CN110846922A - 一种射流传热烘缸 - Google Patents

Abstract

本发明一种射流传热烘缸，属造纸、橡胶、钢铁等领域的烘缸或内部通入冷、热介质烘干、加热、冷却缸体外纸张、纤维、胶片、各种织物，薄片等用途的烘缸领域。传统上人们通常是让通入缸体内的冷、热介质和烘缸缸体或附着在上面的液膜进行层流传热，传热系数较低，影响烘缸的烘干能力和造纸的产量。本发明使热媒从主气管(中心管)2进入分配支气管5，由分配支气管5进入射流分配管6后，再从其上面的射流口7射出冷、热媒射流8，直接对缸体内壁及附着在上面的液膜进行射流冲击传质传热和高强度湍流传热，所以极大地提高了烘缸的传热系数和烘缸烘干、加热、冷却产品的能力，进而极大地提高了生产产量和产品质量。

Description

一种射流传热烘缸

一、技术领域

本发明一种射流传热烘缸，属造纸、橡胶、钢铁等领域的烘缸或内部通入冷、热介质烘干、加热、冷却缸体外纸张、纤维、胶片、各种织物，薄片等用途的烘缸领域。

二、背景技术

烘缸广泛用于造纸、橡胶、钢铁等领域，用于纸张、胶片、纤维、各种织物和各种薄片的烘干和冷却。但在传统上人们总是让通入缸体内的冷、热介质和烘缸缸体或附着在上面的液膜进行层流接触传热，因而传热系数较低。有技术通过扰流棒等破坏缸壁上的液膜，让附着在上面的液膜作湍流运动，提高液膜和缸壁间的传热系数，但因为在这种情况下造成的湍流强度有限，所以对传热系数的提高也十分有限，根本谈不上实质性的突破。

例如图2所示广泛用于造纸、胶片等行业烘干纸张、胶片的杨克烘缸就是如此。热媒从热媒进口 2-1(直径约φ100mm)进入主气管(中心管)2-3，中心管上分布着数十个直径约φ60mm的出气口2-4 尽可能均匀地向烘缸内壁；虹吸管2-8的外径通常为φ57mm，虹吸管在主气管(中心管)2-3上的安装口2-7的直径通常为φ150mm。根据质量流量不变的原理，此时，从主气管(中心管)2-3流出的热媒流速将极低，所以只能对缸体内壁或附着在上面的液膜进行层流接触传热，故其传热系数为相对最低的层流接触传热系数。因此，单位时间内缸体外表需要烘干或冷却的纸张、胶片、纤维、薄片等能从缸体冷热媒得到的传热量最低，从根本上影响了烘缸的烘干或冷却能力，影响了烘缸的生产能力。所以在大直径、高转速、对烘缸的生产能力要求越来越高的今天，如何从根本上提高烘缸内冷、热媒和缸体内壁或附着在上面的液膜之间传热系数，不但具有重大的经济价值和技术价值，而且更具有重大的现实需要意义。

陕西科技大学李瑞虎等提出了一种用汽刀对烘缸供热的方法。其技术方案是使用图3的供汽结构，用汽刀破坏烘缸内的水环3-2，提高烘缸的传热能力。根据其论文“一种新的烘缸加热蒸汽供汽方式”的描述，其技术方案在于设计特制的汽刀式供汽方式，用汽刀斜向冲击冷凝水环，削薄冷凝水环的厚度，减少水环层的热阻，从而提高烘缸的传热能力，且使得烘缸内的冷凝水排出缸外更有利。

根据文中介绍，该技术方案将3支轴向喷汽管3-3布置在烘缸圆周截面的0°、90°及270°方位上，向安装在其上的喷嘴3-4供汽，由喷管3-4喷出蒸汽，形成汽刀向烘缸供热。其实例为：喷嘴管3-4离烘缸内壁面的距离为12mm，每个喷嘴管3-4之间的距离为5mm，喷嘴管3-4的形状为内口大外口小的加工结构，直径为φ3/φ1.2mm，喷嘴管3-4出口的速度为23.62m/s。

李瑞虎等提出的用汽刀对烘缸供热的方法，也可看作是一种用高速蒸汽对烘缸内壁的射流传热。但这种射流传热的方案缺点非常明显：

a)、喷嘴3-4的形状为内口大外口小的结构，直径为φ3/φ1.2mm，且喷嘴之间的间距仅为5mm，所以加工和安装都非常困难；

b)、其供热为3支离缸壁距离仅12mm的喷嘴管3-3，通过密集布置在上面的喷嘴3-4对缸壁和水环进行射流传热，因每支喷嘴管在烘缸内壁圆周截面上间隔90°或180°，所以对烘缸内壁周向的供热极不均匀，在射流传热的喷嘴管3-3附近的极小范围内，其传热系数远大于其它部位，从而会给烘缸外表需要连续烘干的纸张、胶片、纤维、薄片等产品带来烘干不均的质量问题；

c)、因为其射流传热仅在缸体圆周的0°、90°、180°方位上，且喷嘴管3-3离缸壁距离仅12mm，所以一次性的射流传热不但面积极小，而且绝大多数蒸汽在与缸壁接触后被反弹回缸内，再与缸体内壁或附着在上面的液膜进行二次层流接触传热，所以从整体上看，其传热模式依然是蒸汽与缸体内壁或附着在上面的液膜进行的层流传热，不能实现射流冲击传热性的高传质性和高湍流性，实质性地提高传热系数。

三、发明内容

为了实现烘缸内热媒和缸体内壁或附着在上面的液膜进行能量和质量剧烈交换的冲击传热及高强度的湍流传热，本发明提出了如下技术方案：热媒从主气管(中心管)2进入分配支气管5，由分配支气管5进入射流分配管6后，再从其上面的射流口7射出热媒射流8，由冷热媒射流8直接对缸体内壁进行冲击性的射流传热。

因为射流冲击能对附着在上面的液膜进行冲击破坏，所以能最大限度地实现热媒和缸壁液膜的高强度湍流传热和高强度传质传热；

由于冷热媒射流8在烘缸缸体4内壁上的射流中心点被设计成间距适宜的网状阵列分布，所以在射流8自身和挟带烘缸内的其它热媒向烘缸内壁或附着在上面的液膜进行射流冲击传热的过程中，覆盖了整个缸体内壁，能够实现对烘缸内壁整体性无差别的均匀性高强度的射流冲击传热。

所以本发明一种射流传热烘缸极大地提高了烘缸的传热系数，极大地提高了烘缸烘干、加热、冷却产品的能力，进而极大地提高了烘缸的生产能力；因为能够实现对烘缸内壁整体性无差别的均匀性传热，所以能克服传统烘缸缸面可能出现的横幅温度分布不均匀性问题，及李瑞虎等提出的用汽刀对烘缸供热的时出现的烘缸面周向温度分布不均匀性问题，从而提高了产品的烘干均匀性，高了产品的质量。

射流冲击传热是一种高强度传热的新技术。最早应用在航天及高集成的电子元件及高密度的电器设备等工业领域的快速冷却系统中。以后渗透到纸张、纺织和胶片等一些主要含表面水，物料的干燥中。射流冲击传热之所以能产生极高的传热系数，是因为喷出的热媒具有极高的速度，直接冲击到需加热或冷却的物体表面时，热媒与物体表面之间产生非常薄的边界层。因此，射流冲击的换热系数比通常的换热要高出几倍以至一个数量级。此外当射流冲击传热是相对应的蒸汽一冷凝液传热时，因为蒸汽直接冲击相对应的冷凝液面，传热时同时传质，迅速释放冷凝过程中的巨大热量，所以相对于层流状态下的蒸汽一冷凝液传热，换热系数要高出几倍。

对于烘缸来说，例如通过蒸汽加热的烘缸，在常规传热模式是相对稳定的蒸汽层流与烘缸壁或附着在上面的液膜进行传热。所以传热系数为常规下的层流传热系数。当烘缸作高速旋转在内壁形成牢固的水环时，更是如此。本发明从射流分配管6上射流口7射出高速射流8，可以对水环进行高效的传质传热。特别是当烘缸的排水装置为把虹吸头11安装在内壁环槽12内情况下的旋转虹吸装置时，因为缸壁上的水环较薄，且积水在内壁环槽12较浅的位置，所以通过高速冲击烘缸内壁在蒸汽和缸壁之间形成的非常薄的边界层，就能形成高强度的射流冲击传热。

射流口7为圆形时，喷出的高速射流8具有约30°的扩散角，所以如果设计合理，射流8就可以对烘缸圆筒内壁进行全范围的覆盖。尽管理论上射流8中心的冷、热媒质量密度要大于周边的质量密度，但对于具体工况而言，例如通过蒸汽加热的烘缸，因为射流周围是温度相近，密度相近的蒸汽，而这些蒸汽将在射流的挟带下成为射流的组成部分，和射流口7喷出的新鲜蒸汽一起对烘缸壁进行传热，所以在每一射流8覆盖的范围内，烘缸壁将得到足够均匀的传热。

因为传统上冷、热媒对烘缸壁的传热基本上是通过相互接接触的传热。例如通过蒸汽加热的烘缸，就是充满烘缸的蒸汽紧贴缸壁的那一层传热冷凝，再由后一层补充进来传热冷凝，呈层流传热模式。本发明的射流传热和传统传热相比，不但是从射流口7喷出的新鲜蒸汽对烘缸壁进行一次射流冲击传热，而且挟带缸壁附近相当厚度范围内的热蒸汽对烘缸壁进行二次射流冲击传热；射流8冲击缸壁进行冲击传热的过程中，还将破坏附着在上面的液膜，使附着液进行剧烈的湍流运动；因此缸体内热媒对缸壁的传热是冲击剧烈的热媒对缸壁的射流冲击传热，和湍流剧烈的热媒对缸壁的湍流传热。和传统的热媒对缸壁进行层流传热相比，传热效率具有根本性的突破。

四、附图说明

下面结合附图所描述的实施方式，对本发明一种射流传热烘缸烘缸作进一步详细说明。图1为本发明一种射流传热烘缸部份优选结构的示意图。图中各标注符号为：1，热媒进口 2，烘缸端盖 3，主气管 4，烘缸缸体 5，分配支气管 6，射流分配管 7，射流口 8，热媒射流 9，虹吸管 10，集液槽 11，虹吸头 12，内壁环槽 13，冷凝液出口管。

图2为常规普通杨克烘缸的结构示意图。图中各标注符号为：2-1，热媒进口 2-2，烘缸端盖 2-3，主气管(中心管) 2-4，出气口 2-5，烘缸缸体 2-6，，集液槽 2-7，虹吸管安装口 2-8，虹吸管 2-9，冷凝液出口 2-10，虹吸头 2-11，内壁环槽。

图3一种汽刀对烘缸加热的结构示意图。图中各标注符号为：3-1，烘缸 3-2，水环3-3，喷嘴管 3-4，喷嘴 3-5，支汽管 3-6，虹吸管 3-7，中央蒸汽管。

五、具体实施例

本发明一种射流传热烘缸，优选之一的实施方式其具体结构型式如图1。具体实施的优选或非优选的型式不限于图1的范围。

该优选的实施方式包括：1，热媒进口 2，烘缸端盖 3，主气管 4，烘缸缸体 5，分配支气管 6，射流分配管 7，射流口 8，射流 9，虹吸管 10，集液槽 11，虹吸头 12，13，冷凝液出口管。在该实施方式中，热媒进口直径为φ100，通入蒸汽为1.0MPa，流速30m/s，烘缸内的操作压力为0.5MPa。烘缸直径为φ3000mm，面宽为3320mm。设置四组间隔800mm的射流分配管6，射流分配管6离缸壁的距离为300mm，第一组离烘缸端盖2的距离为400mm。射流分配管6正对缸面的方向分别在±15°、±45°的位置上设置有直径为φ4.5的射流口7四排，每排50个，一组共200个，四组共800 个。从而使射流口7喷出的蒸汽速度约为18.5m/s，中心点触缸速度约为13m/s。

在该结构中使用的虹吸头11安装在集液槽10上，吸口则伸进内壁环槽12，离内壁环槽12的底部约1.6mm.。在虹吸装置正常排水时，烘缸内壁只有在环槽内约4mm的水。在这样的工况下，射流口7 喷出的蒸汽射流8将挟带烘缸内的其它热蒸汽对外露的烘缸内壁进行边界层非常薄的高强度射流传热；同时对内壁环槽内的水进行进行冲击，使环槽内的水处于高端流状态，在一方面和蒸汽进行高强度的传质传热的同时另一方面和烘缸内壁进行高强度湍流传热；结果使整体传热系数高出传统结构烘缸的数倍，甚至一个量级。因为在这过程中射流又使得烘缸内的蒸汽匀处于强烈的湍流状态，都能极快参与湍流传热，从而使得所供蒸汽的传热最迅速、利用率达到最高。

本发明的另一实施例是对烘缸外表面进行冷却。所供冷媒为冷却水，冷媒进口直径为φ150，流速30m/s，烘缸直径为φ5000mm，面宽为6580mm，设置四组间隔1300mm的射流分配管6，射流分配管6离缸壁的距离为500mm，第一组离烘缸端盖2的距离为640mm。射流分配管6正对缸面的方向分别在±15°、±45°的位置上设置有直径为φ6的射流口7四排，每排50个，一组共200个，四组共1000个。从而使射流口7喷出的冷却水速度约为18.8/s，中心点触缸速度约为13.3m/s。射流口7喷出的冷却水射流8将对烘缸内壁进行边界层非常薄的高强度射流冷却，对烘缸环槽12内的水环进行湍流冷却，同时使水环对烘缸内壁进行高强度的湍流冷却，从而使烘缸内壁得到传热系数高出传统传热的数倍，甚至一个量级。

本发明的另一实施例是烘缸内壁没有内壁环槽12，由蒸汽对烘缸内壁进行传热。其结构形式如同第一个实施例。此时蒸汽射流8虽不能对烘缸内壁进行边界层非常薄的高强度射流传热，但可以对缸壁水环进行高强度的端流传热，极大地提高供热蒸汽和烘缸内壁间的传热系数，且使得烘缸内的蒸汽匀处于强烈的湍流状态，都能极快地参与湍流传热，从而使得所供蒸汽的传热速度和利用率均达到最高水平。本发明的另一实施例是烘缸内壁没有内壁环槽12，由冷却水对烘缸内壁进行冷却。其结构形式如同第二个实施例。此时冷却水射流8虽不能对烘缸内壁进行边界层非常薄的高强度射流冷却，但可以对缸壁水环进行高强度的端流冷却，同时使水环对烘缸内壁进行高强度的湍流冷却，从而使烘缸内壁和冷却水之间得到高出比常规传热高数倍的传热系数。

Claims (9)

1.一种射流传热烘缸，包括热媒进口1、烘缸端盖2、主气管3、烘缸缸体4、冷凝液出口管13，所述烘缸是通过缸体内通入热介质或冷介质，烘干、加热、冷却缸体外纸张、纤维、胶片、橡胶制品、纺织制品、各种薄片、织物等物品的所有烘缸，或与上述烘缸具有类似结构、类似工作原理的加热、冷却设备，其特征是该烘缸还包括支气管5、射流分配管6、射流口7，热媒或冷媒从主气管(中心筒)3进入支气管5到达射流分配管6，从射流分配管6上的射流口7射出热媒或冷媒射流8，射向烘缸缸体4的内壁，对烘缸缸体内壁及上面的液膜进行射流传热，热媒或冷媒射流8在烘缸缸体4内壁上的射流中心点，在烘缸缸体4内壁上呈网状阵列分布。

2.根据权利要求1的射流传热烘缸，其特征是所述热媒射流8是蒸汽射流。

3.根据权利要求1的射流传热烘缸，其特征是所述热媒射流8是加热气体射流。

4.根据权利要求1的射流传热烘缸，其特征是所述热媒射流8是加热液体射流。

5.根据权利要求1的射流传热烘缸，其特征是所述冷媒射流8是冷却气体射流。

6.根据权利要求1的射流传热烘缸，其特征是所述冷媒射流8是冷却液体射流。

7.根据权利要求1的射流传热烘缸，其特征是所述烘缸缸体带有内壁环槽12，集液槽10上装有虹吸头11，虹吸头11嵌在内壁环槽12内。

8.根据权利要求1的射流传热烘缸，其特征是所述烘缸缸体不带有内壁环槽12。

9.根据权利要求1的射流传热烘缸，其特征在于射流分配管6的外壁距烘缸内壁的距离为300mm～500mm，射流分配管6正对烘缸内壁的方向布有射流口7，射流口7为圆形，直径为φ3～10mm，在射流分配管6截面圆周上相邻夹角为25°～40°，射流8的出口速度为13m/s～36m/s。

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