多通道烘缸旋轉試驗臺的設計與實現

王莎 董繼先 郭浩增 張樹林 喬麗潔 董惟昕

摘要：本課題以研究多通道烘缸性能為目的，設計搭建了溫度采集、壓力采集、圖像采集為一體的模擬烘缸旋轉的試驗臺，并對試驗臺的性能進行了測試。結果表明，在給定壓力條件下，通道組件的密封性能良好;在通道旋轉狀態下，傳感器可成功采集通道內的溫度及壓力變化的數據，并將數據無線傳輸至計算機中，各數據之間的采集與傳輸互不干涉;攝像機在高速旋轉狀態下可清晰采集到通道內部蒸汽冷凝流型。

關鍵詞：多通道烘缸;性能測試;高速圖像采集;旋轉

中圖分類號： TS736.+3? 文獻標識碼： A DOI：10.11980/j. issn.0254-508X.2022.02.010

Design and Realization of Multi-channel Cylinder Dryer Rotating Test Bench

WANG Sha1 ??DONG Jixian1，* ??GUO Haozeng1 ??ZHANG Shulin1 ??QIAO Lijie1 ??DONG Weixin2

（1. College ofMechanical and Electrical Engineering，Shaanxi University ofScience& Technology，Xi’an，Shaanxi Province，710021;

2. Library，Xi’an University ofScience and Technology，Xi’an，Shaanxi Province，710054）

（*E-mail：djx@sust. edu. cn）

Abstract：To study the performance of the multi-channel dryer，a test bench that simulated the rotation of the dryer was designed in this study，which integrated temperature collection，pressure collection，and image collection，and the performance of the test bench was stud?ied. The results showed that the sealing performance of the channel components was good under the given pressure conditions，the sensor could successfully collect the data of the temperature and pressure changes in the channel when the channel was rotating，and wirelessly transmit the data to the computer. The collection and transmission of data did not interfere with each other，the camera could collect the steam condensate flow pattern inside the channel under the high-speed rotation state.

Key words：multi-channel cylinder dryer; performance test; high-speed image acquisition;rotating

造紙生產過程中，如何減少熱阻以提高烘缸的干燥效率是亟需解決的問題之一。傳統紙機烘缸在干燥過程中，蒸汽在烘缸內部冷凝放熱產生大量冷凝水不能及時排出，在缸內形成冷凝水環并隨著烘缸回轉，影響蒸汽對烘缸內壁的傳熱效率[1-2]。國內外研究人員采取配備虹吸管排水裝置以減少冷凝水環的厚度，或使用擾流棒使冷凝水產生湍流傳熱熱阻等方法解決以上問題[3-5]。這些方法在一定程度上降低了傳熱熱阻，提高了烘缸傳熱效率，但并沒有完全解決問題。Choi 等人[6]提出了一種新型多通道烘缸，烘缸內壁周向均勻分布一系列矩形通道，蒸汽進入烘缸內筒，然后由內筒進入矩形通道，在矩形通道進行冷凝放熱。Jae 等人[7]選取單個矩形通道進行研究，結果表明，多通道烘缸的冷凝傳熱系數可達15000 W/（m2·K），比傳統烘缸的傳熱系數提高了7～20倍。

董繼先課題組[8-10]在 Choi 等人[6]的基礎上進行改進，蒸汽經進氣口直接進入矩形通道，在通道內冷凝放熱;通過試驗研究發現，單個矩形通道的平均換熱系數可達8000～24000 W/（m2·K）[11-12]，與前人研究結論相似。前人研究中的數據均是在靜止條件下得到的，但烘缸的實際工作狀態為軸向旋轉狀態，國內外對旋轉狀態下通道冷凝換熱的研究主要集中在渦輪葉片或熱管中，多為徑向旋轉，而通道形狀多為U型通道和回轉通道[13-16]。Hosseinalipour等人[14]對光滑 U 型通道在徑向旋轉狀態下研究了雷諾數、旋轉數及進氣口密度比對對流換熱的影響; Ibrahim 等人[17]研究了徑向旋轉狀態下，轉速對三角形熱管傳熱特性的影響。 Johnson 等人[18]通過試驗發現偏心參數對壓降幾乎沒有影響，在通道的入口區域旋轉對壓降的影響可以忽略不計。

為了實現與現實烘缸運行一致的效果，研究其傳熱特性，本課題設計并搭建了一種旋轉式多通道烘缸試驗臺，并對試驗臺的密封性能、溫度場檢測及流型圖像的采集進行試驗測試，檢測試驗臺能否成功采集通道內部溫度場的變化，以及旋轉狀態下蒸汽在矩形通道內流型變化，為多通道烘缸的后續研究及應用提供試驗平臺。

1 試驗臺的設計

1.1 試驗臺基本結構

多通道旋轉試驗臺主要由3部分組成：蒸汽循環系統、冷卻劑循環系統和旋轉裝置。蒸汽循環系統產生的蒸汽經過金屬波紋管進入旋轉的矩形蒸汽通道內;冷卻劑循環系統用來模擬濕紙幅，在多通道烘缸旋轉試驗中，由冷卻水代替冷卻劑經塑料軟管進入旋轉的矩形冷卻劑通道，其中旋轉裝置主要是帶動試驗件旋轉，用來模擬實際烘缸的旋轉狀態。

前期已完成部分工作[19]：旋轉裝置的結構如圖1所示，主要由支撐裝置、傳動系統、熱電阻、數據采集模塊、流量計、差壓變送器及壓力傳感器組成。本試驗臺的旋轉半徑400 mm，矩形通道的長度 1100 mm，試驗臺總長度2900 mm，總高度1205 mm，寬度1350 mm。通道組件是本實驗的試驗件，主要研究蒸汽在通道內流動過程中溫度及流型的變化，由通道、密封墊、PC板、PC板壓蓋、冷卻劑通道蓋板等組成，各組成部分由密封墊連接;蒸汽及冷卻水分別通過金屬軟管進入矩形通道內，為防止液體及氣體的泄露，同時在通道的四周均布有54個螺紋孔，用螺栓進行預緊。

當紙機車速為200～300 m/min 時，冷凝水由于離心力及重力的共同作用，在烘缸底部逐步形成水環附著在烘缸壁上;當車速達300 m/min 以上時，冷凝水受到足夠大的離心力作用，在缸壁形成一個完整的水環，并隨烘缸一起旋轉，但轉速略低于缸速。即當通道的轉速為79～119 r/min 時，會產生冷凝水環。本課題設計通道的最大旋轉速度318r/min，用來模擬紙機車速800 m/min 的運行狀態。

當達到最大轉速318 r/min 時，通道受離心力而發生最大彎曲變形。前期工作結果顯示[19]，通道最大變形量0.4 mm，最大屈服強度31.03 MPa。根據通道的許用撓度y=l/750～l/500（l 為通道長度），得出通道最大允許變形量為2.2 mm;通道材料為鋁板，最大屈服強度為275 MPa，所以通道的最大變形量及最大屈服強度均滿足要求，該試驗裝置的結構強度滿足要求。

1.2 傳動系統計算

本實驗裝置通過調節變頻器來改變電機的轉速，從而研究不同轉速下矩形通道換熱系數的變化。具體計算如下所示[19]。

旋轉裝置的轉動慣量由旋轉圓盤、通道組件和支撐板3部分組成。根據理論力學公式[20]，支撐桿和通道組件的轉動慣量（J）由式（1）計算。

其中，m 為支撐板質量，kg; R 為回轉半徑，m。

本實驗裝置中支撐板的總質量約2.7 kg，通道組件總質量約21 kg，可計算得支撐桿的轉動慣量為J1=0.96 kg ·m2，通道組件的轉動慣量J2=6.72 kg ·m2。

根據理論力學公式[20]，旋轉裝置的總轉動慣量由式（2）計算。

旋轉圓盤總質量約25 kg，可得圓盤的轉動慣量J3=4 kg ·m2。因此，旋轉裝置的總轉動慣量為J=11.68 kg ·m2。

電機從0加速到318 r/min需要15 s，此時最大轉速的角加速度α=2.2 rad/s2，則圓盤加速過程中需要的力矩為25.7 N。滾動軸承的摩擦系數較小，可忽略摩擦力矩。圓盤從零加速到勻速運轉狀態所需的動能E 由式（3）計算。

式中，ω為圓盤的角速度。

計算得E=6359.76 J，則圓盤從靜止加速到最大速度所需功率為P=E/t=424 W。故電機所需要提供的功率P2=P+J4α1，其中J4是電機的等效轉動慣量，α1為電機的角加速度。綜上所述，本實驗裝置選擇型號 F1500Y22L3H 的精研變頻電機減速電機。

電機安裝在底座上，轉動時可以減少震動，增加其穩定性;傳動系統選擇皮帶或同步帶輪傳動。由于同步帶輪具有準確的傳動比、噪音小，可以實現準確控制轉盤的轉速，本實驗裝置的傳動系統選擇同步帶輪傳動，傳動比為1∶1，根據小帶輪的轉速和電機的功率，選擇同步齒形帶的型號為S8型[21]。

根據式（4）計算皮帶周長Lp '。

式中，C'表示暫定軸間距;Dp表示大帶輪節圓直徑;dp表示小帶輪節圓直徑。由計算得Lp'=1192.8 mm，選出最接近的皮帶周長Lp為1264 mm。

根據式（5）～式（6）計算實際軸間距。

計算可得，實際軸間距 C=520 mm。

同步齒形帶在運轉一段時間后，會由于永久變形而松弛，導致初拉力下降。為保證同步帶的傳動能力，需增加張緊機構。

1.3 傳感器的選擇與安裝

蒸汽及冷卻水通道內安裝熱電阻，分別用來檢測蒸汽側、通道壁面及冷卻劑側的溫度，采集的溫度數據用于后續計算烘缸的傳熱系數;差壓變送器安裝在蒸汽進出通道口處，用來檢測冷凝換熱過程中壓降變化;在旋轉過程中，應用高速攝像機拍攝通道內兩相流流型。熱電阻、差壓變送器與通道相對靜止，檢測到的數據由采集模塊無線傳輸至計算機中;高速攝像機則是通過旋轉軸觸發光電傳感器工作，從而觸發相機進行拍攝。整個試驗臺的數據采集工作原理如圖2所示。

本實驗系統選用PT100熱電阻測量通道內溫度的變化，熱電阻在通道內的排布方式如圖3所示，其中Tc，i用來檢測冷卻液的溫度，Tw，i用來檢測壁面的溫度，Ts，i用來檢測蒸汽的溫度。為防止熱電阻在旋轉過程中因離心力被甩出通道，使用帶耳朵的熱電阻經螺釘固定住，在入口處涂密封膠，在安裝前首先對熱電阻進行校準。

2 旋轉試驗臺性能測試

2.1 通道組件密封性實驗

多通道烘缸旋轉試驗臺如圖4所示。本試驗臺用于研究多通道烘缸在旋轉狀態下的冷凝傳熱效果。多通道烘缸的工作原理是蒸汽在通道內部冷凝換熱從而干燥濕紙幅，蒸汽通道的密封性能影響模擬干燥時蒸汽冷凝過程中壓降的變化及熱量的轉換，需保證通道組件在實驗過程中密封性能良好，防止蒸汽從通道中泄露，造成較大誤差。將壓縮空氣通入蒸汽及冷卻液通道中，切斷氣源將蒸汽通道出氣閥門關閉，參數如表 1所示。通過壓力變送器采集的數據來判斷蒸汽通道的密封性是否滿足要求。

蒸汽通道密封性實驗結果如圖5所示，當壓縮空氣壓力為0.1、0.2 MPa 時，30 min 內壓力幾乎保持不變，當壓力增至0.3 MPa 時，30 min 內壓力有輕微下降，壓力下降接近0.02 MPa;當壓力增至0.4 MPa 時，30 min 壓力下降接近0.05 MPa，但未超過0.05 MPa，蒸汽通道氣密性滿足實驗要求。

2.2 傳感器信息傳遞性能

溫度采集模塊、壓差采集模塊采集的數據通過路由器傳輸到計算機中。溫度及壓降的采集是在旋轉狀態下同時進行的，結果如圖6所示。結果表明，溫度及差壓變送器采集模塊在旋轉狀態下可同時采集溫度及壓差的數據信息，并將數據無線傳輸至計算機中，2組數據在傳輸過程中不會發生相互干涉。

2.3 高速圖像采集性能

旋轉軸上信號觸發光電傳感器工作，通過繼電器將拍攝信號傳遞至攝像機中。為保障拍攝系統光線充足，在圖像采集過程中放置冷光源，用于圖像補光，本攝像機的曝光時間為1.5μs～40 ms，在轉速為50～100 r/min 時，拍攝頻率為500 Hz。當轉速增大時，為拍攝到蒸汽冷凝狀態，可提高拍攝頻率。不同轉速下圖像采集結果如圖7所示。從圖7中可清晰觀察到，不同轉速下通道內兩相流流型的變化，所以本實驗系統可成功采集選擇狀態下通道內的流型圖。

3 結論

本課題設計并搭建了模擬旋轉狀態下多通道烘缸運行的試驗臺，并對試驗臺性能進行了測試。

3.1 在 0.1～0.4 MPa 壓力條件下，通道密封性能良好，滿足實驗要求。

3.2 在旋轉狀態下，熱電阻采集到蒸汽、壁面及冷卻液的溫度場數據和壓差變送器采集的壓力差數據，可同時由無線傳輸模塊將數據傳輸至計算機中，在采集及傳輸過程中，各信號之間不會發生干擾。

3.3 在旋轉狀態下，高速攝像機可清晰采集到通道內部蒸汽冷凝流型，可通過調節高速攝像機的頻率來實現不同轉速下冷凝流型的采集。

3.4 本試驗臺可用來模擬多通道烘缸的實際工作狀態，為進一步研究多通道烘缸提供實驗條件。試驗臺通過熱電阻檢測出來的數據可用于計算不同轉速下多通道烘缸內部矩形通道的換熱系數，研究多通道烘缸的傳熱效率，為多通道烘缸的設計及應用奠定了基礎。

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（責任編輯：楊苗秀）