автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Совершенствование конструкции аппарата для сушки пряжи в парковках с целью снижения энергетических затрат

^ / • " , / о*? я

/ ..... ■ / у . >

Костромской Государственный Технологический Университет

На правах рукописи УДК 677.057.135

СОЛОДОВ ЮРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ АППАРАТА ДЛЯ СУШКИ ПРЯЖИ В ПАКОВКАХ С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ

Специальность 05. 02.13 -Машины и агрегаты (легкая промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель заслуженный деятель науки и техники Р. Ф., доктор технических наук, профессор Кузнецов Г.К.

Кострома - 1999год.

Содержание.

Глава 1. Состояние изучаемых вопросов. Обоснование темы и постановка задач исследования--------------------------------------------------------8

1.1. Технический уровень и тенденции развития аппаратов для сушки

пряжи в бобинах-------------------------------------------------------------------8

1. 2. Методы и особенности охлаждения влажного воздуха-------------12

1. 3.Состояние процесса отжима пряжи в бобинах и обоснование применения парового отжима-----------------------------------------------------2 3

1.4. Обоснование необходимости проведения исследований сушильного аппарата типа СКД--------------------------------------------------------2 5

1. 5. Выводы------------------------------------------------------------------------3 1

1.6. Цель я задачи исследований---------------------------------------------32

Глава II. Экспериментальные исследования процесса сушки пряжи в

паковках в аппаратах с избыточным давлением воздуха----------------34

2.1.Производственные испытания сушильной установки СКД 6------34

2.1.1. Методика проведения испытаний------------------------------------3 4

2.1.2. Результаты испытаний---------------------------------------------------46

2.1.3. Рекомендации по повышению производительности сушильных установок СКД - 6---------------------------------------------------------------5 3

2.1.4. Выводы---------------------------------------------------------------------60

2.2 Сравнение схем сушильных аппаратов с точки зрения аэродинамического сопротивления движению теплоносителя---------------------62

2.2.1. Общие методические положения--------------------------------------62

2.2.2. Аэродинамический расчет циркуляционного контура сушильной установки СКД - 6----------------------------------------------------------------6 7

2.2.3. Аэродинамический расчет циркуляционного контура сушильной установки ТИС R-2-1600--------------------------------------------------------7 3

2.2.4. Анализ результатов аэродинамических расчетов и рекомендаций по циркуляционному контуру сушильной установки СКД - 6----------78

2.2.5. Выводы----------------------------------------------------------------------81

2.3. Экспериментальные исследования на лабораторных стендах-----85

2.3.1. Экспериментальные установки и методики исследований------85

2.3.2. Объект исследований и методика измерений некоторых параметров в эксперименте----------------------------------------------------------9 6

2.3.3. Выводы----------------------------------------------------------------------98

2.4. Исследование эффективности применения пара в процессе предварительного обезвоживания--------------------------------------------------9 9

2.4.1. Рекомендации по интенсификации процесса сушки пряжи в аппаратах СКД---------------------------------------------------------------------112

2.4.2. Выводы--------------------------------------------------------------------1 15

Глава 111. Разработка конструкции охладителя контактного типа—117

3.1. Описание схемы теплообменника-охладителя сушильного аппарата СКД-6—---------------------------------------------------------------------118

3.2. Обоснование применения контактного теплообменника в качестве охладителя в аппарате СКД - 6-----------------------------------------------1 19

3.3. Выбор конструкции контактного охладителя-----------------------121

3.4. Принцип работы контактного теплообменника-охладителя-----129

3.5. Технологическая схема сушильного аппарата СКД - 6 с новым контактным охладителем------------------------------------------------------1 3 О

3.6. Теплотехнический расчет контактного охладителя воздуха-----133

3.7. Экспериментальные исследования процесса охлаждения влажного воздуха в контактном теплообменнике------------------------------------139

3.8. Выводы—-------------------------------------------------------------------148

Глава IV. Аэродинамический расчет контактного охладителя-------150

Расчет предполагаемого годового эффекта от производства и использования контактного теплообменника охладителя----------------------1 55

Вторичное использование тепла жидкости сушильного

аппарата СКД--------------------------------------------------------------------1 65

Общие выводы-------------------------------------------------------------------1 69

Список литературы-------------------------------------------------------------1 73

Приложения----------------------------------------------------------------------1 79

П 1. Тепловой режим установки СКД - 6----------------------------------1 79

П 2. Таблицы аэродинамического сопротивления контуров СКД - 6 и

ТИС-Е1-2- 1600-------------------------------------------------------------------1 90

П 3. Расчет тепломассообмена в форсуночных камерах по методике

Е.И. Андреева--------------------------------------------------------------------203

П 4. Теплотехнический расчет контактного охладителя воздуха-----209

Введение,

Сушка пряжи в бобинах в настоящее время проводится на сушильных установках типа СКД. Параметры этих аппаратов, использующих фильтрацию горячего воздуха через текстильный материал, при имеющейся неравномерной плотности намотки и некачественном формировании столбов паковок не удовлетворяют заказчика.

Основным интенсифицирующим фактором конвективного сушильного процесса наряду с температурой является массовый расход сушильного агента, проходящего через слой материала. Его величина зависит от полного гидравлического сопротивления циркуляционного контура сушильной установки.

Очевидно, что нагнетатель установки имеющий минимальные потери давления в контуре разовьет наибольшую возможную производительность. Это приведет к сокращению срока сушки с соответствующим дополнительным уменьшениям всех энергетических затрат. Поэтому одной задачей работы была разработка аэродинамического совершенствования контура сушильной установки СКД - 6.

Другой задачей работы является определение оптимального варианта использования насыщенного водяного пара в целях интенсификации процесса в сушильных установках СКД.

За последний период времени повысились требования к сушильному оборудованию в части повышения качества и сокращения длительности сушки.

В связи с этим мы предлагаем заменить конструкцию охладителя кожухот-рубного - конвективного на контактный. К недостаткам существующего относится его сравнительно высокая стоимость изготовления, большие габаритные размеры, быстрая засоряемость межтрубного пространства, высокое гидравлическое сопротивление. Экономическая целесообразность контактного теплообменника очевидна из-за низкой стоимости, небольших габаритов, возможности очистки газов, простоты в изготовлении, надежности в работе, малого гидравлического сопротивления. Теплопроизводительность контактного теплообменника выше, вследствие более высокого коэффициента теплопередачи. Кроме того появляется возможность регулирования параметров охлаждаемого воздуха, а следовательно регулирование процесса сушки. Увеличение эффективности массообмена достигается при повышении скорости газа и плотности орошения.

Поэтому задачей данной работы является разработка конструкции и исследование процессов протекающих в контактном теплообменнике. При этом осуществляются теоретические расчеты, экспериментальные исследования на лабораторном стенде, разрабатывается конструкция охладителя и форсунки, позволяющие интесифицировать процесс охлаждения. Кроме того, в работе исследуются некоторые закономерности взаимосвязанного тепломассообмена и разрабатывается критериальное уравнение интенсивности тепломассообмена в для данного теплообменника. Намечены возможные методы экономии тепловой энергии и воды.

Глава 1. Состояние изучаемых вопросов. Обоснование темы

и постановка задач исследования.

1.1 .Технический уровень и тенденции развития аппаратов для сушки пряжи в бобинах

При анализе научно-технической деятельности фирм в изучении разработок, направленных на совершенствование аппаратов для сушки пряжи в бобинах, использовались результаты исследований технического уровня, в частности сведения о технико-экономических показателях объектов-аналогов.

Такой анализ обеспечивает получение сведений о перспективах ведущих фирм в совершенствовании выпускаемой продукции, улучшении ее потребительских свойств. В результате анализа направлений деятельности ведущих зарубежных фирм по совершенствованию оборудования сушки выявлено, что направления деятельности ведущих фирм подтверждают тенденцию развития данного вида техники и в России. Закономерность развития техники характеризуется направлениями и темпами развития.

Для выявления тенденций развития технологии и оборудования сушки текстильных материалов была использована патентная и научно-техническая информация.

В результате анализа информации можно сделать вывод о том, что предприятиями и фирмами активно внедряются новые прогрессивные технологии,

усовершенствованные конструкции, автоматические и электронно-вычислительные устройства и системы, позволяющие улучшить качество до уровня потребительского спроса на мировом рынке и повысить технико-экономические показатели производства в целом. Это подтверждается изобретательской активностью ведущих в данной области техники фирм:

" Thies " Obermaier " Then - ФРГ. Япония - " Hisaka " Nippon Великобритания - " Fastran Engineering США - " Jamest " и другие. В России сушка пряжи в бобинах после их жидкостной обработки, производится на сушильных установках СКД-500, СКД-6, СКД-2, выпускаемые Костромским заводом АО "Цвет".

Сушильные аппараты традиционной схемы представляют собой замкнутый контур, состоящий из нагревателя, сушильного котла, системы осушения воздуха, системы отвода конденсата, воздушного турбокомпрессора и системы управления. Нагрев воздуха на всех распространенных системах - паровой с помощью кожухотрубчастых или пластинчатых теплообменников (Hisaka). Воздух нагревается до 130-135°С (Thies, Obermaier), поступает в котел, затем в систему осушения. Осушение производится путем охлаждения воздуха (кожухот-рубчатые или жалюзийные (Hisaka) теплообменники) и водоотделения в сепараторах различных конструкций. В отдельных конструкциях этот процесс совмещен (Thies с впрыском охлажденной воды). Выделившийся конденсат отводится из системы по мере его накопления в большинстве случаев по уровню (Thies, Hisaka).

Сушильные аппараты с загрузкой 400-500 кг оснащены турбокомпрессором мощностью от 132 (Thies) до 190 квт. (Nippon). Параметры сушильного агента достигают максимальных величин:

- по давлению до 5 (Thies) - 6 (Obermaier) атм.;

- по температуре до 130-135°С (Thies, Obermaier).

Сокращение расходов электроэнергии возможно за счет применения комбинированных методов подвода тепла, например, высокочастотного и конвективного, радиационного или воздействием электрических полей в импульсном режиме.

Последние модели машин оснащены электронными устройствами для измерения регулирования и протоколирования параметров процесса, что также позволяет экономить энергетические ресурсы.

При конвективном способе сушки 30 % энергии можно сэкономить за счет увеличения влагосодержания выходящего воздуха с 5 до 10 % и при этом устранить опасность пересушки [28].

Из практики известно, что механическое обезвоживание в 50-225 раз дешевле термического, но при этом удаляется лишь 10-40 % влаги. Обезвоживание за счет продувки струей горячего воздуха или пара значительно снижает остаточное влагосодержание, но увеличивает потребляемую мощность [28].

Применение вакуума позволяет добиться экономии энергии и равномерного распределения остаточной влаги по всему объему. Но остаточное влагосодержание составляет 40-60 %, поэтому требуется окончательная досушка.

Внимание специалистов направлено также на создание машин с облегченным доступом к узлам и механизмам для очистки, наладки и замены деталей.

Для большинства технологических процессов достаточно применить только конвективную сушку воздухом высокой температуры под давлением. Качество при этом сохраняется высоким, обеспечивается высокая интенсивность сушки.

Ведущей отечественной организацией в области разработки, совершенствования и внедрения технологии и оборудования для сушки текстильных материалов является производственное объединение" Ивтекмаш ". Данной организацией разрабатывается сушильное оборудование для всех видов текстильной продукции. Другой ведущей организацией в области совершенствования технологического сушильного оборудования является Московская текстильная академия, ведущая свои разработки в направлении повышения эффективности теп-ломассообменных процессов в красильно-отделочном производстве и определения рациональных режимов сушки нетканых материалов с использованием термоизлучения.

Изучением отдельных вопросов высушивания пряжи в паковках занимались М.М. Окунь и М.А. Тужикова, М.Ф. Язычков, М. Коргер, Ф. Крижишек Г.Н. Морозов, М.Н. Герасимов, В.М. Каравайков и другие.

1. 2. Методы и особенности охлаждения влажного воздуха.

Охлаждение влажного воздуха в сушильных аппаратах происходит в теплообменнике, установленном после сушильного котла. Необходимо обеспечить такое течение процесса охлаждения газа, чтобы выпадение конденсата в максимально возможной и экономически оправданной степени было осуществлено в пределах теплообменного аппарата, что позволит облегчить работу находящихся за теплообменником агрегатов, поскольку в этом случае в воздуховоды поступят лишь остаточные водяные пары.

Для этих целей наиболее целесообразны теплообменники с большой поверхностью теплообмена в единице объема и достаточно высоким коэффициентом теплообмена, что обеспечивает приемлемые металлоемкость и габаритные размеры. Важно также, чтобы аэродинамическое и гидравлическое сопротивления подобных аппаратов не требовали большой затраты электроэнергии [ 25 ].

Всем упомянутым требованиям соответствуют контактные (смесительные) теплообменники [25].

Принцип действия контактных теплообменников заключается в охлаждении газа путем непосредственного соприкосновения с жидкостью, при отсутствии разделительных стенок между теплоносителями и при подаче воды в поток газа. Поверхностью нагрева в контактном теплообменнике является поверхность пленки, капель и струек воды, через которую и происходит теплообмен между газами и водой. Одновременно происходит и массообмен между тепло-

носителями.

Под охлаждением газов следует понимать снижение их температуры ниже точки росы.

Установки и режимы их работы, не обеспечивающие охлаждения газов ниже точки росы, нецелесообразны.

С точки зрения глубины охлаждения газов необходимо подавать в теплообменник воду с возможно более низкой температурой и нагревать ее также до температуры ниже точки росы. Поэтому целесообразно, чтобы начальная температура воды не превышала 20—30 °С, конечная температура воды не выше 50—60 °С. По теплотехническим соображениям наиболее эффективна работа теплообменника, когда начальная температура близка к нулю [ 25 ].

Эта категория теплообменников отвечает всем требованиям, кроме сохранения неизменным качества нагреваемой в них воды.

Основная часть теплообменника—контактная камера. Ее главная задача— обеспечить развитую поверхность контакта газа и воды и высокую интенсивность теплообмена в единице объема. При этом аэродинамическое сопротивление воздуховодов должно быть наименьшим.

Контактные устройства, используемые в массообменных аппаратах, имеют различные конструкции и принцип действия.

Контактные аппараты могут быть форсуночными, каскадными (полочными), насадочными, барботажными, пенными. Возможна и комбинация указан-

ных конструктивных схем контактной камеры.

Изучение взаимодействия фаз при различных режимах работы контактных устройств показывает, что ряд контактных устройств имеет характерные для него гидродинамические показатели и только ему свойственные рабочие режимы движения парожидкостных потоков. Это подтверждается и тем, что процессы на различных контактных устройствах описываются разными уравнениями связи. Вместе с тем существуют общие гидродинамические и диффузионные закономерности, наличие которых позволяет классифицировать их по определенной системе.

И. А. Александров предложил классификацию контактных устройств по способу совместного движения фаз. Он различает следующие группы: противо-точные, перекрестные, перекрёстно-прямоточные и прямоточные.

Наиболее широко в промышленности внедрены струйные контактные устройства. Они отличаются высокой пропускной способностью и простотой конструкции [25].

В полых форсуночных аппаратах тепломассообмен происходит в полой контактной камере на поверхности многочисленных капель, образующихся при подаче воды под давлением через форсунки. Поверхность капель зависит от давления воды перед форсунками, диаметра форсунок, их конструкции и т. д. Поверхность тепломассообмена при этом достаточно обширна.

При работе форсунок вектор скорости жидкости направлен под углом к горизонту в сторону движения газа. Диспергированная жидкость в виде струй.

брызг