автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка методов расчета тепло- и влаговыделений в цехах мокрой обработки текстильных материалов

Введение

Глава 1. Анализ существующих методов расчета тепло-и влаговыделений в цехах мокрой обработки текстильных материалов

Глава 2. Тепло- и влаговыделения с открытой поверхности жидкости

2.1. Метод расчета потоков теплоты и влаги при свободной конвекции

2.2. Экспериментальные исследования испарения влаги и обсуждение результатов опытов и расчета тепло- и влаговыделений при свободной конвекции

2.3. Тепловлаговыделения при вынужденной конвекции

Глава 3. Разработка метода оценки тепло- и влаговыделений движущимися тканями

Глава 4. Тепло- и влаговыделения от стекающей пленки при свободной и вынужденной конвекции

Многообразные теплотехнологические процессы отделочного производства текстильной промышленности связаны с выделениями тепла и влаги, происходящими при испарении жидкости со свободной поверхности открытых резервуаров, заполненных жидкостью (водой, растворами), со смоченных поверхностей (поверхностей материалов). Поэтому работа на любом отделочном предприятии (цехе) связана с повышенной температурой и влажностью, что требует проведения тепловлажностной обработки воздуха с помощью системы кондиционирования. Чтобы установить необходимую для данного помещения нагрузку системы кондиционирования, необходимо знать величину тепло- и влаговыделений, которые могут быть оценены на основе расчетов соответствующих процессов тепло- и массообмена. Для многих видов оборудования известны надежные, обоснованные методы расчета тепловлаговыделений.

Однако, для расчета тепло- и влаговыделений с поверхности жидкости требуется знание ее температуры. Обычно эта температура не известна. Отсутствие информации о температуре поверхности испаряющейся жидкости, заставляет принимать ее равной температуре самой жидкости, что, как будет показано в работе, приводит к значительным погрешностям. В представленной диссертационной работе был проведен анализ существующих методов расчета тепло- и влаговыделений в цехах мокрой обработки текстильных материалов, оценены их достоинства и недостатки.

Цель работы. С целью получения информации, требующейся при проектировании систем вентиляции и кондиционирования воздуха в цехах для влажностно - тепловой обработки текстильных материалов, необходимо разработать теоретически обоснованные надежные методы расчета интенсивности тепломассообменных процессов в элементах энерготехнологического оборудования и проанализировать на базе этих методов влияние параметров системы на величину тепло- и влаговыделений.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнение следующих основных задач:

1. Разработать подход к определению температуры межфазной поверхности чистых жидкостей и растворов, базирующийся на использовании законов сохранения и уравнений подобия для расчета тепло- и массоотдачи в условиях свободной и вынужденной конвекции.

2. Исследовать экспериментально процесс испарения воды с поверхности открытого сосуда с целью определения расхода испаренной влаги.

3. Сопоставить результаты расчета с экспериментальными данными данной работы и работ других авторов.

4. Разработать модификации метода для случаев испарения влаги с поверхности влажных тканей и стекающих пленок жидкостей.

5. На базе разработанных методов проанализировать влияние температуры жидкости, концентрации раствора, а также параметров влажного воздуха в цехе и в шатровых ограждениях на интенсивность тепло- и в л аговы д е л ений.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе экспериментально:

- определена скорость испарения воды с поверхности открытого сосуда при разных температурах; теоретически:

- разработан основанный на законах сохранения для межфазной поверхности и уравнениях подобия подход к расчету температуры этой поверхности;

- сформулирована применительно к движущейся ткани система уравнений энергии и массообмена для тонкого материала;

- поставлена задача расчета полей скоростей и температур при испарении с поверхности стекающих тонких пленок в ламинарном и турбулентном режимах; численно:

- методом половинного деления рассчитана температура межфазной поверхности в открытом сосуде;

- методом Рунге-Куты-Мерсона с автоматическим выбором шага интегрирования решена система обыкновенных дифференциальных уравнений;

- методом прогонки с привлечением метода половинного деления на каждом шаге решена задача расчета температуры поверхности стекающих пленок жидкости;

- выполнена Паде-аппроксимация разрывной функции.

Научная новизна работы. В работе:

- показано, что температуру межфазной поверхности в открытом сосуде можно рассчитать при помощи законов сохранения, причем перепад температур между объемом жидкости и межфазной поверхностью можно описать с помощью законов теплоотдачи;

- разработан метод расчета температуры межфазной поверхности любой жидкости или раствора в открытом сосуде при вынужденном и свободном движении воздуха;

- разработан метод и алгоритм расчета температуры поверхности стекающих вертикальных пленок в ламинарном и турбулентном режимах, которые позволили установить, что температура поверхности пленок в важном для эксплуатации диапазоне расходов практически не отличается от температуры жидкости в сосуде; 6

- на основе решения системы дифференциальных уравнений движения в двух фазах при вынужденной конвекции с помощью искусственного приема найдена скорость движения межфазной поверхности.

Практическая значимость работы. Применение разработанных методов расчета процессов тепло- и массообмена в энерготехнологических установках отделочного производства текстильной промышленности позволит получить надежные оценки количества выделившегося тепла и влаги в помещении и, следовательно рассчитать требуемую нагрузку системы кондиционирования. Для шатровых ограждений разработанный метод позволяет оценить экономию расхода теплоты и снижение расхода воздуха на вентиляцию при использовании этих ограждений.

Объем работы. Основное содержание диссертации изложено на 132 страницах машинописного текста, включая 74 рисунка. Диссертация состоит из четырех глав, общих выводов и списка литературы из 30 наименований.

Основные выводы по работе.

На основе теоретического исследования, согласующегося с результатами экспериментов, решена поставленная в работе задача, имеющая целью разработку методов расчета тепло- и влаговыделений в различных элементах отделочного производства текстильной промышленности, важнейшей составной частью которых является расчет температуры поверхности жидкости. К числу наиболее существенных результатов можно отнести следующие:

1) для открытых сосудов на основании законов сохранения и методов расчета интенсивности тепломассообмена при испарении и конденсации жидкости сформулировано нелинейное уравнение. Решение этого уравнения в условиях свободной конвекции позволило найти температуру поверхности жидкости и рассчитать с помощью известной температуры поверхности потоки теплоты и влаги. Проведено экспериментальное исследование интенсивности испарения влаги с поверхности сосуда. Результаты расчета хорошо согласуются с полученными экспериментальными данными, а также данными других авторов по температуре поверхности и интенсивности испарения;

2) для условий вынужденной конвекции решена система дифференциальных уравнений движения и найдена скорость межфазной поверхности, с помощью которой определена температура поверхности жидкости и найдена величина потока массы, согласующаяся с опытными данными других авторов;

3) для случая транспортировки в помещении цеха влажных текстильных материалов и тканей сформулирована в приближении тонкого материала система дифференциальных уравнений тепломассообмена. Решение системы численными методами позволило рассчитать изменение во

1. Нестеренко А. В. Основы термодинамических расчетов вентиляции и кондиционирования воздуха. - М.: Изд-во Высшая школа, 1971.

2. Ганин Е. А., Корнеев С. Д., Корнюхин И. П., Щербаков В. И. Теплоиспользующие установки в текстильной промышленности. М.: Легпромбытиздат, 1989.

3. Справочник по теплообменникам: Пер. с англ. / Под ред. Б. С. Петухова, В. К. Шикова-М.: Энергоатомиздат, 1987. Т. 1.

4. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981.

5. Нестеренко A.B.// Сборник трудов ЭНИНа. Изд-во АН СССР, 1958.

6. Нестеренко А. В. Экспериментальные исследования тепло- и массообмена при испарении жидкости со свободной поверхности: Дис. . докт. техн. наук. М.: МИСИ им. Куйбышева В. В., 1953.

7. Берд Р., Стюарт В., Лайтфут Е. Явления переноса. М.:Химия, 1974.

8. Бетчелор Дж. Введение в динамику жидкостей. М.: Мир, 1978.

9. Михлин С. Г. Курс математической физики. М.: Наука, 1968.

10. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике. М.: Наука, 1981.

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

12. Вентиляция, отопление и кондиционирование воздуха на текстильных предприятиях / Под ред. Талиева В. Н. М.: Легпромбытиздат, 1985.

13. Мак Адаме В. X. Теплопередача. - М.: ГИНТЛ по черной и цветной металлургии, 1962.

14. Хоблер Т. Теплопередача и теплообменники. Л.: ГНТИ химической литературы, 1961.

15. Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии. М.: Химия, 1979.

16. Лабораторное руководство по хроматографическим и смежным методам / Под ред. Р. Микеша М.: Мир, 1982.

17. Золотарев П. П. Испарение жидкости с плоской поверхности раствора // Инженерно-физический журнал. 1966, т.Х1, № 5.

18. Мартыненко О. Г., Соковишин Ю. А. Теплообмен смешанной конвекцией. Минск: Наука и техника, 1975.

19. Теплотехнический справочник -M. -JL: Госэнергоиздат,1958. Т.2.

20. Справочник инфракрасной технике- Физика ИК-излучения. М.: Мир, 1995. Т.1

21. Таблицы физических величин. Справочник / Под ред. И. К. Кикоина -М.: Атомиздат, 1975.

22. Курс физической химии / Под ред. Я. И. Герасимова. М.: Химия, 1964. Т. 1.

23. Кейс В. М. Тепло- и массообмен. М.: Энергия, 1972.

24. ХПи Д. Численные методы в задачах теплообмена. М.: Мир, 1988.

25. Лабунцов Д. А. Теплообмен при конденсации пара на вертикальной поверхности в условиях турбулентного стекания пленки конденсата // Инженерно-физический журнал. 1960. -№8. Т.З.

26. Lin С. S., Moulton R. W., Putnam G. L. // Industrial Engineering Chemistry 1953, v.45, № з.

27. Shlinger W. G., Sage B. N. // Industrial Engineering Chemistry 1953, v.44, № 10.

28. Shlinger W. G., Sage B. N. // Industrial Engineering Chemistry 1953, v.45, №3.

29. Щукин Л. H. Решение задач теплообмена с помощью ЭВМ. М.:МЭИ, 1989.

30. Mitchel M. J. W., Nadel E. R., Stolwijk J. A. J. Respiratory weight losses during exercise // Journal of applied physiology, 1972, v.32, №3.