Исследование резонансного метода интенсификации теплообмена в сушильных цилиндрах бумагоделательных машин

Интенсификация процессов сушки бумажного полотна является важной проблемой в целлюлозно-бумажной промышленности. Из существующего многообразия устройств, интенсифицирующих процесс теплообмена внутри сушильных цилиндров, широкое распространение в настоящее время имеют планки (термопланки, ребра, spoiler bars).

Необходимость их применения обусловлена большим термическим сопротивлением кольцевого конденсатного слоя на внутренней поверхности цилиндров контактных сушильных установок скоростных бумагоделательных маши (БДМ).

Принцип действия планок заключается в организации в конденсатном слое, движущемся к месту забора в канале, образованном гранями соседних планок и внутренней поверхностью цилиндра, резонансного волнового колебания, приводящего к турбулизации конденсата и вызывающего снижение его термического сопротивления. Данный метод интенсификации назовем резонансным.

На настоящий момент все теоретические подходы к изучению резонансного метода основываются на предположении, что конденсат является идеальной жидкостью, не имеющей реальных физических свойств (вязкости, плотности, поверхностного натяжения). Такого рода предположение существенно упрощает математическое описание явления, но при этом возникают трудности практического порядка, связанные с определением реальных условий возникновения и существования резонанса.

Таким образом, актуальными являются:

• разработка математического описания волнового движения тонкого слоя конденсата (с учетом его реальных физических свойств) на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра;

• определение реальных условий организации резонанса в тонком слое конденсата, движущегося в инерционно-гравитационном поле.

• разработка расчетного метода установки планок с целью создания резонанса конденсатного слоя, движущегося на внутренней поверхности сушильного цилиндра, и, как следствие, значительного увеличения теплопроводности этого конденсатного слоя.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является интенсификация теплообмена в сушильных цилиндрах БДМ путем выявления и устранения недостатков при использовании резонансного метода, связанных с неучетом реальных физических свойств конденсата.

В этой связи сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработка дифференциальных уравнений гидродинамики волновых течений тонких слоев вязкой жидкости на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра.

2. Определение области существования волновых течений и реализуемых (оптимальных) параметров для этих течений.

3. Определение условий резонанса волновых течений тонких слоев вязкой жидкости на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра.

4. Разработка и создание экспериментальной установки для изучения термогидродинамических процессов на внутренней поверхности сушильного цилиндра.

5. Проведение исследования влияния планок на процессы теплообмена в сушильных цилиндрах БДМ с целью анализа и обобщения базы экспериментальных данных.

6. На основе вышеизложенного разработка инженерных методов для проектирования и установки турбулизирующих планок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе системы дифференциальных уравнений гидродинамики и соответствующих граничных условий выведено дифференциальное уравнение движения тонких слоев вязкой жидкости на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра.

2. Впервые получены основные зависимости, характеризующие движение вязкой жидкости в условиях (см. п. 1.), и формулы, определяющие расстояние между планками, при котором возникает резонанс вязкого конденсатного слоя и значительное увеличение его эффективной1 теплопроводности.

1во всех случаях (здесь), когда речь идет о теплопроводности жидкости, имеется в виду эффективная теплопроводность, учитывающая молекулярный, конвективный, волновой и турбулентный перенос тепла.

3. Теоретически установлена и впервые подтверждена экспериментально возможность использования второй гармоники для организации резонансного колебания вязкого слоя жидкости в указанных условиях.

Практическая ценность работы. На основе проведенных исследований разработаны следующие рекомендации для практического использования, позволяющие значительно повысить интенсификацию теплообмена в сушильных цилиндрах Б ДМ:

• предложено интенсифицировать теплопроводность конденсатного слоя на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра за счет установки планок. Это ведет к росту полного коэффициента теплопередачи от пара к бумажному полотну, что позволяет сократить поверхность теплообмена при неизменной производительности машины;

• организация резонансного колебания конденсатного слоя за счет второй гармоники вынужденных колебаний позволяет увеличить расстояние между планками и тем самым значительно сократить их количество без снижения эффективности использования резонансного метода интенсификации теплообмена;

• размещение планок в местах максимальной влажности бумажного полотна по длине цилиндра позволяет увеличить равномерность поперечного профиля влажности бумаги;

• в цилиндрах с планками предложено использовать сифоны более простых и надежных конструкций с большим зазором между внутренней поверхностью и головкой сифона без увеличения термического сопротивления сушке со стороны конденсатного слоя.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы приняты к внедрению в 1999 г. на ОАО «Волга» (Балахнинский целлюлозно-бумажный комбинат).

Достоверность результатов подтверждается сравнением результатов расчетов, выполненных по полученным теоретическим зависимостям, с собственными экспериментальными данными и с экспериментальными данными других исследователей.

Автор защищает:

1. Математическую модель, описывающую гидродинамику волнового течения тонких слоев вязкой жидкости на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра.

2. Способ расчета (формулу) расстояния между планками, необходимого для организации режима резонанса слоев конденсата и значительного снижения их термического сопротивления с учетом реальных физических свойств жидкости: вязкости, плотности, поверхностного натяжения.

3. Способ установки планок на внутренней поверхности сушильного цилиндра при использовании второй гармоники вынужденных колебаний жидкости с сохранением эффективности резонансного метода интенсификации теплообмена.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «VIII Бенардосовские чтения», Иваново, ИГЭУ, 1997 г., Юбилейной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования», Иваново, ИГЭУ, 1997 г., на научно-методических семинарах кафедры ПТЭ ИГЭУ в 1996;99 гг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Теоретические и экспериментальные результаты работы заключаются в разработке практических рекомендаций по использованию резонансного метода интенсификации теплообмена в сушильных цилиндрах БДМ и могут быть представлены в виде следующих основных выводов:

1. Аналитически исследован резонансный метод интенсификации теплообмена в сушильных цилиндрах скоростных бумагоделательных машин. Выведено дифференциальное уравнение движения тонких слоев вязкой жидкости на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра. Определена область существования периодического решения. Выведено замыкающее уравнение. Определены условия возникновения и существования резонанса тонкого слоя конденсата с учетом его реальных физических свойств.

2. Получена расчетная зависимость для установки планок с целью их наиболее эффективного использования, согласно которой расстояние между планками зависит не только от радиуса цилиндра и толщины конденсатного слоя, но и от всех физических свойств жидкости: вязкости, плотности, поверхностного натяжения. Учет этих факторов ведет к увеличению расстояния между планками.

3. Установлена возможность использования второй гармоники вынужденных колебаний конденсатного слоя, которая позволяет увеличить расстояние между планками и тем самым значительно сократить их количество с сохранением эффективности резонансного метода интенсификации теплообмена.

4. Разработана и создана экспериментальная установка, на которой проведено исследование термогидродинамических процессов на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра.

5. Сравнение полученных в работе теоретических зависимостей с собственными экспериментальными данными и с экспериментальными данными других авторов подтверждают положения, обозначенные в пунктах 13 заключения.

6. Результаты проведенных исследований позволяют значительно повысить эффективность использования планок в сушильных цилиндрах БДМ, как за счет снижения текущих и капитальных затрат при производстве бумаги, так и за счет повышения качества выпускаемого бумажного полотна.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ*.

Латинский алфавит: а — надежностьс — скорость распространения волныg — ускорение свободного паденияh — переменная толщина слоя жидкостиho — средняя толщина слоя жидкостиhn — естественная толщина слоя жидкости;

К — эффективная теплопроводность слоя конденсата при его плоском теченииК. — эффективная теплопроводность слоя конденсата при его волновом теченииL — длина сушильного цилиндра- 1 — расстояние между соседними планкамиm — массовый расход конденсатап — отношение периода собственных колебаний к периоду возмущающей силы (номер гармоники) — пх, пу — единичный вектор нормали к поверхности раздела в направлении осей х и у соответственно;

Q — объемный расход жидкостиf — скрытая теплота парообразования;

R — внутренний радиус сушильного цилиндра;

Ri — радиус кривизны поверхности раздела;

1размерности физических величин соответствуют Международной системе единиц измерения СИ. Случаи отступления от системы СИ специально оговорены с указанием используемой единицы измерения.

8 — среднеквадратичное отклонение- - время;

Х — температура дистиллята на входе в цилиндрвн. — температура внутренней поверхности сушильного цилиндранар. — температура наружной поверхности сушильного цилиндра- - коэффициент Стьюдентаи0 — средняя скорость движения слоя жидкостиих, иу — составляющие скорости движения конденсата в направлении осей х и у соответственнох, у, ъ — декартовые координаты;

W — объем конденсата в полости цилиндраобъем полости цилиндраЯе — критерий РейнольдсаБг — критерий ФрудаWe — критерий Вебера.

Греческий алфавит: а — амплитуда волны;

0С1 — коэффициент теплоотдачи от пара к стенке цилиндраа, 2 — коэффициент теплоотдачи от стенки цилиндра к бумажному полотну;

А<�х — угол между векторами силы тяжести и центробежной силы;

3 = ¥-/Уц — степень заполнения цилиндра жидкостьюу — относительная погрешность- 5СТ. — толщина стенки цилиндра- - коэффициент теплопроводности конденсатного слоя при его плоском течении- - коэффициент теплопроводности конденсатного слоя при его волновом течении;

X — длина волны;

А, сх. — коэфициент теплопроводности стенки цилиндра- 1 — динамическая вязкостьV — кинематическая вязкостьр — плотность жидкостиа — поверхностное натяжениех — времяф — возмущение поверхности разделар2(ь Ф21 ~ коэффициенты тригонометрического рядасо — частота вращения цилиндра.