴射出氣體或液體對目標表面進行加熱或冷卻已經(jīng)有了大量的研究[8-10]，很多研究工作者對射流的這種熱質(zhì)傳遞進行了廣泛探索[11-13]，研究了射流速度、噴孔尺寸、溫度、射流角度、噴射面的形狀及運動等因素對傳熱傳質(zhì)的影響，提出了各種具體實驗條件下的傳熱關(guān)聯(lián)式[14-15]，其中德國人Martin[15]的綜合性報告是迄今為止關(guān)于射流熱質(zhì)傳遞最為系統(tǒng)全面的，有一定的權(quán)威性。它提出了多孔射流情況下傳熱傳質(zhì)系數(shù)的實驗關(guān)聯(lián)式，并提出了圓形噴孔與槽縫噴孔的孔板優(yōu)化設(shè)計的條件，其優(yōu)化目標是在一定的泵功條件下通過調(diào)整射流噴孔孔徑、孔間距及與目標表面的距離以獲得最大傳熱系數(shù)。對于圓形噴孔，要求孔板上的噴孔相互間等距排列，形成等邊三角形或正方形分布，等邊三角形分布也可認為是正六邊形分布。噴孔在射流孔板上的排布采用正方形或正六邊形分布，使得每個噴孔的射流狀態(tài)相同，步調(diào)一致，有利于充分發(fā)揮每個噴孔射流的作用。Martin的觀點雖然只是針對靜止表面，溫度也局限在100℃以下，但其適用性很廣，在造紙工業(yè)得到廣泛采用。然而，迄今還很少有文獻論及這種優(yōu)化射流的具體傳熱性能，這對工業(yè)實際應(yīng)用的深化無疑是一個障礙，以下對Martin關(guān)于噴孔射流優(yōu)化設(shè)計的方法做一概括。

1.2.1 Martin關(guān)于射流孔板的優(yōu)化設(shè)計要點[15]

（1）首先選定噴嘴到噴射目標也就是到烘缸外表面之間的距離，間距（H）太大會使傳熱系數(shù)下降，間距太小又會導致斷紙堵塞，因此根據(jù)實際，一般選擇H=18～20 mm。

（2）當選定間距H以后，噴孔孔徑及等距排列的各孔的孔間距選擇如下：

這種規(guī)定對圓孔噴嘴和槽縫噴嘴均適用，當噴孔為圓孔時，S即為孔徑D；當噴孔為槽縫時，S表示2倍的槽縫寬度B，即S=2B，孔間距指相鄰噴孔的孔中心之間的距離。

分別以fr和fs表示圓形噴孔和槽縫噴孔的開孔率，其計算見式(1)和式(2)。

（3）平均傳熱系數(shù)的近似計算公式

在以上優(yōu)化尺寸的條件下，烘缸外表面上射流的平均傳熱系數(shù)可由式(3)求得。

式中，-α表示平均對流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；λ表示射流氣體導熱系數(shù)，W/(m·K)；Pr表示普朗特數(shù)，ν/a；Va表示氣流對烘缸表面的實際速度，m/s；ν表示氣流的運動黏度，m2/s；a表示氣體熱擴散系數(shù)，m2/s。

將式(3)改寫為無量綱形式見式(4)。

式中，Nu表示努謝爾特數(shù)，αH/λ；Re表示雷諾數(shù)，VaH/ν。

由此可得射流氣體與紙幅之間的平均傳熱系數(shù)見式(5)。

1.2.2 濕紙幅單位面積上的傳熱特性

在濕紙幅單位面積上的傳熱速率和干燥速率計算分別為式(6)和式(7)。

式中，q表示單位面積紙幅上單位時間得到的熱量，W/m2；Ti表示射流氣體的溫度，℃；Ts表示紙幅的溫度，℃；R表示單位面積上的干燥速率，kg/(m2·s)；r表示水在工作溫度下的氣化潛熱，J/kg。

射流質(zhì)量流量和射流耗功的計算分別為式(8)和式(9)。

式中，m?表示單位時間單位面積紙幅上的射流質(zhì)量流量，kg/(m2·s)；N表示單位面積紙幅上射流消耗的機械功率，kW/m2；ρ表示射流氣體的密度，kg/m3；f表示射流孔板開孔率無量綱量；ΔP表示射流孔板內(nèi)外的壓差，Pa。

綜上，當一個揚克烘缸和射流氣罩以及工作狀況都已確定后，射流與紙幅之間的傳熱系數(shù)就可由上述方法求出。

1.3 平均傳熱系數(shù)算例

1.3.1 問題

假定烘缸線速度為2000 m/min，即33.333 m/s，氣罩上的噴射氣流為160℃的干空氣，噴射速度選為烘缸線速度的4倍，即Va=133.33 m/s，噴射區(qū)紙幅平均溫度取90℃。在此條件下，設(shè)計最佳的射流噴孔幾何結(jié)構(gòu)，并確定其傳熱特性。

1.3.2 幾何設(shè)計

射流孔板選用圓形噴孔正三角形分布，按照前述優(yōu)化關(guān)系，先選定H=20 mm，然后由H/D=4，L/H=1.4，可得噴孔孔徑及噴孔之間的距離分別為D=4 mm,L=28 mm，射流孔板的開孔率由式(1)計算得到fr=0.0185。

1.3.3 平均對流傳熱系數(shù)

首先按射流氣體的定性溫度由物性表查取其有關(guān)熱物性：ν=30.09×10-6m2/s，λ=0.0364 W/(m·K)，Pr=0.682。

1.3.4 單位面積上的傳熱特性

（1）傳熱速率

由式(6)計算得到：q=34.4 kW/m2。

（2）干燥速率

由式(7)得到：R=0.0148 kg/（m2·s）。

（3）射流質(zhì)量流量

由式(8)計算得到：m?=2.467 kg/(m2s)。

（4）射流耗功

由式(9)計算得到：N=24.6（kW·m2）。

由此可知，在高速高溫氣流的噴射加熱條件下，傳熱系數(shù)較大，傳熱效率和干燥效率也均會比較高。表1列出了在其他條件保持不變，射流速度取烘缸線速度2、3、4、5倍時的特性數(shù)據(jù)。從表1可以看出，隨著射流速度的提高，傳熱速率及干燥速率明顯提高，同時射流質(zhì)量流量也同步增大，而射流耗功量增大得更快。

表1 單位面積上的傳熱特性Table 1 Heat transfer characteristics of unit sheet surface

1.4 平均傳熱系數(shù)的修正

當射流孔板的噴孔孔徑、噴孔之間的排布和噴孔與烘缸缸面距離的關(guān)系不符合前邊的優(yōu)化要求時，傳熱系數(shù)達不到優(yōu)化的結(jié)果，此時須按實際的H/D和L/H按文獻[15]中圖33查取修正系數(shù)c，對優(yōu)化結(jié)果加以修正，如式(10)所示。

式中，c為小于1的系數(shù)。

平均射流傳熱系數(shù)是烘缸設(shè)計計算中熱應(yīng)力計算的必要邊界條件，因此在烘缸設(shè)計之前，首先應(yīng)確定氣罩的傳熱設(shè)計，為烘缸提供邊界條件；過去一些設(shè)計研究工作由于未能提供正確的傳熱邊界條件而導致了錯誤結(jié)論。

2 射流角度的修正

以上對烘缸上射流對紙幅的加熱估算均是把烘缸表面當作靜止不動來處理的，目前比較成熟的射流熱質(zhì)傳遞的研究也均是針對這種情況。在烘缸低速運動時采用這樣的方法不會產(chǎn)生大的誤差。但隨著高速紙機的日益普及，流體噴射在運動物體和靜止物體上的差別逐漸增大，需給予認真對待。

圓孔射流傳熱的優(yōu)化做法，是在各小孔等徑等距排布的情況下，射流氣體能垂直噴射在物體表面上，才會在物體表面被直接射中的一小片區(qū)域產(chǎn)生高效的傳熱傳質(zhì)效果，離開這小片直接射中的區(qū)域后，傳熱傳質(zhì)效果迅速降低，當射流不是垂直射中物體表面時，傳熱效果也發(fā)生衰減，越不垂直，衰減越大。垂直于烘缸表面的射流，噴射到運動的烘缸表面，射流與烘缸表面的實際接觸就不是垂直關(guān)系，而是形成一個斜角，在氣罩的設(shè)計中，可以將噴孔向反方向傾斜一個角度而減小或消除這種斜角。射流與運動物體表面的接觸角與各自速度之間的關(guān)系如圖3所示。

2.1 射流斜角

圖3(a)表示射流氣體垂直射向下面的烘缸表面，烘缸表面向右運動。對于烘缸表面而言，相當于氣流在向下垂直射來的同時，還在以烘缸的速度反向運動，相對于烘缸表面而言，氣流作用在它上面時的實際運動速度為射流與烘缸速度的疊加，如圖3(b)所示。射流對于烘缸的真實速度如式（11）所示。

式中，Va1表示噴射氣流相對于烘缸表面的合成速度，m/s;Ve1表示烘缸運動速度，m/s；Vr1表示噴射氣流從噴口噴出時的速度，m/s。速度和偏斜角度分別為式(12)、式(13)所示。

式中，α1表示傾斜角，(°)。

高速熱氣流噴射在旋轉(zhuǎn)的烘缸上形成實際的斜射流，落在壁面上的速度有所增大，方向有所傾斜。速度增大有利于傳熱，產(chǎn)生斜角則不利于傳熱，研究表明，當圖3(b)的夾角α1=75°時，其傳熱系數(shù)將下降為垂直射流時的43%。所以，為盡力提高傳熱系數(shù)，噴射流體應(yīng)該盡量與被噴射面形成垂直關(guān)系。當因條件所限，不得不形成斜射流時，射流的傾斜度也要盡量小。

圖3 射流氣體運動合成Fig.3 Synthetic movement of jet gas

2.2 斜角的修正

在氣罩射流孔板的幾何設(shè)計中，除了采納Martin的相關(guān)建議外，還應(yīng)該考慮將射流孔板上的噴孔傾斜一個角度，如圖4所示。帶斜角的噴孔噴出的氣流斜射在運動的烘缸壁面上，對于烘缸而言，相當于氣流以一個疊加后的速度垂直射在表面上，此速度為式(14)。

圖4 射流孔板改進設(shè)計Fig.4 Modified impingement perforated plate

式中，Ve2表示烘缸運動速度，m/s；Va2表示氣體噴射速度，m/s，箭頭仍表示作用在烘缸表面上的氣流的實際速度，為氣流噴出速度與烘缸速度的矢量和。其大小及與噴孔軸線的夾角分別為式(15)和式(16)所示。

式中，α2表示噴孔的傾斜角度，(°)。

由此可知，射流孔板上的噴孔設(shè)計成傾斜一個角度后，射流作用在烘缸上的速度有所降低，但射到烘缸上的接觸角可以變成垂直，傳熱效率可以得到提高。這樣在設(shè)計射流孔板時，噴孔直徑、噴孔等間距排列、孔板與烘缸距離要盡量按Martin的優(yōu)化建議外，圓形噴孔的軸線與孔板表面的法線要傾斜α2角度，傾斜方向朝向烘缸的旋轉(zhuǎn)方向。

一些研究結(jié)果將射流氣體速度與烘缸線速度聯(lián)系起來，規(guī)定前者為后者的4倍，即式（17）。

由此，射流噴孔不用設(shè)計斜角，工作中射流與烘缸形成的實際射流角度即前邊的α1，如式（18）所示。

當衛(wèi)生紙機的車速很快時，要求的風速也很大，例如當車速為2000 m/min時，其風速要大于8000 m/min，即133 m/s，此時風機耗功量太大。為此，射流孔板的幾何設(shè)計需要綜合考慮，調(diào)整各項參數(shù)，找到風速、干燥效率與能耗的最佳點。

3 結(jié)語

本文從提供高效傳熱性能的角度，介紹了衛(wèi)生紙機中采用圓形噴孔射流氣罩的優(yōu)化設(shè)計，給出了射流氣罩對流換熱的計算方法，通過幾個算例對特定工況的傳熱特性做了初步分析，為烘缸的傳熱分析及熱應(yīng)力計算提供邊界條件，討論了實際工作中射流斜角對傳熱的影響，給出了消除這種影響的斜孔設(shè)計方案。