纸机干燥部冷凝水运动与传热实验研究及数值模拟

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就制浆造纸各个环节的能耗而言,纸机干燥部一般是耗能最大的工段。目前大部分学者和专家主要从以下几个方面着手改善纸机干燥部的传热效率:不断完善蒸汽冷凝水系统、改变烘缸的结构(单通道烘缸、多通道烘缸等)、引用一些辅助装置(扰流棒等)、改善袋区通风系统和研究不同干燥技术等。虽然从宏观上改变和完善纸机干燥部,干燥效率有一定的提高,但是效果不太明显。然而传热系数是传热过程中衡量干燥效率的一个重要参数,尤其在高速纸机下,蒸汽在纸页干燥过程中冷凝形成水环,而冷凝水的传导系数仅为烘缸壁的导热系数的1/87,冷凝水层的热阻在总热阻中占有相当的比重,它在很大程度下降低了传热系数。因此本文通过研究纸机干燥部内部的冷凝水运动和传热机理,并通过定量分析,对烘缸内冷凝水形成水环以及传热的机理做了系统的研究,从而为提高干燥效率提供比较好的理论依据。   纸机干燥部内冷凝水运动与传热的研究方法可以采用理论研究和试验研究。   首先,本文对纸机干燥部内冷凝水运动与传热有关理论进行了较全面的研究分析和总结。在理论研究基础上,研制出卧式旋转筒体的实验装置,研究分析出简体内液体在不同运动状态时的影响因素、主导准则数以及主要作用力。同时,以量纲分析为指导,确定液环形成和液环破坏的临界转速以及准则数表达式。通过简化热传递过程中的一些参数,建立了蒸汽通过烘缸壁传热给纸幅的热力学模型。   但是这两种方法受到许多实际条件的限制,使得此方面的研究结果不太理想。最近广泛使用的CFD技术为此方面的研究开创了另一个有效的途径。   其次,在试验的基础上,采用CFD技术对纸机干燥部内冷凝水运动与传热进行分别仿真研究。研究模型主要采用了分离式求解模式、多相流VOF法求解模型、标准k-epsilon两方程的湍流模型为计算模型;据此计算的结果,从各个参数对纸机干燥部内冷凝水与传热的影响以及变参数间的关系两方面进行了较全面的分析。通过大量的试验与模拟结果对比,得到了纸机干燥部内冷凝水运动形成水环的基本关系式以及烘缸内传热的基本趋势。   本研究的主要成果及主要贡献表现在三个方面:   (1)首次在国内开展旋转筒体内液体运动的实验研究,拟定采用量纲分析法并通过大量实验,确定旋转筒体内液体稳定运动的准则数,并研究筒体内液环形成与破坏等稳定运动的临界转速以及主要准则数间的函数关系。   (2)基于CFD(fluent等)计算流体动力学软件平台,采用VOF法对简体内液体运动进行数学建模以及数值模拟,验证了试验结果。   (3)对烘缸内冷凝水运动进行传热分析及数值模拟,得到了比较合理的温度分布图。
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