автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Повышение эффективности энергоиспользования промышленного сушильного оборудования барабанного типа для полотенных материалов

1.1. 1.2.

Введение

Глава 1. Анализ основных технологических задач сушки и ее математических моделей

Виды сушки. Эффективность кондуктивной сушки.

Особенности математических моделей и методов расчета кондуктивной и конвективной сушки.

Место сушки в технологической цепочке. Технологические задачи сушки. 37 Цели и задачи исследования.

Глава 2. Исследование и разработка принципов повышения энергетической эффективности кондуктивной сушки полотенных материалов 48 Анализ энергетического баланса и КПД кондуктивной сушки. 48 Пути повышения энергетической эффективности использования сушильного оборудования барабанного типа. 51 Оптимальное управление процессом кондуктивной сушки полотенных материалов. 53 Расчёт требуемого количества пара для термообработки полотенных материалов в барабанных машинах типа МСБ. 59 Оптимизации расхода пара по стойкам сушильной барабанной машины.

Глава 3. Моделирование процессов тепломассообмена в комбинированной установке для сушки полотенных материалов и утилизации вторичных энергетических ресурсов 71 3.1. Разработка и расчет схемы утилизации теплоты с испаренпой влагой.

3.1.1. Расчет струйного компрессора.

3.1.2. Расчет вихревой камеры.

3.1.3. Расчет характеристик соплового обдува полотенного материала.

3.2. Методика расчета комбинированной сушильной установки для термической обработки полотенных материалов.

3.2.1 Физическая модель процесса сушки на конвективных участках комбинированной установки.

3.2.2. Математическое моделирование тепломассопереноса при одностороннем сопловом обдуве полотенного материала.

3.2.3. Методика расчета комбинированной сушильной установки и блок-схема организации вычислений.

3.3. Анализ результатов проведения численного эксперимента и проверка адекватности разработанной математической модели реальным физическим процессам.

Глава 4. Оценка экономической эффективности схемы утилизации вторичных энергетических ресурсов

4.1. Методы оценки экономической эффективности инвестиционных проектов.

4.2. Расчет показателей экономической эффективности схемы утилизации вторичных энергетических ресурсов.

Актуальность темы.

Совершенствование тепловых процессов и установок является в настоящее время важным и определяющим при обработке листовых и положенных материалов в химической, текстильной, пищевой и других отраслях промышленности. В технологической цепи термообработка может быть как промежуточной, так и завершающей стадией производства. От условий её рационального проведения и используемого высокотехнологичного оформления во многом зависит качество и стоимость конечного продукта.

Промышленное производство характеризуется большим разнообразием теплоиспользующих установок. К их числу относятся и сушильные установки. Сушилки в отделочном производстве занимают 30-35% полезной площади, на сушку тратится около 40-50% общего расхода тепла. Этот процесс является одним из энергоемких.

В настоящее время большое применение получила комбинированная сушка полотенных материалов, главную роль в которой играет кондуктивный участок. Данный вид сушки реализуется в барабанных сушильных машинах типа МСБ. Они обеспечивают высокую интенсивность сушки, однако имеют ряд существенных недостатков: высокие энергозатраты и материалоемкость, а также большие габариты.

В связи с ростом стоимости электроэнергии и теплоносителей является актуальным поиск путей рационального их использования, выявления тепловых потерь в процессе сушки и мероприятий по их снижению, а также разработка интенсивных энергосберегающих режимов проведения процесса сушки и технологии утилизации вторичных энергоресурсов.

Настоящая работа выполнена в соответствии с одним из основных научных направлений вуза «Разработка новых высокоинтенсивных и гетерогенных процессов и их аппаратурное оформление».

Цель работы. Исследование путей повышения энергетической эффективности сушильного оборудования барабанного типа для полотенных материалов и на основе полученных сведений разработка технологии, аппаратурного оформления и методов расчета установки, использующей принципы утилизации вторичных энергетических ресурсов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана квазиоптимальная модель процесса кондуктивной сушки с сосредоточенными параметрам с линеаризацией в периодах прогрева и постоянной скорости сушки.

2. Предложено квазиоптимальное управление процессом, минимизирующее время сушки.

3. Предложена методика расчёта требуемого количества пара для термообработки полотенных материалов в барабанных машинах типа МСБ.

4. Решена задача оптимизации распределения теплоты по стойкам сушильной машины при ограниченности энергоносителя.

5. Предложена методика расчёта схемы утилизации потерь теплоты с испарённой влагой.

6. Разработано математическое описание процесса одностороннего соплового обдува "тонких" полотенных материалов.

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:

1. Разработана схема утилизации тепловых потерь с испарённой влагой в барабанной сушилке, позволяющая снизить удельный расход теплоносителя на единицу производимой продукции и повысить производительность отделочного производства.

2. Разработано алгоритмическое и программно-математическое обеспечение для расчёта процесса комбинированной сушки полотенных материалов с учётом одностороннего соплового обдува на конвективных участках.

3. Определены рациональные режимы работы струйного компрессора и вихревой камеры.

4. Предложена методика расчёта барабанной установки с учётом одностороннего соплового обдува на участках свободного пробега материала, позволяющая определять необходимое число сушильных барабанов для получения требуемой конечной влажности материала.

5. Разработанное программно-алгоритмическое обеспечение и рекомендации по оптимальным режимам проведения процесса комбинированной сушки переданы для практического использования на ОАО "Самтекс".

Структура работы: работа состоит из 4-х глав.

В первой главе проведен анализ литературных источников в области исследования различных видов сушки, их аппаратурного оформления. Указывает достоинства и недостатки при конвективном и кондуктивном методах сушки. Обращает внимание на то, что наибольший эффект достигается при комбинировании различных способов подвода теплоты. В этой главе приведены математические модели сушки капиллярно-пористых тел при кондуктивном и конвективном способах подвода теплоты. Обращается внимание на место сушки в технологическом процессе отделочного производства. Изложены основные цели и задачи исследования.

Во второй главе проводится анализ теплового баланса сушильной барабанной машины, на основе которого выявляются пути повышения эффективности использования в связи с этим приводится схема оптимального управления процессом.

В третьей главе на основе выявленных тепловых потерь разрабатывается схема утилизации вторичных энергоресурсов и осуществляется ее расчет. Разрабатывается методика математического моделирования комбинированной сушильной установки на ЭВМ с приложением программного алгоритма. Оценивается адекватность разработанной 7 математической модели путем сравнения расчетных данных с экспериментальными.

Четвертая глава посвящена оценке экономической эффективности схемы утилизации. На ее основе делается вывод о целесообразности ввода данной установки.

Заключение

1. Анализ литературных источников по экспериментальным и теоретическим исследованиям различных видов сушки, а также по конструкциям машин для сушки ткани показал, что к настоящему времени накоплен большой опыт в области теории и практики освоения этого процесса. Несмотря на это, непрерывно продолжается изучение процесса сушки, направленное на поиск путей его интенсификации.

2. Анализ баланса теплоты в сушильной установке позволил выявить тепловые потери с последующей их утилизацией.

3. Была разработана математическая модель процесса кондуктивной сушки с сосредоточенными параметрами и предложена ее линеаризация на двух первых основных участках прогрева и постоянной скорости сушки. На основе математической модели предложено квазиоптимальное управление процессом, минимизирующее время сушки.

4. На основе выявленных тепловых потерь была разработана схема утилизации ВЭР (теплоты с испаренной влагой). Кроме того, произведен расчет основных составляющих, входящих в установку: струнного компрессора, вихревой камеры и сопел, необходимых для обдува материала.

5. Составлена математическая модель с приложением программного алгоритма по расчету комбинированной сушильной установки с учетом одностороннего обдува материала. Приведенный алгоритм математического моделирования позволяет отслеживать изменение полей влагосодержания и температур материала в любой момент времени, а также определить время сушки и количество сушильных барабанов, необходимых для сушки ткани до заданного конечного влагосодержания.

134

6. Проведена оценка адекватности разработанной математической модели на основе имеющихся экспериментальных данных. Проверка показала, что данная модель адекватна и может быть применена для описания процесса комбинированной сушки с учетом одностороннего соплового обдува.

7. Произведена оценка экономической эффективности. Расчет основных показателей эффективности говорит о целесообразности ввода данной установки в производство и получении достаточно высокого дохода при небольших затратах на введение схемы в действие.

Основные обозначения т - время, е.; - толщина материала, м; гр - температура греющей поверхности, °С;

- температура окружающей среды, °С; / - температура материала у контактирующей поверхности материала, °С (0 - начальная температура материала, °С; и0 - начальное влагосодержание материала, кг/кг; и - среднеинтегральное влагосодержание материала, кг/кг; и -равновесное влагосодержание материала, кг/кг; р - плотность влажного материала, кг/м'; ра - плотность абсолютно сухого материала, кг/м"5; с - теплоёмкость влажного материала, Дж/кг К;

8 - коэффициент термодиффузии, 1/°С; г - теплота парообразования, Дж/кг; т - текущая координата материала, м; а - коэффициент температуропроводности материала, м /с; к - коэффициент влагопроводности материала, м /с; Я --коэффициент теплопроводности материала, Вт/м К; ас, а ~ коэффициенты теплоотдачи у контактирующей и открытой поверхности материала, Вт/м К; шс, ш - интенсивности сушки и контактирующей и открытой поверхности материала, кг/м2ч; V2 - оператор Лапласа.

Индексы о - начальное значение; гр - греющая поверхность;

1. Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. Учебник для студентов технических вузов. Изд. 2-е, перераб. М., «Энергия», 1972-с. 181.

2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд-во «Химия», М., 1971. 784с.

3. Сажин Б.С., Реутский В.А. Сушка и промывка текстильных материалов: теория, расчет процессов. М.: Легпромбытиздат, 1990. - 224с.

4. Keey R.B. Drying Principles and Practice. Oxford, Pergamon, 1972

5. Кей Р.Б. Введенеи в технологию промышленной сушки. Мн.: Наука и техника, 1983. - 262с.

6. Сажин Б.С. Основы техники сушки. М.: Химия, 1984. - 320с.

7. Красников В.В. Кондуктивная сушка. М.: «Энергия», 1973.- 288с.8. Сажин Б.С. Докт.дис.

8. Лыков A.B. Явления переноса в капиллярнопористых телах. М.: Гостехиздат, 1954. - 296с.

9. Ю.Ребиндер П.А. О формах связи влаги с материалами в процессе сушки. -Всесоюзное научно-техническое совещание по сушке. М.: Профиздат, 1958,- 127с.

10. Н.Герасимов М.Н. Исследование процесса сушки тканей, пропитанных растворами нелетучих веществ и создание высокопроизводительной сушильной установки для его проведения. Диссертация на соискание учёной степени к. т. н. Иваново, ИХТИ, 1975. - 170 с.

11. Бунин O.A., Малков Ю.А. Современное оборудование для сушки ткани. -М.: Обзор ЦНИИГЗИЛегпищемаш, 1971. -28с.

12. З.Бунин O.A., Малков Ю.А. Машины для сушки и термообработки ткани. -М.:Машиностроение, 1971. 303 с.

13. Когчагин М.В., Калинина К.Г., Сенахов A.B. Проектирование отделочных фабрик текстильной промышленности. М.: Легкая индустрия, 1980. -400с.

14. Промышленные тепломассообменные процессы и установки/ Под ред. A.M. Бакластова. М.: Энергоатомиздат, 1986. -328с.

15. Шиканова И.А. Технология отделки шерстяных тканей. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. 352с.

16. П.Сажин Б.С. Современные методы сушки. М.: Знание, 1973. - 64с.

17. Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Л.: Химия, 1971. - 704с.

18. Красников В.В. Контактная и комбинированная сушка тонких капиллярнопористых материалов. —М.: МТИПП, 1957.

19. Лыков A.B. Теория сушки. -М.: «Энергия», 1968.

20. Волынский В.Ю. Сушка полотенных материалов в установках барабанного типа. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Иваново, ИГАСА, 1999. -206с.

21. Самойлов В.П. Теплоиспользующие установки хлопчатобумажной промышленности. М.: Издательство научно-технической литературы РСФСР, 1961.-284с.

22. Корчагин М.В., Калинина К.Г., Сенахов A.B. Проектирование отделочных фабрик текстильной промышленности. М.: Легкая индустрия, 1980. -400с.

23. Отделка хлопчатобумажных тканей. В 2-х ч. 4.2. Оборудование для отделки хлопчатобумажных тканей: Справочник/ Под ред. Н.В. Егорова. -М.: Легпромбытиздат, 1991.-240с.

24. Ганин Е.А., Корнеев С.Д., Корнюхин И.П., Щербаков В.И. Теплоиспользующие установки в текстильной промышленности. М.: Легпромиздат, 1982.-392с.

25. Михайлов Ю.А. Сушка перегретым паром. М.: Издательство «Энергия», 1967.-200с.

26. Бунин O.A. Особенности контактной сушки пористых материалов: Сб. науч. тр./МЭИ. М.Я.: Госэнергоиздат, 1958, Вып. 8, - С. 163-168.

27. Зайцев В.А. Процессы термической обработки сыпучих и листовых материалов в аппаратах интенсивного действия. Диссертация на соискание учёной степени д. т. н. Иваново, ИГАСА, 1996, - 387с.

28. Карташов Э.М. Метод интегральных преобразований а аналитической теории теплопроводности твёрдых тел. Изв. АН РФ. - М.: Энергетика. 1993,-№2,-С. 99-127.

29. Карташов Э.М. Расчёты температурных полей в твёрдых телах на основе улучшенной сходимости рядов Фурье Ханкеля. - Изв. АН РФ.

30. М.:Энергетика, 1993.-№3,-С. 106-125.

31. Лыков A.B. Основные коэффициенты переноса тепла и массы вещества во влажных материалах: Сб. науч. тр. МТИПП/ Тепло и массообмен в пищевых продуктах/Отв ред. A.B. Лыкова. - М.: Пигцепромиздат, 1956. -Вып. 6.-С. 7-20.

32. Лыков A.B. Теоретические основы строительной теплофизики.// АН БССР, Минск, 1961.-519 с.

33. Лыков A.B. Теплопроводность нестационарных процессов. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1948. - 231 с.

34. Лыков A.B. Тепло и массообмен в капиллярнопористых телах.// Проблемы теплообмена. - М.: Атомиздат, 1967, - С. 123-141.

35. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория переноса энергии и вещества.// АН БССР, Минск, 1959.-330 с.

36. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепло и массопереноса. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 535 с.

37. Рудобашта С.П., Очнев Э.Н. Сб. науч. тр. МИХМ. М.: МИХМ, 1974. -Вып. 8,-С. 8-11.

38. Рудобашта С.П. Диффузия в химико-технологических процессах. М.: Энергия, 1993.- 208 с.

39. Смирнов M.С. Исследование процессов сушки влажных материалов на основе теории тепло и массопереноса: Автореферат дис. докт. техн. наук. -М: ИТМО АН БССР, 1971.-323 с.

40. Федосов C.B. Процессы термической обработки дисперсных материалов с фазовыми и химическими превращениями. Диссертация на соискание учёной степени докт. техн. наук. - Л., ЛТИ им. Ленсовета, 1987.

41. Справочник по отделке текстильных материалов/ Г.С. Сарибеков, Е.Е. Старикович, Ю.И. Осик, В.Л. Молоков. К.: Техника, 1984. - 159с.

42. Беленький Л.И., Омельянчук Л.А., Швырев В.В. Автоматическое управление технологическими процессами отделочного производства. -М.: Легпромбытиздат, 1990. 208с.

43. Технологические расчеты в химической технологии волокнистых материалов/ Под ред. Л.И. Беленького. М., 1985.

44. Алявдин H.A., Новорадовская Т.С. Планирование и анализ исследований эксперимента применительно к легкой промышленности. М., 1969.

45. Мельников Б.Н., Морыганов А.П., Калинников Ю.А. Теория и практика высокоскоростной фиксации красителей на текстильных материалах.

46. Хархаров A.A., Предтеченская И.А. Подготовка и крашение волокнистых материалов. Л.: Изд-во ЛЕУ, 1979.-57с.

47. Садов Ф.И., Корчагин М.В., Матецкий А.И. Химическая технология волокнистых материалов. М.: Лег. индустрия, 1968. - 784с.

48. Булушева Н.Е., Кричевский Е.Е. Интенсификация процессов крашения и печатания кубовыми красителями // Хлопчатобумажная пром-ть: Обзор, информ./ ЦНИИТЭИлегпром, 1986. Вып.5.

49. Беленький Л.И. Теория крашения и опыт ее практического применения. М„ 1958.

50. Физико-химические основы отделочного производства текстильной промышленности. М., 1987.

51. Беленький JI.И., Омельянчук JI.A., Швырев В.В. Автоматическое управление технологическими процессами отделочного производства. -М.: Легпромбытиздат, 1990. 208с.

52. Луцык Р.В., Малкин Э.С., Абаржи И.И. Тепломассообмен при обработке текстильных материалов. Киев: Научная мысль, 1993. - 344с.

53. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. М.: «Энергия», 1967 - 336с.

54. Бельцова Т.А., Зайцев В.А., Чугунова Н.В. Проблемы повышения надежности работы текстильных предприятий: энергетический аспект: Межвузовский сб. науч.тр./ Отв. ред. В.А. Зайцев. Иваново: ИГХТУ, 2000.-с.431-434.

55. Александровский Н.М. Элементы теории оптимальных систем автоматического управления. -М.: Энергия, 1969. 128с.

56. Бутковский А.Г. Теория оптимального управления процессами с распределенными параметрами. М.: Наука, 1965. -476с.

57. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. - 600с.

58. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. Ч.З. Л.: Энергия, 1970.-328с.

59. Олейников В.А. Сборник задач и примеров по теории автоматического управления. М.: Высшая школа, 1960. - 200с.

60. Отчет о предварительных (эксплуатационных) испытаниях опытного образца машины сушильной барабанной МСБ-24/140-1. Ивановский НИЭКМИ, 1989.

61. Бояринов А.И., Кафаров В.В., Методы оптимизации в химической технологии. М.: Химия, 1975. - 576с.67.Практикум по MathCAD 2000

62. Соколов Е.Я. Расчет и построение характеристики пароструйных компрессоров и водоструйных насосов с цилиндрической камерой смешения// Известия ВТИ, № 9, 1948.

63. Соколов Е.Я. Экспериментальное исследование пароструйных компрессоров// Известия ВТИ, № 11, 1948.

64. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. Госэнергоиздат, 1963.

65. Hilsch R., Die Expansion von Gasen im Zentrifugaifeld als Kalteprozess, Naturforschung, April, 1946.

66. Ranken F., Heat Pumps in H. M. Sips Modem Réfrigération, April, 1944.

67. Мартынов A.B. Исследование эффекта Ранка-Хильша в адиабатных и неадиабатных условиях. Автореферат дисс. на соиск.уч.ст., М.: Изд. МЭИ, 1965.

68. Мартынов A.B., Бродянский В.М. Исследование вихревой трубы с внешним охлаждением// Холодильная техника, №5, 1964.

69. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты, Госэнергоиздат, 1960.

70. Соколов Е.Я. Характеристика вихревой трубы, «Теплоэнергетика», №7, 1966.

71. Алексеев В.П. Исследование эффекта вихревого температурного разделения газов и паров, Автореферат диссертации, изд. МЭИ, 1954.

72. Бродянский В.М., Мартынов A.B. Зависимость эффекта Ранка-Хилыла от температуры, «Теплоэнергетика», № 6, 1964.

73. Вулис JI.A. Термодинамика газовых потоков, Госэнергоиздат, 1950.

74. Дейч М.Е. Техническая газодинамика, Госэнергоиздат, 1961.

75. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. Изд. 2-е перераб. и доп. М. «Энергия», 1968. - 304с.

76. Соколов Е.Я. Тепловые сети, Госэнергоиздат, 1956.

77. Лебедев П.Д., Щукин A.A. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. Учебное пособие для энергетических вузов и факультетов, 1970. 408с.

78. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков A.A. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. JL: Химия, 1987. - 576с.

79. Немцев З.Ф., Арсеньев Г.В. Теплоэнергетические установки и теплоснабжение. М.: Энергоиздат, 1982. - 400с.

80. Теория статистики: Учебник / Под ред. проф. P.A. Шмойловой. 3-е изд., перераб. - М.: Финансы и статистика, 2001. - 560с.

81. Практикум по статистике: Учебное пособие для вузов / Под ред. В.М. Симчеры / ВЗФЭИ. М.: Финансы и статистика, 1998.

82. Елисеева И.И., Юзбашев М.М. Общая теория статистики / Учебник. М.: Финансы и статистика, 1995.

83. Довгаль С.И., Литвинов Б.Ю., Сбитнев А.И. Персональные ЭВМ: ТурбоПаскаль V 7.0, Объективное программирование, Локальные сети. Учебное пособие. Киев: Информсистема сервис, 1993. - 480с.

84. Белецкий Я. Турбо Паскаль с графикой для персональных компьютеров. Пер. с польского. М.: Машиностроение, 1991. - 320с.

85. Волков П.М., Грачева М.В. Проектный анализ: Учебник для вузов. М.: Банки и биржи, ЮНИТИ, 1998. - 423с.

86. Марголин A.M., Быстрякова А.Я. Экономическая оценка инвестиций: Учебник. М.: Ассоциация авторов и издателей «ТАНДЕМ». Издательство «ЭКМОС», 2001. - 240с.

87. Ильин А.И. Планирование на предприятии: Учебное пособие. В 2ч. 4.1. Стратегическое планирование. Мн.: ООО «Новое знание», 2000. - 312с.

88. Ковалев Г.Д. Основы инновационного менеджмента: Учебник для вузов / Под ред. проф. В.А. Швандара. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 1998. - 208с.

89. Инновационный менеджмент: Справочное пособие / Под ред. П.Н. Завлина, А.К. Казанцева, Л.Э. Миндели. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: ЦИНС, 1998.-568с.

90. Чугунова Н.В., Первовский Ю.А. Основные направления повышения энергетической эффективности: Межвузовский сб. науч. тр./ Проблемы экономики, финансов и управления производством/Отв. ред. В.А. Зайцев. Иваново: ИГХТУ, 1998, - С. 253 - 256.

91. Волынский В.Ю., Головушкин A.A., Чугунова Н.В. Оптимальное управление процессом кондуктивной сушки материалов. / Химия и химическая технология: Известия вузов. Т.44, вып.5, 2001. 121-124с.

92. Чугунова П.В., Волынский В.Ю. Расчет требуемого количества пара для сушки ткани в сушильных барабанных машинах типа МСБ. / Химия и химическая технология: Известия вузов. Т.44, вып.5, 2001. 124-126с.

93. Лыков A.B. Тепломассообмен. Справочник. М.: Энергия, 1972. -560с.

94. Лыков A.B. Тепломассообмен. Справочник-М.: Энергия, 1978-480с.