基于响应面分析法的多通道烘缸换热性能分析与参数优化.pdf
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1、第 卷第期陕西科技大学学报V o l N o 年 月J o u r n a l o fS h a a n x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y D e c 文章编号:X()基于响应面分析法的多通道烘缸换热性能分析与参数优化董继先,郭浩增,王莎,乔丽洁,王博,刘欢(陕西科技大学 机电工程学院,陕西 西安 ;西安航空职业技术学院 自动化工程学院,陕西 西安 ;陕西科技大学 材料科学与工程学院,陕西 西安 )摘要:本研究基于响应面分析法,对多通道烘缸的换热性能与转速和蒸汽质量流速的关系进行了分析,并进行了参数优化结果表明
2、,在低蒸汽质量流速下,转速对于换热效果的提升并不明显,而高质量流速下,转速对于换热性能的影响是高于质量流速的当转速较低时,换热性能在蒸汽气相雷诺数为 左右时达到最大;而在高转速条件下,蒸汽质量流速的提高对换热性能的提升十分显著为获取最佳换热效果,根据响应面方程可知:对于质量流速与转速均可在实验区间内调整的情况下,两参数在都达到实验区间最大值时,换热性能最好;当转速一定时,质量流速应至少保证气相雷诺数R eg不小于 ;当质量流速不能保证R eg大于 时,转速应当降至较低水平,反之则维持R eg的取值满足对应的线性关系;当蒸汽质量流速一定时,若质量流速对应的R eg小于 ,保持区间内最低转速可以获
3、得最佳换热效果,反之保持区间内最高转速关键词:多通道烘缸;响应面分析;换热性能;参数优化中图分类号:T S 文献标志码:AH e a t t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i sa n dp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o no fm u l t i c h a n n e l c y l i n d e rd r y e rb a s e do nr e s p o n s e s u r f a c ea n a l y s i sD ONGJ i x i a n,
4、GUO H a o z e n g,WANGS h a,Q I AOL i j i e,WANGB o,L I U H u a n(C o l l e g eo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,S h a a n x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y,X i a n ,C h i n a;S c h o o l o fA u t o m a t i o nE n g i n e e r i n g,X i a nA
5、e r o n a u t i c a l P o l y t e c h n i c I n s t i t u t e,X i a n ,C h i n a;S c h o o lo fM a t e r i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,S h a a n x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y,X i a n ,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e do nr e s p o n s e s u r f a c ea n a
6、 l y s i sm e t h o d,t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eh e a t t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e r o t a t i n gs p e e da n ds t e a mm a s s f l o wr a t eo f t h em u l t i c h a n n e l c y l i n d e rd r y e rw a sa n a l y z e d,a n dt h ep a r a m e t e r
7、sw e r eo p t i m i z e d T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ee f f e c to f r o t a t i n gs p e e do nh e a t t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c s i sn o to b v i o u sa t l o ws t e a mm a s s f l o wr a t e,b u t t h ee f f e c to fr o t a t i n gs p e e do nh e a tt r a n s f e rc h
8、a r a c t e r i s t i c si sh i g h e rt h a nt h a ta th i g hs t e a m m a s s f l o wr a t e Wh e nt h er o t a t i n gs p e e d i s l o w,t h eh e a t t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c sr e a c ht h em a x i m u mv a l u e,a tt h eg a s p h a s eR e y n o l d sn u m b e r i n Wh e nt h
9、er o t a t i n gs p e e d收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目();陕西省科技厅技术创新引导项目(H J C G );陕西省科技厅重点研发计划项目(G Y )作者简介:董继先(),男,陕西礼泉人,教授,博士生导师,研究方向:轻工装备设计及应用陕西科技大学学报第 卷b r e a k s t h r o u g hac e r t a i nv a l u e,t h ei m p r o v e m e n to fs t e a m m a s sf l o wr a t eh a sa no b v i o u se f f e c to nt h ei m p
10、 r o v e m e n to fh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s I no r d e rt oo b t a i nt h eb e s th e a tt r a n s f e re f f e c t,a c c o r d i n gt ot h er e s p o n s es u r f a c ee q u a t i o n,i tc a nb es e e nt h a t:F o rt h em a s sf l o wr a t ea n dr o t a t i o n a l s p e
11、e dc a nb ea d j u s t e dw i t h i nt h ee x p e r i m e n t a l i n t e r v a l,t h et w op a r a m e t e r s i nb o t h t o r e a c h t h em a x i m u mv a l u eo f t h e e x p e r i m e n t a l i n t e r v a l,t h eh e a t t r a n s f e r i sb e s t;Wh e nt h er o t a t i o n a l s p e e d i sc
12、e r t a i n,t h em a s s f l o wr a t es h o u l db ee n s u r e dt h a t t h eg a sp h a s eR e y n o l d sn u m b e rR egi sa t l e a s tn o t l e s s t h a n ;w h e nt h em a s s f l o wr a t ec a n n o tb ee n s u r e dt h a t t h eR egi sg r e a t e r t h a n ,t h e r o t a t i o n a l s p e e
13、ds h o u l db e r e d u c e dt oa l o w e r l e v e l,a n dc o n v e r s e l y,m a i n t a i n i n g t h ev a l u eo fR egt os a t i s f y t h e c o r r e s p o n d i n g l i n e a r r e l a t i o n s h i p;Wh e nt h es t e a m m a s s f l o wr a t e i sc e r t a i n,i f t h em a s s f l o wr a t ec
14、 o r r e s p o n d i n gt oR egi s l e s st h a n ,m a i n t a i n i n gt h el o w e s ts p e e di nt h e i n t e r v a lw i l lg i v et h eb e s th e a t t r a n s f e r,a n dc o n v e r s e l y,m a i n t a i n i n gt h eh i g h e s t s p e e d i nt h e i n t e r v a l K e yw o r d s:m u l t i c h
15、a n n e l c y l i n d e rd r y e r;r e s p o n s e s u r f a c e a n a l y s i s;h e a t t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c s;p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n引言烘缸是造纸工业中重要的设备之一,对于提高烘缸的换热效率这一问题,提升烘缸内部的冷凝水排放是一个重要的解决方案,为此,多通道烘缸这一烘缸结构被提出,并于后续的研究中进行了优化,具体结构如图所示,其目的在于利用蒸汽压力排出烘缸内部的大部分冷凝水,
16、并在后续的研究中,多通道烘缸在换热性能提升的优势得到了证实图多通道烘缸结构示意图对于多通道烘缸的研究方面,由于烘缸实际工作的状态为绕水平轴线转动,研究难度相对较大,因此部分学者首先基于静止状态下烘缸进行了实验研究 Y a nY等对静止状态下多通道烘缸矩形水平流道的流形进行了研究,得出在未转动的条件下,低质量流速出现塞状流、波状流等流形,而高质量流速下则是环状流和波状流为主而没有出现塞状流,其流型与已有的流型图基本一致,并得出了与实验吻合较好的已有的换热和压降关联式;随后又对不同的通道结构参数对烘缸换热特性的影响进行了研究,得出多通道烘缸的建议通道数量为 ,横截面长宽比为,间距比为时,烘缸的整体
17、换热性能最佳乔丽洁等,则对静止状态下多通道烘缸流道冷却参数对换热性能的影响进行了研究,得出蒸汽质量流速增大或用于模拟湿纸幅的冷却水质量流量增大时,烘缸的整体的换热系数都会提升,但随着冷却水质量流量的增大,换热系数出现了波动,因此增大蒸汽质量流速是实现换热效果提升的较好方案;后续又对通道内的压降情况分别用分相流和均相流模型予以研究,结果表明均相流模型不适用于通道内压降的计算,并筛选出了相对较好的压降契合模型;并对U型截面通道的流型分布情况和流动特性进行了研究,得出环状流出现的最佳正其质量流量与冷却水质量流量分别为 k g/(ms)和 k g/h 董岩等,对于不同的截面形状对换热性能的影响也进行了
18、研究,得出了换热面积相同的情况下,U型截面的流道换热效果优于其他截面形状的流道基于静止状态多通道烘缸研究,王莎等,设计了多通道烘缸的旋转实验台,并进行了应力分析和模态数值分析,确保了实验台的机械安全性,随后又以该实验台为基础,对旋转状态下多通道烘缸的换热性能与压降的研究,得出换热系数随雷诺数、旋转雷诺数与入口蒸汽温度的变化规律,以及压降随蒸汽质量流速,旋转雷诺数的变化规律,并对旋转状态下的换热系数和压降给出了新的拟合公式,有较好的吻合度张树林等 对旋转状态下,冷却水侧的参数变化对烘缸换热性能及压降的影响进行了研究,指出通道平均换热系数随冷却水质量流量的增大而增大,压降则随之减小并稳定于以定值由
19、上可见,对于多通道烘缸换热性能方面的研究已经较为成熟且丰富,对于烘缸换热系数与各参第期董继先等:基于响应面分析法的多通道烘缸换热性能分析与参数优化数间的关系进行了深入研究并得出了适合的关系式,但所得关系式往往参考变量多,形式复杂,难以以直观地方式明确得到换热系数随各参数的变化趋势,从而难以对烘缸换热性能进行可行的优化操作响应面分析法是通过设计合理的有限次数试验,建立一个包括各显著因素的一次项、平方项和任何两个因素之间的一级交互作用项的数学模型,精确研究各因素与响应值之间的关系,快速有效地确定多因素系统的最佳条件相比基于相似性原理的无量纲关系式,响应面分析法得出的多元二次多项式形式更为简洁,可以
20、更直接的把握各自变量与因变量的函数关系,更容易进行优化处理为探究烘缸换热性能的优化方向与具体的优化参数,本文选取转速和蒸汽质量流速为代表变量,利用响应面分析法,对烘缸的换热性能与二变量间的关系进行研究,并得出具体的参数优化区间实验原理实验针对多通道烘缸中发生冷凝换热的两相部分进行研究考虑到烘缸尺寸等参数的差异,要对换热系数、蒸汽质量流速和转速三个参量进行无量纲处理,同时考虑实验过程中可能出现的热损失,以保证结果的准确性和可推广性()无量纲换热系数,采用对流换热常用的努塞尔数N u为代表:N uhsDhH()式()中:Dh为蒸汽侧通道的水力直径,m;H为蒸汽侧流体两相热导率,WmK:Hxg(x)
21、l()式()中:g,l分别为当前温度下饱和汽与饱和水的热导率,WmK;x为当前流体的干度,即质量含汽率,其计算方法如下:xhh h h()式()中:h与h分别为当前蒸汽侧温度下的饱和水比焓与饱和气比焓,k Jk g,均根据当前蒸汽侧流体温度查表获得;h为当前蒸汽侧流体的比焓,k Jk g,由于流道中各位置的比焓根据能量守恒定律,因此可通过计算冷却水侧的吸热量对其进行计算:hihicpqm,c(Tc,iTc,i)qm,s()式()中:hi为 目 标 位 置 的 流 体 比 焓,k Jk g;hi为目标上一位置的比焓,k Jk g;cp为冷却水的定压比热容,k Jk gK;qm,c为冷却水的质量流
22、量,k gs;Tc,i和Tc,i则是对应的冷却水温度,K式()中:hs为蒸汽侧对流换热系数,WmK,具体计算方式由牛顿对流换热公式获得:hs,iQiAs(Ts,iTw,i)hshs,i()式()中:As为换热面积,m;Ts为当前蒸汽侧温度,K;Tw为对应的换热壁面温度,K;Q为换热热量,k J;根据能量守恒定律,在热损失较小可忽略不计的情况下,蒸汽侧放热热量等于冷却水侧吸热量,即:Qicpqm,c(Tc,iTc,i)()()无量纲流速,以流道中的气相雷诺数R eg为代表:R egG Dhg()式()中:G为流道内流体的质量流速,k gms,为当前通道内流体质量流量qm,s,k gs,与流道横截
23、面积A,m,的比值:Gqm,sA()式()中:g、l为流道内流体的气相动力粘度(P as),其具体值为当前温度下的饱和水蒸气动力粘度,由当前蒸汽侧温度查表获得()无量纲转速,以旋转雷诺数R e为代表,该无量纲参数由M o r r i s提出并用于旋转状态下的换热系数关系式计算,其计算公式如下:R e DhH()式()中:为流道旋转的角速度,r a ds;H为流道的两相运动粘度,ms,其计算公式如下:Hxg(x)l()式()中:g和l分别为当前温度下饱和蒸汽与饱和水的运动粘度,ms,可根据当前蒸汽侧温度查表获得()热损失方面,考虑到热损失过程接近于管外强迫对流换热,因此基于管外强迫对流换热公式
24、即可计算热损失,具体公式如式()所示:N ul o s shaLa R e aP ra()陕西科技大学学报第 卷式()中:N ul o s s为强迫对流换热的努塞尔数;ha为热损失的对流换热系数,WmK;L为流道长度,m;a为空气热导率,WmK;R ea和P ra分别为空气的雷诺数与普朗特数,可以根据转速和当前室温温进行查表实验设计根据理论部分,需要测量的物理量包括蒸汽侧流体、冷却水和换热壁面的温度、蒸汽侧质量流量,同时设定实验台转速具体设计的实验台的结构如图所示图实验台结构示意图实验台由机械系统、流体循环系统和传感器系统三大部分组成,机械系统包括最基础的支撑结构部分旋转电机,其中电机的转速由
25、相连的变频器进行控制,并经过折算得到对应的转动角速度流体循环系统包括蒸汽发生器、连接管路、分布滑环、流道板、换热器、循环水泵、储水箱、滤水系统等部分组成蒸汽由蒸汽发生器产生,冷却水由冷却水泵泵出,经管道分别送至实验台两侧的分布滑环,分布滑环保证实验台在转动情况下,蒸汽和冷却水可以顺利被送入送出流道板,蒸汽和冷却水在流道板中进行热交换后,由分别由各自对侧的滑环流出,送入换热器进行冷却,蒸汽侧冷凝水经过滤后流入发生器水箱,冷却水侧冷水则进入冷却水箱,分别进入下一次的循环流道板除了正反两侧的蒸汽/冷却水流道外,流道周围有凹槽安装隔热的密封条,如图所示;同时整个流道板和蒸汽侧进口段管路均有厚度在c m
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