馮益華 李亞男 王麗 張家薈 周炫

摘要： 針對鋼制導熱油烘缸在工作時出現工作表面溫度分布不均勻、溫差大等情況，采用三維建模和模擬仿真方法對鋼制導熱油烘缸的結構進行優(yōu)化。本研究主要從3個方面對鋼制導熱油烘缸進行結構改進，分別是改變循環(huán)油路通道數量，改變進油槽與出油槽上孔的排列方式，改變循環(huán)油路的結構。研究結果表明，相對其他烘缸結構，具有循環(huán)油路通道數量為20個、進油槽與出油槽上孔為單排排列、循環(huán)油路兩兩相通的鋼制導熱油烘缸的性能更好，可以達到工作表面溫度分布均勻、溫差控制在±5℃以內的目的。

關鍵詞：溫度分布;溫差;模擬仿真;結構優(yōu)化

中圖分類號：TS734 ?文獻標識碼：A ?DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.11.008

Abstract： Aiming at the uneven temperature distribution and the large temperature difference on the working surface of steel drying cylinder with oil heating during operation. The structure of the steel dryer was optimized by three-dimensional modeling and simulation. In this study， the structural improvement of the steel cylinder was mainly carried out from three aspects： changing the number of circulating oil pass-ages; changing the arrangement of the holes on the oil tank; and changing the structure of the circulating oil passage. The research results showed that the performance of the steel dryer with 20 circulating oil passages， the holes on the oil tank were arranged in a single row， and the circulating oil passages connected with each other was better than that of other dryer cylinders. It achieved the uniform distribution of working surface temperature and temperature difference in ±5℃.

Key words： temperature distribution; temperature difference; simulation; sructural optimization

目前小型造紙企業(yè)的紙機干燥部設備應用較多的是傳統(tǒng)蒸汽鑄鐵烘缸[1-2]。而鋼制導熱油烘缸由于質量輕、烘缸外壁薄、傳熱效率高、制造周期短、對紙張邊緣受熱均勻性好等特點也得到一定的市場認可。相對于蒸汽烘缸，導熱油烘缸還具有比熱容高、可攜帶更多的熱量、不會產生冷凝水、更不需要虹吸管[3-5]和擾流棒[6-8]等額外裝置的優(yōu)點。

根據某造紙設備企業(yè)生產的某型號鋼制導熱油烘缸的用戶使用情況反映，烘缸工作表面的溫差仍達不到理想的工藝要求，需要針對此問題進行技術改進。本研究采用Solidworks建模軟件和Ansys有限元分析軟件針對烘缸的結構展開優(yōu)化工作。烘缸的結構優(yōu)化主要是改變循環(huán)油路通道的數量、循環(huán)油路的方向、進油槽與出油槽的結構。嚴彥等人[9]提出了多通道烘缸內部結構的設計方法，通過分析通道數量、高寬比和間隔比對蒸汽冷凝傳熱系數及沿程阻力的影響。研究表明，當通道數量為 150～200個、高寬比為 1∶3 及間隔比為 1∶1～1∶3 時，多通道烘缸的整體性能最好。H?m?l?inen等人[10]開發(fā)和測試了一種應用在重要工業(yè)最優(yōu)形狀設計問題中的數值算法，通過將數值方法應用到紙機流漿箱中錐形割臺幾何形狀的優(yōu)化中，證明形狀優(yōu)化可用于工業(yè)流動模型中達到改進的作用。Argonne National Laboratory與Johnson公司合作研究了多通道烘缸的可行性[11]，陜西科技大學針對多通道烘缸的理論與有限元分析，對烘缸內的結構進行優(yōu)化設計，使烘缸內的溝槽與主軸有一定的夾角，有利于冷凝水在旋轉狀態(tài)的通道中排出，在內筒兩端設計蒸汽入口，使單側蒸汽入口數量為通道總數的1/2，兩端蒸汽入口交錯分布，使鄰汽水通道中的流體呈叉流流動，并對多通道烘缸結構進行模擬及實驗，結果顯示滿足傳熱要求，烘缸表面溫度的均勻性也明顯改善，烘缸表面?zhèn)鳠嵯禂堤岣摺?/p>

1 數學模型

根據鋼制導熱油烘缸的實際工作條件和環(huán)境，運用Ansys fluent軟件對其模型進行模擬工作。在模擬過程中是將實際應用轉化到數學問題應用上，以數值的方式輸出結果，并對結果進行整理和分析。烘缸在工作時的雷諾數Re≥4000，處于湍流階段，因此采用Standard k-ε湍流模型進行運算，在這個過程中的控制方程有質量守恒方程、動量守恒方程、k和ε湍流動能方程及能量守恒方程，其表達式如式（1）～式（7）所示[12-15]：

2 數值模擬工作

2.1 模型的建立及邊界條件的設置

鋼制導熱油烘缸的尺寸為Ф1800 mm×L 1300 mm，通過Soildworks軟件對烘缸結構進行三維建模及烘缸內循環(huán)油路的方向如圖1所示，運用Ansys軟件對裝配模型進行有限元劃分和模擬工作。模型的裝配工作首先要對烘缸模型運用布爾運算得到在烘缸內部的流體部分，再將流體部分與烘缸部分進行耦合（即將烘缸與流體的接觸面和流體與烘缸的接觸面耦合在一起）。有限元劃分工作將耦合模型劃分成了8個部分：進口、出口、烘缸部分、流體部分、烘缸與流體的接觸面、流體與烘缸的接觸面、烘缸外壁表面、工作表面（烘缸外壁表面由中心往兩端取1060 mm）、其他表面。模擬過程的計算方法選擇Standard k-ε湍流模型，邊界條件的設置為烘缸進口采用速度進口，出口選擇自由出口。

1—外壁 2—金屬管 3—進口 4—循環(huán)油路通道 5—出口 6—進油槽 7—出油槽

2.2 數值模型的驗證

為了驗證模型計算的準確性，需要先根據設定的邊界條件對光滑管道進行數值模擬，通過使用量綱分析法與實驗結合，得到相應經驗關聯(lián)式的方法進行驗證，本方法通過引入以努塞爾數Nu為目標函數的Dittus-Boelter實驗關聯(lián)式，該努塞爾數已被大量實驗驗證并擬合，如式（8）～式（10）所示 [16]：

式中，d為管道特征直徑;ρ為流體密度;v為流體速度;μ為流體的動力黏度;cp為流體的恒壓熱容。在流體加熱時，n=0.4;在流體冷卻時，n=0.3。Dittus-Boelter公式適用范圍為 0.7～120，L/d≥ 60。

對模擬結果進行處理得到以Nu為目標函數的模型，并驗證數值模擬結果與實驗計算結果如圖2所示。從圖2中可以看出，兩者趨向是一致的，誤差最大為7.75%，誤差在可允許的范圍內，也證明了數值運算模型可應用到該模型上。對企業(yè)使用的鋼制導熱油烘缸模型在不同Re的邊界條件下進行模擬工作，模擬的烘缸外壁表面溫度分布云圖如表1所示。從表1可以看出，隨著Re的增加，外壁表面平均溫度提高，溫度分布趨向均勻分布，但是溫差遠達不到紙張生產干燥所要求的溫度，因此對烘缸的結構進行調整，通過模擬仿真工作確定優(yōu)化結果。

3 優(yōu)化和模擬工作

3.1 優(yōu)化方式

優(yōu)化工作以現有的鋼制導熱油烘缸結構為基礎（循環(huán)油路為20個進20個出、金屬管數量為20個、循環(huán)油路數量為20個、進油槽和出油槽與金屬管連接孔雙排排列），主要從3個方面進行結構改進來實現性能優(yōu)化：①改變金屬管的數量即循環(huán)油路通道數量;②將進油槽與出油槽上與金屬管連接的孔的排列由雙排改成單排;③改變循環(huán)油路的方向。

優(yōu)化方式1（OMF）：將烘缸循環(huán)油路、金屬管的數量減少為12個和16個;優(yōu)化方式2（OMS）：將烘缸進油槽和出油槽上與金屬管連接的孔的排列由雙排改成單排，而OMS中各烘缸金屬管的數量，循環(huán)油路的通道數量、循環(huán)油路的方向與OMF中結構相同;優(yōu)化方式3（OMT）：與OMF和OMS明顯不同的是循環(huán)油路的方向發(fā)生了變化。表2為不同優(yōu)化方式中鋼制導熱油烘缸結構差異。從表2可以看出，OMT中的循環(huán)油路每兩條通道是連通的，即連接相鄰兩條通道的隔板一端是封閉的，一端是連通的，而OMF和OMS中的循環(huán)油路連接每條油路通道的隔板兩端都是封閉的，這樣就導致OMT油路循環(huán)方向與OMF和OMS不同，且在相同循環(huán)油路通道數量下，OMT中連接進油槽與金屬管、出油槽與金屬管的孔和金屬管的數量是OMF與OMS中孔和金屬管數量的1/2。

3.2 模擬結果

表3是不同優(yōu)化方式下的鋼制導熱油烘缸，在Re=1071428下進行模擬工作后烘缸外壁表面溫度分布云圖。從表3中可以看出，隨著通道數量的增加，不同烘缸外壁高溫區(qū)域范圍也在增加，烘缸外壁表面的平均溫度在提高，但OMT優(yōu)化方式中烘缸工作表面溫差最小，溫度分布趨于均勻。

3.3 數據分析

圖3（a）、圖4（a）、圖5（a）分別為不同優(yōu)化方式中不同循環(huán)油路通道數量的烘缸工作壓力隨Re的變化。從總體上看，不同烘缸的工作壓力隨著Re的升高而升高，而且不同優(yōu)化方式中烘缸的工作壓力在相同Re下隨著循環(huán)油路數量的增加而增加，但工作壓力隨著通道數量變化的增加率遠小于隨著Re變化的增加率。因此，烘缸通道數量的變化對烘缸的工作壓力影響較小。

圖3（b） 、圖4（b） 、圖5（b） 分別為不同優(yōu)化方式中不同循環(huán)油路通道數量的烘缸外壁表面平均溫度隨Re的變化。從圖中可以看出，不同烘缸的外壁表面平均溫度隨著Re的升高而升高，OMF中烘缸的外壁表面平均溫度在相同Re下隨著循環(huán)油路通道數量的增加而增加，但是增加率并不大，OMS和OMT中烘缸的外壁表面平均溫度在相同Re下隨著循環(huán)油路通道數量的增加變化并不明顯，再結合表3可以看出，循環(huán)油路通道數量的增加對烘缸外壁表面平均溫度的影響不大。

圖3（c） 、圖4（c） 、圖5（c） 分別為不同優(yōu)化方式中不同循環(huán)油路數量的烘缸外壁表面溫差隨Re的變化。從圖中可以看出，不同烘缸外壁表面溫差隨Re的增加而降低。

圖3（d） 、4（d） 、5（d） 分別為不同優(yōu)化方式中不同循環(huán)油路通道數量的烘缸工作表面溫差隨Re的變化。所有烘缸的工作表面溫差隨著Re的升高而降低，而且在相同Re的情況下，不同優(yōu)化方式中循環(huán)油路通道數量為20個的烘缸工作表面溫差最低。

以上分析得出，各參數隨Re的增加變化明顯，而且在相同Re條件下，烘缸通道數量的變化對其工作壓力以及烘缸外壁表面溫度分布的影響較小，對外壁表面溫差的影響也沒有一定規(guī)律，但是從通道數量對烘缸工作表面溫差的影響中得出，在相同Re的情況下，不同優(yōu)化方式中循環(huán)油路通道數量為20個的烘缸工作表面溫差最低。

圖6為不同優(yōu)化方式中循環(huán)油路通道數量為20個的烘缸各參數隨Re的變化趨勢，從圖6（a）可以看出，隨著Re的升高，不同烘缸的工作壓力均升高，但是烘缸結構的變化對烘缸工作壓力的影響并不明顯。圖6（b）和圖6（d）分別為不同優(yōu)化方式中循環(huán)油路通道數量為20個的烘缸外壁表面平均溫度和工作表面溫差隨Re的變化，從圖6中明顯可以看出，OMT優(yōu)化方式的烘缸更理想，因為在相同Re的條件下，OMT優(yōu)化方式的鋼制導熱油的烘缸外壁表面的平均溫度要高于其他兩種優(yōu)化方式的烘缸，而且工作表面的溫差低于其他兩種優(yōu)化方式的烘缸。因此通過綜合分析選擇優(yōu)化方式OMT的烘缸作為最優(yōu)的結構進行生產實驗。

4 結 論

4.1 通過模擬計算分析，運用Dittus-Boelter實驗關聯(lián)式的方法對論文中的模擬模型進行驗證，證明了驗證方法的可行性和模擬工作的準確性。

4.2 通過綜合分析鋼制導熱油烘缸循環(huán)油路結構的變化對烘缸的工作壓力和外壁表面平均溫度的影響很小，但烘缸工作壓力和外壁表面平均溫度會隨著Re的升高而升高。

4.3 經過對比分析，從烘缸工作表面溫差方面得出循環(huán)油路通道數量為20個的鋼制導熱油烘缸結構比循環(huán)油路通道數量為12個和16個的要好，且循環(huán)油路通道數量為20個的優(yōu)化方式OMT鋼制導熱油烘缸結構比其他兩種優(yōu)化方式好，因此選擇OMT優(yōu)化方式中循環(huán)油路通道數量為20個的鋼制導熱油烘缸結構作為最優(yōu)的結構進行生產實驗。

參考文獻

[1] DONG Jixian， DANG Rui. The Study and Design of the New Type Multiport-dryer[J].China Pulp & Paper， 2009， 28（6）：45.董繼先，黨 睿. 造紙機新型烘缸的研究與設計[J].中國造紙，2009，28（6）：45.

[2] CHANG Zhiguo， DONG Jixian， DANG Rui， et al. Research Progress in the Dryer of Paper Machine[J]. Transactions of China Pulp and Paper，2012，27（4）：50.常治國，董繼先，黨 睿，等. 紙機烘缸的研究進展[J].中國造紙學報，2012，27（4）：50.

[3] WANG Bing. Application of Single-Support Rotary Syphon in the Dryer of Paper Machine [J].China Pulp & Paper，2003，22（6）：38.汪 冰. 單支撐旋轉虹吸器在紙機烘缸中的應用[J].中國造紙，2003，22（6）：38.

[4] Li Qingzhu， Zhao Taigang. A new type of fixed siphon in drying cylinder [J]. China Pulp & Paper Industry， 2002，23（4）：43.李慶祝，趙太剛. 新型烘缸固定式虹吸管[J].中華紙業(yè)，2002，23（4）：43.

[5] Ouyang Yuxia， Dong Jixian. New-style Stationary Siphon[J]. World Pulp and Paper，2006，25（2）：53.歐陽玉霞，董繼先. 新型懸臂式虹吸管[J].國際造紙， 2006，25（2）：53.

[6] Hua Jian ，Shan Xiangnian. Johnson Tubulator Bars-Effective measures to increase the heat transfer efficiency of high- and medium-speed paper machine's duyer [J]. China Pulp & Paper Industry，2004，25（4）：29.華 建，單翔年. Johnson擾流棒——提高中高速紙機烘缸傳熱效率的有效裝置[J]. 中華紙業(yè)，2004，25（4）：29.

[7] Dong Jixian. Tabulator Bars——The Supplementary Installation Effective To Increase Drying Capactty Of Dryer Cylinder [J]. Hunan Papermaking， 2007（2）：54.董繼先. 擾流棒——有效提高烘缸干燥性能的輔助裝置[J].湖南造紙，2007（2）：54.

[8] Gregory L W，Shan Xiangnian. The effect of turbulence bar in increasing heat conduction performance and condensate discharge [J]. China Pulp & Paper Industry，2009，30（10）：105.Gregory L W，單翔年. 擾流棒在提高熱傳導性能和冷凝水排出過程中的作用[J]. 中華紙業(yè)，2009，30（10）：105.

[9] YAN Yan，DONG Jixian， TANG Wei，et al.Study on the Influence of Structural Parameters of Multi-channel Cylinder Dryer on Heat Transfer Performance[J]. Transactions of China Pulp and Paper， 2015，30（3）：41.嚴 彥，董繼先，湯 偉，等. 多通道烘缸結構參數對烘缸傳熱性能的影響[J].中國造紙學報， 2015，30（3）：41.

[10] H?m?l?inen J ，M?Kinen R A E ， Tarvainen P . Optimal design of paper machine headboxes[J]. International Journal for Numerical Methods in Fluids，2000，34（8）：685.

[11] Kadant Johnson . Multiport Dryer Technology Breakthrough Dryer Technology Will Greatly Improve Papermaking Efficiency[G]// Argonne National Laboratory. US Department of Energy Efficiency and Renewable Energy Industrial Technologies Program.Argonne，Illinois： 9700 South Cass Avenut， 2006.

[12] Wang Fujun. Computational Fluid Dynamics Analysis： Principles and Applications of CFD Software [M]. Beijing： Tsinghua University Press，2004.王福軍. 計算流體動力學分析： CFD 軟件原理與應用[M]. 北京： 清華大學出版社，2004.

[13] Wen Zheng， Shi Chenliang， Ren Yiru. Fluent Fluid Computing Application Tutorial [M]. Beijing： Tsinghua University Press，2009.溫 正， 石良辰， 任毅如. ?Fluent 流體計算應用教程[M]. 北京： 清華大學出版社，2009.

[14] Li Jinliang， Li Chengxi， Hu Renxi. Fluent flow field analysis[M]. Beijing： Chemical Industry Press， 2007.李進良，李承曦，胡仁喜. Fluent 流場分析[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2007.

[15] Zhu Hongjun， Lin Yuanhua， Xie Longhan. FLUENT Fluid Analysis and Simulation Practical Tutorial[M]. Beijing： People's Posts and Telecommunications Press，2010.朱紅鈞， 林元華， 謝龍漢. FLUENT 流體分析及仿真實用教程[M]. 北京：人民郵電出版社，2010.

[16] Tian L T， He Y L， Lei Y G， et al， Numerical study of fluid flow and heat transfer in a flat-plate channel with longitude vortex generators by applying field synergy principle analysis[J]， Inter-national Communications in Heat and Mass Transfer，2009，36（2）：111.

（責任編輯：黃舉）