Введение к работе
Актуальность темы. Одной из главных задач развития экономики нашей страны на данном этапе является подъем благосостояния Российского народа. Обеспечение населения качественными товарами легкой и текстильной промышленности становится приоритетной государственной задачей на период до 2010 года. Планируется увеличить в два раза объем конкурентоспособной продукции, в том числе тканей с ростом их на внутреннем рынке почти в три раза, от 20 (в настоящее время) до 55 %. Реализация поставленных задач основывается на Федеральных целевых Программах развития и структурных перестроек текстильной и легкой промышленности, а также на Федеральных законах о техническом регулировании.
Современное состояние предприятий текстильной промышленности характеризуется использованием энергоемких систем технологического кондиционирования воздуха (СТКВ), которые являются неотъемлемой частью предприятий с высокими производственными и санитарно-гигиеническими требованиями к искусственному микроклимату. По данным Мировой энергетической конференции и Госстроя РФ на отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха затрачивается до 35 % вырабатываемой теплоэнергии, что составляет около 40 % от общего энергопотребления предприятия. В России промышленность на единицу продукции тратит в 3 раза больше энергии, чем в западных странах. При этом обеспеченность системами технологического кондиционирования воздуха промышленных зданий составляет около 5 %, в то время как за рубежом - около 60 %. Такое положение создает значительные проблемы в технологии производства. Состояние искусственного микроклимата в производственных помещениях текстильных предприятий не соответствует оптимальным условиям труда и росту качества продукции.
Главной причиной снижения качества, повышения стоимости и материалоемкости продукции является обрывность нитей при технологическом процессе прядения и ткачества. На 1000 вер./ч приходится 300 и более обрывов, при норме, равной 60-100. В брак уходит до 80 % ценного сырья и около 60 % рабочего времени затрачивается на устранение обрывов. Основной причиной многочисленных обрывов нитей является несоответствие показателей влажности волокон технологическим требованиям.
Следующей причиной низкой эффективности СТКВ и показателей текстильной промышленности является отсутствие научно обоснованных методов расчета оптимальных параметров искусственного микроклимата, обеспечивающего и поддерживающего качество технологических процессов. Проблема развития и реализации инновационных технологий в системе клима-тизации производственных зданий, которая обеспечивает энергосбережение, качество продукции, оздоровление воздушного бассейна производственных помещений, снижение стоимости продукции и расхода технологического сырья, является главной проблемой во всем мире. Именно этим и определяется высокая актуальность темы диссертации, научных исследований и полученных результатов.
Работа выполнена-на кафедре «Теплогазоснабжение и вентиляция» ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» в рамках научных Программ государственного уровня, в том числе Программы Госкомитета по высшей школе РФ «Архитектура и строи-1 тельство» (1.6.93 Локальные системы технологического кондиционирования воздуха;'0110.98П Теоретические и экспериментальные исследования воздухораспределителей с оппозитными струями).
Цель работы и задачи исследования. Цель заключается в разработке и внедрении в практику строительства локальной системы технологического кондиционирования воздуха производственных помещений текстильных предприятий на основе вытесняющей вентиляции с поэтапным развитием методологии конструирования системы и разработкой теории расчета параметров искусственного микроклимата.' Для реализации системы кондиционирования планировалась разработка метода стабилизации оптимальных параметров технологического процесса производства нитей и тканей с использованием инновационных экономически и энергоэффективных решений искусственной климатизации.
В соответствии с поставленной целью основными задачами исследования являются:
обоснование необходимости искусственного микроклимата в производственных помещениях текстильных предприятий;
аналитическая оценка ранее проведенных исследований и методов расчета основных параметров искусственного микроклимата;
научное обоснование использования вытесняющей вентиляции при разработке локальной системы технологического кондиционирования воздуха;
экспериментально-теоретические исследования гигростатики и гигро-динамики процессов взаимодействия текстильных материалов с кондиционированным воздухом в гигроскопической области;
разработка и исследование локальной системы технологического кондиционирования воздуха на основе вытесняющей вентиляции;
разработка и исследование воздухораспределителя с оппозитными ще-левидными насадками для создания локальной системы технологического кондиционирования воздуха по типу вытесняющей вентиляции;
обеспечение экономической и энергетической эффективности разработанной автором локальной системы технологического кондиционирования воздуха производственных помещений текстильных предприятий.
Научную новизну диссертации составляют:
новый метод исследования процессов гигростатики и гигродинамики, достоверно отражающий процесс влияния кондиционированного воздуха на влажностное состояние перерабатываемых многокомпонентных текстильных материалов;
разработанная теория расчета и впервые полученные физико-математические модели, хорошо описывающие суть физических процессов и закономерности изменения гигростатических и гигродинамических процессов увлажнения текстильных материалов при взаимодействии с кондиционированным воздухом;
разработанная теория и новый инженерный метод расчета параметров искусственного микроклимата, совершенствующие технологический процесс производства, а также механизм их регулирования;
новая локальная система технологического кондиционирования воздуха, которая функционирует по типу вытесняющей вентиляции, и способ воздухообмена по схеме «снизу вверх» для поддержания предлагаемых научно обоснованных и технологически необходимых параметров искусственного климата;
новые результаты теоретических и экспериментатьных исследований, проведенные на модели и в натурных условиях для вариантов систем технологического кондиционирования воздуха, функционирующих по принципу перемешивающей и вытесняющей вентиляции с использованием схем воздухообмена «сверху вниз» и «снизу вверх»;
выявленные закономерности и критерии, подтверждающие высокую эффективность созданной локальной системы технологического кондиционирования воздуха, которая получается за счет снижения воздухообмена, энергозатрат и применения механизма поддержания требуемого режима микроклимата в производственных помещениях;
предлагаемый инженерный метод расчета оптимальных параметров воздухообменов с использованием /-cf-диаграммы, обеспечивающих вытеснение теплоизбытков, поступающих в нижнюю зону помещения, и требуемые параметры искусственного микроклимата;
оригинальная и высокоэффективная конструкция воздухораспределения с оппозитными приточными щелевидными насадками, способная подавать с малыми скоростями большой объем кондиционированного воздуха с расчетными параметрами непосредственно в технологическое оборудование в зону переработки текстильных волокон и пребывания обслуживающего персонала;
результаты теоретических и экспериментальных исследований аэродинамических характеристик воздухораспределителя и приточных оппозитных струй, а также разработанный инженерный метод расчета конструкционных размеров предлагаемого воздухораспределителя;
впервые полученная физико-математическая модель процесса влияния скорости воздуха с заданной относительной влажностью на выходе предлагаемого воздухораспределителя, установленного в зоне обрабатываемых текстильных волокон, на распределение относительной влажности воздуха и процесс увлажнения волокон внутри компактно сформированного текстильного материала.
Основные положення, выносимые на защиту:
выявленные закономерности влияния основных параметров искусственного микроклимата на физико-механические свойства перерабатываемых текстильных волокон, на физическую основу производственных процессов и санитарно-гигиенические условия труда обслуживающего персонала;
аналитическая оценка существующих методов исследований процессов взаимодействия многокомпонентных текстильных материалов с кондиционированным воздухом, а также оценка методов определения параметров искусственного микроклимата;
оценка энергетической, технологической и комфортной эффективности применяемых систем технологического кондиционирования воздуха;
научное обоснование методики экспериментальных и теоретических исследований гигростатики и гигродинамики, достоверно воспроизводящих взаимодействие многокомпонентных текстильных материалов с кондиционированным воздухом; ' ' '
впервые разработанные физико-математические модели процессов. гигростатики и гигродинамики увлажнения текстильных материалов при взаимодействии с кондиционированным воздухом;.
новый инженерный метод расчета технологически благоприятных параметров искусственного микроклимата на основе физико-математических моделей, разработанных автором;
. принципиально новая локальная' система технологического кондиционирования воздуха, функционирующая по типу вытесняющей вентиляции, экспериментально обоснованная на моделях и в натурных условиях, впервые разработанный метод расчета воздухораспределителя новой системы;
оценка эффективности новой локальной системы технологического кондиционирования воздуха на основе математического и физического моделирования процессов влияния скорости движения проточной струи из воздухораспределителя на распределение относительной влажности воздуха и процесс увлажнения волокон внутри компактно сформированного текстильного материала;
программа и результаты экспериментальных и теоретических исследований предлагаемого воздухораспределителя с оппозитными щелевидными насадками и использованием эффекта соударения встречных струй воздуха;
инженерный метод определения конструкционных характеристик разработанного воздухораспределителя постоянного статического давления с переменным поперечным сечением и постоянной шириной щелевидных отверстий;
технико-экономическая оценка и обоснование эффективности созданной автором и многократно внедренной в производство локальной системы технологического кондиционирования воздуха, функционирующей по типу вытесняющей вентиляции.
Практическая значимость работы определяется решением в рамках диссертации крупной проблемы, имеющей народно-хозяйственное значение в области развития текстильной промышленности. Локальная система технологического кондиционирования воздуха, разработанная автором, рекомендована научно-техническим советом ПГУАС к внедрению в практику проектирования, строительства и реконструкции инженерных систем. Результаты исследования многократно внедрялись в производство текстильных предприятий Пензенской, Ленинградской и других областей^ Рекомендации по проектированию энергоэффективных локальных систем с оптимальными параметрами искусственного микроклимата используются проектными институтами «Пензгражданпроект» и «Гипромаш» г. Пензы и других городов России.
Внедрение результатов исследований осуществлялось в виде научных отчетов и издания методической и технической документации, разработанной
7 автором. Исследования и научные разработки в рамках диссертации широко используются в учебном процессе при подготовке специалистов-строителей, при реальном проектировании дипломных проектов, а также в исследованиях, проводимых аспирантами.
Реализация научных разработок значительно усовершенствовала технологические процессы переработки текстильных волокон. Существенно, до 30 %, сокращена обрывность нитей при прядении и ткачестве. Одновременно уменьшились отходы в брак ценного сырья, повысилось качество и снизилась себестоимость выпускаемой продукции. До 25 % увеличилась производительность труда в результате оздоровления санитарно-гигиенических условий в производственных помещениях. Воздухообмен сокращается на 45—50 %, энергозатраты - более чем на 20 %. Подтвержденный актами экономический эффект исчисляется миллионами рублей в год (ОАО «Сурская мануфактура им. В. Асеева» и ООО «Пензенский текстиль» п. Золотаревка, Пензенская область; ОАО «Комбинат тонких и технических сукон им. Тельмана», г. Санкт-Петербург и др.). Результаты исследований использованы в рамках Федеральной программы «Поддержка малых форм предпринимательства в научно-технической сфере», в инновационном проекте, выигранном по указанной программе (2005 г.), и в рамках комплексной программы энергосбережения Пензенской области в 2001-2005 гг. и до 2010 г, а также на предприятиях и в технических службах Ассоциации Пензенских строителей (2000—2005 гг.).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и опубликовывались в сборниках научных трудов Международных и Всероссийских научно-практических симпозиумов, конгрессов и конференций, посвященных совершенствованию методов проектирования, монтажа, наладки, реконструкции и эксплуатации систем промышленной вентиляции и кондиционирования воздуха в городах России (Иркутск, 1979 г.; Пенза, 1981, 1983 гг.; Москва, 1981, 1986, 1990, 1994 гг.; Пенза, 1993 г.; Санкт-Петербург, 1997 г.; Волгоград, 1998 г.; Иваново, 2000 г.), а также за рубежом (Таиланд, Бангкок, 1998 г.; Египет, Каир, 1999 г.; Греция, Ираклион, 2000 г.; Тунис, 2000 г.; Испания, Барселона, 2002 г; Тунис, Хам-мамет, 2004 г.).
Достоверность результатов работы. Представленные в диссертации задачи решались на основе физического эксперимента, проводимого в лабораторных и в натурных условиях, а также на основе теоретических исследований с использованием современных достижений в области теории и практики создания систем технологического кондиционирования воздуха и физико-математического моделирования. Достоверность исследований достигается использованием оборудования и измерительной аппаратуры, обеспечивающих достаточную точность измерений при испытаниях. В теоретических исследованиях использовались сертифицированные программные комплексы. Достоверность результатов исследований, установленных зависимостей, методов расчета, расчетных моделей, основных параметров микроклимата подтверждается сопоставлением расчетных и соответствующих опытных величин, а также показателями их внедрения в производство.
8. Личный вклад в решение проблемы заключается в выборе актуальной темы, в самостоятельной формулировке научно-практической цели диссертационной работы и основных задач исследований, в выполнении теоретической и основной части экспериментальных исследований. Самостоятельно проведена оценка и обобщены результаты исследований. Автором разработана теория расчета, создана и оптимизирована новая система технологического кондиционирования воздуха, а также разработаны воздухораспределительное устройство и новый инженерный метод расчета основных параметров искусственного микроклимата текстильных предприятий. Самостоятельно проведена апробация новой системы и осуществлено ее внедрение.
,. Публикация. По теме диссертации опубликованы 121 научная работа, в том числе 9 статей в журналах по списку ВАК, 11 статей в зарубежных изданиях, получено 27 авторских свидетельств и патентов, подтверждающих новизну научно-технических решений.
.. Объем и структура диссертации. Диссертация выполнена в ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», научный консультант — доктор технических наук, профессор кафедры отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха ГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет Б.Н. Юрманов. Диссертация состоит из введения, 8 глав, общих выводов и списка литературы. Результаты исследований изложены на 490 страницах основного текста, включающего 164 рисунка, 16 таблиц, библиографию из 457 наименований и 3 приложения.
