Термовлажностные процессы в материалах и изделиях легкой промышленности

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ - БАКАЛАВРИАТ




серия основана в 1 996 г.




Ю.В. СВЕТЛОВ

ТЕРМОВЛАЖНОСТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В МАТЕРИАЛАХ И ИЗДЕЛИЯХ ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ



       Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям «Технология швейных изделий», «Конструирование швейных изделий», «Технология кожи и меха», «Технология изделий из кожи», «Конструирование изделий из кожи» направления подготовки дипломированных специалистов «Технология и конструирование изделий легкой промышленности» (направления подготовки 29.00.00 «Технологии легкой промышленности»)


Электронноznanium.com
Москва ИНФРА-М 2017

   ФЗ    Издание не подлежит маркировке   
№ 436-ФЗ в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

УДК 687(075.8)
ББК 37.2я73
       С24
       Рецензенты:
          Г.И. Ефремов, доктор технических наук, профессор Московского государственного текстильного университета и Московского государственного открытого университета;
          С.П. Рудобашта, заслуженный деятель науки и техники РФ, председатель Комитета российского союза НИО по проблеме сушки и термовлажностной обработки материалов, заведующий кафедрой теплотехники Московского государственного агроинженерного университета им. В.П. Горячкина;
          А.А. Захарова, профессор, заведующий кафедрой химической технологии и промышленной экологии Московского государственного университета дизайна и технологии;
          С.П. Александров, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии кожи, меха и изделий из кожи Российского заочного института текстильной и легкой промышленности
       Светлов Ю.В.
С24     Термовлажностные процессы в материалах и изделиях легкой промыш       ленности : учеб. пособие / Ю.В. Светлов. — М. : ИНФРА-М, 2017. — 269 с. — (Высшее образование: Бакалавриат).
       ISBN 978-5-16-010758-5 (print)
       ISBN 978-5-16-102765-3 (online)
          Рассмотрены теоретические основы процессов массопереноса в проницаемых текстильных и иных материалах, движущая сила влагопереноса при контакте разнородных влажных тел, методы определения кинетических массообменных характеристик. Показано влияние методики исследования на гидрофизические свойства текстильных материалов и возможные ошибки при определении паропроницаемости тканей и кож. Предложена система воздухоснаб-жения и конструкция защитного изолирующего спецкостюма для работы в агрессивных производственных и суровых климатических условиях.
          Для студентов высших учебных заведений. Может быть полезно специалистам, изучающим тепло- и массообменные процессы в пористых материалах и дисперсных средах различного назначения.
УДК 687(075.8)
ББК 37.2я73
ISBN 978-5-16-010758-5 (print)
ISBN 978-5-16-102765-3 (online)                © Светлов Ю.В., 2006, 2015

Подписано в печать 03.11.2016.
Формат 60x90/16. Бумага офсетная.
Печать цифровая. Усл. печ. л. 16,81.
ППТ20. Заказ № 00000
ТК 341600-772509-250315
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр.1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru


Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

ПРЕДИСЛОВИЕ








   Развитие химической, строительной, легкой, текстильной и других отраслей промышленности требует разработки интенсивных энергосберегающих технологий и новых видов высокоэффективного оборудования, а также решения возникающих при этом экологических проблем. Вместе с тем интенсификация сушильного процесса традиционными методами конвективной сушки, т. е. путем так или иначе организованного обдува влажного материала сушильным агентом, практически исчерпала себя. По существу, на данном этапе развития сушильной техники задача интенсификации сводится к экспериментальному поиску достаточно сложного сочетания значений температуры, скорости и относительной влажности сушильного агента, которые при минимальной длительности процесса обеспечивают качественное состояние высушенного материала — его прочность, целостность рисунка, хороший внешний вид, необходимые теплогигрофизические характеристики и другие свойства. При этом всегда сохраняются требования минимизации затрат тепловой и электрической энергии, поэтому конструкция сушильной должна быть несложной и недорогой, с относительно малыми габаритными размерами и массой, а также проста в обслуживании. Но даже оптимизированная сушилка в производственных условиях зачастую не отвечает необходимым техническим требованиям, и это компенсируется увеличением ее размеров или числа установок.
   Использование управляемых факторов конвективной сушки, а именно, параметров воздуха, приводит не только к интенсификации процесса, но и к повышенным затратам. С повышением скорости воздуха резко возрастает расход электроэнергии на его перенос, а при увеличении температуры растут тепловые потери в связи с расходом сушильного агента, а также с несовершенством изоляции установки.
   В последние 10... 15 лет исследователи обращаются к изучению нетрадиционных подходов к проблеме сушки материалов, в частности, тканей и кож. К числу перспективных способов необходимо отнести сушку с пропусканием теплоносителя через поры высушиваемого материала — фильтрационную сушку. Однако до сих пор в литературе крайне мало данных по кинетике, а тем более по динамике термовлажностных процессов при сушке данным способом.

3

   Полученные результаты показали работоспособность и энергетическую эффективность метода фильтрационной сушки, который позволяет сократить продолжительность сушки тканей по сравнению с классическим конвективным способом в несколько десятков раз. Например, продолжительность сушки тяжелых шерстяных тканей этим методом составляет несколько десятков секунд. Интенсивность фильтрационной сушки зависит от температуры воздуха и скорости его просасывания. Достоинства процесса обусловливает и технологическое преимущество: фильтрационная сушка позволяет исключить из производственного цикла отделки шерстяных тканей операцию отжима (плюсовки) влажного материала, совместив ее с процессом сушки.
   Массообменные характеристики — паропроницаемость, массо-проводность, массоемкость, параметры сорбции и ряд других являются важнейшими для оценки гигрогигиенических свойств как обуви, так и текстильных изделий. Используемые в настоящее время в расчетной практике методы определения паропроницаемости или постоянной (коэффициента) паропроницаемости (ВЕМ, метод Тейлора) трактуют их как свойство материала [10, 41, 44]*. Широко применяется «унифицированный метод определения паропроницаемости (влагопроводности) текстильных полотен на приборе СВП (суммарная влагопроводность)» [44], т.е. фактически даже отождествляются процессы паропроницаемости и массопроводности, имеющие принципиальные отличия. Подобная нечеткость трактовки важнейших массообменных характеристик приводит к значительным ошибкам при оценке гигрогигиенических свойств кож и тканей в процессе их конструирования и при практическом использовании.
   Находимое опытным путем по указанным методикам значение паропроницаемости выражается удельным потоком массопереда-чи и является характеристикой не материала, а процесса, так как зависит от движущей силы массопередачи (разности парциальных давлений паров влаги в воздушных средах стакана и эксикатора) и коэффициента массопередачи, который определяется (по аналогии с механизмом теплопередачи через стенку) суммой диффузионных сопротивлений по двум конвективным этапам переноса и массопроводностью через вещество материала. Таким образом, величина паропроницаемости определяется не только природными свойствами самого материала, но и рядом внешних факторов, не имеющих к нему отношения, в частности физическими и режимными параметрами воздуха, формой и размерами поверхности и др. Этим и объясняется изменение в широких пределах, а фактически — непредсказуемость истинных значений паропроницаемости материалов.

   * Здесь и далее в квадратных скобках указан порядковый номер литературного источника из списка литературы, помещенного в конце книги.

4

   Для разработки достоверного и в то же время достаточно простого метода анализа тепло- и массообменных процессов в изделиях из кожи, меха и тканей необходимо четко представлять механизм переноса теплоты и массы в пористой структуре материала в условиях эксплуатации этих изделий. Здесь важнейшее значение имеют такие вопросы, как определение истинной движущей силы процесса переноса той или иной субстанции, потенциал переноса, каковы методы определения основных характеристик: массоемко-сти, коэффициентов массоотдачи, массопроводности и соответствующих тепловых характеристик. Только опираясь на эти знания, можно проводить достоверную оценку гигрофизических и гигиенических свойств текстильных изделий, вести их грамотное проектирование. Кроме того, основываясь на предложенной физической модели переноса, можно решать более сложные задачи, используя обычный графоаналитический метод, в частности анализ обобщенного уравнения Фурье для начального периода нестационарного процесса, когда ошибка бывает максимальной. Показано, что роль дополнительного члена в этом уравнении не существенна.
   На основе многолетних собственных исследований и, естественно, с учетом имеющихся литературных данных автор в предлагаемом пособии дает ответы на поставленные вопросы. Изложенные теоретические основы и методы расчетов должны послужить стимулом для студентов в продолжении исследований, которые, без сомнения, возможны и необходимы.
   Автор выражает сердечную благодарность своему сыну О. Ю. Светлову за большую помощь при подготовке рукописи к изданию.

5

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ









      А — паропроницаемость, кг/(м²-с) а — коэффициент температуропроводности, м²/с
      В — числовой коэффициент в уравнениях теплообмена — 5Т, массообмена — Вт
     Cₛ — сорбционная емкость материала, м⁴/(кг-ед.П) с — концентрация, %; удельная теплоемкость, Дж/(кг-К) ст — удельная массоемкость, кг/(кг-ед. П)
      D — коэффициент молекулярной диффузии (аналог коэффициента теплопроводности), кг-м/(м²-с-ед.П)
     Dc — коэффициент молекулярной диффузии, выраженный через градиент концентраций (аналог коэффициента температуропроводности), м²/с
      d — диаметр, м; удельное влагосодержание, кг влаги/кг сухого воздуха
     F — площадь поверхности, м²
     f — функция
     g — ускорение свободного падения, м/с²
   Я, h — высота, расстояние, м
      i — удельная энтальпия, Дж/кг
     к — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²-К)
     Кт — коэффициент массопередачи, кг/(м²-с-ед.П) к,- — частный коэффициент
    L, I — длина, характерный размер, м
М,  \М — масса влаги, приращение массы влаги, кг
      М — расход (поток) влаги, массовый расход воздуха во внутри-костюмном пространстве, кг/с
     Мы — масса материала, кг; расход материала, кг/с т — удельный поток массы, скорость сушки, кг/(м²-с) Р — давление, парциальное давление, Па (мм рт. ст.) р — постоянная паропроницаемости, кг/(м-с-мм рт. ст.) Q — тепловой поток, тепловая нагрузка, Вт q — удельная плотность теплового потока, Вт/м² R — радиус, м
     R, — термическое сопротивление, м²-с-К/Дж
     Rᵣ — газовая постоянная, Дж/(кг-К)
     Rₘ — диффузионное сопротивление, м²-с-ед.П/кг г — удельная теплота парообразования, Дж/кг 5 — площадь поперечного сечения, м² Т — абсолютная температура, К t — температура газа, парогазовой смеси, тела, °C

6

    и — влагосодержание, кг/кг
    V — объемный расход, м³/с; объем, м³
     v — удельный объем, м³/кг w — скорость газа, м/с
  X, Y — паропроницаемость, постоянная паропроницаемость в относительном виде (относительно эталона), %
х, у, z — координаты, м
    а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²-К)
    Р — коэффициент массоотдачи, кг/(м² • с • ед. П)
     Д — изменение потенциала (параметра), движущая сила процесса
     5 — толщина тела (слоя, стенки), м е — свободный объем
     0 — потенциал влагопереноса (по А. В.Лыкову), °М (градус массообменный)
    и — температура материала, °C
     X — коэффициент теплопроводности, Дж/(м-с■ К) — коэффициент массопроводности, кг/(м ■ с ■ ед. П)
     ц — коэффициент динамической вязкости, Па-с v — коэффициент кинематической вязкости, м²/с Е, — коэффициент гидродинамического сопротивления П — потенциал, ед.П р — плотность, кг/м³
    т — время (продолжительность, период), с
    <р — относительная влажность воздуха, %



КРИТЕРИИ ПОДОБИЯ


Bi = ссА/Хм Bi„, = &R/D Ко = гДи/(смД/м) Lu = Dc/a Nu = al/X Nuᵣₐ = WD Pr = pc/X = v/a Prₘ = v/Dc = p.cₘ/D Re = w/p/p = wl/v Fr = w²/gl Fo = m/R¹ Fo„ = Дт/Я² Pe = RePr = wl/a Peₘ = RePrₘ = wl/D,

—  Био тепловой
—  Био диффузионный (массообменный)
—  Коссовича
—  Лыкова
—  Нуссельта
—  Нуссельта диффузионный
—  Прандтля
—  Прандтля диффузионный
  —  Рейнольдса
—  Фруда
—  Фурье
—  Фурье диффузионный
  —  Пекле
—  Пекле диффузионный

7

ГЛАВА 1

ТЕПЛО- И ВЛАГОПЕРЕНОС ПРИ СУШКЕ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ





1.1. Основные закономерности и особенности сушильных процессов

   Конвективная сушка внешним обдувом поверхности материала. Процесс конвективной сушки относится к числу сложных тепломассообменных явлений. Интенсивность, а следовательно, и длительность процесса, зависят от ряда факторов, которые условно можно разделить на независимые и управляемые. Независимые факторы отражают влияние конвективной сушки на природные свойства ткани, ее поверхность и толщину. В свою очередь, природные свойства ткани определяются тепло- и массофизическими характеристиками волокна, пряжи и схемой переплетения прядей. В результате формируются такие важные макрохарактеристики ткани, как плотность р (или нестандартная величина — масса 1 м² ткани), свободный объем е, удельные теплоемкость с и влагоем-кость ст, коэффициенты теплопроводности А и массопроводности (паропроводности, влагопроводности) Хт. Под управляемыми факторами подразумеваются движущие силы переноса Д/ и ДП, коэффициенты теплоотдачи а и массоотдачи Р, которые определяются параметрами воздуха: скоростью w и режимом движения потока (критерием Re), температурой t и относительной влажностью ср (или парциальным давлением паров влаги в воздухе Рп.в\ Однако область управления, т. е. значения абсолютных величин этих параметров, ограничены энергетическими, прочностными или кинетическими соображениями.
   На практике для конкретных тканей экспериментальным путем определяют оптимальные режимы сушки, которые обеспечивают не только прочностные характеристики тканей, но и минимальную длительность процесса с относительно небольшими затратами теплоты и электроэнергии.
   В производственных условиях ткани с близкими параметрами формируют в одну группу, с уже усредненным оптимальным режимом. Очевидно, что при таком режиме производительность сушки снижается, а удельные расходы энергии возрастают.
   Известно, что на разных этапах сушки влажной ткани влияние на интенсивность процесса независимых и управляемых факторов

8

различно. На первом этапе (в период постоянной скорости сушки) влияние независимых факторов незначительно. На втором этапе (в период падающей скорости) интенсивность процесса сушки уже существенно зависит от природы и толщины ткани. И хотя второй этап сушки в ряде случаев является более длительным по сравнению с первым, в настоящее время оценка интенсивности этого этапа для большинства тканей не может быть проведена из-за отсутствия ранее указанных влаготепловых характеристик материалов.
   На практике одновременно могут производиться ткани, резко отличающиеся между собой своей природой, а различие по толщине между ними может достигать двух-, трехкратных значений. Такой широкий диапазон отличия независимых факторов перекрывает возможности регулирования мощности сушилки, вследствие чего легкие ткани пересушиваются (их влагосодержание значительно ниже равновесного с воздухом помещения), а тяжелые ткани не досушиваются (их влагосодержание выше равновесного). В первом случае происходит перерасход тепловой и электрической энергии, а во втором — увеличение длительности сушки из-за периодической остановки транспортера и досушивания ткани.
   При конвективной сушке влага перемещается из толщи тела (ткани) через ее поверхность (поверхность раздела фаз) в окружающий воздух, который является теплоносителем и одновременно сорбентом влаги. В общем случае влажное тело необходимо рассматривать как систему, содержащую на своей поверхности слой из капельной жидкости.
   При конвективной сушке обдув влажного тела подогретым воздухом вызывает между ними тепло- и массообменные процессы. Разность температур определяет перенос теплоты от воздуха к поверхности влажного тела в ходе теплоотдачи, т.е. происходит конвективный теплообмен, при котором тепловой поток рассчитывается по формуле (Дж/с)
Q = а(/в - t„)F,                 (1.1)
где а — коэффициент теплоотдачи (управляемая характеристика процесса), Дж/(м²-с-К); (/в - /п) — движущая сила теплоотдачи (управляемая характеристика процесса), равная разности температур между ядром потока воздуха и поверхностью влажного тела, К; F — площадь поверхности влажного тела, омываемая потоком воздуха (независимая характеристика процесса), м².
   Из формулы (1.1) следует, что количество теплоты (Дж), передаваемое за промежуток времени Дт (с) при теплоотдаче, можно записать в следующем виде:
Д(2 = бДт = а(/в - 1П)/Дт.
   Одновременно с теплоотдачей возникает процесс массоотдачи (поток паров влаги в обратном направлении) от поверхности влаж

9

ного тела в объем воздуха. Этот поток влаги (кг/с) вызван различием влагопотенциалов паров влаги у поверхности влажного тела и в объеме воздуха и рассчитывается по формуле
А/=Р(Пп-Пв)Е                     (1.2)
   Из формулы (1.2) можно вывести формулу количества паров влаги (кг), передаваемого массоотдачей за промежуток времени Дт (с):
ДЛ/ = Мкт = Р(Пп - Пв)£Дт,
где р — коэффициент массоотдачи (управляемая характеристика процесса), кг/(м²-с-ед. П); (Пп - Пв) — движущая сила массоотдачи (управляемая характеристика процесса), равная разности влагопотенциалов паров влаги у поверхности тела и в объеме воздуха, ед. П; F — площадь поверхности влажного тела, омываемая потоком воздуха (независимая характеристика процесса), м².
   Перенос теплоты от поверхности влажного тела в его толщу при наличии градиента температур Д//8 осуществляется теплопроводностью. В этом случае тепловой поток (Дж/с) рассчитывается по формуле
Q = (Х/8)(/п - tT)F,             (1.3)
где X — коэффициент теплопроводности влажного тела, характеризующий свойство влажного тела (независимая характеристика процесса), Дж/(м-с-К); 5 — толщина или участок толщины тела (независимая характеристика процесса), на котором рассматривается перенос теплоты, м; (/п - /т) — разность температур на рассматриваемом участке толщины тела (управляемая характеристика процесса), К; Д1/8 = (/„ - /т)/8 — градиент температур как движущая сила теплопроводности, К/м.
   Тогда количество теплоты (Дж), передаваемое за промежуток времени Дт (с), вычисляется по формуле
Д(3 = бДт = (Х/8)(/п - /ДТАт.
   При наличии градиента влагопотенциалов ДП/8 влага (капельная или парообразная) из толщи влажного тела к его поверхности переносится массопроводностью (влагопроводностью или паропро-водностью). При этом поток влаги (кг/с) рассчитывается по формуле
7И=(Хт/8)(Пт-Пп)Л                  (1.4)
где л,„ — коэффициент массопроводности (влагопроводности или паропроводности — независимая характеристика процесса), кг/(м-с-ед.П); 8 —- толщина или участок толщины (независимая характеристика процесса), на котором рассматривается перенос влаги, м; (Пт - Пп) — разность влагопотенциалов на рассматрива

10