Анализ эффективности энерготехнологических тепломассообменных процессов во влажном воздухе в текстильной промышленности

По мере развития современного общества неизбежно растет и 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. Поэтому экономия энергоресурсов, снижение энергозатрат в технологических процессах непосредственно приводит к уменьшению себестоимости выпускаемой продукции, что сказывается и на ее конкурентоспособности. Известно, что хорошо организованное энергосбережение может дать эффект, соизмеримый с тем, который дает совершенствование систем производства и распределения энергии, при существенно меньших затратах.

Анализ показывает, что на первом этапе реализации энергосберегающих программ преимущественно внедряются организационно-технические мероприятия, не требующие крупных капиталовложений и позволяющие сократить нерациональное использование энергии. Однако, к настоящему времени это направление практически себя исчерпало, и на втором этапе должны разрабатываться и внедряться новые энергосберегающие технологии и процессы.

Современная текстильная промышленность является одним из крупных потребителей тепловой энергии. Достаточно отметить, что на отделочных предприятиях текстильных производств удельные расходы пара могут достигать 16 кг пара на килограмм выпускаемой ткани. В зависимости от вида тканей и типа волокон на этих предприятиях могут осуществляться такие сопровождающиеся большим потреблением тепла основные отделочные операции как беление, заваривание, крашение, промывка, запаривание, мерсеризация, карбонизация, зреление, сушка, термообработка с целью улучшения эксплуатационных характеристик или придания специальных свойств. Все вышеперечисленные технологические операции за исключением первых четырех протекают в паровоздушных средах с различными концентрациями водяного пара и сопровождаются совместно протекающими процессами конвективного теплои массообмена. Изучение закономерностей протекания процессов такого типа, анализ их энергетической эффективности и разработка новых методов расчета машин и аппаратов, в которых они протекают, -основная задача данной работы.

Большинство известных расчетных методов имеет чисто эмпирический либо полуэмпирический характер [1] и для своей реализации требует предварительного проведения экспериментов. Эти эксперименты проводятся в лабораторных условиях, как правило, при постоянных параметрах воздуха и не учитывают всего многообразия рабочих условий, реализующихся в конкретных технологических установках. Эксперименты же на действующем промышленном оборудовании довольно дороги и недостаточно гибки, поскольку они проводятся, как правило, в форме балансовых испытаний, что затрудняет поиск оптимальных режимов работы и анализ влияния различных конструктивных решений на экономичность установок. В этом плане существенно более гибким представляется метод математического моделирования, который без значительных затрат позволяет изучить влияние режимных и конструктивных характеристик на эффективность тепломассообменных процессов энерготехнологических установок, найти их решение, позволяющее повысить экономичность.

Суть разрабатываемого в работе подхода состоит в том, что система уравнений, описывающих процессы тепломассообмена между влажным материалом и влажным воздухом, замыкается при помощи уравнений сорбции-десорбции. Используемый в этом случае общий принцип можно пояснить следующим образом. Известно, что при решении системы дифференциальных уравнений теплообмена в той или иной форме задается уравнение состояния теплоносителя, например, предполагается постоянство плотности среды. При расчете теплообмена с фазовыми переходами должна быть известна зависимость давления насыщенного пара от температуры. При расчете тепломассообмена с влажными материалами роль такого уравнения равновесия играют уравнения изотерм сорбции и десорбции влаги. Условие термического равновесия предполагает равенство температур влажного материала и влажного воздуха, а условие фазового равновесия — равенство химических потенциалов. Это последнее условие и определяет зависимость влагосодержания материала от давления паров в воздухе (относительной влажности). Такое уравнение получено в работе для широкого круга текстильных материалов. С использованием данного уравнения решен ряд задач расчета тепломассообмена при сушке и увлажнении тонких текстильных материалов при постоянных параметрах влажного воздуха, при прямои противотоке.

Полученные решения позволили без привлечения каких-либо эмпирических или полуэмпирических корреляций обосновать наблюдающийся в опытах при постоянных параметрах воздуха эффект повышения температуры материала в периоде падающей скорости сушки. Кроме того, предложенный метод дал возможность проследить и такие эффекты, которые зафиксировать экспериментально пока еще не удалось. Он также позволил рассчитать изменение параметров влажного материала и влажного воздуха в сушилках, работающих в режимах прямои противотока. Следует отметить, что сравнительные расчеты, проведенные с использованием этого метода при варьировании режимных параметров и конструктивных характеристик, продемонстрировали в ряде случаев их влияние на экономичность процессов сушки. При анализе процессов увлажнения текстильных материалов полученные решения позволили зафиксировать наблюдавшееся экспериментально повышение температуры влажного воздуха, а также предсказать влияние начальных и режимных параметров на интенсивность этих процессов.

Возможности использования предложенного метода не ограничиваются установками для сушки или увлажнения текстильных материалов, он может использоваться и для расчета других энерготехнологических установок, где имеет место тепломассообмен между влажным материалом и влажным воздухом.

Цель работы: Целью работы является создание методов теплотехнического расчета энерготехнологических установок текстильной промышленности и протекающих в них процессов конвективного тепломассообмена, а также поиск на их основе конструктивных и режимных решений, повышающих эффективность тепломассообменного оборудования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получено базирующееся на общем термодинамическом принципе равновесия открытых систем (минимум потенциала Гиббса) уравнение сорбции — десорбции, описывающее с учетом вириального члена тепло-влажностное равновесие ряда текстильных материалов в широком диапазоне изменения температур и значений относительной влажности воздуха. В области малых влагосодержаний обоснована возможность использования уравнения типа изотермы Ленгмюра. Найдены значения констант в этих уравнениях для широкого круга текстильных материалов, что позволило описать равновесие практически во всей гигроскопической области.

2. Предложена замкнутая система дифференциальных уравнений тепломассообмена в режимах прямои противотока, и разработан метод ее решения применительно к процессам сушки и увлажнения. Исследовано влияние начальных и режимных параметров на закономерности протекания этих процессов, в результате которых:

• теоретически обоснован наблюдавшийся экспериментально факт повышения температуры воздуха в процессах увлажнения;

• сопоставлены времена сушки и получены сравнительные характеристики экономичности процессов сушки в режимах прямои противотока.

Практическая ценность:

1. Разработан метод расчета процессов тепломассообмена в работающих в режимах прямои противотока энерготехнологических установках текстильной промышленности, предназначенных для сушки и увлажнения материалов, который может быть использован при проектировании аппаратов с оценкой энергетической эффективности указанных режимов.

2. Полученные уравнения сорбционного равновесия могут быть использованы при проектировании спецодежды, предназначенной для сопровождающейся интенсивным потовыделением работы в условиях повышенных температур.

3. Уравнения сорбционного равновесия могут использоваться при прогнозировании работы технологического оборудования в ткачестве, посколку известно, что механические свойства текстильных материалов существенно зависят от их влагосодержания в процессе переработки.

4. Полученные дифференциальные уравнения для прямои противотока могут использоваться при расчете процесса сушки с использованием низкопотенциального тепла, которое обеспечивает мягкий режим сушки и благоприятно сказывается на качестве высушенного продукта.

Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительным согласованием результатов расчета предложенным методом параметров тепломассообменных процессов как с опытными данными, полученными в работе, так и с опытными данными других авторов.

Апробация работы. Результаты, полученные в ходе выполнения работы, докладывалась на Международной, Всероссийской научно-технических конференциях и конференциях профессорско-преподавательского состава МГТУ им. А. Н. Косыгина.

Содержание работы. Работа состоит из введения и трех глав.

В первой главе проанализированы физические закономерности и известные подходы к описанию равновесия между влажным материалом и влажным воздухом, получено уравнение, описывающее тепло-влажностное равновесие широкого круга текстильных материалов.

Во второй главе приведен критический анализ существующих методов расчета энерготехнологических установок, работающих в режимах прямои противотока. Выполнен расчет процессов тепломассообмена тонких материалов при постоянных параметрах влажного воздуха применительно к процессам увлажнения и сушки. Для последнего из указанных процессов результаты расчета сопоставлены с опытными данными.

В третьей главе получена замкнутая система уравнений, описывающая изменение параметров влажного воздуха и влажного материала в процессах увлажнения и сушки в режимах прямои противотока. Проведен сравнительный анализ эффективности процессов сушки в этих режимах.

Публикации. По вопросам, связанным с данной работой, имеются публикации:

1. E.JI. Волочаева Модель теплопроводности волокнистого материала. // Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль — 2001): Тез. докл. Всероссийская науч.-техн. конф. — М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2002. — С.171

2. Использование низкопотенциального солнечного тепла для сушки сельскохозяйственной продукции. Корнюхин И. П., Жма-кин Л.И., Ларина Е. Л. Труды 3 международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» ч.4, М. — ГЬТУ ВИЭС, 2003. стр. 124−129.

3. Корнюхин И. П., Жмакин Л. И., Ларина Е. Л. Сушка тонких текстильных материалов при постоянных и переменных параметрах влажного воздуха. Деп. в ВИНИТИ №−985-В2003 от 22.05.03

4. Корнюхин И. П., Жмакин Л. И., Ларина Е. Л. Увлажнение тонких текстильных материалов при постоянных и переменных параметрах влажного воздуха. Деп. в ВИНИТИ №−986-В2003 22.05.03

Выводы.

1. Разработан метод описания равновесия во влажном воздухе текстильных материалов при сорбции и десорбции влаги в широком интервале изменения температур, для чего:

• предложено основанное на известном термодинамическом принципе — минимуме энергии Гиббса — уравнения равновесия с учетом вирриального коэффициента и найдены константы этого уравнения;

• на основе молекулярно-кинетического подхода с привлечением аналогии с изотермой Ленгмюра получены уравнения, описывающие равновесие в области малых влагосодержаний;

• с помощью этих двух уравнений непрерывно, вплоть до равенства производных удалось описать межфазное равновесие практически во всей гигроскопической области и при изменении относительной влажности воздуха от 0 до 1, что подтверждено сопоставлением с опытными данными.

2. Введено представление массообменного числа Био с учетом различия потенциалов переноса во влажном материале и влажном воздухе.

3. Введено понятие о тонком влажном материале как материале, для которого процесс тепломассообмена протекает при малых по сравнению с единицей значениях теплои массообменного чисел Био.

4. Экспериментально исследован процесс сушки и увлажнения тонких текстильных материалов при постоянных параметрах влажного воздуха.

5. Установлено, что результаты расчетов процесса сушки тонких текстильных материалов базирующиеся на использовании полученного уравнения равновесия хорошо согласуются как с полученными в работе опытными данными, так и с данными других авторов.

6. Впервые выполнен сравнительный анализ процессов сушки в режимах прямо — и противотока, для чего:

• предложена система уравнений энергии и массообмена для влажного материала и влажного воздуха для расчета процесса сушки в режимах прямои противотока, которые замыкаются с помощью полученного в работе уравнения межфазного равновесия;

• методом Рунге-Кутты-Мерсона с автоматическим выбором шага решена система уравнений как задача Коши для режима прямотока и путем сведения краевой задачи к задаче Коши при помощи итераций для режима противотока;

• дан сравнительный анализ влияния режимных параметров на закономерности изменения параметров влажного материала и влажного воздуха при сушке в режимах прямои противотока;

• установлено, что продолжительность процесса сушки до кондиционного влагосодержания при противотоке меньше, чем при прямотоке при прочих равных условиях, причем с ростом расхода и начальной температуры влажного воздуха различие во времени сушки в указанных режимах уменьшается;

• сформулирован критерий, позволяющий приближенно оценить границы области, в которой существенно влияние режима на продолжительность процесса сушки;

• установлено, что суммарные затраты теплоты на высушивание материала до кондиционного влагосодержания меньше при противотоке несмотря на более высокую температуру уходящего воздуха.

7. Впервые выполнено моделирование процессов увлажнения тонких текстильных материалов в режимах прямои противотока при этом:

• использована та же система уравнений, что и для процесса сушки, но с заменой параметров уравнения равновесия соответствующими значениями для процесса сорбции;

• получены зависимости изменения во времени параметров влажного материала и влажного воздуха;

• установлено, что в процессе увлажнения материал может нагреваться до температур, превышающих температуру воздуха, в результате чего температура воздуха растет, что ранее наблюдалось другими авторами на промышленных установках.