稀釋水流速及加入角度對流漿箱調節效果的影響

樊慧明 劉建安 張 成

(華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510640)

局部調節漿料濃度控制全幅定量的發明和應用，大大提高了紙張的橫幅定量分布水平和纖維取向的均勻程度，滿足了社會對紙張質量越來越高的要求［1］。局部調節漿料濃度控制全幅定量的工作原理是:在布漿元件的支管之間，沿橫向選擇適當的間隔距離，向布漿元件的上游注入稀釋水，通常為造紙白水，用以局部調節漿料濃度，實現全幅橫向定量均勻調節［2］。與傳統的唇板配曲調節相比，稀釋水調節方法既能有效保證全幅橫向定量的均勻一致，又能保持全幅纖維排列均勻一致，調濃流漿箱具有優良的纖維排列性能［3-4］。

通過加稀釋水改變濃度來調節定量分布和纖維取向均勻度的效果取決于兩個操作單元［5-6］:第一個單元是兩種不同濃度液體的充分混合，對流漿箱而言，即稀釋水與不同濃度漿料的充分混合;第二個單元是在一定的稀釋比(稀釋水流量與布漿元件進漿量的比值)范圍內，布漿元件各支管出漿量基本保持不變。第一個單元稀釋水與漿料的混合比較容易實現，第二個單元實現起來比較困難同時也是關鍵單元，如果由于稀釋水的添加而導致布漿支管出漿不等，就會在流漿箱中產生橫流，這種橫流降低了定量調節的效果，更重要的是會破壞纖維取向的均勻性，這正是傳統調節方法最大的缺點［7］。因為稀釋水的流量是根據需要發生變化的，因此稀釋水流速和加入角度(稀釋水支管與布漿支管的夾角)是影響布漿支管流量變化，進而影響稀釋水添加效果的兩個非常重要的因素［3］，對此，國內外的研究報道很少。對于現代錐管布漿流漿箱而言，稀釋水添加方式有多種，如原Beloit 公司的流漿箱，將稀釋水注入方錐總管上游鄰近管入口位置，稀釋水轉180°后進入該管中，稀釋水和主漿流在布漿元件中混合后進入混合室中［8］。而目前有的稀釋水流漿箱采用在布漿支管注入稀釋水的方式，本研究主要分析這種添加方式中稀釋水流速及加入角度對稀釋水添加效果的影響。

1 布漿支管中添加稀釋水的流體力學分析

在布漿支管中加入稀釋水的方式如圖1 所示，從流體力學的角度看，這種添加方式是一種非標準的匯流三通，對于稀釋水支管，匯流的伯努力方程可以表示為式(1)［9］。

圖1 布漿支管中稀釋水加入方式

式中，Z1、Z3分別表示稀釋水支管與匯流后漿管的位能，m;P1、P3分別表示稀釋水支管與匯流后漿管的壓力，kPa;V1、V3分別表示稀釋水支管與匯流后漿管的流速，m/s;ζ31表示稀釋水支管的局部能量損失系數;ρ 表示漿的密度，kg/m3。

稀釋水支管通常與布漿支管在同一平面內，即Z1=Z3，如稀釋水支管與布漿支管不在同一平面內，因為差值是固定的，不影響對結果的分析，式(1)變為式(2)、式(3)。

設稀釋比為X，那么:

根據連續性方程

設稀釋水支管的截面積與布漿支管的截面積比為Y，稀釋水加入前后布漿支管的截面積不變，那么:

將式(6)～式(8)代入到式(3)中，得:

匯流的主要損失來源于兩支不同速度流的紊流混合損失、從側管進入總管的轉向損失、漸擴段中的擴散損失和圓滑彎頭內的損失等。根據流體阻力手冊得出支管的局部能量損失系數見式(12)［10］。

式中，V1、V2、V3分別表示稀釋水支管、匯流前漿管與匯流后漿管的流速，m/s;S1、S2、S3分別表示稀釋水支管、匯流前漿管與匯流后漿管的截面積，m2;θ 表示稀釋水支管與布漿支管的夾角(°);A、K 為阻力系數。

2 稀釋水流速和加入角度對稀釋水添加效果的影響分析

為了避免流漿箱中產生橫流，影響稀釋水的添加效果，就要在一定的稀釋比X 范圍內，添加稀釋水后布漿支管流量的變化率盡可能小。

式中，εi表示不同條件下添加稀釋水后布漿支管流量對平均流量的變化率，%;Q3i表示不同條件下布漿支管的流量，m3/s;表示不同條件下添加稀釋水后布漿支管的平均流量，m3/s。

由于稀釋水的加入量比較小，為了確保稀釋水閥的靈敏性，一般而言，流漿箱系統中，稀釋水的壓力與布漿支管中壓力保持基本不變，即(P1－P3)基本不變，將式(11)代入式(14):

式中，n 表示選取的添加稀釋水后布漿支管流量的個數，本研究選取了10 個。

稀釋水加入角度，即稀釋水支管與布漿支管的夾角θ 取30°、60°、90°、120°、150°進行計算。

2.1 稀釋水加入角度對稀釋水添加效果的影響

當稀釋水支管與布漿支管的截面積比Y 為0.25、0.36、0.49、0.64 時，稀釋水加入角度對布漿支管流量變化的影響如表1 ～表4 所示。

從表1 ～表4 可以看出，在稀釋比從1% 到10%變化時，布漿支管中流量隨稀釋比的變化具有相同的趨勢，并且稀釋水支管與布漿支管夾角越大，布漿支管中的流量變化越小，稀釋水添加的效果越好，這是因為隨著夾角的增加，稀釋水與錐管來的漿流混合產生能量損失越大，從而在一定程度上減小錐管的來漿量，使得添加稀釋水后混合漿流的量變化程度減小。

表1 Y 為0.25 時稀釋水加入角度對布漿支管流量變化的影響

表2 Y 為0.36 時稀釋水加入角度對布漿支管流量變化的影響

表3 Y 為0.49 時稀釋水加入角度對布漿支管流量變化的影響

表4 Y 為0.64 時稀釋水加入角度對布漿支管流量變化的影響

2.2 稀釋水流速對稀釋水添加效果的影響

當稀釋水支管與布漿支管的夾角保持不變時，在稀釋比1% ～10%范圍內，稀釋水支管與布漿支管的夾角θ 分別為60°和120°時布漿支管的流量隨稀釋水支管與布漿支管截面積比(Y)所代表的稀釋水流速變化情況如圖2 和圖3 所示。

從圖2 和圖3 可以看出:①當稀釋水支管與布漿支管的夾角相同時，稀釋水支管與布漿支管截面積比Y 越大，即稀釋水流速越低，添加稀釋水后支管流量的變化率在相同的稀釋比情況下越小，稀釋水添加的效果越好;②對于不同的夾角，具有相同的趨勢;③Y=0.49 和Y=0.64 的曲線基本接近，因此當稀釋水支管與布漿支管截面積比Y ＞0.49 時，Y 對于添加稀釋水后布漿支管流量的變化率影響減小。這是因為隨著Y 的增加，稀釋水的流速減小，從而對支管中漿流的沖擊減小，使匯流后支管中漿流速度的變化率減小。

3 結 語

在布漿支管中添加稀釋水調節濃度控制橫幅定量的方法，創造性地解決了傳統調節方法在定量調節與纖維取向調節之間的矛盾，對這種添加方式的流體力學分析結果表明，①稀釋水支管與布漿支管之間的夾角越大，添加稀釋水后布漿支管的流量變化越小，添加效果越好。②稀釋水支管與布漿支管截面積比越大，即稀釋水流速越低，添加稀釋水后支管流量的變化率在相同的稀釋比情況下越小，稀釋水添加的效果越好。在夾角和流速這兩個因素中，顯然稀釋水流速對添加稀釋水后布漿支管流量的變化影響更大，也是更為關鍵的因素。

本研究假定了稀釋水支管與添加稀釋水后布漿支管中的壓力差保持不變，在實際生產中，即使通過嚴格的自動控制，由于稀釋水閥的開度變化，仍然使得壓力差會發生變化，由于變化比較小，因此不會影響本研究的結果。但由于匯流水力特性的復雜性，目前關于匯流局部能量損失系數都是由實驗研究、曲線擬合、插值近似加理論推導相結合而得出的［11-14］，無疑存在一定的誤差，因此后續工作中需對本研究的結論做進一步的實驗驗證。

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