纸机多通道烘缸研究进展

董继先 史 韵 汤 伟 严 彦

(陕西科技大学机电工程学院，陕西西安，710021)

纸机干燥部是造纸过程中能耗最大的工段，其蒸汽消耗成本占纸张生产成本的5% ～15%［1］，具有极大的节能潜力。烘缸作为干燥部的重要组成部分，一直是国内外学者研究的热点。目前，在实际生产中，蒸汽加热干燥仍然在纸张干燥中扮演重要角色，但其最大问题就是蒸汽冷凝放热后形成的冷凝水若不及时排出，会在烘缸内壁形成稳定的冷凝水环，影响纸机干燥效率，限制纸机的高速化发展。国内外学者针对这一问题进行了研究，其基本思路是采取措施以减小烘缸内冷凝水环的厚度及其热阻。基于此思路，前人在改进烘缸结构方面做了很多努力:如在烘缸内部设置扰流棒，提升烘缸内冷凝水的排出效率，提高热传导以及干燥均匀度［2-3］;将用于排出冷凝水的虹吸装置由固定式虹吸管改为旋转式虹吸管，再到目前广泛使用的悬臂式虹吸管［4-5］;孙铭等人［6］提出将烘缸内表面加工为均布的螺旋齿，各间隔齿槽底面分别向两端倾斜，在两端开回水环形槽，以提高传热效率和烘缸整体的热均匀性;江村等人［7］提出一种无虹吸管叶轮排水式烘缸，依靠出水叶轮缸盖上的叶片对冷凝水的向心作用，将冷凝水排出烘缸，不需要设置虹吸排水装置。

前人的努力和探索虽然能在一定程度上改善烘缸内冷凝水的问题，但是随着造纸装备向大型化、高速化、自动化、绿色化和高可靠性的发展，这些改进措施已经很难满足实际的生产需求，因此必须改变现有的干燥方式来适应造纸装备的发展趋势，而多通道烘缸正是在这一背景条件下提出的［8］，并很快引起造纸装备发达国家研究者的兴趣。

本文综述了纸机多通道烘缸的研究与发展情况，在介绍多通道烘缸的基本结构与原理的基础上，从结构设计与优化、实验研究、计算流体动力学 (CFD)仿真研究等方面对国内外多通道烘缸最新的研究进展进行总结，并对今后的研究方向进行了展望。

1 多通道烘缸

多通道烘缸的设计理念是提供一种可以从根本上解决烘缸内冷凝水环的问题，并提高纸张干燥速率的纸张干燥解决方案。图1为多通道烘缸的结构示意图。如图1所示，在此新结构原理的烘缸中，过热蒸汽通过旋转接头进入烘缸，然后沿紧贴烘缸内壁的若干毫米级的细小通道中流过，在通道内过热蒸汽冷凝放热，热量穿过烘缸壁用于干燥纸幅，相变形成的冷凝水由后续蒸汽推动，从通道出口排出。整个过程排水通畅，不存在冷凝水环问题，传热热阻明显减小，而且可以不使用虹吸管等排水装置。在传热方面，多通道烘缸在干燥时的主导传热方式是强制对流传热，传热系数远高于主导传热方式为热传导的传统烘缸。因此，从原理上讲，多通道烘缸具有比传统烘缸更高的传热效率与干燥效率，以及比传统烘缸更小的尺寸，还有利于提高纸机车速［9-11］。

图1 多通道烘缸结构示意图

2 多通道烘缸结构设计与优化的研究进展

2.1 国外多通道烘缸结构设计与优化的研究进展

Argonne National Laboratory与Johnson公司合作，首先对多通道烘缸进行三维建模，并借助有限元分析软件对多通道烘缸模型进行有限元分析，研究多通道烘缸的结构可行性，然后在一个缩短的传统烘缸(长6.3 m)上设计并试制出多通道烘缸的原型，如图2［12］所示。

图2 缩短的多通道烘缸原型

有学者提出了多通道烘缸通道部分的3种构成形式 (见图3)［13］:①将有沟槽的金属波纹板固定在烘缸内壁，与烘缸内壁形成通道;②采用切削加工、铸造等机械加工方法，在烘缸外壁上加工出沟槽，在其外侧套装一个导热性能良好的金属薄筒，烘缸外壁的沟槽与金属薄筒形成通道，金属薄筒外表面充当干燥表面;③在烘缸内壁上加工出沟槽，并将金属薄筒固定在烘缸内壁，烘缸内壁上的沟槽与金属薄筒构成通道。第一种方法安装拆卸方便、易维护修理，但是在金属波纹板上加工沟槽较困难;第二种方案加工简单，但是其强度能否达到要求需要进一步验证;第三种方法较前两种方法而言更容易实施，且满足加工工艺要求。

图3 多通道烘缸通道部分的3种构成形式

2.2 国内多通道烘缸结构设计与优化的研究进展［14-16］

国内对多通道烘缸结构设计与优化的相关研究相对较少，陕西科技大学通过对多通道烘缸理论分析与有限元分析，发现单向进汽、单向出水的多通道烘缸可能由于纸幅过宽，出现烘缸两端表面温度不均匀的现象，因此提出了双向进汽的圆柱形夹层多通道烘缸［17］(见图4)。烘缸缸体的内壁上加工出与主轴有一定夹角的沟槽，与烘缸内筒配合形成通道，夹角的存在有利于在旋转状态下将通道中的冷凝水排出，在两相邻通道间开设小尺寸隔热盲通道以避免相邻通道间发生热交换。在内筒两端开设蒸汽入口，单侧蒸汽入口数量为通道总数的1/2，两端蒸汽入口交错分布，使相邻通道的蒸汽入口分别位于内筒两端。两相邻汽水通道中的流体呈叉流流动，减少因纸幅过宽而导致的烘缸两端表面温度不均匀的现象。烘缸筒体内两端均设有集水圈，集水圈中环形分布的进水孔与其相应侧的通道出口相通，通道内推出的冷凝水经通道出口进入其相应端的集水圈，后经集水圈收集后通过出水管排出。

在设计出圆柱形夹层多通道烘缸结构的基础上，采用ANSYS有限元分析软件对烘缸整体及缸盖进行了受力分析，得出设计的多通道烘缸结构应满足的应力要求。然后应用Fluent软件，取一组相邻小通道建模，并进行传热模拟，得到结论:新型双向进汽的多通道烘缸结构满足传热要求，烘缸表面温度的均匀性明显改善，烘缸表面传热系数提高。

图4 双向进汽的圆柱形夹层多通道烘缸

在结构设计与优化方面，现有的研究成果对于今后相关研究的进一步开展具有一定的指导意义，但结构设计缺乏足够的理论支撑，未来需要大量试验和理论研究来寻找理论支撑，并发展适用于多通道烘缸的设计方法。

3 多通道烘缸的实验研究进展

烘缸的传热速率Q(kW)是衡量纸幅干燥效率的重要指标，如式 (1)所示［18］。

式中，A为烘缸有效干燥面积 (m2);Ts为缸内蒸汽的温度 (K);Tp为纸幅的平均温度 (K);U为烘缸总传热系数 ［kW/(m2·K)］，主要由冷凝传热系数、冷凝水环厚度、烘缸壁导热系数及其壁厚、接触热阻、纸幅与空气的传热系数等因素决定［18］。通过提高冷凝传热系数、烘缸壁导热系数、纸幅与空气的传热系数，减小冷凝水环厚度、接触热阻等措施，均可以提高总传热系数。

目前，多通道烘缸实验研究的目的是通过测量蒸汽在通道内的平均冷凝传热系数，验证多通道烘缸总传热系数U及烘缸的传热速率Q较传统烘缸是否得到提高，以证明多通道烘缸的可行性。

多通道烘缸在运行过程中，蒸汽沿通道运动，若干通道关于中心轴圆周阵列。该模型具有很强的规律性，对于该模型，可先取单个通道来研究，其研究结果可以反映整个模型内的流体流动与传热特性。目前，对于多通道烘缸的实验研究，仅局限于静止状态下的单通道内蒸汽冷凝传热实验。实验测得多通道烘缸的平均冷凝传热系数远高于传统烘缸，压力降较小。

S.U.S.Choi等人［9］建立了静止状态下模拟多通道烘缸中单个通道内蒸汽冷凝传热过程的实验装置，如图5所示。实验测试管段用于模拟多通道烘缸中单个通道内蒸汽冷凝传热的过程，包括紧贴在一起的蒸汽冷凝通道与冷却剂通道，热电偶、压力传感器、压差传感器、视窗等装置。通道横截面为矩形，尺寸为3000 mm×18.9 mm × 3.14 mm(长 × 宽 ×高)，材质为导热性能良好的铝质材料。热电偶分两组，一组等距布置在蒸汽冷凝通道与冷却剂通道之间，一组等距布置在冷却剂通道管壁。压力传感器用于测量蒸汽冷凝通道入口的压力，压差传感器用于测量蒸汽冷凝通道的总体压降，视窗用于识别两相流流型、持液量及冷凝水厚度。

图5 单通道蒸汽冷凝传热实验装置示意图

该实验装置在温度180℃、压强170～620 kPa、蒸汽质量流率20～50 kg/(m2·s)、蒸汽干度0.1～0.8的条件下进行实验时，使用能量守恒定律与牛顿冷却公式对实验数据进行处理计算，得到单通道的平均冷凝传热系数约为15 kW/(m2·K)［9］，约为配置有扰流棒的传统烘缸内冷凝传热系数的7倍，无扰流棒的传统烘缸的21倍。另外，还研究了蒸汽质量流率、压力、蒸汽干度对平均冷凝传热系数的影响，实验结果表明平均冷凝传热系数几乎不受蒸汽质量流率、压力以及蒸汽干度的影响。

实验还测量了蒸汽冷凝通道内的压力降，结果表明压力降较小，且随着蒸汽质量流率增大而增大，当蒸汽质量流率为50 kg/(m2·s)时，压力降最大值约为 2.2 kPa。

J.H.Shin 等人［19］认为，在 Argonne National Laboratory的实验中，实验测试段的蒸汽与冷却剂逆流流动，用于描述实际湿纸幅热力条件的管壁温度沿蒸汽流动方向逐渐降低。而在实际的纸幅干燥中，湿纸幅的热力条件沿蒸汽流动方向基本保持恒定。因此对该装置进行了改进，将冷却剂通道分为3段，进口设在每一段中间，出口设在每一段两端 (见图6)，这样既保证了管壁温度的恒定，也使对湿纸幅热力条件的模拟更符合实际情况。实验结果表明，改进后实验测试段的管壁温度保持恒定在125℃左右。

实验表明平均冷凝传热系数几乎不受系统压力与蒸汽质量流率的影响，验证了Argonne National Laboratory的实验结果;另外，还研究了通道横截面尺寸对实验结果的影响，采用横截面长宽比分别为:1∶3(4.45 mm∶13.35 mm)、1∶6(3.14 mm∶18.9 mm)、1∶10(2.44 mm∶24.36 mm)的 3 种通道进行对比试验，结果表明长宽比为1∶3通道的平均冷凝传热系数最高，约为17.5 kW/(m2·K)，且压降最小，并预测了横截面长宽比为1∶3的通道为较理想的通道。

两个实验研究结果都表明多通道烘缸的平均冷凝传热系数均较传统烘缸的高［9，19］，且平均冷凝传热系数不受蒸汽质量流率、压力以及蒸汽干度的影响，通道内压较低。

但是静止状态下的单通道蒸汽冷凝实验无法真实、全面地反映正常工作状态下多通道烘缸内通道中汽水两相流的实际传质传热过程。因此，为了进一步研究多通道烘缸的传热特性与干燥机理，验证多通道烘缸的可行性，将来要进行回转运动状态下单通道的蒸汽冷凝传热实验。

4 多通道烘缸的CFD仿真研究进展

在多通道烘缸中，蒸汽被限制在通道中流动，蒸汽冷凝并相变为冷凝水，两者充分混合后在一起流动，形成汽水两相流。由于气相可压缩，使得两相之间具有可变形的相界面，因此是一种非常复杂的两相流动类型。为了探究多通道烘缸内流体流动与传热特性，有必要进行多通道烘缸的CFD仿真研究。CFD的基本思想是用一系列有限离散点上的变量值的集合来代替空间域和时间域上连续的物理量的场 (速度场、温度场等)，然后求解描述流体运动基本规律的非线性数值方程组，得到在时间和空间上定量描述流场的数值解，对流体流动和传热传质等相关物理现象的系统进行分析，从而达到对物理问题进行研究的目的［20］。

图6 改进的实验测试段示意图

国内外对多通道烘缸的CFD研究相对较少，陕西科技大学对多通道烘缸的单通道进行大量CFD研究［21-25］，首先建立了多通道烘缸通道中汽水两相流均相流动和分相流动的数学模型、通道内蒸汽冷凝传热的数学模型;然后，利用Fluent软件进行了通道中汽水两相流流型的数值模拟以及多通道烘缸传热性能的数值模拟。

在对流体流型的数值模拟方面，模拟了通道内在不同气相折算速率及不同液相折算速率工况下，通道中汽水两相分布及其沿通道壁面方向的压力降，模拟结果显示通道内两相流流型与Mandhane流型图中的数据有较高的吻合度，同时对通道内压力降进行分析，发现当通道内两相流流型为环状流或环雾状流时通道内压力降有最小值，有助于提高烘缸传热效率。

在对多通道烘缸传热性能的数值模拟方面，对单个通道内蒸汽冷凝传热过程进行数值模拟，得到通道模型的平均冷凝传热系数约为15.6 kW/(m2·K)，与前人实验结果接近，并且对通道的尺寸进行优化，对比具有不同长宽比横截面的数值模拟结果，得出长宽比为1∶3的横截面的传热系数相对较高，这与J.H.Shin的实验结果相符;另外，通过模拟多通道烘缸表面温度，发现单一通道的传热过程有可能出现壁面温度不均匀的现象。同时，通过模拟不同进口压力对多通道烘缸表面温度的影响，得出在一定的范围内，提高入口压力不仅可以提高多通道烘缸的干燥效率，还可以进一步改善其表面温度分布的不均匀性，为多通道烘缸优化设计和实际操作条件提供了理论支撑。

5 结语

本文总结了国内外多通道烘缸的研究进展，包括结构设计及优化、实验研究以及CFD仿真研究等各个层面。现有的研究成果表明，与传统烘缸相比，多通道烘缸具有冷凝传热系数较高、压力降较小、冷凝水排出顺畅等特点，能够满足造纸设备高速化的发展需要。同时，多通道烘缸目前仍有许多问题需要继续探讨和研究:在实验方面，未来要进行回转运动状态下的单通道蒸汽冷凝传热实验。因此，在总结与分析前人研究成果的基础上，用于模拟回转运动下单通道内蒸汽冷凝传热过程的回转实验平台正在筹建中。借助热流仪(HFM，Heat Flow Meter)可以直接测得单通道内各点热流量及温度，用于计算平均冷凝传热系数;利用粒子图像测速仪 (PIV，Particle Image Velocimetry)和平面激光诱导荧光测量系统 (PLIF，Planar laser induced fluorescence)测量温度场和速度场，得到通道内部速度场和温度场分布情况;利用高帧频数字相机观察通道内复杂的汽水两相流流动现象，观察气相的集中区域以及蒸汽堆积现象。借助以上先进技术，可以研究单通道蒸汽冷凝传热模型的总体传热性能，并研究回转的单通道内两相流流动、热传递等科学问题，以便能准确掌握其规律。另一方面，现在还没有一套完善、详细的多通道烘缸设计方法和计算理论，适用于多通道烘缸的设计方法和计算理论需要进一步的研究和完善。

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