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《中國造紙學報》2016年第一期

摘要:

將傳熱學的理論和實驗成果應用于矩形肋槽烘缸內壁面的傳熱工作中，分析了飽和水蒸氣在烘缸內壁的肋頂面及肋側面的冷凝傳熱和冷凝水在肋槽底部的對流傳熱并推導出這3種情況下傳熱系數的具體計算公式，以期為烘缸向紙張的傳熱計算提供依據。初步研究表明，寬和短的肋有利于增強肋槽烘缸的傳熱，內壁面的熱阻最小、壁殼的熱阻次之、外壁面的熱阻最大。

關鍵詞:

肋槽烘缸;飽和水蒸氣;傳熱系數;熱阻

在造紙烘缸的設計與操作中，烘缸壁面的傳熱系數會影響對烘缸熱應力及干燥熱效率的估算結果。然而，目前設計和制造烘缸時，大多不考慮熱應力［1］，因而不關注烘缸壁面的傳熱系數;關于烘缸熱效率的研究也沒有對烘缸壁面的傳熱系數進行系統完整的研究［2-6］。隨著對烘缸設計及操作優化要求的提高，確定烘缸壁面的傳熱系數顯得日益迫切。筆者針對這一現狀，根據傳熱學上已有的相關理論和實驗成果，推導整理相關的傳熱系數計算公式，為烘缸向紙張的傳熱計算提供依據。傳熱學的已有成果經過了多年的實踐檢驗，具有普遍性和適用性。應指出的是，筆者推薦的傳熱系數計算公式是對傳熱學已有成果的合理推論與應用。本研究的推論是對傳熱介質所受作用力的自然置換，所應用的流態也都處于層流范圍，按傳熱工程界的做法，這是合理的。然而，該推論最終仍應通過實驗做出正確性檢驗，這也是本研究后續工作的內容。

1肋槽烘缸工作過程簡析

圖1為肋槽烘缸示意圖。在穩定工作狀態下，烘缸圍繞其中心軸線高速旋轉。高溫高壓的飽和水蒸氣在肋槽的頂面、側面及槽底上凝結放熱，熱量通過傳導方式穿過壁殼而傳到外壁面并加熱紙幅。烘缸內冷凝水在肋頂面、肋側面形成并流到槽底，再通過虹吸裝置排出。烘缸內壁的傳熱系數計算公式可以根據傳熱學教材及相關文獻，經合理推論而得出，并用于具體工況的計算。烘缸內蒸汽溫度不超過200℃，紙幅溫度不超過100℃。假定烘缸內壁的工作狀態均勻恒定，每個肋槽的傳熱特性都一樣，離心力遠大于重力，以下研究將在該條件下進行。

2肋槽烘缸壁面的傳熱系數

2.1肋頂面蒸汽冷凝傳熱系數針對重力作用下水平板面上的冷凝傳熱，文獻［7］提出了層流狀態下的關聯式，見式(1)。

2.2肋側面蒸汽冷凝傳熱系數關于重力作用下豎直或傾斜平壁的蒸汽冷凝傳熱的研究很多。烘缸高速旋轉時，肋側面的蒸汽冷凝放熱情況與這種情況十分類似，只是離心力代替了重力。將現有傳熱學［8］關于豎壁上蒸汽冷凝傳熱層流時的平均傳熱系數中的重力項用離心力項代替，因離心力與半徑有關，故肋的不同高度處的離心力有所不同，取肋高中點的離心力代表整個肋高的平均離心力，溫差項用雷諾數代替，則肋側面的平均傳熱系數的計算見式(5)。

2.3肋槽底部冷凝水的對流傳熱系數冷凝水在槽底部的傳熱可按單相流體槽道內強迫對流傳熱處理［8］。先由冷凝水的流通截面得到它的當量直徑，再由冷凝水流量確定流態，據此選用合適的實驗關聯式。

2.4烘缸內壁的等效總傳熱系數將烘缸內壁肋槽壁面的總傳熱效果折算為同樣長度的光壁烘缸內壁的總傳熱效果。圖2為在實際工作范圍內定性示出矩形肋槽結構尺寸對等效總傳熱系數的影響。取槽底冷凝水液面超過槽底的半圓面，其流動取為紊流。從圖2可以看出，增大肋寬，降低肋高，對整個肋內壁的總傳熱效果有利。由此可知，肋槽烘缸向紙幅傳熱的熱阻主要為壁殼導熱熱阻和外壁面與紙幅之間的接觸傳熱熱阻，烘缸內壁的傳熱熱阻可忽略不計。這是因為烘缸內壁上的肋槽使得飽和蒸汽產生的冷凝水在肋頂部及肋側壁面只能形成很薄的液膜，在槽的底部才可能形成較厚的液層。若輔以較好的排液裝置，槽底部的液層也可限制在幾個毫米以內。肋各壁面的傳熱系數較大，肋的表面積也較大，將這樣的傳熱效果折合到一個光壁面上，得到的等效傳熱系數自然很大，因而烘缸的熱阻很小。

2.5傳熱系數的具體求法在傳熱系數具體的應用中，先要確定烘缸及其肋槽的幾何尺寸、烘缸旋轉速度、缸內飽和蒸汽的壓力或溫度、單位時間缸內穩定排出的冷凝水量、肋槽底部冷凝水的高度等。首先，按飽和蒸汽溫度查取對應溫度下的參數，如冷凝水的密度、比熱、黏度、導熱系數、普朗特數及烘缸壁殼的導熱系數等。然后，按式(4)算出肋頂面沿單位環向長度的冷凝水量，再由式(3)算出肋頂面雷諾數，由式(2)算出肋頂面的傳熱系數，由式(5)算出肋側面的傳熱系數。根據冷凝水的厚度選用式(8)～式(12)，計算出濕周及橫截面面積，再由式(7)得到當量直徑，用式(13)算出槽底的雷諾數。根據雷諾數大小選用式(14)～式(16)算出槽壁面上的傳熱系數。利用式(18)～式(20)算出折合為光壁烘缸的總傳熱系數。因冷凝水排出量已知，故熱流密度可知，再由熱阻關系，可計算得到缸壁溫度;在已知缸外壁與紙幅的接觸傳熱系數時，由式(21)可計算出紙幅的溫度，可與實測溫度相比較。

2.6案例某廠1臺肋槽烘缸由鑄鐵Q345R制成，直徑D=4.572m，有肋的工作段長度L工作段=2.868m，肋和槽的數量為n=95，肋寬2L=18mm，溝槽寬2R=12mm，不計槽底半圓的肋高H=24mm，缸壁厚度t=28mm，肋頂的圓半徑R1=2.228m，側壁高度中點到烘缸中心軸線的半徑R2=2.24m。正常的穩定工況下，缸外壁線速度V=1600m/min，缸內飽和蒸汽壓力p=1MPa，溝槽底部冷凝水深Hc=5mm，冷凝水的排出量M=4.67t/h。經考察，其工作狀況適用于本研究的應用條件。按2.5節步驟計算得到該工況下，烘缸內面肋槽頂部、側面及底部的平均換熱系數分別為hrt=5640、hrs=41600、hrd=4200W/(m2•℃)，等效成光壁烘缸的總傳熱系數為he=6458W/(m2•℃)，其外壁面的溫度沒有提供測量值，按加熱工況計算，外壁面溫度約為172℃。在這樣的壁溫下，濕紙幅在很短時間內可快速地得到干燥，從而提高生產效率。

3結束語

造紙烘缸內壁和外壁的傳熱系數是現代烘缸設計與操作中的重要參數，長期沒有受到重視，具體的計算公式十分缺乏。為改善這一狀況，筆者選擇矩形肋槽烘缸進行了較系統的研究，結果如下。(1)對飽和水蒸氣在肋頂面及肋側面的冷凝傳熱，用離心力取代重力，推導整理出肋頂面及肋側面的傳熱系數計算公式。(2)對冷凝水在肋槽底部沿環向流道的對流傳熱，提出了確定冷凝水流道濕周和橫截面面積的具體計算公式，方便套用傳熱學現有的管槽內單相流體強迫對流傳熱關聯式。(3)應用所提肋槽內壁傳熱系數的計算方法，對矩形肋槽尺寸對烘缸傳熱性能的影響進行了初步分析。分析結果顯示，在給定條件下，增大肋寬、降低肋高有利于總傳熱效率的提高。(4)對肋槽烘缸從內到外各傳熱環節的熱阻進行了數量級比較，表明在肋槽烘缸的工作過程中，烘缸內壁面的熱阻很小，熱阻主要為壁殼導熱熱阻和外壁面與紙幅之間的接觸傳熱熱阻。

作者：師晉生 呂洪玉 卞學詢 單位：天津科技大學機械工程學院