氣墊式熱風箱及紙張傳熱性能模擬研究

張長飛　丁克強　李乾軍　張東平　吳功德

(南京工程學院環境工程系,江蘇南京,211167)

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·氣墊式熱風箱·

氣墊式熱風箱及紙張傳熱性能模擬研究

張長飛丁克強李乾軍張東平吳功德

(南京工程學院環境工程系,江蘇南京,211167)

通過最小二乘法研究熱空氣在氣墊式熱風箱內的速度、靜壓、溫度分布,探討了入口風速、高度比、入口溫度、開孔率和噴口方式對氣墊層不均勻指數、氣墊靜壓和表面傳熱系數的影響規律。通過量綱分析擬合Nu的函數關系式,數值模擬值與擬合值比較表明,最大相對誤差為9.53%,均方根誤差為9.5%,擬合方程可為熱風箱氣墊層表面傳熱系數的優化研究提供參考。

氣墊式；熱風箱；傳熱特性；數值模擬

(*E-mail: dndx1984@126.com)

熱風箱是形成空氣沖擊干燥的關鍵設備。空氣沖擊干燥是將高溫空氣通過噴嘴以極高的速度噴到紙幅的表面,高速氣流對紙幅表面產生極大的沖擊作用,消除了紙幅表面的滯流層進而攜走水分的過程[1]。由于沖擊流產生大的湍流,因而具有較高的傳熱、傳質系數,可以有效地縮短干燥時間,具有極高的傳熱效率和蒸發速度。

研究表明，沖擊流的傳熱、傳質系數,隨流體相對噴嘴的位置而變化；與噴嘴的結構、噴嘴的排列方式、流體出口截面距沖擊面的距離、介質的溫度、被沖擊表面的幾何形狀、排氣孔的設置等因素有關；噴嘴的形式也嚴重影響傳遞過程,要達到相同的傳熱系數,條形噴嘴的沖擊速度要比圓形噴嘴的低40%左右[2]。

鄭榮和[3]探討了氣墊式漿板機熱風箱系統的氣體流動,首次建立氣墊式漿板機熱風箱氣體流動實驗臺和熱風箱氣體流動的數學模型。在不同的入口風速和外形尺寸的工況下對熱風箱內的流場進行了實驗研究,測量了熱風箱內的速度和靜壓分布,探討了入口風速和外形尺寸對熱風箱內靜壓和速度的影響,分析了熱風箱內靜壓分布及氣墊層的均勻性。曾滿連[4]在此基礎上進一步對氣墊式漿板機熱風箱的流場、壓力場和傳熱性能進行了研究,分析了入口風速、溫度、開孔率等因素對氣墊式漿板機熱風箱系統氣體流動特性和傳熱特性的影響。結果表明，傳熱系數與噴口傾角成反比,入口風速、出風板開孔率、高度比對傳熱系數有一定影響,均呈二次函數關系。

目前,對氣墊干燥過程的研究較少,其他關于熱風箱系統氣體流動特性和傳熱特性的研究寥寥無幾,沒有考慮到其他因素對氣體流動和傳熱特性的影響,如熱風箱噴口形狀和布置方式等。熱風箱噴口處氣墊層流場規律及傳熱特性非常復雜,不同的噴口形式和布置方式、入風參數對流場規律和傳熱特性的影響很大[5]。目前，關于熱風箱開孔形狀和布置方式對系統氣體流動特性和傳熱特性的影響未見報道。

本文將深入研究氣墊式熱風箱在不同開孔形式和布置方式下風速、開孔率、溫度等參數對氣體流動特性和傳熱特性的影響。

氣墊層傳熱系數的大小直接影響熱風箱的干燥速率[6]。氣墊式熱風箱干燥原理如圖1所示,熱空氣通過下吹箱上的噴孔將紙幅托起,使其懸浮在熱風箱上,減少了紙幅在干燥器內的摩擦阻力,紙幅斷紙、破損的機率大大減少,同時,熱空氣與紙幅間進行強烈的傳熱傳質過程,使紙幅上水分蒸發、擴散至空氣中,紙幅不斷得以干燥。上吹箱把熱空氣吹向紙幅上部,進一步增強紙幅水分蒸發效果[7-9]。上、下吹箱開孔方式不一樣,開孔作用也不同。上吹箱面上的開孔方式是圓形,而下吹箱面上的開孔方式是中間三角形,兩側圓形。熱空氣的壓力在熱風箱中逐漸降低,為了使吹到紙幅上的風力均勻,熱風箱常設計成開口端向封閉端逐漸縮小的錐形,見圖2。

圖1　氣墊式熱風箱原理圖

圖2　熱風箱流場示意圖

根據相似原理,建立熱風箱干燥實驗臺。相似原理的3個核心內容：幾何相似、運動相似和動力相似。幾何相似是指模型與其原型形狀相同,但尺寸可以不同,而一切對應的線性尺寸呈比例；運動相似是指對不同的流動現象,在流場中的所有對應點處對應的速度方向一致,且比值相等；動力相似是指作用在流體上相應位置處各力組成的力多邊形幾何相似。在本研究中要保證實驗模型內的介質流動與熱風箱原型中的氣體流動相似[10-11]。

符合物理現象相似的原則,應做到以下幾方面：搭建實驗臺時,首先要保證氣體通道的幾何形狀相似,即實驗熱風箱的尺寸與原型對應呈比例；熱風箱與原型的內部流動為同類流動；進入熱風箱的氣體的物性參數相似；進出界面的速度分布相似[12]。

關于特征數間的關系和現象的相似已進行了大量的研究,結果表明，在黏性流體流動過程中,當雷諾數Re大于某一值時,流動從層流狀態進入湍流,這一數值稱為第一臨界雷諾值,Re小于第一臨界雷諾值的流動處于第一自模化區,此時處在層流狀態。Re大于第一臨界雷諾值之后,隨著Re增大流體紊亂程度變化較大,當其值增大到一定程度時這種影響便消失了,該Re稱第二臨界雷諾值。Re大于第二臨界雷諾值時流動處于第二自模化區[13]。

1　實驗模型

在本實驗模型中,研究對象為黏性不可壓縮定常流動熱空氣,熱風箱系統示意圖見圖3。

圖3　熱風箱系統模型示意圖

熱風箱原型尺寸為：長度3720 mm、寬度400 mm、高度220 mm。

熱風箱入口當量直徑(de)：

熱空氣運動黏度為2.002×10-5m2/s,當熱風箱原型入口風速為6 m/s時,雷諾數Re=93234.21,大于第二臨界雷諾值,流動處于第二自模化區。根據相似原理,熱風箱模型按照原尺寸2∶5的比例制作,熱風箱模型的外形尺寸分別為：長度1488 mm、寬度160 mm、進口高度88 mm；熱風箱入口當量直徑(de)：

雷諾數Re表征的是流體的流動狀態,Re=ρvl/η,其中v、ρ、η分別為流體的流速、密度與黏性系數,l為熱風箱長度。普朗特數代表了熱邊界層與流動邊界層的相對厚度,即流體中動量擴散與熱量擴散能力的對比。努塞爾數表征了流體對流換熱能力的大小。不同的換熱條件下,流體的換熱能力不相同。

表面傳熱系數計算公式為:

式中，A為紙張傳熱面積；A=1.488×0.16=0.2381(m2)；ta為紙張下底面不同位置測量溫度平均值，℃；tw為紙張溫度，℃；Q為熱空氣和紙張之間交換的熱量，J(包括水分汽化所吸收的熱量Q1,絕干紙張溫度升高所吸收熱量Q2,紙張中水分溫度升高所吸收熱量Q3,紙張對環境的散熱量Q4)。影響表面傳熱系數的主要因素見表1。

表1　影響表面傳熱系數的主要因素

實驗系統除熱風箱模型主體外,還有動力系統、控制系統、加熱系統和測量系統。

動力系統：熱風箱內部空氣處于紊流狀態,流動處在第二模化區。該實驗模型需要風量4500 m3/h,壓力4256 Pa、流量4792 m3/h的離心鼓風機,可完全滿足要求。

加熱系統：采用電加熱器把空氣加熱到一定的溫度,對紙幅進行干燥。本實驗中采用的電加熱器的最大功率為33 kW,可將該流量的空氣加熱到150℃。

控制系統：采用XMT-3000系列智能專家PID工業控制/調節器控制溫度。調節器通過對電加熱器的通斷來控制溫度。當熱電偶測量的空氣溫度高于設定值時,調節器可以把電加熱器暫時斷開,低于設定值時接通,通過控制使得空氣溫度恒定在一個設定值,其誤差小于1%。

測量系統：本實驗中主要測量的參數有紙張定量、熱風箱和氣墊層靜壓、空氣流量、空氣和紙幅溫度。定量采用電子天平測量、風速采用QFD-3熱球風速儀測量,靜壓采用U型壓力計測量,溫度采用熱電阻測量。

2　量綱分析及擬合

在熱風箱的結構尺寸參數相同時,熱風箱入口風速越大,氣墊層產生的靜壓值就越大,所以紙幅被浮起高度越大。紙幅的浮起高度直接影響氣墊層的傳熱性能。在本研究中,都是在氣墊層靜壓值和紙張定量相等時的表面傳熱系數,該表面傳熱系數值才有研究意義。在模擬計算時,先模擬出靜壓值與紙張定量相等時的氣墊層高度尺寸,然后在此高度條件下求解表面傳熱系數。

在表1中,含有4個基本量綱,質量的量綱M、時間的量綱T、長度的量綱L和溫度的量綱θ。根據π定理得到式(1)和式(2)。

(1)

[MT-3θ-1]a[θ-1]b[LT-1]c[L2T-2θ-1]d[L2T-1]e[MLT-3θ-1]f[L]g[L2T-1]h=1

(2)

由量綱分析得：

a+f=0

(3)

-3a-c-2d-e-3f-h=0

(4)

c+2d+2e+f+g+2h=0

(5)

b-a-d-f=0

(6)

10個因素變量中有4個基本量綱,因此需要存在6個獨立準則項。整理得：

a=-f

(7)

b=d

(8)

c=-2d-e-h

(9)

g=-f-e-h

(10)

式(1)化簡得：

(11)

(12)

整理式(2)得：

(13)

式中，Pr為普朗特數；Re為雷諾數；Nu為努塞爾數。

將式(13)兩邊取對數化為線性方程見式(14)。

表2　最小二乘法擬合相關數據表

表3　不同風速對Re和Nu的影響

(14)

綜合上述各因素的影響,選取穩定的實驗點通過最小二乘法求解,相關數據見表2和表3。

代入擬合得到：k=-0.60,a=0.62,b=0.47,c=-1.43,d=4.64,e=8.26,帶回整理得：

(15)

為驗證擬合方程(15)的準確性,將數值模擬結果與擬合值進行比較,不同工況下Nu數的模擬值和擬合值對比如圖4所示。從圖4可以看出,風速8m/s、開孔率7.42%、高度比0.5時，Nu數模擬值69.05，擬合值75.63，此時相對誤差最大，為9.53%，均方根誤差為9.5%，Nu數值模擬結果與擬合值吻合較好,表明擬合方程完全可用于熱風箱氣墊層表面傳熱系數的研究。

圖4　不同開孔率Nu數的模擬值和擬合值對比

3　結　論

(1)實驗表明紙張干燥中對流換熱能力的大小與普朗特數(Pr)和雷諾數(Re)有關。

(2)通過量綱分析擬合努塞爾數(Nu)數與Re、Pr函數關系式為：

(3)Nu數的模擬值與擬合值比較表明,風速8m/s、開孔率7.42%、高度比0.5時，Nu數模擬值69.05，擬合值75.63，最大相對誤差為9.53%,均方根誤差為9.5%，Nu數值模擬結果與擬合值吻合較好，表明擬合方程完全可用于熱風箱氣墊層表面傳熱系數的研究。

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(責任編輯：董鳳霞)

The Numerical Simulation Research on Heat Transfer in Hot Air Box System and Paper Sheet

ZHANG Chang-fei*DING Ke-qiangLI Qian-junZHANG Dong-pingWU Gong-De

(SchoolofEnvironmentalEngineering,NanjingInstituteofTechnology,Nanjing,JiangsuProvince, 211167)

The distribution of hot air speed, temperature and static pressure in the hot air box,and the influence of inlet velocity, height ratio, air temperature, percentage of opening and the style of jets on the uneven index, static pressure and surface heat transfer coefficient of the air cushion were discussed. With dimensional analysis, a functional relationship ofNuwas obtained. Comparing fitted values with numerical simulation values, the maximum relative error was 9.53%,root mean square error was 9.5%. The fitting formula could be used to study and calculate heat transfer coefficient in engineering cushion layer.

air cushion； hot air box； heat-transfer characteristic; numerical simulation

張長飛先生；講師；主要從事傳熱傳質方面的研究。

2016- 02- 03(修改稿)

南京工程學院青年資金項目(QKJA2011007)。

TS733+.6

ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.07.011