互补式布浆器分布特性影响因素的实验研究

2019-03-20刘伟

中国造纸 2019年2期

刘伟

(广东石油化工学院机电工程学院，广东茂名，525000)

布浆器对水力流浆箱的浆料均布性能具有决定性的影响。早期的布浆方法有扩展流道布浆法、多重对分布浆法、中间进浆多支管布浆法、错流布浆法等，但由于存在缺陷，已基本被淘汰［1］，现在基本使用方锥管单向进浆布浆法［2］。为解决进浆压力波动的问题，20世纪末，出现了带有脉冲衰减器的集中布浆法［3］。

方锥形布浆总管布浆性能取决于总管形状的设计，设计的基本要求是进入布浆管束浆料的流速和压力相等。根据对流动摩擦损失、分岔压头损失和收缩压头损失的考虑，出现了以Baines方程设计法为代表的一系列方法［4-6］。但Baines方程设计的方形锥管后壁形状为复杂曲线，不便于加工制造。因此，尽管有较大的误差，简化设计法即直线设计法仍然得到应用。

近年来，对布浆器的分布性能、结构优化及流动特性进行了较多的研究。刘晓丹等人［7-8］在分析了方锥管的不同设计理论和计算公式的基础上，对方锥管的结构进行了改进，分析了过渡管结构对流动特性的影响。杨帅等人［9］对孔板式锥形布浆器孔口均一性布浆的结构进行了优化。王海琛等人［10-11］通过增加进口管后壁调节装置，提出了一种无回流可调阶梯式扩散器流浆箱。J.H m l inen 等人［12］提出了数学模型，分析了从纤维悬浮流体到固态纸的动力学。

针对方形锥管分布器内横向压差较大及集中布浆器对幅宽适应性较差的问题，采用互补式布浆器，利用方锥管器的分布不均匀性，可有效地解决上述问题［13-15］。

本课题简要分析了互补式布浆机理，通过简化设计方法，设计了互补式布浆器的结构和尺寸。采用实验研究了回流比、方锥总管进料波动及混合室结构对互补式布浆器布浆性能的影响。

1 互补式布浆作用机理

互补式布浆器与传统布浆器的组成有所区别，该布浆器主要由布浆总管Ⅰ、布浆总管Ⅱ、布浆支管束及混合室等部分组成，结构示意图如图1所示。其中布浆总管由一对结构形式、尺寸及制造方法完全相同的方锥总管组成，反向对称上下布置。混合室与传统流浆箱混合室结构基本相同，用于保障两个总管支管束浆流的有效互补平均再分配。互补式布浆器工作时，浆料分别经由两个布浆总管的过渡管按相等的流量，相向流入方锥总管内，回流部分由回流口反向流出，其余部分浆料由支管束流出进入混合室，再由湍流发生器均匀分布流入唇口收缩段，喷浆上网。

图1 互补式布浆器结构示意图

由于方锥总管布浆的不均匀性，使得两个布浆器对应支管的质量流量分布是两种刚好相反的分布形态。因此，浆料在混合室中混合时，形成质量流量分布完全相反的两种趋势的互补，因此达到了均匀布浆的目的［13］。

2 互补式布浆器结构设计

2.1 方锥总管

方锥总管的设计方法有很多，常用的有简化设计法、Baines方程设计法及其衍生法。由于互补式布浆方式能够有效地使浆料混合均匀，所以采用简化设计法设计方锥总管的形状，计算模型如图2所示［14］，计算见式 (1)和式 (2)。

式中，A0为总管进口截面积，m2;Ae为回流端截面积，m2;Ax为距进口x处的截面积，m2;L为总管长度，m;x为任一横截面距总管进口的距离，m。

图2 方锥总管计算模型

互补式布浆器的布浆总管由两个结构尺寸完全相同的方锥管组成，总浆料体积流量Q0为150 m3/h。由湍流发生器的高度确定总管的总高度B0为98 mm。锥管布浆器的锥管内浆料流速v0通常在1.3～4.5 m/s范围以内，取v0=2.5 m/s作设计计算值，则锥管的高度H0计算见式 (3)。

经验算，雷诺数Re=3.87×105，进口浆流处于湍流状态。取回流比a=10%，则回流端锥管高度h为17 mm。方锥总管的长度L为274 mm。

2.2 布浆支管束

布浆支管束是一种高效的布浆整流元件，依靠浆料与管壁摩擦作用形成强烈的湍动，浆流极易处于湍流状态，形成一种均匀的纤维悬浮液，达到均匀布浆的作用。布浆支管束采取垂直式上下排列方式，如图3所示。

支管浆速与总管浆速的比值，称为加速比i。加速比i是影响锥管布浆器布浆性能的一个重要因素。支管的加速比i与喷浆偏角的关系如图4所示，当i≥3时，支管喷浆与总管垂直［4］。选定支管数量为12根，满足加速比后，经计算确定支管直径 d为20 mm，排成两排。

图3 支管排列方式

图4 加速比i与喷浆偏角的关系

在确定支管的长度时，考虑到侧向进浆转折流动所产生的颈缩段要经过一定长度的进口段区域流动，才能逐渐扩展成为充分发展流动，因此，支管的长度必须大于颈缩段和进口段的长度之和，其中进口段长度Le可按式 (4) 进行计算［13］。

2.3 混合室

混合室的横截面积通常由布浆器的横截面积所决定，互补式布浆器混合室的长度l在满足式 (5)的要求下，确定其长度为300 mm，高度为98 mm，宽度为 274 mm［16］。

式中，b0为支管半径，mm;m0为流速比;C为常数。

3 实验装置与方法

实验装置流程如图5所示。储液槽中的浆料经泵送至互补式布浆器两个相同的总管，两路回流流回储液槽，其余浆料经由布浆管束进入混合室，再流回储液槽。在两个布浆总管的进口和回流口均设有调节阀和流量计，泵的流量通过阀门调节。

本实验采用的测量仪器是YK-TUF-2000H1型手持式超声波流量计，配备的TS-2型传感器可测量管径范围为15～100 mm。测量方法为将传感器紧贴在管道外壁即可准确测量流体的平均速度、流量及累计体积，测量结果可精确到小数点后4位。

图5 实验装置流程图

4 结果与讨论

4.1 回流比的影响

为了检验回流比对互补布浆效果的影响，在两个方锥布浆总管的回流比相同的前提下，将回流比a分别设定为8%、10%、12%、15%，混合室出口布浆支管的浆料质量流量和浆料分布偏差结果分别如图6和图7所示。从图6、图7可见，不同回流比时，混合室出口布浆支管的浆料质量流量分布趋势相似，质量流量分布曲线与期望值非常接近。当回流比a为8%时，浆料质量流量最大差值为0.0118 kg/s，偏差为0.37%;回流比为10%时，浆料质量流量最大差值为－0.0107 kg/s，偏差为－0.342%;回流比为12%时，浆料质量流量最大差值为－0.0103 kg/s，偏差为－0.337%;回流比为15%时，浆料质量流量最大差值为－0.0097 kg/s，偏差为－0.328%。结果表明，回流比对互补布浆效果影响不大，实际操作时允许回流比围绕10%有一定的波动。

图6 不同回流比下浆料质量流量

4.2 两个锥管内浆料流量波动的影响

流浆箱实际工作时，由于浆泵的工作特性，布浆总管的进料流量可能会有微小的波动。对于单锥管布浆器，这种流量的微小波动对浆料均布性能和纸张成形将产生较大的影响。互补布浆时，同样会存在总管进料波动的问题。实验中，在保持互补式布浆器总进料量不变的前提下，设计了两个工况，工况一为两个布浆总管进口浆料体积流量分别为75.5 m3/h和74.5 m3/h，每个总管相对标准浆料体积流量的偏差为0.67%;工况二为两个布浆总管进口浆料体积流量分别为76 m3/h和74 m3/h，每个总管相对标准浆料体积流量的偏差为1.3%。对两种工况的测量结果如图8所示。两个总管浆料质量流量不相等时，浆料分布的均匀性有所降低，不仅两排支管的浆料质量流量分布有较明显的差别，与期望值的差别更明显。如图8(a)～图8(c)所示，工况一时，第一排支管总质量流量为18.7616 kg/s，第二排支管总质量流量为18.7155 kg/s，相差0.0461 kg/s。工况二时，第一排支管总质量流量为18.7929 kg/s，第二排支管总质量流量为18.6845 kg/s，相差0.1084 kg/s。工况一时，第一排支管质量流量最大差值为0.012 kg/s，偏差为0.384%，第二排支管质量流量最大差值为0.0194 kg/s，偏差为0.621%。工况二时，第一排支管质量流量最大差值为0.0158 kg/s，偏差为0.416%，第二排支管质量流量最大差值为－0.0196 kg/s，偏差为0.717%。由于布浆器Ⅰ进料流量比布浆器Ⅱ的大，在混合室中两排支管浆料流混合时，射流会偏向流量大的一侧，造成混合时出口第一排支管流量大于第二排支管的流量。从实验结果看，两个总管内的流量应该尽量保持相等。但实际操作时，不可避免会出现两个总管内流量有波动的情况，根据实验结果，建议单个总管内流量波动偏差控制在1%以内较为合适。

图7 不同回流比下浆料分布偏差

图8 两个锥管内流量不同时浆料分布

图9 混合室结构示意图

4.3 混合室结构的影响

混合室是互补式布浆器的重要部分，也是浆料互补混合、平均的场所。单腔混合室中支管射流存在明显的偏流现象，会影响浆料均布性能［17］。实验时，设计了3种结构的混合室，即混合室Ⅰ、混合室Ⅱ、混合室Ⅲ，如图9所示［18］。

对不同混合室的布浆器，测试了不同回流比下的浆料质量流量分布，结果如图6、图7、图10、图11、图12、图13所示。采用混合室Ⅰ结构时，由于混合室是单腔结构，从布浆总管进入混合室的支管射流在混合室内混合时，明显的射流卷吸作用使射流偏向混合室中部，导致混合室出口中间位置的流量明显大于两侧 (见图6)。混合室Ⅱ是两组支管为一组的多腔结构，射流在混合分室内的偏转现象明显得到改善，浆料分布更加均匀，如图10所示。混合室Ⅲ是一组支管为一组的多腔结构，每组对应的支管射流在混合分室内独立混合，基本不存在射流偏转，混合效果最好，浆料分布最均匀，更接近期望值，如图12所示。从浆料质量流量偏差来看，3种结构的最大偏差分别为－0.342%、－0.285%、0.258%，也说明了多腔混合室比单腔混合室混合效果好。