Теоретические и методические основы оптимизации энергопотребления при отжиме и сушке изделий из текстильных материалов

Актуальность темы

диссертации.

Процесс развития промышленного производства, рост потребностей населения в обеспечении нормальных условий существования неразрывно связаны с увеличением расхода материальных ресурсов как природных, так и производимых человеком.

Интенсивно растёт потребность в энергоресурсах, особенно, таких как нефть, газ, уголь. Огромное количество электростанций работает на продуктах нефтепереработки, газе, угле. Их запасы стремительно сокращаются. По оценкам специалистов запасы нефти и газа будут исчерпаны в ближайшие 2530 лет. При этом следует иметь в виду, что стоимость добычи и транспортировки энергоносителей интенсивно увеличивается. Всё это приводит к постоянному росту цен на электроэнергию, как производную от энергоносителей.

В связи с этим в последние годы вопрос экономии энергоресурсов приобретает всё большую актуальность. И это относится не только к промышленному производству, но и к бытовым потребностям.

Анализируя виды услуг, бытовые потребности населения, легко заметить, что наиболее энергоёмкими являются услуги химчисток и прачечных. Масштабы лее прачечного производства, как в нашей стране, так и во всем мире очень велики и соизмеримы со многими промышленными производствами. Например, только в Москве объем прачечных услуг составляет около 200 тонн белья в сутки. [Порядин А.Ф., 2001] Объемы производства прачечных системы бытового обслуживания непрерывно увеличиваются и в 2004 году выполнены на сумму 1794,6 млн. рублей.

Увеличивается количество стиральных машин, находящихся у населения. Широкое распространение бытовых стиральных машин естественно приводит к увеличению расхода энергоресурсов. Поэтому экономия энергоресурсов является в настоящее время одной из важнейших задач развития экономики страны.

В связи с этим неслучайной оказывается направленность государственной политики на охрану окружающей среды и рациональное ресурсосбережение, которая отражена в целом ряде документов. Например, в таких как:

• Экологическая доктрина Российской Федерации. Одобрена распоряжением Правительства РФ от 31.08.2002 № 1226-Р.

• Федеральный закон «Об охране окружающей среды» от 10.01.2002 № 7-ФЗ.

• Федеральный закон «Об энергосбережении» от 05.04.2003 № 42-ФЗ.

• Федеральный закон «О техническом регулировании» от 27.12.2002 г. № 184-ФЗ.

• Распоряжение Правительства Москвы «О проведении конкурсов научно-технических проектов (исполнителей) по приоритетным направлениям энергои водосбережения в системе городского хозяйства» от 20.11.1997 № 1197-РЗП.

• Постановление Правительства Москвы «О мерах по стимулированию энергои водосбережения в г. Москве» от 28.07.1998 № 566.

• Постановление Правительства Москвы «О городской программе по энергосбережению на 2001;2003 годы в г. Москве» от 09.10.2001 № 912-ПП.

• Постановление Правительства Москвы «О концепции внедрения энергоэффективных технологий в городское хозяйство» от 02.12.2003 № 999-ПП.

• Закон города Москвы «Об энергосбережении в городе Москве» от 05.07.2006 № 35.

• «Программа комплексного энергосбережения в городе Москве на 2009;2013 г. г. и на перспективу до 2020 года» (разрабатывается в настоящее время).

В этих документах декларируется «внедрение ресурсосберегающих и безотходных технологий во всех сферах хозяйственной деятельности», «использование комплекса технологических мер по максимально возможному сокращению объема и токсичности сточных вод» и т. п.

Одним из возможных решений частного вопроса общей государственной программы является разработка ресурсосберегающих операций при стирке текстильных изделий в бытовых стирально-отжимных машинах с сохранением заданных показателей качества стирки. В ресурсосбережении, кроме всего прочего, заложен огромный резерв снижения стоимости услуг прачечных.

Однако до сих пор все еще нет достаточно точных представлений о путях решения поставленной задачи. В частности,.

1) не проведена оценка энергозатрат при операциях отжима и сушки в зависимости от параметров технологического процесса;

2) не разработана гидродинамика процесса фильтрации воды через слой ткани при центробежном отжиме в процессе стирки;

3) не установлены параметры процесса отжима, обеспечивающие минимальный суммарный расход электроэнергии при указанных операциях, как наиболее энергоемких процессах.

Из этого следует, что к настоящему времени фактически не разработаны теоретические и методические основы оптимизации энергопотребления при отжиме и сушке текстильных изделий.

Высокая значимость решения перечисленных задач, направленных на энергосбережение, обусловила актуальность и целесообразность их выбора в качестве диссертационного исследования.

Цель и задачи исследования

.

Целью диссертационного исследования являются исследование и разработка рекомендаций по уменьшению расхода электроэнергии при отжиме текстильных изделий в автоматических стирально-отжимных машинах (СОМ) барабанного типа и сушке непосредственно в СОМ или в сушильно-гладильных вакуумных катках (СГВК).

В соответствии с этой целью в диссертационной работе рассмотрены следующие основные задачи:

1. Разработка математической модели энергозатрат при выполнении операций, направленных на удаление воды из текстильных изделий при отжиме и сушке.

2. Проведение теоретических исследований процесса фильтрации воды через слой текстильных материалов при центробежном отжиме.

3. Разработка и исследование целевой функции для определения оптимальных параметров отжима, обеспечивающих минимальный суммарный расход электроэнергии при отжиме и сушке.

4. Проведение экспериментальных исследований по определению зависимости влажности текстильных изделий от продолжительности отжима при различных величинах частоты вращения барабана в СОМ (числа Фруда) и по определению зависимости коэффициента фильтрации от времени при центробежном отжиме текстильных изделий.

Объектом исследования являются стирально-отжимные машины, используемые при стирке изделий из текстильных материалов.

Предметом исследования являются процессы отжима изделий из текстильных материалов в стирально-отжимных машинах и сушки непосредственно в машинах или сушильно-гладильных вакуумных катках.

Теоретической и методической основой исследования явились основные положения механики твердого тела, гидроаэродинамики, теплотехники, технологические процессы стирки текстильных изделий, труды отечественных и зарубежных исследователей в области фильтрации жидкости при различных термодинамических условиях, тепломассообменных процессов.

В диссертации использовались приемы математического анализа, целевые функции для исследования влияния различных факторов на процесс удаления воды в поле центробежных сил на затраты электроэнергии, уравнения термодинамических процессов.

Научная новизна исследования.

В диссертации рассматриваются актуальные задачи, связанные с глобальной проблемой ресурсосбережения, в частности с экономией энергетических ресурсов.

Исследование содержит следующие основные элементы научной новизны:

1. Проведены исследования гидродинамики процесса фильтрации воды через слой ткани в поле центробежных сил в процессе отжима изделий из текстильных материалов в автоматических стирально-отжимных машинах. В результате получены ранее неизвестные формулы для определения скорости фильтрации воды при коэффициенте фильтрации, зависящем от частоты вращения барабана (фактора разделения) и времени процесса фильтрации.

2. Разработана математическая модель операций отжима и сушки. При этом получена теоретически обоснованная целевая функция определения оптимальных параметров процессов отжима и сушки с использованием дифференциального метода и сопоставительного анализа оценки уровня качества технических систем.

3. В результате проведенных исследований разработаны теоретические и методические основы оптимизации энергопотребления при отжиме текстильных изделий в стирально-отжимных машинах и сушке непосредственно в машинах или сушильно-гладильных вакуумных катках.

Практическая значимость исследования состоит в том, что в нем разработаны методические основы определения оптимальных параметров процессов отжима и сушки, а именно.

— математическая модель процесса отжима и сушки, которая дает возможность оценить влияние конструктивных и технологических параметров на энергопотребление при выполнении указанных операций;

— целевая функция оптимизации процессов отжима и сушки, которая может быть использована при разработке новых или модернизации действующих моделей стирально-отжимных машин;

— разработана методика выполнения расчетов по определению оптимальных параметров отжима, которая проиллюстрирована конкретным примером расчета.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на научно технических конференциях в Московском государственном университете сервиса (далее ФГОУВПО «РГУТиС») в 2003;2008 годах.

Материалы исследований направлены на Вятский, Пензенский и Вяземский заводы стиральных машин для рассмотрения и включения в производственный план.

Результаты проведенных исследований используются в учебном процессе в ФГОУВПО «РГУТиС».

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано автором в 10 статьях, написанных лично и в соавторстве, вышедших в сборниках научных трудов МГУС (далее ФГОУВПО «РГУТиС»), журнале «Естественные и технические науки» и рекомендованном ВАК РФ журнале «Технологии нефти и газа».

Ряд положений диссертации изложен в отчете по НИР.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, библиографического списка используемой литературы, включающего 85 наименований, и приложений. Содержание работы изложено на 224 страницах, в том числе приложения выполнены на 44 страницах, иллюстрировано 23 рисунками и 88 таблицами.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. На основании анализа технических и технологических характеристик современных бытовых стирально-отжимных машин установлено, что предлагаемые потребителю режимы работы машин при стирке научно не обоснованы. Об этом свидетельствуют показатели максимальной частоты вращения барабана при отжиме изделий из текстильных материалов после их стирки. В результате суммарные энергозатраты при стирке и сушке в машинах оказываются завышенными. Такое же положение наблюдается и в промышленном прачечном производстве.

Между тем, как показывают предварительные исследования, существуют некоторые оптимальные режимы отжима изделий с последующей их сушкой в специальных сушильных ' агрегатах, обеспечивающие экономию энергоресурсов.

В связи с этим сформулирована цель диссертационного исследования, направленная на определение факторов, оказывающих влияние на энергозатраты при отжиме, сушке и глажении текстильных изделий, с последующим определением оптимальных конструктивных и технологических параметров, обеспечивающих минимум затрат электроэнергии.

2. При решении поставленной задачи проведены аналитические исследования процесса отжима изделий в стирально-отжимных машинах с последующей их сушкой в этих же машинах или в сушильно-гладильных вакуумных катках.

В связи с тем, что энергозатраты определяются мощностью потребляемой электроэнергии и продолжительностью процесса, на основании теоретических положений гидродинамики в работе получена формула для определения скорости фильтрации жидкости при центрифугировании, что обеспечило определение требуемой продолжительности процесса отжима.

Показано, что скорость фильтрации определяется известным трехчленом Бернулли и зависит от коэффициента фильтрации, который в свою очередь определяется вязкостью воды, видом текстильных материалов.

При сопоставлении полученной формулы, определяющей скорость фильтрации, с формулой Дарси выяснилось их совпадение при постоянной величине коэффициента фильтрации, определяемого экспериментально.

3. На основании проведенных теоретических исследований разработана математическая модель определения энергозатрат при отжиме и сушке изделий из текстильных материалов.

Математическая модель представляет собой систему уравнений, содержащих ряд управляющих параметров, таких как частота вращения барабана, коэффициент фильтрации, продолжительность процесса отжима. Следовательно, процесс отжима является многофакторным процессом.

С использованием сопоставительного метода оценки качества технических систем разработана целевая функция оптимизации процесса удаления влаги при отжиме изделий в стирально-отжимных машинах (СОМ) и сушке непосредственно в СОМ или в сушильно-гладильных вакуумных катках.

Полученная целевая функция дает возможность оценить влияние конструктивных и технологических факторов на энергоемкость процесса отжима, определить их оптимальные параметры по критерию максимума разности энергозатрат при отжиме изделий в базовом и проектируемом образце. Таким образом, математическая модель и целевая функция представляют собой теоретические и методические основы оптимизации энергопотребления при отжиме и сушке текстильных изделий после их стирки.

4. С целью определения величины коэффициента фильтрации проведены экспериментальные исследования с использованием бытовой стирально-отжимной машины типа «BOSCH WFC 2063 ОЕ».

На основании экспериментальных исследований сделан вывод о том, что при вращении барабана с заданной частотой фильтрация может быть принята, происходящей с постоянной скоростью. Следовательно, коэффициент фильтрации может быть принят постоянным, независящим от времени.

5. Апробация изложенной в диссертации методики определения оптимальных параметров процесса отжима текстильных изделий наглядно иллюстрирует возможности использования ее при выполнении проектных разработок новых стирально-отжимных машин.

Результаты, полученные при проведении данных исследований, могут быть использованы при разработке новых образцов бытовых и промышленных стирально-отжимных машин, а также в учебном процессе.

6. Материалы исследований представлены предприятиям, осуществляющим проектирование и производство стирально-отжимных машин. К их числу относятся Вяземский машиностроительный завод и Пензенский завод коммунального машиностроения.