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　　摘要:目前高速衛(wèi)生紙機多采用靴式壓榨、燃?xì)鈿庹值母吆哪茉O(shè)計。本文提出采用大直徑單壓榨輥提高壓榨能力，改進烘缸傳熱設(shè)計，利用普通過熱蒸汽，改進射流設(shè)計方案，從而節(jié)約蒸汽用量，以使高速衛(wèi)生紙機實現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。關(guān)鍵詞:節(jié)能衛(wèi)生紙機；壓榨；烘缸；氣罩

　　在“一帶一路”戰(zhàn)略實施的關(guān)鍵時期，如何進行創(chuàng)新、如何升級換代、如何替代進口、如何“走出去”，創(chuàng)造自有知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，成為我國造紙裝備制造業(yè)迫切需要解決的問題。筆者以節(jié)能高速衛(wèi)生紙機的國產(chǎn)化探討為題與同行交流。

　　節(jié)能高速衛(wèi)生紙機泛指車速達1800m/min以上，并且噸紙耗能低的衛(wèi)生紙機。高速衛(wèi)生紙機已有20余年歷史，過去均采用大型鑄鐵揚克烘缸、燃?xì)鈿庹峙c靴式壓榨，以達到高車速、高產(chǎn)量。隨著能源價格上升，人們開始考慮設(shè)計節(jié)能的高速衛(wèi)生紙機。設(shè)計的中心思想是：提高壓榨能力，使用高熱效烘缸和高熱效蒸汽氣罩，以此達到節(jié)能目的。

　　當(dāng)前國際上大型造紙機械制造企業(yè)，均相繼推出使用蒸汽氣罩為主流的高速衛(wèi)生紙機。如TOSCOTEC公司有車速2000m/min的衛(wèi)生紙機，幅寬5600mm，使用6.71m（22英尺）鋼制揚克缸、五輥懸臂新月型成形器、直徑1540mm的成形輥，以及全蒸汽氣罩。安德里茨有車速2000m/min的衛(wèi)生紙機，使用6.10m（20英尺）鋼制揚克缸、全蒸汽氣罩，是節(jié)能的高速衛(wèi)生紙機。最近Voith有一臺為中國臺灣某紙業(yè)公司制造的衛(wèi)生紙機,車速達2001m/min，采用直徑5.5m鋼制烘缸、全蒸汽氣罩，通過壓榨后干度達到46.5%，創(chuàng)蒸汽氣罩車速最高記錄。

　　從國外節(jié)能高速衛(wèi)生紙機的生產(chǎn)經(jīng)驗來看，車速能達到1800m/min以上，用蒸汽氣罩代替燃?xì)鈿庹郑晒?jié)約能源。當(dāng)然也不必照抄國外的方法，獨立自主開發(fā)節(jié)能的高速衛(wèi)生紙機也具備可行性。本文就壓榨、烘缸及氣罩等部分的設(shè)計分別進行分析。

　　1壓榨

　　提高濕紙幅壓榨后的干度非常重要，意大利CRISTINI公司曾提出：“提高1%的壓榨能力，將節(jié)約烘缸4%的能源[1]”。因此如何提高壓榨部脫水能力是高速衛(wèi)生紙機節(jié)能的首要目標(biāo)。

　　1.1包膠輥壓榨

　　筆者開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的包含熱影響的壓榨分析軟件NipComp[2]。常規(guī)包膠壓榨輥一般選用聚氨酯包膠，包膠厚度25mm，輥徑1500mm，包膠硬度25PJ；烘缸直徑6.10m（20英尺），壓榨輥線壓力140kN/m。經(jīng)過NipComp計算得出：壓區(qū)寬度達66.07mm，峰值壓力2.84MPa，保壓時間1.98ms，壓榨沖量值4.2kPa?s，NipComp軟件界面如圖1所示。從計算結(jié)果看出，本項設(shè)計壓區(qū)寬，壓力峰值大，壓區(qū)沖擊值高，因此壓榨效果很好。該項基本參數(shù)很適合生產(chǎn)薄頁紙設(shè)備用的托輥。

　　需要說明的是，使用包膠輥壓榨會產(chǎn)生一個不利因素，即回濕現(xiàn)象[3]（如圖2所示）。產(chǎn)生回濕的因素很多，為降低回濕現(xiàn)象，正確選擇毛布非常重要，如CRISTINI生產(chǎn)的壓榨專用毛布SEAM[1]就很大程度降低了回濕現(xiàn)象。目前國內(nèi)尚無法生產(chǎn)壓榨專用毛布，另外也尚不能生產(chǎn)高速紙機用毛布。

　　1.2靴壓

　　靴壓是一個較新的技術(shù)，Voith的NipcoFlex靴式壓榨技術(shù)用于高速衛(wèi)生紙機，提高了出壓榨部紙幅干度，減少了蒸汽消耗[1]。目前國內(nèi)廠商已經(jīng)可以制造靴壓設(shè)備，但造價極高，其中所用靴套尚需進口，價格也較高。靴壓脫水效果非常明顯，首先是壓區(qū)更寬，有更高的峰值壓力；

　　二是沒有回濕現(xiàn)象發(fā)生。由于經(jīng)過靴壓壓榨后出壓榨干度提高，紙機則可以選用小一些的烘缸，例如5.49m（18英尺）的烘缸即可。圖3為壓區(qū)寬度與線壓力關(guān)系圖。

　　由圖3可知，與壓榨輥壓榨相比，靴式壓榨壓區(qū)寬，壓力峰值高，且沒有回濕現(xiàn)象。應(yīng)該注意的是，生產(chǎn)衛(wèi)生紙的峰值壓力不能過高，否則會將濕紙幅壓潰。做好壓榨設(shè)計至關(guān)重要，當(dāng)加大托輥直徑，加大線壓力，其效果可比擬雙托輥結(jié)構(gòu)，但略低于靴壓結(jié)構(gòu)效果，上列設(shè)計計算能保證壓榨要求的干度，經(jīng)計算分析，其干度>40%。因此采用單壓榨輥壓榨，加大壓榨輥直徑、增加線壓力的設(shè)計方案可以達到與靴壓近似的效果，同時可以節(jié)約投資。在壓榨設(shè)計中不能刻意追求壓區(qū)寬度，壓區(qū)中壓應(yīng)力計算如式（1）所示。N為線荷載；b為壓區(qū)寬度。由式（1）可以看出，壓應(yīng)力與壓區(qū)寬度成反比，當(dāng)壓區(qū)寬度上升時，壓應(yīng)力下降，對于薄頁紙的壓榨，壓應(yīng)力應(yīng)保證一定數(shù)值。應(yīng)該說明的是，托輥對于烘缸的線壓力并非真正的線壓力，而是一個面荷載，這個荷載應(yīng)該在壓區(qū)分析的基礎(chǔ)上以面荷載作用于烘缸，需通過面荷載非線性有限元分析。

　　2烘缸

　　節(jié)能高速衛(wèi)生紙機的烘缸均采用鋼制烘缸。鋼制烘缸的設(shè)計涉及到傳熱設(shè)計、強度設(shè)計、疲勞設(shè)計及穩(wěn)定性設(shè)計。

　　2.1傳熱設(shè)計

　　上述4項設(shè)計中首要的是傳熱設(shè)計。其優(yōu)化目標(biāo)是：首先在同樣的溫度條件下，使得烘缸表面有最大的熱流密度。其次給定溫度場分析，為溫度應(yīng)力分析提供依據(jù)（如圖4所示）。

　　通過烘缸加肋肋型的優(yōu)化設(shè)計，計算可得到不同肋型的烘缸表面的熱流密度，理論分析表明，肋高度為25~30mm最經(jīng)濟。肋型設(shè)計的另一個重要指標(biāo)是烘缸表面溫度均勻分布，即任意兩點的溫度差不超過1℃，否則生產(chǎn)的紙張質(zhì)量不佳。

　　2.2強度分析

　　烘缸作為壓力容器應(yīng)按照GB150—2001《壓力容器》規(guī)范進行強度計算與優(yōu)化設(shè)計。烘缸的有限元分析應(yīng)使用全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會認(rèn)定的程序進行計算分析，如ANSYS、ABAQUS等軟件。烘缸缸體采用“等面積法”做強度驗算（見圖5）。

　　等面積法就是將加肋烘缸當(dāng)量化為一個特定厚度的光缸的近似計算方法。其當(dāng)量厚度計算如式（2）所示。需要說明的是，當(dāng)量厚度只是烘缸強度設(shè)計的必要條件，并非充分條件。

　　2.3剛度計算鋼制烘缸有別于鑄鐵烘缸，鋼制烘缸缸體在線荷載作用下會發(fā)生變形，加肋缸體變形最大處——缸體中心的最大變形量應(yīng)予以限制，見式（3）。

　　關(guān)于最大變形量的計算可根據(jù)文獻[4]進行近似計算。應(yīng)該指出的是，當(dāng)增大線荷載時，需增加溝槽底至烘缸表面厚度，以增加肋的長度方法來增加剛度的效果較差[4]。

　　2.4穩(wěn)定性分析

　　鋼制烘缸在線荷載的作用下，有失穩(wěn)的可能性，為此要進行穩(wěn)定性分析。由于揚克烘缸為加肋的圓柱殼，解析解無法進行，可借助于有限元分析。ANSYS有專用程序進行穩(wěn)定性分析，大量的實例分析計算表明，烘缸在線荷載作用下，穩(wěn)定性較高。

　　2.5疲勞分析

　　烘缸在線荷載作用下，缸體承受交變應(yīng)力，因此應(yīng)進行疲勞強度分析，其計算方法可參閱文獻[5]的詳細(xì)論述。

　　2.6中高線

　　揚克烘缸的中高線應(yīng)該由烘缸設(shè)計師給出，以便在烘缸加工過程中完成加工出中高線。關(guān)于烘缸中高與托輥中高互相作用問題，見圖6所示的3種相互作用情況[6]。烘缸中高由烘缸結(jié)構(gòu)設(shè)計與運行工況所確定，即為固有的，而托輥的中高要根據(jù)烘缸的中高、輥芯及包膠設(shè)計通過有限元分析，來確定包膠輥中高,以達到圖6（b）所示的兩個中高相互補償作用的情況。常規(guī)用公式計算包膠輥中高的方法難以取得正確的中高線。

　　2.7烘缸冷凝水排除設(shè)計

　　烘缸冷凝水的熱阻是鋼鐵材料的40余倍，它很大程度上降低了烘缸的傳熱效率，因此做好烘缸的排水設(shè)計至關(guān)重要。加肋烘缸已將冷凝水集中到溝槽內(nèi)，如何高效地將冷凝水排出，設(shè)備制造企業(yè)也想了多種設(shè)計方案。總體來看，烘缸快速排出冷凝水的重要方法為冷凝水的霧化傳輸，即采用虹吸管排出冷凝水的設(shè)計方案。虹吸管示意圖見圖7。虹吸管霧化段變徑長度應(yīng)該不低于60mm，該設(shè)計方案可提高40%的冷凝水流量。

　　3蒸汽氣罩

　　近年來開發(fā)的節(jié)能衛(wèi)生紙機均采用蒸汽氣罩。為彌補蒸汽氣罩氣流溫度低的問題，在整體設(shè)計時一方面需提高壓榨能力、加大烘缸尺寸以提高烘缸熱效率；另一方面則要提高蒸汽氣罩的干燥性能。蒸汽氣罩研究包括兩方面的內(nèi)容：一是氣罩本身的節(jié)能設(shè)計，如何設(shè)計節(jié)能氣罩；二是蒸汽氣罩的傳熱設(shè)計，因為國內(nèi)只能使用溫度為160℃的蒸汽，關(guān)鍵是如何將這160℃蒸汽發(fā)揮到極致。氣罩設(shè)計要素包括以下幾方面。

• 噴嘴的幾何要素

• 氣罩與烘缸的間隙

• 風(fēng)速、溫度與干度

• 能源選擇

• 送風(fēng)系統(tǒng)與熱回收設(shè)計

　　3.1系統(tǒng)設(shè)計

　　圖8所示是某揚克烘缸蒸汽氣罩的雙平行系統(tǒng)圖，分濕部與干部。

　　圖8揚克烘缸蒸汽氣罩的干濕部平行系統(tǒng)干燥的空氣系統(tǒng)配置可參閱PaoloDiMarco的論文[7]有詳細(xì)介紹，該論文詳盡論述了設(shè)備及操作的問題，單系統(tǒng)揚克烘缸蒸汽氣罩能耗要比雙系統(tǒng)高1.0%。

　　3.2傳熱設(shè)計

　　最根本的問題是對于揚克烘缸蒸汽氣罩內(nèi)傳熱性質(zhì)的認(rèn)識。高壓熱空氣通過孔板噴射到包覆潮濕紙幅的烘缸上，因此它是一個射流傳熱。射流傳熱是對流傳熱的一種工況。當(dāng)前使用蒸汽的氣罩，蒸汽溫度約為160℃。目前節(jié)能揚克烘缸蒸汽氣罩設(shè)計的目標(biāo)是達到最大的傳熱效能。因此，關(guān)鍵問題是射流傳熱的優(yōu)化設(shè)計。

　　3.2.1射流傳熱的優(yōu)化設(shè)計

　　射流傳熱模型[8]如圖9所示，其主要參數(shù)有：噴嘴直徑D、噴嘴到?jīng)_擊面（烘缸）的距離H。從揚克紙機生產(chǎn)實踐情況看，射流傳熱的設(shè)計研究工作大約分為兩個階段，應(yīng)該以1980年為界。第一階段：1980年以前，揚克紙機速度不高，大都在1200m/min以內(nèi)，氣罩送風(fēng)溫度大約在100℃，采用蒸汽氣罩。第二階段：隨著生產(chǎn)的發(fā)展要提高車速，單靠烘缸干燥已無能為力，此時出現(xiàn)了燃?xì)鈿庹郑渌惋L(fēng)溫度最高可達600~700℃，這樣氣罩干燥能力大大提高。近年來由于能源價格上漲，為了減少能源消耗，降低能源成本，普遍采用蒸汽氣罩。當(dāng)前使用的蒸汽氣罩，蒸汽溫度約為160℃，如何使其達到最大的傳熱效能是筆者設(shè)計的目的。圖10所示為Nu數(shù)在不同H/D比值、Pr值下，隨r/D變化圖，其中Pr值表示Prandtl數(shù)，r為射流孔半徑。在不同的H/D情況下，被空氣沖擊物體表面，在滯止區(qū)內(nèi)滯止點的傳熱強度最高。在不同的H/D比值下，被空氣沖擊物體表面Nu數(shù)變化可由圖10[9]看出。

　　圖10中ReD與NuD的計算分別見為式（4）與式（5）。式中，NuD為噴嘴直徑D的努塞爾數(shù)；hr為滯止點傳熱系數(shù)；D為噴嘴直徑；λ為氣體的導(dǎo)熱系數(shù)。由圖10分析可知，①噴射距離對于傳熱的影響。由上述分析可得，射流孔板與被射流體即烘缸間距是影響傳熱的重要因素，建議將氣罩環(huán)邊與烘缸間距設(shè)計為18~20mm，主要目的是有一充足的間隙以阻止紙幅堵塞，間隙太大將使傳熱損失[10]。②射流速度對于傳熱的影響。射流速度直接影響著Re數(shù)。射流速度uE的提高將使Re數(shù)提高，Re數(shù)的提高將使傳熱系數(shù)提高，射流速度應(yīng)該≥烘缸轉(zhuǎn)動線速度4倍。

　　3.2.2射流孔板的設(shè)計

　　目前射流孔板設(shè)計有多種形式[10],其中最優(yōu)化的設(shè)計為等邊三角形孔分布，如圖11所示，三角形射流孔板設(shè)計方法的選型如圖12所示。

　　重要的是蒸汽氣罩在設(shè)計與工程使用中，其氣體射流速度應(yīng)該達到給定速度，否則達不到傳熱效果。工程實踐上的射流氣體流速不易測量，為此，應(yīng)該從氣體箱中引出氣體壓力與氣體溫度測量裝置。當(dāng)送風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的送風(fēng)壓力、溫度、射流孔板結(jié)構(gòu)設(shè)計等因素確定即可計算出射流氣體速度。為此，蒸汽氣罩設(shè)計者和制造商在氣罩出廠同時，應(yīng)給出一個氣體壓力與溫度所對應(yīng)的計算表，以便紙廠調(diào)整氣體的壓力與溫度，達到規(guī)定的射流氣體速度。

　　4結(jié)語

　　本文主要論述節(jié)能高速衛(wèi)生紙機可行性分析及其設(shè)計，更偏重于蒸汽氣罩的設(shè)計，因為以蒸汽供熱的蒸汽氣罩是當(dāng)今節(jié)能設(shè)計的主要裝置，且國內(nèi)在這方面涉及研究較少。

　　4.1選擇好壓榨設(shè)計。

　　選擇靴式壓榨最好，可以減低氣罩干燥壓力，同時可以減小烘缸尺寸。但靴壓投資較高，且靴套國內(nèi)尚不能生產(chǎn)。當(dāng)選擇普通壓榨輥時，適當(dāng)進行設(shè)計，在紙機車速2000m/min時，選擇直徑6.10m（20英尺）烘缸配套也是可行的。

　　4.2烘缸設(shè)計要選擇加肋鋼制烘缸，設(shè)計好肋型，選擇好排水系統(tǒng)至關(guān)重要，這是提高烘缸干燥效率的基本保證。

　　4.3蒸汽氣罩設(shè)計是節(jié)能高速紙機的重要內(nèi)容，文中已進行了詳盡的論述。

　　4.4運行最佳化也是極為重要的方面。本項研發(fā)可利用自有知識產(chǎn)權(quán)，使用最小投資，建造節(jié)能衛(wèi)生紙機。