Введение к работе
Актуальность работы. Процессы термообработки материалов перегретым водяным паром часто встречаются в различных отраслях промышленности или производства, например, в отделочном производстве текстильной промышленности, и в частности, в зрельниках. В паровых камерах этих машин сухая или мокрая ткань обрабатывается перегретым паром для исключения воздействия кислорода воздуха во время ее нагрева до высокой температуры, необходимой для протекания химических реакций и диффузии красителя в волокно. Применение перегретого пара уменьшает потребное время обработки ткани (и, следовательно, дает возможность повысить производительность машины или при прежней производительности сократить габаритные размеры зрельника), а также повышает качество обработанной ткани, давая на ней более яркие краски. Так, потребное время обработки ткани в зрельнике мокрого проявления при 110С составляет 28-ЗОсек, а при 160С 11 сек (монография Бунина О.А., Малкова Ю.А.). Поэтому представляется актуальной задача оптимального проектирования энерготехнологических установок, использующих для термообработки текстильного материала перегретый пар. Для этого необходимо располагать надежной аналитической методикой и, в частности, нужно разработать метод расчета процессов тепло- и массообмена между влажным материалом и перегретым водяным паром. В монографии Михайлова Ю.А. обоснованно указа-вается, что при рассмотрении общей картины внешнего тепло- и массообмена в процессах термообработки влажного материала в среде перегретого пара законченной теории, описывающей всю совокупность движущих сил тепло- и массообмена, еще нет. Это связано с тем, что в отличие от процессов тепломассообмена между влажным материалом и влажным воздухом, где движущей силой массообмена при испарении влаги в воздух является разность парциальных давлений между поверхностным слоем и вдали от него, в среде перегретого пара она отсутствует. Отсутствие потенциала массопереноса не позволяло разработать методику прогнозирования характеристик энерготехнологического оборудования, работающего на перегретом водяном паре.
В рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований впервые разработана и экспериментально проверена замкнутая теория, описывающая тепло- и массообмен в среде перегретого пара.
Цель исследования - разработать теоретически и проверить экспериментально метод расчета тепло- и массообмена между тонким влажным материалом и перегретым паром, применительно к энерготехнологическим установкам текстильной промышленности.
Основными задачами являются:
Разработка теории тепломассообмена между тонким влажным материалом и рассматриевым как трехатомный газ с шестью степенями свободы перегретым водяным паром с использованием методов статистической физики необратимых процессов
Разработка замкнутой системы дифференциальных уравнений для расчета параметров тонкого материала в процессе его обработки перегретым паром
3. Разработка оценочной методики расчета процесса, позволяющей внести по-
правку к величине начального влагосодержания, обусловленную конденсацией пара на холодном материале.
4. Экспериментальное исследование процесса тепломассообмена тонкого тек
стильного материала в среде перегретого пара на лабораторном стенде.
Экспериментальная проверка полученных теоретически результатов путем их сопоставления и анализа.
Разработать методику теплотехнического расчета зрельника, работающего на перегретом водяном паре.
Научная новизна заключается в следующем:
1. Впервые аналитически разработан метод, описывающий тепло- и массообмен-
ные явления при обработке тонкого текстильного материала в среде перегретого
водяного пара. При разработке метода использованы подходы статистической
физики необратимых процессов для трехатомного газа с шестью степенями сво
боды с привлечением кинетического уравнения Больцмана.
Для перегретого водяного пара получено уравнение, определяющее экстраполированное к межфазной поверхности из эйлеровой области значение температуры, что позволило привлечь к описанию теплообмена феноменологический подход.
На основе развитой теории получена замкнутая система дифференциальных уравнений для расчета изменения параметров тонкого текстильного материала в среде перегретого пара, без привлечения эмпирических данных о ходе процесса.
В рамках развитой теории установлено существование в среде перегретого пара аналога точки росы, в которой конденсация пара на холодном материале сменяется испарением влаги. Получено уравнение, определяющее температуру влажного материала в этой точке.
При анализе дифференциальных уравнений энергии и массообмена установлено существование температуры влажного материала, являющейся аналогом температуры мокрого термометра. Получено уравнение, определяющее положение этой точки.
6. Разработана оценочная методика расчета процесса, позволяющая внести по
правку к величине начального влагосодержания, обусловленную конденсацией
пара на холодном материале.
Преодолены затруднения связанные с отсутствием потенциала переноса в перегретом паре, что позволило разработать теоретически и экспериментально обоснованную методику расчета тепломассообменных процессов в энерготехнологических установках, и в частности зрельниках, использующих для термообработки текстильного материала перегретый водяной пар.
Работа выполнена в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 05-08-01222а.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Результаты работы: 1) Дают возможность проводить как конструктивный, так и поверочный расчет при проектировании энерготехнологического оборудования текстильной промышленности, в котором в качестве теплоносителя выступает перегретый водяной пар, без привлечения эмпирических данных о ходе процесса.
2) Могут быть также использованы при проектировании оборудования в дру
гих отраслях промышленности, где необходима обработка материалов при повы
шенной температуре без доступа окислителя - кислорода воздуха.
3) Будут использоваться в курсе «Тепломассообменное оборудование предпри
ятий» на кафедре ПТЭ МГТУ имени А.Н. Косыгина. Экспериментальный стенд
предполагается использовать при проведении научно-исследовательских работ
студентов.
Достоверность научных положений и выводов. Развитая теория основана на привлечении надежных, обоснованных подходов к расчету тепломассообмена. Формулировка системы дифференциальных уравнений основывается на использовании законов сохранения массы, импульса и энергии с привлечением методов статистической механники необратимых процессов на базе решения кинетического уравнения Больцмана. Решение системы выполнено методом Рунге - Кутты -Мерсона с автоматическим выбором шага интегрирования при заданной погрешности.
Обоснованность теоретических положений подтверждается их удовлетворительным согласованием с результатами эксперимента в рамках принятых допущений.
Достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием современных, поверенных измерительных приборов. Оговорены пределы применимости разработанного подхода.
Аппробация работы:
Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на 4-й Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, МЭИ, 2006г.); на Международной научно-технической конференции "Современные технологии и оборудование текстильной промышленности" (ТЕКСТИЛЬ - 2006), г. Москва.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3-х глав и выводов, изложена на 108 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка, 1 таблицу и список литературы из 52 наименований.
