張長飛 丁克強(qiáng) 葛仕福 李乾軍 張東平 吳功德

(1.南京工程學(xué)院環(huán)境工程系，江蘇南京，211167;2.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京，210096)

根據(jù)我國制漿造紙工業(yè)的長遠(yuǎn)規(guī)劃，到2015年紙及紙板消費(fèi)總量將達(dá)到8000萬t/a以上，至2020年我國的紙和紙板生產(chǎn)總量將達(dá)到1億t/a［1-2］。造紙工業(yè)“十二五”規(guī)劃草案目前已經(jīng)完成，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、提升改造與綠色發(fā)展成為規(guī)劃的主要內(nèi)容。技術(shù)和裝備水平是節(jié)能減排的重要影響因素，加強(qiáng)企業(yè)的技術(shù)改造，加快開發(fā)重大產(chǎn)品和重大技術(shù)是關(guān)鍵［3-5］。

氣墊式干燥器通過加熱空氣以沖擊干燥形式干燥紙板，提高了干燥部的運(yùn)行性能、降低壓榨部和干燥部之間的牽引力、更換紙種時(shí)能快速調(diào)節(jié)干燥能力以及控制紙幅翹曲，具有明顯優(yōu)越性［6-7］。氣墊式干燥器的干燥過程中，紙張中水分的氣化是一個(gè)傳熱傳質(zhì)過程，蒸汽擴(kuò)散可以用表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和傳質(zhì)系數(shù)來表征。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是干燥器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大時(shí)，水分去除速度快，縮短了干燥時(shí)間，減小了干燥設(shè)備的尺寸。因此，對(duì)氣墊式干燥器進(jìn)行研究開發(fā)，可以大大提高蒸汽利用率和紙張質(zhì)量、降低能耗和設(shè)備成本。

熱風(fēng)箱是對(duì)漿板進(jìn)行加熱干燥并形成氣墊的關(guān)鍵設(shè)備，直接影響紙機(jī)的生產(chǎn)速度和所生產(chǎn)紙張的品質(zhì)［8］。如何設(shè)計(jì)熱風(fēng)箱來減少漿板在干燥器內(nèi)的摩擦阻力、減少斷頭和破損現(xiàn)象的產(chǎn)生、使得紙機(jī)高速平穩(wěn)運(yùn)行是其關(guān)鍵技術(shù)。我國造紙干燥過程中熱風(fēng)箱技術(shù)目前還停留在對(duì)國外設(shè)備的引進(jìn)和消化吸收階段［9］。我國關(guān)于熱風(fēng)箱噴口處氣墊層流場(chǎng)規(guī)律及傳熱特性的基礎(chǔ)研究還是空白，熱風(fēng)箱噴口形式、入風(fēng)參數(shù)對(duì)傳熱效果的影響研究還剛剛起步。加快這方面的研究對(duì)于縮小與國外先進(jìn)技術(shù)的差距，進(jìn)一步研究開發(fā)高速氣墊式干燥機(jī)，具有重要的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及參數(shù)

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)、熱風(fēng)箱流場(chǎng)示意圖分別見圖1和圖2所示，熱風(fēng)箱模型孔板圖見圖3所示。實(shí)驗(yàn)過程為:空氣通過電加熱器加熱后對(duì)懸浮一定高度濕木板進(jìn)行干燥，測(cè)量濕木板加熱前后的質(zhì)量，從而計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和繪制濕木板的干燥速率曲線。

濕木板的懸浮高度由不同風(fēng)速下的模擬計(jì)算得出。分析出風(fēng)板風(fēng)速、溫度、出風(fēng)板開孔率、出風(fēng)板開孔噴口的形狀和布置方式對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和熱風(fēng)箱氣墊流場(chǎng)的影響，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)條件:熱風(fēng)箱高度比τ=0.5(τ=a/b)，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度20℃;干空氣密度1.225 kg/m3;空氣動(dòng)力黏度1.46×10－5m2/s，飽和水密度999.0 kg/m3。

1.2 其他儀器

電子天平、溫度巡檢儀、XMT-3000系列工業(yè)控制/調(diào)節(jié)器、QDF-3熱球風(fēng)速儀等。

2 結(jié)果分析

2.1 濕木板干燥特性曲線

圖4為不同空氣濕度下濕木板干燥速率曲線。由圖4可以看出，隨著加熱空氣濕度的降低，傳質(zhì)推動(dòng)力增大，干燥速率在整個(gè)過程中呈現(xiàn)加快的趨勢(shì)。圖5所示為不同空氣濕度下濕木板中心溫度隨干燥時(shí)間變化的曲線。由圖5可以看出，濕木板的氣墊式干燥，預(yù)熱階段時(shí)間較短，約為40 min左右，大部分都處于等速干燥階段。

2.2 影響熱風(fēng)箱靜壓因素分析

2.2.1 入口風(fēng)速對(duì)熱風(fēng)箱靜壓及速度分布的影響

熱風(fēng)箱內(nèi)靜壓差值的大小，反映了熱風(fēng)箱內(nèi)氣體流動(dòng)的均勻性，差值越小，均勻性越好。在高度比為0.5時(shí)，分別對(duì)入口風(fēng)速為8 m/s、12 m/s和16 m/s工況下的熱風(fēng)箱內(nèi)部的靜壓值進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果見圖6所示。由圖6可以看出，熱風(fēng)箱內(nèi)的靜壓值沿氣體流動(dòng)方向不斷增大。入口風(fēng)速為8 m/s、12 m/s時(shí)熱風(fēng)箱尾端1418 mm與入口端的靜壓差最大分別為50 Pa和80 Pa，比入口端靜壓增加分別為16.6%、22.2%。當(dāng)流速為16 m/s時(shí)，靜壓差達(dá)200 Pa，比入口端靜壓增加了45%，靜壓分布均勻性較差，說明入口風(fēng)速高于12 m/s時(shí)，熱風(fēng)箱內(nèi)氣體流動(dòng)均勻性不好。

圖6 不同入口風(fēng)速下熱風(fēng)箱靜壓變化曲線

通過測(cè)量熱風(fēng)箱內(nèi)風(fēng)速的變化可以研究熱風(fēng)箱內(nèi)氣流均勻性的狀況。圖7所示為不同入口風(fēng)速下的熱風(fēng)箱內(nèi)速度分布圖。由圖7可以看出，離熱風(fēng)箱入口越遠(yuǎn)，風(fēng)速越小。入口風(fēng)速越大，熱風(fēng)箱內(nèi)的速度梯度越大，流場(chǎng)越不均勻;當(dāng)入口風(fēng)速為12 m/s和16 m/s時(shí)，測(cè)點(diǎn)位置為1418 mm處 (熱風(fēng)箱最尾端)速度仍然較大，沒有接近零，仍有一定的流速。

圖7 不同入口風(fēng)速下熱風(fēng)箱內(nèi)速度分布

2.2.2 出風(fēng)板開孔率對(duì)熱風(fēng)箱靜壓的影響

在實(shí)驗(yàn)條件下熱風(fēng)箱內(nèi)不同出風(fēng)板開孔率 (圓孔直排)下的靜壓曲線如圖8所示。由圖8可以看出，在相同的流量下，開孔率越大，出口風(fēng)速越小，靜壓差值越小，氣墊層分布越均勻。由圖8可以看出，為保證熱風(fēng)箱內(nèi)氣體流動(dòng)的均勻性，開孔率不要低于6.67%。

圖8 出風(fēng)板不同開孔率下熱風(fēng)箱靜壓變化曲線

2.2.3 開孔方式對(duì)熱風(fēng)箱靜壓的影響

在實(shí)驗(yàn)條件下，不同出風(fēng)板開孔方式下熱風(fēng)箱內(nèi)的靜壓曲線見圖9所示。由圖9可以看出，在相同的流量和開孔率下，圓孔叉排方式布置時(shí)靜壓差最小，氣墊層分布較均勻。

圖9 出風(fēng)板不同開孔方式下熱風(fēng)箱靜壓變化曲線

2.3 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)影響因素分析

2.3.1 出風(fēng)板開孔率對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

圖10所示為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨出風(fēng)板開孔率的變化情況。由圖10可以看出，在同一實(shí)驗(yàn)條件下，出風(fēng)板開孔率對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響較大，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨出風(fēng)板開孔率的增大而增大，出風(fēng)板開孔率為7.42%時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)，之后隨出風(fēng)板開孔率增大略有減小。圓孔叉排工況傳熱效果最佳，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為7.74 W/(m2·K)。

圖10 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨出風(fēng)板開孔率的變化

總風(fēng)量一定時(shí)，改變出風(fēng)板開孔率可以改變出風(fēng)口風(fēng)速。出風(fēng)口風(fēng)速直接影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小。減小出風(fēng)板開孔率可以使出風(fēng)板的出風(fēng)口風(fēng)速變大，一方面可以提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，但同時(shí)增大了氣墊層靜壓，使紙張離出風(fēng)板的距離加大，這樣會(huì)減小表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

綜上所述，漿板機(jī)氣墊式熱風(fēng)箱出風(fēng)板存在一個(gè)最佳開孔率，在這個(gè)最佳開孔率下可使得氣墊層中氣體與紙張間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最大，較佳開孔率為7.42%。

2.3.2 出風(fēng)板開孔噴口的形狀及噴口的布置方式對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

出風(fēng)板開孔噴口的形狀及噴口的布置方式都會(huì)影響熱風(fēng)箱的氣體流動(dòng)和氣墊層的均勻性，從而影響傳熱效果。

出風(fēng)板開孔噴口不同形狀及布置方式對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響見圖11所示。實(shí)驗(yàn)表明在同一工況條件下，圓孔叉排布置時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最大，為7.74 W/(m2·K);圓孔直排、方孔叉排布置次之，三角孔叉排、方孔直排較差;三角孔直排最差，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最小，為5.78 W/(m2·K)。

圖11 出風(fēng)板開孔噴口不同形狀及布置方式下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

2.3.3 入口風(fēng)速對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

不同工況條件下入口風(fēng)速對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響見圖12所示。由圖12可知，入口風(fēng)速對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響比較大。入口風(fēng)速為12 m/s時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是8 m/s時(shí)的1.25倍。但入口風(fēng)速大于12 m/s后，隨著風(fēng)速增大，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)卻變小。這是由于出風(fēng)板開孔率一定時(shí)，隨著入口風(fēng)速的增加，氣墊層靜壓的增加，使得紙張離出風(fēng)板距離加大，減少了表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

在紙張干燥過程中應(yīng)選擇最佳入口風(fēng)速值，使得紙張干燥過程中表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)值最大。在本實(shí)驗(yàn)條件下，最佳值入口風(fēng)速為12 m/s，此時(shí)傳熱效果最好。

圖12 不同入口風(fēng)速下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

2.3.4 入口空氣溫度對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

改變?nèi)肟诳諝鉁囟?，研究入口空氣溫度?duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響。圖13所示為出風(fēng)板不同開孔噴口形狀及噴口布置方式下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與入口空氣溫度間的關(guān)系。從圖13可以看出，同一工況條件下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)值隨入口空氣溫度的變化較小。在整個(gè)入口空氣溫度變化過程中，方孔直排工況下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化幅度最大，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最大為6.1 W/(m2·K)，最小為5.88 W/(m2·K)，變化幅度＜4%。

圖13 不同溫度下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

3 結(jié)論

以濕木板的干燥來模擬漿板的干燥，通過對(duì)干燥過程中濕木板質(zhì)量、溫度、熱風(fēng)箱內(nèi)靜壓值測(cè)量和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算、分析，得出如下結(jié)論。

3.1 熱風(fēng)箱內(nèi)靜壓值沿流動(dòng)方向呈線性增加。靜壓差值隨著入口風(fēng)速的增加而增加，隨出風(fēng)板開孔率增大而減小。同一工況下出風(fēng)板開孔噴口叉排布置時(shí)靜壓分布效果優(yōu)于直排布置，出風(fēng)板開孔噴口為圓形叉排時(shí)靜壓值分布最佳，出風(fēng)板開孔噴口為三角孔直排時(shí)靜壓分布最差。

3.2 對(duì)于氣墊層表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，出風(fēng)板開孔率和入口風(fēng)速都存在一個(gè)最佳值，在這個(gè)最佳值下傳熱性能最優(yōu)，空氣入口溫度對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響較小。同一工況下出風(fēng)板開孔噴口叉排布置時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)優(yōu)于直排布置，噴口為圓形叉排時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最高為7.74 W/(m2·K)，噴口為三角孔直排時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最低為 5.78 W/(m2·K)。

3.3 綜合考慮熱風(fēng)箱靜壓分布效果及氣墊層表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，最佳參數(shù)為:入口風(fēng)速12 m/s;出風(fēng)板開孔率為7.42%;出風(fēng)板開孔噴口形狀及噴口布置方式為圓孔叉排最佳，圓孔直排和方孔叉排次之，方孔直排、三角孔直排最差。

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