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

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 °C составляет 28−30сек, а при 160 °C 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 теплои массообмена между влажным материалом и перегретым водяным паром. В работе [1] обоснованно указавается, что при рассмотрении общей картины внешнего теплои массообмена в процессах термообработки влажного материала в среде перегретого пара законченной теории, описывающей всю совокупность движущих сил теплои 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 теплои массообмен в среде перегретого водяного пара.

Цель исследования — разработать теоретически и проверить экспериментально метод расчета теплои 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 «Тепломассообменное оборудование предприятий» 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 «Закономерности процессов испарения влаги и сушки тонких материалов в перегретом водяном паре». 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 «Сушка ткани перегретым паром». Корнюхин И. П., Жмакин Л. И., Козырев И. В., Коротин А. О. Международная научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ — 2006). МГТУ им. А. Н. Косыгина. Москва. 2006 год.

Публикации. По теме диссертации опубликованы:

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

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

3. Статья «Закономерности процессов испарения влаги и сушки тонких материалов в перегретом водяном паре». 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 «Сушка ткани перегретым паром» в материалах Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (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 «Закономерности сушки тонких материалов перегретым паром» в материалах 58-й научно-технической конференции «Студенты и молодые ученые КГТУпроизводству». 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 °C 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.