浆板机气垫式热风箱气体流动及传热特性模拟研究

张长飞 丁克强 葛仕福 李乾军 张东平 吴功德

(1.南京工程学院环境工程系，江苏南京，211167;2.东南大学能源与环境学院，江苏南京，210096)

根据我国制浆造纸工业的长远规划，到2015年纸及纸板消费总量将达到8000万t/a以上，至2020年我国的纸和纸板生产总量将达到1亿t/a［1-2］。造纸工业“十二五”规划草案目前已经完成，加快产业结构调整、提升改造与绿色发展成为规划的主要内容。技术和装备水平是节能减排的重要影响因素，加强企业的技术改造，加快开发重大产品和重大技术是关键［3-5］。

气垫式干燥器通过加热空气以冲击干燥形式干燥纸板，提高了干燥部的运行性能、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控制纸幅翘曲，具有明显优越性［6-7］。气垫式干燥器的干燥过程中，纸张中水分的气化是一个传热传质过程，蒸汽扩散可以用表面传热系数和传质系数来表征。表面传热系数是干燥器设计的关键参数。表面传热系数增大时，水分去除速度快，缩短了干燥时间，减小了干燥设备的尺寸。因此，对气垫式干燥器进行研究开发，可以大大提高蒸汽利用率和纸张质量、降低能耗和设备成本。

热风箱是对浆板进行加热干燥并形成气垫的关键设备，直接影响纸机的生产速度和所生产纸张的品质［8］。如何设计热风箱来减少浆板在干燥器内的摩擦阻力、减少断头和破损现象的产生、使得纸机高速平稳运行是其关键技术。我国造纸干燥过程中热风箱技术目前还停留在对国外设备的引进和消化吸收阶段［9］。我国关于热风箱喷口处气垫层流场规律及传热特性的基础研究还是空白，热风箱喷口形式、入风参数对传热效果的影响研究还刚刚起步。加快这方面的研究对于缩小与国外先进技术的差距，进一步研究开发高速气垫式干燥机，具有重要的指导意义。

1 实验

1.1 实验系统及参数

实验模型系统、热风箱流场示意图分别见图1和图2所示，热风箱模型孔板图见图3所示。实验过程为:空气通过电加热器加热后对悬浮一定高度湿木板进行干燥，测量湿木板加热前后的质量，从而计算表面传热系数和绘制湿木板的干燥速率曲线。

湿木板的悬浮高度由不同风速下的模拟计算得出。分析出风板风速、温度、出风板开孔率、出风板开孔喷口的形状和布置方式对表面传热系数和热风箱气垫流场的影响，实验参数如表1所示。

表1 实验参数

实验条件:热风箱高度比τ=0.5(τ=a/b)，实验室环境温度20℃;干空气密度1.225 kg/m3;空气动力黏度1.46×10－5m2/s，饱和水密度999.0 kg/m3。

1.2 其他仪器

电子天平、温度巡检仪、XMT-3000系列工业控制/调节器、QDF-3热球风速仪等。

2 结果分析

2.1 湿木板干燥特性曲线

图4为不同空气湿度下湿木板干燥速率曲线。由图4可以看出，随着加热空气湿度的降低，传质推动力增大，干燥速率在整个过程中呈现加快的趋势。图5所示为不同空气湿度下湿木板中心温度随干燥时间变化的曲线。由图5可以看出，湿木板的气垫式干燥，预热阶段时间较短，约为40 min左右，大部分都处于等速干燥阶段。

2.2 影响热风箱静压因素分析

2.2.1 入口风速对热风箱静压及速度分布的影响

热风箱内静压差值的大小，反映了热风箱内气体流动的均匀性，差值越小，均匀性越好。在高度比为0.5时，分别对入口风速为8 m/s、12 m/s和16 m/s工况下的热风箱内部的静压值进行了测量，结果见图6所示。由图6可以看出，热风箱内的静压值沿气体流动方向不断增大。入口风速为8 m/s、12 m/s时热风箱尾端1418 mm与入口端的静压差最大分别为50 Pa和80 Pa，比入口端静压增加分别为16.6%、22.2%。当流速为16 m/s时，静压差达200 Pa，比入口端静压增加了45%，静压分布均匀性较差，说明入口风速高于12 m/s时，热风箱内气体流动均匀性不好。

图6 不同入口风速下热风箱静压变化曲线

通过测量热风箱内风速的变化可以研究热风箱内气流均匀性的状况。图7所示为不同入口风速下的热风箱内速度分布图。由图7可以看出，离热风箱入口越远，风速越小。入口风速越大，热风箱内的速度梯度越大，流场越不均匀;当入口风速为12 m/s和16 m/s时，测点位置为1418 mm处 (热风箱最尾端)速度仍然较大，没有接近零，仍有一定的流速。

图7 不同入口风速下热风箱内速度分布

2.2.2 出风板开孔率对热风箱静压的影响

在实验条件下热风箱内不同出风板开孔率 (圆孔直排)下的静压曲线如图8所示。由图8可以看出，在相同的流量下，开孔率越大，出口风速越小，静压差值越小，气垫层分布越均匀。由图8可以看出，为保证热风箱内气体流动的均匀性，开孔率不要低于6.67%。

图8 出风板不同开孔率下热风箱静压变化曲线

2.2.3 开孔方式对热风箱静压的影响

在实验条件下，不同出风板开孔方式下热风箱内的静压曲线见图9所示。由图9可以看出，在相同的流量和开孔率下，圆孔叉排方式布置时静压差最小，气垫层分布较均匀。

图9 出风板不同开孔方式下热风箱静压变化曲线

2.3 表面传热系数影响因素分析

2.3.1 出风板开孔率对表面传热系数的影响

图10所示为表面传热系数随出风板开孔率的变化情况。由图10可以看出，在同一实验条件下，出风板开孔率对表面传热系数的影响较大，表面传热系数随出风板开孔率的增大而增大，出风板开孔率为7.42%时达到最高点，之后随出风板开孔率增大略有减小。圆孔叉排工况传热效果最佳，表面传热系数为7.74 W/(m2·K)。

图10 表面传热系数随出风板开孔率的变化

总风量一定时，改变出风板开孔率可以改变出风口风速。出风口风速直接影响表面传热系数的大小。减小出风板开孔率可以使出风板的出风口风速变大，一方面可以提高表面传热系数，但同时增大了气垫层静压，使纸张离出风板的距离加大，这样会减小表面传热系数。

综上所述，浆板机气垫式热风箱出风板存在一个最佳开孔率，在这个最佳开孔率下可使得气垫层中气体与纸张间的表面传热系数最大，较佳开孔率为7.42%。

2.3.2 出风板开孔喷口的形状及喷口的布置方式对表面传热系数的影响

出风板开孔喷口的形状及喷口的布置方式都会影响热风箱的气体流动和气垫层的均匀性，从而影响传热效果。

出风板开孔喷口不同形状及布置方式对表面传热系数的影响见图11所示。实验表明在同一工况条件下，圆孔叉排布置时表面传热系数最大，为7.74 W/(m2·K);圆孔直排、方孔叉排布置次之，三角孔叉排、方孔直排较差;三角孔直排最差，表面传热系数最小，为5.78 W/(m2·K)。

图11 出风板开孔喷口不同形状及布置方式下的表面传热系数

2.3.3 入口风速对表面传热系数的影响

不同工况条件下入口风速对表面传热系数的影响见图12所示。由图12可知，入口风速对表面传热系数的影响比较大。入口风速为12 m/s时的表面传热系数是8 m/s时的1.25倍。但入口风速大于12 m/s后，随着风速增大，表面传热系数却变小。这是由于出风板开孔率一定时，随着入口风速的增加，气垫层静压的增加，使得纸张离出风板距离加大，减少了表面传热系数。

在纸张干燥过程中应选择最佳入口风速值，使得纸张干燥过程中表面传热系数值最大。在本实验条件下，最佳值入口风速为12 m/s，此时传热效果最好。

图12 不同入口风速下的表面传热系数

2.3.4 入口空气温度对表面传热系数的影响

改变入口空气温度，研究入口空气温度对表面传热系数的影响。图13所示为出风板不同开孔喷口形状及喷口布置方式下的表面传热系数与入口空气温度间的关系。从图13可以看出，同一工况条件下表面传热系数值随入口空气温度的变化较小。在整个入口空气温度变化过程中，方孔直排工况下表面传热系数变化幅度最大，表面传热系数最大为6.1 W/(m2·K)，最小为5.88 W/(m2·K)，变化幅度＜4%。

图13 不同温度下的表面传热系数

3 结论

以湿木板的干燥来模拟浆板的干燥，通过对干燥过程中湿木板质量、温度、热风箱内静压值测量和表面传热系数的计算、分析，得出如下结论。

3.1 热风箱内静压值沿流动方向呈线性增加。静压差值随着入口风速的增加而增加，随出风板开孔率增大而减小。同一工况下出风板开孔喷口叉排布置时静压分布效果优于直排布置，出风板开孔喷口为圆形叉排时静压值分布最佳，出风板开孔喷口为三角孔直排时静压分布最差。

3.2 对于气垫层表面传热系数，出风板开孔率和入口风速都存在一个最佳值，在这个最佳值下传热性能最优，空气入口温度对表面传热系数的影响较小。同一工况下出风板开孔喷口叉排布置时表面传热系数优于直排布置，喷口为圆形叉排时表面传热系数最高为7.74 W/(m2·K)，喷口为三角孔直排时表面传热系数最低为 5.78 W/(m2·K)。

3.3 综合考虑热风箱静压分布效果及气垫层表面传热系数，最佳参数为:入口风速12 m/s;出风板开孔率为7.42%;出风板开孔喷口形状及喷口布置方式为圆孔叉排最佳，圆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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