一種新的烘缸加熱蒸汽供汽方式

李瑞虎 李建軍 喬麗潔

(陜西科技大學機電工程學院，陜西西安，710021)

對于高速紙機，蒸汽產生的冷凝水會形成緊貼內壁面的穩定水環［1-2］，在不采用專門干擾的情況下，烘缸內1 mm厚的冷凝水環的熱阻約等于15 mm厚的烘缸鑄鐵殼體的熱阻，當冷凝水環層厚度超過2 mm時，熱阻顯著增加［3］。

烘缸在運行過程中，為了降低冷凝水環層的熱阻，強化傳熱效果，必須加強以下兩方面的工作:①盡量及時有效地排除烘缸內的冷凝水，降低冷凝水環層的厚度;②對冷凝水環層進行干擾，使得液膜不穩定因素增強，原本穩定流動的水環出現不穩定趨勢，產生湍動［4-5］。從而降低水環層熱量傳遞的阻力，提高傳熱系數，增加傳熱效率。

李瑞虎等人通過實驗研究了專門干擾冷凝水環層對水環穩定性的影響［6］，設計了烘缸內汽刀式供汽實驗裝置，并進行了實驗。

創新的蒸汽供給方式通過盡量降低冷凝水環層的厚度來達到節能的目的，它是通過設計所謂傾斜式汽刀裝置，使“汽刀”斜向沖擊水環，削薄水環層的厚度，并使設置虹吸器吸嘴的局部冷凝水環層厚度稍有增加，便于冷凝水被虹吸器的吸嘴吸入，從而達到盡量及時有效地排除烘缸內的冷凝水的目的。

1 汽刀裝置結構設計

1.1 汽刀裝置結構

汽刀裝置結構如圖1～圖4所示，該裝置主要由中央蒸汽管、支管、連接管、集氣管、噴管板組成。中央蒸汽管與烘缸同心安裝，支管固定在中央蒸汽管上，集氣管通過連接管與支管相連接，噴管板固定在集氣管上，組成貫通的汽刀裝置。

集氣管、噴管板、連接管組合成汽刀組合件 (見圖2)，它是該裝置的核心部件。蒸汽集氣管與噴管板采用鋁合金材料，以減輕其質量，蒸汽集氣管與噴管板間通過釬焊連接，集氣管兩端密封，噴管孔直接加工在噴管板上 (見圖3)。

1.2 工作過程

工作時，蒸汽依次進入中央蒸汽管、連接管、支管、集氣管，再經噴管板上的一排噴管孔噴出，形成所謂的汽刀，通過汽刀的沖擊，冷凝水環層局部將被沖擊下陷。

由于噴管孔中心線與連接管、支管中心線有一定的夾角，汽刀斜向沖擊冷凝水環層 (見圖4)，當汽刀速度達到一定時，將使冷凝水環層產生剝離，冷凝水再通過如圖4所示的虹吸器吸嘴吸入，使冷凝水排出烘缸。

噴管與烘缸內壁面距離12 mm，噴管孔間距5 mm，每個噴管板上設有1000個噴管孔。

2 設計計算

2.1 噴管蒸汽流量計算

本設計采用的烘缸直徑為Φ1.8 m，紙幅寬為5 m，高速烘缸車速500 m/min(8.33 m/s)。采用三段烘缸干燥，第一段共12個烘缸，每個烘缸設置三組汽刀組合件，其中一組汽刀組合件的主要功能用于減薄水環層的厚度，故其噴管孔中心線與連接管中心線有一定的角度 (見圖4)，另外兩組汽刀組合件的主要功能是用于干擾冷凝水層，使加熱蒸汽以汽刀的形式垂直噴射到冷凝水環層，使得原本穩定流動的水環產生湍動［6］。

本烘缸用于生產定量50 g/m2新聞紙的干燥，干燥蒸汽消耗量2.5～4.0 kg蒸汽/kg紙［7］，取干燥1 kg紙需要3 kg的水蒸氣。

則:單位時間生產紙張量為8.33×5×50×10－3=2.083(kg/s)

第一段12個烘缸供汽質量流量 2.083×3=6.248(kg/s)

第一段烘缸中每個烘缸供汽質量流量 6.248÷12=0.52(kg/s)

每一個汽刀組合件供汽質量流量 0.52÷3=0.174(kg/s)

每個噴管孔供汽質量流量 qm=0.174÷1000=1.74 ×10－4(kg/s)

2.2 噴管參數計算

2.2.1 噴管選擇［8-9］

噴管孔采用漸縮噴管結構 (見圖3)，以提高噴管孔噴出蒸汽的流速，在噴管孔進汽口與集氣管之間采用較大角度的錐體圓滑過渡，確保由噴管噴出的蒸汽呈層流狀態，避免出現紊流狀態［8］，以達到汽刀對冷凝水環層沖擊的強度，造成冷凝水環的湍動效果。

設集氣管中蒸汽壓力 (P1)為0.8 MPa，蒸汽溫度 (T1)為205℃;烘缸內蒸汽壓力 (P2)為0.5 MPa，0.5 MPa對應的飽和溫度為 151.867℃≈152℃，校核烘缸內蒸汽溫度 (T2)≥152℃。由公式 (1)計算蒸汽壓比 (v)。式中，vcr為過熱蒸汽臨界壓比，vcr=0.546。

因為蒸汽壓比大于過熱蒸汽臨界壓比，應選漸縮噴管，以增加噴管出口流速。

烘缸內蒸汽溫度按溫度T與壓力P的關系式(2)計算。

式中，k為等熵指數，對于過熱蒸汽，k=1.3。

由式 (2)計算得到噴管出口蒸汽溫度為156℃＞152℃。

烘缸加熱蒸汽溫度、壓力參數如表1所示。

表1 加熱蒸汽溫度、壓力參數

2.2.2 噴管截面參數計算［8-9］

(1)計算噴管進口蒸汽流出速度 (C2)

根據蒸汽進入集氣管的流速，取噴管進口蒸汽流入速度 (C1)為10 m/s:

式中，Cp為蒸汽的平均比定壓熱容，查得Cp=1.894 kJ/(kg·K);T1為噴管進口蒸汽溫度，等于集氣管內蒸汽溫度205℃;T2為噴管出口蒸汽溫度，等于烘缸內蒸汽溫度156℃。

由式 (3)計算得:

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

(2)計算噴管出口直徑 (d2)

噴管內質量流量計算按公式 (4)進行。

式中，qm為噴管內質量流量;A為噴管截面面積;C為蒸汽流速;v為蒸汽的比體積;A1為噴管進口面積;C1為噴管進口蒸汽流速;v1為噴管進口截面處蒸汽的比體積;A2為噴管出口面積;C2為噴管出口蒸汽流速;v2為噴管出口截面處蒸汽的比體積。

查過熱蒸汽熱力性質表得v1=0.38 m3/kg，v2=0.26 m3/kg。

把噴管出口蒸汽參數及流量代入式 (4)得:

A2=1.92(mm2)

計算得噴管出口直徑d2=1.2(mm)

(3)計算噴管進口直徑 (d1)

把噴管入口蒸汽參數及流量代入式 (4)得:

A1=6.61(mm2)

則d1=3.0(mm)

噴管參數如表2所示

表2 噴管參數

2.3 計算汽刀沖擊進入水環層的深度［8］

在重力場中介質的伯努利方程見式 (5)。

式中，zg為單位質量流體對某一基準面具有的位置勢能，其中z表示所研究點相對某一基準面的幾何高度，又稱為位置壓頭;g為重力加速度，m/s2。為單位質量流體具有的壓力能，即由于流體壓力的存在，可以使流體上升至一定高度稱為壓力勢能，其中p為研究點的壓力，Pa;ρ為介質的密度，kg/m3;為單位質量流體具有的動能，v為研究點的介質的流速，m/s;C為常數。

2.3.1 垂直水環表面沖擊，汽刀進入水環層表面的深度

圖5所示為汽刀垂直沖擊水環示意圖，由圖5所示，可針對汽刀沖擊水環層局部表面后出現的i表面及基準0表面寫出伯努利方程。

為方便計算，簡化如下:一是由于該研究介質是在離心力場中，且離心加速度很大，忽略重力加速度;二是不考慮冷凝水的黏性，按理想流體處理。伯努利方程如式 (6)。

圖5 汽刀垂直沖擊水環層示意圖

式中，za離為在離心力條件下，單位質量流體對某一基準面具有的位置勢能，其中z表示所研究點相對某一基準面沿離心加速度方向的幾何高度，又稱為離心力條件下的位置壓頭;a離為水環的離心加速度，m/s2;z0為基準表面，則z0=0;zi為i表面相對于基準0表面的高度或壓頭，m;為i表面單位質量流體具有的壓力能，為基準0表面單位質量流體具有的壓力能，其中ρ為介質的密度，kg/m3;p0為介質在基準0表面的壓力，pi為介質在i表面的壓力;為基準0表面單位質量流體具有的動能。其中v0為介質在基準0表面的流速，m/s，為i表面單位質量流體具有的動能，vi為介質在i表面的流速，m/s。

由于汽刀的動能是汽刀深入水環層的動力。即蒸汽在基準0表面的動能轉化為汽刀垂直深入水環層的深度zi。噴管距烘缸內壁面只有12 mm，忽略汽刀從噴管出口噴射到冷凝水環層表面前的能量損失，得式(7)。

查飽和水熱力性質表知:ρ水=917 kg/m3，基準表面水蒸氣密度ρ汽=0.38 kg/m3，基準表面水蒸氣流速(v氣，等于噴管出口水蒸氣流速)為23.62 m/s。

水環離心加速度計算:

式中，v水為水環的轉動速度，r為水環的半徑，約等于烘缸的半徑0.9 m。

代入式 (7)得:zi=－1.50 mm

即汽刀垂直水環層表面沖擊時，深入水環層的深度為1.50 mm。

2.3.2 汽刀斜向水環表面沖擊，深入水環層表面的深度

如圖4所示，汽刀是斜向沖擊冷凝水環層的，使汽刀深入水環層的同時，剝離水環層。

設汽刀與水環層形成的夾角為45°，則由公式(7)計算的進入水環層的深度zi=－1.50 mm是以夾角為45°斜向沖擊水環層的深度，設此時汽刀沖擊水環的垂直深度為z，計算如下:

高速烘缸正常工作時，水環層厚度一般為1.0～2.5 mm［10］，當將水環層厚度減薄1.06 mm，會使冷凝水環層的熱阻明顯降低。

2.4 吸水器的選擇［10］

選用懸臂式固定虹吸器。

在烘缸的兩端非工作段開設3 mm深的吸水槽，虹吸器間隙從虹吸槽底部測量。

虹吸器吸嘴軸向位置設置在吸水槽中，周向位置設置在距離斜汽刀20～30 mm的位置，如圖4所示，以利于排除冷凝水。

斜汽刀、虹吸器的具體位置，還需要在具體應用中確定。

2.5 汽刀組合件各零件結構

蒸汽支管選用D80鋁合金管。蒸汽集氣管選用D280鋁合金管加工而成，噴管板選用D280鋁合金管加工而成。

噴管孔表面的粗糙度要求在0.08～0.16 μm范圍內。

3 實驗

3.1 裝置［6］

實驗裝置結構如圖6所示，筒體用有機玻璃，外直徑Φ300 mm，筒體厚度10 mm，長度400 mm。集氣管上加工有一排間隔10 mm的直徑為Φ2 mm噴管，噴管與筒體徑向夾角45°。

圖6 實驗裝置結構示意圖

實驗時蒸汽用空氣代替，冷凝水用著紅色的常溫水代替，筒體持液量取2000 mL，通入氣體壓力分別為:0.4、0.5 MPa，實驗轉速取300 r/min，使烘缸內壁面形成的水環層處于穩定狀態。

3.2 效果

由實驗現象可以看出，空氣由噴嘴噴出斜向沖擊液環，對液環有強烈的擾動作用，液環被沖擊的局部厚度減薄，但數碼相機拍攝的照片 (見圖7)效果不是很明顯。

隨著空氣壓力的提高，擾動作用越強烈，液環厚度減薄程度越大。

圖7 實驗現象照片

4 結語

4.1 高速烘缸內采用汽刀式供汽方式，理論計算和實驗均說明該種設計能有效地削薄水環層的厚度，并對液環有強烈的擾動作用;同時也使設置虹吸器吸嘴的局部冷凝水環層度厚稍有增加，便于冷凝水被虹吸器的吸嘴吸入，盡量及時有效地排除烘缸內的冷凝水，達到提高水環的熱量傳遞，實現節約能源的目的。

4.2 該裝置結構簡單，無活動零件，不會影響烘缸的正常運轉和動平衡。

4.3 通過噴管設計計算可知，為了保證烘缸內蒸汽壓力0.5 MPa、溫度152℃的正常工藝參數，集氣管中蒸汽壓力及溫度應達到0.8 MPa、205℃，雖然供汽參數有所提高，但也在正常范圍內。

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