鋼制揚(yáng)克缸在新月型衛(wèi)生紙機(jī)中的應(yīng)用及其干燥能力的計算

施偉嘉 金順重機(jī)（江蘇）有限公司

1.鑄鐵烘缸與鋼制烘缸的性能差別

傳統(tǒng)的揚(yáng)克缸采用鑄鐵材料生產(chǎn)，材料牌號為HT300或者ASME-CLASS 60，缸體具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性、高耐磨性的特性。目前高速衛(wèi)生紙機(jī)所用的鑄鐵揚(yáng)克缸的最大直徑為5,486mm，缸體厚度通常約為60～90mm。

鋼制揚(yáng)克缸采用中低溫壓力容器用碳鋼板Q345-GB/713或者ASME SA516Gr70，根據(jù)直徑與幅寬通過單片或兩片鋼板卷板后經(jīng)特殊焊接工藝焊接而成。鋼板的抗拉強(qiáng)度和抗剪切性能均好于鑄鐵（見表1），目前投入使用的鋼制揚(yáng)克缸最大直徑已經(jīng)達(dá)到6,705mm，幅寬可達(dá)5,600mm[1]，最高運(yùn)行車速已達(dá)2,000m/min[2]。

鋼制缸的表面需進(jìn)行噴涂高硬度的金屬涂層。缸面硬度可達(dá)HRC＞55。通常涂層的厚度為0.4～0.85mm，噴鍍層的壽命一般為5～8年，之后需要再進(jìn)行噴鍍處理。

表1 鑄鐵與壓力容器鋼板的數(shù)據(jù)對比

2.鋼制揚(yáng)克缸的一般參數(shù)

新月型衛(wèi)生紙機(jī)紙頁出壓榨輥的干度約為36%～39%（僅配備真空托輥的情況下），其余約60%左右的水分的蒸發(fā)是由紙機(jī)烘干部的揚(yáng)克缸（Yankee Dryer）和氣罩（Hood）完成的。此外，揚(yáng)克缸還起到壓榨的配對輥的作用，并且衛(wèi)生紙的干法起皺也是在揚(yáng)克缸上完成的。因此，選擇了正確的揚(yáng)克缸，紙機(jī)的運(yùn)行就成功了一半。

表2 2850mm、1800m/min衛(wèi)生紙機(jī)用鋼制揚(yáng)克缸的一般參數(shù)[5]

續(xù)表

3.鋼制揚(yáng)克缸干燥原理與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

衛(wèi)生紙在干燥部烘干所需要的熱能主要通過熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對流的方式傳遞到紙頁上，從而實(shí)現(xiàn)水分的蒸發(fā)。濕紙頁與揚(yáng)克缸接觸后，便開始熱傳導(dǎo)過程，同時伴隨有熱輻射的過程，缸體的溫度主要與缸內(nèi)的蒸汽壓力有關(guān)。當(dāng)貼附在揚(yáng)克缸表面的紙頁進(jìn)入熱風(fēng)氣罩區(qū)域時，便開始了熱對流方式為主的烘干過程。所以揚(yáng)克缸干燥能力的計算同時需考慮氣罩（Hood）的作用[6]。

表3 揚(yáng)克缸內(nèi)的蒸汽壓力對應(yīng)的蒸汽溫度[7]

表4 氣罩溫度與缸面紙頁溫度的關(guān)系[8]

4.案例分析及干燥能力計算

案例：現(xiàn)有幅寬2,850mm衛(wèi)生紙機(jī)，要求運(yùn)行車速1,800m/min，成紙定量14g/m2，起皺率20%，揚(yáng)克缸直徑5,486mm，蒸汽主管壓力10bars，缸內(nèi)蒸汽壓力8bar（表壓），使用熱泵及蒸汽氣罩，氣罩熱風(fēng)溫度約170℃，氣罩包覆角230°。

設(shè)定進(jìn)揚(yáng)克缸前的干燥度為38%，出揚(yáng)克缸的干燥度為95%，計算此揚(yáng)克缸干燥能力能否滿足車速要求？

分析：

a）首先需計算出干燥區(qū)域單位面積的總蒸發(fā)率=揚(yáng)克缸的蒸發(fā)率+氣罩蒸發(fā)率。氣罩的蒸發(fā)率只與包角度及蒸汽壓力有關(guān)，與材料本身影響不大。而揚(yáng)克缸的蒸發(fā)率與蒸汽壓力，材料因素，缸殼厚度，噴涂因素等有關(guān)，所以需先取得缸殼總的熱傳導(dǎo)系數(shù)再加以計算。

U=缸殼總導(dǎo)熱系數(shù)[8]

hSH=缸殼到紙頁導(dǎo)熱系數(shù)（沒有前段烘缸的情況下使用7325kcal/m2h℃）[8]

hC=蒸汽到缸殼的導(dǎo)熱系數(shù)（溝紋缸殼：1,342kcal/（m2h℃）[8]

X1=缸殼厚度,在溝紋缸殼中則選用齒根厚度：26mm（見表3）

X2=揚(yáng)克缸表面噴涂厚度：0.75mm（見表3）

K1=缸殼的熱導(dǎo)率（鍋爐鋼：44.7kcal/mh℃）[5]

K2=缸面噴涂層的熱導(dǎo)率：8.9kcal/mh℃。[8]

b）再計算出標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量（1kg）水蒸發(fā)所需要的熱能。

h1=hfg+CW（T2-T1）=599.45kcal/kgH2O

蒸發(fā)1kg的水所需要的熱量。

其中：

hfg=（焓值），標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的汽化潛熱，在海拔900m以下：539.45kcal/kgH2O。

CW=水的比熱：1.0kcal/kg℃

T2=大氣壓中的水沸點(diǎn)溫度：100℃

T1=紙頁貼上揚(yáng)克缸前的溫度：40℃

c）再來計算揚(yáng)克缸表面溫度與紙頁溫度差所對應(yīng)帶走的水量，從而計算出揚(yáng)克缸的蒸發(fā)率。這里我們用到了之前計算的缸殼總的傳導(dǎo)系數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量（1kg）水蒸發(fā)所需要的熱能的數(shù)據(jù)。

其中：

TST=揚(yáng)克缸內(nèi)的飽和蒸汽溫度：175.3℃（表壓8bar飽和蒸汽溫度值，見表5）

TSH=平均揚(yáng)克缸表面的紙頁溫度：79.5℃（見表6）

h1=蒸發(fā)1kg的水所需要的熱量599.45kcal/kgH2O。

d）繼續(xù)計算氣罩中熱空氣與紙頁溫度差所帶走的對應(yīng)水量（本案例使用蒸汽氣罩不考慮熱輻射的做功），從而計算出氣罩的蒸發(fā)率。

其中：

TA=氣罩熱空氣的溫度：170℃(揚(yáng)克缸使用8bar蒸汽時，常用氣罩溫度數(shù)據(jù))

h3=氣罩熱空氣的導(dǎo)熱率約：63.6kcal/（mh℃）[8]

e）再換算成單位面積的氣罩蒸發(fā)率

其中：

Air Cap Wrap°（氣罩包角）：230°

SF（氣罩計算安全系數(shù)）：0.9

f）最后是干燥區(qū)域總的單位面積蒸發(fā)率

ETotal=EYD+EAC2=108.73kgH2O/hm2[8]

g）最終使用質(zhì)量平衡來計算出此揚(yáng)克缸及氣罩的蒸發(fā)能力組合下所能達(dá)到的工作車速。

理論干燥產(chǎn)能所對應(yīng)的工作車速[8]。

其中：

E=總蒸發(fā)量：108.73kgH2O/hm2

D=揚(yáng)克缸直徑：5,486 mm

B.W.=揚(yáng)克缸上紙頁定量：11.2g/m2（14g/m2，20%起皺率）

M=干燥區(qū)域蒸發(fā)系數(shù)：（95%/38%）-1=1.5

EFF=運(yùn)行效率：95%

h）所以，在此條件下干燥能力的計算結(jié)果1,860m/min能滿足紙機(jī)1,800m/min速度下的正常運(yùn)行。

5.蒸發(fā)率與揚(yáng)克缸的關(guān)系

可以發(fā)現(xiàn)，揚(yáng)克缸的直徑在整個干燥能力的計算中并沒有體現(xiàn)，只是最后計算紙機(jī)操作速度能力時有所提及。這說明揚(yáng)克缸的直徑對紙頁水分的單位蒸發(fā)率的影響不大。但是，總蒸發(fā)量的提升是取決于更大的缸徑，更大角度與面積的紙頁包覆，及更多的氣罩覆蓋。從而最終增加了總的蒸發(fā)量。所以揚(yáng)克缸直徑的變化與車速有著密切的關(guān)聯(lián)，紙機(jī)車速越快，則需要直徑越大的揚(yáng)克缸來滿足總蒸發(fā)量的要求。結(jié)合生產(chǎn)選型經(jīng)驗(yàn)與案例計算，我們可以發(fā)現(xiàn)表5中的車速與缸徑數(shù)據(jù)的關(guān)系。

表5 衛(wèi)生紙機(jī)車速與推薦揚(yáng)克缸直徑的關(guān)系[4]

通過氣罩與烘缸蒸發(fā)率的對比分析，我們發(fā)現(xiàn)氣罩起的干燥作用有限，絕大部分均由揚(yáng)克缸完成。但吹風(fēng)氣罩又影響到衛(wèi)生紙松厚度的特性。所以，在有某種限制條件下，可以盡量選擇大尺寸的揚(yáng)克缸以達(dá)到最佳的蒸發(fā)效率。而蒸汽氣罩的熱風(fēng)來源大部分是揚(yáng)克缸排出的冷凝水的二次閃蒸及尾氣回收，但各廠條件不一，有的小廠配備燃煤/燃?xì)忮仩t，蒸汽成本高、而大廠配備電廠抽背機(jī)組，蒸汽的回用效率更高。烘缸的選型也需要根據(jù)實(shí)際情況來定。

如何取得更好的機(jī)臺能源效率，在揚(yáng)克缸選型初期根據(jù)目標(biāo)客戶的實(shí)際情況就需要多加考慮。