籽棉調濕工藝中管道保溫的仿真計算

■　陳生超　張紀元

〔鄭州棉麻工程技術設計研究所，河南鄭州450004〕

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籽棉調濕工藝中管道保溫的仿真計算

■陳生超張紀元

〔鄭州棉麻工程技術設計研究所，河南鄭州450004〕

一、引言

當前，隨著人工成本的不斷增加，機械采摘已經成為我國棉花的主要采摘方式，但同手摘棉相比，機采棉普遍存在一致性差，含雜率、短絨率高的問題，與美國、澳大利亞機采棉相比質量差別也較大，新疆機采棉在棉紡中普遍只能做20支～40支的低端紗線。隨著在兵團中機采棉種植面積的不斷擴大，棉花價格，特別是機采棉價格的持續走低，嚴重影響了以棉花為經濟支柱的兵團經濟。為了廣大棉農的利益，國家進行了大量的補貼，給國家經濟造成了沉重的負擔。因此，提高機采棉質量，使其滿足下游紡織企業的要求，才能擁有市場增加收益，而提高機采棉質量的核心手段就是改變現有的以產量為主的加工工藝，精細研究針對機采棉特點的加工工藝。其中增加籽棉調濕工藝，對機采棉品級的提高有著明顯的提升作用，而國內對籽棉調濕技術的研究還比較缺乏，特別是對該技術基礎數據的研究處于空白狀態，所以，開展機采棉調濕技術的研究對我國棉花加工業意義重大。

本文針對當前市場上存在的籽棉調濕工藝中熱量損失過大的問題開展了研究，首先采用傳熱學中管道強制傳熱理論建立了籽棉調濕管道中熱量損失的理論模型，然后通過采用CFD流體分析軟件對非保溫熱風管道、保溫熱風管道進行仿真分析，探索兩種條件下管道中熱量損失的情況，為進行籽棉調濕工藝的布局提供了參考依據。

二、籽棉調濕熱風管道的熱傳輸模型

籽棉調濕熱風輸送管道中的熱量傳輸包括了管內熱空氣與管道內壁的管內強制對流換熱，管壁的熱傳導，室外空氣與管道外壁的熱交換三個方面。由于非保溫熱風管道的管壁厚度為1 mm的鋼板，且導熱系數很大，熱阻可以忽略，所以，非保溫熱風管道的熱量傳輸只包括管內的對流換熱和管外的散熱兩個部分。保溫熱風管道的管壁采用厚度為10 mm厚度的硅酸鋁纖維氈，導熱系數為K=0.036 W/m·k。

假設室外空氣溫度為To，熱空氣的溫度為Tf，建立的籽棉調濕熱風輸送管道熱傳輸的理論模型如圖1所示。

圖1　棉花調濕工藝中熱風管道中熱傳輸的理論模型

室外空氣與管道外壁的熱交換包括了外部強制對流換熱和輻射傳熱，設當地風速為v風，管道外表面散熱系數a外的公式：

管道內壁與熱空氣強制對流換熱計算中，設空氣密度為ρ，粘度為μ，比熱容為Cp，熱傳導率為λ，流速為v，管道內徑為D，管道長度為L，流體溫度為Tf，管壁溫度為Tw。對于雷諾數Re在2 300～106之間，普朗特數Pr在0.6～105之間的管內流體，根據Gnielins?ki關聯式，可得管內熱空氣與管道內壁的強制對流換熱系數a內為：

其中雷諾數Re、普朗特數Pr分別為：

f為管內湍流流動的Darcy阻力系數，根據Filonenko公式，可得f為：

ct主要與管內氣體溫度和管壁溫度相關，雖然該模型不考慮管壁的熱傳導，但由于管壁外部受到自然風的影響，管壁溫度和管內流體溫度有偏差，故：

公式（1）、（2）為棉花加工熱風輸送管道中傳熱計算模型。通過測量管內空氣和管壁的溫度，當地風速v，查詢熱空氣參數可以求得管道外表面散熱系數和內表面對流換熱系數，為計算流體力學在棉花加工熱風輸送管道中的應用提供了依據。

三、熱風管道中熱損失的數值模擬

（一）內換熱系數和外散熱系數的計算

以128團籽棉調濕熱風輸送管道為模型進行仿真，如圖2所示，設管道總長度為L=48.28 m，直徑D= 0.6 m，中間有兩個半徑為2 m的彎管道。

圖2　熱風輸送管道尺寸圖

測得試驗當天的室外風速為v風=3 m/s，溫度為278 K；管道入口熱風溫度T入=423 K，速度v=20 m/s，根據現場試驗測得出口溫度T出在389K左右，故設定流體溫度Tf為：

通過查詢相關資料，406 K熱風的相關熱性能參數如表1所示。

表1　406K熱風性能參數

當溫度穩定后，采用溫度傳感器在非保溫管道和保溫管道相同位置測量管內流體溫度Tf和管壁溫度Tw的熱力學數值，根據測得數據計算可得非保溫管道的Tf/ Tw=1.1，保溫管道的Tf/ Tw=1.2。

通過公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7），求得管道外表面散熱系數和內表面對流換熱系數a外、非保溫管道、保溫管道a內分別為：

對于彎管道部分的內表面對流換熱系數a內，，需要乘以一個修正系數cr［16］：

非保溫管道：

保溫管道：

（二）模型的網格化

采用Solidworks軟件將圖2中的二維圖形三維化，保存成STL格式后，在CFD軟件中進行網格劃分，劃分結果如圖3所示。

圖3　網格劃分

（三）仿真參數的確定

材料：

流體材料選擇空氣；管壁材料選擇Q235-A冷軋鍍鋅鋼板；保溫層材料硅酸鋁纖維氈。

模型：

采用κ-ε湍流模型進行數值模擬。

非保溫管道邊界條件：

進口溫度T =423 K，流速v=20 m/s；出口壓力P= 0 Pa；外表面散熱系數為24.76 W/m2·K，內部直管部分對流換熱系數為50.40 W/m2·K，內部彎管部分對流換熱系數為77.2 W/m2·K；外部環境溫度為278 K。

保溫管道邊界條件：

進口溫度T=423 K，流速v=20 m/s；出口壓力P= 0 Pa；外表面散熱系數為24.76 W/m2·K，內部直管部分對流換熱系數為52.40 W/m2·K，內部彎管部分對流換熱系數為80.2 W/m2·K；外部環境溫度為278 K。

（四）仿真結果與分析

如圖4、5所示是在熱風沿管道溫度分布圖，從圖中只能看出對于非保溫管道熱風溫度由423 K降到了400 K左右，溫度降低了23℃，而對于增加了硅酸鋁纖維氈保溫層的管道，熱風溫度由423 K降到了412 K，溫度降低了11℃。由此得出熱風以20 m/s的速度通過48.28 m的籽棉調濕輸送管道，保溫層的存在可以使熱風溫度由降低23℃減小到11℃，熱量損失率降低了109%。

圖4　非保溫管道熱量損失圖　

圖5　保溫管道熱量損失圖

四、總結

本文的主要工作有以下兩點：（1）建立了籽棉調濕熱風管道的傳熱模型；（2）針對非保溫管道和保溫管道傳熱模型的區別對模型進行了相關的修正，并分別求證了各自管內的傳熱系數；（3）采用CFD流體分析軟件針對非保溫管道和保溫管道的熱量損失進行了數值模擬，求得增加硅酸鋁纖維氈保溫層可以降低109%的熱量損失。

本文后續的工作內容：后續本文要通過現場試驗得到相關的試驗數據，然后與數值分析的數據進行比對，對數值分析的數據進行修正，以方便以后更有利于籽棉調濕工藝的改進?！?/p>