纸机多通道烘缸传热特性及数值模拟研究

【摘要】：纸机干燥部能耗在造纸工艺中的占比大于50%,通过技术手段提高其主要部件—烘缸的干燥效率是干燥部节能的主要手段。缸体内积存的冷凝水为烘缸传热的主要热阻,而现有的促排方法均存在不足。基于此,本课题组提出了一种新型多通道烘缸,蒸汽在沿烘缸壁面周向布置的矩形小通道内冷凝放热,产生的冷凝水由后续蒸汽推动排出,缸体内无冷凝水堆积,传热效率大幅提升,可以有效解决冷凝水堆积的问题。为了深入了解多通道烘缸的传热特性,从而确定合理的多通道烘缸结构参和蒸汽流动参数,本文在国家自然科学基金的资助下(NO.51375286),以蒸汽在单边换热的矩形小通道内的传热特性为研究对象,从实验测量和数值模拟两方面入手对其进行了研究,主要研究工作如下:(1)通过自主研制矩形小通道单边冷凝换热可视化实验平台,对多通道烘缸通道内两相流型进行了可视化观测。观察到七类两相流型:环状流、环波状流、波状流、弹状流、塞状流、泡状流及分层流。相较于蒸汽质量流速而言,蒸汽饱和温度及通道高宽比对两相流型的影响更大。当蒸汽质量流速从25 kg?m~(-2)?s~(-1)增加到45kg?m~(-2)?s~(-1)时,环状流所占区域仅增加1.3倍左右,而当蒸汽饱和温度从110?C升高到130?C后,通道内环状流所占区域减少了2倍左右,当通道高宽比从1:5增大到1:2时,环状流所占区域会减少2.4倍左右。同时发现,蒸汽质量流速的增大会削弱通道尺寸对环状流所占区域的影响。与多幅经验流型图对比发现,Tandon流型图能较好的预测本实验所观察到的两相流型。(2)对蒸汽在多通道烘缸通道内的冷凝传热特性进行了实验研究,并建立了适用于水平矩形小通道单边冷凝换热的传热系数关联式。研究表明,蒸汽干度的增加会增大气液相间的剪切力,蒸汽饱和温度的降低会减小传热温差、降低蒸汽凝结速率,这些因素都会使冷凝传热的主要热阻—冷凝液膜的厚度减薄,从而提高冷凝传热系数。由于本实验的蒸汽质量流速较小(小于50kg?m~(-2)?s~(-1)),因此在小干度范围内,质量流速对传热系数的变化无较大影响。随着通道高宽比变大,冷凝传热系数增加,但是,蒸汽质量流速的增加会弱化通道高宽比对冷凝传热的影响。建立了新的冷凝传热系数关联式,预测值与实验值误差在?25%以内,较好的预测了多通道烘缸通道内的冷凝传热特性。(3)对多通道烘缸通道内的两相流动压降进行了实验研究,并建立了适用于水平矩形小通道单边冷凝换热的压降关联式。研究表明,蒸汽饱和温度降低、质量流速增加及通道高宽比减小均会使气液相界面间的剪切力增加,湍流强度增强,冷凝液的表面粗糙度增大,从而使流动压降增大。蒸汽质量流速的增加也使得不同高宽比通道内的流动状态差异越来越大,导致通道高宽比对流动阻力的影响增强。延续前人方法,通过对Lockhart和Martinelli模型中的参数C的关联式进行修正,得到了适用于本实验条件下的两相流压降关联式,预测值与实验值误差在?30%以内,数据吻合较好。(4)应用数值模拟方法,依次递进的建立了3类数学模型,分别研究了多通道烘缸的结构参数及入口蒸汽流动参数对烘缸传热特性的影响。首先,通过建立0维集总参数模型,研究了通道结构参数对多通道烘缸性能的影响,通过对某型烘缸进行改造,得出了多通道烘缸的最佳结构参数组合。结果显示,通道数量的增加、通道高宽比及通道隔热间隔比的减小会使冷凝传热系数及沿程阻力均增大,设计时应选取使得传热系数最大及沿程阻力最小的结构参数。通道数量150~200个,通道高宽比为1:3及通道隔热间隔比为1:1~1:3为本文所选改造烘缸的最佳结构参数组合。其次,在0维模型所建立的最佳结构参数的基础上,通过对不同流型的冷凝传热特性进行分析,建立了更具普适性的1维分布参数传热模型,研究了蒸汽参数对局部温度及局部冷凝换热系数的影响。当流型为环状流时,通道上下壁面处的液膜厚度较为对称,因此环状流时的参数变化趋势较波状流及分层流时平缓,且当流型为环状流时,通道上下壁面处的参数分布差异也较小。模型预测值与实验测量值具有相同的变化趋势。最后,模拟烘缸实际工作状态,建立了旋转通道的3维CFD模型。通过编写UDF,应用CFD方法分别对烘缸在静止时,过载为0.5g、1g、1.5g、2g及2.5g时的蒸汽冷凝传热过程进行了模拟。模拟结果显示,转速的增加会同时增加传热系数与压降,但增加趋势均越来越小。研究结果为多通道烘缸的优化设计奠定了一定的基础。

【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK124