漿板機氣墊式熱風箱氣體流動及傳熱特性模擬研究

張長飛 丁克強 葛仕福 李乾軍 張東平 吳功德

(1.南京工程學院環(huán)境工程系，江蘇南京，211167;2.東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇南京，210096)

根據(jù)我國制漿造紙工業(yè)的長遠規(guī)劃，到2015年紙及紙板消費總量將達到8000萬t/a以上，至2020年我國的紙和紙板生產(chǎn)總量將達到1億t/a［1-2］。造紙工業(yè)“十二五”規(guī)劃草案目前已經(jīng)完成，加快產(chǎn)業(yè)結構調整、提升改造與綠色發(fā)展成為規(guī)劃的主要內容。技術和裝備水平是節(jié)能減排的重要影響因素，加強企業(yè)的技術改造，加快開發(fā)重大產(chǎn)品和重大技術是關鍵［3-5］。

氣墊式干燥器通過加熱空氣以沖擊干燥形式干燥紙板，提高了干燥部的運行性能、降低壓榨部和干燥部之間的牽引力、更換紙種時能快速調節(jié)干燥能力以及控制紙幅翹曲，具有明顯優(yōu)越性［6-7］。氣墊式干燥器的干燥過程中，紙張中水分的氣化是一個傳熱傳質過程，蒸汽擴散可以用表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和傳質系數(shù)來表征。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是干燥器設計的關鍵參數(shù)。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大時，水分去除速度快，縮短了干燥時間，減小了干燥設備的尺寸。因此，對氣墊式干燥器進行研究開發(fā)，可以大大提高蒸汽利用率和紙張質量、降低能耗和設備成本。

熱風箱是對漿板進行加熱干燥并形成氣墊的關鍵設備，直接影響紙機的生產(chǎn)速度和所生產(chǎn)紙張的品質［8］。如何設計熱風箱來減少漿板在干燥器內的摩擦阻力、減少斷頭和破損現(xiàn)象的產(chǎn)生、使得紙機高速平穩(wěn)運行是其關鍵技術。我國造紙干燥過程中熱風箱技術目前還停留在對國外設備的引進和消化吸收階段［9］。我國關于熱風箱噴口處氣墊層流場規(guī)律及傳熱特性的基礎研究還是空白，熱風箱噴口形式、入風參數(shù)對傳熱效果的影響研究還剛剛起步。加快這方面的研究對于縮小與國外先進技術的差距，進一步研究開發(fā)高速氣墊式干燥機，具有重要的指導意義。

1 實驗

1.1 實驗系統(tǒng)及參數(shù)

實驗模型系統(tǒng)、熱風箱流場示意圖分別見圖1和圖2所示，熱風箱模型孔板圖見圖3所示。實驗過程為:空氣通過電加熱器加熱后對懸浮一定高度濕木板進行干燥，測量濕木板加熱前后的質量，從而計算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和繪制濕木板的干燥速率曲線。

濕木板的懸浮高度由不同風速下的模擬計算得出。分析出風板風速、溫度、出風板開孔率、出風板開孔噴口的形狀和布置方式對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和熱風箱氣墊流場的影響，實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)

實驗條件:熱風箱高度比τ=0.5(τ=a/b)，實驗室環(huán)境溫度20℃;干空氣密度1.225 kg/m3;空氣動力黏度1.46×10－5m2/s，飽和水密度999.0 kg/m3。

1.2 其他儀器

電子天平、溫度巡檢儀、XMT-3000系列工業(yè)控制/調節(jié)器、QDF-3熱球風速儀等。

2 結果分析

2.1 濕木板干燥特性曲線

圖4為不同空氣濕度下濕木板干燥速率曲線。由圖4可以看出，隨著加熱空氣濕度的降低，傳質推動力增大，干燥速率在整個過程中呈現(xiàn)加快的趨勢。圖5所示為不同空氣濕度下濕木板中心溫度隨干燥時間變化的曲線。由圖5可以看出，濕木板的氣墊式干燥，預熱階段時間較短，約為40 min左右，大部分都處于等速干燥階段。

2.2 影響熱風箱靜壓因素分析

2.2.1 入口風速對熱風箱靜壓及速度分布的影響

熱風箱內靜壓差值的大小，反映了熱風箱內氣體流動的均勻性，差值越小，均勻性越好。在高度比為0.5時，分別對入口風速為8 m/s、12 m/s和16 m/s工況下的熱風箱內部的靜壓值進行了測量，結果見圖6所示。由圖6可以看出，熱風箱內的靜壓值沿氣體流動方向不斷增大。入口風速為8 m/s、12 m/s時熱風箱尾端1418 mm與入口端的靜壓差最大分別為50 Pa和80 Pa，比入口端靜壓增加分別為16.6%、22.2%。當流速為16 m/s時，靜壓差達200 Pa，比入口端靜壓增加了45%，靜壓分布均勻性較差，說明入口風速高于12 m/s時，熱風箱內氣體流動均勻性不好。

圖6 不同入口風速下熱風箱靜壓變化曲線

通過測量熱風箱內風速的變化可以研究熱風箱內氣流均勻性的狀況。圖7所示為不同入口風速下的熱風箱內速度分布圖。由圖7可以看出，離熱風箱入口越遠，風速越小。入口風速越大，熱風箱內的速度梯度越大，流場越不均勻;當入口風速為12 m/s和16 m/s時，測點位置為1418 mm處 (熱風箱最尾端)速度仍然較大，沒有接近零，仍有一定的流速。

圖7 不同入口風速下熱風箱內速度分布

2.2.2 出風板開孔率對熱風箱靜壓的影響

在實驗條件下熱風箱內不同出風板開孔率 (圓孔直排)下的靜壓曲線如圖8所示。由圖8可以看出，在相同的流量下，開孔率越大，出口風速越小，靜壓差值越小，氣墊層分布越均勻。由圖8可以看出，為保證熱風箱內氣體流動的均勻性，開孔率不要低于6.67%。

圖8 出風板不同開孔率下熱風箱靜壓變化曲線

2.2.3 開孔方式對熱風箱靜壓的影響

在實驗條件下，不同出風板開孔方式下熱風箱內的靜壓曲線見圖9所示。由圖9可以看出，在相同的流量和開孔率下，圓孔叉排方式布置時靜壓差最小，氣墊層分布較均勻。

圖9 出風板不同開孔方式下熱風箱靜壓變化曲線

2.3 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)影響因素分析

2.3.1 出風板開孔率對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

圖10所示為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨出風板開孔率的變化情況。由圖10可以看出，在同一實驗條件下，出風板開孔率對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響較大，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨出風板開孔率的增大而增大，出風板開孔率為7.42%時達到最高點，之后隨出風板開孔率增大略有減小。圓孔叉排工況傳熱效果最佳，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為7.74 W/(m2·K)。

圖10 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨出風板開孔率的變化

總風量一定時，改變出風板開孔率可以改變出風口風速。出風口風速直接影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小。減小出風板開孔率可以使出風板的出風口風速變大，一方面可以提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，但同時增大了氣墊層靜壓，使紙張離出風板的距離加大，這樣會減小表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

綜上所述，漿板機氣墊式熱風箱出風板存在一個最佳開孔率，在這個最佳開孔率下可使得氣墊層中氣體與紙張間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最大，較佳開孔率為7.42%。

2.3.2 出風板開孔噴口的形狀及噴口的布置方式對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

出風板開孔噴口的形狀及噴口的布置方式都會影響熱風箱的氣體流動和氣墊層的均勻性，從而影響傳熱效果。

出風板開孔噴口不同形狀及布置方式對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響見圖11所示。實驗表明在同一工況條件下，圓孔叉排布置時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最大，為7.74 W/(m2·K);圓孔直排、方孔叉排布置次之，三角孔叉排、方孔直排較差;三角孔直排最差，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最小，為5.78 W/(m2·K)。

圖11 出風板開孔噴口不同形狀及布置方式下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

2.3.3 入口風速對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

不同工況條件下入口風速對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響見圖12所示。由圖12可知，入口風速對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響比較大。入口風速為12 m/s時的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是8 m/s時的1.25倍。但入口風速大于12 m/s后，隨著風速增大，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)卻變小。這是由于出風板開孔率一定時，隨著入口風速的增加，氣墊層靜壓的增加，使得紙張離出風板距離加大，減少了表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

在紙張干燥過程中應選擇最佳入口風速值，使得紙張干燥過程中表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)值最大。在本實驗條件下，最佳值入口風速為12 m/s，此時傳熱效果最好。

圖12 不同入口風速下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

2.3.4 入口空氣溫度對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

改變入口空氣溫度，研究入口空氣溫度對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響。圖13所示為出風板不同開孔噴口形狀及噴口布置方式下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與入口空氣溫度間的關系。從圖13可以看出，同一工況條件下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)值隨入口空氣溫度的變化較小。在整個入口空氣溫度變化過程中，方孔直排工況下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化幅度最大，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最大為6.1 W/(m2·K)，最小為5.88 W/(m2·K)，變化幅度＜4%。

圖13 不同溫度下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

3 結論

以濕木板的干燥來模擬漿板的干燥，通過對干燥過程中濕木板質量、溫度、熱風箱內靜壓值測量和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算、分析，得出如下結論。

3.1 熱風箱內靜壓值沿流動方向呈線性增加。靜壓差值隨著入口風速的增加而增加，隨出風板開孔率增大而減小。同一工況下出風板開孔噴口叉排布置時靜壓分布效果優(yōu)于直排布置，出風板開孔噴口為圓形叉排時靜壓值分布最佳，出風板開孔噴口為三角孔直排時靜壓分布最差。

3.2 對于氣墊層表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，出風板開孔率和入口風速都存在一個最佳值，在這個最佳值下傳熱性能最優(yōu)，空氣入口溫度對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響較小。同一工況下出風板開孔噴口叉排布置時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)優(yōu)于直排布置，噴口為圓形叉排時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最高為7.74 W/(m2·K)，噴口為三角孔直排時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最低為 5.78 W/(m2·K)。

3.3 綜合考慮熱風箱靜壓分布效果及氣墊層表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，最佳參數(shù)為:入口風速12 m/s;出風板開孔率為7.42%;出風板開孔噴口形狀及噴口布置方式為圓孔叉排最佳，圓孔直排和方孔叉排次之，方孔直排、三角孔直排最差。

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