Введение к работе
Актуальность темы. В условиях рыночной экономики вопросы рентабельности производства на предприятиях первичной обработки являются первостепенными для обеспечения текстильной промышленности качественным льноволокном. Анализ структуры себестоимости продукции льнозаводов выявляет значительные затраты, связанные с энергоресурсами. Их доля составляет примерно четвертую часть. Наиболее энергозатратной технологической операцией при производстве волокна является сушка стланцевой тресты. При её реализации в настоящее время используются морально устаревшие машины повышенной метало- и энергоёмкостью, промышленный выпуск которых по данной причине прекращен.
Наряду с этим при использовании в АПК интенсивных механизированных технологий производства льнотресты стал проявляться ещё один недостаток: неэффективная сушка льнотресты, поставляемая на льнозаводы в рулонах, длина стеблей в которых значительно варьирует. В результате этого слой стеблей имеет разную ширину, что ведет к утечкам горячего воздуха помимо слоя, расположенного на сетчатом транспортере сушилки и, как следствие, к снижению эффективности термовлажностной подготовки. В результате стебли тресты перед механической обработкой имеют различную влажность и поэтому – различную декортикационную способность, наблюдается рост уровня недоработанного волокна. Его доведение до ликвидного состояния требует дополнительной обработки, что приводит к росту волокнистых потерь, снижению качества трепаного волокна и увеличению производственных затрат.
В этой связи задача по разработке новых технологических и технических решений по повышению эффективности процесса сушки льняной тресты является актуальной, направленной на укрепление сырьевой базы отечественной текстильной промышленности.
Актуальность изучаемой темы подтверждается соответствием основным положениям развития отечественного льняного комплекса, отраженных в целевой ведомственной программе «Развитие льняного комплекса России на 2008-2010 годы», утвержденной Минсельхозом РФ 16.06.2008 г., приказ № 261; региональной программы развития льноводства в Костромской области на период до 2014 года, а также планам научных исследований КГТУ.
ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ является повышение выхода длинного волокна за счет совершенствования процесса и оборудования для сушки стланцевой льняной тресты.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- анализ известных способов и оборудования для сушки льняной тресты, а также анализ опубликованных результатов исследований влияния термовлажностной подготовки стеблей льняной тресты на результаты ее механической обработки;
- исследование декортикационной способности стеблей льнотресты по их длине в процессе термовлажностной подготовки. Разработка предложений по совершенствованию процесса сушки льняной тресты и вариантов их технической реализации;
- разработка адекватной компьютерной модели процесса сушки, оценка эффективности предложенных решений и оптимизация параметров процесса методом вычислительного эксперимента;
- оценка технологической эффективности разработанных предложений, разработка рекомендаций по совершенствованию сушильных машины для льняной тресты и оценка их экономической эффективности.
Методы исследования.
В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Разработанные математические модели базируются на законе фильтрации Дарси, уравнениях гидродинамики вязкой несжимаемой жидкости, современных моделях турбулентности, заложенных в САЕ-систему ANSYS, критериальных уравнениях массообмена при сушке лубоволокнистых материалов, теории математического моделирования и оптимизации. Достоверность полученных результатов обеспечивается обоснованным уровнем абстракции при замене реальных процессов их математическими моделями и подтверждается соответствием полученных теоретических результатов данным контрольных экспериментов. Обработка экспериментальных данных производилась в среде LabView 8.5. Результаты ряда экспериментальных исследований согласуются с данными других авторов.
Научная новизна работы заключается в разработке теоретических положений для моделирования процесса термовлажностной обработки льна, включающих новые методы расчета параметров процесса и рабочих органов сушильной машины, обеспечивающих рациональное распределения остаточной влаги и формирование технологических свойств по длине стеблей.
В диссертационной работе впервые:
по специальности 05.02.13
– разработана компьютерная модель процесса конвективной сушки льняной тресты, реализованная в среде ANSYS CFX, учитывающая параметры технологического процесса, геометрию сушильной камеры и способ подачи сушильного агента, фильтрационные характеристики слоя тресты с учетом их неоднородности, обеспечивающая возможность оптимизации параметров оборудования и процесса сушки;
– дано теоретическое обоснование новой схемы подвода теплоносителя в слой тресты в камере сушильной машины, обеспечивающей дифференциацию влажности по длине стеблей;
– теоретически определена оптимальная степень рециркуляции сушильного агента для новой схемы сушки, обеспечивающая максимальное снижение удельных затрат тепловой энергии при минимальной потере производительности сушильной машины;
по специальности 05.19.02
- обоснована необходимость одновременного изменения прочностных и декортикационных свойств по длине стеблей тресты в соответствии с энергетическими затратами на обескостривание по высоте активной зоны трепальной машины;
- дано обоснование нового способа термовлажностной подготовки стеблей тресты с дифференцированным распределением остаточной влажности с учетом особенностей силового нагружения обрабатываемых прядей по высоте поля трепания и формирования требуемых различий технологических свойств по их длине.
Практическая ценность и реализация полученных результатов.
В результате выполнения диссертационного исследования разработан автоматизированный лабораторный стенд для исследования процесса сушки лубоволокнистых материалов с программным обеспечением в среде LabVIEW, используемый в учебном процессе на кафедре «Технология производства льняного волокна» при выполнении выпускных квалификационных работ и магистерских диссертаций.
Обоснован выбор рационального способа подачи сушильного агента в слой тресты, и разработаны рациональные варианты устройства для сушки льняной тресты, защищенных патентами РФ. Определена оптимальная толщина слоя тресты и степень рециркуляции сушильного агента при сушке по предлагаемой схеме, обеспечивающие минимум затрат на сушку единицы массы тресты. Доказана возможность повышения выхода длинного волокна на 1% (абс.) при обеспечении массовой доли костры на уровне стандартных норм.
Рекомендации по совершенствованию конструкции сушильной машины для стланцевой льняной тресты приняты для использования Ивановским механическим заводом им. Г.К. Королёва. Ожидаемый экономический эффект от использования новых технических решений составляет 180 рублей на одну тонну тресты при сроке окупаемости новой машины не более одного года.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы получили одобрение, путем апробации на: 9-й Международной конференции пользователей ANSYS/CADFEM, Москва, 2011 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Реинжиниринг технологических, организационных и управленческих процессов как основа модернизации экономики регионов», Кострома, 2010 г.; Всероссийской научно-практической конф. «Производственная инфраструктура: экономические, технико-технологические, организационно-управленческие и информационные аспекты», Кострома, 2011 г.; заседании кафедры технологии производства льняного волокна КГТУ, 2011 г.; заседании семинара по теории машин и механизмов (Костромской филиал семинара по ТММ РАН, секция «Текстильное машиноведение»), 2010, 2012 г.г.; на расширенном заседании кафедры теории механизмов и машин, деталей машин и проектирования текстильных машин КГТУ 2012 г.; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий (Лен–2012), г.Кострома, 2010, 2012 г.; заседании научно-технического совета ОАО «Завод имени Г.К.Королева», г.Иваново, 2013 г.
Основные положения диссертации опубликованы в материалах 11 статей, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Техническая новизна предложенных решений защищена 2 патентами РФ на изобретения.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из пяти глав, изложенных на 145 страницах, содержит 72 рисунка, 13 таблиц, список литературных источников из 40 наименований, а также имеет выводы и приложения.
