一种新的烘缸加热蒸汽供汽方式

李瑞虎 李建军 乔丽洁

(陕西科技大学机电工程学院，陕西西安，710021)

对于高速纸机，蒸汽产生的冷凝水会形成紧贴内壁面的稳定水环［1-2］，在不采用专门干扰的情况下，烘缸内1 mm厚的冷凝水环的热阻约等于15 mm厚的烘缸铸铁壳体的热阻，当冷凝水环层厚度超过2 mm时，热阻显著增加［3］。

烘缸在运行过程中，为了降低冷凝水环层的热阻，强化传热效果，必须加强以下两方面的工作:①尽量及时有效地排除烘缸内的冷凝水，降低冷凝水环层的厚度;②对冷凝水环层进行干扰，使得液膜不稳定因素增强，原本稳定流动的水环出现不稳定趋势，产生湍动［4-5］。从而降低水环层热量传递的阻力，提高传热系数，增加传热效率。

李瑞虎等人通过实验研究了专门干扰冷凝水环层对水环稳定性的影响［6］，设计了烘缸内汽刀式供汽实验装置，并进行了实验。

创新的蒸汽供给方式通过尽量降低冷凝水环层的厚度来达到节能的目的，它是通过设计所谓倾斜式汽刀装置，使“汽刀”斜向冲击水环，削薄水环层的厚度，并使设置虹吸器吸嘴的局部冷凝水环层厚度稍有增加，便于冷凝水被虹吸器的吸嘴吸入，从而达到尽量及时有效地排除烘缸内的冷凝水的目的。

1 汽刀装置结构设计

1.1 汽刀装置结构

汽刀装置结构如图1～图4所示，该装置主要由中央蒸汽管、支管、连接管、集气管、喷管板组成。中央蒸汽管与烘缸同心安装，支管固定在中央蒸汽管上，集气管通过连接管与支管相连接，喷管板固定在集气管上，组成贯通的汽刀装置。

集气管、喷管板、连接管组合成汽刀组合件 (见图2)，它是该装置的核心部件。蒸汽集气管与喷管板采用铝合金材料，以减轻其质量，蒸汽集气管与喷管板间通过钎焊连接，集气管两端密封，喷管孔直接加工在喷管板上 (见图3)。

1.2 工作过程

工作时，蒸汽依次进入中央蒸汽管、连接管、支管、集气管，再经喷管板上的一排喷管孔喷出，形成所谓的汽刀，通过汽刀的冲击，冷凝水环层局部将被冲击下陷。

由于喷管孔中心线与连接管、支管中心线有一定的夹角，汽刀斜向冲击冷凝水环层 (见图4)，当汽刀速度达到一定时，将使冷凝水环层产生剥离，冷凝水再通过如图4所示的虹吸器吸嘴吸入，使冷凝水排出烘缸。

喷管与烘缸内壁面距离12 mm，喷管孔间距5 mm，每个喷管板上设有1000个喷管孔。

2 设计计算

2.1 喷管蒸汽流量计算

本设计采用的烘缸直径为Φ1.8 m，纸幅宽为5 m，高速烘缸车速500 m/min(8.33 m/s)。采用三段烘缸干燥，第一段共12个烘缸，每个烘缸设置三组汽刀组合件，其中一组汽刀组合件的主要功能用于减薄水环层的厚度，故其喷管孔中心线与连接管中心线有一定的角度 (见图4)，另外两组汽刀组合件的主要功能是用于干扰冷凝水层，使加热蒸汽以汽刀的形式垂直喷射到冷凝水环层，使得原本稳定流动的水环产生湍动［6］。

本烘缸用于生产定量50 g/m2新闻纸的干燥，干燥蒸汽消耗量2.5～4.0 kg蒸汽/kg纸［7］，取干燥1 kg纸需要3 kg的水蒸气。

则:单位时间生产纸张量为8.33×5×50×10－3=2.083(kg/s)

第一段12个烘缸供汽质量流量 2.083×3=6.248(kg/s)

第一段烘缸中每个烘缸供汽质量流量 6.248÷12=0.52(kg/s)

每一个汽刀组合件供汽质量流量 0.52÷3=0.174(kg/s)

每个喷管孔供汽质量流量 qm=0.174÷1000=1.74 ×10－4(kg/s)

2.2 喷管参数计算

2.2.1 喷管选择［8-9］

喷管孔采用渐缩喷管结构 (见图3)，以提高喷管孔喷出蒸汽的流速，在喷管孔进汽口与集气管之间采用较大角度的锥体圆滑过渡，确保由喷管喷出的蒸汽呈层流状态，避免出现紊流状态［8］，以达到汽刀对冷凝水环层冲击的强度，造成冷凝水环的湍动效果。

设集气管中蒸汽压力 (P1)为0.8 MPa，蒸汽温度 (T1)为205℃;烘缸内蒸汽压力 (P2)为0.5 MPa，0.5 MPa对应的饱和温度为 151.867℃≈152℃，校核烘缸内蒸汽温度 (T2)≥152℃。由公式 (1)计算蒸汽压比 (v)。式中，vcr为过热蒸汽临界压比，vcr=0.546。

因为蒸汽压比大于过热蒸汽临界压比，应选渐缩喷管，以增加喷管出口流速。

烘缸内蒸汽温度按温度T与压力P的关系式(2)计算。

式中，k为等熵指数，对于过热蒸汽，k=1.3。

由式 (2)计算得到喷管出口蒸汽温度为156℃＞152℃。

烘缸加热蒸汽温度、压力参数如表1所示。

表1 加热蒸汽温度、压力参数

2.2.2 喷管截面参数计算［8-9］

(1)计算喷管进口蒸汽流出速度 (C2)

根据蒸汽进入集气管的流速，取喷管进口蒸汽流入速度 (C1)为10 m/s:

式中，Cp为蒸汽的平均比定压热容，查得Cp=1.894 kJ/(kg·K);T1为喷管进口蒸汽温度，等于集气管内蒸汽温度205℃;T2为喷管出口蒸汽温度，等于烘缸内蒸汽温度156℃。

由式 (3)计算得:

C2=13.62+10=23.62(m/s)

(2)计算喷管出口直径 (d2)

喷管内质量流量计算按公式 (4)进行。

式中，qm为喷管内质量流量;A为喷管截面面积;C为蒸汽流速;v为蒸汽的比体积;A1为喷管进口面积;C1为喷管进口蒸汽流速;v1为喷管进口截面处蒸汽的比体积;A2为喷管出口面积;C2为喷管出口蒸汽流速;v2为喷管出口截面处蒸汽的比体积。

查过热蒸汽热力性质表得v1=0.38 m3/kg，v2=0.26 m3/kg。

把喷管出口蒸汽参数及流量代入式 (4)得:

A2=1.92(mm2)

计算得喷管出口直径d2=1.2(mm)

(3)计算喷管进口直径 (d1)

把喷管入口蒸汽参数及流量代入式 (4)得:

A1=6.61(mm2)

则d1=3.0(mm)

喷管参数如表2所示

表2 喷管参数

2.3 计算汽刀冲击进入水环层的深度［8］

在重力场中介质的伯努利方程见式 (5)。

式中，zg为单位质量流体对某一基准面具有的位置势能，其中z表示所研究点相对某一基准面的几何高度，又称为位置压头;g为重力加速度，m/s2。为单位质量流体具有的压力能，即由于流体压力的存在，可以使流体上升至一定高度称为压力势能，其中p为研究点的压力，Pa;ρ为介质的密度，kg/m3;为单位质量流体具有的动能，v为研究点的介质的流速，m/s;C为常数。

2.3.1 垂直水环表面冲击，汽刀进入水环层表面的深度

图5所示为汽刀垂直冲击水环示意图，由图5所示，可针对汽刀冲击水环层局部表面后出现的i表面及基准0表面写出伯努利方程。

为方便计算，简化如下:一是由于该研究介质是在离心力场中，且离心加速度很大，忽略重力加速度;二是不考虑冷凝水的黏性，按理想流体处理。伯努利方程如式 (6)。

图5 汽刀垂直冲击水环层示意图

式中，za离为在离心力条件下，单位质量流体对某一基准面具有的位置势能，其中z表示所研究点相对某一基准面沿离心加速度方向的几何高度，又称为离心力条件下的位置压头;a离为水环的离心加速度，m/s2;z0为基准表面，则z0=0;zi为i表面相对于基准0表面的高度或压头，m;为i表面单位质量流体具有的压力能，为基准0表面单位质量流体具有的压力能，其中ρ为介质的密度，kg/m3;p0为介质在基准0表面的压力，pi为介质在i表面的压力;为基准0表面单位质量流体具有的动能。其中v0为介质在基准0表面的流速，m/s，为i表面单位质量流体具有的动能，vi为介质在i表面的流速，m/s。

由于汽刀的动能是汽刀深入水环层的动力。即蒸汽在基准0表面的动能转化为汽刀垂直深入水环层的深度zi。喷管距烘缸内壁面只有12 mm，忽略汽刀从喷管出口喷射到冷凝水环层表面前的能量损失，得式(7)。

查饱和水热力性质表知:ρ水=917 kg/m3，基准表面水蒸气密度ρ汽=0.38 kg/m3，基准表面水蒸气流速(v气，等于喷管出口水蒸气流速)为23.62 m/s。

水环离心加速度计算:

式中，v水为水环的转动速度，r为水环的半径，约等于烘缸的半径0.9 m。

代入式 (7)得:zi=－1.50 mm

即汽刀垂直水环层表面冲击时，深入水环层的深度为1.50 mm。

2.3.2 汽刀斜向水环表面冲击，深入水环层表面的深度

如图4所示，汽刀是斜向冲击冷凝水环层的，使汽刀深入水环层的同时，剥离水环层。

设汽刀与水环层形成的夹角为45°，则由公式(7)计算的进入水环层的深度zi=－1.50 mm是以夹角为45°斜向冲击水环层的深度，设此时汽刀冲击水环的垂直深度为z，计算如下:

高速烘缸正常工作时，水环层厚度一般为1.0～2.5 mm［10］，当将水环层厚度减薄1.06 mm，会使冷凝水环层的热阻明显降低。

2.4 吸水器的选择［10］

选用悬臂式固定虹吸器。

在烘缸的两端非工作段开设3 mm深的吸水槽，虹吸器间隙从虹吸槽底部测量。

虹吸器吸嘴轴向位置设置在吸水槽中，周向位置设置在距离斜汽刀20～30 mm的位置，如图4所示，以利于排除冷凝水。

斜汽刀、虹吸器的具体位置，还需要在具体应用中确定。

2.5 汽刀组合件各零件结构

蒸汽支管选用D80铝合金管。蒸汽集气管选用D280铝合金管加工而成，喷管板选用D280铝合金管加工而成。

喷管孔表面的粗糙度要求在0.08～0.16 μm范围内。

3 实验

3.1 装置［6］

实验装置结构如图6所示，筒体用有机玻璃，外直径Φ300 mm，筒体厚度10 mm，长度400 mm。集气管上加工有一排间隔10 mm的直径为Φ2 mm喷管，喷管与筒体径向夹角45°。

图6 实验装置结构示意图

实验时蒸汽用空气代替，冷凝水用着红色的常温水代替，筒体持液量取2000 mL，通入气体压力分别为:0.4、0.5 MPa，实验转速取300 r/min，使烘缸内壁面形成的水环层处于稳定状态。

3.2 效果

由实验现象可以看出，空气由喷嘴喷出斜向冲击液环，对液环有强烈的扰动作用，液环被冲击的局部厚度减薄，但数码相机拍摄的照片 (见图7)效果不是很明显。

随着空气压力的提高，扰动作用越强烈，液环厚度减薄程度越大。

图7 实验现象照片

4 结语

4.1 高速烘缸内采用汽刀式供汽方式，理论计算和实验均说明该种设计能有效地削薄水环层的厚度，并对液环有强烈的扰动作用;同时也使设置虹吸器吸嘴的局部冷凝水环层度厚稍有增加，便于冷凝水被虹吸器的吸嘴吸入，尽量及时有效地排除烘缸内的冷凝水，达到提高水环的热量传递，实现节约能源的目的。

4.2 该装置结构简单，无活动零件，不会影响烘缸的正常运转和动平衡。

4.3 通过喷管设计计算可知，为了保证烘缸内蒸汽压力0.5 MPa、温度152℃的正常工艺参数，集气管中蒸汽压力及温度应达到0.8 MPa、205℃，虽然供汽参数有所提高，但也在正常范围内。

［1］ Yih C S．Stability of parallel laminar with a free surface［J］．Quart．Appl．Math．，1955，13:434．

［2］ Yih C S．Stability of liquid flow down an inclined plane［J］．Phys．Fluids，1963，6:321．

［3］ Gregory L Wedel，单翔年．扰流棒在提高热传导性能和冷凝水排出过程中的作用［J］．中华纸业，2009(10):105．

［4］ 叶学民，张 营，王松岭，等．剪切波状液膜流动稳定性研究［J］．中国电机工程学报，2007，27(20):103．

［5］ Krylov V S，Vorotilin V P，Levich V G．To the theory of wave flow of thin liquid films［J］．Teor．Osnovy Khim．Tekhnol，1969，3:499．

［6］ 李瑞虎，张 勇，马 明，等．用空气模拟蒸汽的烘缸汽刀式供给方式的实验［J］．纸和造纸，2011，30(4):18．

［7］ 孙 铭，全川生，伍 涛．造纸烘缸内部结构改进的探索［J］．造纸科学与技术，2005，24(1):52．

［8］ 罗惕乾，等．流体力学［M］．北京:机械工业出版社，1999．

［9］ 傅秦生．热工基础与应用［M］．2版．北京:机械工业出版社，2007．

［10］ 董继先，党睿．造纸机新型烘缸的研究与设计［J］．中国造纸，2009，28(6):45．