（机械设计及理论专业论文）纸机新型多通道烘缸的研究与设计.pdf

法压料 技大学 论文题目 纸机新型多通道烘缸的研究与设计 申请学位学科 工学 所学学科专业 机械设计及理论 培养单位 机电工程学院 硕士生 鲁剑啸 导师 董继先 2 0 10 年5 月 l r e s e a r c ha n dd e s i g no nt h en e w t y p eo fm u l t i p o r td r y era b o u t p a p e rm a k i n g a t h e s i s o rd i s s e r t a t i o n s u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y 坠望 i 垒望 兰i 塑q t h e s i s o rd i s s e r t a t i o n s u p e r v i s o r p r o f e s s o r d o n gj i x i a n m a y 2 0 1 0 节省能源都有着极为重要的意义 传热系数是传热过程中衡量干燥效率的一个重要参数 尤其在高速纸机 下 蒸汽在纸页干燥过程中冷凝形成水环 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 程度上降低了传热系数 烘缸在高速旋转时 常用的烘缸冷凝水排除装置不 能有效的排除冷凝水 基于此 本文设计一种新型多通道烘缸结构 新型多通道烘缸结构的设计理念是 在烘缸内体上开有通道 通入烘缸 内的蒸汽被限制在小通道中流过 冷凝水在高压蒸汽的推动下从通道流出 本研究的主要成果及主要贡献表现在如下几个方面 1 基于f l u e n t 软件 采用v o f 法对传统烘缸筒体内液体运动进行 建模以及数值模拟 分析得出结论 重力与离心力是驱动液体运动的主要作 用力 两种力的相对比值是影响液体运动状态及其分布特征的重要参数 2 设计新型多通道烘缸结构 对小通道形成的方案进行比较选型 最 后选择在通道内开小通道的方式 基于有限元分析软件a n s y s 对设计的新 型多通道烘缸进行受力分析 分析后得出烘缸整体可以满足强度要求 3 对新型多通道烘缸传热过程进行分析 认为多通道烘缸的传热方式 为通道内强制对流传热和缸壁热传导两种类型 分析通道内强制对流传热 提出新型多通道烘缸传热系数公式并且以多通道烘缸中的一个小通道为例 进行传热系数的计算 4 应用f l u e n t 软件对多通道烘缸传热进行模拟分析 得出小通道传 热会出现温度分布不均现象 多通道烘缸采用叉流传热方式可以避免温度分 布不均现象 关键词 造纸机 干燥部 新型多通道烘缸 c f d 数值模拟 h r e s e a r c ha n dd e s i g no nt h en e w t y p eo fm u l 月i p o r td r y e ra b o u t p a p e rm a k 矾g a b s t r a c t a st ot h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni na l lc o n c r e t ep a p e r m a k i n gs e c t i o n d r y e r s e c t i o ni st h eo n ew h i c hc o n s u m e dm o s te n e r g y b e i n ga st h ei m p o r t a n td r y i n g e q u i p m e n ti nd r y i n gs e c t i o n t h ee f f i c i e n c yo ft h ed r y e rp l a y sd e c i s i v er o l et o d r y i n ge f f i c i e n c y t h e r e f o r e i m p r o v i n gt h ed r y i n ge f f i c i e n c y b e c o m e sv e r y i m p o r t a n tf o ri m p r o v i n gp r o d u c t i v i t y s a v i n ge n e r g y h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ri nh e a tt r a n s f e rp r o c e s s e s p e c i a l l yt ot h eh i g h s p e e dp a p e rm a c h i n e s t e a mf o r m e dc o n d e n s a t el a y e r b e c a u s ec o n d u c t i v i t yc o e f f i c i e n to ft h ec o n d e n s a t ei so n l y1 8 7o ft h e r m a l c o n d u c t i v i t yo fd r y e rw a l l t h e r m a lr e s i s t a n c eo fc o n d e n s a t el a y e ri nt h et o t a l t h e r m a lr e s i s t a n c eh a sac o n s i d e r a b l ep r o p o r t i o n t oal a r g ee x t e n t i tr e d u c e st h e h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t c u r r e n t l y i ti sd i f f i c u l tt od r a i nc o n d e n s a t ef l u e n t l yf o r d r y e rd r a i n a g ed e v i c e t h e r e f o r e w ed e s i g nan e w s t r u c t u r eo fm u l t i p o r td r y e rt o c h a n g et h i ss h o r t a g e t h ei d e ao fd e s i g n i n gn e wm u l t i p o r td r y e ri st of o r ms m a l lp o r ti nd r y e r w a l l s t e a mp a s s e dt oc y l i n d e rw a sl i m i t e dt of l o wi ns m a l lp o r t a tt h em e a n t i m e c o n d e n s a t ef o w e do u ta tt h ei m p e t u so fh i g hp r e s s u r es t e a m t h em a i nr e s u l t so ft h i sr e s e a r c hp r e s e n t e di nf o l l o w i n gs e c t i o n s f i r s t l y w es i m u l a t e dt h em o t i o no f c o n d e n s a t ew i t hv o f m e t h o d w h i c hw a s b a s e do nf l u e n ts o f t w a r e t h e n i tw a sc o n c l u d e dt h a tg r a v i t ya n dc e n t r i f u g a l f o r c ew e r em a i nd r i v i n gf o r c et oa f f e c tf l o wo ff l u i d t h er a t i oo ft w of o r c e si s i m p o r t a n tp a r a m e t ew h i c hi n f l u n c et h el i q u i ds t a t eo f m o t i o n s e c o n d l y d i f f e r e n tp l a ni nh o w t of o r ms m a l lp o r to fm u l t i p o r td r y e rw a s c o m p a r e d t h r o u g h d e t a i l e d c o m p a r i o n c h i s i n g s m a l lp o r ti nd y e rw a l lw a s c h o s e a f e rd i s i g n e de a c hs t r u c t u r eo ft h em u l t i p o r td r y e r c o m p l e t ef o r c e i i i a n a l y s i so fn e wm u l t i p o r td r y e rw i t hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s w a sf i n i s h e d t h ef i a n la n a l y s i sd e c l a r e dt h a td e s i g n e dm u l t i p o r td r y e rc o u l d s a t i s f yt h es t r e n g t hr e q u i r e m e n to f i r o n t h i r d l y h e a tt r a n s f e rp r o c e s so fm u l t i p o r td r y e rw a sa n a l y s e d t h eh e a t t r a n s f e ro f m u l t i p o r td r y e r i n c l u d e df o r c e dc o n v e c t i o ni n p o r ta n dh e a t c o n d u c t i o ni nd r y e rw a l l n e x t h e a tt r a n s f e rc o e 衔c i e n tf o r m u l aw a s p r o p o s e d f i n a l l y as m a l lc h a n n e lo fm u l t i p o r td r y e rw a st o o ka sa ne x a m p l et oc a l c u l a t e h e a tt r a n s f e rc o e 衔c i e n t f o u r t h l y f l u e n ts o f t w a r ew a su s e dt os i m u l a t eh e a tt r a n s f e rp r o c e s so f m u l t i p o r td r y e r a tl a s t i tw a sc o n c l u d e dt h a th e a tt r a n s f e ri ns m a l lp o r tw o u l d a p p e a ru n e v e nt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nc o n d i t i o n i no r d e rt oa v o i db e c o m i n g u n e v e nt e m p e r a t ed i s t r i b u t i o n o n ew a ys t e a mi n p u tw a sc h a n g e dt oc r o s sf l o w h e a tt r a n s f e rm e t h o d k e yw o r d s m a c h i n ep a p e r d r y e rs e c t i o n n e wm u l t i p o r td r y e r f l u e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v i i i 1 1 1 3 6 6 7 1 2 3 烘缸的结构与发展状况 8 1 2 4 烘缸的选材 10 1 2 5 烘缸面积的计算 1 2 1 3 论文的选题意义和主要研究内容 1 3 1 3 1 论文选题的意义 1 3 1 3 2 论文的主要研究内容 1 3 2 传统虹吸管烘缸及烘缸内热流模拟 15 2 1 虹吸管烘缸的研究 1 5 2 1 1 冷凝水对干燥的影响 1 5 2 1 2 冷凝水排出装置 1 6 2 2 烘缸内冷凝水对热流传热的影响 1 6 2 3f l u e n t 软件热流传热数值模拟 1 7 2 3 1f l u e n t 6 3 软件介绍 17 2 3 2 传统虹吸管烘缸内热流数值模拟 18 3 多通道烘缸结构设计 2 3 3 1 多通道烘缸方案的分析和确定 2 3 3 1 1 多通道烘缸供热系统的方案比较 2 3 3 1 2 多通道烘缸排水系统的方案选择 2 4 3 1 3 多通道烘缸通道设计方案选择 2 5 3 2 多通道烘缸的结构设计 2 6 3 2 1 设计与结构参数 2 6 3 2 2 理论估算与校核 2 6 3 2 3 烘缸加工要求 3 5 3 2 4 烘缸安装使用与维护 3 5 3 3 本章小结 3 6 4 多通道烘缸受力分析 3 7 4 1 烘缸受载分析 3 7 4 2 有限元分析软件a n s y s 一3 8 4 3 基于a n s y s 的多通道烘缸受力分析 3 9 4 3 1 有限元模型建立 3 9 4 3 2 有限元受力分析 3 9 4 3 3 结果分析及改进方法 4 2 4 4 本章小结 一4 2 5 多通道烘缸传热模型分析 4 3 5 1 多通道烘缸传热的理论分析 4 3 5 1 1 多通道烘缸平均凝结换热系数的理论分析 4 4 5 1 2 通道内平均凝结换热系数的试验测试 4 6 5 1 3 多通道烘缸平均凝结换热系数计算实例 4 8 5 2 多通道烘缸传热数值模拟 一4 8 5 2 1 多通道烘缸模型的建立 4 9 5 2 2 软件模拟结果分析 5 1 5 2 3 改进建议 5 3 5 3 本章小结 5 4 6 双向迸气多通道烘缸 5 5 6 1 双向进气多通道烘缸结构设计 5 5 6 2 双向进气多通道烘缸传热数值模拟 5 7 6 2 1 双向进气多通道烘缸模型的建立 5 7 6 2 2 软件模拟结果分析 5 8 6 3 本章小结 5 9 7 总结与展望 6 l 7 1 全文总结 6 l 7 2 工作展望 6 l 致谢 6 3 参考文献 6 5 攻读学位期间发表的学位论文目录 6 9 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 7 1 i i 纸机新型多通道烘缸的研究与设计 1 绪论 1 1 纸机干燥部概述 从压榨部最后一道压榨出来的湿纸 一般干度只有3 0 5 4 5 而成纸的干度为 9 3 9 5 纸内残留的水分很难再用机械方法除去 干燥部的主要任务是用加热的办法使 水分汽化来除去湿纸压榨后剩余的水分 干燥过程还能使纸页得到一定收缩 使纤维结 合更加紧密 增加纸和纸板的强度 并具有一定的平滑度和施胶度 1 1 1 干燥部的主要装置 a 烘缸 常用烘缸是用h t 2 0 4 0 型号铸铁浇铸制成 烘缸的端盖是连同空心的轴头一起浇铸 的 烘缸筒体和缸盖用螺栓紧固 筒体内外都要经过加工 使缸壁厚度一致 传热均匀 常用烘缸的直径为1 2 5 0 咖和1 5 0 0 衄 而单缸造纸机的烘缸直径为2 5 0 0 6 0 0 0 咖 烘缸 内被蒸汽加热的面宽应不小于进入烘缸的纸幅宽度 烘缸的总面宽应较纸幅净宽多出 1 0 q 0 如图l l 所示 烘缸工作侧的缸盖轴头封闭 盖上装有人孔 传动侧缸盖轴 头中空 供通入蒸气和排除冷凝水之用 l 一缸体2 工作缸盖3 传动侧缸盖4 虹吸管5 一进汽头6 齿轮7 一轴承8 一人口盖9 罩板 图1 1 烘缸及其附件 f i g l 1d r y e ra n dh a r d w a r e b 干网 干网用塑料单丝或复似织成 由于干网透气度高 可提高干燥效率 现已普遍使用 塑料干网代替干毯 干网包绕烘缸运转 起如下作用 一是改进纸页与烘缸的接触 提 高传热速度 提高纸页的平滑度 防止纸页的变形及起皱 二是吸收纸页蒸发出来的蒸 汽及液态水分 三是传递纸页通过干燥部 并带动有关的辊子运动 c 虹吸管 虹吸管作为烘缸内冷凝水排出装置 一般有固定式和旋转式两种 悬臂固定式虹吸 管可不受烘缸旋转时缸内冷凝水离心力的影响 尤其是在高车速下应用时 见图1 2 所 录2 l 陕西科技大学硕士学位论文 图1 2 悬臂固定式虹吸管 f i g l 一2c a n t i l e v e rs i p h o n d 扰流棒 扰流棒 3 l 使用不锈钢制成的 安装在烘缸内壁上 沿烘缸轴向布置的筋条 用来促 使烘缸内对冷凝水环的扰动 造成湍流的条件 以增加烘缸的热传递效率 如图1 3 所 示 1 水坝棒2 固定环箍3 弹簧 图1 3 扰流棒 f i g l 一3t a b u l a t o r e 热泵 蒸汽喷射式热泵按调节控制方式分为质量调节和流量调节两种类型 蒸汽喷射式热 泵利用热电站或锅炉供给蒸汽压力和烘缸用气压力差的能量转换为热泵的动力 蒸汽质量调节热泵f 4 也称不可调热泵 的工作蒸汽干管上设置了调节阀 热泵本 身不配有调节装置 见图1 4 所示 当纸机供汽压力和流量发生变化时 需调节工作蒸 汽干管上的调节阀 蒸汽调节阀开度的变化影响进入热泵的工作蒸汽压力 从而改变热 泵进入口新蒸汽做功能力 扩散室 f 图l 4 不可调式热泵 f i g l 4t h en o n a d j u s t a b l es t e a me j e c t o r 蒸汽流量调节热泵 也称可调热泵 进dt 作蒸汽干管上无需设置调节阀 热泵 2 纸机新型多通道烘缸的研究与设计 本身设置执行机构 阀门定位器等 如图1 5 所示 在纸机运行工况调节过程中 只需 调节喷嘴断面积 图l 5 可调式热泵 f i g l 一5t h ea d j u s t a b l es t e a me j e c t o r f 闪蒸罐 闪蒸罐是对蒸汽冷凝水进行降压闪蒸 使其再次气化并汽水分离的装置 在闪蒸罐 内布有盘状和环状的跌落式塔板 进行交错排列 是蒸汽冷凝水在跌落过程中形成细小 的液滴 使其具有较大的传热 传质面积和形成较长的流动路线及汽化时间 使产生的 二次蒸发汽和在跌落过程中的液滴各自通过相互干扰较小的通道i s l g 疏水阀及孔板疏水器 在冷凝水排出官道上 安装疏水器可以防止未冷凝的蒸汽跑出 从而减少蒸汽消耗 目前烘缸常用疏水器是一种种小型孔板疏水器 具有结构简单 体积小造价低的优点 孔板式疏水器需要根据具体工况设计合理的孔径大d t j 干燥部除以上所叙述的装置之外 还有真空系统 热风系统 控制系统等 干燥部 在各系统的优良工作状况下 可提高干燥效率 1 1 2 纸机干燥部技术发展 目前现有的纸机设备中 绝大多数使用烘缸进行纸页的干燥 自从1 0 0 多年前 多 缸干燥技术发明以来 它一直是纸机干燥的主要方式 目前多缸干燥占造纸工业的 8 5 9 0 造纸工业发达国家的多缸纸机是往大型化 高速化方向发展 为了得到较 高的干燥技术 国内外研制了许多干燥技术 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 ab o o s t d r y e r 干燥技术川 b o o s t d r y e r 是福伊特造纸公司新开发的一种新型纸张干燥技术 见下图1 6 所示 它 的干燥原理是 用特殊设计的带压力罩的烘缸 来增加烘缸表面传热温差 纸张脱水利 用了热管 8 l 原理 同时压力罩对烘缸表面纸幅的挤压作用 可增加纸张的强度及表面平 滑度等纸张性能 陕西科技大学硕士学位论文 图1 6b o o s t d r y e r 结构 f i g l 6b o o s t d r y e rs t r u c t u r e 1 冷凝水2 钢带3 粗目干网4 一细目干网5 纸张6 烘缸 图1 7b o o s t d r y e r 局部放大 f i g l 7l o c a le n l a r g e m e n t o fb o o s t e rs t r u c t u r e bc o n d e b e l t 干燥技术1 9 1 c o n d e b e l t 是美卓公司开发的一种专门针对纸板开发的干燥技术 c o n d e b e l t 干燥过 网 钢带 l 2 3 4 5 6 纸机新型多通道烘缸的研究与设计 过热蒸汽冲击干燥是指用过热蒸汽代替热风对纸张进行的冲击干燥 过热蒸汽利用 不饱和性吸收水分而达到干燥的目的 过热蒸汽冲击干燥对纸张的干燥过程分为3 个阶段 第1 阶段为升速干燥阶段 在 干燥速度迅速上升的同时 纸张温度也快速上升到1 0 0 第2 阶段为恒速干燥阶段 纸张的温度维持在1 0 0 第3 阶段为降速阶段 当纸张中的游离水分下降时 纸张温 度开始上升 干燥速度快速下降 过热蒸汽冲击干燥用于纸张干燥具有干燥效率高 热能消耗低的特点 要充分发挥 过热蒸汽冲击干燥的节能优势 必须研究完整的蒸汽热能平衡方案 尾汽的液量等于进 入干燥部的过热蒸汽液量加上湿纸张蒸发的蒸汽液量 尾汽回用程度决定着节能的潜力 对尾汽净化后 优先将低压尾汽用于蒸汽箱 吹风箱 加热白水 漂白工段 厂房采暖 等 对尾汽经过热泵或蒸汽压缩机增压后可用于烘缸 图1 9 过热蒸汽干燥 f i g l 9s u p e r h e a t e ds t e a md r y i n g d 脉冲干燥技术 脉冲干燥的原理是 加热压榨的上压辊到1 5 0 4 8 0 保持内压2 7 5 6 9 0 k p a 停 留时间1 0 0 1 5 0 m s 使压区内产生蒸汽 逐出纸页水分 脉冲干燥在纸页的压缩过程中 纸页与加热辊接触的一面被加热 热的传递导致被加热的一层产生蒸汽 水蒸气的形成 产生了额外的压力 在纸的干度更高一些的时候 仍然可以脱水 图1 1 0 脉冲干燥原理图 f i g l l0d i a g r a mo fi m p u l s e dd r y i n g 5 陕西科技大学硕士学位论文 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 据试验数据表明 脉冲干燥脱水率高 能量消耗低 是一种很有前景的压榨脱水方 法 但因为存在脱层 粘辊等问题 尚未能实现工业化大生产 e 其他干燥技术展望 除以上介绍的干燥技术外 还有c o m b i d u o r u n 和t o p d u o r u n 干燥 红外干燥 微 波干燥等干燥技术 这些技术都有一定的应用及优点 但由于目前的原理与技术仍不够 成熟 在工业中的使用比率不高 1 2 烘缸概述 1 2 1 烘缸的作用 纸在烘缸上干燥时由于纸与烘缸表面接触 使纸受到加热 提高纸内水分子的动能 温度 以破坏水与纸的结合力 克服纸内水分及蒸汽流动的摩擦阻力 使水分汽化为 蒸汽进入到周围的大气中 再利用自然通风或必要的机械通风将湿空气带走 纸即达到 了干燥的目的 在干燥过程中水分的移动和汽化需要热量 生成的蒸汽需要用空气带走 因此 要使干燥得以连续进行 烘缸必须保证不断地供给热量 烘缸周围必须不断进行 通风换气 烘缸的供热问题与传热有关 蒸汽进入周围的空气中属于蒸汽扩散的传质过 程 因此 纸的干燥是一项相当复杂的传热和传质过程 烘缸的传动组是以二个干毯组 上下烘缸 结合成一个传动组 烘缸的传动方式有 单缸传动和分组传动两种类型 单缸传动是在每个烘缸的传动侧装一台电机 通过固定在烘缸轴颈上的减速器来驱 动烘缸 单缸传动内根据生产的要求独立地调节各个烘缸的速度 但由于传动点过多 构造复杂 造价昂贵 所以这种传动方式目前仅限于生产电容器纸和某些用粘状纸料超 薄机的纸机 分组传动为普遍采用的一种传动方式 常用的分组传动有棋盘式和椭轮式两种 棋 盘式传动中传动系统齿轮直径太大 是断纸时记载烘缸刮刀上的损纸清除不便 同时齿 轮又是敞开式的 润滑不便且易磨损 椭轮式传动在现代造纸机上应用较多 在烘缸传 动侧的轴颈上 装置一个比烘缸直径较小的齿轮 下排各个烘缸的齿轮利用椭轮彼此啮 合着 上排烘缸的齿轮则由下排椭轮齿轮和一个中间齿轮啮合传动 造纸机的干燥部是由一系列内通蒸汽加热的烘缸组成 一般都采用双列的烘缸排列 形式 典型的干燥部装置如图1 1 1 所示 6 纸机新型多通道烘缸的研究与设计 压榨 图1 1 1 典型烘缸排列形式 f i g1 1 1r e p r e s e n t a t i v ed r y i n ge q u i p m e n t s 1 2 2 烘缸的干燥过程 在普通圆网造纸机上 由于湿纸幅被托辊压贴在高温的烘缸表面进行干燥 故其干 燥过程可视为单纯的接触干燥 在多缸干燥中 纸页连续地通过每一个烘缸 纸的两面在上下排烘缸之间交替地与 加热表面接触 形成了一系列的循环周期 在每一个周期里都发生有短暂的升温和蒸发 的过程 其时间只有十分之几到百分之几秒 如下图1 1 2 所示 每一个干燥周期过程内 可划分为四个阶段 在a b 段和c d 段上 湿纸幅与烘缸表面接触但不被干毯包覆 b c 区 段是主要的干燥区域 湿纸幅被干毯紧压在高温和光滑的烘缸面上 迅速加热和蒸发 d e 区段是纸幅自由行走阶段 a b 段 纸页刚与烘缸接触 未被于毯包覆 由于纸层和烘缸之间有空气带入 在接 触层有气膜存在 故传热不良 温度上升慢 蒸发速率低 但因纸页与先前的烘缸接触 在纸页暴露的一面仍有水分蒸发 b c 段 干毯包覆烘缸 由于干毯的压力 空气膜被挤出来 改善了之和烘缸的接触 传热速度很高 水分从纸页与烘缸的接触侧蒸发出来 蒸汽进入干毯内 如果干毯的温 度较低 蒸汽会在毯内冷凝 提高干毯的温度可使部分水从干毯暴露的表面蒸发 另一 部分通过干毯缸时被蒸发出去 如果干毯的温度够高 水汽不被冷凝 可直接穿过干毯 进入周围的空气内 c d 段 干毯离开烘缸 降低了蒸汽流动的阻力 水分的蒸发速率有突然升高的现象 但由于干毯松开 传热速率有些降低 汽化所需的热量与烘缸供给的热量出现不平衡 d e 段 这一段称之为纸页的自由段 纸页完全离开烘缸 纸面两侧依靠本身原有的 热量继续蒸发 同时加上纸在空气中的散热损失 纸的温度降低 蒸发速度也迅速下降 当自由段终止后 其干燥过程在上烘缸重复出现 但纸页与烘缸的接触面发生交替 纸 页在从上烘缸出来的时候 便完成了一个干燥周期 1 l 7 陕西科技大学硕士学位论文 图l 1 2 烘缸干燥区 f i g l 一1 2d r y i n gz o n eo f d r y e r 1 2 3 烘缸的结构与发展状况 a 普通型烘缸 普通型烘缸用h t 2 0 0 4 0 0 型号铸铁浇铸制成 其主要结构包括缸体 操作侧缸盖 传动侧缸盖 人孔装置 保温装置等 见下图l 1 3 所示 烘缸筒体和缸盖用螺栓紧固 简体内外都要经过加工 使缸壁厚度一致 传热均匀 保温装置将保温板固定于缸盖法 兰和轴头上 阻止缸盖外侧空气流动 可有效防止缸体内的热量散失 大大降低缸盖的 内外壁温差l l o l 常用烘缸的直径为1 2 5 0m m 和1 5 0 0m i l l 而单缸造纸机的烘缸直径为 2 5 0 0 6 0 0 0 聊 烘缸内被蒸汽加热的面宽应不小于进入烘缸的纸幅宽度 烘缸的总面宽 应较纸幅净宽多出1 0 0 o 4 0 1 传动侧缸盖2 缸体3 操作侧缸盖4 平衡块5 人孔装置6 保温装置 图l 1 3 普通型烘缸结构示意图 f i g l 一1 3s t r u c t u r es h e m eo f c o m m o nd r y e r 8 纸机新型多通道烘缸的研究与设计 b 杨克烘缸 杨克烘缸结构如下图1 一1 4 所示 其结构特征主要是带有中 t l 拉筒 由于杨克烘缸的 直径较大 中心拉筒可增强缸盖的强度 并降低缸体轴向力 杨克烘缸的车速和蒸汽压 力一般均高于普通烘缸 杨克烘缸的接触干燥速度很高 约为4 9 5 9 k g m h 而传统的 带干毯烘缸为1 0 1 5 k g m 2h 1 杨克烘缸一般用于高速纸机 由于纸机车速较高 缸体内的冷凝水会形成一层水坏 1 2 1 阻碍热传导 所以 杨克烘缸内壁开有许多周向沟槽 1 3 1 以此破坏水环的形成 改 善传热效率 3 l 传动侧轴头2 传动侧缸盖3 缸体4 谦作侧缸盖5 操作侧轴头6 人孔装置7 排水装置 图1 1 4 杨克烘缸结构 f i g l 一1 4s t r u c t u r eo f y a n k e ec y l i n d e r c 钢制烘缸n 帕 钢制烘缸由缸体 缸盖 较多为无折边球形封头 轴头 人孔等部件组成 见下图 1 一l5 示 缸体和缸盖材料一般选用q 2 3 5 b 16 m n r 2 0 r 钢制烘缸采用碳素结构钢强 度高 塑性好 易于焊接 且缸体与缸盖壁厚小 整体重量小 减轻了了支撑负荷和传 动负荷 降低了能耗 但是低碳钢硬度低 耐磨性差 加工表面遇水也易生锈 缸体表 面需要镀铬或镍磷合金 此外钢制烘缸缸体经钢板卷制 焊接而成 钢板的卷制会有较 大的椭圆度 在内压作用下 造成变形不均 从而影响纸幅质量 此外 钢制烘缸缸体 表面晶粒致密 纸幅不易剥离 其加工性也差 故而 钢制烘缸仅局限使用于纸质要求 较低的部分纸板机上 9 陕西科技大学硕士学位论文 1 缸体2 端盖3 功f 气管4 人孔 图1 1 5 钢制烘缸结榭 f i g l 1 5s t r u c t u r eo f s t e e lc y l i n d e r 1 2 4 烘缸的选材 由于纸幅在干燥过程中持续地与烘缸缸体摩擦 这就要求烘缸钢材具有良好的耐磨 性 此外 烘缸在干燥过程中 基本上一直与湿纸幅接触 湿纸幅一般都含有碱性化合 物 这就要求烘缸材料具有一定的耐腐蚀性 此外 烘缸还承受这内压 内外壁温差等 载荷的作用 这要求烘缸材料具有一定的强度 灰口铸铁较粗大的晶粒和石墨空隙使得 纸幅易于从缸体上剥离 确保了纸幅均匀性 同时 灰口铸铁还具有好的铸造性能及抗 震性 因而一直都是烘缸的首选材料 国内制造烘缸的一般都选用h t 2 0 0 h t 2 5 0 h t 3 0 0 一些大型烘缸的轴头和中心 拉筒也有采用球磨铸铁和铸钢的 1 5 l a 灰口铸铁的材料性能 灰口铸铁是第一阶段石墨化过程充分进行而得到的铸铁 其中碳主要一石墨形式存 在 端口呈灰暗色 因此得名 简称灰口铁 也叫做普通铸铁 灰口铸铁的组织特点是具有片状石墨 其基体分为三种 铁素体 珠光体 铁素体 一珠光体 灰口铸铁中的碳 硅 锰 硫 磷五大元素的成分对其组织有十分重大的影 响 1 6 l 影响获得不同种类灰铸铁的主要因素是 铸铁和化学成分和铸铁的冷却速度 碳和硅是有效地促进石墨化的元素 为了是铸铁在浇筑后能获得灰铸铁 而同时又 不希望含有过多和粗大的片状石墨 通常把成分控制在含2 5 4 0 c 及1 0 2 0 s i 除了c 和s i 以外 a 1 c u n i 等元素也会促进石墨化 在我国国家标准g b 9 4 3 9 8 8 灰铸铁件i t r l 中 对灰口铸铁相应牌号应达到的机械性 能指标作了规定 其中文献i i 1 给出了各牌号灰口铸铁的主要化学成分 见表2 一l 示 纸机新型多通道烘缸的研究与设计 表1 1h t 2 0 0 h t 2 5 0 h t 3 0 0 主要化学成分 t a bl 1m a i nc h e m i c a le o m p o n t so fc a s ti r o n2 0 0 2 5 0 3 0 0 灰铸铁的组织可看作是钢的基体加片状石墨 因石墨的强度很低 故可把石墨片看 作是一些微裂纹 把灰铸铁看做是含有许多微裂纹的钢 裂纹不仅分割了基体 而且在 尖端处还会产生应力集中 所以灰铸铁的抗拉强度 塑性和韧性不如钢 石墨片的含量 愈多 尺寸愈大 其影响也愈大 但石墨片的存在 对灰铸铁的抗压强度影响不大 1 9 l 由于灰铸铁在凝固冷却过程中析出比较大的石墨 从而使灰铸铁的收缩率减小 由 于石墨片分割了基体 从而使灰铸铁的铁屑容易脆断 使灰铸铁的切削加工性良好 由 于石墨本身的润滑作用 以及当他从基体组织中掉落后所遗留下的孔洞具有存油的作用 致使灰铸铁本身有优良的减摩擦性 由于石墨组织松软 能吸收振动 使灰铸铁具有良 好的消振性 2 0 j 灰口铸铁h t 2 0 0 h t 2 5 0 h t 3 0 0 的物理性能见表1 2 所示 表1 2h t 2 0 0 h t 2 5 0 h t 3 0 0 灰口铸铁的物理性能 t a b l 2p h y s i c a lp r o p e r t i e so f c a s ti r o n2 0 0 3 0 0 4 0 0 牌号 抗拉强度抗压强度 交变弯曲疲劳 硬度 拉伸模量 m p nm p n强霞m p nh b 1 0 3 m p a 灰口铸铁在温度低于4 0 0 c 时 其强度基本不变 由于烘缸的工作温度一般不会高 于2 0 0 c 故常取常温时灰1 2 1 铸铁的强度指标进行强度设计 美国a s t m 详细的标准灰 陕西科技大学硕士学位论文 口铸铁试棒铸态下的机械性能见表1 3 1 2 5 烘缸面积的计算 干燥纸需要的烘缸干燥面积 一般是按单位出力法计算 所谓单位出力法是指每平 方米有效烘缸面积每小时能够蒸发的水的千克数 干燥部需要的烘缸干燥有效面积为 f 堕 1 1 丁 形 c 2 c i 7 1 2 c l g o 0 6 b v q 1 3 式中 卜干燥部烘缸有效干燥面积 m e 职一每生产1 蚝纸所蒸发的水量 堙水 姆纸 g 一纸机每小时的生产能力 蛔纸 h 卜烘缸单位出力 即烘干部单位有效干燥面积与小时的平均蒸发水量 k g 水 h m 2 有效面积 c r 纸页离开干燥部的干度 c l 纸页进入干燥部的干度 卜卷纸机上的毛纸宽度 m 1 一纸机车速 m r a i n r 纸的定量 g m 2 表1 4 几种典型纸张单位面积蒸发水量 tab1 4p e ru n i ta r ew a t e re v a p o r a t i o no f t y p i c a lp a p e r 电容器纸 2 5 8 防油纸 印刷纸和n o 1 书写纸 印刷纸和n o 2n o 3 书写纸 新闻纸 水泥袋纸 9 1 0 1 3 1 4 1 5 1 8 2 0 2 4 1 6 1 9 单位 k g 水 h m 2 有效面积 每一个烘缸的有效干燥面积计算 即 f n 加6 蠡 1 4 式中 r 每一个烘缸的有效干燥面积 m 2 1 2 纸机新型多通道烘缸的研究与设计 d 烘缸直径 肌 a 烘缸被纸包住的角度 通常a 2 2 5 2 3 5 若烘缸直径为1 5 0 0 衄 则平均a 2 2 5 2 3 5 也即烘缸有效面积 烘缸全部侧表面 o 6 4 0 6 7 已知要求的有效干燥面积后 就可以估算烘干部烘缸的个数 即 fw g矽 0 0 6 v g 3 6 0 2 1 6 v q w 玎 一 一 一 一 c 碱t z d a t r c d a 表1 5 几种典型纸张烘缸单位面积蒸发水量经验计算式 t a b l 5e m p i r i c a lf o r m u l ao f p e ru n i ta r e aw a t e re v a p o r a t i o n 1 5 注 m i 烘缸单位面积单位时i 司蒸发水量 t 蒸汽温度 o f 1 3 论文的选题意义和主要研究内容 1 3 1 论文选题的意义 干燥部是纸机的主要耗能耗水部分 烘缸是纸机干燥部的主要部分 其干燥效率的 高低直接影响着纸机的干燥效率 烘缸在烘干纸页过程中 普遍存在排水不良问题 若 烘缸内冷凝水排除不良则在烘缸内聚积 当车速较高冷凝水积聚较多时形成冷凝水环 由于冷凝水环导热系数低 将大大增加烘缸的热阻 造成烘缸的干燥效率下降 当烘缸 内积水时 还会大大增加传动所消耗的功率 当冷凝水排出不畅时断时续时 会造成干 燥部电力负荷剧烈波动 纸页的干度不稳定 影响纸机的正常运行 烘缸积水严重时还 会使烘缸的传动平衡遭到破坏 从而造成纸机运转中机架产生振动 目前虹吸管主要用 来排除烘缸冷凝水 但在转速要求高时 烘缸冷凝水排除还是不理想 因此 在已有的理论基础下 改进传统虹吸管烘缸 设计出一种新的烘缸结构来提 高纸张干燥能力 1 3 2 论文的主要研究内容 本论文的主要内容包括以下几个方面 1 简明造纸干燥部的工作原理 过程 并简单介绍了造纸干燥部的发展概述 陕西科技大学硕士学位论文 2 分析传统虹吸管烘缸干燥机理及影响干燥的因素 基于f l u e n t 软件 采用 v o f 法对传统烘缸筒体内冷凝水运动进行模拟 3 从理论上对多通道烘缸进行研究 研究多通道烘缸中传热特性和流体的流动特 性 为设计提供一定的理论依据 设计出新型多通道烘缸 并对烘缸所受力进行分析校 核 4 对多通道烘缸传热过程进行理论分析 基于c f d f l u e n t 等 计算液体动力学软 件平台 对多通道烘缸流体分析进行模拟 1 4 纸机新型多通道烘缸的研究与设计 2 传统虹吸管烘缸及烘缸内热流模拟 2 1 虹吸管烘缸的研究 2 1 1 冷凝水对干燥的影响 纸的干燥是由于纸与烘缸表面接触 纸受到加热 提高纸内水分子的动能 破坏水 与纸的结合力 克服纸内水分及蒸汽流动的摩擦阻力 水分汽化为蒸汽进入到周围的空 气 再利用自然通风或必要的机械通风将湿空气带走 从而达到干燥纸的目的 因而 要使干燥得以连续进行 必须向烘缸内源源不断的通入蒸汽 烘缸周围必须不断进行通 风换气 烘缸内的蒸汽在烘干过程中由于冷凝作用在烘缸内形成大量的冷凝水 冷凝水的导 热系数为0 5 8 w m 后 比铸铁材质的烘缸系数约小8 7 倍 若烘缸内冷凝水排出不良时 冷凝水在烘缸内聚积 影响烘缸干燥效率 并且会增加烘缸传动所消耗的功率 同时造 成干燥部电力负荷变动 造成纸幅干度不稳定 烘缸旋转时 冷凝水受到粘滞力 惯性力 离心力以及重力的作用 粘滞力有使冷 凝水跟烘缸转动的倾向 惯性力使冷凝水的运动减速 离心力使冷凝水与烘缸内壁紧贴 重力使冷凝水落到烘缸底部 在低车速情况下 重力占优势 在烘缸内壁仅附着很薄的一层润湿水膜 其余的冷 凝水皆聚积在缸底 只是由于烘缸旋转时缸壁和积水间的摩擦作用 积蓄在缸底的冷凝 水略为偏斜于转向的一方 随着车速的提高 粘滞力对缸底积水有拖动作用 冷凝水沿 缸壁有些上升 并在缸底翻滚 当继续提高车速时 冷凝水被抛到较高的缸壁位置上 但重力仍占优势 使冷凝水发生突变 从缸壁开始溃敖返回缸底 在更高的车速下 离 心力超过重力时 沿烘缸的内圆周产生均匀的水环 见下图2 1 所示 o 动 水羹 布状水帝 瘩环状蠢 图2 1 冷凝水在烘缸内的形态 f i 露一1s t a t eo fc o n d e n s a t ei nc y l i n d e r 烘缸内冷凝水环的形成 还和冷凝水量有关 烘缸内冷凝水量增加 开始形成水环 所要求的车速也相应提高 如若水环开始形成之后 保持车速不变 继续增加烘缸内的 冷凝水量 水环厚度会不断增加 当超过了可以保持成环状的水量时 水环达到了临界 厚度 此时水环就会发生破坏 如果冷凝水量不变 降低车速也有相同的水环破坏现象 陕两科技大学硕士学位论文 发生 因此 保证烘缸连续不断的排出冷凝水 避免冷凝水在烘缸内聚积 是防止达到临 界水环厚度的必要措施 2 1 2 冷凝水排出装置 常用的冷凝水排出装置有 戽斗式排水装置 固定虹吸管排水装置 旋转虹吸管排 水装置 戽斗式排水装置用于低速纸机 在此主要介绍虹吸管排水装置 旋转式虹吸管固定在烘缸内部 随烘缸一起旋转 固定式虹吸管是固定在烘缸外面 的某一点上 不随烘缸一起旋转 旋转虹吸管与固定虹吸管的使用差别是 旋转虹吸管 所需的压差大于固定虹吸管所需的压差 因为旋转虹吸管所需的压差值 还要附加克服 离心力所需的压差 该附加差主要克服虹吸管内冷凝水和蒸汽混合物的离心力 随着车 速的提高 离心力也将提高 则所需的压差也随之提高 例如 车速4 5 0 m m i n 旋转虹 吸管式所需压差一般为4 0 k p a 车速为10 5 0 m m i n 时 其所需压差一般为9 5 k p a 而固 定虹吸管不必克服 旋转混合物 的离心力 因此所需的压差和进汽压力均较小 因此 固定虹吸管更适合高速纸机 固定虹吸管的位置必须安装合理 到位 否则易产生机械 故障或影响正常排水 扰流棒是用不锈钢制成的 安装在烘缸内壁上 沿烘缸轴向布置的肋条 扰流棒的 作用主要是降低形成水环的驱动力 减少形成水环的驱动扭矩及临界转速 对烘缸内冷 凝水层产生扰动作用 破坏水环 从而使烘缸排水通畅 缸内冷凝水量减少 改善烘缸 横幅表面温度状况1 2 1 2 2 烘缸内冷凝水对热流传热的影响 由于纸与烘缸接触进行干燥 加热湿纸及汽化所需的热通过烘缸传递 所以由烘缸 到纸的传热速度 对干燥速度起决定性作用 烘缸传给纸的总热量 用如下总传热方程式表示 q k s a t 2 1 式中 k 总传热系数 j m 2 h s 纸与烘缸的接触面积 m 2 加热蒸汽温度与纸面温度之差 由式3 一l 可看出 提高总传热系数是强化干燥的主要途径之一 方程式表示 k 1 1 a l 6 九 1 a 2 式中 a 加热蒸汽对烘缸内壁的传热系数 j m