Исследование тепломассообмена в среде перегретого водяного пара в энерготехнологических установках текстильной промышленности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Коротин, Андрей Олегович

• Коротин, Андрей Олегович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Коротин, Андрей Олегович

ВВЕДЕНИЕ.4стр.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Методы расчета тепломассообмена тонких текстильных материалов во влажном воздухе.13стр.

1.2 Межфазное равновесие между паром и влажным материалом.30стр.

1.3 Методы расчета тепломассообмена тонких текстильных материалов в перегретом паре.37стр.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

2.1 Тепло- и массообмен в процессах обработки тонкого текстильного материала в среде перегретого водяного пара.46стр.

2.2 Решение системы дифференциальных уравнений и анализ закономерностей тепломассообмена между влажным материалом и перегретым паром.58стр.

2.3 Упрощенный оценочный метод расчета процесса тепломассообмена в среде перегретого пара.80стр.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В СРЕДЕ ПЕРЕГРЕТОГО ПАРА

3.1 Экспериментальная установка для исследования тепломассообмена в процессах обработки влажного материала перегретым паром.85стр.

3.2 Порядок проведения экспериментов.90стр.

3.3 Сопоставление результатов расчета и эксперимента, их обсуждение и анализ.91стр.

3.4 Теплотехнический расчет зрельника, для влажностно-тепловой обработки текстильного материала в среде перегретого водяного пара.95стр.

ВЫВОДЫ.102стр.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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°С составляет 28-30сек, а при 160°С 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 тепло- и массообмена между влажным материалом и перегретым водяным паром. В работе [1] обоснованно указавается, что при рассмотрении общей картины внешнего тепло- и массообмена в процессах термообработки влажного материала в среде перегретого пара законченной теории, описывающей всю совокупность движущих сил тепло- и 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 тепло- и массообмен в среде перегретого водяного пара.

Цель исследования - разработать теоретически и проверить экспериментально метод расчета тепло- и 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 № 05-08-01222а.

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 2006г.

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, 2006г. 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 2006г.

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 КГТУ -производству». 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.

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Коротин, Андрей Олегович

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°С 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.

104

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Коротин, Андрей Олегович, 2008 год

1. Михайлов Ю.А. Сушка перегретым паром. М.: Энергия, 1967.

2. Корнюхин И.П., Жмакин Л.И. Тепломассообмен в пористых телах. М: Информэлектро, 2000.

3. Корнюхин И.П., Жмакин Л.И. Расчет процесса сушки тонкого капиллярно-пористого коллоидного материала. Известия Российской АН. Сер. Энергетика № 4, 1997.

4. Корнюхин И.П., Жмакин Л.И. Сушка тонкого материала в режимах прямотока и противотока. Известия РАН. Энергетика № 4, 2000.

5. Meunier J., Munz R.J. Flash drying with superheated steam a mathematical model. // Drying'86 (Proceeding 5-th International Symposium), Washington: Hemisphere, 1986.

6. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964.

7. Больцман Л. Лекции по теории газов. М.: ГИТТЛ, 1953.

8. Коган М.Н. Динамика разреженного газа. М.: Наука, 1967.

9. Кошмаров Ю.А., Рыжов Ю.А. Прикладная динамика разреженного газа. М.: Машиностроение, 1977.

10. Лабунцов Д.А. Неравновесные эффекты при испарении и конденсации. // Тепло- и массоперенос при интенсивном конвективном и лучистом нагреве. Минск, ИТМО им. Лыкова, 1977.

11. Лабунцов Д.А., Муратова Т.М. Об учете движения при испарении и конденсации. // Теплофизика высоких температур. 1969, т. 7, № 6.

12. Муратова Т.М., Лабунцов Д.А. Кинетический анализ процессов испарения и конденсации //Теплофизика высоких температур. 1969, т. 7, № 5.

13. Лабунцов Д.А., Крюков А.П. Процессы интенсивного испарения //Теплоэнергетика, 1977, № 4.

14. Labuntsov D.A., Kryukov A.P. Analysis of intensive evaporation and condensation. // Int. J. Heat and mass transfer, 1979, v. 22, N 7.

15. Жданов B.M., Апиевский М.Я. Процессы переноса и релаксации в молекулярных газах. М.: Наука, 1989.

16. Кузнецова И.А., Юшканов А.А., Яламов Ю.И. Сильная конденсация молекулярного газа. // Механика жидкости и газа, №6, 1977.

17. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Молекулярная физика. М.: Физматгиз, 1963.

18. Вукалович М.П., Новиков И.И. Техническая термодинамика. М.: Госэнергоиздат, 1955.

19. Александров А.А., Григорьев Б.А. таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. М.: МЭИ, 1999.

20. Grad Н. Communications on pure and applied mathematics, v.2, N 4, 1949. (Сб. переводов Механика, 1952 вып. 4 )

21. Лабунцов Д.А. Анализ процессов испарения и конденсации. Теплофизика высоких температур. 1967, т.5, № 4

22. Лыков М.В. Сушка в химической промышленности. М.: Химия, 1970.

23. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968.

24. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1975.

25. Берд Р., Стюарт В.,Лайтфут К. Явления переноса. М.: Химия, 1974

26. Таблицы физических величин: справочник. Под ред. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976.

27. Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Л.: Химия, 1982

28. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Физматгиз, 1963.

29. Бунин О. А., Мал ков Ю.А. Машины для сушки и термообработкиткани М.: Машиностроение, 1971.

30. Курс физической химии / под ред. Я.И. Герасимова, т.1, М.: Химия, 1966.

31. Ольшанский А.И., Бром Е.Л. К определению скорости сушки материалов // Известия вузов. Технология легкой промышленности. 1975, №4.

32. Красников В.В., Данилов В.А. // Инженерно-физический журнал. 1966, т. 11, №4

33. Marshall W.R. Drying.//Encyclopedia of chemical technology. Ed. KirkR.E., Othmer D.F.- v.5. 1954.

34. Филоненко Г. К. Кинетика сушильных процессов. Оборониздат, 1939.

35. Бунин О.А. Определение продолжительности сушки ткани //Сб. научно-исследовательских трудов Ивановского Энергетического института. 1958, вып.8. С. 165.

36. Сажин Б.С., Реутский В.А., Журавлева Т.Ю. Метод расчета кинетических характеристик процесса конвективной сушки волокнообразующих полимеров//Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 1988, №2.С.79-82.

37. Rowen Н. Evaluation of driing times, drying rates and evaporative fluxes when drying wood with impinging jets// Proceedings 1-st international symposium on drying. Princeton: Science Press-1978. pp. 192-198.

38. Ефремов Г.И., Сажин Б.С. Вероятностная интерпритация зависимостей кинетики сушки тканей// Известия вузов. Технологиятекстильной промышленности. 1998, №3.

39. Бунин О.А. Исследование конвективной сушки ткани// Научно-исследовательские труды ИвНИТИ. 1963, т.26.С.238-283.

40. Militzer К.-Е., Straus R., Brink Е. Die kinetik der troknung und anderer festfuidstoffaustausehprozesse// Wiss. Z. Techn. Univ. Dresden. 1976, bd.25, №4, s.862-867.

41. Ольшанский А. И., Ольшанский В.И. Тепловлагообмен в процессе конвективной сушки искусственной кожи// Известия вузов. Технология легкой промышленности. 1977, №1. С.54-60.

42. Кришер О. Научные основы техники сушки. М.: Инлитиздат, 1961.

43. Пасько А.П., Коновалов В.И. О решениях основного уравнения кинетики сушки тонких материалов при конвективно-радиационном обогреве// Труды МИХМ: Процессы и оборудование химических производств. 1972, вып.46.

44. Коновалов В.И. Об использовании решений дифференциального уравнения теплового баланса для описания кинетики сушки и нагрева текстильных материалов резинотехники// Тепло- и массоперенос, ИТМО АН БССР, Минск, 1971, т. 10, ч.2. С.149-154.

45. Коновалов В.И., Романков П.Г., Соколов В.Н. Приближенные модели кинетики конвективной сушки тонких материалов// Теоретические основы химической технологии. 1975, т.9, №2. С.203-209.

46. Куц С.П., Шкляр В.Я., Шкляр Я.В. Кинетика конвективной сушки материалов, применяемых в легкой промышленности, сообщение 1// Известия вузов. Технология легкой промышленности. 1989, т.32, №5. С.57-61.

47. Куц С.П., Шкляр В.Я., Шкляр Я.В. Кинетика конвективной сушки материалов, применяемых в легкой промышленности, сообщение 2// Известия вузов. Технология легкой промышленности. 1989, т.32,108 х6. С.39-42.

48. Жучков П.А. Тепло- и массоперенос в процессах сушки тонких материалов при переменных режимах и совмещенных методах подвода тепла// Тепло- и массоперенос, ИТМО АН БССР, Минск, 1972, т.6. С. 124-133.

49. Wiegerink J.G. Moisture relation of textile fibres atelevated temperatures //Journal of Research NBS, v.24, №6, 1940.

50. Краснощекое E.A., Сукомел A.C. Сборник задач по физике М.: Энергия, 1980.

51. Корнюхин И.П., Жмакин Л.И., Козырева Л.И. Уравнение сорбционного равновесия текстильных материалов в широком диапазоне изменения температуры и влажности воздуха // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. 2000, №6.