■　陳生超　張紀(jì)元

〔鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究所，河南鄭州450004〕

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籽棉調(diào)濕工藝中管道保溫的仿真計(jì)算

■陳生超張紀(jì)元

〔鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究所，河南鄭州450004〕

一、引言

當(dāng)前，隨著人工成本的不斷增加，機(jī)械采摘已經(jīng)成為我國(guó)棉花的主要采摘方式，但同手摘棉相比，機(jī)采棉普遍存在一致性差，含雜率、短絨率高的問(wèn)題，與美國(guó)、澳大利亞機(jī)采棉相比質(zhì)量差別也較大，新疆機(jī)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(tuán)中機(jī)采棉種植面積的不斷擴(kuò)大，棉花價(jià)格，特別是機(jī)采棉價(jià)格的持續(xù)走低，嚴(yán)重影響了以棉花為經(jīng)濟(jì)支柱的兵團(tuán)經(jīng)濟(jì)。為了廣大棉農(nóng)的利益，國(guó)家進(jìn)行了大量的補(bǔ)貼，給國(guó)家經(jīng)濟(jì)造成了沉重的負(fù)擔(dān)。因此，提高機(jī)采棉質(zhì)量，使其滿足下游紡織企業(yè)的要求，才能擁有市場(chǎng)增加收益，而提高機(jī)采棉質(zhì)量的核心手段就是改變現(xiàn)有的以產(chǎn)量為主的加工工藝，精細(xì)研究針對(duì)機(jī)采棉特點(diǎn)的加工工藝。其中增加籽棉調(diào)濕工藝，對(duì)機(jī)采棉品級(jí)的提高有著明顯的提升作用，而國(guó)內(nèi)對(duì)籽棉調(diào)濕技術(shù)的研究還比較缺乏，特別是對(duì)該技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的研究處于空白狀態(tài)，所以，開(kāi)展機(jī)采棉調(diào)濕技術(shù)的研究對(duì)我國(guó)棉花加工業(yè)意義重大。

本文針對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上存在的籽棉調(diào)濕工藝中熱量損失過(guò)大的問(wèn)題開(kāi)展了研究，首先采用傳熱學(xué)中管道強(qiáng)制傳熱理論建立了籽棉調(diào)濕管道中熱量損失的理論模型，然后通過(guò)采用CFD流體分析軟件對(duì)非保溫?zé)犸L(fēng)管道、保溫?zé)犸L(fēng)管道進(jìn)行仿真分析，探索兩種條件下管道中熱量損失的情況，為進(jìn)行籽棉調(diào)濕工藝的布局提供了參考依據(jù)。

二、籽棉調(diào)濕熱風(fēng)管道的熱傳輸模型

籽棉調(diào)濕熱風(fēng)輸送管道中的熱量傳輸包括了管內(nèi)熱空氣與管道內(nèi)壁的管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱，管壁的熱傳導(dǎo)，室外空氣與管道外壁的熱交換三個(gè)方面。由于非保溫?zé)犸L(fēng)管道的管壁厚度為1 mm的鋼板，且導(dǎo)熱系數(shù)很大，熱阻可以忽略，所以，非保溫?zé)犸L(fēng)管道的熱量傳輸只包括管內(nèi)的對(duì)流換熱和管外的散熱兩個(gè)部分。保溫?zé)犸L(fēng)管道的管壁采用厚度為10 mm厚度的硅酸鋁纖維氈，導(dǎo)熱系數(shù)為K=0.036 W/m·k。

假設(shè)室外空氣溫度為T(mén)o，熱空氣的溫度為T(mén)f，建立的籽棉調(diào)濕熱風(fēng)輸送管道熱傳輸?shù)睦碚撃Ｐ腿鐖D1所示。

圖1　棉花調(diào)濕工藝中熱風(fēng)管道中熱傳輸?shù)睦碚撃Ｐ?/p>

室外空氣與管道外壁的熱交換包括了外部強(qiáng)制對(duì)流換熱和輻射傳熱，設(shè)當(dāng)?shù)仫L(fēng)速為v風(fēng)，管道外表面散熱系數(shù)a外的公式：

管道內(nèi)壁與熱空氣強(qiáng)制對(duì)流換熱計(jì)算中，設(shè)空氣密度為ρ，粘度為μ，比熱容為Cp，熱傳導(dǎo)率為λ，流速為v，管道內(nèi)徑為D，管道長(zhǎng)度為L(zhǎng)，流體溫度為T(mén)f，管壁溫度為T(mén)w。對(duì)于雷諾數(shù)Re在2 300～106之間，普朗特?cái)?shù)Pr在0.6～105之間的管內(nèi)流體，根據(jù)Gnielins?ki關(guān)聯(lián)式，可得管內(nèi)熱空氣與管道內(nèi)壁的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)a內(nèi)為：

其中雷諾數(shù)Re、普朗特?cái)?shù)Pr分別為：

f為管內(nèi)湍流流動(dòng)的Darcy阻力系數(shù)，根據(jù)Filonenko公式，可得f為：

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

公式（1）、（2）為棉花加工熱風(fēng)輸送管道中傳熱計(jì)算模型。通過(guò)測(cè)量管內(nèi)空氣和管壁的溫度，當(dāng)?shù)仫L(fēng)速v，查詢(xún)熱空氣參數(shù)可以求得管道外表面散熱系數(shù)和內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)，為計(jì)算流體力學(xué)在棉花加工熱風(fēng)輸送管道中的應(yīng)用提供了依據(jù)。

三、熱風(fēng)管道中熱損失的數(shù)值模擬

（一）內(nèi)換熱系數(shù)和外散熱系數(shù)的計(jì)算

以128團(tuán)籽棉調(diào)濕熱風(fēng)輸送管道為模型進(jìn)行仿真，如圖2所示，設(shè)管道總長(zhǎng)度為L(zhǎng)=48.28 m，直徑D= 0.6 m，中間有兩個(gè)半徑為2 m的彎管道。

圖2　熱風(fēng)輸送管道尺寸圖

測(cè)得試驗(yàn)當(dāng)天的室外風(fēng)速為v風(fēng)=3 m/s，溫度為278 K；管道入口熱風(fēng)溫度T入=423 K，速度v=20 m/s，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得出口溫度T出在389K左右，故設(shè)定流體溫度Tf為：

通過(guò)查詢(xún)相關(guān)資料，406 K熱風(fēng)的相關(guān)熱性能參數(shù)如表1所示。

表1　406K熱風(fēng)性能參數(shù)

當(dāng)溫度穩(wěn)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(cè)量管內(nèi)流體溫度Tf和管壁溫度Tw的熱力學(xué)數(shù)值，根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)計(jì)算可得非保溫管道的Tf/ Tw=1.1，保溫管道的Tf/ Tw=1.2。

通過(guò)公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7），求得管道外表面散熱系數(shù)和內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)a外、非保溫管道、保溫管道a內(nèi)分別為：

對(duì)于彎管道部分的內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)a內(nèi)，，需要乘以一個(gè)修正系數(shù)cr［16］：

非保溫管道：

保溫管道：

（二）模型的網(wǎng)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(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3　網(wǎng)格劃分

（三）仿真參數(shù)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(jìn)行數(shù)值模擬。

非保溫管道邊界條件：

進(jìn)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(shù)為24.76 W/m2·K，內(nèi)部直管部分對(duì)流換熱系數(shù)為50.40 W/m2·K，內(nèi)部彎管部分對(duì)流換熱系數(shù)為77.2 W/m2·K；外部環(huán)境溫度為278 K。

保溫管道邊界條件：

進(jìn)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(shù)為24.76 W/m2·K，內(nèi)部直管部分對(duì)流換熱系數(shù)為52.40 W/m2·K，內(nèi)部彎管部分對(duì)流換熱系數(shù)為80.2 W/m2·K；外部環(huán)境溫度為278 K。

（四）仿真結(jié)果與分析

如圖4、5所示是在熱風(fēng)沿管道溫度分布圖，從圖中只能看出對(duì)于非保溫管道熱風(fēng)溫度由423 K降到了400 K左右，溫度降低了23℃，而對(duì)于增加了硅酸鋁纖維氈保溫層的管道，熱風(fēng)溫度由423 K降到了412 K，溫度降低了11℃。由此得出熱風(fēng)以20 m/s的速度通過(guò)48.28 m的籽棉調(diào)濕輸送管道，保溫層的存在可以使熱風(fēng)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(jié)

本文的主要工作有以下兩點(diǎn)：（1）建立了籽棉調(diào)濕熱風(fēng)管道的傳熱模型；（2）針對(duì)非保溫管道和保溫管道傳熱模型的區(qū)別對(duì)模型進(jìn)行了相關(guān)的修正，并分別求證了各自管內(nèi)的傳熱系數(shù)；（3）采用CFD流體分析軟件針對(duì)非保溫管道和保溫管道的熱量損失進(jìn)行了數(shù)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(xù)的工作內(nèi)容：后續(xù)本文要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后與數(shù)值分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，對(duì)數(shù)值分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以方便以后更有利于籽棉調(diào)濕工藝的改進(jìn)。☆