稀释水流速及加入角度对流浆箱调节效果的影响

樊慧明 刘建安 张 成

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640)

局部调节浆料浓度控制全幅定量的发明和应用，大大提高了纸张的横幅定量分布水平和纤维取向的均匀程度，满足了社会对纸张质量越来越高的要求［1］。局部调节浆料浓度控制全幅定量的工作原理是:在布浆元件的支管之间，沿横向选择适当的间隔距离，向布浆元件的上游注入稀释水，通常为造纸白水，用以局部调节浆料浓度，实现全幅横向定量均匀调节［2］。与传统的唇板配曲调节相比，稀释水调节方法既能有效保证全幅横向定量的均匀一致，又能保持全幅纤维排列均匀一致，调浓流浆箱具有优良的纤维排列性能［3-4］。

通过加稀释水改变浓度来调节定量分布和纤维取向均匀度的效果取决于两个操作单元［5-6］:第一个单元是两种不同浓度液体的充分混合，对流浆箱而言，即稀释水与不同浓度浆料的充分混合;第二个单元是在一定的稀释比(稀释水流量与布浆元件进浆量的比值)范围内，布浆元件各支管出浆量基本保持不变。第一个单元稀释水与浆料的混合比较容易实现，第二个单元实现起来比较困难同时也是关键单元，如果由于稀释水的添加而导致布浆支管出浆不等，就会在流浆箱中产生横流，这种横流降低了定量调节的效果，更重要的是会破坏纤维取向的均匀性，这正是传统调节方法最大的缺点［7］。因为稀释水的流量是根据需要发生变化的，因此稀释水流速和加入角度(稀释水支管与布浆支管的夹角)是影响布浆支管流量变化，进而影响稀释水添加效果的两个非常重要的因素［3］，对此，国内外的研究报道很少。对于现代锥管布浆流浆箱而言，稀释水添加方式有多种，如原Beloit 公司的流浆箱，将稀释水注入方锥总管上游邻近管入口位置，稀释水转180°后进入该管中，稀释水和主浆流在布浆元件中混合后进入混合室中［8］。而目前有的稀释水流浆箱采用在布浆支管注入稀释水的方式，本研究主要分析这种添加方式中稀释水流速及加入角度对稀释水添加效果的影响。

1 布浆支管中添加稀释水的流体力学分析

在布浆支管中加入稀释水的方式如图1 所示，从流体力学的角度看，这种添加方式是一种非标准的汇流三通，对于稀释水支管，汇流的伯努力方程可以表示为式(1)［9］。

图1 布浆支管中稀释水加入方式

式中，Z1、Z3分别表示稀释水支管与汇流后浆管的位能，m;P1、P3分别表示稀释水支管与汇流后浆管的压力，kPa;V1、V3分别表示稀释水支管与汇流后浆管的流速，m/s;ζ31表示稀释水支管的局部能量损失系数;ρ 表示浆的密度，kg/m3。

稀释水支管通常与布浆支管在同一平面内，即Z1=Z3，如稀释水支管与布浆支管不在同一平面内，因为差值是固定的，不影响对结果的分析，式(1)变为式(2)、式(3)。

设稀释比为X，那么:

根据连续性方程

设稀释水支管的截面积与布浆支管的截面积比为Y，稀释水加入前后布浆支管的截面积不变，那么:

将式(6)～式(8)代入到式(3)中，得:

汇流的主要损失来源于两支不同速度流的紊流混合损失、从侧管进入总管的转向损失、渐扩段中的扩散损失和圆滑弯头内的损失等。根据流体阻力手册得出支管的局部能量损失系数见式(12)［10］。

式中，V1、V2、V3分别表示稀释水支管、汇流前浆管与汇流后浆管的流速，m/s;S1、S2、S3分别表示稀释水支管、汇流前浆管与汇流后浆管的截面积，m2;θ 表示稀释水支管与布浆支管的夹角(°);A、K 为阻力系数。

2 稀释水流速和加入角度对稀释水添加效果的影响分析

为了避免流浆箱中产生横流，影响稀释水的添加效果，就要在一定的稀释比X 范围内，添加稀释水后布浆支管流量的变化率尽可能小。

式中，εi表示不同条件下添加稀释水后布浆支管流量对平均流量的变化率，%;Q3i表示不同条件下布浆支管的流量，m3/s;表示不同条件下添加稀释水后布浆支管的平均流量，m3/s。

由于稀释水的加入量比较小，为了确保稀释水阀的灵敏性，一般而言，流浆箱系统中，稀释水的压力与布浆支管中压力保持基本不变，即(P1－P3)基本不变，将式(11)代入式(14):

式中，n 表示选取的添加稀释水后布浆支管流量的个数，本研究选取了10 个。

稀释水加入角度，即稀释水支管与布浆支管的夹角θ 取30°、60°、90°、120°、150°进行计算。

2.1 稀释水加入角度对稀释水添加效果的影响

当稀释水支管与布浆支管的截面积比Y 为0.25、0.36、0.49、0.64 时，稀释水加入角度对布浆支管流量变化的影响如表1 ～表4 所示。

从表1 ～表4 可以看出，在稀释比从1% 到10%变化时，布浆支管中流量随稀释比的变化具有相同的趋势，并且稀释水支管与布浆支管夹角越大，布浆支管中的流量变化越小，稀释水添加的效果越好，这是因为随着夹角的增加，稀释水与锥管来的浆流混合产生能量损失越大，从而在一定程度上减小锥管的来浆量，使得添加稀释水后混合浆流的量变化程度减小。

表1 Y 为0.25 时稀释水加入角度对布浆支管流量变化的影响

表2 Y 为0.36 时稀释水加入角度对布浆支管流量变化的影响

表3 Y 为0.49 时稀释水加入角度对布浆支管流量变化的影响

表4 Y 为0.64 时稀释水加入角度对布浆支管流量变化的影响

2.2 稀释水流速对稀释水添加效果的影响

当稀释水支管与布浆支管的夹角保持不变时，在稀释比1% ～10%范围内，稀释水支管与布浆支管的夹角θ 分别为60°和120°时布浆支管的流量随稀释水支管与布浆支管截面积比(Y)所代表的稀释水流速变化情况如图2 和图3 所示。

从图2 和图3 可以看出:①当稀释水支管与布浆支管的夹角相同时，稀释水支管与布浆支管截面积比Y 越大，即稀释水流速越低，添加稀释水后支管流量的变化率在相同的稀释比情况下越小，稀释水添加的效果越好;②对于不同的夹角，具有相同的趋势;③Y=0.49 和Y=0.64 的曲线基本接近，因此当稀释水支管与布浆支管截面积比Y ＞0.49 时，Y 对于添加稀释水后布浆支管流量的变化率影响减小。这是因为随着Y 的增加，稀释水的流速减小，从而对支管中浆流的冲击减小，使汇流后支管中浆流速度的变化率减小。

3 结 语

在布浆支管中添加稀释水调节浓度控制横幅定量的方法，创造性地解决了传统调节方法在定量调节与纤维取向调节之间的矛盾，对这种添加方式的流体力学分析结果表明，①稀释水支管与布浆支管之间的夹角越大，添加稀释水后布浆支管的流量变化越小，添加效果越好。②稀释水支管与布浆支管截面积比越大，即稀释水流速越低，添加稀释水后支管流量的变化率在相同的稀释比情况下越小，稀释水添加的效果越好。在夹角和流速这两个因素中，显然稀释水流速对添加稀释水后布浆支管流量的变化影响更大，也是更为关键的因素。

本研究假定了稀释水支管与添加稀释水后布浆支管中的压力差保持不变，在实际生产中，即使通过严格的自动控制，由于稀释水阀的开度变化，仍然使得压力差会发生变化，由于变化比较小，因此不会影响本研究的结果。但由于汇流水力特性的复杂性，目前关于汇流局部能量损失系数都是由实验研究、曲线拟合、插值近似加理论推导相结合而得出的［11-14］，无疑存在一定的误差，因此后续工作中需对本研究的结论做进一步的实验验证。

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