造纸多通道烘缸流体流动与传热特性研究

造纸多通道烘缸流体流动与传热特性研究

论文摘要

在传统的蒸汽烘缸干燥纸张的过程中,蒸汽在烘缸内会冷凝形成水环,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,它在很大程度上降低了烘缸传热系数。烘缸在高速旋转时,常用的烘缸冷凝水排除装置不能有效的排除冷凝水。本文研究的新型多通道烘缸将有效的解决传统烘缸积水问题。新型多通道烘缸结构的设计理念是:在烘缸内壁上开有通道,通入烘缸内的蒸汽被限制在小通道中流过,冷凝水在高压蒸汽的推动下从通道流出,故在烘缸内部没有积水。多通道烘缸作为一种新型的造纸用节能烘缸,其通道内部的流动及传热特性研究是指导多通道烘缸设计的基础.本文通过理论分析与数值模拟相结合的研究方法,建立多通道烘缸通道内流体流动与通道内冷凝换热的数学模型及数值模拟所需要的计算流体动力学模型,对多通道内流体流动流型、压力降及通道壁面的传热进行了数值模拟,通过理论分析及数值模拟,对多通道烘缸的结构进行优化设计。本研究的主要研究成果及主要贡献表现在如下几个方面:(1)建立了多通道烘缸通道内流体流动的数学模型。多通道内蒸汽流动为气液两相流动,其流动数学模型根据流型的不同可以分为均相流动模型和分相流动模型。(2)建立了多通道烘缸通道内蒸汽冷凝换热的数学模型。模型根据无量纲数——流型准则数来判断通道内流体流动过程中是剪力控制还是重力控制,进而建立了通道内液膜传热系数及气相传热系数公式,同时模型对通道内流体流动过程中的压力降的计算方法做了阐述。(3)对比分析采用数值模拟软件FLUENT中的两相流VOF模型,对多通道烘缸通道内流体流动进行了数值模拟,模拟结果显示多通道烘缸通道内流型基本与经典流型图Mandhane流型图中的数据保持一致,同时对通道内压力降的分析得出当通道内流型为环状流或环雾状流时压力降达到最小,有利于烘缸传热。对新型多通道烘缸传热过程进行分析,结果发现多通道烘缸单端进蒸汽对于通道的传热过程而言,有可能出现温度不均匀的现象。对比前人实验发现,多通道烘缸具有比传统烘缸高的传热系数,证明多通道烘缸是一种节能型烘缸。(4)通过对多通道烘缸通道内流体流动与传热的数值模拟,设计了新型双端进气多通道烘缸,并应用FLUENT软件对双端进气多通道烘缸传热进行模拟分析,模拟结果显示双端进气多通道烘缸对改善烘缸表面温度的均匀性有较好的作用。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 1 绪论
  • 1.1 课题研究背景
  • 1.2 蒸汽烘缸干燥技术
  • 1.2.1 新型纸张干燥技术发展现状
  • 1.2.2 多通道烘缸干燥新技术理论
  • 1.3 多通道烘缸国内外研究现状
  • 1.3.1 多通道烘缸国外研究现状
  • 1.3.2 多通道烘缸国内研究现状
  • 1.3.3 通道内流动与换热研究现状
  • 1.4 课题的主要研究内容
  • 2 多通道烘缸通道内流体流动特性研究
  • 2.1 通道内气液两相流模型理论解
  • 2.1.1 通道内气液两相流的基本参数
  • 2.1.2 气液两相流流型图
  • 2.2 多通道烘缸通道内气液两相流的基本模型
  • 2.2.1 均相流动的守恒方程式
  • 2.2.2 分相模型的守恒方程式
  • 2.3 本章小结
  • 3 多通道烘缸通道内蒸汽冷凝换热模型理论分析
  • 3.1 通道内冷凝液膜传热系数
  • 3.1.1 当通道内流动为剪力控制时传热分析
  • 3.1.2 当通道内流动为重力控制时传热分析
  • 3.1.3 冷凝液膜传热系数的确定
  • 3.2 烘缸通道内气相传热系数
  • 3.3 通道内冷凝压力降
  • 3.3.1 摩擦损失压力降
  • 3.3.2 动能损失压力降
  • 3.3.3 位能损失及进通道进出口压力降
  • 3.4 本章小结
  • 4 多通道烘缸通道内流体流动与传热数值模拟
  • 4.1 FLUENT 中气液两相流模型
  • 4.2 多通道烘缸的数值计算模型及原理
  • 4.3 通道内流动流型的数值模拟
  • 4.3.1 液相折算流速对流型的影响
  • 4.3.2 气相折算流速对流型的影响
  • 4.3.3 通道内的不同流型与通道压力降的关系
  • 4.4 通道壁的传热数值模拟分析
  • 4.4.1 单通道壁面传热模拟与分析
  • 4.4.2 节能型多通道烘缸与传统烘缸的能耗分析
  • 4.5 本章小结
  • 5 多通道烘缸流动与传热特性优化结构设计
  • 5.1 双端进气多通道烘缸结构优化设计
  • 5.1.1 多通道烘缸通道结构设计
  • 5.1.2 多通道烘缸排水装置设计
  • 5.2 双端进气多通道烘缸传热数值模拟及分析[51]
  • 5.2.1 双端进气多通道烘缸模型的建立
  • 5.2.2 数值模拟结果及分析
  • 5.3 本章小结
  • 6 结论与展望
  • 6.1 全文总结
  • 6.2 未来工作展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 攻读学位期间发表的学术论文目录
  • 相关论文文献

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