CC BY
175
УДК 676.026.521 ББК35.112;35.77
ОСНОВЫ ЭКОНОМИИ ТЕПЛОТЫ И ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ УСТАНОВОК ПРИ СУШКЕ КАРТОНА И
БУМАГИ
Л.М. Бойков1, Н.С. Нечаев2
1 Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики,
192171, Санкт-Петербург, ул. Седова, дом 55/1 2 «Лесбумсервис» Санкт-Петербург, Тореза просп., 104-А
На основе изучения капиллярно-пористой структуры картона и бумаги научно обоснованы вопросы интенсификации процессов сушки и сокращения затрат теплоты на каждой стадии сушильного процесса в зависимости от форм связи влаги с материалом.
Ключевые слова: пористая структура волокнистого материала, формы связи влаги с материалом, микрокапиллярная и макрокапиллярная влага внутри материала
Опыт эксплуатации сушильных установок БКДМ и численные расчеты [1 - 4] свидетельствуют, что теоретические значения расходов теплоты и пара значительно ниже (до 30%) фактических значений. При сушке бумаги и картона снижение фактических затрат теплоты до теоретических значений в значительной степени зависит от характеристик пористой структуры материала и форм связи влаги с волокнистой основой.
К характеристикам пористой структуры материала относятся: размеры пор и капилляров, пористость и удельная поверхность пор, интегральная и дифференциальная кривые распределения пор по радиусам (рис. 1, 2).
С помощью микроскопов типа МБР-1 и МБ-9 авторами изучены эти характеристики для кровельного картона; пористость составила П¥=0,60, удельная поверхность пор, £п = 0,8 • 10-5 - 0,7 • 10-4 м2 /м3, а диаметры наибольшего количества микрокапилляров составили (8 и 24) • 10-4 см.
По пористой структуре материала расчетным путем определяются: коэффициенты молярного и диффузионного переноса пара КР и Кд , коэффициент массопроводности при фильтрации ар, изменения температуры и влагосодержа-
ния ДТ и Ли на каждом участке сушки, плотность потока переноса пара ] внутри материала, капиллярное давление Ркап, энергия связи влаги с материалом -энергия на разрыв капиллярных сил Э(гпор) в зависимости от размера пор, перепад давления ДР, затраты теплоты Дq и работы Д1 на перемещение влаги по толщине материала.
В зависимости от характеристик пористой структуры материала находятся границы форм связи влаги с волокнистой основой. Для изучения форм связи влаги с материалом авторами использован дериватографический метод исследований [5], который позволяет по кинетической кривой сушки наиболее полно определить границы формы связи влаги с волокнистой основой и оптимальное количество необходимой теплоэнергии для удаления влаги на каждой стадии сушильного процесса.
Исследования показали, что кинетические кривые изменения массы и скорости изменения испаряемой влаги имеют точки перегиба, соответствующие первому иК1 =0,491 кг/кг, второму = 0,175 кг/кг и третьему иК3 = 0,120 кг/кг критическим влагосодержаниям материала в процессе сушки. Аналогичные значения получены на кинетических кривых сушки ряда работающих карто-ноделательных машин.
—►
т,с
Рисунок 1. Термограмма -1 и кривая сушки - II капиллярно-пористых
Анализ результатов исследований показал, что общая теплота на сушку, например, кровельного картона расходуется в следующем соотношении: при прогреве - 1,3%, в периоде постоянной скорости -50,6% , в первом интервале второго периода - 42,2% и во втором интервале второго периода - 5,9% .
Как показали эксперименты, основная часть осмотической и макрока-пиллярной влаги (62,2%) в кровельном картоне испаряется в первом периоде
а, б — области влажного и гигроскопического состояния вещества; 1— 6 — сингулярные точки;
А—Ж — интервалы существования различных форм связи влаги; АБ — осмотическая; БВ — капиллярная при г >10-7м; ВГ— стыковая при г >10-7м; ГД — капиллярная влага в микропо-рах при г <10-7м; ДЕ — влага поликапилляр-ной адсорбции, г =1- 10"7...3-10"10м; ЕЖ— влага поликапллярной адсорбции, г =(3...5)10-10м; АБ, ДЖ - физико-химическая форма связи; БД - физико-механическая форма связи; С М — температура сушильного агента и материала; и — влагосодержание материала; Ь — период прогрева; М, N — 1 и 2 - периоды сушки.
сушки. При этом влагосодержание снижается с начального и0 до первого критического иК1. Стыковая влага из микрокапилляров удаляется в начале второго периода сушки при снижении влагосо-держания с 0,49 до 0,25 кг/кг и содержится ее в материале до 18,5%. Влага микрокапилляров составляет 10% и удаляется при уменьшении влагосодержа-ния с 0,25 до 0,12 кг/кг. Адсорбционносвязанная влага (поликапиллярная и по-лимолекулярная) в количестве 9,2% ис-
хЮ4
35
30
25
20
15
10
5
уі
І'’,
70
60
50
40
30
20
10
а)
6 8 10 12 14 16 18 20 г хЮ , см
'4 6 8 10 12 14 16 18 20 г хЮ , см
Рисунок 2. Кривые распределения пор по радиусам:
а — дифференциальная; б -интегральная
Основы экономии теплоты и повышения производительности установок
при сушке картона и бумаги
паряется в конце сушки, когда влагосо-держание падает с 0,12 кг/кг до равновесного влагосодержания ир = 0,05 кг/кг.
На основании этих данных для кровельного картона построена диаграмма форм связи влаги с волокнистой основой (рис. 3). Формы связи влаги определяют механизм и кинетику сушки на каждой стадии процесса. Они позволяют также подобрать уравнения, описывающие перенос влаги по отдельным интервалам сушки, снизить до минимума затраты энергии, определить продолжительность процесса на каждой стадии, установить оптимальные температурные режимы сушки. Например, для кровельного картона установлен следующий оптимальный тепловой режим: КтС - КвС -КтС (контактно - конвективная - контактная сушка) при соответствующих температурах 140 - 180 -160°С.
Выявление границы форм связи влаги с волокнистой основой позволяет научно обоснованно подойти к вопросу о сокращении затрат теплоты на каждой стадии сушильного процесса и интенсифицировать сушку. Кроме того, формы связи и характеристики пористой структуры определяют качественные показатели материала.
На основе испытаний картоноде-лательных машин установлено, что в периоде прогрева процесс обезвоживания материала протекает с увеличением интенсивности сушки с 7,0 до 11,3 кг/(м2-ч). Период постоянной скорости протекает на цилиндрах № 3 - 23 с максимальной интенсивностью 11,3 кг/(м2-ч) и при постоянных коэффициентах мас-сообмена о.ш = 37,3 м/с и вР1 =23,7кг/(м2-Па^ч)[6]. Период падающей скорости сушки целесообразно разбить на три интервала в зависимости от формы связи влаги с материалом, а именно: и 2 = 0,49 - 0,25; = 0,25 - 0,12 и и ”’2
= 0,12 - 0,05кг/кг.
Интенсивность сушки по интервалам меняется следующим образом: 11,310,4; 10,4 - 3,8 и 3,8 - 2,5 кг/(м2-ч). Из сравнения этих данных следует, что наиболее существенное снижение интенсивности сушки происходит во втором интервале второго периода сушки, когда удаляется микрокапиллярная влага. Коэффициенты массообмена по интервалам сушки снижаются так: в первом интервале в 3,3 раза, во втором и третьем интервалах соответственно в 2,8 и 1,5 раза. Эти изменения обусловлены различными механизмами и закономерностями тепло-массопереноса внутри материала в зависимости от характеристик пористой структуры и форм связи влаги с волокнистой основой.
Рисунок 3. Диаграмма форм связи влаги с основой кровельного картона:
1 - осмотическая и макрокапиллярная (и > 0,49 кг/кг); 2 - стыковая (и = 0,25-0,49 кг/кг); 3 - микрокапиллярная (и = 0,12-0,25 кг/кг); 4 - адсорбционная: поликапиллярная и полимолекулярная (и < 0,12 кг/кг); А -физико-механическая форма связи; Б - физико-химическая форма связи.
Анализ полученных результатов приводит к выводу, что в процессе сушки волокнистого материала имеется существенное несоответствие между ко-
личеством теплоты, затрачиваемой на отдельных стадиях сушки, и длительностью процесса в пределах каждой формы связи влаги с материалом.
Дериватографические исследования позволили установить границы различных форм связи влаги, в пределах которых действуют специфические механизмы и закономерности переноса теплоты и вещества.
Существенное значение на процессы тепломассопереноса оказывают характеристики пористой структуры материала.
Выполненные испытания многих картоноделательных машин позволили установить закономерности изменения интенсивности сушки и коэффициентов массообмена, которые являются необходимыми для выполнения теплового расчета контактно-конвективных сушильных установок аналогичного типа машин.
Таким образом, для снижения энергозатрат на действующих бумаго- и картоноделательных машинах целесообразно разбивку цилиндров по паровым группам выполнять в соответствии с формами связи влаги с материалом и с учетом характеристик пористой структуры полотна.
Кроме того, для экономии теплоты на машинах рекомендуется:
- с помощью подпорных шайб произвести перераспределение расхода пара по цилиндрам;
- стабилизировать тепловой и гидравлический режим работы машин;
- оптимизировать конструкцию сушильных установок;
- для интенсификации тепломассопереноса и повышения производительности сушильных установок рекомендуется внутри цилиндров быстроходных буммашин установить термопланки, разрушающие пленку конден-сатного кольца;
- сократить расход пролетного
пара;
- установить теплообменные аппараты на конденсатопроводах до баков сбора конденсата;
- обеспечить более полный возврат конденсата;
- подать под машину и в межци-линдровое пространство равное количество воздуха по зонам сушки в соответствии с кинетикой процесса.
Литература
1. Лыков А.В. Тепломассообмен. Справочник М.: Энергия, 1978.
2. Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория тепло - и массопереноса / ГЭИ, М.: 1958.
3. Жучков П.А., Саунин В.И. Тепловой и гидравлический режимы работы бумагоделательных и картоноделательных машин. Л.: Лесная промышленность, 1972.
4. Бойков Л.М. Затраты теплоты на перенос влаги внутри материала при кондуктивной сушке // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС: Межвуз. сб. науч. тр./ ЛТА, ЛПИ, ГТУ РП. СПб., 1993. С.59-66.
5. Бойков Л.М. Формы связи влаги в кровельном картоне // Химия и технология бумаги: Межвуз. сб. науч. тр./ЛТА. Л., 1988. С.61-63.
6. Бойков Л.М. Теория сушки// Машины и аппараты целлюлозно-бумажного производства: Межвуз. сб. науч. тр./ЛТА. Л., 1988. С.93-97.
1 Бойков Лев Михайлович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Сервис торгового оборудования и бытовая техника» тел: +7 (812) 700 72 1 6 " Нечаев Николай Сергеевич директор по техническим вопросам ООО «Лесбумсервис», Е-mail:bdm-teploservis@mail. ги
