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摘要：对扰流棒的设计进行了系统分析，通过对扰流棒材质、截面尺寸及间距的设计，改进了烘缸排水系统，提出了新的“不溢流”原理，并取得了一项发明专利。
关键词：扰流棒；烘缸；冷凝水；热传导；不溢流原理
中图分类号：TS734
文献标识码：A
DOI：1011981/jissn1000684220180240
烘缸为纸机干燥部的核心部件。向烘缸内通入高压蒸汽以干燥湿纸幅，由于烘缸内外壁存在温差，烘缸在运行过程中蒸汽冷凝会产生冷凝水。冷凝水随烘缸一起转动，在不同的转速下，冷凝水在烘缸内的存在形态有所不同。不同直径的烘缸转动到某一速度后，冷凝水均会形成水环，即接近层流，并附着在烘缸内壁。冷凝水的导热系数为06 W/（K·m），铸铁导热系数是冷凝水导热系数的40倍，因此冷凝水的热阻非常大，影响烘缸的干燥效率。因此，研究如何消除水环对提高烘缸的传热效率非常重要。
以直径为1500 mm烘缸为例，当车速达到600 m/min时，冷凝水会在烘缸内壁形成水环[1]。理论分析表明，烘缸内壁的水膜厚度每增加1 mm，烘缸外壁温度约下降45℃。所以解决烘缸缸体内水膜热阻问题极为重要。解决水膜热阻问题的方法一般有两种：①添加扰流棒破坏冷凝水膜，将水的层流变为紊流，扩大高压蒸汽与烘缸内壁的传热面积；②选用较好的冷凝水排出系统。本课题对扰流棒进行了研究，提出不同烘缸运行条件下扰流棒设计的方法。
1扰流棒的流体振动理论简介
自20世纪60年代起，已经有许多关于扰流棒的研究报告。国内外各企业和研究机构都申报过扰流棒的专利，并且发表了一些对烘缸使用扰流棒解决传热的研究论文[2]。其中，Appel等[3]的研究表明，冷凝水在烘缸缸体的带动下形成水瀑落下。安装扰流棒可使水流振荡加剧，将冷凝水激振到空中，露出大量缸体内壁，从而提高传热效率。由流体振动理论推出扰流棒设计公式，见式（1）。
S=Riδ（1）
式中，S为扰流棒间距，mm，Ri为缸体内半径，mm，δ为水膜厚度，mm。
然而，此方法存在的问题在于，一是没有考虑烘缸的转动速度，二是没有考虑扰流棒的材质与结构尺寸等因素。例如，当烘缸转动速度较高时，离心力的作用将使扰流棒不能发挥作用，烘缸内冷凝水还会形成水环。这种方法的理论基础是扰流棒与冷凝水的相对运动使冷凝水发生共振，使其溅落到烘缸底部（如图1所示）， 从而用固定虹吸管排出烘缸外。而这种共振情况在车速较低时才会出现。
2扰流棒设计的“不溢流”理论
在高车速情况下的扰流棒设计，很难用经典理论解决这一复杂的流体运动规律问题。因此，本设计研究工作使用仿真软件，计算在指定运行条件下，不同的扰流棒材质与结构设计的情况下，冷凝水的流场分布，并计算其温度场分布。扰流棒布置情况如图2所示。计算中仿真模型的二维网格划分如图3所示。应用前处理软件GAMBIT划分网格，二维计算约有60万个四边形网格，三维计算约有160万个六面体网格。
本项计算选用较差的工作环境，即环境温度设定较低值，且烘缸外壁的对流换热系数较高，水膜较厚，由此计算的结果相对较保守。
关于计算结果可信度问题，本研究工作沿用了数值解与解析对照的方法，结果证明，数值解精确度相当高。
第一阶段仿真计算条件：烘缸直径为1800 mm，设定安装20、25、30根扰流棒3种情况。扰流棒为25 mm×25 mm空心管，车速为600、800、1000、1200、1500 m/min 5种情况。计算烘缸内冷凝水流场及温度场分布，图4为车速分别为600和1500 m/min时烘缸内冷凝水流场图的一部分。
從图4可以清楚看到，在给定的仿真计算条件下，车速为600 m/min时，冷凝水已经近似形成水环，但是还有冷凝水在一端凝聚；车速为1500 m/min时，冷凝水在烘缸内壁分布趋向均匀化，冷凝水并没有在一端凝聚。这是因为车速高，离心力的作用使水膜分布更均匀。
用图4还可以计算温度场，以模拟分别安装20、25、30根空心扰流棒的工况。
在给定的计算条件下，大量计算后可以得到不同条件下的温度场比较，并将空心扰流棒数据与实心扰流棒的数据进行比较，得到了在不同扰流棒条件下烘缸外壁温度与车速的关系图，结果如图5所示。
分析图5数据可以得到以下结论。
（1）车速600 m/min时，安装20根空心扰流棒后，烘缸外壁温度较无扰流棒情况下提高638℃。这是因为在低车速时，冷凝水没有形成完整水环，且为紊流，故扰流棒作用较大。加上扰流棒后，冷凝水被分隔成若干部分，在重力、离心力的综合作用下，每部分都会向同一个方向凝聚。这样就将层流破坏，在两根扰流棒之间的冷凝水厚度不同，甚至会有部分烘缸内壁裸露出来并与水蒸气直接接触，提高传热效率。
（2）车速1500 m/min时，安装空心扰流棒后温度场与无扰流棒下的温度场基本相同。这是因为在高车速时冷凝水已经形成完整水环，且水流近似为层流，故扰流棒的作用已经不明显。在形成水环之后，车速越高，扰流棒的影响越小。这是因为车速越高，离心力的作用越明显，冷凝水向层流趋近。
（3）相同车速下，实心扰流棒比空心扰流棒作用大。这是因为在层流下，空心扰流棒实际上是淹没在水中，并且扰流棒与缸体内壁间有间隙，且被水充满。而实心扰流棒采用热阻小的金属铸造，并且与缸体内壁贴合紧密。在经过大量计算后发现，当水不溢流时，烘缸传热效果更好，所以提出在设计扰流棒时应遵循“不溢流”的原则。
3冷凝水“不溢流”设计理念
图6所示为冷凝水分布情况仿真图。从图6可以观察到冷凝水绕过扰流棒的情况，称为溢流（overflow）[4]。这种情况下由于溢流使冷凝水占据烘缸内壁，饱和水蒸气不能更多地接触烘缸的内壁，影响传热效果。 本研究擬通过改变扰流棒材质、截面尺寸及间距，并改进排水系统，来进行冷凝水“不溢流”设计。
31扰流棒材质、截面尺寸及间距设计
在烘缸内安装扰流棒可将冷凝水隔开，而在每个独立的空间中水膜厚度不均，增加了烘缸内壁与水蒸气直接接触的几率。扰流棒裸露部分直接和水蒸气接触，提高了传热效率。这相当于烘缸内加肋的效果，但是成本比加肋烘缸低。因此，冷凝水“不溢流”设计理念适合用于高速纸机。
计算数据分析表明，以前采用的空心扰流棒无论两头是否封闭，热阻仍然很大。为解决这个问题，扰流棒被改为用导热较好的材料铸造成实心棒，如铜、铝等高导热材质。经过分析计算，与不加扰流棒时相比，采用高导热材料扰流棒时，车速1500 m/min时，烘缸外壁温度可提高72℃，而车速600 m/min时，烘缸外壁温度可提高111℃。
用相同的方法研究了直径3660 mm、安装40根扰流棒的烘缸情况。计算结果表明，与无扰流棒时相比，车速为600 m/min时，烘缸外壁温度可提高113℃，车速1500 m/min时，烘缸外壁温度可提高67℃。
为进一步提高烘缸外壁温度，研究了改变扰流棒的截面尺寸来加大传热面积以提高烘缸外壁温度的方法。与截面尺寸为30 mm×40 mm的实心高导热材料扰流棒相比，40 mm×50 mm实心高导热材料扰流棒可使烘缸外壁温度进一步提高。
32改进排水系统
为进一步提高烘缸外壁温度，并确保冷凝水“不溢流”，本研究改进了排水系统的设计。在大直径烘缸（直径大于2500 mm）中，可采用新的排水系统。其设计思路是将加肋烘缸内壁加工出来的环形槽，改为在无沟槽的烘缸内壁上沿轴线方向安装计算好数量的实心扰流棒，使冷凝水不溢流。其目的是使冷凝水聚集在一起以便于固定式虹吸管将其排出。其结构设计如图7所示。上述排水系统，比旋转式虹吸系统有更好的排水功能，能大幅限制水膜厚度，使得烘缸外壁温度进一步提高。
4扰流棒新设计的优势
相对加肋烘缸，扰流棒新设计的优势主要体现在以下几个方面。
（1）加工方便，只需要烘缸的内壁精车，扰流棒与烘缸内壁接触面光滑，使其有高导热性能。
（2）安装方便，大大减少机加工工作量。
（3）价格较低，对直径3660 mm烘缸进行估算，扰流棒与排水系统需1万余元。
（4）在内压与托辊线荷载作用下不会产生新的应力集中。
（5）新型排水系统进一步提高了烘缸外壁温度。
（6）添加扰流系统后，烘缸承受线荷载强度略低于加肋烘缸，但不会发生应力集中与温度不均匀现象。
本项研究成果已获得国家知识产权局发明专利[5]。
5结语
通过对纸机用烘缸传热问题进行讨论，特别是冷凝水流场分布及其对温度场的影响，提出了扰流棒“不溢流”的设计方法，以提高烘缸传热效果，将使烘缸节能设计进一步提高。安装扰流棒的方法适合现代高速纸机，为提高烘缸外壁温度提供了创新设计理念，为制造高效节能烘缸开辟了广泛前景。
参考文献
[1] Zhang D J， Bian X X. The computer simulation of condensate motion within the dryer[J]. China Pulp and Paper Industry， 2008， 29（2）： 41.
张东峻， 卞学询. 烘缸内冷凝水运动的计算机模拟[J].中华纸业， 2008， 29（2）： 41.
[2] Walter H S. New tissue machine offers economy， versability[J]. Pulp & Paper， 1972（1）： 76.
[3] Appel D W， Hong S H. Optimizing heat transfer using bars in dryers[J]. Paper Technology and Industry， 1975.
[4]吉水 护. Dryer control by measuring the dryer surface temperature[J]. Kami， Parupu jutsu Taimusu， 1999（42）： 46.
[5]Song X， Gai D L， Lyu H Y， et al. Spoiler structure for high efficiency and energy saving dryer： CN， 201010564242.6[P].20120725.
宋晓， 盖栋梁， 吕洪玉， 等. 高效节能烘缸用扰流棒结构： 中国， 201010564242.6[P].20120725.
关键词：扰流棒；烘缸；冷凝水；热传导；不溢流原理
中图分类号：TS734
文献标识码：A
DOI：1011981/jissn1000684220180240
烘缸为纸机干燥部的核心部件。向烘缸内通入高压蒸汽以干燥湿纸幅，由于烘缸内外壁存在温差，烘缸在运行过程中蒸汽冷凝会产生冷凝水。冷凝水随烘缸一起转动，在不同的转速下，冷凝水在烘缸内的存在形态有所不同。不同直径的烘缸转动到某一速度后，冷凝水均会形成水环，即接近层流，并附着在烘缸内壁。冷凝水的导热系数为06 W/（K·m），铸铁导热系数是冷凝水导热系数的40倍，因此冷凝水的热阻非常大，影响烘缸的干燥效率。因此，研究如何消除水环对提高烘缸的传热效率非常重要。
以直径为1500 mm烘缸为例，当车速达到600 m/min时，冷凝水会在烘缸内壁形成水环[1]。理论分析表明，烘缸内壁的水膜厚度每增加1 mm，烘缸外壁温度约下降45℃。所以解决烘缸缸体内水膜热阻问题极为重要。解决水膜热阻问题的方法一般有两种：①添加扰流棒破坏冷凝水膜，将水的层流变为紊流，扩大高压蒸汽与烘缸内壁的传热面积；②选用较好的冷凝水排出系统。本课题对扰流棒进行了研究，提出不同烘缸运行条件下扰流棒设计的方法。
1扰流棒的流体振动理论简介
自20世纪60年代起，已经有许多关于扰流棒的研究报告。国内外各企业和研究机构都申报过扰流棒的专利，并且发表了一些对烘缸使用扰流棒解决传热的研究论文[2]。其中，Appel等[3]的研究表明，冷凝水在烘缸缸体的带动下形成水瀑落下。安装扰流棒可使水流振荡加剧，将冷凝水激振到空中，露出大量缸体内壁，从而提高传热效率。由流体振动理论推出扰流棒设计公式，见式（1）。
S=Riδ（1）
式中，S为扰流棒间距，mm，Ri为缸体内半径，mm，δ为水膜厚度，mm。
然而，此方法存在的问题在于，一是没有考虑烘缸的转动速度，二是没有考虑扰流棒的材质与结构尺寸等因素。例如，当烘缸转动速度较高时，离心力的作用将使扰流棒不能发挥作用，烘缸内冷凝水还会形成水环。这种方法的理论基础是扰流棒与冷凝水的相对运动使冷凝水发生共振，使其溅落到烘缸底部（如图1所示）， 从而用固定虹吸管排出烘缸外。而这种共振情况在车速较低时才会出现。
2扰流棒设计的“不溢流”理论
在高车速情况下的扰流棒设计，很难用经典理论解决这一复杂的流体运动规律问题。因此，本设计研究工作使用仿真软件，计算在指定运行条件下，不同的扰流棒材质与结构设计的情况下，冷凝水的流场分布，并计算其温度场分布。扰流棒布置情况如图2所示。计算中仿真模型的二维网格划分如图3所示。应用前处理软件GAMBIT划分网格，二维计算约有60万个四边形网格，三维计算约有160万个六面体网格。
本项计算选用较差的工作环境，即环境温度设定较低值，且烘缸外壁的对流换热系数较高，水膜较厚，由此计算的结果相对较保守。
关于计算结果可信度问题，本研究工作沿用了数值解与解析对照的方法，结果证明，数值解精确度相当高。
第一阶段仿真计算条件：烘缸直径为1800 mm，设定安装20、25、30根扰流棒3种情况。扰流棒为25 mm×25 mm空心管，车速为600、800、1000、1200、1500 m/min 5种情况。计算烘缸内冷凝水流场及温度场分布，图4为车速分别为600和1500 m/min时烘缸内冷凝水流场图的一部分。
從图4可以清楚看到，在给定的仿真计算条件下，车速为600 m/min时，冷凝水已经近似形成水环，但是还有冷凝水在一端凝聚；车速为1500 m/min时，冷凝水在烘缸内壁分布趋向均匀化，冷凝水并没有在一端凝聚。这是因为车速高，离心力的作用使水膜分布更均匀。
用图4还可以计算温度场，以模拟分别安装20、25、30根空心扰流棒的工况。
在给定的计算条件下，大量计算后可以得到不同条件下的温度场比较，并将空心扰流棒数据与实心扰流棒的数据进行比较，得到了在不同扰流棒条件下烘缸外壁温度与车速的关系图，结果如图5所示。
分析图5数据可以得到以下结论。
（1）车速600 m/min时，安装20根空心扰流棒后，烘缸外壁温度较无扰流棒情况下提高638℃。这是因为在低车速时，冷凝水没有形成完整水环，且为紊流，故扰流棒作用较大。加上扰流棒后，冷凝水被分隔成若干部分，在重力、离心力的综合作用下，每部分都会向同一个方向凝聚。这样就将层流破坏，在两根扰流棒之间的冷凝水厚度不同，甚至会有部分烘缸内壁裸露出来并与水蒸气直接接触，提高传热效率。
（2）车速1500 m/min时，安装空心扰流棒后温度场与无扰流棒下的温度场基本相同。这是因为在高车速时冷凝水已经形成完整水环，且水流近似为层流，故扰流棒的作用已经不明显。在形成水环之后，车速越高，扰流棒的影响越小。这是因为车速越高，离心力的作用越明显，冷凝水向层流趋近。
（3）相同车速下，实心扰流棒比空心扰流棒作用大。这是因为在层流下，空心扰流棒实际上是淹没在水中，并且扰流棒与缸体内壁间有间隙，且被水充满。而实心扰流棒采用热阻小的金属铸造，并且与缸体内壁贴合紧密。在经过大量计算后发现，当水不溢流时，烘缸传热效果更好，所以提出在设计扰流棒时应遵循“不溢流”的原则。
3冷凝水“不溢流”设计理念
图6所示为冷凝水分布情况仿真图。从图6可以观察到冷凝水绕过扰流棒的情况，称为溢流（overflow）[4]。这种情况下由于溢流使冷凝水占据烘缸内壁，饱和水蒸气不能更多地接触烘缸的内壁，影响传热效果。 本研究擬通过改变扰流棒材质、截面尺寸及间距，并改进排水系统，来进行冷凝水“不溢流”设计。
31扰流棒材质、截面尺寸及间距设计
在烘缸内安装扰流棒可将冷凝水隔开，而在每个独立的空间中水膜厚度不均，增加了烘缸内壁与水蒸气直接接触的几率。扰流棒裸露部分直接和水蒸气接触，提高了传热效率。这相当于烘缸内加肋的效果，但是成本比加肋烘缸低。因此，冷凝水“不溢流”设计理念适合用于高速纸机。
计算数据分析表明，以前采用的空心扰流棒无论两头是否封闭，热阻仍然很大。为解决这个问题，扰流棒被改为用导热较好的材料铸造成实心棒，如铜、铝等高导热材质。经过分析计算，与不加扰流棒时相比，采用高导热材料扰流棒时，车速1500 m/min时，烘缸外壁温度可提高72℃，而车速600 m/min时，烘缸外壁温度可提高111℃。
用相同的方法研究了直径3660 mm、安装40根扰流棒的烘缸情况。计算结果表明，与无扰流棒时相比，车速为600 m/min时，烘缸外壁温度可提高113℃，车速1500 m/min时，烘缸外壁温度可提高67℃。
为进一步提高烘缸外壁温度，研究了改变扰流棒的截面尺寸来加大传热面积以提高烘缸外壁温度的方法。与截面尺寸为30 mm×40 mm的实心高导热材料扰流棒相比，40 mm×50 mm实心高导热材料扰流棒可使烘缸外壁温度进一步提高。
32改进排水系统
为进一步提高烘缸外壁温度，并确保冷凝水“不溢流”，本研究改进了排水系统的设计。在大直径烘缸（直径大于2500 mm）中，可采用新的排水系统。其设计思路是将加肋烘缸内壁加工出来的环形槽，改为在无沟槽的烘缸内壁上沿轴线方向安装计算好数量的实心扰流棒，使冷凝水不溢流。其目的是使冷凝水聚集在一起以便于固定式虹吸管将其排出。其结构设计如图7所示。上述排水系统，比旋转式虹吸系统有更好的排水功能，能大幅限制水膜厚度，使得烘缸外壁温度进一步提高。
4扰流棒新设计的优势
相对加肋烘缸，扰流棒新设计的优势主要体现在以下几个方面。
（1）加工方便，只需要烘缸的内壁精车，扰流棒与烘缸内壁接触面光滑，使其有高导热性能。
（2）安装方便，大大减少机加工工作量。
（3）价格较低，对直径3660 mm烘缸进行估算，扰流棒与排水系统需1万余元。
（4）在内压与托辊线荷载作用下不会产生新的应力集中。
（5）新型排水系统进一步提高了烘缸外壁温度。
（6）添加扰流系统后，烘缸承受线荷载强度略低于加肋烘缸，但不会发生应力集中与温度不均匀现象。
本项研究成果已获得国家知识产权局发明专利[5]。
5结语
通过对纸机用烘缸传热问题进行讨论，特别是冷凝水流场分布及其对温度场的影响，提出了扰流棒“不溢流”的设计方法，以提高烘缸传热效果，将使烘缸节能设计进一步提高。安装扰流棒的方法适合现代高速纸机，为提高烘缸外壁温度提供了创新设计理念，为制造高效节能烘缸开辟了广泛前景。
参考文献
[1] Zhang D J， Bian X X. The computer simulation of condensate motion within the dryer[J]. China Pulp and Paper Industry， 2008， 29（2）： 41.
张东峻， 卞学询. 烘缸内冷凝水运动的计算机模拟[J].中华纸业， 2008， 29（2）： 41.
[2] Walter H S. New tissue machine offers economy， versability[J]. Pulp & Paper， 1972（1）： 76.
[3] Appel D W， Hong S H. Optimizing heat transfer using bars in dryers[J]. Paper Technology and Industry， 1975.
[4]吉水 护. Dryer control by measuring the dryer surface temperature[J]. Kami， Parupu jutsu Taimusu， 1999（42）： 46.
[5]Song X， Gai D L， Lyu H Y， et al. Spoiler structure for high efficiency and energy saving dryer： CN， 201010564242.6[P].20120725.
宋晓， 盖栋梁， 吕洪玉， 等. 高效节能烘缸用扰流棒结构： 中国， 201010564242.6[P].20120725.