Исследование тепломассообмена в среде перегретого водяного пара в энерготехнологических установках текстильной промышленности

Тип работы:
Диссертация
Предмет:
Промышленная теплоэнергетика
Страниц:
108


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Актуальность работы. На современном этапе развития общества неизбежно растет и будет увеличиваться в дальнейшем потребление энергии. В связи с этим проблема рационального использования энергетических ресурсов и ограничения энергопотребления стала актуальной для каждого государства. В развитых странах основным потребителем энергии является промышленность, и в частности легкая, поэтому экономия энергоресурсов, снижение энергозатрат в технологических процессах непосредственно приводит к уменьшению себестоимости выпускаемой продукции, что сказывается и на ее конкурентоспособности. При рациональной организации производственных процессов можно получить эффект, соизмеримый с тем, который дает модернизация систем производства и распределения энергии, при существенно меньших капиталовложениях.

Анализ показывает, что на первом этапе реализации энергосберегающих программ преимущественно внедряются организационно-технические мероприятия, не требующие крупных капиталовложений и позволяющие сократить нерациональное использование энергии.

Процессы термообработки материалов перегретым водяным паром часто встречаются в различных отраслях промышленности или производства, например в отделочном производстве текстильной промышленности, и в частности, в зрельниках. В паровых камерах этих машин сухая или мокрая ткань обрабатывается перегретым паром для исключения воздействия кислорода воздуха, во время ее нагрева до высокой температуры необходимой для протекания химических реакций и диффузии красителя в волокно. Применение перегретого пара уменьшает потребное время обработки ткани (и, следовательно, дает возможность повысить производительность машины или при прежней производительности сократить габаритные размеры зрельника), а также повышает качество обработанной ткани, давая на ней более яркие краски. Так, потребное время обработки ткани в зрельнике мокрого проявления при 110& deg-С составляет 28−30сек, а при 160& deg-С 11 сек [29]. Поэтому представляется актуальной задача оптимального проектирования энерготехнологических установок, использующих для термообработки текстильного материала перегретый пар. Для этого необходимо располагать надежной аналитической методикой и, в частности, нужно разработать метод расчета процессов тепло- и массообмена между влажным материалом и перегретым водяным паром. В работе [1] обоснованно указавается, что при рассмотрении общей картины внешнего тепло- и массообмена в процессах термообработки влажного материала в среде перегретого пара законченной теории, описывающей всю совокупность движущих сил тепло- и массообмена, еще нет. Это связано с тем, что в отличие от процессов тепломассообмена между влажным материалом и влажным воздухом, где движущей силой массообмена при испарении влаги в воздух является разность парциальных давлений между поверхностным слоем и вдали от него, в среде перегретого пара она отсутствует. Отсутствие потенциала массопереноса не позволяло разработать методику прогнозирования характеристик энерготехнологического. оборудования, работающего на перегретом водяном паре.

В рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований впервые разработана и экспериментально проверена замкнутая теория, описывающая тепло- и массообмен в среде перегретого водяного пара.

Цель исследования — разработать теоретически и проверить экспериментально метод расчета тепло- и массообмена между тонким влажным материалом и перегретым паром, применительно к энерготехнологическим установкам текстильной промышленности.

Основными задачами являются:

1. Разработка теории тепломассообмена между тонким влажным материалом и рассматриевым как трехатомный газ с шестью степенями свободы перегретым водяным паром с использованием методов статистической физики необратимых процессов

2. Разработка замкнутой системы дифференциальных уравнений для расчета параметров тонкого материала в процессе его обработки перегретым паром

3. Разработка оценочной методики расчета процесса, позволяющей внести поправку к величине начального влагосодержания, обусловленную конденсацией пара на холодном материале.

4. Экспериментальное исследование процесса тепломассообмена тонкого текстильного материала в среде перегретого пара на лабораторном стенде.

5. Экспериментальная проверка полученных теоретически результатов путем их сопоставления и анализа.

6. Разработать методику теплотехнического расчета зрельника, работающего на перегретом водяном паре.

Научная новизна заключается в следующем: 1. Впервые аналитически разработан метод, описывающий тепло-и массообменные явления при обработке тонкого текстильного материала в среде перегретого водяного пара. При разработке метода использованы подходы статистической физики необратимых процессов для трехатомного газа с шестью степенями свободы с привлечением кинетического уравнения Больцмана.

2. Для перегретого водяного пара получено уравнение, определяющее экстраполированное к поверхности из эйлеровой области значение температуры, что позволило привлечь к описанию теплообмена феноменологический подход.

3. На основе развитой теории получена замкнутая система дифференциальных уравнений для расчета изменения параметров тонкого текстильного материала в среде перегретого пара, без привлечения эмпирических данных о ходе процесса.

4. В рамках развитой теории установлено существование в среде перегретого пара аналога точки росы, в которой конденсация пара на холодном материале сменяется испарением влаги. Получено уравнение, определяющее температуру влажного материала в этой точке.

5. При анализе дифференциальных уравнений энергии и массообмена установлено существование температуры влажного материала, являющейся аналогом температуры мокрого термометра. Получено уравнение, определяющее положение этой точки.

6. Разработана оценочная методика расчета процесса, позволяющая внести поправку к величине начального влагосодержания, обусловленную конденсацией пара на холодном материале.

7. Преодолены затруднения связанные с отсутствием потенциала переноса в перегретом паре, что позволило разработать теоретически и экспериментально обоснованную методику расчета тепломассообменных процессов в энерготехнологических установках, и в частности зрельниках, использующих для термообработки текстильного материала перегретый водяной пар. 8. Работа выполнена в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 05−08−1 222а.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Результаты работы:

1) Дают возможность проводить как конструктивный, так и поверочный расчет при проектировании энерготехнологического оборудования текстильной промышленности, в котором в качестве теплоносителя выступает перегретый водяной пар, без привлечения эмпирических данных о ходе процесса.

2) Могут быть также использованы при проектировании оборудования в других отраслях промышленности, где необходима обработка материалов при повышенной температуре без доступа окислителя — кислорода воздуха.

3) Будут использоваться в курсе & laquo-Тепломассообменное оборудование предприятий& raquo- на кафедре ПТЭ МГТУ имени А. Н. Косыгина. Экспериментальный стенд предполагается использовать при проведении научно-исследовательских работ студентов.

Достоверность научных положений и выводов. Развитая теория основана на привлечении надежных, обоснованных подходов к расчету тепломассообмена. Формулировка системы дифференциальных уравнений основывается на использовании законов сохранения массы, импульса и энергии с привлечением методов статистической механники необратимых процессов на базе решения кинетического уравнения Больцмана. Решение системы выполнено методом Рунге — Кутты — Мерсона с автоматическим выбором шага интегрирования при заданной погрешности.

Обоснованность теоретических положений подтверждается их удовлетворительным согласованием с результатами эксперимента в рамках принятых допущений.

Достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием современных, поверенных измерительных приборов. Оговорены пределы применимости разработанного подхода.

Аппробация работы:

1. Доклад по теме & laquo-Закономерности процессов испарения влаги и сушки тонких материалов в перегретом водяном паре& raquo-. Корнюхин И. П., Козырев И. В., Жмакин Л. И., Коротин А. О. 4-я Российская национальная конференция по теплообмену. Москва МЭИ 2006 г.

2. Доклад по теме & laquo-Сушка ткани перегретым паром& raquo-. Корнюхин И. П., Жмакин Л. И., Козырев И. В., Коротин А. О. Международная научно-техническая конференция & quot-Современные технологии и оборудование текстильной промышленности& quot- (ТЕКСТИЛЬ — 2006). МГТУ им. А. Н. Косыгина. Москва. 2006 год.

Публикации. По теме диссертации опубликованы:

1. Статья & laquo-Закономерности сушки тонких материалов перегретым паром& raquo- в журнале & laquo-Известия РАН. Энергетика& raquo- № 6, 2006 г. Стр. 71−86. Авторы: Корнюхин И. П., Козырев И. В., Жмакин Л. И., Коротин А. О.

2. Статья & laquo-Экспериментальное исследование процесса сушки тонкого материала перегретым водяным паром& raquo-. Сборник научных трудов аспирантов МГТУ им. А. Н. Косыгина. Выпуск № 14. 2008. Авторы: Корнюхин И. П., Коротин А. О.

3. Статья & laquo-Закономерности процессов испарения влаги и сушки тонких материалов в перегретом водяном паре& raquo-. Корнюхин И. П. ,

Козырев И.В., Жмакин Л. И., Коротин А. О. Доклады 4-й Российской национальной конференции по теплообмену, том 5-й, стр. 126−129. Москва МЭИ 2006 г.

4. Статья по теме & laquo-Сушка ткани перегретым паром& raquo- в материалах Международной научно-технической конференции & quot-Современные технологии и оборудование текстильной промышленности& quot- (ТЕКСТИЛЬ — 2006). МГТУ им. А. Н. Косыгина Москва. 2006. Авторы: Корнюхин И. П., Козырев И. В., Жмакин Л. И., Коротин А. О.

5. Тезисы доклада по теме & laquo-Закономерности сушки тонких материалов перегретым паром& raquo- в материалах 58-й научно-технической конференции & laquo-Студенты и молодые ученые КГТУ -производству& raquo-. Кострома. КГТУ. 2006. Авторы: Корнюхин И. П., Козырев И. В., Жмакин Л. И., Коротин А. О.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3-х глав и выводов, изложенна на 108 страницах машинописного текста, содержит 32 — рисунка, 1 таблицу и список литературы из 52 наименований.

102 ВЫВОДЫ

1. Разработана теория тепломассообмена между тонким материалом и перегретым водяным паром с использованием методов статистической физики необратимых процессов, позволившая преодолеть затруднения, связанные с отсутствием потенциала переноса массы в перегретом паре.

2. Для перегретого водяного пара получено уравнение, определяющее экстраполированное к поверхности из эйлеровой области значение температуры, что позволило привлечь к описанию теплообмена феноменологический подход.

3. На основе развитой теории с использованием результатов статистических расчетов сформулирована система дифференциальных уравнений, решение которой позволило расчитать изменение параметров (влагосодержания, температуры, скорости сушки) тонкого текстильного материала в среде перегретого пара при слабых процессах конденсации и испарения на стадии прогрева, постоянной и падающей скорости сушки, без привлечения эмпирических данных о ходе процесса.

4. Установлено существование в среде перегретого пара аналога точки росы, в которой конденсация пара на холодном материале сменяется испарением влаги. Получено уравнение, определяющее температуру влажного материала в этой точке.

5. Установлено существование температуры влажного материала, являющейся аналогом температуры мокрого термометра. Получено уравнение, определяющее ее значение.

6. Разработана оценочная методика расчета процесса, позволяющая внести поправку к величине начального влагосодержания, обусловленного сильной конденсацией пара на холодном материале.

7. Полученное решение системы удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными при температурах перегретого пара до 250& deg-С включительно.

8. Разработана методика теплотехнического расчета зрельника для влажностно-тепловой обработки текстильного материала в среде перегретого водяного пара. Получено дифференциальное уравнение, определяющее потоки теплоты в процессе обработки материала, которое совместно с уравнениями, описывающими кинетику процесса, позволило найти значение потоков тепла между паром и тканью как на стадии прогрева с привлечением приближенной (оценочной) методики, так и на основной стадии (период постоянной и падающей скорости сушки) согласно сторгому методу. Предложен безитерационный метод расчета тепловой изоляции в системах, где по обе стороны имеет место теплообмен в режиме свободной конвекции.

104

ПоказатьСвернуть

Содержание

ВВЕДЕНИЕ. 4стр.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Методы расчета тепломассообмена тонких текстильных материалов во влажном воздухе. 13стр.

1.2 Межфазное равновесие между паром и влажным материалом. 30стр.

1.3 Методы расчета тепломассообмена тонких текстильных материалов в перегретом паре. 37стр.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

2.1 Тепло- и массообмен в процессах обработки тонкого текстильного материала в среде перегретого водяного пара. 46стр.

2.2 Решение системы дифференциальных уравнений и анализ закономерностей тепломассообмена между влажным материалом и перегретым паром. 58стр.

2.3 Упрощенный оценочный метод расчета процесса тепломассообмена в среде перегретого пара. 80стр.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В СРЕДЕ ПЕРЕГРЕТОГО ПАРА

3.1 Экспериментальная установка для исследования тепломассообмена в процессах обработки влажного материала перегретым паром. 85стр.

3.2 Порядок проведения экспериментов. 90стр.

3.3 Сопоставление результатов расчета и эксперимента, их обсуждение и анализ. 91стр.

3.4 Теплотехнический расчет зрельника, для влажностно-тепловой обработки текстильного материала в среде перегретого водяного пара. 95стр.

ВЫВОДЫ. 102стр.

Список литературы

1. Михайлов Ю. А. Сушка перегретым паром. М.: Энергия, 1967.

2. Корнюхин И. П., Жмакин Л. И. Тепломассообмен в пористых телах. М: Информэлектро, 2000.

3. Корнюхин И. П., Жмакин Л. И. Расчет процесса сушки тонкого капиллярно-пористого коллоидного материала. Известия Российской А Н. Сер. Энергетика № 4, 1997.

4. Корнюхин И. П., Жмакин Л. И. Сушка тонкого материала в режимах прямотока и противотока. Известия РАН. Энергетика № 4, 2000.

5. Meunier J., Munz R.J. Flash drying with superheated steam a mathematical model. // Drying'86 (Proceeding 5-th International Symposium), Washington: Hemisphere, 1986.

6. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964.

7. Больцман Л. Лекции по теории газов. М.: ГИТТЛ, 1953.

8. Коган М. Н. Динамика разреженного газа. М.: Наука, 1967.

9. Кошмаров Ю. А., Рыжов Ю. А. Прикладная динамика разреженного газа. М.: Машиностроение, 1977.

10. Лабунцов Д. А. Неравновесные эффекты при испарении и конденсации. // Тепло- и массоперенос при интенсивном конвективном и лучистом нагреве. Минск, ИТМО им. Лыкова, 1977.

11. Лабунцов Д. А., Муратова Т. М. Об учете движения при испарении и конденсации. // Теплофизика высоких температур. 1969, т. 7, № 6.

12. Муратова Т. М., Лабунцов Д. А. Кинетический анализ процессов испарения и конденсации //Теплофизика высоких температур. 1969, т. 7, № 5.

13. Лабунцов Д. А., Крюков А. П. Процессы интенсивного испарения //Теплоэнергетика, 1977, № 4.

14. Labuntsov D.A., Kryukov A.P. Analysis of intensive evaporation and condensation. // Int. J. Heat and mass transfer, 1979, v. 22, N 7.

15. Жданов B.M., Апиевский М. Я. Процессы переноса и релаксации в молекулярных газах. М.: Наука, 1989.

16. Кузнецова И. А., Юшканов А. А., Яламов Ю. И. Сильная конденсация молекулярного газа. // Механика жидкости и газа, № 6, 1977.

17. Кикоин И. К., Кикоин А. К. Молекулярная физика. М.: Физматгиз, 1963.

18. Вукалович М. П., Новиков И. И. Техническая термодинамика. М.: Госэнергоиздат, 1955.

19. Александров А. А., Григорьев Б. А. таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. М.: МЭИ, 1999.

20. Grad Н. Communications on pure and applied mathematics, v. 2, N 4, 1949. (Сб. переводов Механика, 1952 вып. 4)

21. Лабунцов Д. А. Анализ процессов испарения и конденсации. Теплофизика высоких температур. 1967, т. 5, № 4

22. Лыков М. В. Сушка в химической промышленности. М.: Химия, 1970.

23. Лыков А. В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968.

24. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. М.: Энергия, 1975.

25. Берд Р., Стюарт В., Лайтфут К. Явления переноса. М.: Химия, 1974

26. Таблицы физических величин: справочник. Под ред. И. К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976.

27. Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Л.: Химия, 1982

28. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Физматгиз, 1963.

29. Бунин О. А., Мал ков Ю. А. Машины для сушки и термообработкиткани М.: Машиностроение, 1971.

30. Курс физической химии / под ред. Я. И. Герасимова, т. 1, М.: Химия, 1966.

31. Ольшанский А. И., Бром Е. Л. К определению скорости сушки материалов // Известия вузов. Технология легкой промышленности. 1975, № 4.

32. Красников В. В., Данилов В. А. // Инженерно-физический журнал. 1966, т. 11, № 4

33. Marshall W.R. Drying. //Encyclopedia of chemical technology. Ed. KirkR.E., Othmer D.F.- v.5. 1954.

34. Филоненко Г. К. Кинетика сушильных процессов. Оборониздат, 1939.

35. Бунин О. А. Определение продолжительности сушки ткани //Сб. научно-исследовательских трудов Ивановского Энергетического института. 1958, вып.8. С. 165.

36. Сажин Б. С., Реутский В. А., Журавлева Т. Ю. Метод расчета кинетических характеристик процесса конвективной сушки волокнообразующих полимеров//Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 1988, № 2.С. 79−82.

37. Rowen Н. Evaluation of driing times, drying rates and evaporative fluxes when drying wood with impinging jets// Proceedings 1-st international symposium on drying. Princeton: Science Press-1978. pp. 192−198.

38. Ефремов Г. И., Сажин Б. С. Вероятностная интерпритация зависимостей кинетики сушки тканей// Известия вузов. Технологиятекстильной промышленности. 1998, № 3.

39. Бунин О. А. Исследование конвективной сушки ткани// Научно-исследовательские труды ИвНИТИ. 1963, т. 26.С. 238−283.

40. Militzer К. -Е., Straus R., Brink Е. Die kinetik der troknung und anderer festfuidstoffaustausehprozesse// Wiss. Z. Techn. Univ. Dresden. 1976, bd. 25, № 4, s. 862−867.

41. Ольшанский А. И., Ольшанский В. И. Тепловлагообмен в процессе конвективной сушки искусственной кожи// Известия вузов. Технология легкой промышленности. 1977, № 1. С. 54−60.

42. Кришер О. Научные основы техники сушки. М.: Инлитиздат, 1961.

43. Пасько А. П., Коновалов В. И. О решениях основного уравнения кинетики сушки тонких материалов при конвективно-радиационном обогреве// Труды МИХМ: Процессы и оборудование химических производств. 1972, вып. 46.

44. Коновалов В. И. Об использовании решений дифференциального уравнения теплового баланса для описания кинетики сушки и нагрева текстильных материалов резинотехники// Тепло- и массоперенос, ИТМО АН БССР, Минск, 1971, т. 10, ч.2. С. 149−154.

45. Коновалов В. И., Романков П. Г., Соколов В. Н. Приближенные модели кинетики конвективной сушки тонких материалов// Теоретические основы химической технологии. 1975, т. 9, № 2. С. 203−209.

46. Куц С. П., Шкляр В. Я., Шкляр Я. В. Кинетика конвективной сушки материалов, применяемых в легкой промышленности, сообщение 1// Известия вузов. Технология легкой промышленности. 1989, т. 32, № 5. С. 57−61.

47. Куц С. П., Шкляр В. Я., Шкляр Я. В. Кинетика конвективной сушки материалов, применяемых в легкой промышленности, сообщение 2// Известия вузов. Технология легкой промышленности. 1989, т. 32,108×6. С. 39−42.

48. Жучков П. А. Тепло- и массоперенос в процессах сушки тонких материалов при переменных режимах и совмещенных методах подвода тепла// Тепло- и массоперенос, ИТМО АН БССР, Минск, 1972, т.6. С. 124−133.

49. Wiegerink J.G. Moisture relation of textile fibres atelevated temperatures //Journal of Research NBS, v. 24, № 6, 1940.

50. Краснощекое E.A., Сукомел A.C. Сборник задач по физике М.: Энергия, 1980.

51. Корнюхин И. П., Жмакин Л. И., Козырева Л. И. Уравнение сорбционного равновесия текстильных материалов в широком диапазоне изменения температуры и влажности воздуха // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. 2000, № 6.

Заполнить форму текущей работой