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射流气罩优化设计的传热性能探讨

- ORCID：
师晋生
- ORCID：
吕洪玉
- ORCID：
卞学询

天津科技大学机械工程学院，天津，300222

中图分类号： TK124； TS73

最近更新：2021-04-22

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2021.04.008

摘要

本文从提供高效传热性能的角度，介绍了卫生纸机中采用圆形喷孔射流气罩的优化设计，给出了射流气罩对流换热的计算方法，分析特定工况算例的传热特性，讨论了实际工作中射流斜角对传热性能的影响，并给出了消除这种影响的斜孔设计方案。

关键词

卫生纸机; 射流气罩; 传热性能

卫生纸机的干燥部一般由压榨辊、扬克烘缸与气罩３部分组成，这３部分的设计结构共同决定纸机干燥部的工作状态并影响其能源效率。其中压榨辊和烘缸的设计制造已经日趋成熟，而气罩的形式和结构还有许多问题需要解决。目前纸机的设计焦点已经集中到节能方面^[

1-2]，要达到节能的目的，气罩的优化设计是其中重要的一环^{[参考文献 3-5}3-5]。

目前大量扬克烘缸的气罩是采用射流孔板向烘缸上的纸幅喷射高速高温气流，以对纸幅进行干燥操作。对这种气罩的设计要考虑两方面，一是按照目前的能源政策，首先需要将已有的燃气气罩改为蒸汽或热空气气罩，二是如何设计出高效的蒸汽或空气气罩，充分发挥热能的作用，这就要求气罩的射流系统能在纸幅上产生高效的传热性能。本文对采用圆形喷孔的射流气罩优化结构进行介绍，分析特定工况算例的传热特性，并对倾斜射流提出改进措施，旨为射流气罩的设计提供参考。

1 射流孔板的结构

1.1　射流工作过程

纸机上纸张的干燥是湿纸幅所含水分的蒸发过程，其内部机理复杂，蒸发的快慢涉及很多因素^[

6-7]，湿纸幅的干燥速率是制约纸机生产能力的一个关键因素。在烘缸外表面，从气罩上高速喷射出高温气流对纸幅的外侧进行射流加热，是提高纸幅干燥速率的一个有效手段。射流气罩就是在气罩的底板上加工出多个圆形小孔，或者是在气罩底板上开出相互等距平行的多条小槽缝。在烘缸的干燥过程中，高速高温气流喷射到纸幅外表面，把热量传递给湿纸幅，同时，烘缸内部由蒸汽冷凝放出的热量也传到纸幅的内表面，内外表面传来的热量使纸幅温度升高，在外表面释放出水蒸气被射流气体带走。

在恒速干燥阶段，纸幅温度不变，射流传给纸幅的热量和烘缸内部传来的热量完全用于纸幅水分的蒸发，在纸幅进入和离开气罩的阶段，纸幅里边蒸发出的水分较少，射流传给纸幅的热量主要用于纸幅温度的升高。在干燥的恒温恒速阶段，传热和传质的能量达到平衡，只考虑传热速率就可以确定干燥速率。射流的传热效果与其流场密切相关，流场的好坏又主要取决于气体喷射的速度以及喷孔孔径、喷孔布局、喷孔之间的距离、喷孔与纸幅的距离等。因此，用于喷射气体的射流孔板的结构设计是关键，目前不同的造纸设备厂对于气罩射流板有着不同的设计。

1.2　喷孔的几何设计

图1为在烘缸外侧圆周设有射流孔板的示意图，可以看出一系列的长方形矩形盒子沿烘缸外表面均匀等距排列，形成一个包角>270^o以上的圆弧，矩形方盒长度与烘缸轴线平行，方盒底面即为射流孔板，孔板板面与烘缸缸面等距平行，盒子与盒子之间沿烘缸周向留有间隙以供射流气体排出。每一个喷孔的射流均在与自己正对的烘缸表面上的一小块圆形区域内达到最高传热效率，从这片区域向外，传热效率迅速降低。射流孔板上喷孔的布置就是要尽力使孔与孔之间的这片高传热区相互接近，同时又要使从喷射目标板面上离开的射流气体尽量没有障碍地离开流场。

图1 烘缸外侧射流气罩布置

Fig. 1 Jet hood displayed around dryer

图2展示出了射流孔板上喷孔的一种等间距分布及其气体回流的缝隙，喷孔的等间距分布大多形成等边三角形，该结构因其传热性能较好而受到推崇。

图2 射流孔板及板间回流间隙

Fig. 2 Perforated plate and exhaust return duct

目前对各种形式的喷孔喷射出气体或液体对目标表面进行加热或冷却已经有了大量的研究^[

8-10]，很多研究工作者对射流的这种热质传递进行了广泛探索^{[参考文献 11-13}11-13]，研究了射流速度、喷孔尺寸、温度、射流角度、喷射面的形状及运动等因素对传热传质的影响，提出了各种具体实验条件下的传热关联式^{[参考文献 14-15}14-15]，其中德国人Martin^{[参考文献 15

百度学术}15]的综合性报告是迄今为止关于射流热质传递最为系统全面的，有一定的权威性。它提出了多孔射流情况下传热传质系数的实验关联式，并提出了圆形喷孔与槽缝喷孔的孔板优化设计的条件，其优化目标是在一定的泵功条件下通过调整射流喷孔孔径、孔间距及与目标表面的距离以获得最大传热系数。对于圆形喷孔，要求孔板上的喷孔相互间等距排列，形成等边三角形或正方形分布，等边三角形分布也可认为是正六边形分布。喷孔在射流孔板上的排布采用正方形或正六边形分布，使得每个喷孔的射流状态相同，步调一致，有利于充分发挥每个喷孔射流的作用。Martin的观点虽然只是针对静止表面，温度也局限在100℃以下，但其适用性很广，在造纸工业得到广泛采用。然而，迄今还很少有文献论及这种优化射流的具体传热性能，这对工业实际应用的深化无疑是一个障碍，以下对Martin关于喷孔射流优化设计的方法做一概括。

1.2.1　Martin关于射流孔板的优化设计要点^[

15]

（1）首先选定喷嘴到喷射目标也就是到烘缸外表面之间的距离，间距（H）太大会使传热系数下降，间距太小又会导致断纸堵塞，因此根据实际，一般选择H=18~20 mm。

（2）当选定间距H以后，喷孔孔径及等距排列的各孔的孔间距选择如下：

孔径 S_opt = 0.2H

孔间距 L_opt = 1.4H

这种规定对圆孔喷嘴和槽缝喷嘴均适用，当喷孔为圆孔时，S即为孔径D；当喷孔为槽缝时，S表示2倍的槽缝宽度B，即S=2B，孔间距指相邻喷孔的孔中心之间的距离。

分别以f_r和f_s表示圆形喷孔和槽缝喷孔的开孔率，其计算见式(1)和式(2)。

f_{r} = \frac{π}{2 \sqrt[]{3}} {(\frac{D}{L_{o p t}})}^{2}

（1）

f_{s} = \frac{B}{L_{o p t}}

（2）

（3）平均传热系数的近似计算公式

在以上优化尺寸的条件下，烘缸外表面上射流的平均传热系数可由式(3)求得。

\frac{\bar{α} H}{λ} P r^{- 0.42} = 0.16 {(\frac{V_{a} H}{ν})}^{0.667}

（3）

式中， $\bar{α}$ 表示平均对流传热系数，W/(m²·K)；λ表示射流气体导热系数，W/(m·K)；Pr表示普朗特数，ν /a；V_a表示气流对烘缸表面的实际速度，m/s；ν表示气流的运动黏度，m²/s；a表示气体热扩散系数，m²/s。

将式(3)改写为无量纲形式见式(4)。

N u = 0.16 R e^{0.667} P r^{0.42}

（4）

式中，Nu表示努谢尔特数， $\bar{α} H / λ$ ；Re表示雷诺数，V_aH/ν。

由此可得射流气体与纸幅之间的平均传热系数见式(5)。

\bar{α} = \frac{λ}{H} 0.16 R e^{0.667} P r^{0.42}

（5）

1.2.2　湿纸幅单位面积上的传热特性

在湿纸幅单位面积上的传热速率和干燥速率计算分别为式(6)和式(7)。

q = \bar{α} (T_{i} - T_{s})

（6）

R = \frac{r}{q}

（7）

式中，q表示单位面积纸幅上单位时间得到的热量，W/m²；T_i表示射流气体的温度，℃；T_s表示纸幅的温度，℃；R表示单位面积上的干燥速率，kg/(m²·s)；r表示水在工作温度下的气化潜热，J/kg。

射流质量流量和射流耗功的计算分别为式(8)和式(9)。

\dot{m} = ρ f V a

（8）

N = f V a Δ P

（9）

式中， $\dot{m}$ 表示单位时间单位面积纸幅上的射流质量流量，kg/(m²·s)；N表示单位面积纸幅上射流消耗的机械功率，kW/m²；ρ表示射流气体的密度，kg/m³；f表示射流孔板开孔率无量纲量；ΔP表示射流孔板内外的压差，Pa。

综上，当一个扬克烘缸和射流气罩以及工作状况都已确定后，射流与纸幅之间的传热系数就可由上述方法求出。

1.3　平均传热系数算例

1.3.1　问题

假定烘缸线速度为2000 m/min，即33.333 m/s，气罩上的喷射气流为160℃的干空气，喷射速度选为烘缸线速度的4倍，即V_a=133.33 m/s，喷射区纸幅平均温度取90℃。在此条件下，设计最佳的射流喷孔几何结构，并确定其传热特性。

1.3.2　几何设计

射流孔板选用圆形喷孔正三角形分布，按照前述优化关系，先选定H=20 mm，然后由H/D=4，L/H=1.4，可得喷孔孔径及喷孔之间的距离分别为D=4 mm, L=28 mm，射流孔板的开孔率由式(1)计算得到f_r =0.0185。

1.3.3　平均对流传热系数

首先按射流气体的定性温度由物性表查取其有关热物性：ν=30.09×10^-6 m²/s，λ=0.0364 W/(m·K)，Pr=0.682。

由式(5)计算得到： $\bar{α}$ =492.8 W/（m²·K）。

1.3.4　单位面积上的传热特性

（1）传热速率

由式(6)计算得到：q=34.4 kW/m²。

（2）干燥速率

由式(7)得到：R=0.0148 kg/（m²·s）。

（3）射流质量流量

由式(8)计算得到： $\dot{m} = 2.467 k g / (m^{2} s)$ 。

（4）射流耗功

由式(9)计算得到：N=24.6 （kW·m²）。

由此可知，在高速高温气流的喷射加热条件下，传热系数较大，传热效率和干燥效率也均会比较高。表1列出了在其他条件保持不变，射流速度取烘缸线速度2、3、4、5倍时的特性数据。从表１可以看出，随着射流速度的提高，传热速率及干燥速率明显提高，同时射流质量流量也同步增大，而射流耗功量增大得更快。

表1 单位面积上的传热特性

Table 1 Heat transfer characteristics of unit sheet surface

射流速度/m·s^-1	传热系数/W·(m²·K)^-1	传热速率/kW·m^-2	干燥速率/kg·(m²·s)^-1	射流质量流量/kg·(m²·s)^-1	射流耗功/kW·m^-2
66.6	310.2	21.6	0.0093	1.232	3.1
99.9	406.5	28.3	0.0122	1.848	10.7
133.3	492.8	34.4	0.0148	2.467	24.6
166.6	571.8	39.9	0.0171	3.083	49.3

1.4　平均传热系数的修正

当射流孔板的喷孔孔径、喷孔之间的排布和喷孔与烘缸缸面距离的关系不符合前边的优化要求时，传热系数达不到优化的结果，此时须按实际的H/D和L/H按文献[

15]中图33查取修正系数c，对优化结果加以修正，如式(10)所示。

α_实际 = c

\bar{α}

（10）

式中，c为小于1的系数。

平均射流传热系数是烘缸设计计算中热应力计算的必要边界条件，因此在烘缸设计之前，首先应确定气罩的传热设计，为烘缸提供边界条件；过去一些设计研究工作由于未能提供正确的传热边界条件而导致了错误结论。

2 射流角度的修正

以上对烘缸上射流对纸幅的加热估算均是把烘缸表面当作静止不动来处理的，目前比较成熟的射流热质传递的研究也均是针对这种情况。在烘缸低速运动时采用这样的方法不会产生大的误差。但随着高速纸机的日益普及，流体喷射在运动物体和静止物体上的差别逐渐增大，需给予认真对待。

圆孔射流传热的优化做法，是在各小孔等径等距排布的情况下，射流气体能垂直喷射在物体表面上，才会在物体表面被直接射中的一小片区域产生高效的传热传质效果，离开这小片直接射中的区域后，传热传质效果迅速降低，当射流不是垂直射中物体表面时，传热效果也发生衰减，越不垂直，衰减越大。垂直于烘缸表面的射流，喷射到运动的烘缸表面，射流与烘缸表面的实际接触就不是垂直关系，而是形成一个斜角，在气罩的设计中，可以将喷孔向反方向倾斜一个角度而减小或消除这种斜角。射流与运动物体表面的接触角与各自速度之间的关系如图3所示。

图3 射流气体运动合成

Fig. 3 Synthetic movement of jet gas

2.1　射流斜角

图3(a)表示射流气体垂直射向下面的烘缸表面，烘缸表面向右运动。对于烘缸表面而言，相当于气流在向下垂直射来的同时，还在以烘缸的速度反向运动，相对于烘缸表面而言，气流作用在它上面时的实际运动速度为射流与烘缸速度的叠加，如图3(b)所示。射流对于烘缸的真实速度如式（11）所示。

\overset{⃑}{V}

_a1 =

\overset{⃑}{V}

_e1 +

\overset{⃑}{V}

_r1

（11）

式中，V_a1表示喷射气流相对于烘缸表面的合成速度，m/s; V_e1表示烘缸运动速度，m/s；V_r1表示喷射气流从喷口喷出时的速度，m/s。速度和偏斜角度分别为式(12)、式(13)所示。

V_{a 1} = \sqrt[]{V_{r 1}^{2} + V_{e 1}^{2}}

（12）

α_{1} = a r c t a n \frac{V_{e 1}}{V_{r 1}}

（13）

式中，α₁表示倾斜角，(°)。

高速热气流喷射在旋转的烘缸上形成实际的斜射流，落在壁面上的速度有所增大，方向有所倾斜。速度增大有利于传热，产生斜角则不利于传热，研究表明，当图3(b)的夹角α₁= 75°时，其传热系数将下降为垂直射流时的43%。所以，为尽力提高传热系数，喷射流体应该尽量与被喷射面形成垂直关系。当因条件所限，不得不形成斜射流时，射流的倾斜度也要尽量小。

2.2　斜角的修正

在气罩射流孔板的几何设计中，除了采纳Martin的相关建议外，还应该考虑将射流孔板上的喷孔倾斜一个角度，如图4所示。带斜角的喷孔喷出的气流斜射在运动的烘缸壁面上，对于烘缸而言，相当于气流以一个叠加后的速度垂直射在表面上，此速度为式(14)。

\overset{⃑}{V}

_a2 =

\overset{⃑}{V}

_e2 +

\overset{⃑}{V}

_r2

（14）

式中，V_e2表示烘缸运动速度，m/s；V_a2表示气体喷射速度，m/s，箭头仍表示作用在烘缸表面上的气流的实际速度，为气流喷出速度与烘缸速度的矢量和。其大小及与喷孔轴线的夹角分别为式(15)和式(16)所示。

V_{a 2} = \sqrt[]{V_{r 2}^{2} - V_{e 2}^{2}}

（15）

α_{2} = a r c s i n \frac{V_{e 2}}{V_{a 2}}

（16）

式中，α₂表示喷孔的倾斜角度，(°)。

图4 射流孔板改进设计

Fig. 4 Modified impingement perforated plate

由此可知，射流孔板上的喷孔设计成倾斜一个角度后，射流作用在烘缸上的速度有所降低，但射到烘缸上的接触角可以变成垂直，传热效率可以得到提高。这样在设计射流孔板时，喷孔直径、喷孔等间距排列、孔板与烘缸距离要尽量按Martin的优化建议外，圆形喷孔的轴线与孔板表面的法线要倾斜α₂角度，倾斜方向朝向烘缸的旋转方向。

一些研究结果将射流气体速度与烘缸线速度联系起来，规定前者为后者的4倍，即式（17）。

V_r ≥ 4 V_e

（17）

由此，射流喷孔不用设计斜角，工作中射流与烘缸形成的实际射流角度即前边的α₁，如式（18）所示。

α_{1} \leq a r c t a n \frac{1}{4} = 14 . 03^{o}

（18）

当卫生纸机的车速很快时，要求的风速也很大，例如当车速为 2000 m/min时，其风速要大于8000 m/min，即133 m/s，此时风机耗功量太大。为此，射流孔板的几何设计需要综合考虑，调整各项参数，找到风速、干燥效率与能耗的最佳点。

3 结　语

本文从提供高效传热性能的角度，介绍了卫生纸机中采用圆形喷孔射流气罩的优化设计，给出了射流气罩对流换热的计算方法，通过几个算例对特定工况的传热特性做了初步分析，为烘缸的传热分析及热应力计算提供边界条件，讨论了实际工作中射流斜角对传热的影响，给出了消除这种影响的斜孔设计方案。

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射流气罩优化设计的传热性能探讨

摘要

关键词

1 射流孔板的结构

1.1 射流工作过程

1.2 喷孔的几何设计

1.3 平均传热系数算例

1.4 平均传热系数的修正