CC BY
12В производстве химических волокон, помимо прядильных машин, предназначенных для проведения процесса формирования волокна из растворов или расплавов, широко применяются такие машины и агрегаты непрерывного действия, в которых волокно непосредственно после формирования и вытяжки непрерывно проходит все необходимые последующие технологические процессы - отделку, сушку, механическую и термическую обработку [1, 2]. После процесса формирования в составе некоторых видов химических волокон остаются загрязняющие их химические вещества. Так вискозная текстильная нить содержит 3,5 - 4,5% серной кислоты, 12-15 % сульфатов, 2 - 3 % прочих примесей; волокно капрон - 3 - 5 % лактама и низкомолекулярных фракций. Все эти загрязнения не могут быть оставлены в готовом волокне, так как они понижают физико-механические показатели и стойкость волокна к влиянию внешних факторов -света и погоды и ухудшают внешний вид нити и изделий. Полное удаление из волокна загрязнений возможно только путем обработки его водой и различными химическими растворами (отделка химических волокон), соответствующими данному технологическому методу производства.
По окончанию процесса отделки волокон из последних должно быть удалено избыточное количество влаги, с доведением относительной влажности волокна до установленной кондиционной величины. Различными механическими способами - отсосом или продувкой, отжимом на центрифугах, вальцах, прессах и т.п. - у всех видов химических волокон удается только снизить влажность отделанного волокна, но не довести его до кондиционной. Например, продувка паковок воздухом под вакуумом или под давлением снижает содержание воды в паковке с вискозным волокном с 320-350 % до 180-200 % к весу волокна. После центробежного отжима в вискозном волокне остается все еще 120-160 % влаги. Единственным принятым в производстве способом получения кондиционной влажности химических волокон служит их сушка. Условия сушки - температура, продолжительность, теплоноситель, принципиальная схема сушилок и т.п. - зависят от химического состава данного вида волокна, формы и веса паковок, поступающих на сушку.
К выбору температурных параметров сушки надо подходить особенно осторожно, руководствуясь в первую очередь не технико-экономическими показателями сушильного процесса, которые всегда улучшаются при повышении температуры и сокращении времени процесса, а условиями сохранения требуемого качества волокна. Наиболее термостойкие химические волокна теряют до 50% своей прочности при длительном нагреве их до 1500 С (полиэфирное волокно), остальные волокна доходят до полного разрушения. Поэтому при длительных процессах сушки химических волокон температурный режим сушилок редко превышает 100° С и обычно выбирается в пределах 40 - 800 С. Длительные режимы сушки - порядка нескольких десятков часов; кратковременные режимы сушки - 3 - 8 часов.
Основным методом промышленной сушки химических волокон является воздушная (конвективная) сушка, осуществляемая на ленточных, барабанных проходных сушилках. Часто на предприятиях химических волокон для сушки паковок применяют канальные проходные сушилки. Основной недостаток воздушной сушки в канальных сушилках всех типов - в неравномерности влажности волокна в различных слоях по толщине намотки паковок. В то время как волокно в наружных слоях уже высохло до влажности 3-5 %, во внутренних слоях еще остается 30-50 % влаги. Подобный неравномерный режим сушки ухудшает качество волокна. С этим можно бороться, понижая температуру циркулирующего в сушилках воздуха, при этом время сушки увеличивается, что тоже не желательно.
Таким образом, актуальной является задача по интенсификации процесса сушки волокна, по разработке и созданию нового высокопроизводительного сушильного оборудования, что возможно только на базе современных научно обоснованных методов расчета тепломассообменных процессов, происходящих в нем.
Анализ возможных способов интенсификации процесса сушки показал, что эффективным способом сушки длинномерных материалов (ткань, бумага, искусственная кожа, пленки и т.д.) является комбинированная радиационно-конвективная сушка [3]. Применение в машине радиационно-конвективного энергоподвода позволяет добиться высокой равномерности прогрева, дает возможность получить значительную интенсивность сушки, высокое качество обрабатываемого материала и низкие удельные затраты на сушку пара и электроэнергии. Безусловно, данный принцип подвода энергии целесообразно применять и при сушке волокон.
Еще одна возможность интенсификации тепломассообенных процессов в гетерогенных средах - совмещение термообработки материала с импульсным ударным нагружением. В частности, за счет установки в сушильной камере валков - активаторов посредством обжимающего и пульсирующего воздействия на материал можно значительно увеличить скорость переноса влаги из макрокапилляров материала на его поверхность и в паровую среду [4].
Создание нового сушильного оборудования комбинированного действия, в котором мо-
гут быть задействованы разные по своей физической природе механизмы ускорения явлений переноса, возможно только на базе научно обоснованного метода расчета тепломассоперено-са, осложненного фазовыми переходами, адекватно отражающего интенсифицирующее влияние комбинированного подвода энергии.
Современный подход к моделированию явлений тепломассопереноса базируется на последовательном применении фундаментальных принципов системного анализа. Основу для построения математических моделей совмещенных процессов составляют модели явлений переноса в единичном теле, уравнения тепло- и массопереноса между ним и элементом среды, уравнения внешнего тепло- и массопереноса в локальном объеме аппарата и уравнения гидродинамики потоков [5-9]. Узким местом обобщенной модели совмещенного процесса является трудность определения интенсивности тепло- и массопереноса между дисперсной и дисперсионными фазами (ввиду отсутствия методов расчета температур и массосодержаний на поверхности тела в процессе с изменяющимися теплофизическими и аэродинамическими параметрами). Использование численных методов для анализа внутреннего теплопереноса, в пределах выбранного шага расчета, ведет к резкому увеличению времени вычислительных процедур. При этом, зачастую, возникает необходимость изучения проблемы сходимости полученных решений. Избежать перечисленных выше затруднений позволяет применение комбинированного (зонального) метода расчета совмещенных процессов. Суть метода состоит в следующем. Время т полного процесса термообработки представляется непрерывной цепью «микропроцессов», рас-
П
сматриваемых на достаточно малых промежутках времени Дт, (т.е.т = ^Лт, ). Теплофизические
i=1
параметры фаз и коэффициенты межфазного переноса полагают постоянными в выбранном /ом микропроцессе. Краевую задачу тепломассопереноса решают для / - го микропроцесса. «Сшивая» между собой последовательно решения для всех микропроцессов, получают полную картину динамики полей температур и массосодержаний при термообработке материалов с переменными теплофизическими характеристиками в процессе с произвольно изменяющимися параметрами среды. Таким образом, главной особенностью комбинированного метода расчета является аналитическое решение краевой задачи тепломассопереноса для / - го микропроцесса с последующим привлечением численных методов для описания процесса в аппарате в целом. Точность решения задачи во многом определяется количеством микропроцессов. С увеличением количества микропроцессов точность расчетов, очевидно, будет возрастать.
Следует отметить, что развитый в работах подход к моделированию тепло- и массопереноса в совмещенных процессах на базе постановки и решения краевых задач нестационарного переноса теплоты и массы вещества безусловно является актуальным, плодотворным. Данный подход применен нами и к описанию процессов термообработки (прогрев, сушка) волокнистых материалов в сушильных аппаратах (интенсивного действия). Наряду с аналитическими методами классической теплопроводности для моделирования фазового превращения в твердом теле в данной работе привлечены аналитические методы неклассической теории теплопроводности, в частности, метод дифференциальных рядов для решения задачи теплопроводности с движущейся границей фазового перехода (задачи Стефана) [9].
Исходными данными для проектирования сушилок являются сведения о типе сушилок, материале. Необходимо знать начальную влажность материала и его влажность после сушки, размеры волокон, способ их укладки на транспортер сушилки. Кроме того, для расчета нужны сведения о требуемой производительности сушилки по высушенному сырью, теплоносителе и т.д. Проектирование начинают с выбора режима сушки. Режим сушки выбирают на основании материалов научно-исследовательских работ, проведенных по сушке конкретного волокна, для которого проектируют сушильную установку. В конечном итоге целью расчета сушильной установки является определение ее габаритов. Для этого требуется определить, в частности, общую полезную площадь загрузки, которая может быть найдена, например, по такой формуле
Ст Т
[85]: Е =—с общ , где F - полезная площадь сушилки, м2; О - производительность сушилки по
60Р с
С
количеству сухого материала, кг/ч; Т общ - продолжительность сушки в минутах при средних параметрах воздуха; Рс - плотность загрузки, кг сух. м./м2.
Таким образом, при расчете сушилки обязательно требуется определить продолжительность сушки при средних параметрах режима по расчетному уравнению продолжительности процесса для данного материала. Нами получены аналитические решения краевых задач теплопроводности, в том числе решения задачи Стефана [9], позволяющие рассчитывать кинетику процесса сушки волокна и определять время процесса сушки, что необходимо для расчета сушилки.
Процедура расчета непрерывного варианта процесса конвективной сушки волокна построен на основании разработанного нами обобщенного математического описания процесса сушки волокнистого материала, включающего описание трех основных периода: период прогрева волокна, а также первый и второй периоды сушки. Расчетные температурные кривые нами получены в [8] с учетом действия внутренних источников теплоты, вызванных ударным нагружением и подводом лучистой энергии, оказывающих интенсифицирующее действие теплообмен. В результате расчета получаем продолжительность процесса сушки, необходимую для расчета сушилки. Представим алгоритм расчета по данной схеме. Расчет времени процесса сушки ведется для волокна среднего размера.
1. Расчет по времени начинается с момента ввода материала в сушильную камеру.
2. Ввод исходных данных для периода прогрева материала.
3. Ввод шага по времени.
4. Расчет поля температур материала по формуле, полученной нами в [8].
5. Задается условие: если температура поверхности материала меньше температуры мокрого термометра, то переход к блоку 3, если нет, то переход к блоку 5.
6. Вывод результатов расчета, в частности, длительности, периода прогрева материала.
7. Ввод исходных данных для первого периода сушки.
8. Ввод шага по времени.
9. Расчет влагосодержания материала [9].
10. Задается условие: если влажность материала достигла критического значения, то переход к блоку 11, если нет, то вернуться к блоку 8.
11. Вывод результатов вычислений (в том числе и длительности) первого периода сушки.
12. Ввод исходных данных для второго периода сушки.
13. Ввод шага по времени.
14. Расчет координаты движущейся границы испарения [9].
15. Расчет поля температур высушенного слоя по формуле [9].
16. Расчет влагосодержания материала.
17. Задается условие: если влагосодержания материала достигла заданного значения, то переход к блоку 18 , если нет, то переход к блоку 13.
18. Вывод результатов расчета второго периода сушки.
19. Вывод длительности всего процесса сушки.
20. Окончание расчета.
Расчет завершаем при достижении материалом заданного влагосодержания или равновесного влагосодержания, соответствующего температуре среды. В результате расчета получаем время, за которое волокно будет просушено до заданного влагосодержания. Это позволяет определить время пребывания материала в аппарате, и, следовательно, рассчитать габариты аппарата.
Математическая модель была проанализирована в среде МаШСАй для волокон различных типов. Здесь приведен пример расчета времени сушки для волокна нитрон (полиакрило-нитрил, ПАН). Исходные данные для расчета следующие: радиус волокна Я=1,41-10-3 м; коэффициент теплопроводности Х = 0,046 Вт/(мК); теплоемкость материала с=1.51 кДж/(кгК); коэффициент температуропроводности а = 0,1 м2/с; теплота парообразования /"=2430,3 кДж/кг; плотность потока лучистой энергии, падающей на поверхность волокна Е(0) = 5 х 106 Вт/м3; коэффициент ослабления ц = 0,1; коэффициент отражения ю = 0,1; удельная мощность внутренних источников теплоты А. = 105 Вт/м3, температура сушильного агента 9=500С, скорость воздуха
v=1.1 м/с. Ряд необходимых данных о параметрах волокна был найден нами экспериментально: пористость е=0.59, плотность абсолютно сухого материала р0=1140 кг/м3, начальное влагосо-держание волокна ин=2,18 кг вл/кг с.м., критическое влагосодержание волокна икр=0,95 кг вл/кг с.м., равновесное влагосодержание ир=0.2 кг вл/кг с.м. Коэффициенты тепло- и массоотдачи определены нами из экспериментальных кривых сушки: а=142 Вт/(м2 К); р=0.07 м/с.
Мы определяли значения коэффициента теплоотдачи а и коэффициента массоотдачи р для первого периода сушки. Во втором периоде сушки массообмен менее интенсивный, чем в первом, поэтому его влияние на теплоообмен меньше, чем в первом периоде. По этой причине для расчёта коэффициентов теплоотдачи во втором периоде можно вообще использовать уравнения для чистого теплообмена (^и = ЛКетРг"). Т.к. коэффициенты тепло- и массоотдачи
во втором периоде сушки принимают промежуточные значения между значениями этих коэффициентов в первом периоде сушки и в условиях чистого теплообмена, то для расчета тепло-массоотдачи во втором периоде сушки используем найденные нами для первого периода коэффициенты а и р.
Для волокна нитрона длительность периода прогрева составила ^=60 с , длительность первого периода сушки ¿2=600 с, длительность второго периода сушки ^=990 с. Таким образом, общее время процесса сушки составляет t= ^+?2+3=1650 с.
Полученные результаты расчета хорошо согласуются с известными из литературы экспериментальными данными, что позволяет использовать предложенное математическое описание, вычислительный программный комплекс в практике инженерных расчетов сушильного оборудования интенсивного действия;
