Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА I. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 16
Классификация стадий массообмена при жидкостной обработке и их интенсификация в аппаратах котлового типа 16
Влияние неравномерности распределения рабочих сред на эффективность и качество обработки текстильных материалов 29
Распределение рабочих сред на различных уровнях структуры циркуляционной системы аппаратов 31
Изменение гидродинамической обстановки при жидкостной обработке с
>
неполным заполнением 35
Анализ и классификация существующих конструкций стержней носителей материала 37
Общая характеристика массообмена при конвективной сушке паковок..40
Теоретические основы моделирования гидродинамических процессов..45
Общие уравнения движения вязкой несжимаемой жидкости 47
Основные модели турбулентности 54
Модели турбулентной вязкости (Eddy Viscosity) 54
Модели напряжений Рейнольдса 57
Модели крупных вихрей (LES — Large Eddy Simulation) 58
1.8. Современные САЕ-системы и их возможности при моделировании
гидродинамических процессов 58
Система ANSYS 58
Система STAR-CD 65
1.9. Выводы 72
ГЛАВА П. РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАБОЧИХ СРЕД ПРИ ЖИДКОСТНОЙ ОБРАБОТКЕ И СУШКЕ ПАКОВОК 73
2.1. Модели движения рабочей среды на уровне столба паковок 73
2.1.1. Однополостное движение среды в столбе паковок 73
2.1.1.1. Критериальная форма модели и ее предварительный анализ 78
Анализ модели при полном заполнении аппарата жидкостью 79
Анализ модели при неполном заполнении аппарата жидкостью .82
2.1.2. Двуполостное движение среды в столбе паковок 92
2.2. Математическая модель конвективной сушки столба паковок 97
Нестационарное уравнение процесса с замыкающими соотношениями 97
Алгоритм и программа моделирования процесса сушки 101
2.4. Анализ результатов моделирования процесса сушки 106
Причины неравномерности сушки на уровне столба паковок и критерий её оценки 106
Влияние периодичности изменения направления циркуляции на
неравномерность и время сушки 108
2.4.3.Оценка влияния утечек сушильного агента через стыки патронов на
время сушки 111
2.5. Математическая модель движения жидкости в распределительной
тарелке носителя материала 113
2.6. Анализ конструкции носителя материала НБЦ-2Н 120
Построение конечноэлементной модели в среде ANSYS 120
Расчет напряженно-деформированного состояния 132
Анализ распределения воздуха в тарелке носителя материала НБЦ-6Н и рекомендации по снижению неравномерности 137
Анализ распределения жидкости в партии паковок льняной ровницы на сдвоенном носителе материала НРН-4, НРВ-3 143
Построение модели в среде STAR-CD 144
Анализ конечноэлементной модели и рекомендации 153
2.9. Выводы 158
ГЛАВА III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ
РАБОЧИХ СРЕД ПО СТОЛБУ ПАКОВОК ПРИ ЖИДКОСТНОЙ ОБРАБОТКЕ
И СУШКЕ 160
3.1. Исследование фильтрации жидкости через столб паковок текстильного
материала 160
Экспериментальный стенд 160
Определение коэффициента гидравлического сопротивления стержня 164
3.1.3. Результаты сравнения теоретических и экспериментальных
данных 167
3.2. Исследование процесса сушки столба паковок 174
Экспериментальный стенд 174
Определение эмпирических зависимостей и коэффициентов 176
Результаты сравнения теоретических и экспериментальных данных 179
3.3. Выводы 183
ГЛАВА IV. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ,
ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ОПТИМАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОЧИХ
СРЕД 184
4.1. Разработка конструкции стержня для жидкостной обработки паковок с
неполным заполнением и оценка его эффективности при сушке 184
Принципы конструирования 184
Варианты конструкции стержня низкомодульного исполнения 184
Стержень с непрерывной раздачей потока 184
Стержень с дискретной раздачей потока 186
Конструкция автоматического клапана, снижающего колебания расхода жидкости при изменении сопротивления материала 189
4.1.3. Экспериментальное исследование конструкции стержня
низкомодульного исполнения с дискретной раздачей потока 192
4.1.4.Сравнительная эффективность сушки столба паковок на
существующих и предлагаемой конструкции стержня 198
Принципиальная схема аппарата для жидкостной обработки с пониженным модулем ванны и двусторонней циркуляцией 202
Совершенствование системы подогрева раствора для смачивания ровницы на машине ПМ-88-Л8 205
Постановка задачи 205
Оценка величины расхода пара, подаваемого в перфорированную трубу 206
Оценка неравномерности распределения расхода пара по длине перфорированной трубы для существующей ее конструкции 208
4.3.4.Снижение неравномерности распределения расхода пара за счет
параметров перфорации 210
4.4. Выводы 213
ГЛАВА V. РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО СНИЖЕНИЮ ОТРИЦАТЕЛЬ
НОГО ВЛИЯНИЯ РАЗБРОСА ПАКОВОК ПО ПРОНИЦАЕМОСТИ НА
КАЧЕСТВО И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОБРАБОТКИ ПАКОВОК 214
Влияние разброса паковок по проницаемости на продолжительность процесса сушки 215
Снижение влияния разброса паковок по проницаемости 218
Изменение конструкции стержня 218
Повышение коэффициента сопротивления перфорации патронов...221
Разбраковка паковок в процессе входного контроля 223
Разработка устройства для автоматизированного контроля и разбраковки паковок по коэффициенту гидравлического сопротивления 224
Оценка эффективности устройства для разбраковки паковок 229
5.5. Выводы 230
ОБЩИЕ ВЫВОДБ1И РЕКОМЕНДАЦИИ 231
Библиографический список 234
Приложение 1. Листинг основных модулей программы DRYING 1 253
Приложение 2. Блок-диаграммы программы устройства для разбраковки
паковок 301
Приложение 3. Акт об использовании результатов диссертационной
работы 309
Приложение 4. Расчет снижения себестоимости сушки за счет экономии
энергоресурсов 311
Введение к работе
В настоящее время становится все более очевидным, что ориентация исключительно на импорт в таких важных отраслях как производство продуктов питания, одежды и других товаров первой необходимости не соответствует требованиям экономической безопасности страны. Общая положительная динамика развития экономики, высокие доходы от экспорта энергоносителей позволяют качественно изменить уровень инвестиций государства не только в приоритетные наукоемкие направления, но и в отрасли, производящие товары массового спроса, ассортимент и цена которых непосредственно влияет на качество жизни населения.
Об этом свидетельствуют материалы заседания президиума Госсовета РФ по проблемам модернизации текстильной отрасли 20-го июня 2008 г. На совещании предложено совершенствовать экономические и финансовые условия для развития государственно-частного партнерства в модернизации текстильной промышленности, разработке новых технологий и создании новых материалов. Помимо этого необходимо расширение отечественной сырьевой базы текстильной промышленности, в первую очередь, - льна, химических волокон и нитей, вискозы, то есть тех видов сырья, для которых в России есть достаточные ресурсы и условия по увеличению их производства. Готовятся предложения, которые могут быть реализованы на федеральном и региональном уровнях. Они предусматривают разработку документов, определяющих ориентиры развития легкой промышленности до 2020 г. и систему мер по их достижению, включая меры государственной поддержки [1]. В своем выступлении на заседании Президент РФ Д.А.Медведев отметил необходимость качественно модернизировать отрасль, внедрить передовые технологии, повысить производительность труда, увеличить субсидии на техническое перевооружение. Он подчеркнул, что особое значение имеет восстановление льняного производства, отметив, что если раньше доля России на мировом рынке льна составляла 50-60%, то сейчас только 14 % [2].
Российские текстильщики испытывают конкуренцию как со стороны Китая и стран юго-восточной Азии, поставляющих дешевую, но далеко не всегда соответствующую мировым стандартам качества продукцию массового спроса, так и со стороны европейских производителей, ориентированных на рынок более дорогой, но высококачественной продукции.
Основой конкурентоспособности в современных условиях является снижение энергоемкости и повышение качества продукции. Не секрет, что заказчики часто выдвигают явно завышенные требования к качеству, чтобы сбить цену продукции, играя на жесткой конкуренции между её производителями.
Высокие требования к качеству включают и равномерность обработки паковок текстильного материала, которая в значительной мере определяется равномерностью распределения рабочих сред между всеми паковками партии. Не вызывает сомнений и тот факт, что высокая неравномерность обработки приводит к вынужденному завышению времени технологического процесса как при жидкостной обработке, так и при сушке паковок в аппаратах периодического действия, что напрямую отражается на себестоимости.
Особенно остро проблема качества и эффективности в льняной отрасли ощущается в отделочном производстве, в силу того, что именно оно является наиболее энерго- и ресурсоемким, а также нестабильным по качественным показателям производством [3-5]. Потребление воды в отделочном производстве достигает 60-70% [6], электроэнергии - 44,4%, а тепловой энергии - 69% в общем балансе предприятий. При этом оборудованием для отделки паковок потребляется свыше 60%) электроэнергии отделочного производства, а удельное потребление тепла аппаратов периодического действия для обработки паковок почти на порядок превышает показатели отделочных линий [7].
Несмотря на острую необходимость оснащения отрасли современным оборудованием, низкорентабентальное отечественное текстильное производство не имеет необходимых финансовых ресурсов. Поэтому в сегодняшних условиях аналитики указывают на необходимость и возможность повышения
8 качества продукции без существенного перевооружения отрасли [8]. Это позволит повысить конкурентоспособность и рентабельность для постепенного технического перевооружения. Рассмотрение состояния дел в области отделки паковок показывает, что возможности в этом направлении отнюдь не исчерпаны [9].
В настоящее время на отечественных предприятиях при жидкостной обработке материалов в паковках используются преимущественно аппараты типа АКД-У, АКДС, АКДН. Аппараты АКД-У практически выработали свой ресурс по числу циклов и нуждаются в замене. Аппараты АКДС проектировались в расчете на получение максимальной производительности за счет интенсификации массообменных процессов при использовании повышенной скорости циркуляции, вакуумирования, высоких темпов разогрева и расхолодки. При этом показателям энергоэффективности, в связи с низкой стоимостью энергоресурсов в то время, не придавалось первостепенного значения. Достаточно сказать, что если в 1989 г. расходы на топливо и электроэнергию в текстильной промышленности составляли 0,9% всех издержек, то уже к 2000 г. они достигли 20% [10]. В то же время повышенная скорость циркуляции, обеспечивающая хорошую равномерность обработки по слоям отдельной паковки, неизбежно вызывает усиление неравномерности обработки по высоте столба паковок, между отдельными столбами носителя материала, а также между верхним и нижним носителями при использовании сдвоенных носителей типа НР-С6-2, НБЦ-С6-2, которыми комплектовался аппарат. Повышенное дифференциальное давление при обратной циркуляции вызывает деформацию тела намотки и поломку пластмассовых катушек, в связи с чем на некоторых предприятиях используют одностороннюю циркуляцию, что также усиливает неравномерность обработки. По данным ООО «БКЛМ-Актив», при белении оческовой ровницы на сдвоенном носителе НРВ-3, НРН-3 относительная разница в потере веса между паковками верхнего и нижнего носителя составляет 7,3 %, а между внутренними и внешними столбами паковок - до 15,8 %. Это является одной из
9 причин появления пороков «полосатость» на беленых и «переходы цвета» на крашеных тканях, выработанных из химически обработанной ровницы. При крашении льняной пряжи повышенная скорость циркуляции при недостаточной жесткости тела намотки может привести к потере устойчивости паковки и образованию в ней каналов, что повышает риск получения непрокраса. Конструкция аппарата предусматривает возможность снижения скорости циркуляции раствора через материал за счет открытия байпаса, что является простым, но не самым эффективным способом регулирования. Минимальный модуль ванны при обработке ровницы 1:9, льняной пряжи 1:11,5. Аппараты АКДС-601, рассчитанные на обработку партии пряжи 500 кг, являются наиболее распространенными на отечественных предприятиях.
Аппарат для жидкостной обработки под давлением с неполным заполнением АКДН выпускается уже в трех модификациях АКДН-50/800 (50 кг материала), АКДН-2 (200 кг) и АКДН-6 (500 кг). По паспортным данным модуль ванны при обработке ровницы составляет 1:5, льняной пряжи — 1:9 на операции крашения и 1:6 на остальных операциях. За счет уменьшения модуля ванны АКДН-6 обеспечивает снижение удельных расходов пара на 26% при крашении льняной пряжи и на 50% при белении ровницы, экономия воды соответственно составляет 26 и 63%, электроэнергии — до 18% по сравнению с аппаратом АКДС-601, при равной производительности оборудования [11].
Экономия электроэнергии получена и за счет использования центробежного насоса ХР 250-200-250/133 (установленная мощность двигателя 45 кВт, развиваемый напор 8 м вод.ст.) вместо осевого реверсивного насоса ОХР-35х2 (100 кВт). Аппарат позволяет также производить жидкостные обработки при полном заполнении и двусторонней циркуляции благодаря наличию инвертора. Это делает аппарат более универсальным в технологическом отношении и связано с тем, что при крашении трудно ровняющими кубовыми красителями при односторонней циркуляции не удается обеспечить высокую равномерность окраски по радиусу паковки. В то же время, при использовании активных и пря-
10 мых красителей крашение при односторонней циркуляции технологически возможно [12, 13]. Однако при неполном заполнении существенно изменяются гидродинамические условия обработки паковок, расположенных на разной высоте над уровнем раствора в аппарате. Простейшая оценка показывает, что при высоте столба паковок 1,7 м и гидравлическом сопротивлении его 6,5 м вод.ст. (напор насоса ХР 250-200-250/133 в рабочей точке за вычетом гидравлического сопротивления циркуляционной системы) давление в полости столба паковок у его основания окажется на 35% больше, чем у вершины, что вызывает соответствующую разницу в скорости фильтрации, а следовательно, и в равномерности окраски. У льняной пряжи 55,6 текс при плотности намотки 0,37 г/см на патронах диаметром 90 мм и расходе 30 л/(мин-кг) гидравлическое сопротивление не превышает 2 м вод.ст. [14], что увеличивает указанную разницу до 85%. Кроме того, при односторонней циркуляции возрастает неравномерность распределения жидкости между столбами паковок носителя материала. В настоящее время ни одна модификация носителей материала для аппарата АКДН-6 не учитывает этих обстоятельств, что при современном уровне требований к качеству практически делает крашение при низком модуле ванны невозможным!
Таким образом, для полного использования возможностей аппарата АКДН-6 необходимы носители материала, учитывающие специфику жидкостной обработки при неполном заполнении.
Проблемы повышения качества крашения не в последнюю очередь связаны также с мотальным оборудованием. Распространенные машины мягкой мотки ММ-150 не обеспечивают качественную намотку даже в отношении стабильности размеров и формы паковок, не говоря уже об их проницаемости. Стандарты [15, 16] допускают отклонение средней плотности намотки ±5% (т.е. ±0,035 г/см ) и плотности намотки по слоям ±5% от средней, что, по сути, отражает фактические показатели данных машин при хорошем техническом состоянии их. Однако даже при равномерной средней плотности намотки пряжи на паковке 0,35 г/см разброс по плотности 0,03 г/см вызывает разницу в про-
12 является паровой отжим, позволяющий снизить влажность до 60-80% [22], но он не устраняет проблем неравномерности сушки, обусловленных конструкцией носителя материала.
На отечественных текстильных предприятиях широко используется для сушки паковок пряжи под давлением аппарат СКД-6. По паспортным данным время сушки хлопчатобумажной пряжи и ниток составляет 150 мин, вискозной пряжи, имеющей низкое гидравлическое сопротивление — 290 мин. Однако, по данным производственных испытаний, реальное время сушки хлопчатобумажной пряжи в 1,5-2 раза превышает паспортные показатели. Для льняной пряжи фактическое время сушки составляет в среднем 4 ч. Основными причинами этого являются неудачная конструкция и компоновка элементов циркуляционного контура аппарата, резко увеличивающая его гидравлическое сопротивление и приводящая к тому, что на преодоление сопротивления носителя с материалом затрачивается лишь 20-30% создаваемого турбокомпрессором напора (даже для хлопчатобумажной пряжи); недопустимо высокий процент утечки воздуха помимо материала из-за плохого качества стыковки патронов и неудачной конструкции носителя (до 40% для хлопчатобумажной пряжи); неравномерность распределения воздуха между отдельными паковками из-за разброса их фильтрационных свойств и начальной влажности [23-25].
Конструктивные недостатки СКД-6 частично были устранены в модернизированном варианте аппарата СКД-62, в частности, путем изменения схемы подачи воздуха в охладитель [26], что несколько уменьшило его гидравлическое сопротивление. Имеются разработки по замене рекуперативного охладителя с сепаратором более эффективным смесительным охладителем [27], имеющим почти в 8 раз меньшее гидравлическое сопротивление, что может с запасом компенсировать некоторое увеличение сопротивления элементов оснастки, рекомендуемое в данной работе.
Приведенные данные являют собой яркий пример влияния гидродинамических процессов, ответственных за равномерный и интенсивный массообмен,
13 на эффективность и качество обработки паковок. В современных условиях, когда имеет место жесткая конкуренция как на мировом, так и на внутреннем рынке текстиля, необходимо признать, что отечественное оборудование и, в первую очередь, оснастка для отделки паковок нуждаются в модернизации.
Целью диссертационной работы является повышение качества продукции, снижение энергоемкости процессов за счет:
совершенствования элементов аппаратов, ответственных за равномерную обработку материала на основе теоретического анализа процессов распределения рабочих сред при жидкостной обработке и сушке паковок,
организационно-технических мероприятий по снижению отрицательного влияния неоднородности фильтрационных характеристик паковок на качество и эффективность их обработки.
Для достижения цели решались следующие основные задачи:
1. Анализ особенностей массообменных процессов при жидкостной обработ-
ке паковок и способов их интенсификации в аппаратах;
2. Классификация конструкций стержней носителя материала по характеру
движения рабочих сред;
3. Разработка обобщенных математических моделей движения рабочих сред в
аппаратах для отделки паковок, учитывающих параметры технологического процесса, паковок и элементов носителя материала;
4. Подтверждение адекватности предложенных моделей на основании экспе-
риментальных исследований;
Выяснение механизма влияния конструктивных и технологических факторов на неравномерность распределения рабочих сред в аппаратах при жидкостной обработке и сушке;
Разработка принципов конструирования и вариантов конструкции стержня
носителя материала, пригодного для проведения жидкостной обработки с
14 неполным заполнением и последующей конвективной сушки;
7. Разработка научно обоснованных рекомендаций по совершенствованию
элементов носителя материала;
8. Разработка мероприятий по снижению отрицательного влияния неоднород-
ности фильтрационных характеристик паковок на качество и эффективность их обработки.
Объектами исследования являются аппараты для жидкостной обработки и сушки текстильных паковок и их конструктивные элементы, оказывающие доминирующее влияние на распределение рабочих сред между паковками партии.
Предметом исследования являются процессы транспортного этапа массо-обмена в аппаратах для жидкостной обработки и сушки текстильных паковок.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов.
В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Разработанные математические модели базируются на законах теоретической механики, гидравлики, уравнениях гидродинамики вязкой несжимаемой жидкости, современных моделях турбулентности, заложенных в САЕ-системы ANSYS и Star-CD, теории математического моделирования.
При решении системы дифференциальных уравнений моделей одномерного течения среды использовались численные методы (метод Рунге-Кутта четвертого порядка, метод стрельбы, метод парабол, метод сопряженных направлений).
Для решения нестационарного уравнения сушки использовался алгоритм послойных вычислений, с применением схемы «предиктор-корректор». Эмпирические зависимости, замыкающие математическую модель сушки, получены методами регрессионного анализа.
Оптимизационные задачи решались методом сопряженных направлений с ограничениями.
Программная реализация моделей и методов их решения выполнена в среде Delphi 7.
Статистическая обработка результатов измерений производилась в среде Lab View 8.5
Достоверность полученных результатов обеспечивается обоснованным
уровнем абстракции при замене реальных процессов их математическими мо
делями и подтверждается соответствием полученных теоретических результа
тов данным экспериментов, в том числе выполненных другими
исследователями.
Научные гипотезы и положения, выносимые на защиту:
При моделировании процессов транспортного этапа массообмена на уровне аппарата во избежание чрезмерного усложнения моделей допустимо не учитывать особенности процессов во внутренних структурных элементах текстильных паковок.
Математические модели процессов и результаты их анализа.
Похожие диссертации на Развитие теории процессов распределения рабочих сред и совершенствование аппаратов для жидкостной обработки и сушки текстильных паковок
