Создание высокопроизводительной хлопкосушильной установки и технологии на основе интенсификации тепло-массообменных процессов

Актуальность и востребованность темы диссертации. В мировом рынке спрос на натуральную продукцию, в том числе хлопкового волокна, увеличивается. По данным международного консультативного комитета по хлопку (ICAC) «ведущими странами по поставке на внешний рынок хлопкового волокна являются Китай, США, Индия, Пакистан, Бразилия и Узбекистан»1 . В сезоне 2016-2017 годов относительно предыдущего, прогнозируется увеличение производства хлопкового волокна на 5,1% (22,48 млн. тонна), а спрос на 1,7% (24,09 млн. тонна). Переработка хлопка-сырца осуществляется на технологических оборудованиях, в основном, изготовленных в США, Китае и Узбекистане. Одним из актуальных проблем по обеспечению стабильности объема выращивания урожая хлопка и повышения конкурентоспособности сырья в мировом рынке является дальнейшее улучшение качества волокна. В этом направлении ведутся научно-исследовательские работы по созданию нового поколения технологически надежных и высокоэффективных оборудований первичной обработки хлопка-сырца.
В Республике Узбекистан осуществляются широкомасштабные мероприятия по разработке высокоэффективных техники и технологий для первичной обработки хлопка-сырца, обеспечивающих улучшение потребительских свойств их продукции. В этой сфере, в том числе, важное значение имеет создание техники и технологии, обеспечивающих сохранение качества и количества заготавливаемого хлопка-сырца и вырабатываемой хлопковой продукции на хлопкоочистительных предприятиях, дающие возможности снижения расхода сырья и энергии.
В мировой практике особое внимание уделяется вопросам разработки новых образцов техники и технологии сушки, положительно влияющие на технологические процессы переработки и качественные показатели хлопка-сырца. В связи с этим осуществление целенаправленных научных исследований по направлениям, включающим созданию научных основ закономерности изменения теплофизических показателей хлопка и его компонентов, обоснованию равномерности и скорости сушки волокна и семян в нестационарном процессе тепло- и массообмена, разработка новой техники и технологии сушки хлопка-сырца, обеспечивающие выпуск волокна с конкурентоспособными качественными показателями, считается одной из важных задач. Проведение научных исследований по вышеприведенным научно-исследовательским направлениям подтверждает актуальность темы данной диссертации.
Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных Постановлением Президента Республики Узбекистан №ПП-4761 от 27 октября 2015 года «Об образовании холдинговой компании «Узпахтасаноатэкспорт» и постановлением Кабинета Министров Республики Узбекистан №70 от 3 апреля 2007 года «О программе модернизации и реконструкции предприятий хлопкоочистительной промышленности на 2007-2011 годы», а также в других нормативно-правовых документах, принятых в данной сфере.
Целью исследования является создание высокопроизводительной хлопкосушильной установки и технологии на основе интенсификации тепло -массообменных процессов.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
разработаны новая технология и высокопроизводительный сушильный барабан с усовершенствованной конструкцией внутренних устройств;
разработан метод расчета изменений теплопроводности и теплоемкости хлопка-сырца, волокна, опушенных и оголенных семян в зависимости от влажности, объемной плотности и температуры сушки;
разработан режим сушки, обеспечивающий равномерную сушку хлопкового волокна и семян на основе различных закономерностей распределения теплоты в массе волокна и ядра семян, влажности в пространстве и по времени;
разработан метод расчета эффективной (приведенной) теплопроводности влажного хлопка-сырца, на основе теории распространения тепла в пористых средах, учитывающих многокомпонентность среды;
выявлены изменения объема ядра и кожуры семян, образования воздушного пространства и степень влияния на них исходной влажности хлопка-сырца во время сушки;
создана возможность эффективного использования длины сушильного барабана в процессе сушки на основе закономерностей определяющих изменений температуры воздуха, компонентов хлопка-сырца и влажности.
На основе результатов проведённых исследований по созданию высокопроизводительной сушильной установки и технологии на основе интенсификации процесса тепло-массообмена представлены следующие выводы:
1. Выявлена необходимость проведения исследований по определению теплофизических свойств компонентов хлопка-сырца по изысканию возможности действующей технологии и техники сушки по обеспечению повышения интенсивности и равномерности сушки с оптимизацией тепловлажностного состояния воздуха и параметров сушильной установки.
2. На основе проведенных исследований по установлению зависимости теплопроводности хлопка-сырца и его компонентов от влажности, плотности хлопка-сырца, а также температуры воздуха определено следующие:
установлены закономерности изменения теплопроводности хлопка-сырца, волокна и семян от их влажности, плотности и температуры воздуха. При этом определено, что теплопроводность хлопка-сырца больше теплопроводности волокна, с ростом влажности и температуры сушки величина разности между ними увеличивается;
наблюдалось, что при влажности опушенных и оголенных семян до 7% температуры сушки на их теплопроводность не влияет, с дальнейшим ростом влажности коэффициент теплопроводности медленно повышается и далее заметен быстрый рост в виде кривых, имеющих нелинейный характер.
определено, что при одинаковой влажности, объемной плотности и температуры сушки теплопроводность оголенных семян в зависимости от степени опущенности больше 1,2-2,2 раза, чем теплопроводности опушенных семян.
3. Разработана методика и схема обработки экспериментальных данных по определению теплоемкости хлопка-сырца и его компонентов.
Предложена зависимость теплоемкости для количественной оценки влияния температуры и плотности на теплоемкость хлопка-сырца, волокна, опушенных и оголенных семян. Установлено возрастание теплоемкости хлопка-сырца и его компонентов с ростом влажности, а с ростом температуры, не линейным законам.
4. На основе теории распространения тепла в многокомпонентных средах разработан метод расчета для определения изменения эффективной теплопроводности влажного хлопка-сырца, в результате создана возможность на достаточном уровне вести численные расчеты дифференциальных уравнений тепломассообмена при сушке хлопка-сырца.
Разработан метод расчета для определения изменения эффективной теплопроводности влажного хлопка-сырца на основе теории распространения тепла в многокомпонентных средах.
5. Получены закономерности тепло и массообменных процессов в волокне и семенах, пространственного и временного распределения тепла и влаги в волокнистой массе и ядре, в результате определено, что разница полей температуры и влажности по длине волокна незначительно и в короткой время они выравнивается, а температура нагрева ядер семян низкая, при одинаковых режимах средняя время сушки волокна и семян различная.
6. Установлено, что из-за сложности, многокомпонентное™, различия теплофизических характеристик компонентов хлопка-сырца, применяемый на практике конвективный способ сушки не устраняет разницы в температуре нагрева в компонентах хлопка-сырца, не обеспечивает равномерный влагоотбор из компонентов, что настоятельно требует дополнительных условий тепловлажностной обработки для достижения необходимой технологической влажности волокна.
7. Произведены количественные оценки изменения объема кожуры и ядер семян в процессе сушки. Впервые произведены качественные и количественные оценки влияния на эффективность сушки воздушного пространства, образующегося между внутренней поверхностью кожуры и внешней поверхностью ядра.
8. Экспериментально установлено достижение интенсификации процесса теплообмена путем увеличения поверхности контакта наружных поверхностей хлопка-сырца, находящегося в завале и на лопастях, и повышением температуры нагрева внутренних устройств барабана. Показан достижение повышения влагоотбора сушилки на 64,2% (отн.), благодаря повышению температуры нагрева обечайки барабана до 70 0 С.
9. Определена оптимальная частота вращения барабана на основе полученной математической модели влагоотбора. При этом обеспечивается равномерное распределение хлопка-сырца в поперечном сечении барабана за счет использования бесполезной зоны для сушки хлопка-сырца.
Экономический эффект от внедрения усовершенствованной сушилки за счет повышения влагоотбора и снижения массовой доли пороков и сорных примесей волокна составляет 17400 сум в расчете на 1 тонну высушенного хлопка-сырца.