автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Сушка полотенных материалов в установках барабанного типа

/

Ивановская государственная архитектурно-строительная академия

На правах рукописи

ВОЛЫНСКИИ ВЛАДИМИР ЮЛЬЕВИЧ

СУШКА ПОЛОТЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСТАНОВКАХ

БАРАБАННОГО ТИПА

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель

науки РФ,

доктор технических наук, профессор Федосов C.B. Научные консультанты: доктор технических наук,

профессор Зайцев В.А. кандидат технических наук, доцент Головушкин A.A.

Иваново - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................................4

Глава 1. Современное состояние теории, технологии и аппаратурного оформления процессов термической обработки полотенных материалов.......................................................................8

1.1. Развитие исследований процессов кондуктивной и комбинированной сушки ткани.................................................................8

1.2. Аппаратурное оформление процессов сушки полотенных материалов.................................................................................20

1.3. Обзор математических моделей сушки полотенных материалов при конвективном и кондуктивном подводе теплоты.......................36

1.4. Формы связи влаги с материалом...........................................47

1.5. Цели и задачи исследования.................................................53

Глава 2. Математическое моделирование процессов термической обработки ткани в барабанной сушильной машине.....................56

2.1. Отличительные особенности ткани как объекта сушки................56

2.2. Классификация материалов по способу перемещения влаги в процессе сушки и их удельному весу..........................................58

2.3. Физическая картина процесса сушки «тонких» полотенных материалов.................................................................................60

2.3.1. Кондуктивная сушка...........................................................60

2.3.2. Особенности комбинированной сушки....................................65

2.4. Математическое описание процесса сушки «тонких» полотенных материалов......................................................................70

2.4.1. Модель кондуктивной сушки «тонких» полотенных материалов...70

2.4.2. Период прогрева................................................................75

2.4.3. Период постоянной скорости сушки.......................................88

2.4.4. Период падающей скорости сушки........................................95

2.4.5. Комбинированная сушка....................................................104

2.5. Методика и программно-алгоритмическое обеспечение математического моделирования процесса комбинированной сушки «тонких» полотенных материалов на ЭВМ. Анализ полученных решений..! 10

Глава 3. Определение теплофизических и влагопроводных свойств

«тонких» полотенных материалов.....................................122

3.1. Определение коэффициентов внутреннего тепло - и влагопереноса в ткани.................................................................................122

3.1.1. Описание экспериментальной установки и методика проведения эксперимента..................................................................122

3.1.2. Обработка экспериментальных данных и определение коэффициентов внутреннего тепло - и влагопереноса...............................126

3.2. Построение изотерм сорбции-десорбции влаги для полотенных тка-

ней. Определение равновесного влагосодержания ткани............135

Глава 4. Проверка адекватности математической модели. Практические рекомендации по совершенствованию барабанных сушильных машин..........................................................................141

4.1. Проверка адекватности математического моделирования процесса кондуктивной и комбинированной сушки «тонких» полотенных материалов.........................................................................141

4.2. Выработка рекомендаций по интенсификации процесса комбиниро-

ванной сушки и модернизации существующих барабанных сушильных машин.....................................................................144

Заключение................................................................................146

Основные обозначения..................................................................148

Литература.................................................................................150

Приложения...............................................................................159

ВВЕДЕНИЕ

В технологических процессах часто возникает необходимость в удалении влаги из материала. Среди существующих способов обезвоживания материалов выделяют: физико-химический, механический и термический. Из перечисленных выше способов, наиболее полное обезвоживание достигается путем испарения влаги и отвода образующихся паров, т. е. с помощью термического способа - сушкой.

По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, ее скорость определяется скоростью диффузии влаги из материала в окружающую среду. Она представляет собой совокупность связанных друг с другом процессов тепло - и влагообмена. Этот процесс является одним из основных технологических процессов, использующихся в текстильной, целлюлозно-бумажной, химической и других отраслях промышленности. Причем, многократное использование сушки по ходу технологического процесса в производстве различных листовых и полотенных материалов (бумаги, текстильных тканей, картона, кожзаменителей и др.) отводит ей значимую роль в общем технологическом процессе выработки готовой продукции.

Развитие текстильного производства непрерывно связано с совершенствованием теплотехнологических процессов и установок, в том числе и сушилок. От того, насколько эффективно организованы в сушильной установке процессы тепло - и массопереноса, зависят удельный расход энергии, продолжительность цикла обработки материала и качество выпускаемой продукции. Совершенствование работы сушильных установок позволит решить задачи повышения качества выпускаемой продукции, увеличения ее количества, экономии топливно-энергетических и сырьевых ресурсов, защиты окружающей среды от загрязнения промышленными отходами. Изменившиеся экономические условия, рост стоимости электроэнергии и теплоносителей еще более повысили актуальность отмеченных проблем.

Сушка занимает важное место в технологическом процессе отделки ткани. Так, на многих отделочных предприятиях сушилки потребляют до 40% всего расходуемого тепла, до 30% электроэнергии, а технологическое оборудование занимает до 35% производственных площадей предприятия.

В текстильной промышленности большое применение получила комбинированная (кондуктивно-конвективная) сушка, главную роль в которой играет кондуктивный участок.

Выбор данного способа сушки обусловлен характером связи влаги с материалом, его свойствами и структурой, формой и размерами, а также требуемыми качествами конечного продукта.

Данный вид сушки реализуется в барабанных сушильных машинах, называемых "барабанные сушилки". Эти сушилки обеспечивают высокую интенсивность сушки ткани. Однако они имеют ряд существенных недостатков: высокие энергозатраты и материалоемкость, а также большие габариты. Поэтому необходима разработка интенсивных энергосберегающих режимов проведения процесса сушки и модернизации сушилок для их проведения. Это позволит существенно снизить себестоимость выпускаемой продукции и значительно повысить рентабельность производства. Эти недостатки могут быть преодолены лишь при тщательном исследовании механизма сушки.

Исследование процесса сушки связано, прежде всего, с изучением закономерностей внутреннего и внешнего тепломассопереноса.

Изучение кондуктивной и комбинированной сушки «тонких» капиллярно-пористых материалов при высоких температурах греющей поверхности (свыше 100°С) представляет собой достаточно сложную задачу. Это связано с трудностями экспериментального характера и с отсутствием единой точки зрения на механизм тепловлагопереноса. Только глубокое изучение этого механизма, определяющее кинетику сушки, позволит проектировать сушильные установки, обеспечивающие оптимальные энергосберегающие режимы технологического процесса.

Применительно к «тонким» полотенным тканям, скорость сушки и закономерности удаления влаги из материала всесторонне не исследованы. А при высоких температурах греющей поверхности барабанов и скоростях перемещения материала ни одним из исследований не была дана четко выраженная физическая картина происходящих явлений в процессе комбинированной сушки «тонких» полотенных тканей.

Теоретической базой для моделирования процессов сушки и создания инженерных методик их расчёта является теория тепломассопереноса, учитывающая взаимосвязь между тепло - и массопереносными характеристиками материала и теплоносителем, а также условиями проведения процесса.

Среди учёных и инженеров в последнее время возрос интерес к разработке интенсивных энергосберегающих режимов сушки и модернизации конструкций машин, обеспечивающих их проведение. В инженерной практике преобладают так называемые балансовые методы [1]. Они важны и полезны, но должны являться составной частью общей методики расчета, которая включает модели динамики внутреннего тепломассопереноса в материале учитывающие также внешний тепломассобмен. Поэтому возникает необходимость в проведении исследований с целью разработки математической модели тепломассопереноса в процессах термической обработки «тонких» полотенных материалов в барабанных сушильных машинах с учётом изменения коэффициентов внутреннего и внешнего переноса теплоты и массы вещества.

В первой главе работы проведён литературный обзор большого числа научных работ в области исследования кондуктивной и комбинированной сушки. Рассмотрено основное сушильное оборудование, использующееся для сушки тканей (указаны достоинства и недостатки) при кондуктивном и конвективном способе подвода тепла. Приведены математические модели сушки капиллярно - пористых тел при кондуктивном и конвективном способе подвода теплоты. Выявленные формы связи влаги в ткани и условия её удаления. Изложены основные задачи и цели исследования.

Во второй главе работы получена математическая модель кондуктивной и комбинированной сушки «тонких» тканей, а также приведены решения краевых задач тепло - и массообмена для каждого периода сушки. Разработана методика и программно-алгоритмическое обеспечение математического моделирования комбинированной сушки «тонких» полотенных материалов в барабанной сушильной машине. Количественная оценка решений проведена на ЭВМ.

В третьей главе приведены экспериментальные результаты по определению теплофизических коэффициентов для некоторых типов тканей. Аппроксимация результатов эксперимента на ЭВМ позволила получить выражения для расчёта теплофизических коэффициентов, в которых учитывается зависимость данных коэффициентов от температуры и влагосодержания материала, а также от температуры греющей поверхности. Определено равновесное влагосодержа-ние ткани.

В четвёртой главе проведена проверка адекватности разработанной математической модели комбинированной сушки «тонких» полотенных тканей, выданы рекомендации по интенсификации сушки и модернизации барабанных сушильных машин.

Глава 1. Современное состояние теории, технологии и аппаратурного оформления процессов термической обработки полотенных материалов.

В данной главе рассматриваются и анализируются исследования в области кондуктивной и комбинированной сушки капиллярно - пористых материалов. Проведён обзор оборудования использующегося для сушки ткани, а также рассмотрены математические модели сушки полотенных материалов при кондук-тивном и комбинированном способе подвода теплоты.

1.1. Развитие исследований процессов кондуктивной и комбинированной

сушки.

Исследования процессов кондуктивной и комбинированной сушки различных материалов весьма обширны и имеют давнюю историю. Целесообразнее проследить развитие исследований в этой области, начиная с экспериментальных исследований сушки бумаги и целлюлозы, т.к. в их производстве применяются исключительно кондуктивный и кондуктивно - конвективный методы сушки.

Производство бумаги на машинах получило свое развитие в начале XIX века. Сушильная часть машины, изобретенная в 1820 г. Кромптоном, состояла из нескольких сушильных цилиндров. С начала XX века возрос спрос на бумагу. Для удовлетворения потребности рынка в бумаге требовалось создание сушилок, обладающих большей производительностью по сравнению с существовавшими. Это в свою очередь дало толчок к более тщательному исследованию процесса сушки.

Данные исследования производились как советскими [2-10], так и зарубежными учеными [11-17]. В своих работах исследователи пытались выявить механизм сушки, дать некоторые расчетные параметры сушилки и рекомендации по интенсификации процесса сушки. Все исследования велись с целью определения соотношения массы влаги, удаляемой на различных участках пути

бумажного полотна [6, 8, 9, 17], а также выяснения влияния на процесс сушки различных переменных факторов [3-5, 7, 11-16]. Наиболее полным исследованием по сушке бумаги до середины 50-х годов является работа И.Л. Любошица [9]. Автором были предложены расчетные уравнения для определения скорости сушки. Любошицем И.Л. установлена роль участков пути полотна, а также исследовано влияние ряда переменных факторов на процесс сушки.

В то же время проводились исследования по контактной сушке ткани многими учеными [2, 18-25]. Работы Филоненко Г.К. [2, 18] следует считать как первые работы чисто экспериментального характера, однако не затрагивающие сущности процесса, или, иначе говоря, утверждающие, что физическая сущность процесса контактной сушки одна и та же, как и при сушке воздухом. Им была также предложена формула для расчета времени сушки ткани (бязь) в зависимости от начальной и конечной влажности, и веса ткани.

Проводя анализ исследований, выполненных до середины 50-х годов, можно сказать о том, что

1) Представления о физике процесса контактной и комбинированной сушки в основном базировались на экспериментальном и теоретическом материале конвективной сушки, т.е. явления при контактной сушке механически отождествлялись с процессом конвективной сушки. Хотя в работах Громцева Е.К. [8], Шервуда [16] и Мак-Криди [12, 13] и указывалось на то, что механизмы сушки воздухом и на горячей поверхности отличны, но они носили описательный характер и не подтверждены соответствующими расчетами.

2) Исследования по контактной сушке были построены на независимости явлений переноса теплоты и вещества.

3) Определялось лишь интегральное влагосодержание материала, измерения температур не производились (кроме работ Мак-Криди [12, 13]).

4) Вопросы, связанные с внутренним тепло - и массопереносом, в исследованиях не ставились.

5) Влияние сушки на основные свойства сушимого материала не изучено.

6) Не дано четко обоснованных температурных режимов контактных сушильных устройств.

Кроме того, эксперименты проводились при низких температурах греющей поверхности trp и на тяжёлых материалах значительной толщины, что не отражает реальных условий сушки «тонких» полотенных материалов (в особенности тканей).

Отсюда становится понятным, что опубликованные исследования не достаточны для разработки теории контактной сушки.

Специальные исследования, направленные на раскрытие механизма контактной сушки различных материалов, стали проводиться с середины 50-х годов.

Лишь благодаря работам Ребиндера П.А. [26], Лыкова A.B. [27-30], их последователей и учеников, были созданы учение о формах связи влаги с материалом и теория тепломассопереноса. На их базе появилась возможность изучения кондуктивной и комбинированной сушки с позиций неразрывной связи происходящих процессов тепло - и массообмена.

Большая исследовательская работа по сушке волокнистых листовых материалов (в основном бумаги и целлюлозы) на горячей поверхности была проведена Красниковым В.В. [31-36]. В проводимых им исследованиях снимались поля температур и влагосодержаний. К особенностям предложенного в работах [31-33, 35] механизма контактной сушки можно отнести наличие зоны парообразования у греющей поверхности, молярного переноса пара через материал под влиянием градиента общего давления при trp> 100 °С, значительный перенос тепла с паром в первый период сушки, углубление зоны парообразования к открытой поверхности материала во второй период сушки. Им было отмечено: "При высоких температурах греющей поверхности (свыше 85-410 °С), перенос вещества по механизму термовлагопроводности и влагопроводности становится очень мал. Вступает в действие иной механизм переноса, при котором механизм собственно сушки вырождается и заменяется механизмом выпаривания" [32]. Красниковым В.В. был введен критерий для оценки влияния механизма

внутреннего парообразования и переноса пара на интенсивность сушки в первом периоде сушки. С его помощью стало возможным оценить долю тепла, переносимого паром, в общем потоке тепла, полученном от греющей поверхности.

На основе экспериментального исследования закономерностей тепловла-гопереноса в «тонких» капиллярно