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)肋槽烘缸內(nèi)壁面的傳熱系數(shù) 2016/06/23 中國(guó)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。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(méi)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(guò)了多年的實(shí)踐檢驗(yàn)，具有普遍性和適用性。應(yīng)指出的是，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(guò)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(guò)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(xiàn)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(guò)傳導(dǎo)方式穿過(guò)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(guò)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)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(guò)200，紙幅溫度不超過(guò)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(jiàn)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(lèi)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(jiàn)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。取槽底冷凝水液面超過(guò)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?xún)?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(xiàn)的半徑R2=2.24m。正常的穩(wěn)定工況下，缸外壁線(xiàn)速度V=1600m/min，缸內(nèi)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(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(méi)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(yǔ)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(méi)有受到重視，具體的計(jì)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(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(guò)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。