автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Повышение энергетической эффективности сушки бумаги при однорядной компоновке сушильных цилиндров

На правах рукописи

Громова Екатерина Николаевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУШКИ БУМАГИ ПРИ ОДНОРЯДНОЙ КОМПОНОВКЕ СУШИЛЬНЫХ ЦИЛИНДРОВ

05.14.04 - «Промышленная теплоэнергетика»

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 2 МАЙ 2011

Санкт-Петербург - 2011

4846004

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Вельский Александр Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Мезенцев Александр Петрович кандидат технических наук, доцент Короткова Татьяна Юрьевна

Ведущая организация: Закрытое акционерное общество «Гипробум»

Защита диссертации состоится «31» мая 2011 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.231.01 при Санкт-Петербургском государственном технологическом университете растительных полимеров (198095, Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д.4).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технологического университета растительных полимеров

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 198095, Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д.4.

Автореферат разослан апреля 2011 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Махотина Л.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Определяющая роль энергетики в экономике страны очевидна. Общеизвестны такие характерные черты нашей экономики, как высокая энергоемкость различных видов продукции, превышающая в несколько раз аналогичные показатели развитых стран.

В последние годы вопросы энергосбережения и энергоиспользования на промышленных предприятиях приобрели важное значение в связи с высокой стоимостью мазута, природного газа и твердого топлива, поэтому должны разрабатываться и реализовываться мероприятия по сокращению расходов топлива и теплоты на действующем и вновь проектируемом энергетическом и технологическом оборудовании с целью обеспечения конкурентоспособности выпускаемой продукции.

Целлюлозно-бумажная промышленность является одной из стратегических и социально значимых отраслей для экономики России.

Основной вид продукции ЦБП - сложные композиционные материалы, обладающие самыми разнообразными свойствами, к ним относятся бумага, картон, товарная целлюлоза и др.

Процесс сушки является одним из важнейших этапов производства бумага и картона. В целлюлозно-бумажной промышленности сушка целлюлозы, бумаги и картона наиболее часто осуществляется контактно-конвективным методом на многоцилиндровых сушильных установках, которые занимают лидирующее место по затратам тепловой и электрической энергии, металлоемкости и стоимости в технологическом цикле производства бумаги.

В современных условиях все большую актуальность приобретают мероприятия, направленные на совершенствование действующих и создание новых, более экономически выгодных сушильных установок бумаго- и картоноделательных машин.

В настоящее время нет четкого представления о соотношении количества испаряющейся влаги во время пребывания бумажного полотна на сушильном цилиндре и на участках свободного пробега. Также отсутствуют представления о механизме тепломассообмена и тепломассопереноса при однорядном расположении сушильных цилиндров. При однорядном расположении сушильных цилиндров существенным образом изменяется и гидродинамика пароснабжения и конденсатоудаления из сушильных цилиндров.

Эти и другие вопросы, связанные с проектированием и эксплуатацией многоцилиндровых контактно-конвективных установок рассмотрены в представленной диссертации.

Цель и задачи.

1.Разработка методики теплового расчета многоцилиндровых контактно-конвективных установок с однорядным расположением сушильных цилиндров;

2. Обоснование мероприятий по повышению эффективности работы действующих сушильных установок;

3.Проведение исследований диффузионных процессов, протекающих по толщине материала при контактно-конвективной сушке во время пребывания бумажного полотна на сушильном цилиндре и на участках свободного хода.

Основные положения методики исследования.

Теоретические исследования кинетики тепло- и массообменных процессов при однорядной компоновке сушильных цилиндров выполнялись на основании анализа влияния основных физических факторов, как то температуры поверхности греющих цилиндров, скорости движения полотна, удельной массы бумаги и др.

Расчеты выполнялись при помощи компьютерных программ MathCAD и Excel, полученные результаты представлены в виде графических зависимостей.

Научная новизна.

1. Проведены исследования диффузионных процессов, протекающих по толщине материала при контактно-конвективной сушке во время пребывания бумажного полотна на сушильном цилиндре и на участках свободного хода;

2. На основании анализа существующих конструкций сушильных частей бумагоделательных машин предложена методика определения длины участка свободного пробега при однорядной компоновке сушильных цилиндров;

3. Разработана математическая модель определения максимального угла охвата сушильного цилиндра бумажным полотном, при существующей компоновке позволяющая увеличивать поверхность теплообмена бумагосушильных цилиндров;

4. Предложена методика теплового расчета многоцилиндровых контактно-конвективных сушильных установок по отдельным циклам «сушильный цилиндр - свободный ход».

Практическая ценность.

Разработанная методика теплового расчета многоцилиндровых контактно-конвективных сушильных установок с однорядной компоновкой сушильных цилиндров при проектировании новых бумагоделательных машин позволяет более точно определять конструктивные характеристики по заданному температурному графику сушки, производительности машины и виду выпускаемой продукции. Также представляется возможным определять рациональные температурные графики сушки для получения максимальной производительности на уже существующих машинах, качественных показателей выпускаемой продукции, определения расхода пара на каждый цилиндр, выбора конденсатоудаляющих устройств при модернизации действующих БДМ.

Разработанная методика передана на производство ОАО «Выборгская целлюлоза» и ОАО «СПб КПК» для проведения проектных работ и мероприятий по модернизации действующих установок. По результатам данного мероприятия имеется два акта внедрения.

Положения, выносимые на защиту:

1. Теоретическая модель диффузионных процессов тепло- и масссообмена, при однорядном расположении бумагосушильных цилиндров;

2. Математическая модель определения максимального угла охвата сушильного цилиндра бумажным полотном;

3. Методика определения длины участка свободного пробега при при однорядной компоновке сушильных цилиндров;

4. Методика теплового расчета многоцилиндровых контактно-конвективных сушильных установок;

5. Влияние параметров окружающей среды на интенсивность контактно-конвективной сушки бумаги.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на международной научно-практической конференции «Энергетика в ЦБП» , Санкт-Петербург, 2-4 июля 2008 года; на обучающем семинаре «Школа теплоэнергетика», СПбГТУРП, Институт комплексного развития и обучения «Крона», 1-5 марта 2010 года.

Структура и объем диссертации.

Диссертация представлена на 104 с. машинописного текста, состоит из введения, четырёх глав, выводов, библиографии и 4 приложений. Содержит: 9 таблиц, 52 рисунка, библиографию из 58 наименований.

Содержание работы Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются основные положения работы, выносимые на защиту.

В первом разделе проведен анализ результатов исследований отечественных и зарубежных авторов контактно-конвективной сушки. Сушка бумажного полотна на многоцилиндровых установках подчиняется общим закономерностям кинетики сушки внутреннего и внешнего тепломассообмена, но имеет отличительные особенности, связанные, в основном, со способом подвода теплоты к материалу, циклическим температурным режимом и способами тепломассообмена на цилиндрах и участках свободного хода.

Контактно-конвективная сушка на многоцилиндровых установках характеризуется неравномерным по времени и по циклам удалением влаги. Из-за снижения влагосодержания по ходу процесса и ухудшения теплопроводяхцих свойств материала условия теплообмена на контактном участке будут меняться по ходу сушильного процесса.

Многие авторы рассматривают конвективный тепломассообмен полотна на участке свободного хода как процесс, аналогичный конвективной сушке, тогда как он отличается от конвективной сушки температурными условиями, при которых происходит испарение влаги. При обычной конвективной сушке

материал в первом периоде имеет температуру смоченного термометра, и испарение влаги протекает при адиабатических условиях, то есть вся теплота, полученная от воздуха, расходуется на испарение влаги. На участках свободного хода температура высушиваемого материала выше температуры смоченного термометра, и испарение происходит, в основном, за счет аккумулированной на сушильном цилиндре теплоты.

На основании существующих представлений можно сделать вывод о том, что:

- большинство экспериментов проводились в стационарных условиях, кроме исследований, проведенных В.В. Красниковым;

- до сих пор не существует методики теплотехнического расчета контактно-конвективных сушильных установок с однорядной компоновкой;

- отсутствуют результаты исследований по кинетике сушки при нахождении бумажного полотна на сушильных цилиндрах и на участках свободного хода;

- при контактно-конвективной сушке на следующем цилиндре полотно соприкасается другой стороной, то есть бывший контактный слой становится открытой поверхностью, а открытая поверхность - контактным слоем. Тем самым, под действием диффузии и термодиффузии потоки теплоты, жидкости, пара меняют свое направление. В большей части исследований эксперименты по изучению осциллирующего характера сушки бумаги и картона не проводились.

- также результаты исследований у разных авторов крайне противоречивы.

Принимая во внимание вышеизложенное, формулируются цели и задачи настоящей работы.

Во втором разделе рассматриваются вопросы, связанные с изучением кинетики и тепломассообмена во время пребывания бумажного полотна на сушильных цилиндрах и на участках свободного хода при однорядной компоновке сушильных цилиндров.

На рисунке ¡приведена схема многоцилиндровой контактно-конвективной сушильной установки бумагоделательной машины.

Тепловосприятие влажного материала в период контакта с нагретой поверхностью при отсутствии внутреннего парообразования определяется уравнением, отнесенным к 1 м2 полотна:

Л!« = акт (1гр ~ = (Ссп + и0С№ )Рспскб (1), где акт - коэффициент контактного теплообмена, Вт/(м2,0С); Ссп - теплоемкость сухой бумаги, кДж/(кг-°С); Сж - теплоемкость воды, кДж/(кг-°С); Рсп - масса 1 м2 бумажного полотна, кг/м2.

Рисунок 1. Схема проводки бумажного полотна в сушильной части бумагоделательной машины: а) - безобрывная проводка; б) -традиционная проводка; 1 - бумажное полотно; 2 - сушильный цилиндр; 3 - сушильная сетка; 4 - направляющий вал

После преобразований уравнение выглядит следующим образом:

-^-ск (2),

обозначим

тогда

1гр-1б (Ссп + и0С№)Рс1

'б2 я» а Тк7

-—Ьт- ¡¿X (3),

1б1*гр_16 (ССп + иоС№)Рсп О

- = *1 (4),

(Ссп + и0С№)Рс

1п/ . =*,Тят (5).

гр 61

Уравнение (5) составлено в предположении, что известно среднее значение температуры внешней поверхности цилиндра, которое может быть определено на основании решения общей задачи теплообмена между греющим паром, конденсирующимся на внутренней поверхности цилиндра, и полотном влажного материала.

Между цилиндрами влажное полотно проходит в воздухе с относительной скоростью, равной его абсолютной скорости движения. При этом на обеих свободных поверхностях полотна осуществляется интенсивное испарение влаги за счет теплоты, воспринятой на цилиндрах. Плотность массового потока пара вскипания определяется законом Дальтона.

!т = Рр ■ (Ра - Рв) (6), 7

где Рп, Рв - парциальные давления пара на поверхности материала и в воздухе соответственно, Па;

Рр - коэффициент массообмена, отнесенный к разности парциальных давлений пара. Значение рр находится из соотношения

«т

рр = (7)-

Тогда уравнение баланса теплоты при испарении влаги на участках свободного пробега полотна получит следующий вид

2-Рр(Рп -Рон)-гск = Рсп(Ссп+и0Си,)Л (8), парциальные давления заменяются температурами, тогда

чЗ

1 „3

1л

Р„,

= V

(9),

Р„=1,0-у3; Ров=а3=сош1 (10), 2 • (Зр(у3 - а3) • гёт = Рсп(Ссп + и0С„)ёу (11),

с!у

2'Рр

V -а

Рсп(ССп + и0С№) 0

/с!т (12),

после преобразований получим:

2-Рр-Г"Тсх _1п( р0,33 г по -рО'ЗЗ)2. 1 ов / р0,67 + (Рщ р Ч 0,33 р 0,67 г ов / г ов

Рсп(Ссп+и0С№) ( -Г".")2. 1 ОВ / р0,67 , по + (Рпо р ч0,33 р0,67 ГОВУ т г ов

-3,46

агс^-

9Р».« , р«

пл 'Ал

1.73Р

0,33

- - ап%

2Р",33 + Р

,0,33

0,33'

(13),

173Р

■ ов >' ^ о

где г - теплота парообразования, кДж/кг;

тсх - время свободного пробега, с;

ссп, сж - теплоемкости сухой массы и влаги, кДж/(кг-°С);

Ров, РП|, РПо - парциальные давления пара в окружающем воздухе, в конце

участка свободного хода, у поверхности бумажного полотна, Па;

и0 - среднее влагосодержание бумажного полотна, кг/кг.

Из этого уравнения методом бисекции находится парциальное давление пара в конце участка свободного хода Р„1=0.312 МПа, по которому определяется температура насыщенного пара, соответствующая температуре бумажного полотна: 1П1=69°С.

На основании выполненных расчетов получены термограммы сушки бумажного полотна и кинетические кривые на многоцилиндровой установке как при однорядном расположении сушильных цилиндров, так и при движении по традиционной схеме (рис. 2).

Сейм)

75 50 25 0

1."С 100 75 50 25 О

................н........ г-, ! 1 ........... 1............1..... ...... . ;..!....... | | | ■"'1........... _] X: | ¡1 \ \ ; ! .....1...........'Г""Т"" 1 I ! г

1 1 16 17 1» 14 20 1 ! 21 22 23 1-Я труп 1 24 па 25 26 2? 28 29 п

1.2

0.9 0.6 ОЛ

1.2 0.9 0.(, 0,3

о

Рисунок 2. Кинетические характеристики процессов сушки бумаги на

многоцилиндровых контактно-конвективных установках: 1 - термограмма сушки при традиционной проводке бумажного полотна на участках «цилиндр -свободный ход»; 2 - термограмма сушки при однорядном расположении сушильных цилиндров; 3 - температура воздуха в межцилиндровых пространствах; 4 - температура сушильных цилиндров;

5 - влагосодержание бумаги

Температурная кривая при традиционной проводке полотна имеет характерный вид: на участке контакта с цилиндром температура бумаги увеличивается, а на участках свободного хода уменьшается. Повышение температуры бумажного полотна во время пребывания на цилиндрах зависит от многочисленных факторов: длительности контакта, плотности бумаги, температуры греющей поверхности и других условий. Повышение температуры полотна для расчетного режима составило от 15 до 20°С в зависимости от периодов сушки.

При однорядном расположении бумагосушильных цилиндров условия тепломассообмена в значительной степени изменяются (кривая 2 на рис. 2) за счет того, что длительность пребывания полотна на участке свободного хода увеличивается более, чем в 2 раза и, соответственно, снижается температура полотна до более низких значений - в предельном случае до температуры смоченного периметра. На графике (рис. 2) приведены также температуры сушильных цилиндров и температуры паровоздушной смеси в межцилиндровых пространствах, а также изменение влагосодержания влажного полотна бумаги в сушильной части машины.

Полученные результаты расчетов сравнивались с результатами технологических испытаний сушильной части бумагоделательной машины №10 ОАО «Кондопога». При их сопоставлении была обнаружена удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных данных (рис. 3).

ш, с

120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0

до ■Щ0ФЩ щ

\

20

40

60

-Рад1

80 100 --♦—Ряд2

120 140

№ участка

Рисунок 3. Изменение температуры бумажного полотна по длине сушильной части БДМ: ряд 1 - производственные данные, ряд 2 - расчетные значения

Был выполнен сравнительный анализ характера полей влажности и температуры при традиционном способе перемещения полотна и при однорядной компоновке сушильных цилиндров.

Основное влияние на интенсивность перемещения потока влаги по толщине

•уи „ 8\]

материала .]т оказывает градиент влагосодержании —.

ОХ

5х (14),

где О - коэффициент молекулярной диффузии, м2/с; С - - концентрация влаги в сечении бумажного полотна, кг/м2.

На рисунке 4 показаны кривые распределения влагосодержания в сечении бумажного полотна при традиционной проводке по сушильной части машины при входе на цилиндр №1 и сходе с него, в начале и в конце свободного хода, при входе на цилиндр №2 и при его сходе. При рассмотрении полученных кривых видно, что на первом цилиндре влага перемещается в одном направлении (справа налево), а на втором цилиндре - в противоположном (слева направо), следовательно, одна и та же влага может перемещаться сначала в одном направлении, а потом в другом, тем самым замедляя сушку бумажного полотна при традиционном способе проводки полотна бумаги.

Характер полей влагосодержаний в сечении бумажного полотна при однорядной компоновке сушильных цилиндров отличается тем, что имеет участок свободного хода гораздо большей длины (включая участок на нижнем цилиндре), и соприкосновение бумаги со вторым цилиндром происходит той

же стороной, поток влаги J в этом случае направлен в одну и ту же сторону, что способствует ускорению процесса контактно-конвективной сушки (рис. 5). Перемещение влаги под действием градиента имеет высокую интенсивность за счет механического выноса влаги из пор капилляров, но при этом бумага получается пористой и имеет малую механическую прочность.

а б в

и ж и, к|. и и, К1. И Ж и> кг

1.5' 1,0 дИ| 0,5 т / 1,5 1,0 0.5 и(Г|) иад и(г2)\ 1,5 1.0 0,5

Чя и(Т2) | д»

0 . ги 0 0

5 "х 5 X б X

Рисунок 4. Поля влагосодержаний в сечении бумажного полотна при традиционной проводке: а - влагосодержания бумаги на цилиндре № 1; б - поля влагосодержаний на свободном ходе; в - поля влагосодержаний в бумаге на

хг 1

цилиндре №2; J - поток влаги под действием градиента влагосодержании

Уи = — ; qкв - конвективный тепловой поток, Вт/м2 Эх

Поток влаги под действием градиента давления описывается выражением:

Р ох

где Бр - коэффициент бародиффузии, м2/с, Р - давление, кг/м2.

На основании приведенных расчетов и анализа полученных данных считаем, что при однорядной компоновке сушильных цилиндров ускоряется процесс сушки как на участках свободного хода, так и на цилиндрах за счет целенаправленного переноса влаги в сечении бумаги.

а) б) в)

л________. б ___5

Рисунок 5. Поля влагосодержаний в сечении полотна бумаги при однорядной компоновке сушильных цилиндров: а - поля влагосодержаний бумаги на цилиндре №1; б - поля влагосодержаний на свободном ходе; в - поля влагосодержаний на цилиндре №2; qкт - тепловой поток от воздуха к , -уи

бумаге; J - поток влаги под действием градиента влагосодержании;

qкв - тепловой поток от воздуха к бумажному полотну, Вт/м2

В третьем разделе приводится методика теплового расчета при безобрывной проводке бумажного полотна по сушильной части бумагоделательной машины.

0,624 0,622 0.620 0.618 0,616 0,614 0,612 0,610 0,608 1

Рисунок 6. Зависимость доли охвата от диаметра нижнего необогреваемого вала

Доля охвата сушильных цилиндров бумажным полотном будет равна:

1 / -1 н -1 н \ (Оа = 1---СОБ + т<; :) /1

П \ Я2 ^Г2 + Н2' (16)"

На основании полученных зависимостей были проведены расчеты, результаты которых представлены в виде графической зависимости (рис. 6).

На рисунке 7 приведена зависимость температуры бумажного полотна в конце участка свободного пробега от его длины. Как видно, температура бумажного полотна снижается при увеличении длины участка свободного хода.

тех, с

0,20

Рисунок 7. Зависимость температуры бумажного полотна от длины участка свободного хода

Однако чересчур большое увеличение длины свободного пробега не целесообразно, т.к. температура бумажного полотна не должна опускаться ниже температуры смоченного термометра. Также увеличение времени пребывания бумажного полотна на участках свободного хода связано с глобальными изменениями в конструкции бумагоделательной машины, что может быть экономически не целесообразно.

Длина участка свободного хода равна:

и =

(гп?) -й2=Г+© -(г+й)2'м (17)-

В четвертом разделе выполняется анализ результатов экспериментов, выполненных А.П. Вельским, для подтверждения корректности разработанной методики расчета.

Экспериментальная кинетическая кривая сушки имеет линейный характер, так как влажность образцов контролировалась только в конце свободного хода. В то время как фактическая кинетическая кривая имеет другой характер, так как на участках свободного хода и на сушильных цилиндрах испаряется различное количество влаги.

и С

иц=Г(т) \ исх=А[т) 3

иср=Ят) ,5

Ш=«т) 6 1сх=ед

цилиндр св. ход

Рисунок 8. Кинетические кривые сушки и термограммы на цилиндре и участке свободного хода

На рисунке 8 показаны зависимости и=Г(т) на сушильном цилиндре (кривая 1-2), на участке свободного хода (кривая 2-3) и среднеинтегральная кривая, полученная во время экспериментальных исследований (кривая 1-3). Кривая 4-5 соответствует повышению температуры бумаги во время пребывания на сушильном цилиндре, а кривая 5-6 - охлаждению бумажного полотна на участке свободного хода.

На основании полученных результатов было установлено, что основным фактором, влияющим на длительность сушки является температура сушильных цилиндров, повышение которой для газетной бумаги удельной массой 50 г/м2 и длительности контакта 0,378 с от 80 до 170°С приводит к значительному сокращению длительности сушки (табл. 1).

Таблица 1.

Длительность сушки бумаги удельной массой 50 г/м2 при 1^=0,378с в зависимости от Ц (скорость машины при Бц=1500 мм сом=500 м/мин)

1 °с 80 110 140 170

т« с 16 13 11 8

к=т,/т, % 44 40 38 36

Так же был проведен сравнительный анализ экспериментальных данных и результатов, полученных расчетным путем (Рис. 9). Термограммы сушки и в этом случае имеют характерный вид, расхождение в данных не превышает 5%, что также свидетельствует о корректности проведенных расчетов.

1пС

—— Рад1 —»—Ряд 2 № цилиндра

Рисунок 9. Термограммы контактно-конвективной сушки бумаги: ряд 1 -опытные данные, ряд 2 - расчетные значения

При проведении экспериментов соответствующее внимание уделялось точности измеряемых величин, качеству измерительной аппаратуры и производимых расчетов.

Расчеты показали, что величина погрешности не превышает допустимых значений.

Основные выводы

1. Проведены исследования диффузионных процессов, протекающих по толщине материала при контактно-конвективной сушке во время пребывания бумажного полотна на сушильном цилиндре и на участках свободного хода. Установлено, что при двухрядной компоновке сушильных цилиндров поток влаги диффундирует сначала в одну сторону, а затем в противоположную, в результате чего снижается интенсивность испарения влаги, особенно выраженными эти процессы являются в периоде уменьшающейся скорости сушки. При однорядном расположении цилиндров градиенты концентраций направлены в одну сторону, в результате чего происходит интенсификация процессов термо- и влагопроводности;

2. В представленной работе проведены расчеты кинетики и тепломассообмена во время пребывания бумажного полотна на сушильных цилиндрах и на участках свободного пробега. Исходя из полученных результатов создана упрощенная модель расчета параметров бумажного полотна в программе МаЛсас! у12 (Приложение 1);

3. На основании анализа существующих конструкций сушильных частей бумагоделательных машин предложена методика определения длины участка свободного пробега при однорядном расположении сушильных цилиндров. Высказано предположение о том, что при достаточной протяженности участков свободного пробега температура бумажного полотна может быть снижена до значения температуры смоченного термометра, при этом достигаются максимальные значения тепловых потоков и, соответственно, наибольшая интенсивность испарения влаги;

4. Разработана математическая модель определения максимального угла охвата сушильного цилиндра бумажным полотном, при существующей компоновке позволяющая увеличивать поверхность теплообмена бумагосушильных цилиндров. Проведенные исследования для БДМ №10 ОАО «Кондопога», что за счет оптимизации конструктивных параметров представляется возможным увеличить поверхность тепломассообмена бумагосушильных цилиндров на 15-20%;

5. Разработанная методика теплового расчета многоцилиндровых контактно-конвективных сушильных установок по отдельным циклам «сушильный цилиндр - свободный ход» при проектировании новых установок позволяет более точно определять конструктивные характеристики по заданному температурному графику сушки, производительности машины и виду выпускаемой продукции.

6. При сравнении результатов экспериментальных данных с расчетными была выявлена удовлетворительная сходимость значений параметров бумажного полотна при однорядной компоновке бумагосушильных цилиндров.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Громова E.H. и др. Безобрывная проводка бумажного полотна: кинетика и тепломассообмен [Текст] / E.H. Громова, А.П. Вельский, В.Ю. Лакомкин, // Целлюлоза. Бумага. Картон. - 2007. - №12. - С. 53-56.

2. Тепломассообмен при сушке бумаги на многоцилиндровых установках [Текст] / E.H. Громова, А.П. Вельский, В.Ю. Лакомкин, Е.А. Мурзич// Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС: Межвуз. сб. науч. тр. / СПбГТУРП, СПбГПУ, СЗЗПИ. - СПб, 2007. - С. 36-45.

3. Громова E.H. и др. Энергосбережение на предприятиях ЦБП [Текст] / E.H. Громова, А.П, Вельский, В.Ю. Лакомкин, // Энергетика в ЦБП: Сб. тр. междунар. научно-практ. конф. 2-4- июля 2008 г. - СПб, 2008. - С. 3-5.

4. Пароконденсатная схема бумагоделательной машины с термокомпрессором [Текст] / E.H. Громова, А.П. Вельский, C.B. Антуфьев, В.Ю. Лакомкин // Целлюлоза. Бумага. Картон. - 2009. - №1. - С. 78-79.

5. Исследование кинетики комбинированной контактно-конвективной сушки бумаги.Часть 1 [Текст] / E.H. Громова, А.П. Вельский, В.Ю. Лакомкин, Т.А. Лисичкина // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС: Межвуз. сб. науч. тр. / СПбГТУРП, СПбГПУ, СЗЗПИ. - 2009. - С.75 -84.

6. Исследование кинетики комбинированной контактно-конвективной сушки бумаги. Часть 2 [Текст] / E.H. Громова, А.П. Вельский, В.Ю. Лакомкин, Т.А. Лисичкина // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС: Межвуз. сб. науч. тр. / СПбГТУРП, СПбГПУ, СЗЗПИ. - 2009. - С. 84 -87.

Подписано в печать 31.03.2011г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1984.

Отпечатано в ООО «Издательство "JIEMA"» 199004, Россия, Санкт-Петербург, В.О., Средний пр., д. 24 тел.: 323-30-50, тел./факс: 323-67-74 e-mail: izd_leraa@mail.ru http://www.lemaprint.ru

Введение.

1. Исследования процессов сушки бумажного полотна зарубежными и отечественными авторами:

1.1. Исследования кинетики и тепломассообмена в процессах контактно-конвективной сушки бумажного полотна.

1.2. Тепломассообмен при сушке бумажного полотна на цилиндрах.

1.3. Тепломассообмен на участках свободного хода бумажного полотна.

Основные выводы

1. Проведены исследования диффузионных процессов, протекающих по толщине материала при контактно-конвективной сушке во время пребывания бумажного полотна на сушильном цилиндре и на участках свободного хода. Установлено, что при двухрядной компоновке сушильных цшшндров поток влаги диффундирует сначала в одну сторону, а затем в противоположную, в результате чего снижается интенсивность испарения влаги, особенно выраженными эти процессы являются в периоде уменьшающейся скорости сушки. При однорядном расположении цилиндров градиенты концентраций направлены в одну сторону, в результате чего происходит интенсификация процессов термо- и влагопроводности.

2. В представленной работе проведены расчеты кинетики и тепломассообмена во время пребывания бумажного полотна на сушильных цилиндрах и на участках свободного пробега. Установлены следующие зависимости: скорости сушки от температуры поверхности греющих цилиндров, интенсивности испарения влаги и производительности машины от удельной массы бумаги, интенсивности контактно-конвективной сушки от скорости движения полотна и др. Исходя из полученных результатов создана упрощенная модель расчета параметров бумажного полотна в программе МаШсас! у12 (Приложение 1).

3. На основании анализа существующих конструкций сушильных частей бумагоделательных машин предложена методика определения длины участка свободного пробега при безобрывной проводке бумажного полотна. Высказано предположение о том, что при достаточной протяженности участков свободного пробега температура бумажного полотна может быть снижена до значения температуры смоченного термометра, при этом достигаются максимальные значения тепловых потоков и, соответственно, наибольшая интенсивность испарения влаги.

4. Разработана математическая модель определения максимального утла охвата сушильного цилиндра бумажным полотном, при существующей компоновке позволяющая увеличивать поверхность теплообмена бумагосушильных цилиндров. Проведенные исследования для БДМ №10 ОАО «Кондопога», что за счет оптимизации конструктивных параметров представляется возможным увеличить поверхность тепломассообмена бумагосушильных цилиндров на 15-20%.

5. Разработанная методика теплового расчета многоцилиндровых контактно-конвективных сушильных установок по отдельным циклам «сушильный цилиндр - свободный ход» при проектировании новых установок позволяет более точно определять конструктивные характеристики по заданному температурному графику сушки, производительности машины и виду выпускаемой продукции.

6. При помощи приведенной методики расчета сушильной части бумагоделательных машин представляется возможным определять рациональные температурные графики сушки для получения максимальной производительности машины, качественных показателей выпускаемой продукции, определения расхода пара на каждый цилиндр, выбора конденсатоудаляющих устройств, а также производить расчеты при однорядном расположении сушильных цилиндров.

7. Проведен анализ температурного режима сушки бумажного полотна, на основании полученных А.П. Вельским термограмм контактно-конвективной сушки бумаги разной массы при различной продолжительности контакта бумажного полотна с сушильными цилиндрами. По результатам выполненных исследований получены кинетические кривые сушки и термограммы на цилиндрах и участках свободного хода. При сравнении результатов экспериментальных данных с расчетными была выявлена удовлетворительная сходимость значений параметров бумажного полотна при однорядной компоновке бумагосушильных цилиндров.

1. Шервуд Т.К. Сушка твердых тел Текст.. - Гослесиздат, 1935. - 282 с.

2. Лыков A.B. Явления переноса в капиллярно-пористых телах Текст. -Гостехиздат, 1954. —298 с.

3. Лыков A.B. Теория сушки Текст. М.: Энергия, 1968. - 472 с.

4. Лыков A.B. Тепло- и массообмен в капиллярно-пористых телах Текст. Минск, 1965. - 536 с.

5. Красников В.В. Контактная и комбинированная сушка тонких капиллярно-пористых материалов Текст. М.: МТИПП, 1957. - 31 с.

6. Красников В.В. Исследование процесса контактной сушки капиллярно-пористых материалов Текст. М., 1955. - 373 с.

7. Лыков A.B. Тепло- и массообмен в процессах сушки Текст. -Госэнергоиздат, 1956. 513 с.

8. Бычков П.П., Жучков П.А. Кинетика процесса сушки целлюлозы Текст. // Тр. ЛТИ ЦБП. 1968. - Вып. 5.-е. 15-27.

9. Бабик A.M. Внешний тепло- и влагообмен в процессе контактной сушки капиллярно-пористых тел Текст. М., 1957. - 425 с.

10. Ю.Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи Текст. М.: Энергия, 1977.-638 с.

11. Жучков П.А. Тепловые процессы в ЦБП Текст. М.: Лесная промышленность, 1978. - 154 с.

12. Жучков П.А. Процессы сушки в ЦБП Текст. М.: Лесная промышленность, 1965. -480 с.

13. Красников В.В. Кондуктивная сушка Текст. М., 1973. - 288 с.

14. М.Самойло В.Н. Исследование процессов сушки волокнистых материалов и разработка методов расчета контактных сушильных установок Текст.: Автореф. канд. техн. наук. Л., 1980. - 20 с.

15. Тимофеев О.Н. и др. Конвективный тепломассообмен при сушке бумаги на многоцилиндровых контактных сушильных установках Текст. / О.Н. Тимофеев, А.П. Вельский, В.И. Грачев. Л., 1989. - 92 с.

16. Фляте Д.М. Свойства бумаги Текст. М.: Лесная промышленность, 1976.-680 с.

17. Шухман Ф.Г. Бумагоделательные машины Текст. М.-Л., 1954. - 810 с.

18. Ганичев В.А. Исследование внутреннего тепло и влагообмена в высокоинтенсивных процессах сушки картона Текст.: Автореф.канд. техн. наук. Л., 1975. -24 с.

19. Бельский А.П. Теоретические основы процессов контактно-конвективной сушки бумаги Текст.: Автореф. д-ра техн. наук. Л., 1991.-42 с.

20. Бельский А.П. Сушильные установки Текст.: Учебное пособие. JI., 1974.-120 с.

21. Вельский А.П., Дмитриева С.И. Расчет температурного поля картона при сушке на многоцилиндровых установках Текст. //Технология бумаги и картона: Межвуз. сб. науч. тр. / ЛТА., 1989. - с. 25-29.

22. Бельский А.П., Лакомкин В.Ю. Тепломассоперенос в процессах контактной сушки картона Текст. // Лесной журнал: Изв. ВУЗ. 1989. - №2. - с. 50-54.

23. Бельский А.П., Лакомкин В.Ю. Специальные вопросы тепломассообмена Текст. СПб, 1997. - 92 с.

24. Жучков П. А. и др. Теплотехника целлюлозно-бумажного производства Текст. / П.А. Жучков, А.П. Гофлин, В.И. Саунин. М.: Экология, 1991.-210 с.

25. Жучков П.А., Саунин В.И. Тепловой и гидравлический режимы бумагоделательных и картоноделательных машин Текст. М.: Лесная промышленность, 1972. — 156 с.

26. Иванов С.Н. Технология бумаги Текст. М.: Лесная промышленность, 1970. - 568 с.

27. Леонтьев А.И., Исаев С.И. Теория тепломассообмена Текст. М.: Высшая школа, 1979. - 495 с.

28. Баскаков А.Г., Берг Б.В. и др. Теплотехника Текст. М.: Энергоиздат, 1982. - 412 с.

29. Жучков П.А. и др. Расчет и проектирование тепло-массообменных установок целлюлозно-бумажного производства Текст.: учебное пособие / П.А. Жучков, Т.П. Алаев, В.А. Ганичев. Л., 1982. - 108 с.

30. Жучков П.А. Тепломассобмен в процессах сушки и горения Текст. -Л.: ЛТИЦБП, 1974. 329 с.

31. Жучков П.А. Спецвопросы тепломассобмена в энерготехнологических процессах и установках целлюлозно-бумажного производства Текст.: Учебное пособие. Л., 1986. - 94 с.

32. Бойков Л.М., Антуфьев C.B. Экономия теплоты при сушке картона и бумаги Текст. // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС: Межвуз. сб. науч. тр./ СПб ГТУ РП, СПб ГТУ, СЗЗПИ. СПб, 2001. - с. 92-102.

33. Бойков Л.М., Антуфьев C.B. Повышение эффективности работы контактных сушильных установок Текст. // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС: Межвуз. сб. науч. тр./ ЛТИ ЦБП, ЛПИ, СЗЗПИ. Л., 1991. - с. 112-117.

34. Бойков Л.М., Антуфьев C.B. К вопросу тепломассопереноса при сушке картона и бумаги Текст. // Проблемы экономии топливноэнергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС: Межвуз. сб. науч. тр. / ЛТИ ЦБП, ЛПИ, СЗЗПИ. СПб, 1997. - с. 30-34.

35. Вельский А.П., Лакомкин В.Ю. Проблемы энергосбережения на предприятиях ЦБП Текст. // Ресурсо- и энергосбереж. в ЦБП и городском коммунальном хозяйстве: Сб. трудов межд. науч.-практ. конф. СПбГТУРП, 2005.- с. 233-236.

36. Вельский А.П., Лакомкин В.Ю. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях Текст.: Учебное пособие. СПб: СПбГТУРП, 2007.-136 с.

37. Лисиенко В.Г. и др. Хрестоматия энергосбережения Текст.: Справочное издание / В.Г. Лисиенко, М.Ю. Сибикин и др.; Под ред. В.Г.Лисиенко. Т. 1-2. - М.: Теплотехник, 2005. - 760 с.

38. Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. Технология энергосбережения Текст. Учебник для средн. проф. образования. М.: ФОРУМ-ИНФРА-М, 2006.-406 с.

39. Теплоэнергетика и теплотехника Текст.: Справочник: В 4 т. / Под общ. ред. А.В.Клименко и В.М.Зорина. М.: МЭИ, 2004. - Т. 4: Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. — 1120 с.

40. Бумагоделательные и картоноделательные машины Текст. / Под ред. В.С.Курова, Н.Н.Кокушина. СПб: Изд-во Политехи, ун-та, 2008. -588 с.

41. Лыков М.В. Теория теплопроводности Текст. М.: Высшая школа, 1967.-600 с.

42. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса Текст. Л.: Госэнергоиздат, 1963. — 536 с.

43. Теория тепломассообмена Текст.: Учебник для технических университетов и вузов / Исаев С.И., Кожинов И.А., Кофанов А.И. и др.; Под ред. А.И. Леонтьева. 2-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. - 495 с.

44. Непенин Ю.Н. Технология целлюлозы Текст. М.: Лесная промышленность, 1976.-479 с.

45. Исаченко В.П. и др. Теплопередача Текст.: Учебник для вузов / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, A.C. Сукомел. 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1981. - 488 с.

46. Вельский А.П. Проектирование и эксплуатация тепломассообменных (сушильных) установок Текст.; СПб ТИ ЦБП.-СПб, 1992.-116 с.

47. Вельский А.П., Ганичев В.А. Спецвопросы тепломассообмена Текст.: Программа и методические указания к выполнению контрольных работ; ЛТИ ЦБП. Л., 1990. - 33 с.

48. Венцюлис JI.C. и др. Энергосбережение и экологическая безопасность энергетики Текст. / Л.С. Венцюлис, А.К. Фролов, Ю.И. Скорин СПб: Энергия, 2000. - 106 с.

49. Лакомкин В.Ю., Вельский А.П. Расчет и проектирование барабанной сушильной'установки Текст.: Методические указания. СПб: СПбГТУРП, 1994. - 98 с.

50. Бойков Л.М. Теплотехника целлюлозно-бумажного производства. Теплоэнергетические и теплотехнические установки Текст. СПб , 2002.- 117 с.

51. Тепловые процессы и установки целлюлозно-бумажного производства Текст.: Учеб. пособие / П.А. Жучков, Л.М, Бойков, Ю.И. Хавкин Ю.И. и др.; Под ред. П.А. Жучкова. СПбТИ ЦБП, 1991. -408 с.

52. Дмитриева С.И., Рыбаков С.Г. Использование EXCEL 97/2000 в прикладных расчетах Текст.: Учебное пособие. СПб, 2000. - 64 с.

53. Ресурсо- и энергосбережение в целлюлозно-бумажной промышленности и городском коммунальном хозяйстве Текст.: Сб. статей /Под ред.проф.А.Н. Иванова. СПб: СПбГТУРП, 2005. - 103 с.

54. Фокин В.М. и др. Основы энергосбережения в вопросах теплообмена Текст. / В.М. Фокин, Г.П. Бойков, Ю.В. Видин. М.: Машиностроение, 2005. - 192 с.

55. Себиси Т., Брэдшоу П. Конвективный теплообмен. Физические основы и вычислительные методы Текст. М.: Мир, 1987. - 592 с.

56. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена Текст. М.: Атомиздат, 1979.-415 с.

57. Конструктивные характеристики сушильной части

58. Диаметр сушильных цилиндров: D1, мм

59. Диаметр сетконаправляющего вала: D2, мм

60. Зазор для размещения сушильных сеток: 51, мм

61. Зазор между образующими цилиндров по вертикали: 52, мм

62. Расчетная скорость бумагоделательной машины: W, м/мин

63. Обрезная ширина бумажного полотна: Вп, мм

64. D1 := 1828 D2 400 51 := 80 52 := 100 W ЮОСВп 6720

65. Расстояние между осями бумагосушильных цилиндров по горизонтали: L1, мм1. := DI + D2 + 2 • 511. = 2.388 х 103

66. Расстояние между осями бумагосушильных цилиндров по вертикали: Н, мм Н := Б1 + 52 Н= 1.928 х 103

67. Доля охвата сушильных цилиндров бумажным полотном: срф := 1V1.57.асоБНьО2насовН1Н2 +

68. Длина участка свободного хода бумажного полотна: 1с, мм1с := ЕГ +ыЛ2 (т+тЛ2ч2

69. Д лительность пребывания бумажного полотна на одном сушильном цилиндре: тк, стк60 • 3.14 Ш -ф• 10тк = 0.2

70. Длительность пребывания бумажного полотна на участке свободного хода: тс, с60 1с1. W•103 тс = 0.119тс :=

71. Д лительность цикла «сушильный цилиндр—свободный ход»: т, с т := тс + ткт = 0.319

72. Активная поверхность одного сушильного цилиндра: Ьс, м2

73. Ис := 3.14-01 ф-Вп- 10 6 Ьс = 22.41

74. Построение температурного графика для сушки бумажного полотна

75. Коэффициент контактного теплообмена: ак, Вт/(м2оС) Теплоемкость сухой бумаги: Сс, кДж/(кг°С) Теплоемкость влаги: Cw, кДж/(кг°С)

76. Влагосодержание бумажного полотна перед сушильной частью: Ш, кг влаги/кг сухой бумаги1. О о

77. Масса 1 м сухой бумаги: Реп, кг/мак := 600 Сс := 1.46С\у := 4.19 Ш := 1.33 Реп := 0.0468 Температура бумажного полотна при сходе с сушильного цилиндра (12):

78. Для определения этой температуры составляется уравнение тепловогобаланса и теплообмена на сушильном цилиндре:с1Чк = ак(й1-М)с1т = (Сс +110С>л,)РспсК1,

79. После преобразований уравнение выглядит следующим образом: сК1 ак1. Сс + и0Сс!т1. СП=*>1. П-Н (Сс + ио^Рсп д- ак ткобозначим-- к1. Сс + и0С^)Рсптогда 1п-= к1г12 = ек 12 = (п»п^Йекак • тк

80. Сс + Сш ■ Ш) • Реп • 3600 к = 0.101

81. Температура поверхности сушильных цилиндров: Ш, °С Температура бумажного полотна: И, °С Ш:=110 И := 60и ш х2 = 64 818 е

82. Критерии подобия теплового потока1. Число Рейнольдса: Яе

83. Коэффициент кинематической вязкости: и1. V := 18 10~6

84. V-lc 6 Яе:=--Яе = 1.829 х 10v • 60 • 103 Критерий Нуссельта: N110 751. N11 := 0.07 • Яе1. N11= 3.481 х 103

85. Коэффициент диффузии: Ц м/ч ТО := 2731. Т := 273 + Х21. Гту.8 О := 0.0829 • —кто;1. В = 0.122

86. Коэффициент массообмена, отнесенный к разности концентраций пара на поверхности испарения и в воздухе: от, м/чат :=1. ШР1с 10"ат = 214.394

87. Коэффициент массообмена, отнесенный к разности парциальных давлений пара на поверхности испарения и в воздухе: рр, кг/(л^Па ч) Удельная газовая постоянная: К К := 4701. Рр :=1. Г \ атV

88. Обозначим правую часть уравнения, как А, тогда скрытая теплота парообразования: г, кДж/кгг := 25001. А :=2.Эр-г1. Реп • (Ce + Cw • U0)1. А = 20.5131. С :=1. А • тс6(Г1. С = 0.041

89. Температура точки росы в воздухе: toi, °С tnl := 20.2 t3 := 63.77un :=tnl1. Toou2 :=t21. ТооиЗ :=t31. TÔÔr6 • on" )1. CI = -23.426 C2 := CI С1. C2 = -23.4661. C223 • log6 • un yun u2)'atan2 • u2 + vn)• un J