旋转状态下多通道烘缸冷凝换热特性研究

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我国造纸机干燥部的能耗占纸机运行总能耗的50%以上,烘缸部干燥效率的提升对于造纸行业节能意义重大。相较于传统烘缸,多通道烘缸作为一种新型结构烘缸,能有效解决冷凝水排出问题,且其潜在换热效率较高。但现有研究并未完全阐明旋转工况下蒸汽参数、转速及烘缸结构参数对多通道烘缸内蒸汽冷凝换热、流动阻力的影响机制及两相流流型对冷凝换热系数的影响规律,限制了多通道烘缸换热效率的提升及实际应用。基于此,本文在国家自然科学资金(NO.51375286)的资助下,通过理论分析和实验研究的方法研究了转速、蒸汽参数和结构参数对旋转状态下多通道烘缸通道内冷凝换热系数、流动压降及两相流流型的影响,揭示了旋转状态下多通道烘缸通道内冷凝换热特性的变化规律,建立了旋转通道内冷凝换热系数与流动压降模型。主要研究内容及结论如下:(1)设计并搭建了多通道烘缸旋转实验台。阐明了实验台的组成,重点对旋转装置进行了结构设计与传动分析计算,通过有限元方法分析了实验台的强度校核和振动指标,对所搭建的实验台进行了可靠性验证。结果表明,旋转装置在最大离心力作用下,最易变形位置的最大变形量为0.4 mm,满足刚度要求;且实验所得冷凝换热系数与流动压降的误差均在20%内,实验台满足实验要求。(2)研究了多参数影响下旋转水平通道内两相流流型的变化规律,获得了旋转水平通道内汽液两相流流型图。研究表明,与静止状态下多通道烘缸通道内的两相流流型相比,旋转水平通道内出现了特有的搅拌流且无分层流出现。此外,转速会影响旋转状态下汽液两相流流型的种类,转速增大,流型种类增多,环状流、波状流占比降低;而蒸汽质量流速和蒸汽饱和温度的升高会导致环状流、波状流占比增大。与经典水平通道内两相流流型图对比发现,实验结果与Mandhane流型图最为接近,但泡状流和搅拌流的分布具有一定的差异。获得了适用于旋转状态下水平通道内汽液两相流的流型图。(3)研究了旋转雷诺数、蒸汽参数、通道高宽比及两相流流型对旋转水平通道内蒸汽冷凝换热系数的影响规律,建立了适用于旋转水平通道内蒸汽冷凝换热系数的预测模型。研究发现,旋转雷诺数对蒸汽冷凝换热系数的影响规律与雷诺数相关。当雷诺数≤24000时,蒸汽冷凝换热系数随着旋转雷诺数的增大先增大后减小,当雷诺数≥30000时,蒸汽冷凝换热系数随着旋转雷诺数的增大而增大。通道内蒸汽的冷凝换热系数随蒸汽饱和温度的升高而减小,而通道高宽比减小时,通道内的冷凝换热系数呈上升趋势。研究表明,当两相流流型为环-波状流时,多通道烘缸通道内的冷凝换热系数最大。此外,对比发现,Cavallini关联式与实验结果的相关性最好,但仍有较大误差。基于此,建立了旋转状态下水平通道内冷凝换热预测模型,平均偏差为12.8%,能够有效预测旋转状态下多通道烘缸通道内的冷凝换热系数。(4)研究了多参数影响下旋转水平通道内流动压降的变化规律,并建立了适用于旋转水平通道内的流动压降预测模型。研究表明,通道内的蒸汽流动压降随旋转雷诺数的增大而减小。随着雷诺数和蒸汽饱和温度的增大,通道内的流动压降均逐渐增大。此外,通道高宽比的减小使得通道内的流动压降增大。将实验结果与经典流动压降关联式对比,发现KIM关联式与实验结果的相关性最好,但误差相对较大。为了有效预测旋转状态下多通道烘缸通道内的流动压降,建立了旋转水平通道内的流动压降预测模型,平均偏差为17.5%。(5)通过建立蒸汽冷凝换热热阻的数学模型,研究了通道间隔对多通道烘缸换热特性的影响规律,提出了新的无量纲参数,用于研究通道结构对多通道烘缸冷凝换热系数和流动压降综合性能的影响。研究表明,当通道间隔较大时,高宽比为1:2通道的总热阻远大于1:3和1:4通道的总热阻;基于相似理论提出了用于表征冷凝换热系数与流动压降综合性能的无量纲参数,发现高宽比为1:3通道的综合性能最佳。为了弥补现有实验研究的不足,本文以数值模拟作为辅助,研究了高转速下多通道烘缸的换热性能。结果表明,蒸汽冷凝换热系数与通道转速呈正相关,但是增长幅度随转速的增大不断减小,最终趋于稳定。本文探究了多个参数影响下旋转多通道烘缸通道内冷凝换热系数、流动压降及两相流流型的变化规律,建立了新的预测模型。本研究为多通道烘缸换热效率的提升和结构参数的优化设计奠定了理论基础,对多通道烘缸的产业化应用具有重要意义。
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