肋槽烘缸內(nèi)壁面的傳熱系數(shù)

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1、肋槽烘缸內(nèi)壁面的傳熱系數(shù) 肋槽烘缸內(nèi)壁面的傳熱系數(shù) 2016/06/23 《中國造紙學(xué)報》2016年第一期 摘要: 將傳熱學(xué)的理論和實驗成果應(yīng)用于矩形肋槽烘缸內(nèi)壁面的傳熱工作中，分析了飽和水蒸氣在烘缸內(nèi)壁的肋頂面及肋側(cè)面的冷凝傳熱和冷凝水在肋槽底部的對流傳熱并推導(dǎo)出這3種情況下傳熱系數(shù)的具體計算公式，以期為烘缸向紙張的傳熱計算提供依據(jù)。初步研究表明，寬和短的肋有利于增強(qiáng)肋槽烘缸的傳熱，內(nèi)壁面的熱阻最小、壁殼的熱阻次之、外壁面的熱阻最大

2、。 關(guān)鍵詞: 肋槽烘缸;飽和水蒸氣;傳熱系數(shù);熱阻 在造紙烘缸的設(shè)計與操作中，烘缸壁面的傳熱系數(shù)會影響對烘缸熱應(yīng)力及干燥熱效率的估算結(jié)果。然而，目前設(shè)計和制造烘缸時，大多不考慮熱應(yīng)力［1］，因而不關(guān)注烘缸壁面的傳熱系數(shù);關(guān)于烘缸熱效率的研究也沒有對烘缸壁面的傳熱系數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)完整的研究［2-6］。隨著對烘缸設(shè)計及操作優(yōu)化要求的提高，確定烘缸壁面的傳熱系數(shù)顯得日益迫切。筆者針對這一現(xiàn)狀，根據(jù)傳熱學(xué)上已有的相關(guān)理論和實驗成果，推導(dǎo)整理相關(guān)的傳熱系數(shù)計算公式，為烘缸向紙張的傳熱計算提供依據(jù)。傳熱學(xué)的已有成果經(jīng)過了多年的實踐檢驗，具有普遍性和適用性。應(yīng)指出

3、的是，筆者推薦的傳熱系數(shù)計算公式是對傳熱學(xué)已有成果的合理推論與應(yīng)用。本研究的推論是對傳熱介質(zhì)所受作用力的自然置換，所應(yīng)用的流態(tài)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(yīng)通過實驗做出正確性檢驗，這也是本研究后續(xù)工作的內(nèi)容。 1肋槽烘缸工作過程簡析 圖1為肋槽烘缸示意圖。在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，烘缸圍繞其中心軸線高速旋轉(zhuǎn)。高溫高壓的飽和水蒸氣在肋槽的頂面、側(cè)面及槽底上凝結(jié)放熱，熱量通過傳導(dǎo)方式穿過壁殼而傳到外壁面并加熱紙幅。烘缸內(nèi)冷凝水在肋頂面、肋側(cè)面形成并流到槽底，再通過虹吸裝置排出。烘缸內(nèi)壁的傳熱系數(shù)計算公式可以根據(jù)傳熱學(xué)教材及相關(guān)文獻(xiàn)，經(jīng)

4、合理推論而得出，并用于具體工況的計算。烘缸內(nèi)蒸汽溫度不超過200℃，紙幅溫度不超過100℃。假定烘缸內(nèi)壁的工作狀態(tài)均勻恒定，每個肋槽的傳熱特性都一樣，離心力遠(yuǎn)大于重力，以下研究將在該條件下進(jìn)行。 2肋槽烘缸壁面的傳熱系數(shù) 2.1肋頂面蒸汽冷凝傳熱系數(shù)針對重力作用下水平板面上的冷凝傳熱，文獻(xiàn)［7］提出了層流狀態(tài)下的關(guān)聯(lián)式，見式(1)。 2.2肋側(cè)面蒸汽冷凝傳熱系數(shù)關(guān)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(zhuǎn)時，肋側(cè)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(xiàn)有傳熱學(xué)［8］關(guān)于豎壁上蒸汽冷凝傳熱層流時的平均

5、傳熱系數(shù)中的重力項用離心力項代替，因離心力與半徑有關(guān)，故肋的不同高度處的離心力有所不同，取肋高中點(diǎn)的離心力代表整個肋高的平均離心力，溫差項用雷諾數(shù)代替，則肋側(cè)面的平均傳熱系數(shù)的計算見式(5)。 2.3肋槽底部冷凝水的對流傳熱系數(shù)冷凝水在槽底部的傳熱可按單相流體槽道內(nèi)強(qiáng)迫對流傳熱處理［8］。先由冷凝水的流通截面得到它的當(dāng)量直徑，再由冷凝水流量確定流態(tài)，據(jù)此選用合適的實驗關(guān)聯(lián)式。 2.4烘缸內(nèi)壁的等效總傳熱系數(shù)將烘缸內(nèi)壁肋槽壁面的總傳熱效果折算為同樣長度的光壁烘缸內(nèi)壁的總傳熱效果。圖2為在實際工作范圍內(nèi)定性示出矩形肋槽結(jié)構(gòu)尺寸對等效總傳熱系數(shù)的影響。取槽底冷凝水液面

6、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(nèi)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(dǎo)熱熱阻和外壁面與紙幅之間的接觸傳熱熱阻，烘缸內(nèi)壁的傳熱熱阻可忽略不計。這是因為烘缸內(nèi)壁上的肋槽使得飽和蒸汽產(chǎn)生的冷凝水在肋頂部及肋側(cè)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(nèi)。肋各壁面的傳熱系數(shù)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(shù)自然很大，因而烘缸的熱阻很小。 2.5傳熱系數(shù)的具體求法在傳熱系數(shù)具體的應(yīng)用中，先要確定烘缸及其

7、肋槽的幾何尺寸、烘缸旋轉(zhuǎn)速度、缸內(nèi)飽和蒸汽的壓力或溫度、單位時間缸內(nèi)穩(wěn)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(yīng)溫度下的參數(shù)，如冷凝水的密度、比熱、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)、普朗特數(shù)及烘缸壁殼的導(dǎo)熱系數(shù)等。然后，按式(4)算出肋頂面沿單位環(huán)向長度的冷凝水量，再由式(3)算出肋頂面雷諾數(shù)，由式(2)算出肋頂面的傳熱系數(shù)，由式(5)算出肋側(cè)面的傳熱系數(shù)。根據(jù)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(dāng)量直徑，用式(13)算出槽底的雷諾數(shù)。根據(jù)雷諾數(shù)大小選用式(14)～式(16)算出槽壁面上的傳熱系數(shù)。利用式(18)～式(20)算出折合為光壁烘缸

8、的總傳熱系數(shù)。因冷凝水排出量已知，故熱流密度可知，再由熱阻關(guān)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(shù)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(shù)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?shù)膱A半徑R1=2.228m，側(cè)壁高度中點(diǎn)到烘缸中心軸線的半徑R2=2.24m。正常的穩(wěn)定工況下，缸外壁線速度V=1600m/min，缸內(nèi)飽和蒸汽壓力p=1MPa，溝槽底部冷凝水

9、深Hc=5mm，冷凝水的排出量M=4.67t/h。經(jīng)考察，其工作狀況適用于本研究的應(yīng)用條件。按2.5節(jié)步驟計算得到該工況下，烘缸內(nèi)面肋槽頂部、側(cè)面及底部的平均換熱系數(shù)分別為hrt=5640、hrs=41600、hrd=4200W/(m2℃)，等效成光壁烘缸的總傳熱系數(shù)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(nèi)可快速地得到干燥，從而提高生產(chǎn)效率。 3結(jié)束語 造紙烘缸內(nèi)壁和外壁的傳熱系數(shù)是現(xiàn)代烘缸設(shè)計與操作中的重要參數(shù)，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

10、況，筆者選擇矩形肋槽烘缸進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，結(jié)果如下。(1)對飽和水蒸氣在肋頂面及肋側(cè)面的冷凝傳熱，用離心力取代重力，推導(dǎo)整理出肋頂面及肋側(cè)面的傳熱系數(shù)計算公式。(2)對冷凝水在肋槽底部沿環(huán)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(xué)現(xiàn)有的管槽內(nèi)單相流體強(qiáng)迫對流傳熱關(guān)聯(lián)式。(3)應(yīng)用所提肋槽內(nèi)壁傳熱系數(shù)的計算方法，對矩形肋槽尺寸對烘缸傳熱性能的影響進(jìn)行了初步分析。分析結(jié)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(nèi)到外各傳熱環(huán)節(jié)的熱阻進(jìn)行了數(shù)量級比較，表明在肋槽烘缸的工作過程中，烘缸內(nèi)壁面的熱阻很小，熱阻主要為壁殼導(dǎo)熱熱阻和外壁面與紙幅之間的接觸傳熱熱阻。