Исследование резонансного метода интенсификации теплообмена в сушильных цилиндрах бумагоделательных машин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Банников, Александр Васильевич

• Банников, Александр Васильевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Банников, Александр Васильевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ ПО ГИДРОДИНАМИКЕ ВОЛНОВЫХ ТЕЧЕНИЙ ТОКИХ СЛОЕВ ЖИДКОСТИ И ТЕПЛООБМЕНУ НАВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ СУШИЛЬНОГО ЦИЛИНДРА БУМАГОДЕЛАТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

1.1. Обзор основных технических решений

1.2. Теоретические и экспериментальные исследования

2 . ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТОНКОГО СЛОЯ КОНДЕНСАТА ПРИ ЕГО ВОЛНОВОМ ТЕЧЕНИИ НА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ СУШИЛЬНОГО ЦИЛИНДРА

2.1. Постановка задачи и вывод исходных уравнений

2.2. Периодическое решение и область его существования

2.3. Вывод замыкающего уравнения

2.4. Волновое движение в канале конечной длины

2.5. Теплопроводность конденсатного слоя при его волновом течении на внутренней поверхности сушильного цилиндра

2.6. Выводы по главе

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСНОГО МЕТОДА ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В СУШИЛЬНОМ ЦИЛИНДРЕ

3.1. Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента

3.2. Результаты экспериментального исследования

3.3. Математическая обработка результатов эксперимента

4. СРАВНЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ С ОПЫТНЫМИ ДАННЫМИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование резонансного метода интенсификации теплообмена в сушильных цилиндрах бумагоделательных машин»

ВВЕДЕНИЕ

Интенсификация процессов сушки бумажного полотна является важной проблемой в целлюлозно-бумажной промышленности. Из существующего многообразия устройств, интенсифицирующих процесс теплообмена внутри сушильных цилиндров, широкое распространение в настоящее время имеют планки (термопланки, ребра, spoiler bars).

Необходимость их применения обусловлена большим термическим сопротивлением кольцевого конденсатного слоя на внутренней поверхности цилиндров контактных сушильных установок скоростных бумагоделательных маши (БДМ).

Принцип действия планок заключается в организации в конденсатном слое, движущемся к месту забора в канале, образованном гранями соседних планок и внутренней поверхностью цилиндра, резонансного волнового колебания, приводящего к турбулизации конденсата и вызывающего снижение его термического сопротивления. Данный метод интенсификации назовем резонансным.

На настоящий момент все теоретические подходы к изучению резонансного метода основываются на предположении, что конденсат является идеальной жидкостью, не имеющей реальных физических свойств (вязкости, плотности, поверхностного натяжения). Такого рода предположение существенно упрощает математическое описание явления, но при этом

возникают трудности практического порядка, связанные с определением реальных условий возникновения и существования резонанса.

Таким образом, актуальными являются:

• разработка математического описания волнового движения тонкого слоя конденсата (с учетом его реальных физических свойств) на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра;

• определение реальных условий организации резонанса в тонком слое конденсата, движущегося в инерционно-гравитационном поле.

• разработка расчетного метода установки планок с целью создания резонанса конденсатного слоя, движущегося на внутренней поверхности сушильного цилиндра, и, как следствие, значительного увеличения теплопроводности этого конденсатного слоя.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является интенсификация теплообмена в сушильных цилиндрах БДМ путем выявления и устранения недостатков при использовании резонансного метода, связанных с неучетом реальных физических свойств конденсата.

В этой связи сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработка дифференциальных уравнений гидродинамики волновых течений тонких слоев вязкой жидкости на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра.

2. Определение области существования волновых течений и реализуемых (оптимальных) параметров для этих течений.

3. Определение условий резонанса волновых течений тонких слоев вязкой жидкости на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра.

4. Разработка и создание экспериментальной установки для изучения термогидродинамических процессов на внутренней поверхности сушильного цилиндра.

5. Проведение исследования влияния планок на процессы теплообмена в сушильных цилиндрах БДМ с целью анализа и обобщения базы экспериментальных данных.

6. На основе вышеизложенного разработка инженерных методов для проектирования и установки турбулизирующих планок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе системы дифференциальных уравнений гидродинамики и соответствующих граничных условий выведено дифференциальное уравнение движения тонких слоев вязкой жидкости на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра.

2. Впервые получены основные зависимости, характеризующие движение вязкой жидкости в условиях (см. п.1.), и формулы, определяющие расстояние между планками, при котором возникает резонанс вязкого конденсатного слоя и значительное увеличение его эффективной1 теплопроводности.

1_во всех случаях (здесь), когда речь идет о теплопроводности жидкости, имеется в виду эффективная теплопроводность, учитывающая молекулярный, конвективный, волновой и турбулентный перенос тепла

3. Теоретически установлена и впервые подтверждена экспериментально возможность использования второй гармоники для организации резонансного колебания вязкого слоя жидкости в указанных условиях.

Практическая ценность работы. На основе проведенных исследований разработаны следующие рекомендации для практического использования, позволяющие значительно повысить интенсификацию теплообмена в сушильных цилиндрах Б ДМ:

• предложено интенсифицировать теплопроводность конденсатного слоя на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра за счет установки планок. Это ведет к росту полного коэффициента теплопередачи от пара к бумажному полотну, что позволяет сократить поверхность теплообмена при неизменной производительности машины;

• организация резонансного колебания конденсатного слоя за счет второй гармоники вынужденных колебаний позволяет увеличить расстояние между планками и тем самым значительно сократить их количество без снижения эффективности использования резонансного метода интенсификации теплообмена;

• размещение планок в местах максимальной влажности бумажного полотна по длине цилиндра позволяет увеличить равномерность поперечного профиля влажности бумаги;

• в цилиндрах с планками предложено использовать сифоны более простых и надежных конструкций с большим зазором между внутренней

поверхностью и головкой сифона без увеличения термического сопротивления сушке со стороны конденсатного слоя.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы приняты к внедрению в 1999 г. на ОАО "Волга" (Балахнинский целлюлозно-бумажный комбинат).

Достоверность результатов подтверждается сравнением результатов расчетов, выполненных по полученным теоретическим зависимостям, с собственными экспериментальными данными и с экспериментальными данными других исследователей.

Автор защищает:

1. Математическую модель, описывающую гидродинамику волнового течения тонких слоев вязкой жидкости на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра.

2. Способ расчета (формулу) расстояния между планками, необходимого для организации режима резонанса слоев конденсата и значительного снижения их термического сопротивления с учетом реальных физических свойств жидкости: вязкости, плотности, поверхностного натяжения.

3. Способ установки планок на внутренней поверхности сушильного цилиндра при использовании второй гармоники вынужденных колебаний жидкости с сохранением эффективности резонансного метода интенсификации теплообмена.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «VIII Бенардосовские чтения», Иваново, ИГЭУ, 1997 г., Юбилейной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования», Иваново, ИГЭУ, 1997 г., на научно-методических семинарах кафедры ПТЭ ИГЭУ в 1996-99 гг.

1. АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ ПО ГИДРОДИНАМИКЕ ВОЛНОВЫХ ТЕЧЕНИЙ ТОКИХ СЛОЕВ ЖИДКОСТИ И ТЕПЛООБМЕНУ НА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ СУШИЛЬНОГО ЦИЛИНДРА БУМАГОДЕЛАТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ.

Учитывая прикладной характер работы, в первой части главы приводится обзор известных автору основных технических решений, направленных на интенсификацию теплообмена внутри сушильного цилиндра и их классификация. Обосновываются преимущества резонансного метода и устройств по его организации. Во второй части главы анализируются теоретические и экспериментальные исследования: 1) волновых течений тонких слоев идеальной и вязкой жидкости в различных физических, геометрических и временных условиях применительно к теме диссертационной работы; 2) условий образования кон-денсатного кольца на внутренней поверхности сушильного цилиндра бумагоделательной машины; 3) резонансного метода снижения термического сопротивления конденсатного кольца. В заключительной части указаны общие недостатки существующих работ и сформулированы цель и задачи настоящего исследования.

1.1. Обзор основных технических решений.

Сушка бумажного полотна на многоцилиндровых сушильных установках является на сегодняшний день основным методом сушки в непрерывно действующих бумагоделательных машинах. По этой причине в обзор основных технических решений вошли только конструкции интенсифицирующих тепло-

обмен устройств, предназначенные для сушильных цилиндров, в которых греющим агентом является насыщенный водяной пар.

В работе [7] приводится следующая классификация интенсифицирующих устройств:

1. Механические устройства, предназначенные для искусственной

турбулизации конденсата в кольцевом слое, принцип действия которых заклю-

»

чается в использовании азимутального движения конденсата относительно какой-либо неподвижной механической системы или на использовании циклического движения конденсата относительно корпуса вращающегося цилиндра;

2. Устройства, увеличивающие скорость течения и рассредоточивающие движение конденсата к месту забора;

3. Конденсатоотводящие системы и сифонные оголовки новых конструкций.

Обзор литературных источников [11, 43-58, 63, 67, 74-81] показывает тенденцию развития инженерной мысли в решении данной проблемы и позволяет на характерных примерах проиллюстрировать ее современное состояние.

Согласно приведенной классификации, типичным представителем устройств первого типа является ворсовой элемент [58], расположенный в полости сушильного цилиндра вдоль его образующей с некоторым зазором относительно внутренней поверхности корпуса и укрепленный на неподвижном стержне под углом к вертикальной оси цилиндра. Движущийся конденсат, проходя через ворс, турбулизируется и его эффективная теплопроводность возрастает. Недостатком такого рода устройств являются малая надежность и низкая эффек-

тивность работы из-за невозможности воздействовать на кольцевой слой конденсата малой толщины вследствие наличия зазора между корпусом цилиндра и турбулизирующим элементом.

К устройствам, принцип действия которых основан на использовании относительного движения конденсата в полости вращающегося цилиндра, относятся также и планки. На рис. 1.1 показаны экспериментальные образцы планок и разъемных зажимных колец для цилиндра диаметром 0,386 м и длиной 0,650 м. Геометрические размеры одной планки: 14 х 9 х 450 (мм). Подробное описание и принцип действия данных устройств приведены во введении настоящей работы.

Поиск условий использования планок с максимальной эффективностью был вызван следующими причинами: простотой, надежностью, универсальностью, относительной дешевизной, возможностью оснащения ими действующих установок в период текущих и капитальных ремонтов. При этом отпадает необходимость дополнительного переоборудования сушильной части Б ДМ.

Следуя принятой классификации, к первому типу интенсифицирующих устройств можно отнести конденсатоотводящие шины, предложенные Жучковым [10], который, проводя опыт с использованием шин, заметил, что при закрытии конденсатного вентиля и накоплении в цилиндре значительного количества конденсата температура внешней поверхности цилиндра не снижалась. Данное обстоятельство свидетельствовало о неизменности теплового сопротивления, несмотря на рост толщины конденсатного кольца. Это явление исследователь

Рис. 1.1 Комплекты зажимных колец с планками: а) 42 планки; б) 6 планок.

объяснил влиянием шины на движущееся около нее конденсатное кольцо. Возникающий при этом гребень воды вызывает поверхностную волну, турбулизи-рующую конденсатную пленку.

Конденсатоотводящие шины Жучкова можно считать прототипом гребенчатых турбулизирующих элементов, описанных Никитиным [7] (рис. 1.2). Разница заключается в способах крепления, установки, размерах зубьев и интервалах между ними. Принцип действия гребенчатых турбулизирующих элементов заключается в том, что движущийся в азимутальном направлении относительно корпуса вращающегося цилиндра конденсат переходит из пространства между соседними элементами в пространство между элементом этой пары и соседним с ним элементом через промежутки между зубьями, обтекая их при этом и турбулизируясь. В указанной работе приводятся расчетные формулы для определения геометрических характеристик данных элементов и расстояния между ними.

В качестве недостатка указанных устройств можно отметить отсутствие какой- либо теоретической базы у Жучкова и отсутствие экспериментального > опыта у Никитина. Вызывает также сомнение эффективность их работы при высоких скоростях БДМ по причине малой амплитуды циклических колебаний конденсатного кольца относительно внутренней поверхности вращающегося цилиндра.

Ко второму типу приведенной классификации можно отнести двустенные сушильные цилиндры [16], в которых греющий пар движется с высокой скоростью в канале, образованном концентрическими цилиндрическими

оболочками, интенсивно воздействуя на конденсатную пленку и заставляя ее быстрее двигаться к линии забора. К этому же типу относится и сушильный цилиндр фирмы "Фалмет" [15], стенки корпуса которого имеют неравномерную толщину по длине цилиндра, образуя уклон в направлении среднего радиального сечения цилиндра, где установлено конденсатозаборное сифонное устройство. Как минимум недостатком таких конструкций является их высокая цена, большая металлоемкость и неоднородность температурного поля по длине цилиндра.

Тенденции развития конструкций устройств третьего типа связаны с минимизацией толщины конденсатного слоя внутри сушильного цилиндра и с обеспечением рассредоточенного отвода конденсата по его длине.

Необходимо отметить, что все три типа указанных устройств не исключают возможность их совместного использования в одном цилиндре. Характерным представителем, объединяющим в себе три типа, является сушильный цилиндр [43] с кольцевыми канавками на внутренней поверхности. Конденсатоот-водное устройство такого цилиндра состоит из коротких радиальных трубок, входящих в кольцевые канавки, горизонтальной трубы, играющей роль коллектора и конденсатоотводной трубы. Кроме этого, на внутренней поверхности цилиндра вдоль его образующей на заданном расстоянии одна от другой по окружности установлены несущие планки, в которых закреплены турбулизирую-щие перегородки в виде стержней, входящих с зазором в кольцевые канавки. Интенсификация теплообмена в данном цилиндре возникает за счет турбулиза-ции конденсата и его рассредоточенного отвода по всей длине цилиндра. О

практическом использовании описанной конструкции ни чего не известно. Большое сомнение вызывает сложность, громоздкость, очевидно низкая надежность работы и высокая цена устройства.

Приведенный обзор основных технических решений позволяет говорить о том, что планки (резонансный метод) являются перспективными, наиболее эффективными, простыми и надежными устройствами в решении задачи интенсификации теплообмена на внутренней поверхности сушильного цилиндра БДМ.

7.2. Теоретические и экспериментальные исследования

Первым о возможности резонанса при течении идеальной жидкости в колеблющемся бассейне прямоугольной формы заявил Ламб [59] в 1932 г. Он установил, что частота колебаний определенной массы воды в таком бассейне определяется уравнением

(1.1)

где g - ускорение свободного падения; к - функция длины, ширины бассейна и способа колебаний; 8 - толщина слоя жидкости в бассейне.

Им было отмечено, что при определенных соотношениях геометрии бассейна, толщины слоя жидкости и частоты колебаний, амплитуда волнового течения может быть бесконечно большой.

В 1948г. Кочин, решая задачу о длинных волнах в каналах постоянной глубины при условии, что на жидкость действует внешняя возмущающая сила

(вынужденные колебания жидкости), получил выражение, позволяющее рассчитать размеры канала, при которых будет происходить явление резонанса и вынужденные колебания будут очень большими.

Порядок рассуждений ученого был следующим. Для случая плоского движения несжимаемой идеальной жидкости исходные уравнения движения в форме Эйлера имеют вид

¿V, =х_13р = 1 др сН р Эх' <11 р дг'

я я С1-2)

+ = °>

ох ох

где ух, уу- составляющие скорости соответственно в направлении осей х и ъ\\-время; X, Z- ускорения в направлении одноименных осей; р- плотность; р- давление.

Для канала постоянной глубины Ь (рис. 1.3) уравнения (1.2) преобразуются в

я я? (!-3)

д(р _ -Ь х

а дк'

где ускорение свободного падения, ср- отклонение свободной поверхности жидкости от ее равновесного положения, Ь- глубина жидкости в равновесном состоянии.

Если через обозначить горизонтальное смещение частицы из равновесного ее положения, то

(1.4)

Ф-hf. (1.5)

Подставляя найденные значения vxh ф в (1.3), получим

+ (1.6)

dt Зх

где с = gh - скорость распространения волны.

Приняв, что внешняя периодическая сила изменяется по закону:

X = f sin(crt - kx), (1.7)

тогда соответствующее вынужденное колебание определится как

£ = a sin(ot - kx), (1.8)

f

где а = —;--z. В канале конечной длины 1, ограниченном стенками

кгс -az

х = ±1/2 должно выполнятся условие

§ = 0 при х = ±1/2. (1.9)

Следуя условию (1.9), было выведено тригонометрическое уравнение, из

которого следует, что если sinr- = 0 или cos—= 0, то величины q и ср обраща-

^С .ZC

ются в бесконечность, т.е. при некоторых определенных размерах канала будет происходить резонанс. Таким образом, условием возникновения резонанса будет выражение

где п- целое число.

Рис. 1.3. Волновое течение жидкости в канале постоянной глубины

Во вращающемся цилиндре скорость распространения волны с = д/g' h, где ускорение центробежной силы g' = (lnn)2R. Следовательно

с = 2япл/Шк (1.11)

Определим искомую длину канала, при которой возникает резонанс тонкого слоя жидкости, из уравнения (1.10):

(U2)

Подставляя значения <у = 2пп и с из (1.11) в (1.12), окончательно получим для первой гармоники (п=1):

l = WRh. (1.13)

Анализируя конечную зависимость и подходы, положенные в основу ее вывода, можно отметить, что выражение (1.13) получено для идеальной жидкости и не учитывает реальных физических свойств жидкости: вязкости, плотности, поверхностного натяжения, что не соответствует реальным условиям протекания процесса. Кроме этого, вызывает сомнение равностепенная зависимость длины канала (расстояния между планками) от двух несоизмеримых величин R и h.

В конце пятидесятых годов Войт [81] установил, что аксиальное размещение планок на внутренней поверхности сушильного цилиндра позволяет снизить термическое сопротивление конденсатного слоя.

В дальнейшем Карл Моэн, работавший вместе с Хонгом в Kimberly-Clark, начал развивать теоретическую модель, описывающую резонансное течение конденсата, опираясь на теорию Дамба и опыты Войта [61]. Работа в

этом направлении была продолжена Аппелем и Хонгом [60,62,74], которые получили формулу для определения расстояния между планками, соответствующего резонансу. Основные теоретические положения исследователей выглядели следующим образом.

Естественная частота колебаний в тонком слое конденсата между двумя соседними планками при условии установившегося течения в аксиальном направлении определяется выражением:

1 л лЬ ,,,

^^«'т'т- (1Л4)

т-г Ь яЬ 7гЬ

Поскольку отношение у является величинои малой, то Ш — = —. Тогда уравнение (1.14) преобразуется к виду

(1.15)

V2

Подставляя в выражение (1.14) значение = —-, получим

К

1 |у2ь

^ц*?- (1Л6)

Определим частоту вращения цилиндра:

(1Л7)

Приравнивая частоты ^ из (1.15) и ^ из (1.16) получим известную зависимость (1.13), определяющую расстояние между соседними планками:

Согласно описанию Аппеля и Хонга физическая картина явления выглядит следующим образом. Когда естественная частота колебаний конденсата ^ в интервале между соседними планками равна частоте вращения сушильного цилиндра происходит резонанс. Период каждого колебания конденсата соответствует частоте вращения сушильного цилиндра. Во время каждого такого периода конденсат внутри цилиндра перемещается в межпланочном интервале и достигает максимальной глубины с одной стороны каждой планки, а при обратном движении с другой. В случае равенств естественной частоты колебаний конденсата и частоты вращения цилиндра, время периода равно времени оборота цилиндра. Таким образом, начало нового оборота является началом очередного периода цикла колебаний конденсата. Максимальное значение эффективной теплопроводности конденсата при заданном расстоянии между планками и известной скорости цилиндра должно соответствовать резонансному режиму течения конденсатного слоя определенной толщины. Несоответствие конечного выражения (1.13) собственным экспериментальным данным (рис. 1.4) отмечают и сами исследователи. В качестве решения проблемы ими предложен двадцати пяти процентный допуск на использование формулы, которая в конечном варианте приобретает вид

1 = (1±0,25)я Дь. (1.18)

Эффективность применения данной зависимости для расчетов расстояния между планками в действующих цилиндрах контактных сушилок БДМ вызывает в этой связи большое сомнение.

ВтЛл2К

1753 1430

1052 701

360

175

ш

105 70

>3

■ ч

ч

1,5

2,5

3 И

©I

Рис 1.4. Зависимость теплопроводности конденсатного слоя от его толщины (эксперименты Аппеля и Хонга). Цилиндр диаметром 1,5 метра с межпланочным интервалом 0,146 м: 1- 395 м/мин; 2-547 м/мин; 3 - 790 м/мин. Цилиндр диаметром 1,5 без планок: 4, 5, б — при тех же скоростях соответственно. 7 - теоретически ламинарный слой.

Интересные экспериментальные данные компании Beloit Corporation представлены ее сотрудниками Пулковским и Веделем в работе [61]. На рис. 1.5 показаны зависимости составляющих полного термического сопротивления сушке бумажного полотна от скорости бумагоделательной машины. Из графиков видно, что при скоростях превышающих 900 м/мин (скоростной режим современных БДМ, производящих газетную бумагу) доля термического сопротивления приходящаяся на конденсатный слой превышает 40% и начинает доминировать над составляющими термического сопротивления с внешней стороны сушильного цилиндра и со стороны стенки цилиндра. Данное обстоятельство подтверждает важность интенсификации теплообмена на внутренней поверхности сушильных цилиндров. На рис. 1.6 этими же авторами приводятся экспериментальные кривые, отражающие зависимость эффективной теплопроводности конденсатного слоя от его толщины. Опыты проводились с различным числом планок, в отличие от [74], и в большем диапазоне толщин, но только для одной скорости 1200 м/мин. Теоретическая база аналогична вышерассмотренной [60]. Оптимальные расстояния между соседними планками определялись по формуле (1.13). К сожалению, приведенные в [60, 61] экспериментальные данные не позволяют сделать обобщающие выводы по условиям применения планок, а математическая модель, основанная на предположении, что конденсат является идеальной жидкостью требует пересмотра в сторону учета реальных физических свойств жидкости.

л

400 600 асо 1000 120© V,

Рис 1.5. Зависимости составляющих полного термического сопротивления сушке Ш от скорости цилиндра V. Як - доля термического сопротивления конденсатного слоя; Явн. - доля сопротивления с внешней стороны цилиндра; Яц. - доля сопротивления корпуса цилиндра

к,

Вт/м2К 4000

3500

3000

2500

2000

1500 1000 500

1 4 1 \

г * "р 1 — 1

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Банников, Александр Васильевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Теоретические и экспериментальные результаты работы заключаются в разработке практических рекомендаций по использованию резонансного метода интенсификации теплообмена в сушильных цилиндрах БДМ и могут быть представлены в виде следующих основных выводов:

1. Аналитически исследован резонансный метод интенсификации теплообмена в сушильных цилиндрах скоростных бумагоделательных машин. Выведено дифференциальное уравнение движения тонких слоев вязкой жидкости на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра. Определена область существования периодического решения. Выведено замыкающее уравнение. Определены условия возникновения и существования резонанса тонкого слоя конденсата с учетом его реальных физических свойств.

2. Получена расчетная зависимость для установки планок с целью их наиболее эффективного использования, согласно которой расстояние между планками зависит не только от радиуса цилиндра и толщины конденсатного слоя, но и от всех физических свойств жидкости: вязкости, плотности, поверхностного натяжения. Учет этих факторов ведет к увеличению расстояния между планками.

3. Установлена возможность использования второй гармоники вынужденных колебаний конденсатного слоя, которая позволяет увеличить расстояние между планками и тем самым значительно сократить их количество с сохранением эффективности резонансного метода интенсификации теплообмена.

4. Разработана и создана экспериментальная установка, на которой проведено исследование термогидродинамических процессов на внутренней поверхности вращающегося сушильного цилиндра.

5. Сравнение полученных в работе теоретических зависимостей с собственными экспериментальными данными и с экспериментальными данными других авторов подтверждают положения, обозначенные в пунктах 13 заключения.

6. Результаты проведенных исследований позволяют значительно повысить эффективность использования планок в сушильных цилиндрах БДМ, как за счет снижения текущих и капитальных затрат при производстве бумаги, так и за счет повышения качества выпускаемого бумажного полотна.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ*

Латинский алфавит: а - надежность; с - скорость распространения волны; g - ускорение свободного падения; h - переменная толщина слоя жидкости; ho - средняя толщина слоя жидкости; hn - естественная толщина слоя жидкости;

К - эффективная теплопроводность слоя конденсата при его плоском течении; К. - эффективная теплопроводность слоя конденсата при его волновом течении; L - длина сушильного цилиндра; 1 - расстояние между соседними планками; m - массовый расход конденсата; п - отношение периода собственных колебаний к периоду возмущающей силы (номер гармоники); пх, пу - единичный вектор нормали к поверхности раздела в направлении осей х и у соответственно;

Q - объемный расход жидкости; f - скрытая теплота парообразования;

R - внутренний радиус сушильного цилиндра;

Ri - радиус кривизны поверхности раздела;

1размерности физических величин соответствуют Международной системе единиц измерения СИ. Случаи отступления от системы СИ специально оговорены с указанием используемой единицы измерения.

8 - среднеквадратичное отклонение; - время;

Х - температура дистиллята на входе в цилиндр; вн. - температура внутренней поверхности сушильного цилиндра; нар. - температура наружной поверхности сушильного цилиндра; - коэффициент Стьюдента; и0 - средняя скорость движения слоя жидкости; их, иу - составляющие скорости движения конденсата в направлении осей х и у соответственно; х, у, ъ - декартовые координаты;

W - объем конденсата в полости цилиндра; объем полости цилиндра; Яе - критерий Рейнольдса; Бг - критерий Фруда; We - критерий Вебера.

Греческий алфавит: а - амплитуда волны;

0С1 - коэффициент теплоотдачи от пара к стенке цилиндра; а,2 - коэффициент теплоотдачи от стенки цилиндра к бумажному полотну;

А

3 = \¥/\Уц - степень заполнения цилиндра жидкостью; у - относительная погрешность; 5СТ. - толщина стенки цилиндра; - коэффициент теплопроводности конденсатного слоя при его плоском течении; - коэффициент теплопроводности конденсатного слоя при его волновом течении;

X - длина волны;

А,сх. - коэфициент теплопроводности стенки цилиндра; \1 - динамическая вязкость; V - кинематическая вязкость; р - плотность жидкости; а - поверхностное натяжение; х - время; ф - возмущение поверхности раздела; р2(ь Ф21 ~ коэффициенты тригонометрического ряда; со - частота вращения цилиндра.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Банников, Александр Васильевич, 1999 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеенко C.B., Накоряков В.Е., Покусаев Б.Г. Волновое течение пленок

жидкости. Наука. Сибирское отделение, 1992.

2. Капица П.Л. Волновое течение тонких слоев вязкой жидкости. ЖЭТФ, 1948, вып. 1, t.XVIII. С. 3-28.

3. Капица П.Л., Капица С.П. Волновое течение тонких слоев вязкой жидкости. ЖЭТФ, 1949, вып.2, t.XIX. С. 105-120.

4. Коротаев Ю.П., Точигин A.A. Влияние газового потока на волновое течение тонких слоев вязкой жидкости. ИФЖ, 1969, t.XVII, №6. С 989-994.

5. Точигин A.A. Волновое течение жидкой пленки совместно с потоком газа. Известия АН СССР, МЖГ, 1972, №1. С. 12-18.

6. Точигин A.A., Никитин А.Л. Гидродинамические и теплообменные процессы в цилиндрах контактных сушильных установок. Известия вузов. Энергетика, Известия вузов, 1990,№11.С. 113-117.

7. Никитин А.Л. Интенсификация термогидродинамических процессов в сушильных цилиндрах бумагоделательных машин. Канд. дис. Иваново, 1990.

8. Маурин Л.Н., Сорокин B.C. О волновом течении тонких слоев вязкой жидкости. ПМТФ, № 4, 1962.

9. Соколов В.Г. Волновые режимы восходящего течения тонкого слоя вязкой жидкости в контакте с газом. Известия АН СССР, МЖГ, 1969, № 4.

10. Жучков П.А. Процессы сушки в целлюлозно-бумажном производстве. М.: Лесная промышленность, 1965.

11. Жучков П.А. Тепловые процессы в целлюлозно-бумажном производстве. М.: Лесная промышленность, 1978.

12. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974.

13. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика. М.: Стройиздат, 1965.

14. Лыков A.B. Теория сушки. М.: Госэнергоиздат, 1950.

15. Иванов С.Н. Технология бумаги. М.: Лесная промышленность, 1970.

16. Эйдлин И.Я. Бумагоделательные и отделочные машины. М.: Лесная промышленность, 1970.

17. Филиппов Л.П. Исследование теплопроводности жидкостей. М.: Издательство Московского университета.

18. Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика. М.: ОГИЗ, 1948, т.1.

19. Маркович Э.Э., Ройзман Д.Х., Шербаум В.М. Исследование течений водяных пленок под действием воздушного потока. Известия вузов. Энергетика, №9, 1969.

20. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. T.VI. Гидродинамика. М.: Наука, 1986.

21. Трофименко A.B., Письменный Е.В. Исследование колебаний свободной поверхности жидкости в прямоугольной емкости. Тр. XIV научной конференции молодых ученых Института Механики АН УССР. - Киев, 1989. С. 333-337.

22. Филипп K.B. Распространение уединенной волны над горизонтальным дном. ВЦ Минвуза МССР, Кишинев, 1986. С.6.

23. Трифонов Ю.Я. Гидродинамика и тепломассобмен при течении тонких слое вязкой жидкости со свободной поверхностью. Новосибирск, 1995. Автореферат диссертации.

24. Отчет по теме №13 - 68. Исследование теплогидравлического режима сушильных частей бумагоделательных машин. ЦНИИБУММАШ, 1970.

25. Шкадов В.Я. Волновые режимы течения тонкого слоя вязкой жидкости под действием силы тяжести. Известия АН СССР, МЖГ, №1, 1967.

26. Шкадов В.Я. Некоторые методы и задачи теории гидродинамической устойчивости. Институт Механики МГУ им. Ломоносова. Научные труды, №25, 1973.

27. Кошарский Б.Д. Автоматические приборы, регуляторы и управляющие машины.-Л., 1968.

28. Бочаров М.К. Методы математической статистики в географии.- М., 1971.

29. Вентцель Б.С. Теория вероятностей. - М., 1962.

30. Крамер Г. Математические методы статистики.- М.., 1975.

31. Гурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. - М., 1962.

32. Калашников С.Г. Электричество.- М., 1977.

33. Наваченко И.В. Интегральные микросхемы для бытовой радиоаппаратуры. М.: Радио и связь, 1995.

34. Гутников B.C. Интегральная электроника измерительных устройств. М.: Радио и связь, 1988.

35. Воробьев Е.П., Сенин K.B. Интегральные микросхемы производства СССР и их зарубежные аналоги. М.: Радио и связь, 1990.

36. Ривкин C.JL, Александров A.A. Теплофизические свойства воды и водяного пара. М.: Энергия, 1980.

37. Физические величины. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1990.

38. Диоды и тиристоры. Справочник. Под общей редакцией Чернышева A.A., М.: Энергия, 1976.

39. В помощь радиолюбителю. Сборник. Вып. 109. М.: Патриот, 1991.

40. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков H.A. Полупроводниковые приборы., М.: Энергоатомиздат, 1990.

41. Попов В.М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений. М.: Энергия, 1971.

42. Калоша В.К., Лобко С.И., Чикова Т.С. Математическая обработка результатов эксперимента. Мн.: Выш. школа, 1982.

43. Глезин М.Л., Попков А.Н., Фейгин В.Б., Яковлев К.Ф. Сушильный цилиндр. A.C. СССР № 962396, бюл. № 36, 1982.

44. Фейгин В.Б., Бабинский В.А., Глезин М.Л., Долгин М.А. Сушильный цилиндр бумагоделательной машины. A.C. СССР № 1172972, бюл. № 30, 1985.

45. Фейгин В.Б, Бабинский В.А., Глезин М.Л., Яковлев Ю.В. Сушильный цилиндр. A.C. СССР №1120047, Б.И. № 39, 1984.

46. Кузнецов Г.П., Таратухин В.Р., Миненков С.И., Самойлов В.Н., Пелепей Ю.С., Вдовенко Ю.Л. Сушильный цилиндр. A.C. СССР № 1046371, бюл. № 37, 1983.

47. Кузнецов Г.П., Лашенков С.И., Лотвинов М.Д., Слепых Г.Е. Устройство для удаления конденсата из сушильного цилиндра. A.C. СССР №1110844, Б.И. №32, 1984.

48. Дементьев В.А., Хроленок В.В. Сушильный цилиндр. A.C. СССР № 960345, бюл. №35, 1982.

49. Дементьев В.А. Сушильный цилиндр. A.C. СССР №962395, Б.И. №37, 1982.

50. Бельский А.П., Кузнецов Г.П., Лотвинов М.Д., Амирова М.А., Самойло В.Н. Сифон для удаления конденсата из сушильного цилиндра. A.C. СССР №827665, Б.И. №12, 1981.

51. Чане Д.Л., Хергерт Р.Э. Сушильный цилиндр бумагоделательной машины. A.C. СССР №1172972, Б.И. №30, 1985.

52. Самойло В.Н., Бабинский В.А., Лотвинов М.Д., Кузнецов Г.П. Сушильный цилиндр. A.C. СССР № 1353860, Б.И. № 43, 1987.

53. Карпов A.B., Богданов C.B., Ершов В.А., Грушин В.Ф., Фабриков Ю.И. Сушильный цилиндр бумагоделательной машины. A.C. №1401092, Б.И. №21, 1988

54. Актуфьев C.B., Бойков Л.М.Сушильный цилиндр. A.C. СССР №1449607, Б.И. №1, 1989.

55. Зайцев Г.И., Зайцев А.Н. Сушильный цилиндр. A.C. СССР №1454896, Б.И. №4, 1989.

56. Бабинский В.А., Глезин M.JL, Яковлев Ю.В., Гинзбург B.JI. Сушильный цилиндр. A.C. СССР №1477802, Б.И. №17, 1989.

57. Бабинский В.А., Глезин M.JL, Яковлев Ю.В., Кайманович В.А. Сушильный цилиндр. A.C. СССР №1498861, Б.И. №29, 1989.

58. Точигин A.A., Никитин A.JL, Лотвинов М.Д., Самойло В.Н. Сушильный цилиндр. A.C. СССР №1567708, Б.И. №20, 1990.

59. Lamb Н. Hydrodynamics, Dover ed. Dover Publications, New York, 1945.

60. Apell D.W., Hong S.H. Optimizing heat transfer using bars in dryers. Paper Technology and Industry, 16 (4): 264 (1975).

61.Pulkowsky J.H., Wedel G.L. The effect of spoiler bars on dryer heat transfer. Pulp Paper Can 89(8): T 258-263 (Aug. 1988).

62.Apell D.W., Hong S.H. Condensate distribution and its effects on heat transfer in steam-heated dryers. 2-nd international symposium on water removal at the press and dryers. October, 1968.

63.Calkins D.L. The effects of siphon clearance on dryer performance. The Johnson Corporation, 1966.

64. White R.E., Higgins T.W. Effects of liquid properties on condensate behavior. Tappi Vol. 41, № 2. Febr. 1958. P. 71-76.

65.Hurm R.B. Factors affecting drier cylinder uniformity. Tappi Vol. 46, №9, P.531, Sept. 1963.

66.Gavelin G. How condensate flow affects heat transfer in paper machine dryers. Paper Trade Journal. August 24, 1970.

67.Wahlstrom P.B., Larsson K.O. Factors determining condensate removal. Pulp and Paper Magazine of Canada. T. 203-210. May, 1964.

68.Hiroshi K. On the viscous shallow-water equations. II. A linearised system. Bull. Univ. Elec. Commun. - № 2, 1988. P. 347- 355.

69.Shinkai A., Iseki T. Numerical analysis of sloshing problems in shallow water tank. Trans. W - Jap. Soc. Nav. Archit, № 76, 1988. P. 71-83.

70.Russo E. P., Avera W.B. Wave height prediction using Stokes second order theory. Hydrogr. J., № 52, 1989. P. 33-34.

71.Dans V. Uber neue messungen der kompressibiliate von papieren. Das Paper, № 10, 1960. P.626-635.

72.Larson K.O., Walstrem P.B. Factor determining condensate remowal. Factors determining condensate removal. Pulp and Paper Magazine of Canada, v. 67, № 4, 1966. P. 203-210.

73.Appel D.W., Swenson F.R. Measurement of surface roughness of turbulent water jets. Tappi, v. 51, № 3, 1968. P. 132-140.

74. Apell D.W., Hong S.H. U.S. Pat. № 3724094 (April 3, 1973).

75.Feurstein G. U.S. Pat. № 4069594 (Jan. 24, 1978).

76.Schiel C. U.S. Pat. № 3914875 (Oct. 28, 1975).

77.Barp B., Holik H. U.S. Pat. № 4100683 (Jul. 18, 1978).

78.Koski E., Veijonen L., Koponen M. U.S. Pat. № 4075768 (Feb. 28, 1978).

79.Ebeling K. U.S. Pat. № 3802093 (Apr. 9,1974).

80.Sawyer W.C. U.S. Pat. № 4089121 (May 16, 1978).

81.Barnscheidt W., Saud A. U.S. Pat. № 3217426 (November 16, 1965).