多通道烘缸在旋轉狀態下矩形通道內蒸汽冷凝換熱的實驗研究

張樹林 董繼先王 莎 王 博 喬麗潔

（陜西科技大學機電工程學院，陜西西安，710021）

在造紙工藝中，紙張干燥對成紙質量起關鍵性作用。目前，紙張干燥以烘缸干燥為主，烘缸作為干燥部的重要設備，其干燥效率決定干燥工藝的節能程度。烘缸中不能及時排出的冷凝水會增加蒸汽傳熱熱阻，降低烘缸干燥效率。為解決這一問題，國內外學者做了大量研究，如改變虹吸管結構[1-2]和增加擾流棒[3-4]以減少冷凝水存積，提高烘缸干燥效率，但冷凝積水阻礙冷凝傳熱的問題仍未徹底解決。針對這一問題，Choi等人[5]設計了一種夾套多通道烘缸，即在烘缸內壁加工許多矩形通道，蒸汽在通道中冷凝放熱，產生的冷凝水被限制在通道內由后續蒸汽推出，極大地減少了烘缸的冷凝積水；并以單個矩形通道為研究對象進行實驗，結果表明，夾套多通道烘缸的冷凝換熱系數是傳統烘缸換熱系數的7～20倍。本課題組[6-8]在Choi等人的研究基礎上進行改進并設計了一種新型的多通道烘缸，對多通道烘缸在靜態條件下做了數值模擬和實驗研究，嚴彥等人[9-11]、楊琸之等人[12]和喬麗潔等人[13]分別對蒸汽參數、冷卻水質量流量、冷卻水雷諾數對多通道烘缸換熱系數的影響進行了研究。

目前多通道烘缸的研究主要集中在靜態條件下，而對旋轉狀態下工質換熱特性的現有研究主要集中在換熱器、熱管和U型管等方面。牟春燕等人[14]、田智昀[15]對旋轉狀態下工質為R22的板式換熱器冷凝換熱特性進行了研究；Francisco等人[16]在水力直徑為6.24 mm的矩形通道中，通過改變傾斜角研究了旋轉通道的壓降變化；孫浩峰等人[17]對徑向流入旋轉軸的空氣在矩形微通道中的換熱進行了研究；Ibrahim等人[18]研究了旋轉三角形虹吸熱管的傳熱特性；何川等人[19]對繞平行軸旋轉熱管的傳熱進行了研究；Morris等人[20]以空氣為熱流介質，對繞平行軸旋轉的方形截面管內湍流流動的傳熱進行了研究；劉傳凱等人[21]對旋轉U形通道內換熱進行了研究；周建佳等人[22]對旋轉U型通道內的換熱進行了數值計算；嚴彥等人[23]對旋轉多通道烘缸進行了數值模擬。

綜合前人研究成果可知，旋轉狀態下，影響換熱因素較多[24-25]，旋轉方式、工質、通道結構的不同均會導致換熱效果的不同。本課題以多通道烘缸在靜止條件下的研究為基礎，在旋轉實驗臺[26]上，通過改變轉速和冷卻水質量流量，對旋轉狀態下通道內換熱和壓降進行了研究，為多通道烘缸的實際生產提供理論和結構設計的參數依據。

1 實 驗

本課題的實驗裝置主要由3部分組成，蒸汽回路、實驗段、冷卻水回路，如圖1所示。通過變頻隔膜泵將去離子水加入電加熱蒸汽發生器中，產生蒸汽經滑環進入實驗段蒸汽通道，與逆向流動的冷卻水進行換熱，蒸汽放出的熱量被冷卻水吸收，未冷凝的蒸汽通過板式換熱器降溫后返回蓄水池；冷卻水在其回路中循環流動，進口處設有玻璃轉子流量計以測量冷卻水的質量流量，通過調節閥門來改變冷卻水的質量流量，通過調節電機頻率改變通道的轉速。實驗段溫度通過PT 100熱電阻測量，壓降通過安裝在通道前后端的2個壓力變送器測得，實驗溫度和壓力通過無線采集裝置傳輸至電腦。該實驗裝置的實物圖如圖2所示。

圖1 實驗系統流程圖Fig.1 Flow chart of the experimental system

圖2 旋轉實驗平臺Fig.2 Rotating experiment platform

圖3為實驗通道的截面圖。如圖3所示，蒸汽通道的長、寬、高分別為1100.0 mm、13.5 mm、4.5 mm，高寬比為1∶3，冷卻水通道長、寬、高分別為1100.0 mm、13.5 mm、9.0 mm，材質為鋁。整個通道用橡塑材料包裹，保證實驗段的熱量損失<0.5%。

圖3 實驗通道截面圖Fig.3 Experimental channel cross section

圖4為實驗段熱電阻分布圖。如圖4所示，熱電阻Ts1～Ts5布置于蒸汽通道內測量蒸汽溫度，熱電阻Tw1～Tw5布置于壁面測量壁面溫度，熱電阻Tc1～Tc6布置于冷卻水通道測量冷卻水溫度，熱電阻溫度通過無線采集模塊傳輸到電腦里。實驗工況如表1所示。

表1 實驗工況Table 1 Experimental conditions

圖4 實驗段熱電阻分布圖Fig.4 Thermal resistance distribution diagram of experimental section

2 數據處理

多通道烘缸通道內蒸汽放出的熱量一部分被冷卻水吸收，另一部分散失在環境中，根據熱電阻的分布，將整個通道劃分為5段，各段均滿足能量守恒定律，計算方法如式(1)所示。

式中，Qs,i為第i段蒸汽釋放的熱量；Qc,i為第i段被冷卻水吸收的熱量；Ql,i為第i段蒸汽散失在環境的熱量。

本課題對實驗段進行了保溫處理，熱損失較小，可以認為蒸汽放出的熱量被冷卻水全部吸收，即Qs,i=Qc,i。冷卻水的吸熱量可由式(2)計算得到。

式中，mc為冷卻水的質量流量；cp為冷卻水的比定壓熱容；tc,i為i點處冷卻水的溫度。

蒸汽在第i段釋放的熱量計算方式如式(3)所示。

式中，Ai為第i段蒸汽通道換熱面積；hi為第i段蒸汽通道換熱系數；ts,i為第i段蒸汽通道內的蒸汽溫度；tw,i為第i段所對應的壁面溫度。

綜合式（1）～式（3）得到多通道烘缸內的換熱系數計算方式如式(4)所示。

3 結果與分析

3.1 旋轉對冷凝換熱系數的影響

不同轉速下冷卻水質量流量對通道局部換熱系數的影響如圖5所示。轉速一定時，隨著冷卻水質量流量的增加，不同位置的局部換熱系數也隨之增加，這是因為隨著冷卻水質量流量的增加，冷卻水的平均溫度降低，與壁面的溫差增大，換熱增強，導致通道內部冷凝換熱量增大，因此冷凝換熱系數增大。

圖5 不同轉速下冷卻水質量流量對局部換熱系數的影響Fig.5 Effect of cooling water mass flow rate on local heat transfer coefficient at different rotation speeds

局部換熱系數隨沿流程方向呈先增大后減小的趨勢。通道入口處的蒸汽為過熱蒸汽，在流動過程中，蒸汽溫度下降，非相變換熱較多，蒸汽釋放的熱量較少，換熱系數較小。隨著蒸汽不斷冷凝，蒸汽干度下降，氣相占比減少，液相占比增多，在此過程中會放出大量的汽化潛熱，換熱系數也隨之增加。隨著蒸汽干度進一步減小，近壁面處水膜厚度逐漸增加，導致換熱熱阻增加，換熱系數受此影響隨之降低。在通道的后半部分，液相幾乎占據了整個通道，此時換熱形式變為單相水對流換熱，因此傳熱量會迅速減小，換熱系數進一步下降。

隨著轉速提高，局部換熱系數最大的位置向蒸汽進口端移動，轉速100 r/min時，換熱系數最大的位置出現在第二段，轉速小于100 r/min時，換熱系數最大的位置均出現在第三段。因為隨著轉速的增加，離心力的作用增大，蒸汽在通道內受到的擾動增加，加速了蒸汽的冷凝速率，換熱系數最大的位置向前移動。

圖6為不同轉速下冷卻水質量流量對平均換熱系數的影響。從圖6可以看出，冷卻水質量流量一定時，隨著轉速增大，通道內平均換熱系數呈先增大后減小的趨勢，當轉速70 r/min時，通道的平均換熱系數最大。在低轉速下，旋轉產生的離心力對蒸汽流動的擾動較小，氣液兩相間以剪切力為主；氣液界面的擾動隨轉速的增加而增加，使通道內氣液流動紊亂，換熱系數會逐漸增加；當轉速進一步增加時，離心力對蒸汽流動的影響加大，離心力和剪切力的共同作用會使蒸汽在通道內的流動更加紊亂，平均換熱系數進一步增加。高轉速下，蒸汽在前半部分就幾乎全部冷凝，后半部分的換熱主要以單相冷凝液的對流傳熱為主，換熱能力不足，平均換熱系數降低。

圖6 不同轉速下冷卻水質量流量對平均換熱系數的影響Fig.6 Effect of cooling water mass flow rate on average heat transfer coefficient at different rotation speeds

冷卻水質量流量較低時，不同轉速平均換熱系數很接近，隨著冷卻水質量流量增大，不同轉速的平均換熱系數間差距增大。冷卻水質量流量較低時，冷卻系統單位時間最大換熱量有限，此時提升轉速對整體換熱量的提升作用有限，不同轉速的平均換熱系數相差不大；當冷卻水質量流量較高時，冷卻系統單位時間最大換熱量增大，此時提升轉速對整體換熱量的提升作用明顯，不同轉速的平均換熱系數差距增大。

3.2 旋轉對兩相流動壓降的影響

不同冷卻水質量流量下轉速對通道壓降的影響如圖7所示。從圖7可以看出，轉速一定時，隨著冷卻水質量流量的增加，兩相流動的壓降減小，冷卻水質量流量增加到200 kg/h時，流動壓降基本保持平穩，不隨冷卻水質量流量的增大而降低。這是因為隨著冷卻水質量流量的增大，壁面和冷卻水平均溫差增加，加速蒸汽的冷凝，蒸汽的氣相速度減小，氣液界面的摩擦壓降減小，通道壓降呈減小趨勢。當冷卻水質量流量進一步增加時，壁面和冷卻水的平均溫差變化較小，蒸汽的冷凝速率變化較小，氣液界面間的摩擦壓降變化較小，因此流動壓降基本保持不變。

從圖7還可以看出，冷卻水質量流量一定時，隨轉速增加，通道的流動壓降有略微下降的趨勢，基本保持不變。隨轉速增加，蒸汽受到的離心力增加，加速了蒸汽的冷凝，形成冷凝水的速度加快，蒸汽密度遠小于冷凝水密度，使通道內流體平均流速減小，流體與壁面的摩擦效果減弱，通道內壓降減小。

圖7 不同冷卻水質量流量下轉速對通道壓降的影響Fig.7 Effect of rotation speeds on channel pressure drop under different cooling water mass flow rate

4 結 論

本課題通過改變多通道烘缸的轉速和冷卻水質量流量，研究了其對多通道烘缸的冷凝傳熱特性以及兩相流動壓降的影響。

4.1 當轉速一定時，隨冷卻水質量流量增加，通道內的平均換熱系數隨之增加。蒸汽在通道沿程方向的局部換熱系數呈先增大后減小的趨勢。

4.2 當冷卻水質量流量一定時，隨轉速增加，通道的平均換熱系數呈先增大后減小的趨勢，轉速70 r/min時，通道的平均換熱系數最大。隨轉速增加，局部換熱系數最大的位置會向蒸汽進口端移動。

4.3 轉速一定時，隨冷卻水質量流量增加，通道內的壓降會呈下降趨勢，最后趨于穩定；冷卻水質量流量一定時，隨轉速升高，通道內的壓降會略有下降趨勢。