纸张生产过程实际就是纸页成形脱水的过程,为了达到92%-96%的成纸干度,需要在干燥部采用蒸汽间接加热的方式对压榨后的湿纸页进一步干燥,耗掉大量蒸汽的干燥过程占造纸过程总能耗的55%左右。为了节约能源,提高产能,改善纸页质量,现代造纸机采用了靴式压榨、红外干燥、电磁干燥等先进的脱水技术。由于蒸汽具有冷凝潜热极大、较易获取和易于控制使用等优点,通过安装在网部末端或压榨部的蒸汽箱向快速移动的湿纸页喷射饱和蒸汽,可迅速提高纸页温度,有效增强压榨脱水效率,节约干燥能耗,并均匀纸页横向水分分布,提高纸页质量。因此,蒸汽箱逐渐得到了越来越广泛的应用,已成为了现代造纸机必不可少的部件。本研究主要围绕略过饱和蒸汽在蒸汽箱内部流动和在湿纸页内冷凝加热展开的,可分成三部分。(1)从不同的输入缓冲区、主流区和扩散板3部分解构蒸汽箱分区结构,在此基础上使用UG NX8.0设计分区蒸汽流域结构,采用ANSYS ICEM CFD定义分区流场,划分流场网格。分析分区内部蒸汽流动特性,建立蒸汽箱分区流场的数值计算模型,对蒸汽性质、湍流模型、边界条件、求解器和收敛条件等流场求解条件进行分析设置。采用Fluent软件对不同输入条件下的分区蒸汽流场进行数值模拟计算,从蒸汽流动稳定性、均匀性和热量损失3方面,描述分区缓冲区、主流区和扩散板的蒸汽流动状态,依据模拟分析结果,优化分区内部结构,并做进一步的模拟比较。结果表明:分区模拟蒸汽流量与实际运行消耗量比较接近,不同输入压力的过热蒸汽均能以接近饱和温度输出,可实现低压低温的蒸汽输入,证明了该模型可靠性;缓冲区调整蒸汽输入,与阻流区衔接设计对蒸汽湍动影响较大;阻流板在降低流速,分散蒸汽流动的同时,加剧蒸汽湍流,延长蒸汽在分区内的驻留时间,影响蒸汽输出速度和流量的空间分布;扩散孔的形状和分布直接影响了蒸汽输出速度、流量分布和加热区域均匀蒸汽层的形成。优化前后,高速蒸汽在分区内的湍动能、湍流比耗散率和速度变化基本一致,但优化后的蒸汽流动更加平缓,更有利于蒸汽稳定喷射。(2)根据多孔介质在快速高强度加热过程中的传热传质特性,探讨蒸汽快速冷凝加热湿纸页过程中的热质耦合传输机理,将湿纸页分成瞬时薄层和非瞬时薄层,根据质量守恒定律、能量守恒定律和多孔介质渗流理论,沿湿纸页厚度方向建立湿纸页加热模型。(3)在优化后的分区结构基础上,构建蒸汽箱分区加热湿纸页流域,采用Fluent软件中的多相流模型、湍流模型、多孔介质模型和动网格模型对湿纸页加热过程进行数值模拟计算,分析加热区内蒸汽的喷射温度、速度和冷凝变化和湿纸页内部的蒸汽冷凝情况。模拟结果表明:在湿纸页表面可形成一层速度较低、温度适合的均匀蒸汽层,在进入蒸汽箱加热区域初始阶段,湿纸页上下表面蒸汽冷凝最剧烈,下表面冷凝率降低更加缓慢,稳定后,下表面水汽流量大于上表面。分析设计原型蒸汽箱的运行条件、加热数据监测和调节横向水分效果,证明该蒸汽箱可以明显提高湿纸页温度,节约干燥能耗,显著消除湿纸页横向水分差异。