CC BY
137
УДК676.026.5
ББК35.112;35.77
СОВЕРШЕНСГВОВАНИЯ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ СЕРВИСНОМ ОБСЛУЖИВАНИИ УСТАНОВОК СУШКИ ПОРИСТЫХ
ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
Л.М. Бойков1, Н.С. Нечаев2
1 Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики, 192171, Санкт-Петербург, ул. Седова, дом 55/1 «Лесбумсервис» Санкт-Петербург, Тореза просп., 104-А
Проведен анализ кинетики и механизма высокотемпературной сушки картона и бумаги. Для каждой стадии сушки разработан специфический механизм тепломассопереноса, который описан соответствующими дифференциальными уравнениями. Научно обоснованы и апробированы более совершенные процессы тепломассопереноса с односторонним теплоподводом.
Ключевые слова: высокотемпературная сушка, кипение и конденсация водяного пара, период прогрева, периоды сушки, коэффициент теплообмена.
При высокотемпературной сушке картона и бумаги происходят фазовые превращения: кипение и конденсация водяного пара. Между ними имеет место переходная зона, которая обусловливает гистерезис процесса. С учетом этих трех зон фазового превращения и на основе экспериментальных данных необходимо усовершенствовать процессы тепломассопереноса (ТМП) при сушке пористых волокнистых материалов.
Известно, что перемещение влаги в материале происходит в виде жидкости и пара при наличии насыщенного и ненасыщенного слоя пористой структуры у греющей поверхности. Соответственно, будут и разные процессы тепломассопе-реноса. Интенсивность контактноконвективной сушки картона и бумаги определяется внешними и внутренними условиями процессов, в зависимости от которых в материале протекают следующие механизмы тепломассоперено-са: диффузионный, фильтрационный и фильтрационно-диффузионный [1]. На каждой стадии сушки действует свой специфический механизм переноса теплоты и массы, который описывается соответствующими дифференциальными
уравнениями.
Так в периоде прогрева материала перенос энергии и вещества протекают по диффузионному механизму ТМП. При этом под действием градиентов температуры VI и влагосодержания VU происходит существенное перераспределение влаги по толщине материала.
В периоде прогрева материала при диффузионном механизме уравнения переноса теплоты и влаги имеют вид:
где х, X, и - текущие значения толщины, температуры и влагосодержания полотна; т - время процесса сушки; а, ат, 5Х -коэффициенты температуропроводности, влагопроводности и термоградиентный.
Авторами получены аналитические решения этих уравнений для контактного и конвективного участков цилиндровой сушки картона и бумаги. Кривые распределения X и И имеют вид смещенной параболы.
Первый (I) период сушки_материа-
ла протекает с постоянной скоростью испарения влаги. Капиллярная структура материала у греющей поверхности полностью насыщена жидкостью. Влагосо-держание снижается от значения начального И0 до первого критического ик1. При этом удаляется осмотически связанная и макрокапиллярная канатная влага, которой в материале содержится до 62%.
В первом периоде сушки существуют две зоны парообразования: одна - у открытой поверхности, другая - у греющей. На этой стадии сушки выявляется важная особенность процесса - дифференциация потоков пара и жидкости. Перенос пара внутри материала осуществляется по фильтрационному механизму под действием градиента общего давле-нияVP с последовательно чередующимися циклами «кипение-конденсация».
В первом периоде сушки тепломас-соперенос осуществляется по фильтрационному механизму, для которого дифференциальные уравнения запишут-
где: ар, Кр - коэффициенты конвективной диффузии и молярного переноса пара в макрокапиллярах; р0, П - плотность и пористость абсолютно сухого материала; в - концентрация водяных паров в пористом волокнистом материале.
Аналитическое решение уравнения (3) представлено в монографии А.В, Лыкова [1]. При цилиндровой сушке картона и бумаги после контактного участка следует конвективный.
На конвективном участке сушки происходит выравнивание влаги по толщине материала. Периферийные слои пополняются жидкостью из центральных
слоев под действием градиентов температуры VI и влагосодержания VU за счет термодиффузии и диффузии. При этом материал с двух сторон освобождается от пара.
Второй (II) период сушки - период с убывающей скоростью делится не на два интервала, как было раньше, а на три интервала в зависимости от форм связи влаги с материалом. Во II периоде сушки контактная поверхность материала частично насыщена жидкостью.
В первом интервале II периода сушки удаляется макрокапиллярная стыковая влага, которой содержится в материале до 13,5%, а влагосодержание снижается от первого критического иК1 до второго критического иК2 влагосодерж-ния.
В первом интервале II периода сушки также существуют две зоны парообразования, из которых, по крайней мере, одна - со стороны контактной поверхности является перемещающейся. Характерной особенностью этой стадии сушки является то, что кипение переносится в объём макропор.
При интенсивном объёмном пузырьковом пульсационном кипении жидкости внутри макропор материала возникает градиент релаксируемого избыточного давления, который приводит к переносу двухфазной среды и выбросу парокапельной смеси с открытой поверхности материала. При этом значительно увеличиваются поверхность и коэффициент теплообмена. Основное термическое сопротивление при этом определяется гидродинамикой истечения пара из макропор.
Помимо фильтрационного механизма, пар перемещается также по диффузионному механизму под действием градиента давления VP путем диффузии пара, связанной с перемешиванием и циркуляцией пара внутри пор.
В первом интервале II периода сушки действует фильтрационнодиффузионный механизм тепломассопе-
ся так:
<?2р
д т 1-П V пп 5 х2
д и к - Р V д2р ПП
д т Ро Я 2 5 ° X
д р к - р X 52р пп
8 т Пе ¿X2 ’
(3)
(4)
(5)
а
реноса, для которого исходные дифференциальные уравнения переноса имеют вид
Совершенствования тепломассопереноса при сервисном обслуживании установок
сушки пористых волокнистых материалов Микрокапиллярная влага малоподвижна. Лимитирующим фактором интенсивности сушки здесь выступает внутренняя диффузия пара, которая управляет процессом сушки. Сопротивление внутренней диффузии меньше сопротивления удаления пара с открытой поверхности материала. Так как температура полотна выше 100°С, то во 2 интервале II периода сушки нет зон конденсации и переходной, а есть только зона кипения внутри микрокапилляров.
Дифференциальные уравнения ТМП на этой стадии сушки следующие:
где: ау - коэффициент объёмного теплообмена пара внутри пор; г - теплота парообразования; 8, в' - коэффициенты фазового превращения при парообразовании и конденсации; X' - теплота конденсации; С0 - теплоемкость сухого материала.
Второй интервал II периода сушки связан с удалением из материала макро-капиллярной влаги в виде пара под действием градиента температуры VI за счет термодиффузии. При этом происходит снижение влагосодержания от второго критического Ик2 до третьего Икз критического влагосодержания. Контактный «сухой» слой материала и его термическое сопротивление значительно увеличиваются, а удельный тепловой поток снижается.
Парогазовая смесь перемещается в микрокапиллярах под действием теплового движения молекул, т.е. под действием градиента V(p/Vt) происходит кнудсеновское или эффузионное движение пара по микрокапиллярам. На этой стадии сушки критерий фазового превращения в увеличивается незначительно с 0,1 до 0,4. Зная 8 и среднюю интенсивность испарения т , легко рассчитать внутреннюю и внешнюю интенсивность парообразования.
Таким образом, во втором интервале II периода сушки перенос влаги происходит по диффузионному механизму, главным образом, в виде пара, образующегося во влажной области материала.
д и
д х д р д х
- «пА
5 ;
£ г 3 и
П в <5 х
(10)
(11)
В третьем интервале II периода сушки удаляется адсорбционносвязанная влага (поликапиллярная и по-лимолекулярная) в виде пара по диффузионному механизму под действием градиента температуры. Влагосодержание полотна снижается от третьего критического Ик3 до равновесного Ир влагосодержания.
При неравномерном распределении температуры по толщине материала будет существовать перепад общего давления VP. Лимитирующим фактором интенсивности сушки будет внутренняя диффузия. На этой стадии сушки сопротивление внутренней диффузии больше сопротивления удалению пара с открытой поверхности. Коэффициент фазового превращения меняется значительно - от 0,4 до 1,0. При этом нет зон конденсации и переходной.
Дифференциальные уравнения тепломассопереноса на заключительной стадии сушки имеют вид:
2
5 Р = £ Г 5 и д х Пе д т '
Анализ изучения кинетики и механизма сушки позволил научно обосновать и предложить более совершенные процессы ТМП при одностороннем теп-лоподводе вместо двухстороннего. В условиях производства односторонний энергоподвод может быть достигнут путем отключения по пару и конденсату цилиндров нижнего яруса. При этом длина конвективного участка увеличивается с 25 до 62%, а длина контактного участка соответственно сокращается с 75 до 38% от длины полотна в одном сушильном цикле. Так как производительность машин остается постоянной, то теплообмен на конвективном участке полностью компенсирует потерю теплоты на контактном участке. Апробация более совершенного механизма произведена на действующих бумаго- и карто-ноделательных машинах.
Преимущества более совершенных процессов ТМП:
1. Влага концентрируется у открытой поверхности материала и остается там в течение всего процесса сушки.
2. Нет потерь теплоты на бесполезный возвратно-поступательный транспорт влаги от одной поверхности полотна к другой. Экономия теплоты при этом составляет до 9%.
3. В зоне контакта у одной из поверхностей полотна не образуется пленка пара, которая создает значительное термическое сопротивление переносу теплоты. При этом средний коэффициент теплопередачи на самой современной бумагоделательной машине №8 Кондопожского ЦБК значительно сни-
жается.
4. Так как при однородном расположении цилиндры работают на одном геометрическом уровне и при одном давлении пара, то стабилизируются тепловой и гидравлический режимы работы сушильных установок.
5. Нет гистерезиса в процессе переноса теплоты и массы, так как линии кипения и конденсации совпадают.
6. Интенсифицируется сушка, так как возрастает средний коэффициент теплопередачи на машину и снижается температура полотна с 95 до 75°С.
7. Меняются направления потоков теплоты q и массы ]ш в полотне на нижних цилиндрах.
8. Меняется характер изменения температуры в полотне на нижних цилиндрах и увеличивается градиент температуры в полотне на верхних цилиндрах.
Таким образом, установлено, что на каждой стадии сушки действует свой специфический механизм ТМП; при этом процессы ТМП описываются соответствующими дифференциальными уравнениями. Анализ изучения кинетики и механизма сушки картона и бумаги позволил научно обосновать и предложить более совершенные процессы ТМП с односторонним теплоподводом, который успешно апробирован в производственных условиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968.
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
