Совершенствование технологии и оборудования для сушки стланцевой льняной тресты

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

обусловлена необходимостью повышения эффективности работы предприятий по переработке льна и увеличения объёмов производства длинного волокна как сырья для текстильной промышленности.

В последнее время в условиях рыночной экономики вопросы рентабельности производства на предприятиях первичной обработки являются первостепенными для обеспечения текстильной промышленности качественным льноволокном.

Анализ структуры себестоимости продукции льнозаводов выявляет высокий удельный вес затрат, связанных с энергоресурсами. Их доля составляет примерно четверть всего объёма затрат. Наиболее энергозатратной технологической операцией при производстве волокна является сушка стланцевой тресты.

Существующие сушильные машины для лубоволокнистых материалов СКП-1−10ЛУ1, СКП-1−10ЛУ1 и СКП-10КУ1 [1, 2] потребляют пар для подогрева воздуха, следовательно, необходима работающая котельная на территории завода. В этих сушильных машинах установлено от 5 до 8 циркуляционных вентиляторов, что делает их энергоемкими. Трудная экономическая ситуация, заставляет разрабатывать современные энергосберегающие технологии и оборудование для использования их в производстве. При увеличении производительности по испаренной влаги на 19% удельный расход электроэнергии на 1 кг испаренной влаги возрастает в 3,9 раза, а тепловой — в 2 раза [1]. В связи с этим возникла объективная необходимость создания сушильных машин нового поколения с улучшенными технологическими и техническими характеристиками для сушки тресты.

Наряду с этим при использовании в АПК интенсивных механизированных технологий производства льнотресты стал проявляться ещё один недостаток: неэффективная сушка льнотресты, поставляемой на льнозаводы в рулонах, длина стеблей в которых значительно варьируется. В результате этого слой стеблей имеет разную ширину, что ведет к утечкам горячего воздуха по5 мимо слоя, расположенного на сетчатом транспортере сушилки и, как следствие, к снижению эффективности сушки. В результате стебли тресты перед механической обработкой имеют различную влажность и поэтому — различную декортикационную способность. В итоге наблюдается рост уровня недоработанного волокна. Его доведение до ликвидного состояния требует дополнительной обработки. Это приводит к росту волокнистых потерь, снижению качества трепаного волокна и увеличению производственных затрат.

В этой связи задача по разработке новых технологических и технических решений по повышению эффективности процесса сушки льняной тресты является актуальной, способствующей укреплению сырьевой базы отечественной текстильной промышленности.

Актуальность изучаемой темы подтверждается соответствием основным положениям развития отечественного льняного комплекса, отраженных в целевой ведомственной программе «Развитие льняного комплекса России на 2008;2010 годы», утвержденной Минсельхозом РФ 16.06.2008 г., приказ № 261- региональной программы развития льноводства в Костромской области на период до 2014 года, а также планам научных исследований КГТУ.

ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ является повышение выхода длинного волокна за счет совершенствования процесса и оборудования для сушки стланцевой льняной тресты.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— Обзор известных способов и оборудования для сушки льняной тресты, а также анализ опубликованных результатов исследований влияния термо-влажностной подготовки стеблей льняной тресты на результаты ее механической обработки.

— Исследование декортикационной способности стеблей льнотресты по их длине в процессе термовлажностной подготовки. Разработка предложений по совершенствованию процесса сушки льняной тресты и вариантов их технической реализации.

— Создание адекватной компьютерной модели процесса сушки, оценка эффективности предложенных решений и оптимизация параметров процесса методом вычислительного эксперимента.

— Экспериментальное подтверждение технологической эффективности разработанных предложений, разработка рекомендаций по совершенствованию сушильных машины для льняной тресты и оценка их экономической эффективности.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования.

Разработанные математические модели базируются на законе фильтрации Дарси, уравнениях гидродинамики вязкой несжимаемой жидкости, современных моделях турбулентности, заложенных в CAE-систему ANS YS, критериальных уравнениях массообмена при сушке лубоволокнистых материалов, теории математического моделирования и оптимизации. Достоверность полученных результатов обеспечивается обоснованным уровнем абстракции при замене реальных процессов их математическими моделями и подтверждается соответствием полученных теоретических результатов данным контрольных экспериментов.

Обработка экспериментальных данных производилась в среде Lab View 8.5. Результаты ряда экспериментальных исследований согласуются с данными других авторов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

Заключается в разработке теоретических положений для моделирования процесса термовлажностной обработки льна, включающих новые методы расчета параметров процесса и рабочих органов сушильной машины, обеспечивающих рациональное распределения остаточной влаги и формирование технологических свойств по длине стеблей.

В диссертационной работе впервые: 7 по спец. 05.02.13.

— разработана компьютерная модель процесса конвективной сушки льняной тресты, реализованная в среде ANSYS CFX, учитывающая параметры технологического процесса, геометрию сушильной камеры и способ подачи сушильного агента, фильтрационные характеристики слоя тресты с учетом их неоднородности, обеспечивающая возможность оптимизации параметров оборудования и процесса сушки;

— дано теоретическое обоснование новой схемы подвода теплоносителя в слой тресты в камере сушильной машины, обеспечивающей дифференциацию влажности по длине стеблей;

— теоретически определена оптимальная степень рециркуляции сушильного агента для новой схемы сушки, обеспечивающая максимальное снижение удельных затрат тепловой энергии при минимальной потере производительности сушильной машиныпо спец. 05.19.02.

— обоснована необходимость одновременного изменения прочностных и декортикационных свойств по длине стеблей тресты в соответствие с энергетическими затратами на обескостривание по высоте активной зоны трепальной машины;

— дано обоснование нового способа термовлажностной подготовки стеблей тресты с дифференцированным распределением остаточной влажности с учетом особенностей силового нагружения обрабатываемых прядей по высоте поля трепания и формирования требуемых различий технологических свойств по их длине;

Практическая ценность работы и реализация полученных результатов.

В результате выполнения диссертационного исследования разработан автоматизированный лабораторный стенд для исследования процесса сушки лубоволокнистых материалов с программным обеспечением в среде Lab VIEW, 8 используемый в учебном процессе на кафедре «Технология производства льняного волокна» при выполнении выпускных квалификационных работ и магистерских диссертаций.

Обоснован выбор рационального способа подачи сушильного агента в слой тресты, и разработаны рациональные варианты устройства для сушки льняной тресты, защищенных патентами РФ. Определена оптимальная толщина слоя тресты и степень рециркуляции сушильного агента при сушке по предлагаемой схеме, обеспечивающие минимум затрат на сушку единицы массы тресты. Доказана возможность повышения выхода длинного волокна на 1% (абс.) при обеспечении массовой доли костры на уровне стандартных норм.

Рекомендации по совершенствованию конструкции сушильной машины для стланцевой льняной тресты приняты для использования Ивановским механическим заводом им. Г. К. Королёва. Ожидаемый экономический эффект от использования новых технических решений составляет 180 рублей на одну тонну тресты при сроке окупаемости новой машины не более одного года.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и получили одобрение на:

9-й Международной конференции пользователей ANSYS/CADFEM, Москва, 2011 г.;

Всероссийской научно-практической конференции «Реинжиниринг технологических, организационных и управленческих процессов как основа модернизации экономики регионов», Кострома, 2010 г.;

Всероссийской научно-практической конф. «Производственная инфраструктура: экономические, технико-технологические, организационно-управленческие и информационные аспекты», Кострома, 2011 г.- заседании кафедры технологии производства льняного волокна КГТУ,.

2011 г.- заседании семинара по теории машин и механизмов (Костромской филиал семинара по ТММ РАН, секция «Текстильное машиноведение»), 2010,.

2012 г. г.- на расширенном заседании кафедры теории механизмов и машин, деталей машин и проектирования текстильных машин КГТУ 2012 г.- Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий (ЛЕН-2012), г. Кострома, 2012 г.- заседании научно-технического совета ОАО Завод имени Г. К. Королева, г. Иваново, 2013 г.

Публикации.

1. Васильев Ю. В. Компьютерная модель сушки слоя льняной тресты / Ю. В. Васильев, Н. В. Киселев, Е. Л. Пашин // Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности. -2010. -№ 5. -С.28−32.

2. Васильев Ю. В. Исследование свойств льняной тресты от влажности по длине стеблей / Ю. В. Васильев, Е. Л. Пашин, Н. В. Киселев // Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности. -2010. -№ 8. -С.22−23.

3. Васильев Ю. В. Компьютерная модель сушки слоя льняной тресты / Ю. В. Васильев, Н. В. Киселев, Е. Л. Пашин // Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности. -2011. -№ 3. -С. 119−123.

4. Васильев Ю. В. Сравнительная оценка способов подачи воздуха в слой льняной тресты при конвективной сушке / Ю. В. Васильев, Н. В. Киселев, Е. Л. Пашин // Вестник КГТУ. — Кострома: Изд-во КГТУ, -2010. — № 1.

5. Пат. 2 431 095 Российская Федерация, МПК F 26 В 17/04. Установка для сушки льнотресты / Ю. В. Васильев, И. И. Круглий, A.M. Крапостин, Н. В. Киселев, Е.JI. Пашин, В. М. Каравайков. — Опубл. 10.10.2011.

6. Пат. 2 430 319 Российская Федерация, МПК F 26 В 17/04. Установка для сушки льняной тресты / Ю. В. Васильев, A.M. Крапостин, Н. В. Киселев, Е. Л. Пашин. — Опубл. 27.09.2011.

7. Васильев Ю. В. Зависимость прочностных и декортикационных свойств льняной тресты от влажности, степени вылежки стеблей и зоны по их длине / Ю. В. Васильев, Е. Л. Пашин, Н. В. Киселёв // В сб. трудов Между-ной научно-технич. конференции «Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий (Лен-2010), Кострома: изд-во КГТУ,.

2010, с. 13−15.

8. Васильев Ю. В. Компьютерная модель сушки слоя льняной тресты в зоне сушильной машины / Ю. В. Васильев, Н. В. Киселёв, Е. Л. Пашин // В сб. мат. Всероссийской научно-практической конференции «Реинжиниринг технологических, организационных и управленческих процессов как основа модернизации экономики регионов».- Кострома: изд-во КГУ им. Н. А. Некрасова, — 2010 — С. 46.

9. Васильев Ю. В. Автоматизация исследования в среде LABVIEW процесса сушки льняной тресты /Ю.В. Васильев, Н. В. Киселёв //В сб. мат. Всероссийской научно-практической конф. «Производственная инфраструктура: экономические, технико-технологические, организационно-управленческие и информационные аспекты», Кострома, КГУ им. Н. А. Некрасова, 27−28 мая 2011 г., с.25−32.

10. Васильев Ю. В. Оценка технологической эффективности нового способа термовлажностной подготовки льняной тресты / Ю. В. Васильев, Е. Л. Пашин, Н. В. Киселёв // Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве: материалы междун. науч.-техн. конф. / РУП «НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства». — Минск,.

2011.-Том 2, с.78−82. и.

11. Васильев Ю. В. Причины низкой эффективности существующего способа сушки льняной тресты / Ю. В. Васильев, Е. Л. Пашин, Н. В. Киселёв // Научные труды молодых учёных КГТУ / КГТУ. — Вып. 13. Кострома, 2012, с. 13−16.

12. Васильев Ю. В. Экспериментальный стенд для сушки льняной тресты с продувкой горячего воздуха вдоль стебелей / Ю. В. Васильев, Е. Л. Пашин, Н. В. Киселёв, Е. Э. Иванов // В сб. трудов Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий (Лен-2012), Кострома: изд-во КГТУ, 2010, с. 12−13.

13. Пашин Е. Л. Разработка экспериментального стенда для изучения процесса сушки тресты и отходов трепания льна / Е. Л. Пашин, Н. В. Киселев, Ю. В. Васильев, Е. Э. Иванов //Вестник КГТУ. — Кострома: КГТУ, 2012;№ 2 (29), с. 14−17.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ СУШКИ ЛУБОВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Анализ известных способов термовлажностной подготовки стланцевой льняной тресты к её механической обработке в условиях повышенного варьирования свойств льна и роста цен на энергоносители выявил несовершенство существующих на практике сушильных машин: нерациональное использование теплоносителя, большие габариты и масса. Применяемые на практике и разработанные ранее схемы сушки льнотресты требуют использования теплоизолирующих камер и не обеспечивают рационального распределения остаточной влаги по длине стеблей.

2. Предложен новый подход к моделированию процессов конвективной сушки слоевых материалов с использованием САЕ-системы АЫБУБ на основе принципа гомогенизации и критериального уравнения массообмена, что открывает новые возможности для расчета и конструирования сушильных машин.

3. Обоснована целесообразность изменения прочностных и декортикаци-онных свойств по длине стеблей тресты в соответствии с изменением энергетических затрат на их обескостривание по высоте активной зоны (поля трепания) трепальной машины.

4. Экспериментально подтверждено, что улучшение технологических свойств льняной тресты возможно в процессе термовлажностной подготовки стеблей путем дифференцированного распределения остаточной влажности по их длине за счет недосушивания концевых участков стеблей и пересушивания их средней части.

5. Разработана компьютерная модель процесса конвективной сушки льняной тресты, учитывающая параметры технологического процесса, геометрию сушильной камеры и способ подачи сушильного агента, фильтрационные характеристики слоя тресты с учетом их неоднородности, включающая возможность оптимизации параметров оборудования, слоя и процесса сушки, которая может использоваться для модернизации существующей и разработки новой техники для сушки лубоволокнистых материалов.

6. Оценка адекватности модели показала, что отклонение расчетного времени сушки образца льняной тресты от данных эксперимента при плотности слоя 20−80 кг/мЗ и скорости воздуха 0,73−2,5 м/с не превышает 30%, а при плотности слоя не менее 40 кг/мЗ, используемой на практике, снижается до 15%.

7. Моделирование процесса сушки тресты с чисто продольной подачей теплоносителя показало невозможность получения необходимого для улучшения технологических свойств тресты распределения влажности по длине стеблей.

8. Организация подвода теплоносителя в процессе сушки непосредственно к центральной части формирующих слой стеблей, с поджатием слоя в центральной части и чередованием верхней и нижней подачи в смежных секциях сушильной машины позволяет обеспечить требуемую дифференциацию распределения влажности по длине стеблей. По данным вычислительного эксперимента, при использовании данной схемы влажность концевых участков стеблей после сушки сохраняется на уровне 11,4—11,7%, при влажности срединных участков 5,5−5,9%.

9. Увеличение степени рециркуляции для предлагаемой схемы сушки целесообразно до величины 3−3,5, т.к. дальнейшее ее повышение не приводит к существенному снижению энергозатрат, увеличивая время сушки.

10. Определена оптимальная толщина слоя тресты при сушке по предлагаемой схеме, составляющая 150−160 мм, обеспечивающая минимум затрат на сушку единицы массы тресты.

11. При оценке технологической эффективности от применения новой схемы сушки льнотресты на экспериментальном стенде установлена возможность увеличения выхода длинного волокна на 1% (абс.) при обеспечении массовой доли костры на уровне стандартных норм.

12. Расчетный экономической от использования новой сушильной машины, реализующей дифференциацию подсушки по длине стеблей, составляет в условиях одноагрегатного льнозавода 1 937,95 тыс. руб. (или в расчете на одну тонну тресты 180 рублей). При этом срок окупаемости новой машины составит не более одного года.

13. По результатам проведённых исследований, разработок и их проверок для практического использования предложены: компьютерная модель процесса сушки слоевых материалов для обоснования рациональных параметров процесса и конструкции машиныновые технологические схемы рабочих зон модульной сушильной машины, исключающих использование теплоизолирующих камер, различные варианты подачи и обеспечения параметров теплоносителярекомендации для проектирования новой сушильной машины в условиях ОАО «Ивановский механический завод им. Г.К. Королёва».