纸页干燥过程传热传质数学模型的研究

发布时间：2017-04-11 08:21

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【摘要】：本论文以节能减排作为出发点，概述了国内外造纸工业的节能研究现状和相关的节能技术，包括已有商业化节能技术与新兴节能技术；探讨了造纸工业中常用的能效对标与能源审计等节能潜力评估方法，并对其应用做了综述；就此还以某造纸企业为例开展了全面的能源审计，找出了约14%的节能潜力。分析发现纸页干燥是造纸流程中脱水量最少，但能耗与成本却最高，且节能机会最多的单元操作之一，纸页干燥过程性能的优劣对于造纸过程的总能效水平有极大影响，故以纸页干燥过程作为本论文研究的主要落脚点。 首先，本论文对纸机干燥部能量系统进行了诊断分析，应用本课题组设计的系统分析方法以及关键状态参数测试方法，以某瓦楞纸机为例，对其干燥部的运行现状进行了综合分析，诊断出了影响干燥能耗的主要问题所在，提出了有效的节能改造建议。另外，还探讨了能量分析与分析相结合的纸机热回收系统分析方法，以某涂布纸机热回收系统为研究对象，基于分析结果提出了余热联合利用的节能措施，预计可使能源利用率提高7.3%。干燥过程节能诊断与热回收系统分析方法以及相应的应用实例对于指导纸机干燥部节能降耗有一定的借鉴意义。 其次，基于质量与能量守恒原则，以烘缸组为建模单元，采用序贯模块法构建了符合纸页干燥工艺规程的静态能量模型和模拟系统。该模拟系统共由八个基本功能模块构成，包含了干燥部各子系统之间的相互关系。以某新闻纸机为例，根据其工艺规程搭建了干燥静态能量模型和模拟系统，并在MATLAB上实现了静态模拟，模拟结果显示该模型可以较准确的仿真实际纸页干燥过程。此外，还模拟了进纸温度和干度、送风温度、排风湿度以及环境温湿度对干燥性能的影响，仿真结果与工程经验基本相符。该静态模拟系统不仅可以从宏观上模拟干燥过程的物流和能流信息，还可用来分析某些关键操作参数对纸页干燥性能的影响，有助于加深对纸页干燥全过程的认识和理解，且对于指导实际纸机干燥过程中的节能优化具有一定的参考价值。 随后，根据纸页中水分的不同存在形态及其各自的蒸发机制，分别给出了描述自由水和吸着水传质速率的基本方程。选取纸页接触干燥为研究对象，探索了其传热传质解析性数学模型的建立，并采用数值技术开展了干燥动力学模拟，得到了纸页温度与含水率以及蒸发速率随干燥时间的变化规律，模拟结果基本符合文献中对纸页理论干燥过程的定性描述。此外，还数值研究了初始纸页干度、热源温度与空气流速对干燥速率和能耗的影响，结果表明：提高初始纸页干度可降低干燥时间和能耗；提高热源温度不仅会降低干燥时间和能耗，，还会改善干燥效率；而空气流速的增加除令干燥时间缩短外，可能会影响干燥效率。该解析数学模型以及所提出的纸页干燥数值研究方法可以作为对现行纸页理论干燥曲线定性描述的补充，且对于进一步开发实际纸机干燥过程的传热传质机理数学模型具有重要的理论指导意义。 最后，基于静态能量模型对干燥部的整体性理解以及纸页接触干燥传热传质模型对干燥机理的描述，对纸页在纸机干燥过程的传热传质解析性数学模型进行了探索性研究与初步模拟。对此，分别选取纸页微元体和与其耦合的烘缸微元体作为建模单元，由局部到整体地建立了描述纸页干燥全过程的较为完整的解析数学模型。根据纸页在贴缸干燥区与对流干燥区以及纤维饱和点前后截然不同的传热传质机理对纸页质量和能量方程中的自由项进行了逐一论述，并考虑了不同情况下烘缸能量方程的边界条件。该解析数学模型对纸页干燥过程的描述最终表现为一个常微分方程初值问题与一个偏微分方程边值问题相耦合的问题。对此问题涉及的计算区域，采用数值方法进行了网格划分，并对纸页和烘缸控制方程及其边界条件进行了离散化处理，得到了纸页运行方向上和烘缸弦向与径向上各离散单元的有限差分格式。然后，在利用MATLAB编程对构成所有节点的差分方程组采用迭代法逐一节点进行了数值求解，得到了整个纸页干燥计算域内的数值解。模拟结果显示：计算得到的干燥过程曲线与理论过程和实际经验趋势基本吻合，尤其是在干燥的前端和末端，但还需深入完善该模型及其计算过程，尤其是模型所涉及的各类传热传质系数和过渡区不同形态水分同时蒸发的机理，才能使其更加接近于工程实际，以达到为实际生产提供理论指导的终极目标。
【关键词】：纸页干燥 节能 数学模型 传热传质 序贯模块法 干燥曲线
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TS755
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 综述15-31
• 1.1 造纸工业节能概况15-17
• 1.2 造纸工业节能技术17-18
• 1.3 造纸过程节能潜力评估18-21
• 1.4 纸页干燥概述及研究现状21-27
• 1.4.1 纸页干燥概述21-23
• 1.4.2 纸页干燥研究现状23-27
• 1.5 研究内容与研究目标27-29
• 1.5.1 研究内容27-28
• 1.5.2 研究目标28-29
• 1.6 论文提纲29-31
• 第二章 纸页干燥过程节能诊断与分析31-59
• 2.1 纸机干燥部构成及干燥工艺流程31-33
• 2.2 干燥部性能测试与分析方法33-40
• 2.2.1 干燥部测试方法33-37
• 2.2.2 水分蒸发速率计算方法37-38
• 2.2.3 热回收系统分析方法38-40
• 2.3 干燥过程诊断与分析40-48
• 2.3.1 案例介绍40-42
• 2.3.2 干燥过程现状分析42-44
• 2.3.3 干燥过程诊断与讨论44-48
• 2.4 热回收系统节能分析48-56
• 2.4.1 案例介绍48-50
• 2.4.2 热回收系统节能分析50-55
• 2.4.3 热回收系统节能效果评价55-56
• 2.5 本章小结56-59
• 第三章 纸页干燥静态能量模型的建立与模拟59-99
• 3.1 纸页干燥相关的质量与能量平衡方程60-62
• 3.1.1 质量平衡方程60-61
• 3.1.2 能量平衡方程61-62
• 3.2 纸页干燥性能评价指标62-65
• 3.2.1 干燥能源强度63-64
• 3.2.2 干燥热效率64-65
• 3.3 纸页干燥静态能量模型的建立与模拟方法65-71
• 3.3.1 纸页干燥静态能量模型的建立方法65-69
• 3.3.2 纸页干燥过程静态模拟的实现69-71
• 3.4 纸页干燥静态数学模型的建立71-87
• 3.4.1 烘缸组功能模块72-75
• 3.4.2 汽水分离功能模块75-77
• 3.4.3 表面冷凝功能模块77-78
• 3.4.4 风机功能模块78-79
• 3.4.5 热回收功能模块79-80
• 3.4.6 空气加热功能模块80-82
• 3.4.7 纸页功能模块82-85
• 3.4.8 气罩功能模块85-87
• 3.5 纸页干燥静态能量模型的应用87-97
• 3.5.1 PM1 干燥部概况及模拟条件87-89
• 3.5.2 PM1 干燥部功能模块划分及其静态模型89-90
• 3.5.3 模拟结果90-93
• 3.5.4 结果讨论93-97
• 3.6 本章小结97-99
• 第四章 纸页接触干燥数学模型的推导及其分析99-129
• 4.1 纸页干燥物理基础100-104
• 4.1.1 纸页中水分存在形式100-101
• 4.1.2 纸页中水分蒸发机制101-103
• 4.1.3 纸页的吸附解吸现象103-104
• 4.2 纸页干燥规律104-105
• 4.3 纸页接触干燥数学模型的推导105-113
• 4.3.1 简化假设106-108
• 4.3.2 数学模型的推导108-113
• 4.4 纸页接触干燥数学模型的数值求解113-116
• 4.4.1 差分格式113-114
• 4.4.2 数值求解114-116
• 4.5 纸页接触干燥数学模型的计算结果分析116-121
• 4.5.1 已知条件116
• 4.5.2 干燥曲线116-119
• 4.5.3 干燥能耗119-121
• 4.6 结果讨论121-127
• 4.6.1 初始纸页干度对干燥速率和能耗的影响121-123
• 4.6.2 热源温度对干燥速率和能耗的影响123-125
• 4.6.3 风速对干燥速率和能耗的影响125-127
• 4.7 本章小结127-129
• 第五章 纸页干燥传热传质模型的建立129-177
• 5.1 几何关系131-143
• 5.1.1 单挂式烘缸组各干燥阶段长度计算135-139
• 5.1.2 双挂式烘缸组各干燥阶段长度计算139-143
• 5.2 建立控制方程前的简化假设143-145
• 5.3 纸页干燥的控制方程145-152
• 5.3.1 纸页质量控制方程146-147
• 5.3.2 纸页能量控制方程147-148
• 5.3.3 烘缸能量控制方程148-152
• 5.4 定解条件152-172
• 5.4.1 纸页质量方程的自由项及初始条件153-156
• 5.4.2 纸页能量方程的自由项及初始条件156-158
• 5.4.3 烘缸能量方程的边界条件158-160
• 5.4.4 相关传热传质系数160-164
• 5.4.5 相关物理条件164-172
• 5.5 纸页干燥传热传质数学模型172-174
• 5.6 本章小结174-177
• 第六章 纸页干燥传热传质模型的数值求解177-217
• 6.1 前言177-178
• 6.2 网格划分178-181
• 6.2.1 纸页计算区域的离散化178-180
• 6.2.2 烘缸计算区域的离散化180-181
• 6.3 纸页传热传质模型的差分格式181-192
• 6.3.1 纸页含水率的差分方程181-183
• 6.3.2 纸页温度的差分方程183-185
• 6.3.3 烘缸温度的差分方程185-192
• 6.4 ODE 初值问题与 PDE 边值问题的耦合求解192-198
• 6.4.1 湿端干燥的差分格式192-193
• 6.4.2 干端干燥的差分格式193-195
• 6.4.3 数值求解步骤195-198
• 6.5 计算结果与讨论198-214
• 6.5.1 已知条件198-200
• 6.5.2 结果与讨论200-214
• 6.6 本章小结214-217
• 结论217-221
• 参考文献221-235
• 附录235-243
• 攻读博士学位期间取得的研究成果243-247
• 致谢247-249
• 答辩委员会对论文的评定意见249

【参考文献】

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本文编号：298671