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

Введение

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДОЛОГИИ И 9 АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ

1.1. Обзор сушильного оборудования конвективного типа

1.2. Математические модели и методы расчета тепловых и массооб- 24 менных процессов при конвективном подводе теплоты

1.3. Методы и средства использования вторичных энергоресурсов кон- 38 вективных сушилок

1.3.1. Виды вторичных энергоресурсов, образующиеся при конвектив- 39 ной сушке

1.3.2. Устройства, повышающие потенциал вторичных энергоресурсов

1.3.3. Современное состояние технологии использования вторичных 52 энергоресурсов

1.4. Цели и задачи исследования

2. ТЕХНОЛОГИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВТОРИЧНЫХ 67 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ

2.1. Технология утилизации теплоты уходящей с сушильным агентом и 67 испаренной влагой

2.2. Расчет аппаратурного оформления схемы утилизации теплоты

2.2.1. Расчет струйного компрессора

2.2.2. Расчет вихревой камеры

2.3. Расчет локальных коэффициентов тепло- и массообмена при кон- 80 вективной сушке

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА 86 УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ В СУШИЛЬНОЙ МАШИНЕ КОНВЕКТИВНОГО ТИПА

3.1. Физическая картина конвективной сушки тонких полотенных ма- 86 териалов

3.2. Математическая модель конвективной сушки тонких полотенных 92 материалов с сосредоточенными параметрами

3.3. Методика и программно-алгоритмическое обеспечение математического моделирования процесса комбинированной сушки тонких полотенных материалов в сушильной машине DD-1 с учетом технологии утилизации

4. РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

4.1. Рациональные режимы работы утилизационной схемы

4.2. Экономическое обоснование схемы утилизации теплоты с уходя- 132 щим сушильным агентом и испаренной влагой из сушилки DD - 1 тка-непечатной машины «STORK»

Наметившаяся в последнее время ограниченность запасов топливно-энергетических ресурсов вызвала необходимость проведения энергосберегающей политики.

Общая проблема экономии первичных энергетических ресурсов решается на основе совершенствования процессов их переработки, преобразования и распределения. Производство же преобразованных видов энергии (электроэнергии, пара, горячей воды и др.) соотносится с ее потреблением на различные цели.

Тепловая сушка, как и всякий процесс термического разделения, с точки зрения физики представляет собой совокупность одновременно протекающих явлений тепло- и массообмена. Сушка материалов является наиболее сложным процессом термического разделения, поскольку под влиянием теплоты изменяются не только свойства испаряющейся жидкости, но и свойства самого высушиваемого материала. Тепловая (или термическая) сушка является теплопотребляющим теплотехнологическим процессом, в результате осуществления которого получают товарную или промежуточную продукцию.

Вопросы экономии энергии при тепловой сушке являются частью общей задачи повышения ее эффективности и должны рассматриваться с учетом комплекса факторов, определяющих эту эффективность и в конечном счете народнохозяйственный эффект.

Сушильные установки относятся к теплотехнологическим установкам, так как представляют собой устройства, в которых процессы переноса теплоты и массы обеспечивают изменение технологических свойств обрабатываемого материала. Обычно они входят в состав более сложных систем.

Среди множества процессов химической и смежных отраслей промышленности сушка материалов, полупродуктов или готовых изделий занимает важное место. Она является одним из основных этапов получения мно4 гих продуктов. Совокупность параметров проведения данного процесса, конструктивные особенности аппаратного оформления во многом определяют качество и стоимость конечного продукта.

Сушильное оборудование в большинстве отраслей промышленности отстает по производительности от другого оборудования. Кроме того, сушка — один из самых энергоемких процессов. Следовательно, повышение производительности сушилок и разработка оптимального способа использования подводимой теплоты являются важнейшими задачами, от решения которых << зависит эффективность работы всей технологической цепочки.

Для сушки тонких полотенных материалов в промышленности наиболее часто применяются сушилки с конвективным подводом теплоты. Однако, конвективные сушилки, используемые в промышленности, имеют низкий коэффициент полезного действия по теплоте (до 60 %), так как паровоздушная смесь, выходящая из рабочей зоны сушильного оборудования имеет высокую температуру. В связи с этим представляется актуальной задача разработки технологических схем, предусматривающих использование теплоты уходящей паровоздушной смеси в технологических целях.

Решение задачи оптимального управления процессом сушки тонких капиллярно-пористых материалов в конвективных машинах, в том числе с учетом эффекта использования отработанной паровоздушной смеси, требует разработки соответствующей математической модели.

Целью данной работы является исследование способов наиболее рационального использования вторичных энергоресурсов для повышения энергетической эффективности и увеличения производительности сушильного оборудования конвективного типа и на основе полученных сведений разработка технологии, аппаратурного оформления и методики расчета установок, работающих по данной технологии.

Основное внимание в настоящей работе было сосредоточено на решении следующих задач: Д

1. Разработка технологии повторного использования теплоты, уходящей с паровоздушной смесью, в сушильных установках конвективного типа.

2. Разработка математической модели конвективной сушки тонких полотен-ных материалов с учетом использования теплоты отходящей паровоздушной смеси в сушильных установках конвективного типа.

3. Разработка методики расчета конвективной сушильной установки, включающей схему использования теплоты, уходящей с паровоздушной смесью.

4 4. На основе полученных математической модели и методики расчета определение рациональных режимов работы сушильного оборудования, в том числе схемы утилизации теплоты.

5. Обоснование экономической целесообразности практического применения предлагаемой технологии утилизации вторичных энергоресурсов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена технологическая схема утилизации теплоты, уходящей с сушильным агентом и испаренной влагой.

2. Предложена методика расчета схемы утилизации теплоты, уходящей с сушильным агентом и испаренной влагой.

3. Разработано математическое описание процессов тепло- и массопереноса в тонких полотенных материалах при их конвективной сушке с помощью упрощенной модели с сосредоточенными параметрами, позволяющей учитывать изменение параметров окружающей среды (сушильного агента).

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:

1. Разработана методика расчета схемы утилизации теплоты с уходящим сушильным агентом и испаренной влагой.

2. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение математического моделирования процесса конвективной сушки тонких полотенных материалов в сушильной машине с учетом использования технологии утилизации ВЭР.

3. Разработано программное обеспечение для расчета аппаратурного оформления схемы утилизации теплоты: струйного компрессора и вихревой камеры.

4. Для разработанной технологической схемы получены зависимости локальных коэффициентов тепло- и влагоотдачи сушильного агента от температуры при различных режимах обдува.

5. Установлены интервалы параметров работы дополнительных устройств схемы утилизации теплоты, позволяющие получать наилучшие характеристики теплоносителя.

6. Графически в виде номограмм и численно представлены данные по широкому диапазону работы схемы утилизации, позволяющие определить необходимые параметры работы оборудования.

7. Разработана имитационная модель по оценке экономической эффективности использования технологии утилизации ВЭР.

Структура работы: работа состоит их четырех глав.

В первой главе дается обзор оборудования конвективного типа для сушки полотенных материалов; существующих математических моделей и методов расчета тепловых и массообменных процессов при конвективном подводе теплоты; основных видов вторичных энергоресурсов, образующиеся при конвективной сушке; существующего теплоутилизационного оборудования и схем утилизации.

Во второй главе приводится описание технологии повторного использования теплоты уходящей с паровоздушной смесью в сушильных установках конвективного типа, позволяющей повысить энергетическую эффективность сушильного оборудования. Производится расчет схемы утилизации теплоты паровоздушной смеси и соответствующего аппаратурного оформления.

В третьей главе рассматривается физическая картина конвективной сушки тонких полотенных материалов и разрабатывается математическая модель с сосредоточенными параметрами. Предлагается методика расчета 7 конвективной сушильной установки, в основу которой положена данная модель.

В четвертой главе даются практические рекомендации по использованию разработанной математической модели конвективной сушки тонких по-лотенных материалов с применением схемы утилизации теплоты паровоздушной смеси. В данной главе также дается экономическое обоснование схемы утилизации теплоты с уходящим сушильным агентом и испаренной влагой.

1. Предложена новая схема утилизации вторичных энергоресурсов при кон вективной сушке тонких полотенных материалов. Схема отличается по вторным использованием уходящей теплоты непосредственно в прохо дящем технологическом процессе, что позволяет помимо сокращения соб ственно потерь теплоты, снизить удельное энергопотребление и повысить производительность сушильной установки,

2. Предложена математическая модель процесса конвективной сушки тонких полотенных материалов с сосредоточенными параметрами, позволяющая существенно упростить и ускорить расчеты для предлагаемой сушильной установки. Правомерность использования модели обоснована анализом физической картины механизма сушки, адекватность — модельными рас четами

3. Разработана методика расчета конструктивных характеристик и парамет ров ведения процесса сушки предлагаемой сушильной установки, вклю чающей схему утилизации теплоты и расчет кинетики сушки тонких по лотенных материалов. Для разработанной методики приведен алгоритм расчета.4. Приведены справочные таблицы и номограмма, позволяющие упростить определение режимов работы схемы утилизации теплоты.5. Проведенный анализ экономической эффективности инвестиций для ус тановки предлагаемой схемы утилизации вторичных энергоресурсов под тверждает целесообразность ее использования. Для тонких полотенных тканей массового ассортимента срок окупаемости проекта составляет до двух месяцев, увеличение прибыли около 700 тыс. руб. в год (в ценах 2003

1. Данилов О.Л., Леончик Б.И. Экономия энергии при тепловой сушке. - М.: Энергоатомиздат, 1986.

2. Исаев В.В., Зайченко В.М., Реутов Б.Ф., Цой А.Д., Шпильрайн Э.Э. Проблема энергосбережения на предприятиях текстильной промышленности // Текстильная промышленность, 2002, № 5.

3. Кей Р.Б. Введение в технологию промышленной сушки. Пер. с англ. Под ред. Р.И. Солоухина, П.С. Куца. - Минск: Наука и техника, 1983

4. Лебедев П.Д., Щукин А.А. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий, 1970

5. Сушильные аппараты и установки. - М.: ЦИНТИХИмнефтемаш, 1975

6. Сажин Б.С. Современные методы сушки. - М.: Знание, 1973

7. Кочетов Л.М., Сажин Б.С, Лаевская М.М. - В кн. Обзорная информация. Химическое и нефтеперерабатывающее машиностроение. Сер. ХМ-1. - М.: ЦИНТИХимнефтемаш, 1973.

8. Черкинский Б.М., Использование газа для интенсификации процессов сушки и термической обработки тканей. - М.: Гизлегпром, 1959

9. Теплоиспользующие установки в текстильной промышленности: Учеб. Для вузов / Е.А. Ганин, Д. Корнеев, И.П, Корнюхин, В.И. Щербаков. - М.: Легпромбытиздат, 1989. - 392 с.

10. Справочник по отделке текстильных материалов / Г.С. Сарибеков, Е.Е. Старикович, Ю.И. Осик, В.Л. Молоков. — Киев: Техника, 1984

11. Бунин О.А., Малков Ю.А. Машины для сушки и термообработки ткани. -М. : Машиностроение, 1971.

12. Бунин О.А., Малков Ю.А. Современное оборудование для сушки ткани. - М.: Обзор ЦНРШГЗИЛегпещемаш, 1971

13. Коретко В.П. Завесная сушильная машина для тканей. - М.; Гизлегпром, 1954 f

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

15. Бунин О.А. Интенсификация сушки ткани. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. - Иваново, ИвНИТИ, 1953.

16. Муштаев В.И. и др. Теория и расчет сушильных процессов. - М.: МИХМ, 1974.-152 с.

17. Сажин Б.С., Гудим Л.И., Реутский В.А. Гидромеханические и диффузионные процессы. -М. : Легпромбытиздат, 1988.

18. Био М. Вариационные принципы в теории теплообмена. Пер. с англ. / Под ред. А.В.Лыкова. - М.: Энергия, 1975

19. Мазяк З.Ю. Тепло- и массоперенос в пористых телах при переменных потенциалах в среде. - Львов: Вища школа, 1979

20. Процессы сушки капиллярно-пористых материалов: Сб. науч. тр. - Минск: ИТМО, 1990

21. Михайлов М.Д. Массотеплообмен в капиллярно-пористых телах в процессе сушки // Математические и физические вопросы тепло- и массо-обмена. - Минск, 1973

22. Куц П.С, Ольшанский А.И. Некоторые закономерности тепловлагооб- мена и приближенные методы расчета кинетики процесса сушки влажных материалов // ИФЖ, Т. 32, 1977

23. Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963.

24. Лыков А.В. Явления переноса в капиллярно-пористых телах. - М.: Гос- техиздат, 1954. - 296 с.

25. Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория переноса энергии и вещества // АН БССР, Минск, 1959. - 330 с.

26. Лыков А.В. Теплопроводность нестационарных процессов. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1948.-321 с. •^ , 27. Лыков А.В. Тепло- и массообмен в процессах сушки. - М.-Л.: Госэнер-гоиздат, 1956.

27. Берд Р., Стьюарт В., Лайтфут Е. Явления переноса. Пер. с англ. / Под ред. Н.М. Жаворонкова и В.А. Малюсова. - М.: Химия, 1974

28. Петухов Б.С. Вопросы теплообмена. - М.: Наука, 1987

29. Тепло- и массообменные процессы: Сб. науч. тр. - Киев: Наук, думка, 1986

30. Фролов В.Ф. Моделирование сушки дисперсных материалов. - Л.: Хи- < мия, 1987.

31. Сажин Б.С. Основы техники сушки. — М.: Химия, 1984.

32. Лыков М.В., Леончик Б.И. Распылительные сушилки. — М.: Машиностроение, 1966

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

34. Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. - , М.: Энергия, 1972. - 181 с.

35. Романков П.Г., Рашковская Н.Б. Сушка во взвешенном состоянии. - Л.: Химия, 1979

36. Плановский А.Н., Муштаев В.И., Ульянов В.М. Сушка дисперсных материалов в химической промышленности. - М.: Химия, 1979.

37. Белопольский М.С. Сушка керамических суспензий в распылительных сушилках. -М.: Стройиздат, 1972.

38. Чернобыльский И.И., Тонанайко Ю.Н. Сушильные установки химической промышленности. — Киев: Техника, 1969.

39. Пажи Д.Г., Карягин А.А., Ламм Э.Л. Распыливающие устройства в химической промышленности. - Л.-М.: Химия, 1975.

40. Самойлов В.П. Теплоиспользующие установки хлапчатобумажной промышленности. - М.: Изд-во науч.-технич. Литературы, 1961. - 284 с.

41. Лыков А.В. Теория сушки. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1950.

42. Жучков П.А. Процессы сушки в целлюлозно-бумажном производстве. - М.: Энергия, 1966. - 476 с.

43. Ольшанский А.И. Приближенные методы расчета кривой скорости Л сушки. В сб. «Тепло- и массообмен в сушильных и термических процессах». - Минск, 1971. - с. 200-211

44. Куц П.С, Ольшанский А.И., Шкляр В.Я. Обобщенное уравнение температурной кривой процесса конвективной сушки влажных материалов. - ИФЖ, 1989, т. 57, № 4. - с. 627-631

45. Ольшанский А.И., Шкляр А.В. К расчету кинетики процесса сушки . влажных материалов // Исследование тепломассопереноса при сушке и термообработке капиллярно-пористых материалов. - Минск, 1985

46. Куц П.С, Шкляр В.Я. Кинетика процесса конвективной сушки тонких материалов. - Пром. Теплотехника, 1989, т. 11, № 5. - с.55-59

47. Куц П.С Современные направления оптимизации процессов и техники сушки. - Минск: Наука и техника, 1979

48. Куц П.С, Шкляр В.Я., Ольшанский А.И., Метод расчета процесса конвективной сушки влажных материалов. — ИФЖ, 1986, т. 51, № 1, — с.99-

49. Бабенко Ю.И. Тепломассобмен: Метод расчета тепловых и диффузионных потоков. -Л. : Химия, 1986. — 144 с.

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

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

52. Рудобашта СП. Диффузия в химико-технологических процессах. - М.: Энергия, 1993.-208 с.

53. Федосов СВ. Процессы термической обработки дисперсных материалов с фазовыми и химическими превращениями. - Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. - Л., ЛТИ им. Ленсовета, 1987.

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

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

56. Красников В.В Закономерности кинетики сушки влажных материалов. -ИФЖ, 1979, т. 19,№ 1.-с. 34-41

57. Безуглый В.Ю., Беляев Н.М. Численные методы теории конвективного тепломассообмена. - Киев, Донецк: Виша шк., 1984

58. Берковский Б.М., Полевиков В.К. Вычислительный эксперимент в конвекции. - Минск: Университетское, 1989

59. Демиденко Н.Д. Моделирование и оптимизация тепломассообменных процессов в химической технологии. -М. : Наука, 1991

60. Чураев Н.В. Физикохимия процессов массопереноса в пористых телах. -М. : Химия, 1990

61. Интенсификация процессов тепловлагопереноса в процессах сушки: Сб. науч. тр. - Киев: Наук, думка, 1979

62. Герасимов М.Н. Исследование процесса сушки тканей, пропитанных растворами нелетучих веществ, и создание высокопроизводительной сушильной установки для его осуществления. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. - Иваново, ИвНИТИ, 1975.

63. Эффективное использование топливно-энергетических ресурсов. / Под ред. Д. Б. Вольфберга - М.: Энергоатомиздат, 1983.

64. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника / Под общ ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. - М.: Энергоатомиздат, 1983.

65. Капустин В.П., Торопов Л.И., Дианов В.Н. Перспективы внедрения систем утилизации тепла отработанных паровоздушных смесей на предприятиях текстильной промышленности. - Иваново: ИвНИТИ, 1989

66. Левичев П.И. Нормирование расхода тепла в отделке тканей. - М.: Легкая индустрия, 1973

67. Михайлов В. В., Гудков Л. В., Терещенко А. В. Рациональное использование топлива и энергии в промышленности. М.: Энергия, 1978.

68. Семененко Н.А. Вторичные энергетические ресурсы промышленности. -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1951.

69. Богословский В.П., Поз М.Я. Теплофизика аппаратов утилизации тепла систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. - М.: Стройиздат, 1983

70. Левин М.С. Использование отработавшего и вторичного пара и конденсата.-Л.: Энергия, 1971

71. Каневец Г.Е. Теплообменники и теплообменные процессы. - Киев: Наук, думка, 1982

72. Аралов А.Д., Быстров В.П., Зайцев В.А. Методика оценки эффективности работы теплообменных аппаратов // Вопросы теплопередачи в технологических процессах. - М.: МЛТИ, 1983, вып. 152, с 113—119.

73. Заминян А.А., Рамм В.М. Абсорберы с псевдоожиженной насадкой. - М.: Химия, 1980.- 184 с.

74. Рей Д. Экономия энергии в промышленности: Пер. с англ./ Под ред. В.Е. Аракелова. - М.: Энергоатомиздат, 1983.

75. Краткая техническая характеристика теплоутилизаторов. — Иваново: ИвНИТИ, 1991

76. Отчет о HPIP ИвНИТИ 1990 г. «Усовершенствовать работу теплоутили- заторов и разработать типовые схемы горячего технологического водоснабжения отделочных производств с использованием вторичных энергоресурсов»

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

78. Кришер О. Научные основы техники сушки. Пер с нем. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1961.

79. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. - М.: Энергия, 1967.

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

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

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

83. Мартынов А.В. Установки для трансформации тепла и охлаждения. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

84. Чугунова Н.В. Повышение эффективности энергоиспользования промышленного сушильного оборудования барабанного типа для полотенных материалов. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. — Иваново, 2001.

85. Плис А.И., Сливина Н.А. Mathcad 2000. Математический практикум для экономистов и инженеров. — М.: Финансы и статистика, 2000

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

87. Чечеткин А.В., Занемонец Н.А. Теплотехника. - М.: Высшая школа, 1986.

88. Мартынов А.В., Бродянский В.М. Исследование вихревой трубы с внешним охлаждением//Холодильная техника, № 5, 1964

89. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. — Л.: Химия, 1987. — 576 с.

90. Справочник по теплопроводности жидкостей и газов. - М.: Энерго- атомиздат, 1990

91. Руководство пользователя Project Expert 6. — М.: Про-Инвест Консалтинг, 1998

92. Вестник Банка России, №35, 25.06.2003

93. Теплотехнический справочник. Изд. 2-е, перераб. Под ред. В.Н. Юрене- ва, П.Д. Лебедева. Т. 1. - М.: Энергия, 1975

94. Сидоров М.Д. Справочник по воздуходувным и газодувным машинам. - М: ГНТИ Машиностроительной литературы, 1962

95. Михайлов А.К., Ворошилов В.П. Компрессорные машины. - М.: Энер- гоатомиздат, 1989

96. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1968

97. Ranken F. Heat Pumps in Н.М. Sips Modem Refrigeration, April, 1944

98. Hilsch R. Die Expansion von Gasen im Zentrifiigaifeld als Kalteprozess, Naturforschung, April, 1946