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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(bào)》2016年第一期 摘要: 將傳熱學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)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(duì)流傳熱并推導(dǎo)出這3種情況下傳熱系數(shù)的具體計(jì)算公式,以期為烘缸向紙張的傳熱計(jì)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(jì)與操作中,烘缸壁面的傳熱系數(shù)會(huì)影響對(duì)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(jì)和制造烘缸時(shí),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(duì)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(duì)烘缸設(shè)計(jì)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(duì)這一現(xiàn)狀,根據(jù)傳熱學(xué)上已有的相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)成果,推導(dǎo)整理相關(guān)的傳熱系數(shù)計(jì)算公式,為烘缸向紙張的傳熱計(jì)算提供依據(jù)。傳熱學(xué)的已有成果經(jīng)過了多年的實(shí)踐檢驗(yàn),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(jì)算公式是對(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)做出正確性檢驗(yàn),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(jiǎn)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(jì)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(jì)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(gè)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(duì)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(shí),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(shí)的平均

5、傳熱系數(shù)中的重力項(xiàng)用離心力項(xiàng)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(gè)肋高的平均離心力,溫差項(xiàng)用雷諾數(shù)代替,則肋側(cè)面的平均傳熱系數(shù)的計(jì)算見式(5)。 2.3肋槽底部冷凝水的對(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度的光壁烘缸內(nèi)壁的總傳熱效果。圖2為在實(shí)際工作范圍內(nèi)定性示出矩形肋槽結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)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(dòng)取為紊流。從圖2可以看出,增大肋寬,降低肋高,對(duì)整個(gè)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(jì)。這是因?yàn)楹娓變?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(gè)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(gè)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(shí)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(duì)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?cái)?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(zhǎng)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(jì)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(jì)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(shí),由式(21)可計(jì)算出紙幅的溫度,可與實(shí)測(cè)溫度相比較。 2.6案例某廠1臺(tái)肋槽烘缸由鑄鐵Q345R制成,直徑D=4.572m,有肋的工作段長(zhǎng)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(jì)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(jì)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(cè)量值,按加熱工況計(jì)算,外壁面溫度約為172℃。在這樣的壁溫下,濕紙幅在很短時(shí)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(jì)與操作中的重要參數(shù),長(zhǎng)期沒有受到重視,具體的計(jì)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(duì)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(jì)算公式。(2)對(duì)冷凝水在肋槽底部沿環(huán)向流道的對(duì)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(jì)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(duì)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(jì)算方法,對(duì)矩形肋槽尺寸對(duì)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(duì)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(jí)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。

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