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图1膨胀－阻尼器结构示意图纸浆喷放过程中的能量转换●史诺，陈海峰，乔丽洁（陕西科技大学机电工程学院，陕西西安710021）摘要：通过分析纸浆热喷放过程能量转换机理，结合纸浆的流体力学特性，设计并加工了膨胀－阻尼器与透平能量回收装置两套实验设备。对纤维形态及能量回收效果进行了研究。结果表明，利用全压喷放过程的有效能量，避免闪蒸的发生，不仅会得到良好的节能效果而且纸浆纤维不会受损。关键词：喷放；纤维形态；能量回收；节能中图分类号：TS733文献标识码：A文章编号：1001-6309(2010)03-0012-04蒸煮反应结束后，蒸煮器内的浆料蕴含了品质较高的热能与静压能，应该加以充分利用。在热能利用方面，无论在蒸煮工艺的改进和新设备的开发上都取得了长足的进步，而在压力能的回收方面，还没有相关的技术与设备。传统热喷放会造成大量的压力能损失，如果能够合理利用这部分能量，将会得到良好的节能效果。不是很理想。现代化学制浆的研究重点之一是在保证纤维质量的前提下大幅度降低能耗。为了验证浆料做功后的纤维强度，设计加工了一套模拟装置，该设备由膨胀器与阻尼器两部分组成，两部分通过活塞杆连接，蒸煮装置布置在膨胀器底端，采用电热器加热纸浆，当达到工艺要求的温度后，打开保险机构，纸浆推动活塞做功，通过调节阻尼器来控制浆料中液体的汽化速率，从而得出汽化速率与浆料强度之间的关系。设备的原理及实物见图1、图2。图2膨胀－阻尼器实物图漂白阔叶木浆板经家用小型搅拌机碎解后，配成4%浓度的纸浆，全压喷放后采用ISO标准纸样抄取器抄制直径为200mm的纸样，用JEOL的JSM-5800型扫描电子显微镜对喷放前后的纸浆抄成的纸样进行纤维表面及纤维形态观察，得到的最优汽化速率下的纸样的扫描结果如图3、图4所示。1实验方案传统的热喷放中，浆料的运动相对于冷喷放剧烈得多，能量转换的形式是由初始状态的静压能和热能自由转变为纸浆运动的动能、部分液体闪蒸对环境的膨胀功、所得闪蒸汽及浆料本身剩余的热能，而目前只是通过温差传热的方法回收闪蒸汽的热量，回收的能量不管质与量都图3喷放前的纤维形态作者简介：史诺先生(1985-)，陕西科技大学在读硕士研究生，主要从事制浆过程节能与设备的研究；联系电话E-mail：shinuo7241@。2010年3月第29卷第3期12装备器材从理论上讲，高温高压纸浆在管道中及透平机通道中流动时，没有膨胀空间，不会发生闪蒸现象。通过比较第二级透平出口处的温度与压力，可以看出浆料一直处于饱和状态，没有闪蒸现象发生。火用是一种评价能量价值的物理量，从量和质的结合上评价了能量的价值，表征能量转换为功的能力和技术上的有用程度,是一种比较全面的能效评价标准。设环境状态为p0=0.1MPa,T0=20℃，通过火用分析来比较传统热喷放与通过透平喷放两种方式的能量回收效果。浆料中水占比例很大，因此相关物性参数可以按照同条件下饱和水与水蒸汽的物性参数简化。如果采用传统的热喷放方式，162℃的饱和水(0.65MPa)，焓h=684.38kJ·kg-1，100℃饱和水（0.10133MPa），焓h=419.06kJ·kg-1，汽化潜热γ=2257.6kJ·kg-1，原有浆料质量M=100kg，设水温降到100℃时质量为M，根据能量衡算则有：△H=Q=（M-M）γ代入数据可得：M=88.25kg，所以喷放时汽化了100-88.25=11.75kg，汽化了11.75%。闪蒸蒸汽的焓火用值为：ex=（h1-h0）-T0（s1-s0）环境状态下，查未饱和2实验平台的建立本实验中的蒸煮器采用容积为0.14m3的卧式不锈钢容器，采用两根3kW的电热器加热纸浆。反转泵透平利用离心式清水泵改装而成，考虑到纸浆是一种复杂的非牛顿流体，为了提高过流能力，将原有闭式叶轮更换成通过性能较好同时效率下降图4喷放后的纤维形态从图3看出，原浆纤维比较硬挺，经过喷放处理后，图4中纤维表面分丝起毛，部分纤维分裂帚化。这种表面的微纤维化作用，大大增加了纤维的比表面积，促进了氢键结合，有利于纤维交织，提高成纸强度[1]。除个别纤维出现断裂现象外，大部分纤维出现扭曲和卷曲，有利于纤维的交织，提高纤维的物理强度。种种现象表明，在热喷放过程中，纸浆发生剧烈的湍流运动，纤维相互之间产生扰动和摩擦，其作用对纸浆纤维的固有强度不仅不会造成损伤，纤维的结合力反而被大大增强，这无疑会提高纸浆的品质。所以利用喷放时的压力能做功，既保证纤维质量又实现节能是完全可行的。工业上压力能回收分为透平技术和正位移技术两类，透平技术的工艺过程是利用透平将高压流体的压力能转化为轴功，再利用轴功驱动各种动力设备运行，正位移技术则直接利用高压流体增压低压流体，实现压力能→压力能的一次转换[2]。反转泵透平是较为常见的透平设[3]不