互補式布漿器分布特性影響因素的實驗研究

劉 偉

(廣東石油化工學院機電工程學院，廣東茂名，525000)

布漿器對水力流漿箱的漿料均布性能具有決定性的影響。早期的布漿方法有擴展流道布漿法、多重對分布漿法、中間進漿多支管布漿法、錯流布漿法等，但由于存在缺陷，已基本被淘汰［1］，現在基本使用方錐管單向進漿布漿法［2］。為解決進漿壓力波動的問題，20世紀末，出現了帶有脈沖衰減器的集中布漿法［3］。

方錐形布漿總管布漿性能取決于總管形狀的設計，設計的基本要求是進入布漿管束漿料的流速和壓力相等。根據對流動摩擦損失、分岔壓頭損失和收縮壓頭損失的考慮，出現了以Baines方程設計法為代表的一系列方法［4-6］。但Baines方程設計的方形錐管后壁形狀為復雜曲線，不便于加工制造。因此，盡管有較大的誤差，簡化設計法即直線設計法仍然得到應用。

近年來，對布漿器的分布性能、結構優化及流動特性進行了較多的研究。劉曉丹等人［7-8］在分析了方錐管的不同設計理論和計算公式的基礎上，對方錐管的結構進行了改進，分析了過渡管結構對流動特性的影響。楊帥等人［9］對孔板式錐形布漿器孔口均一性布漿的結構進行了優化。王海琛等人［10-11］通過增加進口管后壁調節裝置，提出了一種無回流可調階梯式擴散器流漿箱。J.H m l inen 等人［12］提出了數學模型，分析了從纖維懸浮流體到固態紙的動力學。

針對方形錐管分布器內橫向壓差較大及集中布漿器對幅寬適應性較差的問題，采用互補式布漿器，利用方錐管器的分布不均勻性，可有效地解決上述問題［13-15］。

本課題簡要分析了互補式布漿機理，通過簡化設計方法，設計了互補式布漿器的結構和尺寸。采用實驗研究了回流比、方錐總管進料波動及混合室結構對互補式布漿器布漿性能的影響。

1 互補式布漿作用機理

互補式布漿器與傳統布漿器的組成有所區別，該布漿器主要由布漿總管Ⅰ、布漿總管Ⅱ、布漿支管束及混合室等部分組成，結構示意圖如圖1所示。其中布漿總管由一對結構形式、尺寸及制造方法完全相同的方錐總管組成，反向對稱上下布置。混合室與傳統流漿箱混合室結構基本相同，用于保障兩個總管支管束漿流的有效互補平均再分配。互補式布漿器工作時，漿料分別經由兩個布漿總管的過渡管按相等的流量，相向流入方錐總管內，回流部分由回流口反向流出，其余部分漿料由支管束流出進入混合室，再由湍流發生器均勻分布流入唇口收縮段，噴漿上網。

圖1 互補式布漿器結構示意圖

由于方錐總管布漿的不均勻性，使得兩個布漿器對應支管的質量流量分布是兩種剛好相反的分布形態。因此，漿料在混合室中混合時，形成質量流量分布完全相反的兩種趨勢的互補，因此達到了均勻布漿的目的［13］。

2 互補式布漿器結構設計

2.1 方錐總管

方錐總管的設計方法有很多，常用的有簡化設計法、Baines方程設計法及其衍生法。由于互補式布漿方式能夠有效地使漿料混合均勻，所以采用簡化設計法設計方錐總管的形狀，計算模型如圖2所示［14］，計算見式 (1)和式 (2)。

式中，A0為總管進口截面積，m2;Ae為回流端截面積，m2;Ax為距進口x處的截面積，m2;L為總管長度，m;x為任一橫截面距總管進口的距離，m。

圖2 方錐總管計算模型

互補式布漿器的布漿總管由兩個結構尺寸完全相同的方錐管組成，總漿料體積流量Q0為150 m3/h。由湍流發生器的高度確定總管的總高度B0為98 mm。錐管布漿器的錐管內漿料流速v0通常在1.3～4.5 m/s范圍以內，取v0=2.5 m/s作設計計算值，則錐管的高度H0計算見式 (3)。

經驗算，雷諾數Re=3.87×105，進口漿流處于湍流狀態。取回流比a=10%，則回流端錐管高度h為17 mm。方錐總管的長度L為274 mm。

2.2 布漿支管束

布漿支管束是一種高效的布漿整流元件，依靠漿料與管壁摩擦作用形成強烈的湍動，漿流極易處于湍流狀態，形成一種均勻的纖維懸浮液，達到均勻布漿的作用。布漿支管束采取垂直式上下排列方式，如圖3所示。

支管漿速與總管漿速的比值，稱為加速比i。加速比i是影響錐管布漿器布漿性能的一個重要因素。支管的加速比i與噴漿偏角的關系如圖4所示，當i≥3時，支管噴漿與總管垂直［4］。選定支管數量為12根，滿足加速比后，經計算確定支管直徑 d為20 mm，排成兩排。

圖3 支管排列方式

圖4 加速比i與噴漿偏角的關系

在確定支管的長度時，考慮到側向進漿轉折流動所產生的頸縮段要經過一定長度的進口段區域流動，才能逐漸擴展成為充分發展流動，因此，支管的長度必須大于頸縮段和進口段的長度之和，其中進口段長度Le可按式 (4) 進行計算［13］。

2.3 混合室

混合室的橫截面積通常由布漿器的橫截面積所決定，互補式布漿器混合室的長度l在滿足式 (5)的要求下，確定其長度為300 mm，高度為98 mm，寬度為 274 mm［16］。

式中，b0為支管半徑，mm;m0為流速比;C為常數。

3 實驗裝置與方法

實驗裝置流程如圖5所示。儲液槽中的漿料經泵送至互補式布漿器兩個相同的總管，兩路回流流回儲液槽，其余漿料經由布漿管束進入混合室，再流回儲液槽。在兩個布漿總管的進口和回流口均設有調節閥和流量計，泵的流量通過閥門調節。

本實驗采用的測量儀器是YK-TUF-2000H1型手持式超聲波流量計，配備的TS-2型傳感器可測量管徑范圍為15～100 mm。測量方法為將傳感器緊貼在管道外壁即可準確測量流體的平均速度、流量及累計體積，測量結果可精確到小數點后4位。

圖5 實驗裝置流程圖

4 結果與討論

4.1 回流比的影響

為了檢驗回流比對互補布漿效果的影響，在兩個方錐布漿總管的回流比相同的前提下，將回流比a分別設定為8%、10%、12%、15%，混合室出口布漿支管的漿料質量流量和漿料分布偏差結果分別如圖6和圖7所示。從圖6、圖7可見，不同回流比時，混合室出口布漿支管的漿料質量流量分布趨勢相似，質量流量分布曲線與期望值非常接近。當回流比a為8%時，漿料質量流量最大差值為0.0118 kg/s，偏差為0.37%;回流比為10%時，漿料質量流量最大差值為－0.0107 kg/s，偏差為－0.342%;回流比為12%時，漿料質量流量最大差值為－0.0103 kg/s，偏差為－0.337%;回流比為15%時，漿料質量流量最大差值為－0.0097 kg/s，偏差為－0.328%。結果表明，回流比對互補布漿效果影響不大，實際操作時允許回流比圍繞10%有一定的波動。

圖6 不同回流比下漿料質量流量

4.2 兩個錐管內漿料流量波動的影響

流漿箱實際工作時，由于漿泵的工作特性，布漿總管的進料流量可能會有微小的波動。對于單錐管布漿器，這種流量的微小波動對漿料均布性能和紙張成形將產生較大的影響。互補布漿時，同樣會存在總管進料波動的問題。實驗中，在保持互補式布漿器總進料量不變的前提下，設計了兩個工況，工況一為兩個布漿總管進口漿料體積流量分別為75.5 m3/h和74.5 m3/h，每個總管相對標準漿料體積流量的偏差為0.67%;工況二為兩個布漿總管進口漿料體積流量分別為76 m3/h和74 m3/h，每個總管相對標準漿料體積流量的偏差為1.3%。對兩種工況的測量結果如圖8所示。兩個總管漿料質量流量不相等時，漿料分布的均勻性有所降低，不僅兩排支管的漿料質量流量分布有較明顯的差別，與期望值的差別更明顯。如圖8(a)～圖8(c)所示，工況一時，第一排支管總質量流量為18.7616 kg/s，第二排支管總質量流量為18.7155 kg/s，相差0.0461 kg/s。工況二時，第一排支管總質量流量為18.7929 kg/s，第二排支管總質量流量為18.6845 kg/s，相差0.1084 kg/s。工況一時，第一排支管質量流量最大差值為0.012 kg/s，偏差為0.384%，第二排支管質量流量最大差值為0.0194 kg/s，偏差為0.621%。工況二時，第一排支管質量流量最大差值為0.0158 kg/s，偏差為0.416%，第二排支管質量流量最大差值為－0.0196 kg/s，偏差為0.717%。由于布漿器Ⅰ進料流量比布漿器Ⅱ的大，在混合室中兩排支管漿料流混合時，射流會偏向流量大的一側，造成混合時出口第一排支管流量大于第二排支管的流量。從實驗結果看，兩個總管內的流量應該盡量保持相等。但實際操作時，不可避免會出現兩個總管內流量有波動的情況，根據實驗結果，建議單個總管內流量波動偏差控制在1%以內較為合適。

圖7 不同回流比下漿料分布偏差

圖8 兩個錐管內流量不同時漿料分布

圖9 混合室結構示意圖

4.3 混合室結構的影響

混合室是互補式布漿器的重要部分，也是漿料互補混合、平均的場所。單腔混合室中支管射流存在明顯的偏流現象，會影響漿料均布性能［17］。實驗時，設計了3種結構的混合室，即混合室Ⅰ、混合室Ⅱ、混合室Ⅲ，如圖9所示［18］。

對不同混合室的布漿器，測試了不同回流比下的漿料質量流量分布，結果如圖6、圖7、圖10、圖11、圖12、圖13所示。采用混合室Ⅰ結構時，由于混合室是單腔結構，從布漿總管進入混合室的支管射流在混合室內混合時，明顯的射流卷吸作用使射流偏向混合室中部，導致混合室出口中間位置的流量明顯大于兩側 (見圖6)。混合室Ⅱ是兩組支管為一組的多腔結構，射流在混合分室內的偏轉現象明顯得到改善，漿料分布更加均勻，如圖10所示。混合室Ⅲ是一組支管為一組的多腔結構，每組對應的支管射流在混合分室內獨立混合，基本不存在射流偏轉，混合效果最好，漿料分布最均勻，更接近期望值，如圖12所示。從漿料質量流量偏差來看，3種結構的最大偏差分別為－0.342%、－0.285%、0.258%，也說明了多腔混合室比單腔混合室混合效果好。

圖10 混合室Ⅱ出口漿料分布

圖11 混合室Ⅱ出口漿料分布偏差

圖12 混合室Ⅲ出口漿料分布

圖13 混合室Ⅲ出口漿料分布偏差

5 結論

根據互補式布漿方法，設計了互補式布漿器，采用實驗方法研究了回流比、布漿總管進料波動、混合室結構對布漿性能的影響。

(1)在互補式布漿方式下，不必采用復雜的錐管設計方法，可采用簡化設計法設計布漿總管結構。

(2)在兩個布漿總管回流比相同的情況下，回流比的輕微變化對互補式布漿器的漿料均布性能影響不大，仍可保證良好的布漿效果。

(3)兩個布漿總管的漿料流量波動時，布漿性能曲線與期望值的偏差增大，但將總管內的漿料流量偏差控制在1.3%以內時，支管內漿料流量偏差仍能保持在1%以內。

(4)3種混合室結構的布漿器在不同回流比時均具有較好的布漿效果，但多腔混合室好于單腔混合室。