автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Кинетика сушки волокнистых материалов резинотехнической промышленности

РГ6 ол

На правах рукописи

ХАНУНИ Самех Сейф Саллам

КИНЕТИКА СУШКИ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ РЕЗИНОТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Специальность 05.17.08 "Процессы н аппараты химической технологии"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов -1997

Работа выполнена на кафедре "Процессы и аппараты химической технологии Тамбовского государственного технического университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки и техники РФ КОНОВАЛОВ Виктор Иванович

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент

ТУГОЛУКОВ Евгений Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кандидат технических наук, доцент

ФРОЛОВ Владимир Федорович КЛИНКОВ Алексей Степанович

Ведущая организация: Тамбовское АО "Полимермаш"

Защита диссертации состоится ^&1997 г. в ауд. 60, ул.

Ленинградская, 1, в часов на заседании диссертационного совета

К064.20.01 Тамбовского государственного технического университета. Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392620, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТГТУ. Автореферат разослан /-/(^¿Гр^_¡997 г

Ученый секретарь

диссертационного совета, доцент В.М. Нечаеи

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Волокнистые материалы из химических и природных волокон широко, применяются в резинотехнической, резино-асбестовой и шинной промышленности, а также во многих других отраслях народното хозяйства. Широко используются, например, различные ткани из полимерных и Натуральных волокон, промазанные клеями или покрытэжхз-Оые другим'и составами на основе органических растворителей. При обработке медицинских, пищевых и других продуктов широко применяются стерилизующие и фильтровальные пластины из смесей различных волокон, в том числе целлюлозы и асбеста, обладающего уникальными сорбционными и стерилизующими свойствами. (Специальными исследованиями, проведенными в последние годы в России и в Индии, а также в других странах, показано, что при соблюдении правильного обращения асбест не попадает в организм, и его применение совершенно безвредно).

При обработке все эти материалы и изделия подвергаются сушке, которая во многом определяет качество продукции, экономику и экологическую безопасность производства. Вместе с тем, физический механизм и кинетические особенности многих процессов сушки, особенно таких, как сушка от органических растворителей, сушка смесевых композиций, сушка материалов на подложке и ряда других, применяемых в полимерной промышленности, изучены недостаточно. Это сдерживает совершенствование сушильных процессов и оборудования, и поэтому поставленная проблема имеет большую практическую актуальность. Такие исследования представляют и самостоятельный научный интерес, так как методологическая общность возникающих проблем тепло- и массопереноса характерна для многих процессов в разных отраслях промышленности.и естествознания. : 1 .

Вышесказанное определяет актуальность настоящей работы в "целом.

Тема исследований связана с Координационным планом АН России по Теоретическим основам химической технологии (тема 2.27.2.8.12 планов на 19911995 и на 1996-2000 годы).

Эта работа актуальна также для Йеменской Республики, так как во многих отраслях хозяйства в Йемене используются аналогичные процессы и аппараты.

Цель работы. Изучение физического механизма и кинетических особенностей сушки волокнистых материалов в широком диапазоне скоростей обдува воздухом, испарения органических растворителей, сушки смесевых композиций из разных волокон, сушки материалов на подложке; разработка инженерных методов их расчета; выработка практических рекомендаций по совершенствованию исследуемых способов сушки и сушильной аппаратуры.

Объекты исследования. Проведено большое число экспериментов как по отдельным, так и по комбинированным процессам нагрева, испарения и сушки для различных волокнистых материалов, воды и растворителей, применяемых в промышленности, а также для модельных и эталонных материалов.

Научная новизна. На основе анализа механизма процессов и обработки полученных экспериментальных данных предложены способы учета определяющего размера в различных условиях обдува, в широком диапазоне скоростей воздуха, влияния рельефа поверхности, влияния начального влагосодержания, влияния свободной, гигроскопической и связанной влаги и других особенностей внешнего и внутреннего тепло- и массопереноса. Подтверждено отличие кинетической температуры мокрого термометра от термодинамической температуры адиабатического насыщения при испарении растворителей и показана возможность корреляции характеристик тепло- и массоотдачи с помощью безразмерного комплекса, учитывающего кинетическое взаимодействие процессов теплоот-

дачи и массоотдачи. Предложены способы аппроксимации коэффициентов теплоотдачи в процессе сушки и учета перепада температур по толщине материала, Выявлены особенности сушки смесевых волокнистых композиций и сушки материалов на подложке.

Практическая ценность. Предложены усовершенствованные методики инженерного расчета: интенсивности испарения органических растворителей, температуры и влагосодержания волокнистых материалов в процессе конвективно! сушки, сушки смесевых композиций.

Предложены возможности совершенствования сушильных процессов и обо рудования для обработки волокнистых материалов: путем более точного расчет; кинетики сушки и нагрева и выбора предпочтительных вариантов процессов i аппаратов; рациональным выбором подложки при сушке двухслойных материа лов; возможностью рециркуляции воздуха в клеепромазочных машинах; воз можностыо интенсификации сушки и экономии энергозатрат.

Материалы работы предложены доя практического использования в Там бовские АО "Завод АРТИ", "НИИРТмаш" и "Полимермаш".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатных работы.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти основных глав выводов, списка литературы из 121 наименования и приложений. Названия раз делов в диссертации и автореферате совпадают.

Работа является продолжением комплекса исследований, проводимых ] ТГТУ и НИИРТмаше под научным руководством профессора В.И.Коновалова в том числе диссертационных и аспирантских работ Е.Н.Туголукова Н.Ц.Гатаповой, В.В.Косых и В.Н.Затоны. Всем им, а также В.М. Нечаеву А.А.Фролову, А.Н.Пахомову, И.Л.Коробовой, Е.А.Сергеевой, С.В.Понома реву, М.И. Лебедевой, В.И.Ляшкову и другим сотрудникам ТГТУ автор выра жает благодарность за помощь в работе.

Особо автор благодарен за всестороннюю поддержку ректору ТГТУ профес сору С.В.Мищенко.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Введение

Во введении сформулированы направление исследований и цель работы практическая и научная актуальность, связь с координационными планами PAt и планами НИР ТГТУ, показан интерес для Йеменской Республики, дана анно тация основных результатов работы, показана научная новизна и прикладна значимость, отмечена достоверность результатов, рекомендованы возможност: практического использования результатов работы в промышленности и в рас четной инженерной практике.

2. Процессы обработки волокнистых материалов резинотехнической,

резино-асбестовой и шинной промышленности и задачи их совершенствовани!

2.1. Выполнен обзор основных разновидностей процессов обработки воло* нистых материалов и конструктивно-технологических особенностей сушильнс термического оборудования. Схемы клеепромазочной машины (КП1у "шпрединг-машина") и сушилки для стерилизующих и фильтровальных пласти приведены в диссертации. Для крупномасштабных производств применяютс сложные поточные технологические линии.

К общим производственным проблемам для рассматриваемого оборудов; пия относятся: обеспечение высокого качества продукции; пожаро-взрыве безопасность, особенно при использовании органических растворителей; 3nej

гетическая экономичность, особенно при отсутствии рециркуляции воздуха; рекуперация выбросов и эколошчность.

2.2. Далее в обзоре рассмотрены основные особенности и задачи разработан теоретических и прикладных методов исследования, расчета и проектирования изучаемых сушильно-термических процессов.

Решение которых позволяет, в свою очередь, решать многие производственные проблемы, перечисленные в разделе 2.1.

Основными задачами настоящей работы, которые были поставлены на основе проведенного обзора и выполненных ранее исследований, являлись:

- изучение физического механизма и кинетических особенностей сушки волокнистых материалов в широком диапазоне скоростей обдува воздухом, испарения органических растворителей, сушки смесевых композиции из разных волокон, сушки материалов на различных подложках;

- разработка инженерных методов их расчета;

- выработка практических рекомендаций по совершенствованию исследуемых способов сушки и сушильной аппаратуры.

3. Теоретические вопросы сушилыю-термнческой обработки волокнистых материалов

3.1. Рассмотрена общая аналитическая постановка задач переноса теплопроводностью и диффузией в процессах конвективной или конвективно-радиационной сушки плоских материалов.

Приближенно, как показали ранее выполненные работы, в первом периоде сушки испарение можно считать поверхностным, а во втором периоде сушки -внутренним (объемным). Это позволяет учитывать сток тепла на испарение влаги, соответственно, введением "эквивалентных" граничных условий ГУ-3 экв, аналогичных по форме обычным ГУ-3, и использованием "эффективной" теплоемкости сэкп.

В результате получаем общую постановку задач градиентного переноса тепла и вещества в следующем виде.

2

у;

Р(х, т); А; В

у~

Основное дифференциальное уравнение переноса (ОДУП, I слой, рис. 1):

дР(х, т) _ д2Р(х, т)

дт

Рис. 1. Один слой (однородные ГУ-3)

} г.; Рс

Поток (тепла или вещества) в теле: дР(х, т)

/ = -В

x^

дх

?,(х,, т); А,; В,

¡'-Ал, Аъ в2

г,Рс.

В уравнениях (1), (2) и далее, для теплопереноса

Р =Т\ А з а = —-; В = Х\ у = а; ср

для мпссопереноса

(1)

(2)

(3)

Рис.2. Два слоя (неоднородные или однородные ГУ-3)

Р ЕЕ С- А г В = £>; у = р. (4)

Начальные условия (НУ) могут быть:

однородными Р(х,0) = Р0; (5а)

произвольными' Р{х,0) = /(х);' : (56)

или заданными функционально по конечным условиям (КУ) предыдущей временной зоны:

Р(х,-1*3,1-1) = ^-снз,;)' (5в)

Граничные условия (ГУ) на внешних поверхностях х„, чаще всего 3-го рода (ГУ-3):

+ (6) Для двух слоев (рис.2) ОДУП, НУ и ГУ аналогичны.

Стыковые условия (СУ) при принимаемом идеальном контакте между слоями:

дР^Л Ьт) <^2(0,т)

(7)

Л(Л,,х)= (8)

В уравнениях (6) и (8) звездочка * означает равновесие при массопереносе и равенство при теплопереносе.

Решение системы ДУП (1) (8) возможно аналитическими или численными методами.

Нелинейные задачи (в которых дополнительно Я. или О в уравнении (I) не выносятся за знак производной) аналитически, как правило, не решаются. ,

Однако существует эффективный интервальный метод, разрабатываемый на кафедре ПАХТ ТГТУ (В.И.Коновалов, Е.Н.Туголуков), позволяющий использовать аналитические решения для сложных инженерных задач теплопроводности и диффузии. Во многих случаях он имеет существенные преимущества перед численными методами решения.

В настоящей работе приведены такие решения для двух конкретных задач сушки 1-но и 2-х слойных материалов. Решения получены методом конечных интегральных преобразований.

Все характеристики переноса при такой постановке - "эффективные" (или "эквивалентные"), учитывающие наличие нескольких механизмов переноса, их взаимовлияния и зависимость от Р. Для всего процесса они принимаются кусочно-ступенчатыми, а для каждой временной зоны (Дт, = т>, ю - т,, ш) - постоянными.

Интервал по времени Дт,- выбирается достаточно малым для обеспечения приемлемой для инженерных расчетов точности.

Подробные решения, алгоритмы, программы для персональных компьютеров и примеры расчетов приведены в диссертации.

Для учета взаимосвязи между теплопереносом и массопереносом вводятся дополнительные соотношения, например, температурно-влажностные зависимости Тн (!/„)), являющиеся своеобразными интегральными характеристиками тепло-массопереносных свойств материалов.

Основная проблема практического применения таких решений состоит в нахождении эффективных значений тепло-массопереносных характеристик, учитывающих физические особенности процессов.

Для этого необходим обширный экспериментальный материал.

3.2. Рассмотрены задачи внешнего тепло- и массопереноса и методы учета его физических и кинетических особенностей в процессах конвективной сушки волокнистых материалов отводы и от органических растворителей.

1) Во многих работах по конвективной еушке часто недостаточно учитывается влияние излучения стенок камеры. В настоящей работе детально проанализирована и развита методика.учета излучения введением эффективного коэффициента теплоотдачи а,ф « предельной температуры материала Тт при конвек-тивно-раднацнонном теплоподводе. Рекомендованы следующие соотношения:

а:1ф = аКонв + а„эЛ; с- Т(Л, т)); (9); (10)

а,™ = Соч/пр™(7^Хп + Г^ • Г + Г,13Л • Г2 + Г3). (11)

Предельная Т„ находится итерациями из баланса (¡кпш = дт„ при равновесии:

Оконв(Гс - Т„) + Сон/;,рив(г^Х1 - 7^,) = 0. (12)

Показано, что. доля, теплового потока от излучения стенок в обычных "чисто" конвективных сушилках может составлять до 20 -т- 40 и более % от общего потока тепла; I

2) Во многих процессах сушки и нагрева целесообразно отдельно учитывать дополнительные виды конвекции: температурную, концентрационную и внешнюю аэродинамическую, например, с помощью соответствующих критериев:

АГ = 4 Кедоп = АаР^Ш1 03); (14); (15)

м О * '

V V

При этом приближенно:

, :Яс? = Сг; Яе^ = Аг; 11едоп = (и>доп • /)/у. (16), (17), (18)

Скорости основного и дополнительных потоков складывают:

^осн+^доп; (19)

например, = [V2 + (20)

3) Существенную роль (до 20 4- 30 и более %) может играть повышенная степень турбулентности потоков. Однако из-за сложностей ее учета и необходимости уникального экспериментального оборудования в инженерных работах можно ограничиться обеспечением близкой турбулизации потоков в лабораторных и промышленных условиях.

Определенный вклад в коэффициенты тепло- и массоотдачи может вносить нестационарный по своей сути характер процессов сушки и нагрева. Если это экспериментально' обнаруживается, то учет возможен введением поправочного множителя:'

Упестац — /мтестац " Устац. (21)

4) В промышленных сушилках резинотехники скорость обдува материала может изменяться в чрезвычайно широких пределах: от 0,1 ч- 0,3 до 12ч- 15 м/с и даже до 25 4 30 м/с.

Возможны также весьма разнообразные условия обдува, геометрия каналов и образцов, мх относительные и абсолютные размеры.

В работе сделана попытка выделения основных групп "скорость / канал / образец", перспективных для получения возможно более универсальных расчетных уравнений.

5) Весьма важным для получения таких уравнений является подбор выраж! ния для определяющего размера, которое отражало бы физические особенност формирования пограничного слоя на обрабатываемом материале в условия смешанной задачи гидродинамики, когда одновременно могут быть сопостав! мыми как влияние стенок канала, так и поверхности образца. Проанализиров; ны известные и возможные варианты. Выбор должен быть сделан на основе эк< периментальных результатов.

6) Выбор определяющей температуры потока целесообразен из двух вариа( tob: температуры набегающего потока Тс и условной средней температуры пс гранслоя Тер = 0,5 (Гпов + 7с). Рекомендуемые в некоторых работах более ело» ные способы доя наших условий не оправданы.

7) Геометрия поверхности негладких материалов может оказывать влияни на тепло- и массоотдачу взаимодействием нескольких явлений: турбулизаци погранслоя, увеличение толщины погранслоя, увеличение истинной поверхносп рельефного материала по сравнению с гладким материалом.

Наиболее реальным способом учета этих факторов в настоящей работе при знано ранее предложенное введение двух геометрических симплексов, учиты вающих высоту Лр и длину /Р выступов рельефа Kv и степень увеличения поверх ности К/.

к + К,^. (22); (23

' 1р -"глад

8) Необходимость учета Степанова потока и термодиффузии можно прове рять расчетом поправочных множителей к коэффициенту диффузии hSt и А Td\

ДЛ=Ргас(Г)/(п-/>нас(Г)); Л Td =-- /(Т,юв, Тс, ajj); (24); (25 105 Мсм - Мс

а™ = Ш • м^Тм~с ■Rj • D= D{1 + А)- (26); (27

9) При испарении органических растворителей принципиальное значент имеет учет отличия кинетической по своей природе температуры плато поверх ности испарения Тпл от термодинамической (балансной) температуры адиаба тического насыщения Гад. Для воды эта разница ("случайно") невелика и ино гда учитывается психрометрической поправкой. Для растворителей же расхож дение может достигать 10 4- 20 °С и более, что не может быть объяснимо экспе риментальными и прочими погрешностями или учтено указанными поправками В ранее выполненных работах путем многопараметрического многоуровневогс перебора 19-ти известных или возможных вариантов был предложен критери? кинетического взаимодействия Ккъ теплопереноса и массопереноса

А'кн = 1 - ; Гад = 7с - ' ™ {29'

'кип 'план сг+сплс

*ад = ^• 5 Лис(Г) - по Антуану. (30); (31;

™ Г II - Гнас ад )

1 области площадки Гмт = const действителен баланс:

q = аэф(Тт - Гмт) = г- т = г ■ ß(CHac(rMT)- Сс); (32)

С„ас (Т) = /(/W (D) - по Дальтону. . (33)

В задачу настоящей работы входила дальнейшая разработка этой методики и е проверка для различных условий обдува и в более широком диапазоне скоро-тей воздуха.

3.3. Рассмотрены задачи внутреннего тепло- и массопереноса и методы ин-сенерного расчета процессов и аппаратов для сушильно-термической обработки олокнистых материалов резинотехники.

1) Качество обрабатываемых материалов, особенно при сушке от органиче-ких растворителей или адгезионных или подобных составов часто относитель-о больше зависит от температуры, чем от влагосодержания. Для растворителей го объясняется возможностью дефектообразования при неправильном выборе ежима (поры, пузырьки, поверхностная корка и т.п.). Для составов, содержа-UIх химически активные компоненты, скорость реакции экспоненциально зави-иг от температуры и близко к первой степени от влагосодержания:

ЁР - ь г« „„ J JlI г gcQ + Ч du

\ScO + «)

Поэтому, кроме обычных влажностных характеристик и(х), еще более важно меть рассчитывать температурные характеристики процесса 'Г(т).

2) Поэтому одной из основных задач настоящей работы было дальнейшее азвитие и совершенствование методов инженерного расчета кинетики сушки и агрева материалов на базе "основного уравнения кинетики сушки" Лыкова

+ (35)

аппроксимацпй для скорости сушки, обычно кусочно-линейной по зонам

Я(Й) = -^=АГ(й-1«б) (36)

ли температурно-влажностной зависимости Т(и) или Тл(ип): "лучевой", с тем-, ературными плато или ранее предложенной гиперболической .■•■■■

Г(Ю = ; Ат„ ; Ьт = йтлуч • ФО, (37); (38);(39)

нопой "физичной" оценкой начального углового коэффициента

"(40)

3) Известные методы аппроксимации коэффициента теплоотдачи во 2-м пе-иоде сушки а (и) (кусочно-ступенчатая, линейная, степенная) в пределах от a„ai

о схсуч часто приводят к локальным физическим некорректностям на стыках эн. Поэтому в работе рассматривается впервые предложенная двухдуговая схе-а аппроксимации коэффициента теплоотдачи, лишенная этих недостатков;

ля зоны 2А: «(''") = а„сп-луд||-|------| ; (41)

1 ( « - "р

для зоны 2В: а(м)

/

(42)

3 р

< ' j

гдеау, ах - коэффициенты афинного преобразования.

4) Для сушки материалов, которые нельзя считать термически тонкими, в рг боте рассматривается впервые предложенная аппроксимация температуры пс

верхности материала Тпт (Jоснованная на допущении регулярного режима: rnoB=rB + ÎT.n,);rB=rc(l-^i); ^ = (43); (44); (4Î

5) Проверено для других условий, подтверждено и объяснено ранее обнарз женное влияние начального влагосодержания материала «о на скорость сушки 1-м периоде, особенно при дозированном нанесении составов., .Оно объясняете неполным (хотя может быть равномерным) заполнением поверхностных пор

может быть учтено введением параметрического комплекса è"an, где езап = ад/ «лас. Величины п для ранее применявшихся способов нанесения были оц| нены величиной 0,5.

6) Для нагрева гигроскопичных волокнистых материалов, сопровождают^ гося их подсушкой, учитывается теплота испарения гигроскопической и связа! ной влаги введением стока на испарение в эквивалентную теплоемкость сЭк При этом скорость испарения аппроксимируется зависимостями (34) -s- (40), те1 лота испарения - степенной зависимостью, максимальная величина гсв оценив; ется по Думанскому - Дерягину, а равновесное влагосодержание - по ранее npej ложенным экспоненциально-логарифмическим зависимостям от температуры относительной влажности среды.

7) Для сушки смесевых композиций материалов из разных видов волоке (например, целлюлозы и асбеста) логично проверить возможность корреляци кинетических характеристик процесса простейшей схемой "по аддитивности".

8) Рассмотрены возможности изучения и описания физических особенности процессов сушки двухслойных материалов (например, стерилизующих филь ровальных пластин на тканевой подложке после отливки или формования). Пр этом необходимо учитывать межслоевой влагообмен и испарение через пори тую легкую подсушенную подложку.

■ 9) В действовавших нормативных материалах по технике безопасности в с шнлхах для тканей, обработанных составами на основе органических раствор телей, рециркуляция воздуха не допускалась. Это приводило к существеннол снижению интенсивности и экономичности процесса сушки. В работе приведен соотношения, позволяющие рассчитывать концентрацию паров растворителей сушилках с рециркуляцией, в зависимости от скорости сушки. При этом во можность применения схем с рециркуляцией воздуха определяется конструкти ным обеспечением отсутствия застойных зон в сушильных камерах.

4. Экспериментальные установки и техника экспериментов

Изучение физических и кинетических закономерностей рассматриваем! сложных процессов требует проведения обширных экспериментальных работ, настоящей работе использовался комплекс экспериментальных установок и N тодик, описанных в диссертации. Основные из них кратко характеризуются н же в автореферате.

4.1. Большая циркуляционная сушилка (БЦС) с расширенным диапазоном коростей обдува материала показана на рис. 3. Работой двух циркуляционных ентиляторов обеспечиваются скорости воздуха от 0,5 до 15 м/с. Рабочий канал [меет достаточно большое сечение 240x240 мм, чтобы характер омывания мате-иала приближался к промышленным условиям. Индивидуальное плавное регу-ирование чисел оборотов вентиляторов позволяет обеспечивать в рабочей царе "нулевой статический напор" во избежание подсосов или выбросов, затруд-яющих измерение веса образца высушиваемого материала вм. Измерение ско-остей воздуха производилось трубкой Пито-Прандтля Арск, термоанемометром тарированным перепадом напора на рабочем канале Лрж. Дополнительные онвективные составляющие измерялись в специальных опытах по лобовому опротивлению образцов с использованием оптических весов ВЛК на магнит-ой подвеске МП. Эти же весы были основными в экспериментах по сушке. Магнитная подвеска рамки с образцом исключает ее перемещение при взвеши-ании в процессе сушки, что обеспечивает приемлемое постоянство аэродина-ической составляющей, необходимое для точного взвешивания в высокоскоро-гном потоке воздуха.

Рис. 3. Большая циркуляционная сушилка (БЦС) с расширенным диапазоном скоростей обдува

'дновременно записывалась температура высушиваемого материала Гм по ползаниям термопары ХК 0 0,15 мм, включающейся в работу при опускании амкп в камеру и одновременном замыкании термостатируемых при 7о ртутных энтактов. Температура среды Тс изменялась от 20 до 200 °С. Требуемая степень гциркуляцин обеспечивалась малым вытяжным вентилятором.

4.2. Дериватограф "Паулик-Паулик и Эрдеи" (ДГ) был реконструирован с 5лыо исследования быстропротекающих процессов в условиях вынужденного зздухообмена. Камера дериватографа с быстросъемной верхней частью со ста-шом для организации направленного потока воздуха и его подогрева от обог-:ваемых стенок камеры показана на рис.4. Аэродинамическая составляющая эавновешипалась специальным флажком, соединенным с весоизмерительной 1стемои. Отсос воздуха обеспечивал скорости обдува в нижнем диапазоне 0,03ч-3,1 2 м/с. В сочетании с экспериментами, проведенными ранее на щелевой уста-:>вке (ЩУ), обеспечивавшей w = 0,3-г3 м/с, и при сопловом обдуве в БЦС

(w = 10^-30 м/с), это дает возможность изучения сушки и нагрева практически вс всем диапазоне скоростей, применяющихся в промышленной аппаратуре. До полнительная конвекция проверялась аналогично указанному в разделе 4.2. Бьи реконструирован также привод и другие узлы системы записи дериватограмм от датчиков весов и зеркальных гальванометров на фотобумагу.

Быстросъемная часть 4.3. Выполнялись также основные

/\ j_ __необходимые измерения, сопостави-

тельная корреляция и расчет тепло-массопереносных свойств и структурно-геометрических характеристик использованных материалов. Теплопроводность измерялась стационарным методом на приборе ИТТ HAH Украины. Контролировались плотность и температура кипения использовавшихся растворителей. Измерялись весовые и структурн о-геометрические характери -стики применявшихся тканей и пластин. Определялись равновесно-гигроскопическое влагосодержание материалов и влагосодержание, соответствующее полному влагонасыщению.

5. Обработка экспериментальных данных и разработка методики инженерных расчетов сушилок для волокнистых материалов"

В работе было цыполнено и обработано около 300 собственных экспериментов автора, а также использовано для сопоставления около 100 экспериментов исследователей, отмеченных в автореферате выше. Обработка данных производилась на персональных компьютерах (в основном, в Турбо-Паскале), а также при возможности графическими методами на бумагах с линейной и логарифмической (одинарной или двойной) сетками.

5.1. В работе получены, обработаны и приведены в виде таблиц необходимые данные по тепло-массопереносным свойствам и техническим характеристикам волокнистых и модельных материалов, водных и органических растворителей. В компьютерных расчетах использовались составленные на этой основе соответствующие базы данных. В них входят 8 видов волокон, 20 видов тканей и модельных материалов, 15 видов растворителей 7-ми гомологических рядов или классов (включая воду).

5.2. Определение коэффициентов теплоотдачи при конвективном и инфракрасном нагреве сухих материалов в различных условиях проводилось специально разработанными графо-аналитпческими компьютерными методами, обес-

" Научный консультантом по вариантным расчетам кинетики нагрева, испарения и сушки являлась канд. техн. наук, докторант Н.Ц.Гатапова.

Образец Стакан

Флажок

GM,TM Тс Отсос воздуха 090

Рис. 4. Камера дериватографа (ДГ) с вынужденным воздухообменом

и

печивавшими обработку большого числа экспериментов. Для проверки надежности данных, их точности и воспроизводимости проводили сравнение собственных дублированных в разные годы аспирантуры экспериментов и данных других авторов, прежде всего В.В.Косых (в ЩУ) и В.Н.Затоны (в БЦС). Сопоставление дало хорошие результаты, наглядно показанные на графиках, приведенных в диссертаций.

Условия экспериментов по нагреву и сушке приведены в табл. I.

Таблица 1

Условия экспериментов по нагреву и сушке и параметры критериальных уравнении "чистого" нагрева

Воздух: Г, °С = 50+200 (нагрев); 20 (охлаждение);

и-, м/с = 0,54-15 (БЦС); 1+3 (ЩУ); 0,0340,12 (ДО

Размеры каналов, мм: 240x240 (БЦС); 28x120 (ЩУ); 090 (ДГ)

Вид и размеры (мм) образцов:

пластины: (70+450)х(30+240); б = 0,5+6,0; диск: 090x8; квадрат: 200x200x9; малые пластины: 30x40; цилиндр 03x37

№ Вид канала и образца, расположение образца (значок на рис.) С гс

1 Пластины в БЦС (П) и ЩУ (ЕЭ), вдоль потока 0,035 0,8

2 Малые пластины в БЦС (0) и ДГ (♦), вдоль потока 1,47 0,5

3 Малые цилиндры в БЦС вдоль потока 3,78 0,5

4 Малые пластины в БЦС, поперек потока (V) 1.91 0,5

5 Малые цилиндры в БЦС, поперек потока (О) 27,0 0,33

Результирующая корреляция экспериментальных данных в функции Ыи(Де) в двойной логарифмической сетке показана на рис. 5.

В табл. I приведены также значения коэффициента С и показатели степени гс при Не в критериальных уравнениях для гладких гидрофобных модельных образцов (фторопласт-4) вида:

' М/суСЯе" Рг°-3\ (46)

Особо важной является универсальность полученной корреляции 1 (табл. 1, рис. 5) для пластин различных размеров, в различных типах каналов ("боль-ион" прямоугольный канал; "узкая" щель), в широком диапазоне скоростей юздуха.

Для экспериментальной техники весьма важна также необходимая и доста-очная для инженерной практики сопоставимость результатов по нагреву и суш-:е небольших образцов как в БЦС, так н в ДГ (корреляция 2, табл. 1, рис. 5).

Это оказалось возможным в результате перебора и анализа 5-ти вариантов тределягошего размера, приведенных в диссертации. Как и предполагалось начале из анализа физического механизма формирования погранслоя, в качест-е определяющего размера необходимо применять комплекс

^(^кан ~ ^обр)

°опр

П,

+ Г1

обр

(47)

Средняя погрешность расче та теплоотдачи для гладки) гидрофобных образцов со ставляет около. 5 %.

5.3. Методика расчет; кинетики нагрева . гладких рельефных, гидрофобны: или гигроскопичных (подсу шиваемых) материалов ос нована на положениях, опи санных в разделе 3 авторе ферата и диссертации. Пока затель степени при комплек се (Кр-К/) (выражения (22) (23)) получен равным 0,5 При испарении : связанно) влаги (раздел 3.3, п.6) крзф фициент <р0 в завйсимост! (39) принят равным 0,2. По грешность расчетов температурных кривых возрастает при этом в среднем д( 12 %, что совершенно естественно. Для инженерных расчетов это приемлемо.

5.4. Определение коэффициентов тепло- и массоотдачи при сушке материа лов отводы и органических растворителей производилось на основе положений описанных в разделе 3.2 автореферата и диссертации. Обработка и корреляци экспериментальных данных выполнялась компьютерными графо-аналити ческими методами с использованием 2-х наиболее надежно измеряемых ¡и рас считываемых экспериментальных величин: температуры поверхности испарени на участке ее стабилизации Тмт, °С и постоянной скорости испарения иг, г/(м2 с на этом же участке. Это позволяет путем итерационного расчета найти ацСг Рисп и явный вид расчетных зависимостей для их определения. Естественно, да разных условий они различны и имеют следующий вид: для БЦС -

1Чисух ■= 0,035 Яе0'8- Рг0*3(кр ■ Кг)°'5; (48

Киа = 1,070 Не0'47- . К ^ . ^ . ^0,5.

Кир = 0,70 Яс0,50' ■ А"/)0'5 ■ е?;т ■ ^ (5С

для ДГ-

Ыисух = 1,470Ие^-Рг0'333^ (51

Миа = 5,50 Яе 0,375 • Рг°'333(^ ■ К■ 45 . <5;

№р = 6,90 Яе0'40- 8с0>333(^ • К^ ■ • К^. ' (5:

Корреляционные квадраты для т и Тш приведены на рис. 6.

Пример сравнения экспериментальных и расчетных кривых сушки и нагрева

использованием этих уравнений показан на рис. 7.

Погрешность расчетов в среднем здесь также составляет около 12 "/ "Выбросов", характерных для обработки данных по испарению сильно разш щихся по полярности растворителей по ранее известным уравнениям, практич! ски нет.

о ПОС1

в^э

-

юг г 5 м ю" а г> ю* 'г 5 ю5 г ко

Рис. 5. Корреляция экспериментальных данных по кинетике нагрева модельных образцов в различных условиях

(условия, уравнения и обозначения см. в табл. I)

О

О - БЦС - 0 - ДГ /

1 m 1

трасч 1 мт 100

50

О - БЦС о-ДГ

^мт

50

Температура стабилизации, °С

2 4 6 1Г Интенсивность испарения г/(мг.с)

Рис. 6. Корреляция экспериментальных и расчетных данных по кинетике испарения растворителей и воды

и,%

100 Т"

Весьма характерны одинаковые показатели степени при комплексе Ккв (0,5 f 1,333), что подтверждает его опреде-iennyio универсальность.

Также показательна и соответствует физике процесса и наблюдаемым пси-(рометрическим измерениям разница в показателях степени при критерии Рей-шльдса в зависимостях для теплоотдачи \ для массоотдачи. В уравнениях для Vi/а (49; 52) они несколько ниже, чем в /равнениях для Nu$ (50; 53). Это соот-¡етствует уменьшению психрометрнче-:кой поправки при увеличении скорости збдува.

5.5. Методика расчета кинетики

100

50

У Линии—рг V Точки—ЭК( счет зперимент

. \ „пО О

¿r-CT-0-ö-*<J ^\ о 1 ^^

Т. «С

100

50

Т, с

О 50 100 150

Рис. 7. Пример сравнения экспериментальных и расчетных данных по кинетике сушки органических растворителей на волокнистых материалах: ЧХУглерод на палаточном

полотне; ДГ: 80 "С // 0,07 м/с :ушкп и нагрева листовых и рулонных

золокнистых материалов разработана в соответствии с положениями, нзложен-)ыми в разделе 3 автореферата и диссертации. В ней используются базы дапньс: по тепло-массопереносным свойствам и техническим характеристикам, а также расчетные уравнения тепло-и массоотдачи, описанные выше.

Разработаны два варианта расчетов: I) на базе аппроксимации Л/(к) и 2) на

Зазеаппроксимации Т(и).

Первый вариант при использовании N(11) приводит к линейному дифференциальному уравнению, разрешенному относительно производной ЛТ / (к.. Его решение по зонам выражается двумя квадратурами вида

Г(т) = ехр

Тт +

J <ih) ■ ехр J р{х)<к

0 М)

cix

(54)

2

0

ч

где р{х) и </(т) включают описанные кинетические характеристики процесса сушки.

После расчета Т(х) определяют для этих же зон г7(т), используя известнь или полученные аналитические решения уравнения N(11) для скорости сушки, простых случаях они имеют пикейный-или экспоненциальный вид.

Однако практически проще решать уравнение для с1Т [ йх непосредствен!] численно методом Рунге-Кутга и дальнейший расчет производить до конца ь персональном компьютере.

Второй вариант при использовании Т(и) приводит к решениям по зонаь выражающимся одной квадратурой для каждой зоны вида

= \/(и)с1и,

(5:

где /(и) включает описанные выше кинетические характеристики процесс сушки. В простых случаях интеграл (55) берется аналитически, и можно ш пользовать известные или ранее полученные решения.

Однако и здесь в настоящее время практически проще и универсальнее не пользовать численные методы, например, по формуле Симпсона и весь даль нейший расчет, включая Т(и(т)), произродить до конца на персональном ком пьютере.

В диссертации приведены подробные решения, программы и примеры ком пьютерных расчетов. Итоговая точность по времени сушки и нагрева составляв в среднем около 15 %, что вполне приемлемо для инженерной практики.

Пример рассчитанных кривых и экспериментальных результатов дан н рис. 7.

Для смесевых композиций, как и прогнозировалось, оказалась вполне при емлемой эта же методика, с расчетом тепло-массопереносных характеристик пр> допущении их аддитивности. Варьировались смеси целлюлозы с асбестом с со держанием асбеста: 0; 15; 45 и 100 %.

Проведен также комплекс экспериментов по сушке и нагреву 2-х слойных во локнистых материалов на подложке. Пример кинетических кривых сушки и на грева стерилизующих пластин марки СФ-3 на подложке из хлопчатобумажной чефера, применяемого в производстве, и на подложке из более легкой и мене! гигроскопичной массовой технической анидной ткани ТА-100 показан на рис. 8 Видно, что путем выбора подложки можно существенно снизить (на 15-25 % время сушки и энергозатраты.

и,% 100

50

ч

г

Ч: /—--- ---г ---

—'

т, "с

100

50

0 10 20 30 4 0 БО Т, кип

Рис. 8. Сравнительные кинетические кривые сушки и нагрева волокнистых материалов на подложке: БЦС; 80 °С // 3 м/с; сушка от воды; стерилизующая фильтровальная пластина СФ-3; I - на чефере х/б; 2 - на ткани анидной ТА-100

В диссертации приведен также анализ механизма тепло-влагопереноса при /шке на подложке и показаны возможности разработки инженерных методов 1счста как на базе основного уравнения кинетики сушки (раздел 3.3), так и на :нове аналитических методов решения задач теплопроводности и диффузии 1аздел3.1).

6. Вопросы совершенствования сушилыю-термическнх процессов и оборудования резинотехнической, резино-асбсстовой и шинной промышленности

Результаты диссертационной работы предложены для практического ис-эльзованпя на предприятиях резинотехнической, ргзино-асбестовой и шинной эомышленности, а также в исследовательских и проектных организациях рези-эвой н полимерной промышленности и машиностроения (в частности, в Там-эвских АО "Завод АРТИ", "Полимермаш", "НИИРТмаш").

Они будут полезны также для ряда предприятии и производств Йеменской :спублики.

Основные пути реализации были затронуты выие по ходу изложения мате-1ала в автореферате.

Они включают следующие методики проектирования и практические пред->жения:

1) инженерная методика расчета сушилок для волокнистых материалов РТИ, РТИ и ШП; ,!■ '

2) инженерная методика расчета кинетики испарения органических раство-1телей почти во всех областях техники;

3) применение рециркуляции воздуха в клеепромазочных машинах при сушке

- органических растворителей; :

4) выбор подложки при производстве воло -шетых, стерилизующих и шьтрующих материалов способом нанесення или рормования с последующей шкой (АРТИ, бумажная, текстильная и легкая промышленность);

5) интенсификация сушки, снижение энергозатрат и повышение качества во-жннстых материалов РТИ, что в целом может л;ть экономию приведенных (ельных Затрат на процесс сушки порядка 15 + 25 (:

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

- влагосо'держаиие материала; Т - температура; т -время; х, R -координата, 'лщина листа или радиус цилиндра; р - плотность: ;, г- теплоемкость, теплота парения; X, a, D - коэффициенты теплопроводности, температуропроводности, (ффузин; н' - скорость; q, m - удельные потоки теп.и. влаги; а, [3 - коэффициен-i теплоотдачи, массоотдачи; р, П -давление, обще: давление; ц, v - динамиче-ая, кинематическая вязкость; Nua = allX\ Л'мр = iHD\ Re - w I / v; Pr = v/д; • = v/D.

7. выводы

1. Выполнен обзор и анализ современного состояния теории и техники су] волокнистых материалов резинотехнической, полимерной и других отрас промышленности. Выделены основные особенности процессов и аппарг для обработки таких материалов: большое значение температуры материа процессе сушки; совмещение сушки и термообработки; обработка матер и г из разных волокон; сушка как от воды, так и от органических растворите. Показаны возможные пути исследований и подходы к решению сформул! ванных задач.

2. Рассмотрены теоретические вопросы внешнего и внутреннего тепло- и 1 сопереноса при сушке. Приведены решения одно- и двухслойной задач п

' носа. Предложены способы учета определяющего размера, начального вл содержания материала, кинетического взаимодействия тепло- и массоотд

1 влияния излучения, рельефа поверхности, свободной, гигроскопической и занной влаги и других особенностей внешнего и внутреннего тепло- и ма переноса. Предложены способы аппроксимации коэффициентов теплооп в процессе сушки и учета перепада температур по толщине материала сушке материалов существенной толщины. Это позволило разработать б< совершенные методы инженерного расчета кинетики сушки и нагрева.

3. Модернизированы и усовершенствованы две экспериментальных устанс для исследования сушки и нагрева: большая циркуляционная сушилка с це расширения диапазона рабочих скоростей воздуха (до 0,5+15 м/с) и дерив граф "Паулик-Паулик и Эрдеи" с целью изучения быстропротекаюших 1 цессов в продольном потоке воздуха.

4. Выполнены экспериментальные исследования процессов сушки и нагрева локнистых материалов из хлопковых, полиамидных, целлюлозных и асбе вых волокон, а также гладких негигроскопичных модельных материалов.

5. Изучены кинетические особенности процессов испарения органических р ворителей разных гомологических рядов и воды при сушке различных во. нистых материалов.

6. Изучены кинетические особенности процессов сушки стерилизующих и фи ровальных материалов из асбесто-целлюлозных композиций.

7. Получены критериальные уравнения теплоотдачи в широком диапазоне ростей воздуха, видов и размеров каналов и образцов. Показана иелесооб ность использования в качестве определяющего эквивалентного размера I плекса 4(Гкац - .Робр)/(/7кан + /70бР). Подтверждена возможность использовг предложенных способов учета рельефа поверхности и испарения свободн< связанной влаги при нагреве гигроскопичных волокнистых материалов.

8. Подтверждено отличие кинетической температуры мокрого термометр; термодинамической температуры адиабатического насыщения при. испаре органических растворителей. Показана возможность корреляции коэфф! ентов тепло- и массоотдачи при испарении с использованием безразмср! комплекса Кгл - I -((Гмт-Гзд)/(7'к,,„-7"ш;)), учитывающего кинетическое вза! действие процессов теплоотдачи и массоотдачи.

9. Предложена методика инженерного расчета кинетики испарения орган ских растворителей, площадки временной стабилизации температуры м риала и кинетики сушки материалов, пропитанных органическими раств* телями.

10. Предложена усовершенствованная методика инженерного расчета темп туры и влагосодержания материалов в процессе конвективной сушки на основного уравнения кинетики сушки Лыкова и температурно-влажност

зависимости. В методике используются вышеперечисленные кинетические зависимости, в том числе способы двухдуговой аппроксимации коэффициентов теплоотдачи при сушке и учета перепада температур по толщине материала на основе допущения регулярного режима. 11. Предложены пути совершенствования сушильных процессов и оборудования для обработки волокнистых материалов:

- путем более точного расчета кинетики сушки и нагрева и выбора предпочтительных вариантов процесса и аппарата;

- правильным выбором подложки при сушке двухслойных материалов;

- возможностью рециркуляции воздуха в клеепромазочных машинах;

- возможностью интенсификации сушки и экономии энергозатрат.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Хануни Самех С.С., Туголуков E.H., Гатапова Н.Ц. К вопросу сушки волокнистых материалов отводных и органических растворителей II Тезисы докладов III Научной конференции ТГТУ. - Тамбов: ТГТУ, 1996.

2. Коновалов В.И., Хануни Самех С.С., Туголуков E.H., Гатапова Н.Ц., Коробова И.Л., Михайлов Б.Н., Сергеева Е.А. К расчету внешнего тепломассообмена при сушке и нагреве волокнистых материалов // Вестник ТГТУ. -1997. - Том 3, № 1-2.

3. Коновалов В.И., Туголуков E.H., Гатапова Н.Ц., Хануни Самех С.С., Коробова И.Л., Пахомов А.Н., Сергеева Е.А. К расчету внутреннего тепло- и мас-сопереноса и кинетики сушки и нагрева волокнистых материалов // Вестник ТГТУ. - 1997. - Том 3, № з.

ЛР№ 020851 от 13.01.94 г. Плр № 020079 от 28.04.97 г.

Подписано к печати 31.10.97 г.

Формат 60x84/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Объем: 0,99 усл.-печ.л.; 0,1 тыс.усл.-л.-отт.; 1,2 уч.-изд.л. Тираж 100 экз. С.139.

И !дател1>ско-полнграфический центр ТГТУ 392032, Тамбов, ул. Мичуринская, 112