多通道烘缸旋转试验台的设计与实现

王莎 董继先 郭浩增 张树林 乔丽洁 董惟昕

摘要：本课题以研究多通道烘缸性能为目的，设计搭建了温度采集、压力采集、图像采集为一体的模拟烘缸旋转的试验台，并对试验台的性能进行了测试。结果表明，在给定压力条件下，通道组件的密封性能良好;在通道旋转状态下，传感器可成功采集通道内的温度及压力变化的数据，并将数据无线传输至计算机中，各数据之间的采集与传输互不干涉;摄像机在高速旋转状态下可清晰采集到通道内部蒸汽冷凝流型。

关键词：多通道烘缸;性能测试;高速图像采集;旋转

中图分类号： TS736.+3  文献标识码： A DOI：10.11980/j. issn.0254-508X.2022.02.010

Design and Realization of Multi-channel Cylinder Dryer Rotating Test Bench

WANG Sha1   DONG Jixian1，*   GUO Haozeng1   ZHANG Shulin1   QIAO Lijie1   DONG Weixin2

（1. College ofMechanical and Electrical Engineering，Shaanxi University ofScience& Technology，Xi’an，Shaanxi Province，710021;

2. Library，Xi’an University ofScience and Technology，Xi’an，Shaanxi Province，710054）

（*E-mail：djx@sust. edu. cn）

Abstract：To study the performance of the multi-channel dryer，a test bench that simulated the rotation of the dryer was designed in this study，which integrated temperature collection，pressure collection，and image collection，and the performance of the test bench was stud?ied. The results showed that the sealing performance of the channel components was good under the given pressure conditions，the sensor could successfully collect the data of the temperature and pressure changes in the channel when the channel was rotating，and wirelessly transmit the data to the computer. The collection and transmission of data did not interfere with each other，the camera could collect the steam condensate flow pattern inside the channel under the high-speed rotation state.

Key words：multi-channel cylinder dryer; performance test; high-speed image acquisition;rotating

造纸生产过程中，如何减少热阻以提高烘缸的干燥效率是亟需解决的问题之一。传统纸机烘缸在干燥过程中，蒸汽在烘缸内部冷凝放热产生大量冷凝水不能及时排出，在缸内形成冷凝水环并随着烘缸回转，影响蒸汽对烘缸内壁的传热效率[1-2]。国内外研究人员采取配备虹吸管排水装置以减少冷凝水环的厚度，或使用扰流棒使冷凝水产生湍流传热热阻等方法解决以上问题[3-5]。这些方法在一定程度上降低了传热热阻，提高了烘缸传热效率，但并没有完全解决问题。Choi 等人[6]提出了一种新型多通道烘缸，烘缸内壁周向均匀分布一系列矩形通道，蒸汽进入烘缸内筒，然后由内筒进入矩形通道，在矩形通道进行冷凝放热。Jae 等人[7]选取单个矩形通道进行研究，结果表明，多通道烘缸的冷凝传热系数可达15000 W/（m2·K），比传统烘缸的传热系数提高了7～20倍。

董继先课题组[8-10]在 Choi 等人[6]的基础上进行改进，蒸汽经进气口直接进入矩形通道，在通道内冷凝放热;通过试验研究发现，单个矩形通道的平均换热系数可达8000～24000 W/（m2·K）[11-12]，与前人研究结论相似。前人研究中的数据均是在静止条件下得到的，但烘缸的实际工作状态为轴向旋转状态，国内外对旋转状态下通道冷凝换热的研究主要集中在涡轮叶片或热管中，多为径向旋转，而通道形状多为U型通道和回转通道[13-16]。Hosseinalipour等人[14]对光滑 U 型通道在径向旋转状态下研究了雷诺数、旋转数及进气口密度比对对流换热的影响; Ibrahim 等人[17]研究了径向旋转状态下，转速对三角形热管传热特性的影响。 Johnson 等人[18]通过试验发现偏心参数对压降几乎没有影响，在通道的入口区域旋转对压降的影响可以忽略不计。

为了实现与现实烘缸运行一致的效果，研究其传热特性，本课题设计并搭建了一种旋转式多通道烘缸试验台，并对试验台的密封性能、温度场检测及流型图像的采集进行试验测试，检测试验台能否成功采集通道内部温度场的变化，以及旋转状态下蒸汽在矩形通道内流型变化，为多通道烘缸的后续研究及应用提供试验平台。

1 试验台的设计

1.1 试验台基本结构

多通道旋转试验台主要由3部分组成：蒸汽循环系统、冷却剂循环系统和旋转装置。蒸汽循环系统产生的蒸汽经过金属波纹管进入旋转的矩形蒸汽通道内;冷却剂循环系统用来模拟湿纸幅，在多通道烘缸旋转试验中，由冷却水代替冷却剂经塑料软管进入旋转的矩形冷却剂通道，其中旋转装置主要是带动试验件旋转，用来模拟实际烘缸的旋转状态。

前期已完成部分工作[19]：旋转装置的结构如图1所示，主要由支撑装置、传动系统、热电阻、数据采集模块、流量计、差压变送器及压力传感器组成。本试验台的旋转半径400 mm，矩形通道的长度 1100 mm，试验台总长度2900 mm，总高度1205 mm，宽度1350 mm。通道组件是本实验的试验件，主要研究蒸汽在通道内流动过程中温度及流型的变化，由通道、密封垫、PC板、PC板压盖、冷却剂通道盖板等组成，各组成部分由密封垫连接;蒸汽及冷却水分别通过金属软管进入矩形通道内，为防止液体及气体的泄露，同时在通道的四周均布有54个螺纹孔，用螺栓进行预紧。

当纸机车速为200～300 m/min 时，冷凝水由于离心力及重力的共同作用，在烘缸底部逐步形成水环附着在烘缸壁上;当车速达300 m/min 以上时，冷凝水受到足够大的离心力作用，在缸壁形成一个完整的水环，并随烘缸一起旋轉，但转速略低于缸速。即当通道的转速为79～119 r/min 时，会产生冷凝水环。本课题设计通道的最大旋转速度318r/min，用来模拟纸机车速800 m/min 的运行状态。

当达到最大转速318 r/min 时，通道受离心力而发生最大弯曲变形。前期工作结果显示[19]，通道最大变形量0.4 mm，最大屈服强度31.03 MPa。根据通道的许用挠度y=l/750～l/500（l 为通道长度），得出通道最大允许变形量为2.2 mm;通道材料为铝板，最大屈服强度为275 MPa，所以通道的最大变形量及最大屈服强度均满足要求，该试验装置的结构强度满足要求。

1.2 传动系统计算

本实验装置通过调节变频器来改变电机的转速，从而研究不同转速下矩形通道换热系数的变化。具体计算如下所示[19]。

旋转装置的转动惯量由旋转圆盘、通道组件和支撑板3部分组成。根据理论力学公式[20]，支撑杆和通道组件的转动惯量（J）由式（1）计算。

其中，m 为支撑板质量，kg; R 为回转半径，m。

本实验装置中支撑板的总质量约2.7 kg，通道组件总质量约21 kg，可计算得支撑杆的转动惯量为J1=0.96 kg ·m2，通道组件的转动惯量J2=6.72 kg ·m2。

根据理论力学公式[20]，旋转装置的总转动惯量由式（2）计算。

旋转圆盘总质量约25 kg，可得圆盘的转动惯量J3=4 kg ·m2。因此，旋转装置的总转动惯量为J=11.68 kg ·m2。

电机从0加速到318 r/min需要15 s，此时最大转速的角加速度α=2.2 rad/s2，则圆盘加速过程中需要的力矩为25.7 N。滚动轴承的摩擦系数较小，可忽略摩擦力矩。圆盘从零加速到匀速运转状态所需的动能E 由式（3）计算。

式中，ω为圆盘的角速度。

计算得E=6359.76 J，则圆盘从静止加速到最大速度所需功率为P=E/t=424 W。故电机所需要提供的功率P2=P+J4α1，其中J4是电机的等效转动惯量，α1为电机的角加速度。综上所述，本实验装置选择型号 F1500Y22L3H 的精研变频电机减速电机。

电机安装在底座上，转动时可以减少震动，增加其稳定性;传动系统选择皮带或同步带轮传动。由于同步带轮具有准确的传动比、噪音小，可以实现准确控制转盘的转速，本实验装置的传动系统选择同步带轮传动，传动比为1∶1，根据小带轮的转速和电机的功率，选择同步齿形带的型号为S8型[21]。

根据式（4）计算皮带周长Lp '。

式中，C'表示暂定轴间距;Dp表示大带轮节圆直径;dp表示小带轮节圆直径。由计算得Lp'=1192.8 mm，选出最接近的皮带周长Lp为1264 mm。

根据式（5）～式（6）计算实际轴间距。

计算可得，实际轴间距 C=520 mm。

同步齿形带在运转一段时间后，会由于永久变形而松弛，导致初拉力下降。为保证同步带的传动能力，需增加张紧机构。

1.3 传感器的选择与安装

蒸汽及冷却水通道内安装热电阻，分别用来检测蒸汽侧、通道壁面及冷却剂侧的温度，采集的温度数据用于后续计算烘缸的传热系数;差压变送器安装在蒸汽进出通道口处，用来检测冷凝换热过程中压降变化;在旋转过程中，应用高速摄像机拍摄通道内两相流流型。热电阻、差压变送器与通道相对静止，检测到的数据由采集模块无线传输至计算机中;高速摄像机则是通过旋转轴触发光电传感器工作，从而触发相机进行拍摄。整个试验台的数据采集工作原理如图2所示。

本实验系统选用PT100热电阻测量通道内温度的变化，热电阻在通道内的排布方式如图3所示，其中Tc，i用来检测冷却液的温度，Tw，i用来检测壁面的温度，Ts，i用来检测蒸汽的温度。为防止热电阻在旋转过程中因离心力被甩出通道，使用带耳朵的热电阻经螺钉固定住，在入口处涂密封胶，在安装前首先对热电阻进行校准。

2 旋转试验台性能测试

2.1 通道组件密封性实验

多通道烘缸旋转试验台如图4所示。本试验台用于研究多通道烘缸在旋转状态下的冷凝传热效果。多通道烘缸的工作原理是蒸汽在通道内部冷凝换热从而干燥湿纸幅，蒸汽通道的密封性能影响模拟干燥时蒸汽冷凝过程中压降的变化及热量的转换，需保证通道组件在实验过程中密封性能良好，防止蒸汽从通道中泄露，造成较大误差。将压缩空气通入蒸汽及冷却液通道中，切断气源将蒸汽通道出气阀门关闭，参数如表 1所示。通过压力变送器采集的数据来判断蒸汽通道的密封性是否满足要求。

蒸汽通道密封性实验结果如图5所示，当压缩空气压力为0.1、0.2 MPa 时，30 min 内压力几乎保持不变，当压力增至0.3 MPa 时，30 min 内压力有轻微下降，压力下降接近0.02 MPa;当压力增至0.4 MPa 时，30 min 压力下降接近0.05 MPa，但未超过0.05 MPa，蒸汽通道气密性满足实验要求。

2.2 传感器信息传递性能

温度采集模块、压差采集模块采集的数据通过路由器传输到计算机中。温度及压降的采集是在旋转状态下同时进行的，结果如图6所示。结果表明，温度及差压变送器采集模块在旋转状态下可同时采集温度及压差的数据信息，并将数据无线传输至计算机中，2组数据在传输过程中不会发生相互干涉。

2.3 高速图像采集性能

旋转轴上信号触发光电传感器工作，通过继电器将拍摄信号传递至摄像机中。为保障拍摄系统光线充足，在图像采集过程中放置冷光源，用于图像补光，本摄像机的曝光时间为1.5μs～40 ms，在转速为50～100 r/min 时，拍摄频率为500 Hz。当转速增大时，为拍摄到蒸汽冷凝状态，可提高拍摄频率。不同转速下图像采集结果如图7所示。从图7中可清晰观察到，不同转速下通道内两相流流型的变化，所以本实验系统可成功采集选择状态下通道内的流型图。

3 结论

本课题设计并搭建了模拟旋转状态下多通道烘缸运行的试验台，并对试验台性能进行了测试。

3.1 在 0.1～0.4 MPa 压力条件下，通道密封性能良好，满足实验要求。

3.2 在旋转状态下，热电阻采集到蒸汽、壁面及冷却液的温度场数据和压差变送器采集的压力差数据，可同时由无线传输模块将数据传输至计算机中，在采集及传输过程中，各信号之间不会发生干扰。

3.3 在旋转状态下，高速摄像机可清晰采集到通道内部蒸汽冷凝流型，可通过调节高速摄像机的频率来实现不同转速下冷凝流型的采集。

3.4 本试验台可用来模拟多通道烘缸的实际工作状态，为进一步研究多通道烘缸提供实验条件。试验台通过热电阻检测出来的数据可用于计算不同转速下多通道烘缸内部矩形通道的换热系数，研究多通道烘缸的传热效率，为多通道烘缸的设计及应用奠定了基础。

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（责任编辑：杨苗秀）