（热能工程专业论文）气垫式浆板机热风箱系统气体流动及传热特性研究.pdf

摘要 摘要 气垫式十燥器主要运用于涂布纸等要求非接触干燥的产品，有着广泛的运用前景。气垫式浆板机 干燥热风箱是对纸浆板进行加热干燥并形成气垫的关键设备。本文以山东凯信机械有限公司自丰研制 开发的新型气垫浆板干燥机为研究对象，对气垫式热风箱的流场、压力场和传热性能进行了研究，研 究结果对气垫式十燥机的优化设计有着一定的指导作用。 根据相似原理，建立气垫式浆板干燥机热风箱实验台。在不同的入口风速、气体温度和喷l 开孔 率的工况下对热风箱的气垫层传热性能和流场进行了实验研究，测得静压分布，并计算各工况下的表 面传热系数。分析入口风速、气体温度和开孔率对气垫传热性能和热风箱内静压的影响。 采用连续性方程、动量方程、能量力秤及r e a l i z a b l ek - 湍流模型建立了气垫式浆板干燥机热风箱 系统的数学模型，运用f l u e n t 软件对模型进行求解，通过求解得到气垫层的温度场、热风箱内的 速度和静压分布。热风箱内静压、气挚层的表面传热系数数值模拟结果与实验数据进行比较验诬e ，两 者的最大误差分别为1 1 5 、1 5 8 。表明在工程应用范围内，本模型具有一定的准确性和适用性。 利用所建模型，迸步研究入口风速、气体温度和热风箱结构参数对气垫层均匀性、传热性能和 静压的影响，得到不同参数下的气垫层均匀性、静压和表面传热系数的变化规律。研究结果表明，干 燥介质温度对气垫层传热性能影响较小。 表面传热系数与喷口倾角成反比关系，入口风速、出风板开孔率、高度比对表面传热系数有一定 影响，均呈_ 次函数关系，分别在入口风速1 2 m s 、开孔率矽= 6 7 、高度比h = o 2 5 时表面传热系数 值出现拐点，达最大值。 入口风速对气垫均匀件影响较小。气垫均匀性与出风板开孔率、高度比有关，呈现_ 次函数关系， 分别在8 1 、h - - o 4 时气垫均匀性出现拐点，达最佳。 气垫层的甲均静压随入口风速、开孔率的增加而快速增加。高度比对甲均静压的影响里一次函数 关系，在h = 0 2 5 时达最佳。 关键词：热风箱；气垫式浆板机；数值模拟；传热；静压 东南大学硕十学位论文 a b s t r a c t a i rc u s h i o nd r i e ri sm a i n l yu s e di nn o n c o n t a c td r y i n go fc o a t e dp a p e r , w h i c hh a sh u g ep o t e n t i a l si ni t s w i d ea p p l i c a t i o n s h o ta i rb o xs y s t e mi sak e ye q u i p m e n tt od r yp u l pa n df o r ma i r - c u s h i o n i nt h i sp a p e r , a n e wa i rc u s h i o np u l p b o a r dd r i e ri st a k e na st h eo r i g i n a lm o d e lt os t u d yf l o wf i e l d ，s t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n a n dh e a tt r a n s f e ri na i rc u s h i o no fh o ta i rb o x ，w h i c hi sd e s i g n e d b yk a ix i nm a c h i n e r yl i m i t e dc o m p a n yo f s h a n d o n gp r o v i n c e i tg i v et h eg u i d a n c eo nt h ed e v e l o p m e n to f a i rc u s h i o nd r i e r b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fs i m i l a r i t y , t h ee x p e r i m e n ts y s t e mi ss e tu pt os t u d ys t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n a n dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fh o ta i rb o xi nv a r i o u sc o n d i t i o n s ，s u c ha si n l e tv e l o c i t y , g a st e m p e r a t u r ea n d d i s t r i b u t o rp o r o s i t y t h e nt h ep a p e ra n a l y z e se f f e c t so fi n l e tv e l o c i t y , g a st e m p e r a t u r ea n dd i s t r i b u t o rp o r o s i t y t oh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ea n ds t a t i cp r e s s u r e a c c o r d i n gt om a s s ，m o t i o n ，e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，a n dr e a l i z a b l ek - st u r b u l e n c em o d ee q u a t i o n s ，a m a t h e m a t i c a lm o d e lo fa i rc u s h i o np u l p b o a r dd r i e ri se s t a b l i s h e dt oo b t a i n t h et e m p e r a t u r ef i e l d ，v e l o c i t ya n d s t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni nt h eh o ta i rb o xb ym e a n so ff l u e n ts o f t w a r e t h ec a l c u l a t e ds t a t i cp r e s s u r e d i s t r i b u t i o na n dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tm a t c hw e l lw i t he x p e r i m e n td a t ew i t hl e s st h e n1i 5 15 8 r e s p e c t i v e l y t h i ss h o wt h ea c c u r a c ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h em o d e li nac e r t a i nr a n g e b a s e do nt h er e a s o n a b l ea n da c c u r a t em o d e l t h ee f f e c t so fs o m ef a c t o r so nt h eu n i f o m i t y , h e a tt r a n s f e r a n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no ft h eh o ta i rb o xa r ed i s c u s s e d ，s u c ha si n l e tv e l o c i t y , g a st e m p e r a t u r ea n ds t r u c t u r e p a r a m e t e r s t h er e s u l t ss h o wt h a th e a tt r a n s f e rc o e f 秭c i e n to fa i rc u s h i o nh a si i t t l er e l a t i o n s h i pw i t hg a s t e m p e r a t u r e ，i si ni n v e r s ep r o p o r t i o nt od i s t r i b u t o rn o z z l ea n g l e ，a n di naq u a d r a t i cf u n c t i o nr e l a t i o nw i t hi n l e t v e l o c i t y , d i s t r i b u t o rp o r o s i t ya n dh e i g h tr a t i oo fa i rc u s h i o nh a v i n gt h et u r n i n g - p o i n ta ti n l e tv e l o c i t y12 m s d i s t r i b u t o rp o r o s i t y 6 7 ，h e i g h tr a t i o0 2 5 t h er e s u l t sa l s os h o wt h a tt h eu n i f o r m i t yo fa i rc u s h i o nh a sl i t t l e r e l a t i o nw i t hi n l e tv e l o c i t y , a n di si naq u a d r a t i cf u n c t i o nr e l a t i o nw i t hd i s t r i b u t o rp o r o s i t ya n dh e i g h tr a t i oo f a i rc u s h i o nh a v i n gt h et u r n i n g - p o i n ta td i s t r i b u t o rp o r o s i t y8 1 a n dh e i g h tr a t i oh = o 4 t h es t a t i cp r e s s u r ei s i n c r e a s e dr a p i d l yw i t hi n l e tv e l o c i t ya n dd i s t r i b u t o rp o r o s i t y , a n di si naq u a d r a t i cf u n c t i o nr e l a t i o nw i t ht h e h e i g h tr a t i oh a v i n gt h et u r n i n g - p o i n ta th - - 0 2 5 k e y w o r d s ：h o ta i rb o x ，a i rc u s h i o np u l p b o a r dd r i e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，h e a tt r a n s f e r , s t a t i cp r e s s u r e i i 东南大学硕士学位论文 a 湿木板传热面积，m 2 q木板的比热容，j ( k g 。c ) 乞水的比热容，j ( k g 。c ) 符号表 仉 流道当量直径，m h 表面传热系数、高度比，w ( m 2 k ) m ， 物料湿分质量，堙 m j 绝干物料质最，坛 湿物料的质量，坛 刀 气垫层节点数 m努塞尔数 p 单位面积平均静压，p a q 热空气和湿木板之问交换的热量， r e 雷诺数 乞 空气入e l 温度，。c r 入e l 气体温度，o c 乙 湿木板温度，。c 屹 入i = l 风速，m s 5 2 v ， 气垫层每个节点气流速度，m s v 。 气垫层最大气流速度，m s v 气垫层平均气流速度，m s w 湿基湿含量，k g k g x 干基湿含量，k g k g 艺 初始干基湿含量，k g 七g t 终了湿含量，k g k g x 无因此干基湿含量 希腊字母 n 喷口倾角，度 屯，空气的导热系数，w ( m 后) 缈 开孔率， ，水蒸汽的汽化潜热，u 妇 ， 气垫层不均匀系数 y 平均不均匀指数 。 最大不均匀指数 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：聋凼鱼导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 1 1 1 国内外造纸工业的发展现状 造纸产、l k 是与国民经济和社会事、l k 发展关系密切的晕要基础原材料产业，纸及纸板的消 费水平是衡量一个国家现代化水平和义明程度的标志。经济发达的国家基本上都拥有发达的 造纸工业。中国随着国民经济的快速发展，纸产品消费迅速增长，为造纸工业提供了广阔的 市场，造纸工业已成为国民经济的重要产业、新经济的增艮点。据中国造纸协会调查资料， 2 0 0 7 年全国纸及纸板生产企1 i i k 约有3 5 0 0 家，全国纸及纸板生产量7 3 5 0 万t ，人均年消费晕为 5 5 k g 。与2 0 0 0 年相比，2 0 0 7 年生产量增长1 4 0 9 8 ，消费量增长1 0 3 9 2 ，纸及纸板生产 量年均增长1 3 3 9 ，消费量年均增长1 0 7 2 ，均高于同期我国国民经济g d p 年均增长率【lj 。 近几年，全球造纸行业生产与消费每年以2 3 的速度增长，而我国造纸行、f k 以1 3 0 的增 幅列全球之前。根据这一发展态势，主管部门和专家经过科学分析，预测我国纸和纸板生产 量在未来五年仍会以1 0 左右的增长速度发展，到2 0 1 0 年，生产总量预计可达7 5 0 0 万8 0 0 0 万吨。造纸工业仍是国内少数产品供不应求，发展机遇巨大的产业之一i z j 。 由于受到资源、环境等方面的约束，造纸企q k 在节能降耗、保护环境、提高产品质量、 提高经济效益等方面加大工作力度，呈现出企业规模化、技术集成化、产 多样化功能化、 生产清洁化、资源节约化、林纸一体化和产业全球化发展的趋势。发展我国造纸产业，必须 坚持循环发展、环境保护、技术创新、结构调整和对外开放的基本原则。“十五”期间我国 造纸工业进入快速发展期，我国造纸工业围际化、集中化、专业化的格局已初步形成。近年 来国内许多造纸氽业引进了很多国外先进的技术装备，同时也在向国外出口纸品，已经完全 与国际接轨。这都是我国造纸上业国际化的趋势。我国目前造纸产业集聚度越来越高，基本 上形成了三大板块：珠江三角洲，主要是以生产包装纸为主：长江三角洲，外企居多，主要 是以生产高档纸张为主，如铜版纸和高档文化用纸；环渤海集群核心地带的山东半岛，主要 生产各种纸张，是纸张产量最高的区域。 随着企业的不断整合，我国造纸企业专业化的趋势越来越明显。目前，几个大的造纸企 业都有各自的拳头产品，金东纸业的高档铜版纸，山东华泰纸业的新闻纸，晨鸣集团的铜版 纸、文化用纸都有很强的竞争力。但是从世界范围看，可以说我国已经是一个造纸大国，但 并不是一个造纸强国。从我国的造纸行业整体来看，不管是生产、技术还是管理水平，同芬 兰、加拿大、美国等世界造纸发达国家相比，还有很大差距。目前我困的造纸企业约3 6 0 0 家， 虽然涌现出晨鸣、华泰、太阳等一批国内甚至国际一流的造纸企业，但绝人多数企业由于历 史原因，规模偏小，技术和装备落后，生产和管理水平低，环境污染严重，再加上原料结构 不合理，以及其他一些客观凶素的影响，纸张产品质量差、档次低，原材料消耗大、成本高， 在国内外市场上缺乏竞争力。原料对外依存度大，生产经营及发展成本持续攀升，国际会融、 贸易等各种不确定因素增加，节能减排任务紧迫、繁重等问题，仍是我国造纸工业发展面临 的压力和严重挑战。因此全面提升我国造纸行业整体的管理、装备和自动化水平，使我国真 正跻身造纸强国之列，依然任重而道远- 【4 。 1 。1 2 国内外造纸机械的发展现状 随着造纸工业的快速发展及国家对造纸工业技术装备引进和技术改造投资的重视，造纸 工业装备企业的规模、技术进步、产品水平、制造能力等都产生了明显的变化，较大程度地 缩小了与国际先进造纸装备之间的筹距，部分非木纤维制浆技术已具有国际先进水半，初步 显示了与国际跨国公司竞争中的优势4 1 。造纸工业装备在“十一五”期间发生了一些根本性 的转变，造纸工业装备行业与造纸工业同步发展，向造纸行业提供低投入高产出，节能、降 东南大学硕士学位论文 耗、少污染的先进装备，进一步向质量型、效益型转变。现在造纸机械制造业每年可为造纸 行业提供人约形成2 5 0 万t 至3 0 0 万t 的生产能力。目前可提供的成套生产线人致有：年产7 万t 以f 碱法非木纤维制浆生产线全套设备：年产1 0 万t 至1 5 万t 漂白硫酸盐小浆( 采用常规蒸 煮设备) 的制浆生产线全套设备；年产2 0 万t 以下废纸未脱墨浆生产线全套设备；年产7 万t 以下废纸脱墨浆生产线全套设备：年产1 0 万t 以下各类文化纸机系统成套设备。总体来看， 国产造纸设备以其较好的性价比基本上占有国内中型规模造纸企业市场，具有较强的市场竞 争力。部分具有较先进的高性能产品已可为中人型规模造纸企业配套pj 。 纸机是一个系统复杂的联动机组，其主体由流浆箱、成形、压榨、干燥、压光、卷取等 部分组成。根据某些纸种的要求有时还配置有施胶压榨、半干压光、机内涂布等单元，还有 许多辅助系统单元。高速化、大型化是纸机发展的必然趋势。体现纸机总体水平的指标，主 要是幅宽和车速两项。对于幅宽，一般来说3 0 0 0 5 0 0 0 m m 为中等宽幅，大于5 0 0 0 m m 为大宽 幅。至于车速的界定没有统一说法，随着科学技术的发展，现在对新闻纸机、文化纸机，车 速6 0 0 m m i n 也只能属中速纸机。目前国外高速新闻纸机的最大车速已达18 0 0 m m i n 引。 我国由于造纸原料结构、企业规模偏小等多种原冈影响，主要生产中等幅宽和中等车速 的纸机为主。随着造纸工业的发展，特别是2 0 世纪9 0 年代后期对中等幅宽或大幅宽的中高车 速纸机的需求逐年增长，在国产设备满足不了需求的情况下，只好依靠进口。国外高速纸机 的设计概念已有较大突破，除去机械设计和制造等关键技术外，已将纸浆流体力学理论和试 验纸机的研究成果通过现代化设计手段应用在造纸机装备中。目前文化纸机或新闻纸机的典 型技术指标为幅宽1 0 m ，车速2 2 0 0 m m i n ；卫生纸机车速己达2 5 0 0 m m i n ；而瓦楞原纸纸机车 速已经达到1 5 0 0 m m i n ；高级挂面纸板机车速达1 3 0 0 m m i n ，产能都在1 0 0 0 吨日以上。芬兰 的m et s o 公司、德国的v o t t h 公司是现代纸机制造技术的先行者1 2 j 【6 。 经过多年的技术进步和经验积累，国产纸机的制造技术水平有了长足的进步，纸机制造 厂已经可以生产幅宽4 5 0 0 m m 以内、设计车速8 0 0 m m i n 的文化纸机；可以生产幅宽4 8 0 0 m m 、 设计车速达6 0 0 m m i n 白纸板机；可以生产幅宽5 6 5 0 m m 、设计车速8 0 0 m m i n 的双叠网瓦楞纸 机，这些纸机除个别关键技术从国外引进外，大部分为国内技术，其总体水平已达到国外8 0 年代末、9 0 年代初的水平【6 1 。 但是，我国的纸机制造水平与国外同行相比仍有很大差距，国产纸机绝大多数为中低速 纸机( 车速为6 0 0 m m i n 以下) ，速度波动较大、断纸频率相对较高，多数纸机较少考虑故障诊 断和容错控制等问题；而且几乎都是仿制国外产品，极少有自主知识产权，高速纸机则全部 依赖进口。国产纸机的能耗较高，所产纸张质黾指标与国外水甲有差距，性能不够稳定，技 术成熟度不高，调试周期过长，明显呈现出国产纸机缺乏成熟的理论和实践的指导、技术性 能不够优化的缺点。在对纸机车速和幅宽要求进一步提高的情况下这些问题更显突出。这应 是国产纸机f 一步发展必须重点解决的问题之一。 1 1 - 3 纸机干燥在现代造纸工业中的地位 为了牛产高档纸和提高造纸产量，高速纸机已成为未来的发展趋势。提高纸机的牛产能 力可以通过提高纸机速度来实现，也可以通过提高纸机幅宽来实现。纸机宽度主要制约_ j 辊 子的形变，凶而辊的挠度与辊宽度的四次方成正比。目前纸机的幅宽最高为1 0 米左右，当纸 机宽度超过l o 米时，防l l ：辊形变的成本变的非常高1 7 】。纸机的价格大概与纸机宽度的三次方 成正比，从经济上这就限制了纸机幅宽。增加纸机速度比增加纸机幅宽更具有技术上的可行 性和经济上的合理性。 纸机干燥是制约车速上升的重要瓶颈之一，为适应高速纸机，相当有必要对其干燥进行 研究。世界知名造纸和机械企业均把纸幅的干燥方法作为研究的重要内容之一，研发出众多 的高效节能产品。纸幅在造纸机的网部成形并压榨脱水以后，尚有6 0 6 8 的水份，需通过加 热、蒸发、扩散的方法进一步脱去水份，使纸幅达到成品所需的9 4 左右的t 度。在干燥过程 中，随着纸幅中游离水的蒸发排除，纤维逐渐密集靠拢，并开始相互结合。由于打浆的结果 2 第章绪论 ( 细纤维化) ，纤维的表面张力增加，促进纤维靠近并产生氢键结合，从而使纸幅获得一定 物理强度。一般来说，纸幅的水分人于6 0 时，纤维问没有明显的结合力，纤维能自由地相 互滑动；当水分含龟降到某一临界值后，纸幅发生明显收缩，纤维开始结合。通常在水分下 降到4 0 以后，纸幅的抗张强度开始迅速上升引。 干燥是造纸过程中主要的耗能工段之一。目前，我国造纸工业的能耗占造纸成本的l5 左右，随着能源价格的小断上涨和能源的短缺，该比值呈卜升趋势。因此，对干燥进行研究 改造，提高蒸汽的利用效率，降低能耗，就可以节约大量的能源和资金，同时也町以改善纸 张的质量。纸幅干燥采用热泵供热系统替代三段通汽，便于调节供给各段烘缸的供汽压力和 供汽量，使纸机烘缸温升曲线合理，有利于提高产品质量【”。 纸幅干燥机是造纸机上吨位最重的部分，也足价值最大的部件之一。根据纸种的不同， 干燥布置的变化差异非常人。干燥机的结构和布置直接影响到造纸机的性能。尤其在提高造 纸机车速的情况下，涉及到空气动力学及振动力学的问题 9 1 ，其带来的问题非常突出。 1 1 3 研究意义 我国己成为世界造纸工业牛产、消费和进口大国，但与世界造纸t 业发达国家相比，差 距很大，问题十分突出。目前我国纸和纸板总量中一半以上的纸种是以草浆为主制成的中低 档产品，国民经济大量需要的高档纸和纸板，如涂布纸和纸板、高强纸板等，大部分足由外资企 q k 牛产，同时又是进口纸的主要品种j 。我国干燥技术与国外先进技术仍存在较大差距，目前 国内仍普遍采用传统的三段通汽，它属于被动式蒸汽串联供热开式热力系统，而2 0 世纪8 0 年 代中期国外新型纸机十燥的供热普遍采用热泵技术。为了生产高档纸和提高纸的产量，高速纸 机已成为国内外研究的热点。其中，纸机干燥的发展有两个方向，一是对于烘缸接触干燥继 续对热泵供热系统和虹吸管进行研究和改造，通过实践研究出最佳性能的蒸汽冷凝水系统； 二是对于无接触十燥，以发展气浮干燥和红外干燥技术为主，同时吸收其它先进技术，不断 研发出新的t 燥技术，其h 的是采用节能、降耗新技术，不断减少单产能耗，这也是目前增 强企业产品竞争力的有效途径。实践表明，气垫干燥技术先进，经济效益显著，随着生产的 口趋成熟，必将给企业带来可观的经济效益，是未来发展的趋势。我国在这方而的研究很少， 大部分的技术要靠引进”j 。 气垫干燥器主要由机架、循环风机、加热蛇管、吹箱、传动及引绳系统、真空清洗系统、 热回收系统、蒸汽及冷凝水系统组成。其中，热风箱是对浆板进行加热t 燥形成气挚的关键 设备，直接影响纸机的生产速度和纸的质量品质l l o - 1 1 i 。热风箱喷口处气垫层流场规律及传 热特性非常复杂，不同的喷口形式、入风参数对流场规律和传热特性的影响很大。如何设计 热风箱减少浆板在干燥器内的摩擦阻力，减少断头和破损现象的产牛，使得纸机高速平稳运 行是其关键技术。热风箱流场和传热特性研究，有助十优化热风箱的设计。由于国外对其知 识产权的保护，我国造纸技术还停留在原始模仿、引进的阶段。自我的开发、研究是非常重 要的，这样才能真正拥有自己的技术。而现阶段，我国关丁热风箱喷口处气挚层流场规律及 传热特性的基础研究还是空白，热风箱喷l j 形式、入风参数对传热效果影响的研究也几乎没 有。加快这方面的研究对于缩小与国外先进技术的差距，进一步研究开发高速气垫式干燥机， 具有重要的指导意义。 1 2 纸机干燥的发展历程 1 2 1 纸机干燥的发展历程及研究现状 干燥是目前纸机技术的瓶颈，它是一个庞大的系统，是投资纸机的重点部分。纸机干燥主要 在以下方面得到了长足的发展【12 1 。 ( 1 ) o p t i d r y 干燥系统 芬兰m e t s o ( 美卓) 纸业公司一项创新是o p t i d r y ( 冲击式干燥) ，已在芬兰芬欧汇川 3 南太f 十学论r n o r d l a n dp a p i e r d o r p e r - 纸j 一4 号机上安装。这台纸机是目前世界上最快的文化纸机之一车速 记录达到1 5 0 4 m m i n i ”1 。在冲击式干燥系统中，热风高速直接吹在纸幅上。将水分从纸幅中 蒸发出来，而湿窄气循环剑汽掣的捧汽审中，这种肓接冲击干燥的t 燥率比烘缸干燥高出许 多倍。o p t i d r y 干燥醴备比传统干燥设备短2 5 左右”，它将高干燥能力及良好的纸张质量 有机的结合起来。 2 ) u n i d r y e r 干燥系统 法国s o l a r o n i c s 公司开发了集红外干燥丰u 气浮干燥优点十一身的u n i d r y e r 干燥系统，红 外烘干有着优秀的能量转化气浮十燥有着良好的物质传递和稳定韵纸幅输送。u n i d r y e r 干 燥系统既有高功率的燃气式红外线发射器，叉利用最新拄术的循环气和热风作气浮传送，高 温高速稳定地魄遨纸幅。此干燥系统止为崮外大型的造纸机械厂和造纸厂所采川，综台测试和 使用家的应埘效果表明，u n i d r y e r 显不出了极大的适卅性和极高的烘干效率，大大提高了纸 品质最【1 4 3 ) 新型气垫十燥浆板机 凯信机械有限公司自主开发研制了新型气垫t 燥浆板机。其特有的气垫t 燥保证纸由干 燥均匀纸幅边缘小翘曲，气垫密闭循环节能降耗。同烘缸干燥相比，其特点足：a ) 占地面 积减少2 0 左矗tb ) 利用热空气干燥和承托纸幅，牵引纸幅的引力小，收缩均匀，不易断头；c 采用热风t 燥，浆不易泛黄，提高，产晶质量 d ) 热风密闭循环，利用辛高，蒸汽消耗约低3 5 综合能耗降低6 左右；e ) 维修简单，维修费用低1 。 ( 4 ) 浆扳热风干燥机 湖南正大轻科机械有限公司上个世纪9 0 年代以来直致力于造纸制浆通风和热风干燥技术的 开发1 作。通过不断消化吸收国外自1 名厂家的先进技术，研制开发了适台中国国情和生产实际的 造纸制浆通风和热风干燥设备，填补了多项国内空白。浆板干燥采用气浮无接触干燥原理，如嗤 卜1 所示干燥采用多层排列方式，其喷气箱的数量与排列状批根据生产能力来决定。具有如下特 点：a ) 纸浆板干燥段的长度可缩短5 0 以上，节豹了土建投资；b ) 能更方便地调节横向水分差， 从而获得水分更加均匀的浆板；c ) 浆板在干燥段所受的张力更小，从而使浆板运行更平稳，断纸的 现豫太大减少”“。 ( 5 ) 其它十燥技术 图l 一1 浆扳热风干燥系统 要缩：奋! 譬? 。麓薷：i 差i ：，雀i 翥：i i 拓；：蠢毳篥嚣：霎i 重竺；星鲁? 是要缩短纸帆长度，从而降低纸机成本。此外利州微波作为十燥技术的补充也是一个课题。 外十羹i 票? i 嚣! ；i 墓i ；? ：薪磊；i 嘉：i 瓣柔? j 曼；i i ；蓑釜器嚣 t 燥，应继续对热泉供热系统和虹吸管进行研4 究和改造，通过实践研究出最佳性能的蒸汽冷 第一章绪论 凝水系统【8 1 。 1 2 2 气垫式于燥器 气垫式干燥器是一种非接触的干燥设备，主要应用在涂布纸一类要求非接触干燥的产 品。它可以单侧布置，也可以双侧布置。从各种干燥性能的测定和归纳来看，采用双侧布置 的涂布纸_ t 燥的质量比单侧布置的好，同时町以增加产量。气挚式干燥器上要南机架、循环 风机、加热蛇管、热风箱、传动及引绳系统、真空清洗系统、热回收系统、蒸汽及冷凝水系 统组成【l0 1 ，主体结构见图1 2 。其中热风箱是对浆板进行加热并形成气垫的关键设备，也是 新型气垫式r t 燥器的关键技术所在。整个气挚干燥器是巾多组热风箱拼合而成，每组风箱配 有轴流风机和空气加热器以及根据空气动力学原理设计而成的特殊形状结构的上下吹箱和 风嘴。对纸幅进行干燥时，通过轴流风机提供足够的风压在浆板幅面形成气垫，并要求在整 个幅宽区| 玎j 风压一致川。 燕蹙接机热术挂 图卜2 气垫十燥器丰体结构 图卜3 为干燥介质空气在气垫式干燥器内的流动图。经热交换机顶热的空气送入干燥 机底层的循环风机各压力室，经加热蛇管加热后由循环风机送入各吹箱的开口端，经吹箱 图1 3 气垫式干燥器内空气流动图 东南大学硕士学位论文 上的孔眼吹向浆幅，再进入上层循环风机的各压力室，依次循环逐级向上通过干燥层，这些 热空气到达干燥层的顶部时已是湿热空气，由顶棚开孔抽出，进入热回收系统。循环空气吹 向浆幅消耗了部分热能后，由加热蛇管冉次进行加热，继而由循环风机吸入后转向吹箱。当 浆幅通过干燥室时，由吹进的热空气使之烘干，浆幅通过干燥器时悬在气垫层之上，浆幅由 上而下运行，牵引浆幅的拉力由曳拉辊及夹持辊提供1 0 】。气垫式干燥器内空气流程见图卜4 。 气垫式干燥器具有干燥均匀日效率高、边缘不翘曲、气垫密闭循环、节能降耗等优点。 与烘缸干燥相比：气垫干燥整个加热过程都是恒温的，一般不破坏纤维，没有烘缸干燥的干 燥温度曲线问题，并且，占用空间减少2 0 ，投资费用减少2 0 ，能耗减少6 ，维修费用也少，是 一种比较理想的干燥设备【15 1 。 图卜4 空气在气垫式干燥器内的流程图 1 2 。3 气垫干燥技术国内外研究现状 “气垫”的构想早在二百多年以前就有不少人提出，如1 9 1 6 年瑞典科学家维登们格曾 提出了人力气垫器的设想，以后不断有人提出各种气垫设想。彳日因缺乏一定的气垫理论以及 客观技术条件的限制，未能研制出实用的气垫运输工具。直到本世纪五十年代初，英国人考 克勒尔( c s c o c f c e r a ) 才首先提出了比较完整的周边射流气垫理论。1 9 5 9 年英国人应用这一 理论试制造出第一艘有人驾驶的气垫船。以后该技术得到了迅速发展。我国于1 9 5 7 午以后 开始发展气垫船的试验研究，至今已取得了长足的进步，最近公开的“大鹅号”气垫船则是 进步的新标志 1 7 j 。 “气垫技术”的应用范围越来越广泛，对于气垫理论的研究也逐步深入，有一些领域尝 试引进气垫技术，一些运输工具具备双重功能如虎添翼。例如：“气垫火乍”是最近科学家 研究的一个新课题，使列车底面与路基钢轨之间充气，形成一层气垫，使列车悬浮在路基钢 轨上面，运行阻力大大减少。对大型的、重型的部件、设备进行输送，采用该技术的优点更 是其他输送技术所无法比拟的l l a l 。气垫式输送技术不仅适用于军用，还町以适用于民用， 例如可以用于飞机制造厂、重型机器制造厂、机车和车辆制造厂、大型发电机组制造厂、大 型变压器制造厂等。 根据利用压缩空气的形式，可以将气垫分为动压型和静压型气垫。动压型气垫就是应用 空气屏蔽原理达到垫升的目的，它丰要用于气垫船、气垫车等，多用于野外作q k 。静压型气 垫就是利用“空气润滑”原理，以狭缝泄气阻力彤成高压区，抬起重物，是气垫输送技术的 基本类型 1 7 1 。 气垫技术也运用到造纸行业，气垫干燥高速纸机进入实用阶段。在涂布纸机的干燥器中 运用更为广泛。国外的气垫纸机有一定的规模，国内还只是部分企业在引进气垫十燥器的基 础卜，结合国内浆板生产的t 艺特点，进行优化创新设计，研制开发出更适合国内造纸企、l k 的机型。在改进的过程中虽积累了一定的经验，但没有对经验数据、热风箱传热效果进行更 深入的研究。本文在实验的基础上，对热风箱的气体流动规律及表面传热系数的影响冈素 进行研究，对热风箱工程设计中各参数的优化提供一定的理论依据。 6 第一章绪论 1 3 气垫干燥过程的分析及研究现状 经过压榨机械脱水后，纸张尚含有6 0 一7 0 的水分，这部分水分通过机械压榨的方法已 不易除去，需要通过加热干燥的办法进一步脱水。纸机干燥的主要目的和作用就是通过加热 蒸发除去水分，同时纸张获得一定的收缩，使纤维结合更紧密，从而提高纸的强度。根据纸 张品种的不同，可以在干燥过程中增加辅助工艺，以获得一定的平滑度和施胶度等。干燥是 纸张抄造过程的重要工艺之一，干燥的好坏不仅影响纸张的质量，而且显著影响产品的成本。 水分蒸发需要消耗大量的热能，一股是纸机中耗能最大的环节。干燥用的热量通常以蒸汽形 式供给，通过烘缸壁以热传导的形式传递给纸张。干燥是纸机最庞大的部分，其设备投资、 动力消耗和占地面积占整个纸机的半以一卜。纸机工作者对纸张干燥行为的关注，往往是通 过经验来确定和调整烘缸数、蒸汽温度、车速等操作参数。综上所述，干燥的设计、操作管 理，对纸张的质量和成本影响很大9 1 。 气垫式干燥过程中，纸张中水分的汽化是一个吸热过程，必须给系统供热。传热可通过 传导、对流和辐射，其干燥器的运行特性可以用表面传热系数和传质系数来表征。表面传热 系数是干燥器设计的关键参数。表面传热系数增大时，水分被更快的除去，缩短了干燥时 间，减少了十燥设备的尺寸20 1 。 提高干燥空气的温度，能使传热和传质的推动力都增大，然而涂布产品常常限制了干燥 的最高温度。在干燥温度一定的条件下，热风箱的喷口形式和入风参数对表而传热系数的影 响比较大。选择最优的喷口形式、入风参数能够提高干燥性能。 国内外对气挚干燥过程的研究较少，国内郑荣和等【2 1 1 对气挚式浆板机热风箱系统的气体 流动进行了初步的探讨，分析了热风箱内静雎分布，及气垫层的均匀性。但他没有对传热特 性进行研究。纸张的干燥过程是一个复杂的传热传质过程。分析纸张的干燥过程，必须分析 其传热特性。本文在研究热风箱和气挚层的流动特性的基础上，进步分析其传热特性，深 入研究气垫式浆板机热风箱系统的干燥过程。 1 4 本文的研究内容和研究方法 1 4 1 研究内容 气垫式浆板干燥机在造纸工业中被广泛使用，但国内对气垫式浆板干燥系统中热风箱内 和喷口处流动和传热特性的理论及实验研究都很少。本文以山东凯信机械有限公司自主设计 的新型气垫浆板干燥机为研究对象，从流动和传热传质理论出发，研究热风箱内和喷口处的 气体流动及传热特性。 主要内容包括实验和理论两个方面： ( 1 )实验方面：设计、搭建热风箱，使用电加热器对空气进行加热，用热风对湿木板进行干 燥，测量木板的十燥特性曲线，计算出对流换热系数。 ( 2 )理论方面：建立热风箱的数学模型，采用c f d 软件进行数值模拟，分析热风箱和气垫层 内的气体流动规律，并计算出不i 一的喷口形式下和4 i 同热风箱入口参数下的对流换热系 数，并与实验结果进行对比，验证模犁的正确性。利用经过验证的模型，优化喷口形式、 入风参数、为热风箱的设计参数提供理论依据。 具体内容如下： ( 1 ) 搭建实验台，通过实验测量热风箱内的静压值和湿木板干燥时的温度、干燥过程中湿木 板的重量。整理h 表面传热系数、湿木板的十燥特性曲线。 7 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 建立数学模型，选择最佳的计算方法、网格划分方法及理论模型。 ( 3 )将实验数据与模拟结果进行对比验证，验证模型i e 确性。 ( 4 ) 利用数值模拟，研究入口风速、高度比、及喷口的排布方式等参数对气垫静压和表面传 热系数的影响。 ( 5 )对模拟结果进行分析得到最佳的热风箱各优化参数。 1 4 2 研究方法 本文采用实验和数值模拟相结合的研究方法。根据相似原理搭建实验台，测得静压值及 木板干燥特性，并计算出表面传热系数。建立数学模型，用f l u e n t 软件模拟计算，得出热风 箱的静压值和气垫层上气体与纸板间的表面传热系数，与实验值进行对比以验证模型的正确 性。通过数值模拟，进一步研究入口风速、开孔率分布、热风箱高度比等因素对表面传热系 数、静压值和气垫层稳定性的影响。 8 第二章热风箱气体流动及传热的实验研究 第二章热风箱气体流动及传热的实验研究 2 1实验原型 本文原型为山东凯信公司自主研制的新型高速、宽幅系列气垫浆板干燥机。纸张干燥 的物理模型如图2 1 所示，热空气通过下吹箱上的孔眼将浆板吹起来。热空气使浆板水分蒸 发，同时将浆板托起，使它悬浮在热风箱上，减少了浆板在干燥器内的摩擦阻力，浆板断纸、 破损的机率大大减少。上吹箱把热空气吹向浆板上部，使水份蒸发的效果更好。上、下吹箱 开孔方式也不一样，作用也不同。上吹箱而上的开孔方式是圆形，而下吹箱面上的开孔方式 是中间为三角形，其两侧则是圆形( 见图2 1 ) 。热窄气的压力在热风箱中会逐渐降低，为了使 吹到浆幅上的风力均匀，热风箱常设计成开口端向封闭端逐渐缩小的锥形，见图2 1 。 固目 吹箱倒过来 2 2 实验目的及方案 2 2 1 实验目的 图2 1 气垫式浆板机热风箱 1 l 吹箱台 j 纸张干燥过程中气垫层与纸张的对流换热、以及热风箱气垫层的均匀性影响纸张干燥的 质量和纸张干燥效果，也影响着气垫层的温度场、湿度场及压力分布。研究热风箱的气体流 动和气垫层与纸张的表面传热系数对提高纸张干燥效果有着重要的意义。 本文通过实验测得热风箱的静压分布及湿木板的干燥特性，以研究热风箱气体流动及传 热特性，并可用于理论模型的验证。 2 2 2 实验方案 根据相似原理，建立热风箱干燥实验台。相似原理的三个核心内容：物理现象的相似、 特征数问的关系和现缘相似。物理现象的相似是指，同一类物理现象中，凡相似的现象，在 空间对应的点上和时间对应的瞬间，其各对应的物理量分别成一定的比例。在本实验中要保 证实验模型内的介质流动与热风箱原型中的气体流动相似。符合物理现象相似的原则，应做 到以下几方面：搭建实验台时，首先要保证气体通道的几何形状相似，即实验热风箱的尺寸 与原型埘应成比例；实验热风箱与原型的内部流动为同类流动；进入热风箱的气体的物性 参数相似；进出界面的速度分布相似。 9 1 0 入 口 垫 、 糟 邓滴 虬 气 体 坍 骺扒 洲 瞩 成 主 熟 删瞅 玎 纸 一 一 一 一一 一 娜 尉 釉 悱 帅m 眦 蛳 剁 恻 艄劲 懒 删 州 脯蛆 卧。曼 第_ 章热风箱气体流动及传热的模犁及其求解 图2 2 热风箱流场意图 控制系统：采用x m t 一3 0 0 0 系列智能专家p i d i 业控制调节器控制温度。调节器通过对电 加热器的通断来控制温度。当热电偶测的空气温度高于设定值时，调节器可以把电加热器暂 时断开，低于设定值的话就接通，通过控制使得空气温度恒定在一个设定的值，其误差1 。 测量部分：本实验中主要测量的参数有重量、静压、流量、温度。重量采用电子天平测 量、风速采用q f d 3 热球风速仪测量，静压采用u 型压力计测量，温度采用热电阻测量。热风 箱静压测量孔设置在热风箱侧面如图2 4 所示。湿木板的上的温度测量孔设置如图2 - 5 所示。 热电阻从湿小板上的开孔插入，插到接近湿木板底部。主要的测量系统如下： 图2 - 3 实验模型示意图 1 热风箱模型；2 测量孔；3 变径管；4 电加热器5 风机；6 流量计；7 稳流管： 8 u 型压力计；9 支架 图2 4 流场压力测鼍开孔示意图 z 热电阻 ， 东南大学硕十学位论文 ( 1 ) 电子天平 图2 5 湿木板温度测量孔开孔示意图 实验采用j j 系列5 k g 电子天平称量干燥过程中湿木板的重量。它除具有t 系列电子天平的 全部优点外，还具有以下特点： 1 ) 精度和灵敏度更高； 2 ) 采用高精度的应变式称量传感器，克服了一般的高精度电磁式电子天平不能称量铁、镍等 导磁物质的缺陷； 3 ) 具有自动校正功能； 4 ) 具有单位转换功能； ( 2 ) 温度巡检仪 本实验采用x m d - - 2 0 0 0 系列多点巡同检测仪表来测量温度，该仪表采用了a t m c 5 1 系列单片 机构成的小型微机检测系统，可以对工业过程中各种介质的温度、压力、差压、流量等物理 量的自动巡回检测，超限报警，误差修正，通过打印机接口，连接打印机将各物理量打印输 出。具有可靠、寿命长、精度高、维修方便等特点。 主要技术指标： 输入信号：热电偶和热电阻传感器，本实验中采用p t l 0 0 热电阻传感器。 准确度：0 5 f s ； 显示方式：通道号2 位，测量值4 位高亮度数码管显示； 巡检路数：卜1 6 、1 - 3 2 、卜6 4 路可由用户任意设定