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無回流布漿器可以簡化流程并節省能耗
中國紙業網造紙廠設備:2019-9-3 0:47:21 造紙機械|衛生紙機|銅版紙|瓦楞紙|流漿箱
  流漿箱多采用方錐管布漿器,由進漿總管、布漿阻流元件及回流裝置組成。其回流量一般在10%左右,這樣就會使上漿泵的功率消耗增加。同時常用的布漿阻流元件有支管、孔板、階梯擴散管等,而現在普遍使用的支管或孔板,是不能夠調節的,不能調節局部漿流流量。專利提出了一種可以在線旋轉調節的阻流棒作為阻流元件的錐形布漿器,本文針對該可調節多縫型布漿器的在線橫幅調節性能進行了仿真研究。該布漿器小端不設置回流,可以節約上漿系統的功率消耗約10%,同時還可通過旋轉阻流棒的角度,實現橫幅布漿均勻性的局部調節,從而達到橫幅定量精確控制。

1 多縫型錐管布漿器內數值模擬

本研究采用ANSYS-FLUENT對布漿器內流體進行數值模擬,以研究阻流棒的角度對漿流均勻分布的影響以及對布漿器結構進行優化。

此次設計在計算中用到的主要方程有:質量守恒方程、N-S方程,湍流模型選用標準的k-ε模型,邊界條件,入口采用質量流量入口邊界條件,各縫出口采用壓力出口邊界條件,近壁區采用標準壁面函數進行處理。


1.1 模擬參數的確定與建模

本次模擬以擬建設的流漿箱實驗裝置為基礎,流漿箱的唇口寬度L=1800mm,唇口噴漿速為600m/min噴漿量為120kg/s。錐形總管入口端漿流流速為2m/s,取消回流端;按照常規布漿器的設計計算,確定該布漿器寬度B為200mm,計算得入口高度H0為300mm。

考慮到將來需要加設稀釋水控制裝置,將縫間距初步確定為57mm,共需32排縫,排成一列。根據文獻,支管內漿流速度與總管內漿流速度比應大于2.5,將多縫內漿流速度與總管內漿流速度的加速比取為3。為了保證多縫內漿流不發生堵塞,同時考慮到加速比,初步將縫寬確定為12mm,計算得縫高為50mm,為了防止多縫出口處發生大的橫向流動和渦旋,在縫的下游增加一段擴散管。


按照Baines公式采用多段折線法取n=10。錐形總管截面的設計值如表1所示。我們把布漿多縫沿進漿總管的進漿方向依次命名為outlet1,outlet2,outlet3,…,outlet32。


纖維懸浮液是一種由水、纖維以及少量氣體組成的三相共存的復雜流體。為了減輕計算機的運行負荷且鑒于本次試驗進入錐管的漿料濃度一般在1%左右,其主要成分為水和纖維,一般把纖維懸浮液看做是纖維和水組成的兩相流體,把根據紙漿特性新建的流體和水混合后的兩相流作為模擬紙漿,其主要物理參數為:水的密度為997kg/m3、黏度為0.0008899kg/(m·s),根據紙漿特性新建的流體密度為980kg/m3、黏度為0.000897 kg/(m·s)。所建多縫型錐管布漿器模型如圖1所示。                   

                    
                                    圖1 多縫型錐管布漿器結構

2 數值模擬結果與分析

2.1后壁優化前出口流量的數值模模擬

可以得出流量誤差范圍為-52.80%~6.10%,尤其在小端誤差太大,需要進行總管末端后壁形狀優化。

2.2小端優化后出口流量的數值模擬

由圖2可知從20排以后各縫流量與平均值3.75kg/s的偏差較大,尤其在小端,流量急劇減小,這可能是靜壓頭減小導致。因此有必要對總管后壁形狀尤其是小端處進行圓弧處理,這樣不僅能使靜壓頭有所恢復,還能有效防止小端漿料堆積,形成腐漿]。

在距離小端5mm、7.5mm、10mm、12.5mm、15mm處進行圓弧處理,其模型示意圖如圖2、圖3所示。

                         

                            圖2后壁優化后模型結構圖

             

                                  圖3小端局部放大圖

總管末端進行圓弧處理后,布漿均勻性得到顯著改善,同時可以通過優化總管后壁尺寸,以進一步降低誤差。

2.3后壁優化后出口流量的數值模擬

在圖2模型的基礎上,(小端圓弧半徑為11.2mm)進行后壁尺寸優化。縫的流量從大端到小端逐漸增加,所以總管內壓力也是沿流動方向逐漸增大,因此可以對總管后壁的后半段尺寸適當減小,使靜壓頭得到適當降低,從而保持總管內壓力盡量一致。經過不斷試驗,得到五種結果,從中可以看出誤差最小為2.11%,相對優化前的2.88%有了不小的降低。圖4為后壁優化后模型。

              

                                           圖4后壁優化后模型


3 阻流棒旋轉對縫隙流量的影響

3.1阻流棒旋轉對縫流量的影響規律

 以第1#、7#、13#、22#、31#阻流棒分別向左右各旋轉6度,將使兩側縫的流量都減小。為了得到旋轉調節后兩側流量變化的規律,現用二次曲線擬合的方法對1#、2#、7#、8#、13#、14#、22#、23#、31#、32#縫的流量進行擬合,最終得到一條擬合后的二次曲線,其流量表達式為:

              y=-0.0841x2+0.0027x+3.725                     


式中:y—多縫流量 x—阻流棒角度

此阻流棒的流量特性為拋物線特性。                                               

3.2阻流棒旋轉對橫幅布漿均勻性的影響

    按照上面得到的流量變化規律對優化后的模型進行阻流棒旋轉調節,以進一步縮小布漿流量誤差。由阻流棒旋轉對縫兩側流量變化的影響規律可知,任一阻流棒的旋轉將使相鄰兩側縫的流量都減小,同時會使相鄰兩側縫的鄰近兩側縫的流量有所增加,因此在進行局部流量調節時,要先根據實際需要確定出一個流量誤差范圍,并依據此調節規律同時結合二次曲線表達式,調節那些流量值超過誤差上限的流量,每次阻流棒的調節幅度要根據實際的流量變化情況,結合二次曲線表達式計算得到。為了減少調節次數,由二次曲線的對稱性可知,每次調節可以向同一個方向調節,如此反復幾次調節就可以將流量誤差控制在要求的范圍內。本次調節方法是每次選擇5個流量高點對應的阻流棒,按照式1計算各阻流棒的調節角度,模擬分析調節后的橫幅誤差,在此基礎上用同樣的方法再進行第二次調節,直至調節到滿足流量誤差范圍之內。

   三次調節后縫流量對比可以看出經過三次調節不同阻流棒的角度,最終將流量誤差由2.11%減小到1.46%,這樣的誤差可以滿足一般紙機對布漿器的要求。還可以進一步調節使流量誤差進一步縮小,以滿足更高的橫幅定量誤差要求。這一結果充分顯示了多縫型布漿器具有優越的橫幅調節性能。

4 進漿總管流量對布漿均勻性的影響

在實際生產中,上漿流量往往與設計計算值不同,同時也會因其它工藝參數的變化而變化,所以有必要研究縫形錐管布漿器對于上漿量變化的適應性。

通過改變總管進漿流量,在上述流量誤差1.46%所對應模型的基礎上,分別將速度降低為1.5m/s、1.75m/s和提高到2.25m/s、2.5m/s來研究流量分布的變化情況。                      

通過上面試驗表明,可調節多縫型布漿器對于進漿量發生變化時引起的橫幅誤差的調節性能也非常有效。其中最小誤差是在速度設為2m/s時所達到的1.46%,其余各速度下的流量誤差都未超過1.9%,并且速度改變越小,流量誤差也越小。還可以進一步調節使流量誤差進一步縮小,以滿足更高的橫幅定量誤差要求,這一結果充分顯示了無回流多縫型布漿器具有優越的橫幅調節性能。

5 結論與展望

 ⑴總管后壁優化后,小端圓弧半徑為11.2mm時,橫幅布漿均勻性最好,其流量誤差為2.11%,并有效防止漿料堆積。

 ⑵通過旋轉阻流棒的角度,就可以改變各布漿支流的橫截面積,從而改變各布漿支流的流量,以實現橫幅布漿均勻性的局部調節,并且阻流棒調節的流量特性為拋物線特性。

 ⑶改變進漿流量,最小誤差在速度為2m/s時所達到的1.46%,其余各速度下的流量誤差都未超過1.9%,并且速度改變越小,流量誤差也越小。

多縫型布漿器從結構原理上可以實現在線調節縫寬,以進一步減小布漿流量分布誤差,并減小或取消回流量。

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