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纸机干燥部冷凝水运动与传热实验研究及数值模拟 摘要 就制浆造纸各个环节的能耗而言 纸机干燥部一般是耗能最大的工段 目前大部分学者和专家主要从以下几个方面着手改善纸机干燥部的传热效 率 不断完善蒸汽冷凝水系统 改变烘缸的结构 单通道烘缸 多通道烘缸 等 引用一些辅助装置 扰流棒等 改善袋区通风系统和研究不同干燥技 术等 虽然从宏观上改变和完善纸机干燥部 干燥效率有一定的提高 但是 效果不太明显 然而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 它在很大程度下降低了传热系数 因此本文通过研究纸机干燥部内部 的冷凝水运动和传热机理 并通过定量分析 对烘缸内冷凝水形成水环以及 传热的机理做了系统的研究 从而为提高干燥效率提供比较好的理论依据 纸机干燥部内冷凝水运动与传热的研究方法可以采用理论研究和试验 研究 首先 本文对纸机干燥部内冷凝水运动与传热有关理论进行了较全面的 研究分析和总结 在理论研究基础上 研制出卧式旋转筒体的实验装置 研 究分析出筒体内液体在不同运动状态时的影响因素 主导准则数以及主要作 用力 同时 以量纲分析为指导 确定液环形成和液环破坏的临界转速以及 准则数表达式 通过简化热传递过程中的一些参数 建立了蒸汽通过烘缸壁 传热给纸幅的热力学模型 但是这两种方法受到许多实际条件的限制 使得此方面的研究结果不太 理想 最近广泛使用的c f d 技术为此方面的研究开创了另一个有效的途径 其次 在试验的基础上 采用c f d 技术对纸机干燥部内冷凝水运动与 传热进行分别仿真研究 研究模型主要采用了分离式求解模式 多相流v o f 法求解模型 标准k e p s i l o n 两方程的湍流模型为计算模型 据此计算的结 果 从各个参数对纸机干燥部内冷凝水与传热的影响以及变参数间的关系两 方面进行了较全面的分析 通过大量的试验与模拟结果对比 得到了纸机干 燥部内冷凝水运动形成水环的基本关系式以及烘缸内传热的基本趋势 本研究的主要成果及主要贡献表现在三个方面 1 首次在国内开展旋转筒体内液体运动的实验研究 拟定采用量纲分 析法并通过大量实验 确定旋转简体内液体稳定运动的准则数 并研究筒体 内液环形成与破坏等稳定运动的临界转速以及主要准则数间的函数关系 2 基于c f d f l u e n t 等 计算流体动力学软件平台 采用v o f 法对简体 内液体运动进行数学建模以及数值模拟 验证了试验结果 3 对烘缸内冷凝水运动进行传热分析及数值模拟 得到了比较合理的 温度分布图 关键词 造纸机 干燥部 冷凝水运动与传热 c f d 数值模拟 实验研究 e x p e r i m e n t a ls t u d ya n dn u m e r i c a l s l m u l a t i o no fc o n d e n s a t emo t i o n a n dh e a tt r a n s f e rw i t h i np a p e r m c h i n ed r y e rs e c t i o n a bs 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 a tp r e s e n t t h em a j o r i t yo f s c h o l a r sa n de x p e r t sm a i n l yf r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t st oi m p r o v et h eh e a t t r a n s f e re f f i c i e n c yo ft h ep a p e rm a c h i n ed r y e rs e c t i o n c o n t i n u o u s l yi m p r o v i n g t h es t e a mc o n d e n s a t es y s t e m c h a n g i n gt h es t r u c t u r eo fd r y e r s i n g l 争由e r m u l t i c y l i n d e rd r y e r e t c c i t i n gan u m b e ro fa u x i l i a r yd e v i c e t a b u l a t o rb a r s e t c i m p r o v i n gt h ev e n t i l a t i o ns y s t e ma n ds t u d y i n gd i f f e r e n td r y i n gt e c h n i q u e sa n ds o o n a l t h o u g hf r o mam a c r o s c o p i c a l l yo p i n i o n d r y i n ge f f i c i e n c yh a sac e r t a i n i m p r o v e df o rc h a n g i n ga n di m p r o v i n gt h ep a p e rm a c h i n ed r y e rs e c t i o n b u tl e s s o b v i o u se f f e c t h o w e v e r 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 n h 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 yi nt h eh i 哲卜s p e e dp a p e rm a c h i n e t h es t e a m f o r mc o n d e n s a t er i m m i n gi nt h ep a p e rd r y i n gp r o c e s s a n dt h a tc o n d u c t i v i t y c 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 lc 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 lt h e r m a lr e s i s t a n c eh a sa c 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 eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t s ob yr e s e a r c h i n gt h em e c h a n i s mo fc o n d e n s a t em o t i o na n dh e a tt r a n s f e rw i t h i n p a p e r m a k i n gm a c h i n ed r y e rs e c t i o n a n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s t h i sp a p e rw i l l h a v eas y s t e m i cr e s e a r c hf o rt h em e c h a n i s mo fc o n d e n s a t er i m m i n gf o r m a t i o n a n dh e a tt r a n s f e ri n s i d ep a p e rm a c h i n ed r y e rs e c t i o n t h u sp r o v i d i n gag o o d t h e o r e t i c a lb a s i si no r d e rt oi m p r o v ed r y i n ge f f i c i e n c y r e s e a r c hm e t h o d so ft h ec o n d e n s a t em o t i o na n dh e a tt r a n s f e rw i t h i n p a p e r m a k i n g m a c h i n ed r y e rs e c t i o nc a n a d o p t t h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n d e x p e r i m e n t a ls t u d i e s i i l f i r s t l y t h i sp a p e ra n a l y z e da n ds u m m a r i z e dr e l e v a n tt h e o r yo fc o n d e n s a t e m o t i o na n dh e a tt r a n s f e r b a s e do nt h e o r e t i c a lr e s e a r c h id e v e l o pe x p e r i m e n t a l a p p a r a t u so fa h o r i z o n t a lr o t a t i n gc y l i n d e rt os t u d ya n da n a l y s i se f f e c tf a c t o r so f d i f f e r e n tl i q u i dm o t i o ns t a t e si nt h ec y l i n d e r d i m e n s i o n a ln u m b e ra n dt h em a i n f o r c e a tt h es a m et i m e b a s e do nd i m e n s i o n a la n a l y s i s c r i t i c a lr o t a t i o n a ls p e e d o ft r a n s i t i o ni n t oa n do u to fl i q u i dr i m m i n g a sw e l la sf u n c t i o nr e l a t i o na m o n g i m p o r t a n td i m e n s i o n a ln u m b e ra r ef o u n d b ys i m p l i f y i n gs o m ep a r a m e t e r si n h e a tt r a n s f e rp r o c e s s t h e r m o d y n a m i cm o d e lw h i c hi sam o d e lo fs t e a mt h r o u g h t h ed r y e rw a l lh e a tt r a n s f e rt ot h es h e e ti ss e tu p b u tt h e s et w om e t h o d sa r em u c ht h ea c t u a lr e s t r i c t i o n s m a k i n gt h i sr e s e a r c h r e s u l tn o tt o oi d e a l t h er e c e n tw i d e s p r e a du s eo fc f dt e c h n o l o g yf o rt h i s r e s e a r c hs t a r t sa n o t h e re f f e c t i v ew a y s e c o n d l y o nap i l o tb a s i s ir e s e a r c h e da n da n a l y z e dc o n d e n s a t em o t i o na n d h e a tt r a n s f e rw i t h i np a p e r m a k i n gm a c h i n ed r y e rs e c t i o nu s i n gc f dt e c h n i c a l a s t ot h em o d e lo fc f ds i m u l a t i o n s e g r e g a t e ds o l u t i o nm o d e l 2 da n dv o f m e t h o dm u l t i p h a s ef l o wm o d e l s t a n d a r dk e p s i l o nt w oe q u a t i o n st u r b u l e n c e m o d e l a r ea d o p t e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fs i m u l a t i o n t h i sp a p e rh a v eam o r e c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sf o rt h ev a r i o u sp a r a m e t e r sw h i c he f f e c t so nc o n d e n s a t e m o t i o na n dh e a tt r a n s f e rw i t h i np a p e r m a k i n gm a c h i n ed r y e rs e c t i o n a sw e l la s l e a r nt h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h e s ep a r a m e t e r s t h r o u g hc o m p a r i s o no fm a n y e x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o na n a l y s i s t h eb a s i cr e l a t i o n so fc o n d e n s a t ei n s i d e p a p e r m a k i n gm a c h i n ed r y e rs e c t i o nf o r m i n gl i q u i dr i m m i n gh a sb e e no b t a i n e d a n dt h et r e n do ft h eh e a tt r a n s f e ri n s i d ed r y e ri sg a i n e d t h em a i nc o n t r i b u t i o n so rr e s u l t so ft h i sp a p e rl i ei nt h ef o l l o w i n gt h r e e f a c e t s 1 t h i sp a p e rd e v e l o p se x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nt h es t a b i l i t yo ft h e r i m m i n gf o w si n s i d e rt h eh o r i z o n t a l l yr o t a t i n gc y l i n d e rf o rt h ef i r s tt i m e a n d a d o p t sd i m e n s i o n a la n a l y s i sm e t h o d v i aal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t s h a s a s c e r t a i n e dd i m e n s i o n a ln u m b e ro fl i q u i ds t e a d ym o t i o ni n s i d e rt h eh o r i z o n t a l l y r o t a t i n gc y l i n d e r a n di n v e s t i g a t e dc r i t i c a lr o t a t i o n a ls p e e do ft r a n s i t i o ni n t oa n d o u to fl i q u i dr i m m i n gs t e a d yf l o wi n s i d e rc y l i n d e r a sw e l la sf u n c t i o nr e l a t i o n a m o n gi m p o r t a n td i m e n s i o n a ln u m b e r 2 b a s e do nt h ec f d f l u e n t e t c c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r e i v p l a t f o r m u s i n gv o fm e t h o d m a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fl i q u i dm o t i o ni n s i d e r t h eh o r i z o n t a l l yr o t a t i n gc y l i n d e rh a sb e e nc a r r i e do u t a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n h a sv e r i f i e dt h et e s tr e s u l t s 3 f o rh e a tt r a n s f e ra 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 no fc o n d e n s a t em o t i o n i n s i d et h ec y l i n d e r i th a sb e e nm o r er e a s o n a b l et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nc h a r t k e yw o r d s p a p e rm a c h i n e t h ed r y e rs e c t i o n c o n d e n s a t em o t i o na n dh e a t t r a n s f e r c f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n e x p e r i m e n t a ls t u d y v 纸机1 垛部冷凝水运动 j 传热实验研究及数佰模拟 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立 进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式标明 本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 么纽蕴垦一 日 期 2 q q 2 生 月 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留 使用学位论文的规定 同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论 文被查阅和借阅 本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文 同时授权中国科学技术信息研究所将本学 位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向社会公众提供 信息服务 保密论文在解密后应遵守此规定 论文储签名房 青竹师签名 孑灶魂日期 2 0 7 年多月 纸机十燥部冷凝水运动与传热实验彬f 究及数值模拟 l 绪论 在制浆造纸工业中 造纸机中最长的部分就是干燥部 由于干燥部的重量为纸机总 重量的6 0 7 0 设备费用和动力消耗均占整个纸机的一半以上 蒸汽消耗占造纸的 生产成本5 r 1 5 所以干燥部是纸机的主要耗能耗水部分 为了降低能耗 国内外专 家做了大量的研究工作i 卜2 一是强化湿部脱水 一是强化烘缸系统的传热效率 对于 前者 尽管湿部干度每提高1 干燥部便可节汽4 由于压榨辊的最高线压力受材料 强度限制以及结合水很难压榨排除的原因 纸幅通过湿部后干度最高为4 5 因此纸机 的节能减排应主要在干燥部做文章 合理的设计纸机干燥部与节省建设投资 提高生产 能力 保证成品质量和降低生产成本都有着极为重要的关系 而对烘缸传热和排水系统 从原理和结构方面进行变革 不但传热效率可以提高2 0 5 0 而且完全取消虹吸管 显著缩小纸机的长度 重量和投资 极大促进制浆造纸业节能减排行动的实施 本课题 的研究具有深远意义 对其它行业的干燥技术也有指导意义 1 1 纸机干燥部工作原理 1 1 1 干燥的目的 纸页离开压榨部以后 其干度一般在4 0 左右 在新式压榨中 高的可达5 0 残 余的水分必须在纸机干燥部蒸发脱除 蒸发过程需要大量热能 通常以蒸汽形式供给 干燥部一般是纸机中耗能最大的 热能从蒸汽传到纸幅 常用的设备是烘缸 最常见的干燥方法是使用一系列蒸汽加热的烘缸 图l 一1 是典型的烘缸干燥装置 烘缸直径一般为1 2 米 1 5 米或1 8 米 现代新型纸机常用的烘缸直径为1 8 米 蒸汽 进入烘缸 热能通过铸铁外壳传递给纸幅 干毯将纸页紧压在烘缸表面 使纸幅与缸面 更好接触 促进热传递 烘缸分为几组 通常每组由6 1 2 个缸组成干毯与烘缸的包角 一般为1 8 0 0 在干毯回路上有导毯辊 张紧辊 校正辊等 在传统的烘缸干燥中 通常靠近湿部的单层烘缸结构装置可减轻纸幅的抖动 尽可 能避免产生 纸毛洞 等纸病 但由于干毯被夹在纸页和缸面之间 损失了下烘缸的生 产能力 单层烘缸结构后面是一个十分传统的双毯干燥部 即上下烘缸单独使用干毯 这样 干燥部的生产能力大 但在高速纸机上存在纸页抖动问题 陕两科技大学硕i 学位论文 压榨 图1 1 典型烘缸装置 f i g1 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 1 2 烘缸干燥过程 干燥过程可分为两大部分 一是蒸汽传热给烘缸的同时 传热给纸幅 二是纸页中 的水分蒸发出来 并进入大气中 a 烘缸传热 随着纸幅接触烘缸表面 干毯将纸页压向缸面 蒸汽的热能通过烘缸壁传给纸幅 使得纸页温度上升 图l 2 显示的是烘缸壁干燥传热的剖视图 烘缸基本的传热方程式如下 凝结水层 亮 图l 2 烘缸外秃传热剖视图 f i g1 2c u t a w a yv i e wo fd r y e rh e a tt r a n s f e r q k a t s t p 1 1 式中 9 一从蒸汽到纸张的传热量 渤 点 总传热系数 彳一纸幅接触的烘缸表面积 脚2 珏一蒸汽温度 k 2 纸机十燥部冷凝水运动与传热实验研究友数值模拟 昂一纸页温度 k 纸页的温度是可变的 它跟传热及蒸发过程有关 增加传热将增加纸张离开烘缸的 温度 并增加在上下烘缸间送纸时的蒸发作用 同时 高效的蒸发过程将使烘缸问纸张 的温度下降 当纸张回到下一烘缸时 它的温度降低 较低的纸张温度有利于热能的传 递 烘缸数量固定时 在传热方程式中唯一能控制的变数是饱和蒸汽温度和总传热系 数 提高烘缸内部的蒸汽压力 可使温度增加 但所能使用的最高压力是有局限性的 大多数低定量印刷纸都不能用高压力 特别是在干燥部的湿端 开始压力要低些 随着 纸张在干燥部的行进而逐步提高 湿端的压力常有低于大气压的现象 在湿端 压力太 高 易使纸页外表面的纤维粘在烘缸表面 造成纸面裉糙 并由于纸面从烘缸剥离的不 一致 易造成纸幅断头等问题 在干端 所用最大蒸汽压力也有类似的局限性 高定量纸板机与低定量纸机情况不同 它可在早期就使用较高的蒸汽压力 表1 一l 是几种典型纸所用的蒸汽压力 表1 1 典型纸所用的蒸汽压力 t a b1 1s t e a mp r e s s u r eo ft y p i c a lp a p e r 一般的规律是 印刷的要求愈高 湿端的蒸汽压力愈低 而且蒸汽压力的提高亦愈 缓慢 总传热系数是传热阻力的大小 构成总传热系数的阻力有 1 冷凝水层的厚度和湍流程度 烘缸内的冷凝水层是蒸汽传热和冷凝过程中形成的 冷凝水层构成了传热的阻力 在高速抄造时 因冷凝水湍动减少 阻力变得很大 在干燥过程中 要提高传热量就要 保持又薄又湍动的冷凝水层 2 烘缸壁的厚度 烘缸壁厚度取决于烘缸所用压力 这个很难改变 3 积聚在烘缸表面的任何污垢和纤维 烘缸表面保持清洁能有效地提高传热效率 3 陕两科技人学硕卜学位论文 4 纸页与烘缸外壳之间的空气薄层 纸页上到烘缸后 在纸页与烘缸外壳之间夹着一层薄空气层 该空气膜形成一层非 常有效的绝热层 干毯的功能作用就是将纸页压到烘缸上 尽量减少空气膜的阻力 湿 端的纸页渗透性较差 空气膜特别重要 干端的纸页较易渗透空气 夹在中间的空气膜 可被强制地压进纸页 使纸页更好地与烘缸接触 5 纸页的性能 纸页的水分含量 厚度 表面粗糙 透气度等都影响传热效果 6 烘缸内不冷凝气 在进烘缸蒸汽中可能挟带着空气或其他不冷凝气体 不冷凝气体如果积累起来 会 严重降低传热作用 b 蒸发 烘缸上的纸页受热后 纸页中的水分由液相变为气相 在传统的干燥条件下 这种 相的改变 所需热量为2 2 9 0 k j k g 大多数蒸发作用是在烘缸l b j 的开放引纸区进行的 纸页的蒸发作用按基本传热方程式计算如下 e v a p k a p s p a 1 2 式中 e 珊p 纸页蒸发水分 堙水 办 足 传热系数 纸页表面空气膜的阻力大小 彳一蒸发面积 视引纸的长度而定 m p 卜纸页中的水汽压力 p a 肛纸页周围空气中的水汽分压 p a 由于传统干燥的布置形式 很难减少伴随着纸页的界面层的空气阻力 k 现在还 没有办法可以 冲洗 掉界面层而又不干扰纸页或不造成烘缸袋区内的阻力 纸页中水分的水气压力 直接与纸页温度有关 纸页温度是传热过程和蒸发过程的 联系点 有效的传热提高了纸页温度 并提高了纸页中水分的水汽压力i f s 在从纸页 中蒸发水分时 纸页的温度下降 纸页周围空气中的水汽分压直接与空气的绝对湿度有关 纸页周围高湿度会提高周 围空气的水汽分压 降低蒸发作用 因此合适的干毯透气性以及良好的通风效果会降低 纸页周围的湿度 提高蒸发作用 合适的干毯透气性是指既能降低纸页周围的湿度又不 影响纸页运行的稳定性 c 干燥区 干燥中各点的干燥速率不同 图l 3 表示了纸张典型的干燥曲线 纸页开始进入干 燥时的温度低于蒸发所需的温度 烘缸必须将纸页中的纤维和水分加热到蒸发温度 此 4 纸机干燥部冷凝水运动 j 传热实验研究及数值模拟 段称为 纸页加热区 纸页加热区的位置通常在第一至第四个烘缸 视纸页初温 烘 缸蒸汽压力 纸页水分含量随纸页定量而定 纸页蒸发作用一直持续到最高速率 然后 进入 恒速干燥区 恒速干燥区的蒸发速率很高 一般认为该区蒸发的是纸页的游离 水 最后一个干燥区为 降速干燥区 该区中纸页表面不在存在游离水 降速干燥区 的前期蒸发速率很高 除去毛细管水和结合水 后期蒸发速率很低 除去的是结合水 很小的一部分水 在降速干燥区的后期操作中 般都加以控制 因为这个阶段蒸发效率 极低 耗能却很高 甚至高于纸机总干燥能力的l o 有时为了解决纸横幅水分的均 一 才使用这种过度干燥 随着大量孔隙失去水分 传质的有效面积减少 蒸发速率降 低 要区分恒速区和降速区的界限较难 曩 囊 2 室 干爆鄂中位i 图1 3 干燥曲线 f i g1 3d r y i n gc u l w c d 蒸汽和冷凝水系统 烘缸干燥的能源来自蒸汽 蒸汽在烘缸内部冷凝 将蒸汽送入烘缸和排除冷凝水是 干燥部工艺控制的重要组成部分 它直接影响到干燥部效率和成纸质量 1 冷凝水对干燥的影响 随着蒸汽的冷凝 在烘缸内部形成冷凝水层 它影响干燥的效率和均一性 根据车 速的不同 冷凝水在烘缸内的形式不一样 车速低于1 5 0 米 分时 冷凝水在烘缸内底 部形成一个 小水塘 如图1 4 所示 小水塘 区域以外的传热系数很高 随着车速 的增加 由于烘缸壁与冷凝水之间的摩擦力 小水塘 开始攀升到烘缸侧面上 水塘 内部还因为摩擦力而产生湍动而增强了传热效果 在车速3 0 0 米 分 冷凝水攀上缸顶 并跌到缸底 湍动程度高传热效果好 但高湍动使烘缸传动系统的功率和传动负荷增大 一旦烘缸达到足够的速度时 冷凝水将全部附着在烘缸的周边上 发生这种现象的 车速大小取决于烘缸直径大小 冷凝水负荷和缸内表面的平滑度 通常车速是3 0 0 4 0 0 米 分 即使冷凝水附着在烘缸的周边上 但它与缸面仍有一定的滑移 冷凝水成 激 荡状 行为 激荡作用产生湍动 增进传热 随着车速的提高 这种激荡作用趋于凝滞 在现代的高速纸机上 烘缸内冷凝水层接近于形成一道传热效率很低的薄膜层 冷凝水 层的微小变化 即使是o 5 毫米 传热系数将有明显的变化 而且这会导致横向干燥速 率和纸卷的横向水分分布的变化 陕两科技人学颂 i j 学位论文 图l 4 小水塘 状 f i g1 4 p o o l s t a t e 2 烘缸虹吸管 如不及时有效地排除烘缸内的冷凝水 将大大影响蒸汽对烘缸内壁的传热 水环破 裂又满满地装在烘缸的下部 不仅占据了大部分传热面积 而且会影响烘缸的传动负荷 排除冷凝水的装置主要是戽斗吸管式 固定虹吸管和旋转虹吸管三种 戽斗吸管式用于 低速纸机 下面只介绍虹吸管式 固定和旋转式虹吸管排除冷凝水 烘缸内蒸汽压力与烘缸外冷凝水管压力之间应有 一定的压差 压差是蒸汽液动和冷凝水排除的推动力 影响冷凝水排除的因素有几个方 面 压差大小 进烘缸蒸汽压力 虹吸管管径 冷凝水管径和虹吸管结构 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 r n m i n 旋转虹吸管式所需压差一般为4 0 k p a 车速为1 0 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 3 1 烘缸扰流杆 烘缸扰流杆是一系列沿长度方向安装于烘缸内表面的板条 烘缸扰流杆的作用是通 过扰动冷凝水层 改善热量的传递 纸机车速在9 0 0 米 分以上 干燥能力将改善1 2 2 0 冷凝水即使在高车速下也有一定的位移 对烘缸壁而言 向上旋转时 冷凝水是减速运 动 向下旋转时 由于重力作用 它又是加速运动 烘缸扰流杆使扰流杆与烘缸内壁之 间的冷凝水层产生激荡 冷凝水层的扰动增加 导致传热得到改善 尤其在高车速下 设置扰流杆的作用明显增强 有利于热能传递到烘缸 除了提高干燥速率外 烘缸扰流 杆还大大改进纸机横向的传热均一性 整个烘缸宽度上传热系数的均一 将减少冷凝水 层厚度的微小波动所带来的影响 6 纸机f 燥部冷凝水运动 j 传热实验研究及数值模拟 4 分段通汽 纸机干燥部有两种不同通汽方式 无蒸汽循环的单独通汽和有蒸汽循环的分段通汽 多段通汽 单独通汽一般用于低速窄幅纸机上 而生产能力大的纸机多采用多段通汽 在分段降压通汽中 纸机干燥部通常分为3 5 段 常见的三段烘缸通汽系统 干燥压 力是在主控段设定的 主控段占据了大多数烘缸 其排出蒸汽和冷凝水由一个汽水分离 器将蒸汽和冷凝水分开 二次蒸汽送往下 段烘缸 冷凝水送往锅炉房 中问段烘缸的 进汽压力是根据主控段的所需压差而设定的 如果二次蒸汽满足不了要求 就要适当的 补充新鲜蒸汽 补充蒸汽阀受主控段的压差控制器的控制 如果主控段的压差不够 中 间段蒸汽补充阀就会关闭 以降低中间段的压力来提高主控段的压差 湿端的情况与此 类似 它的操作压力低于上一段 最后的尾汽 冷凝水和不冷凝性气体由真空泵抽走 e 干燥部的通风系统 干燥部有大量的水蒸气和热能蒸发出来 如果没有良好的通风系统 纸机工作效率 将会降低 造成顶棚 汽罩滴水 使工作环境恶劣等 干燥部的通风有自然通风和强制 通风两种方式 自然通风利用干燥部上面的天窗或汽罩的排汽管 使湿蒸汽自然逸散 进气依靠门窗或车间的敞开部分使新鲜空气自由进入 这种方式只适宜于低速纸机 现代纸机都采用强制通风 就是利用气罩通过风机排除废气 同时利用风机将热空 气送入干燥部 使干燥部范围内造成较强的热空气流速 以提高干燥效率 通风系统主 要部件为 汽罩 汽罩排风机 汽罩供风装置 袋通风设备 稳定纸幅的设施以及热回 收设备等 1 2 纸机干燥部研究发展 干燥部对产品质量的影响极大 干燥部是造纸过程中主要的耗汽工艺之一 目前 我国造纸工业的能耗占造纸成本的1 5 左右 随着能源价格的不断上涨和能源的短缺 该比值呈上升趋势 目前主要从三个方面入手去改变纸机干燥部的干燥效率 从而达到 节能减排的功效 其中包括 烘缸的结构 供热系统 干燥技术等 1 2 1 烘缸的结构 a 单通道烘缸 目前在国内使用较多的烘缸多为带虹吸管的烘缸 其主要有虹吸管 旋转接头 扰 流棒等组成 如图1 5 所衣单通道烘缸 即传统烘缸 它采用的方式是压力为0 4 m p a 的水蒸汽通过旋转接头充满烘缸 在旋转壁面冷凝放热并对缸外的纸幅进行加热 生成 的凝结水依靠虹吸系统排除 因受冷凝水排出装置 烘缸内外压差以及纸机的车速的影 响 其发展相对缓慢 随着高速纸机的出现 随着高速纸机的发展 固定虹吸管代替旋转虹吸管 扰流棒 突显在纸机中的重要作用 扰流棒是用不锈钢制成的 安装在烘缸内壁上 沿烘缸轴向 7 陕两科技人学硕i j 学位论文 布置的筋条 用来促使烘缸内冷凝水层的扰动 使冷凝水产生湍流 并通过冷凝水层保 持高的热传递速率 一般与固定虹吸管相结合使用 它的工作原理与烘缸内冷凝水在烘 缸不同车速下的形念有关 随着烘缸的转速继续提高 离心力大于重力引力 冷凝水形 成完整的环状条件 冷凝水覆盖烘缸内壁 减低了热传递 扰流棒的设置就是对冷凝水 环形成的扰动 造成湍流的条件 以增加烘缸的热传递效率 结合固定虹吸系统 扰流 棒阻止了由于烘缸速度的提高 形成的冷凝水环造成热传递效率的下降 然而扰流棒技 术适用范围较窄 通常推荐用在6 0 0 m m i n 以上车速的固定虹吸系统 另外该技术并没 有摆脱虹吸管的束缚 一些学者建议在烘缸内表面均布螺旋齿槽 可使内传热面积增大 一倍 由于可以预见的齿槽加工难度较大 以及齿槽处会出现的应力集中问题 此技术 未见应用的报道 2 l 1 进汽头2 齿轮3 传动侧缸盖4 缸体 5 工作侧缸盖6 轴承7 罩板8 人孔9 虹吸管 图1 5 单通道烘缸的结构图 f i g1 5s t r u c t u r eo fs i n g l e c h a n n e ld r y e r b 多通道烘缸 在国外渐渐发展起来的是一种不带虹吸管的烘缸 我们称之为多通道烘缸 如图1 6 所示 多通道烘缸是使蒸汽通过许多小通道 通道在于燥过程中都紧靠烘缸表面 这样 冷凝水被压缩在通道内 强制对流成为烘缸内的主要传热方法 强制对流传热比热传导 的效率高 且通道的形成相当于换热器的肋片增加了烘缸表面的换热面积 这些改进使 此结构烘缸的传热系数大大提高 不仅降低了能耗 还能提高车速 减小烘缸的尺寸 多通道冷凝的传热系数与传统干燥的传热系数相比大约是有扰流棒干燥的7 倍 是 没有扰流棒干燥的2 0 倍 蒸汽在通道内液动的形式使蒸汽液速增加 强化了蒸汽与烘 缸外壳间的对流传热 通道的形成增大了传热表面积 提高了纸页的干燥效率 在通道 内由后续蒸汽推动前端己冷凝的冷凝水 此方式改变了原有的排水方式 解决了烘缸内 积水问题 因此新型多通道烘缸具有许多优点 可以有效解决目前烘缸运行中的诸多问 题 节约能源 8 纸机干燥部冷凝水运动 传热实验研究及数值模拟 虽然没有虹吸管看似结构简单了 但山于其受烘缸表面导热不均匀的影响 目前没 有推广使用 还在进一步研究之中 敝1 菩磊 一黻 穗 图l 6 多通道烘缸的结构图 f i g1 6s t r u c t u r eo fm u i t i p r o td r y e r i 2 2 供热系统 a 传统的三段供热系统 传统三段供热系统采用锅炉蒸汽首先给高温i 段烘缸加热用 由i 段烘缸排出的蒸 汽冷凝水中产生的二次蒸汽供给i i 段烘缸加热用 由i i 段烘缸排出的蒸汽冷凝水中产生 的二次蒸汽再供i i i 段烘缸加热用 各段烘缸问依靠各段冷凝水闪蒸罐间的压力差推动热 力系统循环和进行冷凝水多次蒸发 如图1 7 所示 它是一个被动的蒸汽串联系统 它 难以实现同造纸机干燥部各段烘缸的用汽压力和耗汽量合理匹配平衡 三段通汽供热系统存在的主要问题如下 1 因为多段串连的关系 不利于单独调节纸机干燥部各段烘缸的供热压力和用汽 量 2 热力系统运行不正常 普遍存在着纸机烘缸积水现象 3 烘缸积水影响纸机车速和产品质量的提高 4 烘缸排水压差的建立受到一定限制 为保证烘缸排水压差削弱了热力系统循环 动力 5 控制系统自身存在相互干扰 导致自控及调节系统工况不稳定 影响纸机安全 稳定运行 6 负荷变化及断纸时加剧烘缸的积水 恶化了热力系统循环 9 陕两科技人学坝l 学位论文 1 分汽缸2 一级闪蒸罐3 二级闪蒸罐 4 三级闪蒸罐5 冷凝水贮水罐6 冷凝水水泵 图1 7 传统三段供热系统工艺流程图 f i g1 7t h r e e s t a g es u p p l y i n gs t e a ms y s t e m b 热泵供热系统 三段热泵供热系统 如图l 一8 所示 其特点为 它属于主动式蒸汽并联供热闭式热 力系统 该系统主要由蒸汽喷射式热泵 高效扩容闪蒸罐 排水器及不凝性气体排出设 备等组成 利用热泵替代节流减压向纸机各段烘缸提供所需品位和数量的蒸汽 利用蒸 汽减压前后的能量差为动力使冷凝水系统产生的二次蒸汽 提高能级后再供生产使用 特别是在蒸汽喷射式热泵工作过程中 在闪蒸罐中将蒸汽冷凝水产生的二次蒸发汽增压 后供给纸机烘缸加热 同时降低了闪蒸罐的工作压力 增大了烘缸排出蒸汽冷凝水的压 差 有利于蒸汽冷凝水通畅排出 冷凝水经过多级闪蒸后热能得到充分利用 与传统的三段通汽系统相比 热泵供热系统的主要特点如下 1 蒸汽喷射式热泵替代三段通汽系统中的阀门节流减压执行器 2 采用高效汽水分离罐进行扩容闪蒸和汽水分离 并减少湿蒸汽及蒸汽冷凝水进 入纸机烘缸 3 用小压差 大流量的疏水装置用于烘缸疏水阻汽 可以连续通畅地排出冷凝水 4 不凝性气体排出系统 提高蒸汽冷凝速度和烘缸传热强度以及纸幅干燥速率 5 系统自控环路互不干扰 6 断纸时 对纸机烘缸温升曲线影响小 实践表明采用蒸汽喷射热泵系统给纸机干燥部供汽 并将冷凝罐中的冷凝水二次蒸 发加以利用能获得较大的经济利益 实行起来较为简单 投资少 对原有通汽系统改动 不大 目前在我国纸厂己得到广泛应用 1 0 纸机干燥部冷凝水运动1 j 传热实验研究及数值模拟 1 分汽缸2 一级闪蒸罐3 二级闪蒸罐4 三级闪蒸罐 5 冷凝水贮水罐6 冷凝水水泵7 9 热泵l 肚1 6 压差排水器 1 7 分离器1 8 真空泵1 9 水封槽 图1 8 三级闪蒸热泵供热系统工艺流程图 f i g1 8t h r e e s t a g et h e r m o c o m p r e s s o rs y s t e m 1 2 3 干燥部的干燥技术发展 纸页的干燥方式影响着纸机的车速 目前多烘缸干燥技术在现有纸机设备中占 8 5 0 0 9 0 仍是纸机干燥的主要方式 大型化 高速化是多烘缸纸机的发展方向 在国 外 生产印刷纸的纸机车速已达1 7 0 0 1 8 0 0 m m i n 薄型纸的纸机已达2 2 0 0 m m i n 纸 机幅宽已超过1 0 m 据专家预测 2 0 年后印刷纸纸机车速将达2 0 0 0 m m i n 薄型纸纸机 车速将达3 0 0 0 m m i n 由于受烘缸辊子挠度的限制 纸机幅宽仍在l o 1 l m 左右徘徊 随着造纸工业的不断发展 多烘缸干燥技术已不能满足纸机大型化 高速化的发展 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c o n d e b e l t 干燥技术 o p t i d r y 冲击式干燥技术 0 p t i d r yv e r t i c a l 穿透 干燥技术 过热蒸汽冲击干燥技术等新型干燥技术 ac o n d e b l e t 干燥技术 上世纪8 0 年代 v a l m e t 公司的j u k k al e h t i n e n 博士开发了一种新的干燥技术 c o n d e b e r 干燥技术 与传统的干燥技术相比 c o n d e b e l t 干燥技术干燥效率高 节约原 材料 最主要的是显著提高了纸板的质量 c o n d e b e l t 干燥过程包括湿纸幅中水分的蒸发和水蒸汽的冷凝两个过程 如图1 9 所 示 纸幅在回转的上 下钢带问干燥 下钢带与纸幅之间是同步运行的细目网和粗目网 上钢带上是过热蒸汽室 蒸汽压力0 0 5 加 7 m p