籽棉调湿工艺中管道保温的仿真计算

■　陈生超　张纪元

〔郑州棉麻工程技术设计研究所，河南郑州450004〕



籽棉调湿工艺中管道保温的仿真计算

■陈生超张纪元

〔郑州棉麻工程技术设计研究所，河南郑州450004〕

一、引言

当前，随着人工成本的不断增加，机械采摘已经成为我国棉花的主要采摘方式，但同手摘棉相比，机采棉普遍存在一致性差，含杂率、短绒率高的问题，与美国、澳大利亚机采棉相比质量差别也较大，新疆机采棉在棉纺中普遍只能做20支～40支的低端纱线。随着在兵团中机采棉种植面积的不断扩大，棉花价格，特别是机采棉价格的持续走低，严重影响了以棉花为经济支柱的兵团经济。为了广大棉农的利益，国家进行了大量的补贴，给国家经济造成了沉重的负担。因此，提高机采棉质量，使其满足下游纺织企业的要求，才能拥有市场增加收益，而提高机采棉质量的核心手段就是改变现有的以产量为主的加工工艺，精细研究针对机采棉特点的加工工艺。其中增加籽棉调湿工艺，对机采棉品级的提高有着明显的提升作用，而国内对籽棉调湿技术的研究还比较缺乏，特别是对该技术基础数据的研究处于空白状态，所以，开展机采棉调湿技术的研究对我国棉花加工业意义重大。

本文针对当前市场上存在的籽棉调湿工艺中热量损失过大的问题开展了研究，首先采用传热学中管道强制传热理论建立了籽棉调湿管道中热量损失的理论模型，然后通过采用CFD流体分析软件对非保温热风管道、保温热风管道进行仿真分析，探索两种条件下管道中热量损失的情况，为进行籽棉调湿工艺的布局提供了参考依据。

二、籽棉调湿热风管道的热传输模型

籽棉调湿热风输送管道中的热量传输包括了管内热空气与管道内壁的管内强制对流换热，管壁的热传导，室外空气与管道外壁的热交换三个方面。由于非保温热风管道的管壁厚度为1 mm的钢板，且导热系数很大，热阻可以忽略，所以，非保温热风管道的热量传输只包括管内的对流换热和管外的散热两个部分。保温热风管道的管壁采用厚度为10 mm厚度的硅酸铝纤维毡，导热系数为K=0.036 W/m·k。

假设室外空气温度为To，热空气的温度为Tf，建立的籽棉调湿热风输送管道热传输的理论模型如图1所示。

图1　棉花调湿工艺中热风管道中热传输的理论模型

室外空气与管道外壁的热交换包括了外部强制对流换热和辐射传热，设当地风速为v风，管道外表面散热系数a外的公式：

管道内壁与热空气强制对流换热计算中，设空气密度为ρ，粘度为μ，比热容为Cp，热传导率为λ，流速为v，管道内径为D，管道长度为L，流体温度为Tf，管壁温度为Tw。对于雷诺数Re在2 300～106之间，普朗特数Pr在0.6～105之间的管内流体，根据Gnielins⁃ki关联式，可得管内热空气与管道内壁的强制对流换热系数a内为：

其中雷诺数Re、普朗特数Pr分别为：

f为管内湍流流动的Darcy阻力系数，根据Filonenko公式，可得f为：

ct主要与管内气体温度和管壁温度相关，虽然该模型不考虑管壁的热传导，但由于管壁外部受到自然风的影响，管壁温度和管内流体温度有偏差，故：

公式（1）、（2）为棉花加工热风输送管道中传热计算模型。通过测量管内空气和管壁的温度，当地风速v，查询热空气参数可以求得管道外表面散热系数和内表面对流换热系数，为计算流体力学在棉花加工热风输送管道中的应用提供了依据。

三、热风管道中热损失的数值模拟

（一）内换热系数和外散热系数的计算

以128团籽棉调湿热风输送管道为模型进行仿真，如图2所示，设管道总长度为L=48.28 m，直径D= 0.6 m，中间有两个半径为2 m的弯管道。

图2　热风输送管道尺寸图

测得试验当天的室外风速为v风=3 m/s，温度为278 K；管道入口热风温度T入=423 K，速度v=20 m/s，根据现场试验测得出口温度T出在389K左右，故设定流体温度Tf为：

通过查询相关资料，406 K热风的相关热性能参数如表1所示。

表1　406K热风性能参数

当温度稳定后，采用温度传感器在非保温管道和保温管道相同位置测量管内流体温度Tf和管壁温度Tw的热力学数值，根据测得数据计算可得非保温管道的Tf/ Tw=1.1，保温管道的Tf/ Tw=1.2。

通过公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7），求得管道外表面散热系数和内表面对流换热系数a外、非保温管道、保温管道a内分别为：

对于弯管道部分的内表面对流换热系数a内，，需要乘以一个修正系数cr［16］：

非保温管道：

保温管道：

（二）模型的网格化

采用Solidworks软件将图2中的二维图形三维化，保存成STL格式后，在CFD软件中进行网格划分，划分结果如图3所示。

图3　网格划分

（三）仿真参数的确定

材料：

流体材料选择空气；管壁材料选择Q235-A冷轧镀锌钢板；保温层材料硅酸铝纤维毡。

模型：

采用κ-ε湍流模型进行数值模拟。

非保温管道边界条件：

进口温度T =423 K，流速v=20 m/s；出口压力P= 0 Pa；外表面散热系数为24.76 W/m2·K，内部直管部分对流换热系数为50.40 W/m2·K，内部弯管部分对流换热系数为77.2 W/m2·K；外部环境温度为278 K。

保温管道边界条件：

进口温度T=423 K，流速v=20 m/s；出口压力P= 0 Pa；外表面散热系数为24.76 W/m2·K，内部直管部分对流换热系数为52.40 W/m2·K，内部弯管部分对流换热系数为80.2 W/m2·K；外部环境温度为278 K。

（四）仿真结果与分析

如图4、5所示是在热风沿管道温度分布图，从图中只能看出对于非保温管道热风温度由423 K降到了400 K左右，温度降低了23℃，而对于增加了硅酸铝纤维毡保温层的管道，热风温度由423 K降到了412 K，温度降低了11℃。由此得出热风以20 m/s的速度通过48.28 m的籽棉调湿输送管道，保温层的存在可以使热风温度由降低23℃减小到11℃，热量损失率降低了109%。

图4　非保温管道热量损失图　

图5　保温管道热量损失图

四、总结

本文的主要工作有以下两点：（1）建立了籽棉调湿热风管道的传热模型；（2）针对非保温管道和保温管道传热模型的区别对模型进行了相关的修正，并分别求证了各自管内的传热系数；（3）采用CFD流体分析软件针对非保温管道和保温管道的热量损失进行了数值模拟，求得增加硅酸铝纤维毡保温层可以降低109%的热量损失。

本文后续的工作内容：后续本文要通过现场试验得到相关的试验数据，然后与数值分析的数据进行比对，对数值分析的数据进行修正，以方便以后更有利于籽棉调湿工艺的改进。☆