封闭式染缸蒸汽节能方式的设计与研究

发布时间：2016-06-30 07:52

1 绪论

1.1 课题研究的背景及意义
国内的印染布出口数量巨大，纺织业界甚至政府也高度关注该行的发展前景[1]。我国的印染布销售到世界上多达 200 个的国家以及地区，亚洲市场是主要的销售地区，大约占总销售量的 1/2，非洲市场的销售量占 1/5 左右，美国、欧盟以及日本则分别占了将近 1/10[2]。但是，我国印染行业平均耗煤量和总耗能量远远超出了世界的先进水平，分别为世界先进水平的 1.7 倍和 2.8 倍[3]。印染业被列为“三高”行业，不仅耗能量高、耗水量大而且存在严重污染[4]。在能源、水资源日益紧张与短缺的情况下，不时上演的雾霾天也预示着环境正在不断恶化，因此能耗较高、污染严重且治理不力的企业面临着更大的生存压力。印染企业正是这样一种企业，面临着节能减排这道转型之坎，转型成功企业就能壮大发展，拥有更好的前景；转型失败，企业继续存在资源缺乏、污染严重的现象，就有可能面临资金周转困难、停业整顿、转产甚至倒闭的严重后果。因此，印染行业响应“十二五”号召，重视“十二五”期间提出的宏观经济调控重点“节能减排”，并制定相应的措施来应对。现如今，国内外的印染行业，均遵循高效、节能和环保的发展趋势。也就是要提高效率，降低能耗，减少排放，这三个方面环环相扣、缺一不可[5]。只有效率提高了，才能够降低能耗，能耗降低了消耗的能源少了，自然排放也就减少了。节能迫在眉睫，最直接的手段就是提高能源利用率并循环利用能源，提高生产力，同时企业应具备环保意识及可持续发展意识，本着谁污染谁治理的原则，提高污染处理能力。
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1.2 染整行业的研究现状
国际上先进国家的印染行业很多已经完成转型了，不再是过去的粗放型和劳动密集型，而变成了如今的更利于竞争的技术密集型和资本密集型。且行业竞争的主题也不再一成不变，而是新增了资源利用，生态平衡，成本控制等主题。在我国纺织工业产业链中，印染业是其主要组成部分，印染业的发展带动了纺纱织造业发展[6]，同时也对提升服装档次、家用纺织品品质及其附加值起了关键作用。我国印染行业跟上了世界先进水平，逐渐走上了转型之路。目前，在印染行业创新主要体现在印染设备的材料创新、印染设备的技术创新及印染设备管理的技术创新三方面。首先，碳纤维、不锈钢等新型材料在印染设备上的应用，使其具有高强度、耐磨、耐腐蚀及高保温性能等特点，给了印染行业新希望，带来了新机遇；其次，引进了先进的设备，例如具备高频烘燥法等，能显著节约能耗；再次，在设备管理方面，完善配套服务，可以延长设备寿命，增加设备使用次数[7]。同时，我国印染设备拥有了自己独有的特色：研究多样化，包含设备、印染工艺以及染料多方面的综合研究；机械结构简化，变得更加可靠和实用；以PLC、触摸屏和变频器为主的控制系统在印染设备上得到了广泛应用；在线监控技术得到了部分应用；计算机技术得到了充分的利用。
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2 节能方式设计的理论基础

封闭式染缸蒸汽节能方式的研究需要应用很多理论基础，如蒸汽性质、传热学、流体力学等。蒸汽基础知识为我们选择研究对象以及对研究对象的进一步了解提供了依据；传热学提供了各种热量交换公式，方便定量分析热量传递及耗散；流体力学帮助分析了换热介质流动状态对换热产生的影响。

2.1 蒸汽基础知识研究
蒸汽加热方式首先要了解蒸汽的基本性质、蒸汽的加热原理、能量转换的形式、蒸汽的输送方式以及热量计算的方法。了解相关的蒸汽知识，就可以对蒸汽换热进行相关的计算，以下是蒸汽相关的基础知识。将水加热至沸点以后，继续加热后汽化生成的气体称为蒸汽。蒸汽焓值由两部分组成：显热、潜热。支撑水加热到沸点的那部分热量被称为蒸汽的显热；达到沸点后继续加热转化为蒸汽所需要的那部分热量称为蒸汽的潜热，此刻的温度不发生变化，又称为汽化热[17]。相较于汽化热，水的显热过小，可利用的价值不大，我们主要利用的是水的汽化热，而且最好利用饱和蒸汽，也就是干蒸汽。干、湿度是两个相对的概念，分别用来表示干蒸汽、饱和水在每千克湿蒸汽中的质量百分比[18]。干饱和蒸汽中不含饱和水，且汽化热随着压力的降低而增大，因此我们利用蒸汽时通常选择高压传送，低压使用。在实际情况中，一般不存在干饱和蒸汽，实际使用的蒸汽干度大约为 85%，所以实际使用中，实际焓值应该占理论总焓值的 85%才是真实的焓值。
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2.2 传热学基础

热量的有效能：热量 Q 中可以转变为功的那部分叫做该热量的有效能。有效能更能真实地反映能量的价值。导热是物体内的微观粒子如分子、原子、自由电子等做热运动而物体之间没有相对位移而发生的热量传递行为。两个物体只有紧密接触，才能相互传导热量，不直接接触不能进行热量的传导[23]。热辐射[24]属于电磁波辐射，其产生的原因是由于热。温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，在辐射能量的同时，也吸收别的物体辐射到它身上的能量，而且能把该辐射能量重新转化成热能。最后辐射和吸收共同作用的结果就组成了辐射换热这种方式。

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3 染缸加热系统的模型建立......15
3.1 染缸的结构.........16
3.2 工艺流程......18
3.3 控制原理......19
3.4 数学模型的建立........20
3.4.1 能量守恒模型.......20
3.4.2 染液的温度控制模型.........22
3.5 本章小结......24
4 换热器的设计.....24
4.1 换热器的选择.....25
4.2 换热器的参数确定....26
4.2.1 换热器设计指标..........26
4.2.2 换热器材料管径选择.........27
4.2.3 换热器结构设计..........27
4.3 换热器设计计算........32
4.4 CFD 仿真模拟....35
4.5 本章小结......39
5 温度控制策略.....39
5.1 温度与散热量.....40
5.2 温度控制方法.....44
5.3 本章小结......53

5 温度控制策略

在封闭式染缸系统中，为了提高染布的质量和效率，一定要维持过程中的温度，使之符合工艺过程曲线，并在偏差允许范围之内。研究染液温度曲线变化首先要得到染缸对外的散热量以及染液的实时温度，为了能够控制温度符合工艺曲线并且寻求能耗最少，要制定不同的加热控制策略进行相互间的比较。本章针对蒸汽加热过程不同温度过程的需求，升温过程要求在一定时间一定偏差范围内达到一定温度，恒温过程要求温度稳定波动尽量小，制定不同的蒸汽加热控制策略，寻求过程中消耗蒸汽量、总热量最少的控制方式。

5.1 温度与散热量
染液温度可通过温度传感器直接测量得到，散热量的理论计算公式忽略了环境因素，使得计算结果不太精确，下文提出一种用热流计测量实际散热量的方法，使得散热更符合实际情况。染缸的散热量虽然可以通过计算得到，，但是计算中往往忽略了一些随时间变化的环境因素，比如温度的波动、湿度的变化、空气的流动等等，使得计算的结果不准确，因此在实际过程中可以使用热工仪表直接测量平均热流密度再通过公式换算来得到散热量。仅测量温度变化并不能得到具体的热信息，在实际中，一般通过测量热流密度的方法来得到热流量。测量热流密度常用的仪器为热流计，热流计是一种由热流传感器和测量指示仪表组成的热工仪表，测得的是垂直于热流方向的单位面积的热流量，也就是热流密度。其组成如下图 5.1 所示。
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总结

本文以蒸汽相关知识、热力学以及流体力学等相关的基础知识作为理论基础，利用 FLUENT 流体仿真软件、MATLAB 及组态王软件完成了对封闭式染缸蒸汽节能方式的分析与研究，同时制定温度控制策略使染色过程的温度在达到工艺要求的基础上，得到消耗蒸汽量最少的温度控制方式，达到节能的目的。本文的主要工作和结论如下：（1）结合参考文献提供的基础知识，根据染色过程中各个参数之间的关系，以及温度控制对象的特性，建立了能量守恒模型和温度控制模型。①根据能量守恒关系式，加入系统的总能量等于系统温度上升吸收的能量和系统对外耗散的能量之和，建立了温度、蒸汽流量与时间之间的关系式，为下文研究提供了理论基础；②根据温度模型的特点，建立了温度控制模型，明确了整体的控制目标，为下文制定控制策略提供了依据。（2）根据具体的染色工艺参数工作介质、温控范围、热交换形式等设计一个适合此工艺过程的换热器，使换热维持在一个良好的状态，为下文实现控制提供保障。首先完成了换热器的选型，包括换热器的种类、材料、管径等参数的确定，再根据工艺参数，计算换热器的换热系数，从而确定换热器的换热面积。最后利用 FLUENT 软件对设计的换热器进行仿真模拟，验证换热器的换热效果以及速度对换热效果和压降的影响，仿真结果证明设计的换热器能够达到预想的换热效果，并且为了压降满足要求，应控制流速在一定范围之内。
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参考文献(略)

本文编号：63709