多通道烘缸通道内冷凝换热数值模拟与实验研究

发布时间：2020-06-12 15:09

【摘要】：当前我国造纸工业发展深受能源条件制约,造纸工业能源消耗巨大,约占整个工业能耗2%。在造纸过程中能耗最大的部分是纸机干燥部,而烘缸又是干燥部的核心部件。传统蒸汽烘缸因蒸汽冷凝造成凝结水聚集难以排出,凝结水聚集积水将形成水环,不仅影响纸机向高速化发展,还增加热阻影响烘缸干燥效率,同时影响成纸质量。虽经过虹吸管、扰流棒等一系列技术改造,但烘缸积水并没有得到有效解决。多通道烘缸是解决蒸汽烘缸积水问题的一种新型烘缸,通入的蒸汽被限制在烘缸内壁沿轴向上的小通道内流过冷凝放热,形成气液两相流被后续蒸汽推动排出烘缸,烘缸内无积水。多通道烘缸传热系数受蒸汽冷凝气液两相流规律的影响,故分析通道内蒸汽冷凝的影响因素对提高两相流凝结换热与烘缸干燥性能有重要价值。为了深入研究多通道烘缸的换热特性,探究数值模拟方法在多通道烘缸研究上的应用,确定合理的多通道烘缸结构参数。本文采用数值模拟与实验研究的方法,针对单个通道内蒸汽冷凝气液两相流进行了研究。主要研究内容如下:(1)针对多通道烘缸通道内蒸汽冷凝开展数值模拟分析。由于Fluent软件自带模型无法很好的实现蒸汽凝结数值模拟,本文拟合了蒸汽物性参数变化曲线,根据相变模型建立源项,编写UDF程序接入Fluent进行补充。得出冷凝换热系数随蒸汽质量流速、饱和温度以及高宽比的增大而增大;蒸汽质量流速和高宽比增大将增大两相流动压降,而饱和温度升高将减小两相流动压降。在一定范围下,数值模拟能有效的预测蒸汽冷凝特性,但还存在偏差,有待进一步改善提高。(2)对多通道烘缸矩形通道内蒸汽冷凝流动进行可视化研究。基于实验平台,在质量流速、干度以及冷却水质量流量的影响下,对蒸汽在通道内凝结换热实施实验测量;观察泡状流、塞状流、分层流、波状流、弹状流、环状流流型变化;同时得出冷却水质量流量增加时,流型变化与蒸汽质量流速增加呈相反的流型变化;蒸汽干度直接影响在通道内气液冷凝两相占比,对流型变化影响明显。(3)对蒸汽在矩形通道内冷凝特性进行了研究,并将所得实验数据与现有关联式进行了对比。研究表明,蒸汽质量流速与干度的增加会增加气液两相间的剪切力,流型向液膜变薄的方向变化,减小热阻,增大冷凝换热系数和两相流动压降。由于实验是单边换热,冷却水质量流量的改变对冷凝换热系数的影响不大,两相流动压降随冷却水质量流量的增大而减小。实验数据与现有关联式进行对比,发现Yan的关联式能很好的预测本实验结果。(4)针对通道形状对蒸汽冷凝特性的影响,设计加工了梯形通道,在相同的蒸汽质量流速条件下,对比蒸汽在矩形与梯形通道内的冷凝特性。研究表明,受重力影响,冷凝液在梯形通道底部聚集明显,由于蒸汽冷凝液膜在周向上有流动,引起水平轴向上蒸汽流动干扰,造成梯形通道内平均两相流动压降较矩形通道中大,梯形通道形状的改变对冷凝换热系数有所提高,而在整个蒸汽质量流速变化过程中,矩形通道平均冷凝换热系数比梯形高2.8%。所以,对于多通道烘缸设计,选择矩形通道结构更合理。本文对多通道烘缸通道内蒸汽冷凝凝结换热进行数值模拟与实验研究,结果表明蒸汽冷凝两相流特性复杂,但提升了多通道烘缸换热能力,借助仿真软件,能有效辅助多通道烘缸设计与研究,同时矩形通道更符合多通道烘缸设计要求。
【图文】：

陕西科技大学硕士学位论文部长网抄纸机诞生起，传统烘缸便作为干燥设备广泛的角色。基本结构如图 1-1 所示，在传统烘缸干燥过锅炉加热产生，后进入高速旋转的烘缸中，蒸汽遇到对流和热传导的方式将蒸汽汽化潜热释放出来，热量张，去除湿纸张中的水分达到干燥的目的，各层热阻汽冷凝凝结成冷凝水，进而在烘缸中聚集形成热阻，和空气大，同时热导率小于烘缸壁，所以致使冷凝水缸干燥效率下降，，增加能耗。

进而在烘缸中聚集形成，同时热导率小于烘缸壁，所以致使率下降，增加能耗。 2-人孔 3-保温装置 4-传动侧烘缸盖 图 1-1 烘缸结构示意图Fig. 1-1 The structure diagram of dryer
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK124;TS734

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本文编号：2709707