（化工过程机械专业论文）造纸多通道烘缸流体流动与传热特性研究.pdf

造纸多通道烘缸流体流动与传热特性研究 摘要 在传统的造纸烘缸干燥纸张的过程中，蒸汽在烘缸内冷凝，冷凝水需要 通过虹吸管排出烘缸，通常烘缸在高速运转时冷凝水会形成水环，目前的虹 吸排水装置不能有效的排除冷凝水。而冷凝水的传导系数仅为烘缸壁的导热 系数的1 8 7 ，冷凝水层的热阻在总热阻中占有相当的比重，它在很大程度上 降低了烘缸传热系数，制约了纸机的高速化发展。本文研究的新型无虹吸管 造纸多通道烘缸将有效的解决传统烘缸积水问题。新型多通道烘缸在烘缸内 壁上开有通道，通入烘缸内的蒸汽被限制在小通道中流动，冷凝水在高压蒸 汽的推动下从通道流出，故在烘缸内部不产生积水。 多通道烘缸作为一种新型的造纸烘缸，其通道内部的流动及传热特性研 究是多通道烘缸设计的基础。本文通过理论分析与数值模拟相结合的研究方 法，建立多通道烘缸通道内流体流动与通道内冷凝传热的数学模型，对多通 道内流体流动流型、压力降及通道壁面的传热进行了数值模拟，通过理论分 析及数值模拟，确定新型多通道烘缸的结构并优化。 本研究的主要研究成果及主要贡献表现在如下几个方面： ( 1 ) 建立了多通道烘缸通道内流体流动的数学模型。多通道烘缸通道内 蒸汽流动为气液两相流动，其流动数学模型根据流型的不同可以分为均相流 动模型和分相流动模型。分别建立了在均相流动与分相流动过程中流体微元 应满足的各类平衡方程式。 ( 2 ) 建立了多通道烘缸通道内蒸汽冷凝传热的数学模型。模型根据无量 纲数流型准则数来判断通道内流体流动过程中是剪力控制还是重力控 制，进而建立了通道内液膜传热系数及气相传热系数公式，同时模型对通道 内流体流动过程中的压力降的计算方法做了阐述。 ( 3 ) 对比分析采用数值模拟软件f l u e n t 中的两相流v o f 模型，对多 通道烘缸通道内流体流动进行了数值模拟，模拟结果显示多通道烘缸通道内 流型基本与经典气液两相流流型图m a n d h a n e 中的数据保持一致，同时对通 道内压力降的分析得出当通道内流型为环状流或环雾状流时压力降达到最 小，得到此流型有利于烘缸传热。对新型多通道烘缸传热过程进行数值模拟 分析，结果发现多通道烘缸单端进蒸汽对于通道的传热过程而言，有可能出 现烘缸表面温度不均匀的现象，为此需要对烘缸结构设计进行改进。对比前 人实验发现，多通道烘缸具有比传统烘缸高的传热系数，证明多通道烘缸是 一种节能型烘缸。 ( 4 ) 通过对多通道烘缸通道内流体流动与传热的数值模拟，对多通道烘 缸进行结构优化设计，得到了新型双端迸气多通道烘缸，并应用f l u e n t 软件对双端进气多通道烘缸传热进行模拟分析，模拟结果显示双端进气多通 道烘缸对改善烘缸表面温度的均匀性有较好的作用。 全文通过理论分析与数值模拟相结合的研究方法，建立了多通道烘缸内 流体流动与传热数学模型，并对通道内的流型，压力降，通道壁面的传热进 行了数值模拟研究。研究结果对多通道烘缸的结构设计与优化提供了理论支 撑。 关键词：造纸，多通道烘缸，流体流动，传热，数值模拟 r e s e a r c ho nt h ef l u i df l o wa n dh e a t t r a n s f e rc h a r a c t e i u s t i c so ft h ep a p e r m a k i n gm u l 月i c h a n n e lc y l i d e rd r y e r a b s t r a c t i nt h et r a d i t i o n a ld r y i n gp r o c e s so ft h es t e a md r y e r ，t h es t e a mi sc o n d e n s e d a n daw a t e rr i n gf o r m si n s i d et h ed r y e r t h ec o n d u c t i v i t yo fc o n d e n s a t ei so n l y 1 8 7o ft h ed r y e rw a l l st h e r m a lc o n d u c t i v i t y , s ot h et h e r m a lr e s i s t a n c eo ft h e c o n d e n s a t e1 a y e ri sac o n s i d e r a b l ep r o p o r t i o no ft h et o t a lt h e r m a lr e s i s t a n c e i t s i g n i f i c a n t l yr e d u c e st h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to ft h ed r y e r m i l et h ed r y e r r o t a t e sa th i g hs p e e d s ，t h ec o m m o n l yu s e ds i p h o nc r n n te f f e c t i v e l yd r a i no f ft h e c o n d e n s a t ew a t e r i nt h i sp a p e r , an e wm u l t i c h a n n e lc y l i n d e rd r y e ri sp r o p o s e d t os o l v et h i sp r o b l e m t h ei d e ao ft h en e wm u l t i p o r td r y e ri st oh a v es m a l lp o r t s i nt h ed r y e rw a l l s t e a mp a s s i n gt ot h ec y l i n d e ri sl i m i t e db yt h es m a l lp o r t s ， t h e ya l s oa l l o wc o n d e n s a t et of l o wo u tw i t ht h eh i g hp r e s s u r es t e a m ，n l em u l t i - c h a n n e lc y l i n d e rd r y e ri san e wt y p eo fe n e r g y s a v i n gd r y e rf o r p a p e rd r y i n g k n o w l e d g e a b o u tf l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c sw i t h i n t h ec h a n n e la r et h ef o u n d a t i o nb e h i n dt h ed e s i g no ft h em u l t i c h a n n e lc y l i n d e r d r y e r t h i sp a p e ru s e st h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt oe s t a b l i s ha m a t h e m a t i c a lm o d e lo ff l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e ri nt h ec h a n n e lo f m u l t i c h a n n e lc y l i n d e rd r y e ra n dah y d r o d y n a m i cm o d e lo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h em o d e l ss i m u l a t et h ef l u i df l o wp a t t e r n ，p r e s s u r ed r o pa n dw a l lh e a tt r a n s f e r i nt h em u l t i c h a n n e l t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r eu s e dt o o p t i m i z et h es t r u c t u r a ld e s i g no f t h em u l t i c h a n n e lc y l i n d e rd r y e r t h em a i nr e s u l t so ft h i ss t u d ya n dt h em a i nc o n t r i b u t i o nt ot h ep e r f o r m a n c e a r e ： ( 1 ) t h ee s t a b l i s h m e n to fam a t h e m a t i c f lm o d e lo ff l u i df l o wi nt h e m u l t i c h a n n e ld r y e r t h es t e a mf l o wi nt h ec h a n n e li sg a s 1 i q u i dt w o p h a s ef l o w 砀ef l o wm a t h e m a t i c a lm o d e lc a nb ed i v i d e di n t oah o m o g e n e o u sf l o wm o d e l a n das u b p h a s ef l o wm o d e l a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tf l o wp a t t e r n s ( 2 ) t h ee s t a b l i s h m e n to fam a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h es t e a mc o n d e n s a t e s h e a tt r a n s f e ri nt h em u l t i c h a n n e ld r y e r 1 1 1 em o d e li sb a s e do nad i m e n s i o n l e s s n u m b e r 啊1 ef l o wp a t t e r nn u m b e rw h i c hd e t e r m i n e st h ef l u i df l o wi nt h ec h a n n e l i sa f i r e c t e db ys h e a rc o n t r o lo rg r a v i t yc o n t r 0 1 t 1 1 em o d e le s t a b l i s h e daf o r m u l a t l l a tc o n n e c t st h el i q u i dp h a s eh e a tt r a n s f e rc o e 伍c i e n tt ot h eg a sp h a s eh e a t t r a n s f e rt o e m c i e n t t h em o d e la l s oh a sac a l c u l a t i o nm e t h o dt od e s c r i b ei nd e t a i l t h ef l o wp r e s s u r ed r o pi nt h ep r o c e s so ft h ef l u i df l o wi nt h ec h a n n e l ( 3 ) t h es i m u l a t i o no ft h ef l u i df l o wi nt h ec h a n n e lo ft h em u l t i c h a n n e l c y l i n d e rd r y e ru s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ef l u e n t sv o f ( v o l u m e o f f l u i d ) m o d e li nt w o p h a s ef l o w t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ef l o wp a t t e r n i nt h ec h a n n e lo fm u l t i c h a n n e lc y l i n d e rd r y e ra r et h es a m ea st h em a n d h a n e f l o wp a a e md i a g r a m b ya n a l y z i n gt h ep r e s s u r ed r o po ft h ec h a n n e l ，i tw a s o b s e r v e dt h a tt h em i n i m u mp r e s s u r ed r o ph a p p e n sw h i l et h ef l o wp a a e mi nt h e c h a n n e li sa n n u l a rf l o wo rl o o pm i s tf l o w 1 1 1 i si sb e n e f i c i a lt oh e a tt r a n s f e r b y a n a l y z i n gt h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s so ft h en e w m u l t i c h a n n e lc y l i n d e rd r y e r , i t w a sf o u n dt h a tt h es i n g l e i n l e ts t e a mo ft h ed r y e rf o rt h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s si s a b l et o p r o d u c et h ep h e n o m e n o n o ft h e t e m p e r a t u r ed i f f e r e n t i a l t h e m u l t i c h a n n e lc y l i n d e rd r y e rh a sah i g h e rh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tt h a nt h e t r a d i t i o n a ld r y e r , a c c o r d i n gt ot h ep r e d e c e s s o r se x p e r i m e n t ，t h i si sp r o v e st h e n e wd i - y e rt od ea ne n e r g y - s a v i n gd r y e r ( 4 ) n ed e s i g no fan e wt y p eo fd o u b l e i n l e tm u l t i c h a n n e lc y l i n d e rd r y e r t h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ef l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e r f l i 甩n t w a su s e dt os i m u l a t et h eh e a tt r a n s f e ro ft h ed o u b l e i n l e tm u l t i c h a n n e lc y l i n d e r d r y e r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed o u b l e m e tm u l t i c h a n n e lc y l i n d e rd r y e r e f f e c t i v e l yi m p r o v e st h eu n i f o r m i t yo ft h ed r y e r ss u r f a c et e m p e r a t u r e 眦sp a p e ru s e st h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt oe s t a b l i s ha m a t h e m a t i c a lm o d e lo ff l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e ri nt h ec h a n n e lo f m u l t i c h a n n e lc y l i n d e rd r y e r i tp r o v i d e sat h e o r e t i c a ls u p p o r tt oo p t i m i z et h e s t r u c t u r a ld e s i g no ft h em u l t i c h a n n e lc y l i n d e rd r y e r 。 k e y w o r d s ：p a p e r m a k i n g ，m u l t i - c h a n n e lc y l i n d e rd r y e r , f l u i df l o w , h e a t t r a n s f e r ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 造纸多通道烘缸流体流动与传热特性研究 1 绪论 1 1 课题研究背景 国家产业振兴规划对我国装备制造业提出了提高重点装备自主化水平的要求。对于 造纸装备行业要求在引进消化吸收再创新的基础上，突破重点装备关键技术，加快装备 自主化。造纸装备重点发展大幅宽、高车速造纸成套设备。中国目前已经成为世界第一 大纸张生产国，在发展过程中，造纸装备产业不能满足造纸工业的要求，先进的造纸装 备主要依靠进口。但本世纪以来，造纸装备产业在技术创新、制度创新方面有了较大突 破，又有国家对振兴装备制造业的政策支持，将面临造纸装备产业的战略机遇期，为此 对于我国造纸装备制造业，应在引进消化的基础上，充分发挥比较优势，不断增强自主 创新能力，实施赶超战略，为推动造纸产业的结构调整和优化升级做出应有的贡献。 造纸装备重点发展大幅宽、高车速造纸成套设备。在造纸工业快速发展的市场推动 下，依据造纸行业发展规划，造纸产业对大型、宽幅、高速、高效、节能、减排等装备 的需求日益增长，虽然中国造纸工业发展很快，国内造纸机械产品市场的竞争更加激烈， 然而国产造纸机械产品在国内市场中的占有率持续下降，中国自主生产的传统造纸机械 产品难以适应造纸工业发展的要求，特别是主导产品的技术过分依赖国外。中国自主研 发生产的制浆造纸产品跟不上造纸业的发展速度，不足主要体现在单机产量低、性能优 化不够，能耗水平和可靠性还比较低。 造纸机做为造纸装备中的最主要的设备，它的研究与发展对振兴我国造纸装备制造 业有举足轻重的作用。纸机干燥部作为造纸机中庞大且能耗较高的部分，其质量约为纸 机总质量的6 0 7 0 ，设备费用和动力消耗均占整个纸机的5 0 以上，蒸汽消耗占纸 页生产成本的5 , - - - 1 5 。烘缸则是纸机干燥部中最主要的设备，自从1 8 0 8 年第一部实 用长网抄纸机诞生起，传统烘缸便开始了它的服务历程，至今仍扮演着不可替代的角色。 在传统的烘缸干燥中，蒸汽进入旋转的烘缸内，通入烘缸内的蒸汽在饱和温度下冷凝， 放出的热量克服各层热阻传导到纸页蒸发面进行纸页的干燥，在蒸汽通过传统烘缸干燥 纸张的过程中需要克服多种传热热阻，如图1 1 所示。热阻的存在使烘缸的传热效率降 低，影响纸张的干燥效率，对提高纸机车速及纸张的产量质量都有一定的制约因素。冷 凝水在烘缸内采用虹吸管装置排出。但是由于传统烘缸的虹吸装置排水效率不高，这成 为制约烘缸发展的瓶颈问题。 陕西科技大学硕士学位论文 abcd efgh a 一蒸汽对流换热热阻b 一冷凝水层c 一烘缸内壁面水垢d 一烘缸壁 e 一烘缸表面与湿纸页问的灰尘及空气f 一纸页g 一干毯h 一空气边界层 图1 - 1 传统烘缸传热热阻情况示意图 f i gl 1t h e r m a lr e s i s t a n c ed i a g r a mi nt h et r a d i t i o n a ld r y e r 目前采用虹吸装置排烘缸冷凝水来降低热阻的干燥过程普遍存在烘缸排水不良的问 题。烘缸内冷凝水如不能及时排出便会在烘缸内聚积，当车速较高积聚较多时便会形成 冷凝水环，冷凝水环的导热系数仅为铸铁烘缸壁导热系数的1 8 7 1 1 ，这将大大增加烘缸 的热阻，造成烘缸的干燥效率下降，同时整个纸机供热系统也会受到严重影响。 综上所述，如想彻底解决纸机运行中的通病，在降低能耗提高产品质量上有一个质 的飞跃，必须改造现有的干燥方式。介于干燥部在纸机中的重要性，世界知名造纸和机 械企业均把它作为研究的重要内容之一，近年来干燥部的发展很快，新的干燥设备也层 出不穷【2 】，各项工作主要是围绕克服烘缸积水困扰、节约能源、提高纸张干燥质量等问 题在进行研究与开发。 1 2 蒸汽烘缸干燥技术 1 2 1 新型纸张干燥技术发展现状【2 】 造纸机干燥部的主要任务是提高纸张干燥能力，保证纸张横幅水分均匀一致，提高 纸机运行能力和节能降耗。纸张的干燥方式影响着纸机的车速。纸张干燥技术的不断研 究发展以提高纸机的车速和产量，同时提高纸张的质量为目标。达到这些目标的一些重 要参数包括：提高纸张干燥速率与干燥部的运行性能，降低压榨部和干燥部之间的牵引 力，更换纸种时能快速调节干燥能力以及纸幅翘曲控制【3 】。随着造纸工业的不断发展， 纸机大型化、高速化的发展需要开发相应的纸张干燥技术与之相匹配，为了得到较高的 干燥效率、改善成纸质量、减少干燥中的能量消耗，近些年来国内外相继研制开发了 b o o s t d r y e r 干燥技术、c o n d e b e l t 干燥技术、o p t i d r y 干燥技术、脉冲干燥技术等高效的纸 张干燥技术。 b o o s t d r y e r l 4 1 是福伊特造纸公司新开发的一种能够同时满足产品产量和质量最大化 圈 造纸多通道烘缸流体流动与传热特性研究 需要的新型纸张干燥技术，如图1 2 ，图1 3 所示。它适合纸板和包装纸的生产。由于该 干燥技术使用了特殊设计的带压力罩的烘缸，可以增加烘缸表面传热温差，且纸张脱水 利用了热管【5 1 的原理，因而具有很高的干燥效率；同时由于压力罩对烘缸表面纸幅的挤 压作用，可以增加纸张的强度及表面平滑度等纸张性能，该技术应用于新建的纸厂可以 减少纸机干燥部的长度。 图1 - 2b o o s t d r y e r 结构图1 - 3b o o s t d r y e r 局部放大 f 追1 - 2b o o s t d r y e rs t r u c t u r ef 谵1 - 3b o o s t d r y e rm a g n i f i e d c o i l d e b e - - - 。 6 是美卓公司开发的一种专门针对纸板开发的干燥技术，与传统烘缸干燥 相比，干燥速率较高，同时能源可以回收。而其最主要的优点在于能显著的改善纸板的 特性，还允许使用更多的草类原料。 冷凝带干燥过程和原理见图1 4 。在一个密闭的单元内安装有蒸发元件和冷凝元件， 蒸发元件使纸幅中的水分变成蒸汽，而冷凝元件使该蒸汽重新冷凝。纸幅与一个同步运 动的被加热了的金属带相接触而被干燥，钢带中的热量传递给纸幅从而使纸幅中的水分 蒸发，纸幅的另一面与网子接触，在网的下面是同步运行而且被冷却的钢带。蒸汽在冷 钢带表面冷凝，网子起贮水的作用，在该网子的上面通常还有一张细网以减轻网痕。金 属带由大约1 毫米厚的钢板制造。加热室与加热带之间的两边、冷却室与冷却带之间的 两边、两钢带之间的纸幅及网的两侧都设有密封装置。 加热蒸汽的温度为1 1 卜1 7 0 ，压力为o 0 5 珈7m p a ，冷却水的温度为6 0 一_ 9 0 ， 通常为8 0 ，冷却水的压力正好等于加热蒸汽的压力。 在相同蒸汽压力情况下，冷凝带干燥在单位接触面积上的干燥速率比传统烘缸干燥 要高出很多，其干燥速率取决于纸幅定量、纸幅水分以及装置的形式。 陕西科技大学硕士学位论文 图1 - 4c o n d e b e l t 干燥装置工作原理简图 f i g l - 4c o n d e b e l td r y e rw o r k sd i a g r a m o p t i d r y 【6 】是美卓造纸公司新开发适应高速纸机的纸张干燥技术。它主要应用了冲击 干燥和穿透干燥的工作原理，主要包括o p t i d r yt w i n 冲击干燥( 图1 - 5 ) 、o p t i d r y 垂直穿 透式干燥( 图1 6 ) 、o p t i d r y 水平穿透式干燥( 图1 7 ) 等。o p t i d r y 主要特征是：从压 榨部到干燥部实现了全封闭引纸；设计并采用了s y m r u nh s 箱装置；设计并采用了 v a c r o l l 辊筒及冲击干燥式气罩；纸幅的张力、水分、卷曲、横向收缩等技术指标均有自 动系统控制；o p t i d r y 干燥部的总长度比s y m r u n 干燥部缩短约2 5 。 一 图1 5o p t i d r yt w i n 冲击干燥图1 - 6o p t i d r y 垂直穿透式干燥 图l 7o p t i d r y 水平穿透式干燥 f i g l 5o p t i d r y t w i ni m p a c t f i g l - 6o p t i d r ya r y m g v e r t i c a l f i g l 一7o p t i a r yl e v e lo f o fd r y i n gt r a n s m i s s i o nt r a n s m i s s i o nd r y i n g 脉冲干燥技术【7 】对造纸工业来说是一项比较新的干燥技术，由于应用脉冲干燥的纸 张具有出口干度高、脱水速率快、能源消耗低、纸张性能好等特点，受到造纸业的青睐。 脉冲干燥就是将压榨的上压辊用红外或感应电源加热到1 5 0 - - 4 8 0 c ，内压2 7 5 - - 6 9 0 k p a ， 停留时间1 0 0 1 5 0 m s ，以便在压区内产生蒸汽，将水分逐出纸页。 4 造纸多通道烘缸流体流动与传热特性研究 1 2 2 多通道烘缸干燥新技术理论 多通道烘缸的设计原理是：对传统造纸烘缸进行创新设计，取消传统烘缸利用虹吸 管作为烘缸排水装置，在没有虹吸管的前提下，在传统烘缸缸壁内设计出一定数量的直 通道。进入烘缸内的蒸汽由于没有直接将热量传递给烘缸壁，在烘缸内不会产生冷凝水。 蒸汽全部进入通道内，在通道内通过通道壁将热量传递给烘缸外表面，来达到干燥纸张 的作用。这种结构原理使蒸汽只在多通道内冷凝换热，故只在通道内产生冷凝水，冷凝 水的冷凝速率和进入通道内蒸汽的速度以及通道的尺寸，烘缸的旋转速度都有很大的相 关性。所以目前多通道烘缸内部的蒸汽流动与传热机理仍然不明确，仍需要进行理论上 进行大量研究。 目前，对这种新创新设计出的多通道烘缸的节能效果和干燥机理以及在纸机上的应 用可行性研究非常之少，结构原理的理论支撑还不够清楚，此烘缸仍停留在需要大量实 验和寻找理论支撑的阶段，至今未能为造纸行业做出贡献。因此，本课题就是要在理论 层面上对新型多通道烘缸做一个详尽的分析及论证。本课题充分发挥数值模拟的手段， 通过建立多通道烘缸的流体流动与传热模型，采用相关的分析计算软件计算研究多通道 烘缸通道的尺寸，长度以及烘缸中蒸汽的压力、温度、流速及其性质等相关参数，得到 内部速度场、温度场分布。研究新型多通道烘缸内部的气液两相流场，观察气相的集中 区域以及蒸汽堆积现象，出口气体的体积分数及总体的换热性能。研究相变发生的部位 及烘缸外壳的温度梯度。解决多通道烘缸中的流体流动、热传递等科学问题，以便能准 确掌握其规律，建立干燥能耗模型。为新型多通道烘缸结构的优化设计及应用提供必要 的理论支撑。 1 3 多通道烘缸国内外研究现状 1 3 1 多通道烘缸国外研究现状 美国a r g o n n en a t i o n a ll a b o r a t o r y s - 1 0 设计出了一种简单的通道烘缸模型，如图1 1 1 所示。蒸汽通过旋转接头进入烘缸内部，烘缸内部没有虹吸管，但在通道壁面上安装有 夹套。蒸汽在烘缸内不冷凝，而是在蒸汽压的推动下进入烘缸的夹套内，蒸汽在夹套内 通过传热来干燥纸张并冷凝，所以会产生少量的冷凝水在夹套中，形成气液两相流。 通追 爱转接头 冷凝和吹惯蒸汽 陕西科技大学硕士学位论文 图1 - 1 1 多通道烘缸结构示意图 f i 9 1 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fm u r i c h a n n e ld r y e r 另外，美国a r g o n n en a t i o n a ll a b o r a t o r y 对其的多通道烘缸模型也进行了相应的单通 道传热实验，得出通道冷凝的传热系数是普通烘缸的2 7 倍。美国a r g o n n en a t i o n a l l a b o r a t o r y 对其多通道烘缸模型也进行了部分结构的有限元分析，如图1 1 2 所示为特有 的内欠端盖的应力分析，目的也是通过分析研究多通道烘缸的结构可行性。其他关于多 通道烘缸结构分析的未见报道。 图卜1 2 内欠端盖应力分析 f i 9 1 1 2a n a l y s i so f t h e s t r e s sd u et oc o v e r 1 3 2 多通道烘缸国内研究现状 国内目前对多通道烘缸的研究只局限于陕西科技大学董继先等【n 。1 5 】设计的一种圆柱 型夹层多通道烘缸，这种圆柱型夹层多通道烘缸只具有初步的结构设想，对其内部蒸汽 流动的形态及蒸汽在通道内的传热相变机理都没有进行深入的分析和探讨，仍然不能形 成系统的多通道烘缸的设计理论体系，没能涉足多通道烘缸具体结构设计，但是这种初 步的结构设想对下一步的研究工作仍然有很大借鉴作用。 新型多通道烘缸是在回转的烘缸壁内设计了并向排列的多个通道，让热的蒸汽在这 些通道内流过并冷凝放热，这些通道内不仅是具有相变的两相流动且流体与通道一起还 具有回转运动，对于此种问题的管内蒸汽冷凝流动模型和传热模型研究尚不多见，用此 方式来完成纸页的干燥，国内外对其流体运动和传热性能的建模及研究均未见报道。 通过以上的国内外研究现状分析发现，国内外对多通道烘缸的理论及结构分析几乎 是空白。虽然国内外学者也先后提出过一些类似于节能型多通道结构的烘缸，但都没有 对其做一个深入详尽的理论分析及可行研究。在流体流动及传热等基础学科领域国内外 都有很深入的理论，但毕竟新型多通道烘缸是一个现实的综合模型和对象，任何研究的 方法步骤及成果只能对其起到引导和借鉴作用，至今也没有一个专门针对多通道烘缸模 型展开的流体流动和传热基础理论研究。所以具体问题还需具体分析，开展造纸新型多 通道烘缸流体流动及传热模型的建立与分析是非常必要及有意义的，通过分析掌握具有 团 造纸多通道烘缸流体流动与传热特性研究 回转运动的单通道蒸汽冷凝问题的速度场、温度场分布规律，得到出凝结换热系数及纸 页干燥中定量、幅宽、烘缸直径、车速等几个重要参数之间的影响规律；掌握蒸汽压力、 蒸汽流量、转速等对传热及流动的影响：模拟多通道烘缸内部的汽水两相流场，观察气 相的集中区域以及蒸汽堆积现象；研究出口气体的体积分数及总体的换热性能；研究相 变发生的部位及烘缸外壳的温度梯度；解决多通道烘缸中的流体、热传递等科学问题。 并通过机械结构力学分析为新型多通道烘缸的结构优化及纸机供热系统的设计提供必要 的理论依据。 1 3 3 通道内流动与换热研究现状 气液两相流动是气液、气固、液液和液固这四种两相流动中最复杂的流动，因为气 液两相流是一个可变界面及具有可压缩性的问题，气液两相流广泛的存在于工程应用中， 气液两相流动是一个复杂的、随机的现象。在气液两相流动中，流动过程中有很多影响 流动的因素，包括气相或液相折算流速、质量含气率、体积含气率、流体的压力、流量 及温度参数，同时在两相中间有存在不可忽视的相对速度，以及气相或液相在管道内的 体积流速和质量流速。在气液两相流中气泡的分散和聚集会造成气泡的形状与大小产生 随机的变化，所以气液两相流是所有两相流动中较为复杂的流动形态。 在两相流传热研究中，水平通道内蒸汽冷凝换热是气液两相流研究的重点学科之一。 在水平通道内，当气体与低于其露点温度的表面接触时就会发生冷凝，冷凝液膜或者气 膜传热系数的计算主要受重力，剪切力的影响，由此需要研究重力和剪切力之间的关系来 作为研究水平管内凝结换热的依据。目前国内外对水平管内凝结换热理论的研究都只局 限在r 2 2 、r 1 3 4 等制冷剂在空调制冷领域的研究，对于水蒸汽在水平管内凝结换热的研 究则很少又见报道。对于管内蒸汽冷凝的研究内容主要在凝结传热系数、流动形态及压 降情况，不凝气体存在对传热的影响等几个方面，具体内容可见参考文献【1 6 - 3 7 1 等。 1 4 课题的主要研究内容 通过对当前纸机的发展现状分析可知，纸机要向高速化，大型化发展必须改进现有 的纸张干燥技术，现有的纸张干燥技术存在的主要问题是烘缸内冷凝水不能高效的排出。 为此，本文提出了一种新型无虹吸管排烘缸冷凝水的多通道蒸汽烘缸的理论思想。由于 多通道烘缸目前没有完整的设计理论支撑，所以仍处在探索性研究阶段，虽然在美国阿 贡国家实验室有一些探索性的实验，但是其具体的应用仍然处于空白状态。本文试图从 理论上对多通道烘缸内流体流动及干燥机理进行探索，利用数值研究的方法对多通道烘 缸内流体流动与传热特性进行研究。 为此本文的主要研究内容如下： 1 ) 建立多通道烘缸通道内部流体流动的数学模型 对于通道内蒸汽流动满足管内气液两相流的模型。所以按照气液两相流的理论展开 7 陕西科技大学硕士学位论文 研究，建立多通道烘缸通道内流体流动的数学模型。 2 ) 建立多通道烘缸通道内流体传热的数学模型 在多通道烘缸内部流动模型的基础上，针对不同的流动规律数学模型，建立多通道 烘缸内部蒸汽冷凝换热的数学模型，蒸汽冷凝换热的数学模型对于研究多通道烘缸的干 燥机理具有重要意义。 3 ) 利用f l u e n t 模拟多通道烘缸通道内气液两相流流型分布及压降并分析 建立单通道内蒸汽流动的数值模拟模型，通过数值模拟研究多通道烘缸通道内气液 两相流流型，通道内蒸汽流动流型的研究是研究多通道烘缸干燥机理的基础，不同的流 型对应不同的通道内流动阻力、液膜或气膜传热系数。 4 ) 利用f l u e n t 模拟单个通道壁面传热情况并分析结果 建立多通道烘缸单通道内蒸汽通过壁面的传热数值模拟模型，通过模拟并分析得到 单通道内蒸汽冷凝换热的一般规律，从中得到多通道烘缸设计过程中需要注意的事项。 5 ) 通过流体流动与传热数值模拟优化多通道烘缸结构设计 通过上述的数学模拟建立及数值模拟分析，对多通道烘缸的结构设计提出改进性建 议。并优化多通道烘缸的结构设计，为多通道烘缸的结构设计提供理论支撑。 造纸多通道烘缸流体流动与传热特性研究 2 多通道烘缸通道内流体流动特性研究 多通道烘缸做为一种全新理论的烘缸，其内部蒸汽的流动主要发生在烘缸通道内。 蒸汽在通道中流动时，由于对纸张的干燥作用，其内部会发生冷凝相变作用，且随着蒸 汽压力、流量、温度、气液比、通道几何形状等参数的变化，形成许多具有不同相分界 面的流动结构形式，简称流型。造纸机在运行过程中干燥纸张，所以可以将多通道烘缸 的干燥过程理解为由若干通道排列成圆环状绕中心轴运动的模型，这个模型具有规律性。 对于这种模型的研究，我们只取其中的单一通道来研究，其研究结果就可以反映出整个 模型内的蒸汽流动状态。多通道烘缸通道内流动特性，主要指蒸汽在通道内流动过程的 流型的研究。不同的多相流型具有不同的动力学和传热特性，因而流型的研究对多通道 烘缸传热理论的研究具有重要的理论意义。 2 1 通道内气液两相流模型理论解 在水平和倾斜通道中，由于重力的作用， 通道上部，而液相则较多地分布在通道底部， 态分类见表2 1 ，具体流型见图2 1 。 会产生相的不对称性，气相较多地分布在 流型较垂直通道要复杂一些，具体流动形 表2 - 1 流型的分类与描述 t a b 2 - 1c l a s s i f i c a t i o na n dd e s c r i p t i o no ff l o wt y p e 流动形态具体形态描述 。 在通道的每一个横截面上均有气泡，气相以气泡散布在连续的液相内，气 泡状流动 。 泡趋于沿通道顶部流动。这种流型只有在含气率低时出现 。 泡状流动中的小气泡慢慢结合成大气泡，形成栓塞状，分布于连续的液相 塞状流动 内。大气泡也趋于沿通道顶部流动 只有在液体和蒸汽的速度很低时才出现这种流动结构，气液两相的流动是 层状流动 被一层较光滑的分界面隔开的。液相在下部流动，气相在上部流动 。随着蒸汽速度增加，即气相流量较大时，气液分界面由于受到沿流动方向 波状流动 一 一 运动的波浪作用而变得紊乱，在气液分界面上沿流动方向呈现波浪形流动 当蒸汽速度更高时，气液分界面处的波浪被激起，并形成高速沿通道向前 弹状流动 推进的沫状块。与波状流动相比，当波浪增长到与通道顶部表面接触时，将 位于通道上部的气相分割成气弹时，就形成了弹状流动 蒸汽速度再高，就会形成气核和环绕通道周的一层液膜液膜不一定连续地 环状流动 环绕整个通道周围：当然，通道底液膜较厚。气体( 夹带有液雾、液滴) 在 通道中心形成雾状流动气核，液体形成液膜沿通道壁向前流动 9 陕西科技大学硕士学位论文 a 一泡状流动，b 一塞状流动，c ；d 一层状流动，e 一波状流动， 环状流动，g 环雾状流动，h 一雾状流动 图2 1 通道内气液两相流流型示意图 f 塘2 - 1c h a n n e ld i a g r a mo f f l o wp a t t e r n s 2 1 1 通道内气液两相流的基本参数 研究多通道烘缸通道内流动特性，涉及到通道内气液两相流的基本参数，这些主要 参数包括通道流量( 质量流量和体积流量) 、流速( 实际流速和折算流速) 、含气及含液 率、滑差和滑动比，流动密度和真实密度等，具体见表2 2 所示。 表2 - 2 通道内气液两相流基本参数 t a b 2 2c h a n n e lb a s i cp a r a m e t e r so f g a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o w 名称表达式意义 质量流量( k g s )g = g g + 吼 单位时间内流过通道截面的流体质量 体积流量( m 3 s ) q = q + q l 单位时间内流过通道截面的流体体积 气相 = 譬 实际速度 指单位相面积所通过的该相容积流量 ( m s ) 圪= 鲁 液相 折算速度 气相 = 鲁 假定通道全被一相占据时的流动速度， ( m s ) 比= 鲁 通常计算中都以折算流速来表观气液两 液相 相的速度 含气率 质量 舻g g g = 吨g 十g 万 单位时间内流过通道截面的混合物总质 量g ( 总体积q ) 中气相质量所占的份额 1 0 造纸多通道烘缸流体流动与传热特性研究 体积 = 鲁= 彘 质量 1 一x = g 工i g = 丽v l 含液率 单位时间内流过通道截面混合物总质量 体积 母告= 盘 g ( 总体积q ) 中液相质量所占的份额 真实含气率 口：生 气相面积与通道总面积之比 彳 真实含液率 h l = 液相面积与通道总面积之比 滑差a v = = 圪一圪气液两相实际速度之差 滑动比 s = - - 圪圪 气相实际速度与液相实际速度之比 流动密度 ：吼+ g g 单位时间内流过通道截面的混合物质量 q 与体积之比 真实密度 p = 风如笔等以心 在流道上取微段，微段内两相流体的质 量与容积之比 与x 问的关系 2 盘= 孟，告 口与的关系 口2 线j 差老2 + 若夕扮 2 1 2 气液两相流流型图 流型图是指在两相流条件下，反映流型发生区域的图。为了更直观地反映两相流的 流型变化情况，最早的流型图的概念由k o s t e r i n ( 1 9 4 9 ) 提出，随后b a k e r ( 1 9 5 4 ) 建立了第 一张实用流型图，并在石油工业和冷凝工程设计中得到了广泛应用。流型图是建立在实 验研究的基础上的，因此其应用也受到实验数据源的限制。随着气液两相流研究的不断 深入，流型图也在不断完善，各文献定义了多种多样的流型，这一方面是由于流型变化 的复杂性；另一方面是由于不同作者对同一流型的命名不同。为了在流型图上纳入更多、 更全面的流型影响因素，许多研究者相继建立了不同坐标系的流型图，但目前被最广泛 陕西科技大学硕士学位论文 采用的还是以两相折算流速为坐标的m