Кожурин И.А. Оборудование трикотажно-отделочного производства

Подождите немного. Документ загружается.

§ 8. оборудование для нагревания и охлаждения

Характеристика процессов нагревания и охлаждения. Большин-

ство технологических процессов отделки трикотажных изделий

в красильно-отделочном производстве протекает при высокой

температуре. Размасливание, беление, крашение волокнистых

материалов ведут при температуре около 100 °С, а в маши-

нах, работающих под давлением,— при 130—140 °С. Сушку

материалов после их отжима осуществляют нагретым до тем-

пературы 110—140 °С воздухом или перегретым паром.

При температуре до 140 °С протекает процесс фиксациц

(запаривания) чулочно-носочных изделий.

Особенно высокая температура, 180—220 °С, требуется для

сухой стабилизации полотна и трикотажных изделий из синте-

тических нитей.

При проведении некоторых технологических операций на-

гревают отдельные органы оборудования: каландровые валы

отделочных каландров, валы плиссировочных и тиснильных

машин, плиты гладильных прессов и др.

Во многих случаях технологические процессы требуют бы-

строго охлаждения рабочих растворов или обрабатываемых

материалов.

Процессы нагревания и охлаждения применяют и как вспо-

могательные при приготовлении растворов на химических

станциях.

Основными способами нагревания, применяемыми в кра-

сильно-отделочном производстве, являются: нагревание острым

или глухим насыщенным водяным паром; нагревание газами —

продуктами сжигания газообразного топлива (так называемое

вторичное использование энергоресурсов); нагревание элект-

рическим током с помощью проводников сопротивления.

Охлаждение может быть осуществлено естественным путем

благодаря разности температур раствора в аппарате и окру-

жающей среды и самоиспарению жидкости; путем непосредст-

венного внесения в жидкость холодной воды или льда; в по-

верхностных холодильниках (теплообменных аппаратах)

с применением холодной воды; в компрессорных или абсорб-

ционных холодильных машинах.

В красильно-отделочном производстве трикотажной про-

мышленности из различных способов нагревания чаще всего

используются нагревание острым или глухим паром, а также

нагревание электрическим током. В качестве охлаждающего

агента в процессах охлаждения обычно применяется холодная

вода.

Теплообмен. Нагревание и охлаждение являются теплооб-

менньши процессами. Различают два способа переноса тепло-

вой энергии от одной среды к другой: конвекцией и теплопро-

водностью.

Конвекцией называют процесс переноса теплоты движущи-

мися микрочастицами газообразной или жидкой среды. Кон-

вективный теплообмен между движущейся газообразной или

жидкой средой и твердой поверхностью называют теплооб-

меном.

Теплообмен между горячей и холодной средой, разделен-

ными твердой поверхностью, называют теплопередачей.

Теплопроводность — вид теплообмена, при котором тепло-

вая энергия переносится внутри неравномерно нагретого тела.

Перенос теплоты теплопроводностью зависит от физических

свойств материала. Высокой теплопроводностью обладает

большинство металлов. Важное значение этому их свойству

придают при выборе конструкционных материалов для изго-

товления теплообменных аппаратов, применяемых в кра-

сильно-отделочном производстве. Теплопроводность газа и

жидкости в сотни раз ниже, чем у металлов.

Как сказано вьше, в красильно-отделочном производстве

в качестве теплоносителя при нагревании различных сред ши-

роко используют насыщенный водяной пар. Основными пара-

метрами насыщенного пара являются его температура и теп-

лосодержание. Теплосодержание, или энтальпия, выражает

количество теплоты в джоулях, содержащееся в 1 кг пара при

данном давлении.

Водяной пар может быть насыщенным сухим и насыщенным

влажным. В сухом насыщенном паре полностью отсутствует

капельная жидкость, а влажный насыщенный пар содержит

некоторое количество взвешенных жидких частиц.

В некоторых процессах отделки волокнистых материалов

(высокотемпературное зреление, стабилизация и др.) исполь-

зуют перегретый пар, получаемый дальнейшим нагреванием

сухого насыщенного пара в других теплообменных устройствах,

например в электрических нагревателях.

Основные параметры насыщенного водяного пара, опреде-

ляемые по таблицам, используют в теплотехнических рас-

четах.

Нагревание острым паром. Этот способ является наиболее

простым и быстрым способом нагревания жидкостей. При нем

пар вводят непосредственно в жидкость. Соприкасаясь с жид-

костью, пар отдает ей свое тепло, а сам конденсируется, пре-

вращаясь в воду. Конденсат смешивается с водой, и количе-

ство жидкости при этом увеличивается на количество образо-

вавшегося конденсата. Вследствие этого при нагревании

растворов снижается их концентрация.

Нагревание острым паром применяют в красильном обору-

довании периодического действия, работающем при атмосфер-

ном давлении, и в баках для нагревания воды. Для равно-

мерного нагревания жидкости острым паром пар подают через

погруженные в жидкость трубы с рядом мелких отверстий.

312

Такие устройства для нагревания острым паром называют зме-

евиками острого пара.

Змеевик может быть прямым и изогнутым по форме ванны

или бака (например, кольцевой змеевик). Змеевики острого

пара являются барботерами, т. е. устройствами для перемеши-

вания жидкости, при котором частицы пара, выходя из отвер-

стий трубы, увлекают за собой частицы жидкости. Этот спо-

соб нагревания удобно использовать во вспомогательных ба-

ках красильных аппаратов.

Расход тепла на нагревание Q, кДж, вычисляют по фор-

муле

Q = Qp + QM-bQn, (4)

где Qp — расход тепла на нагревание раствора, кДж; Qm — расход тепла

на нагревание волокнистого материала, кДж; Qn — потери тепла на нагре-

вание аппарата и в окружающую среду, кДж.

Расход тепла на нагревание раствора Qp вычисляют по

формуле

Qp = G,cAt2-ti), (5)

где Gi — количество нагреваемой жидкости, кг; Cs — удельная теплоемкость

жидкости, кДж/(кг-°С); — конечная температура нагревания, °С; —

начальная температура, °С.

Расход тепла на нагревание волокнистого материала Qu

может быть вычислен по формуле

= (6)

где Ог --- количество волокнистого материала, кг; с„ —удельная теплоем-

кость волокнистого материала, кДж/(кг-°С).

Расход тепла на компенсацию тепловых потерь вычисляют

по уравнениям теплопередачи или принимают по опытным

данным.

Расход пара D, кг, на нагревание вычисляют по формуле

D =

(7)

где " — энтальпия пара, кДж/кг; с—удельная теплоемкость конденсата,

кДж/(кг-°С); — температура конденсата (при нагревании острым паром

равна конечной температуре нагревания), "С.

Нагревание глухим паром. При нагревании глухим паром

нагреваемая жидкость не соприкасается с паром, а отделена

от него стенкой, через которую и передается тепло. Глухой пар

применяют для нагревания жидкостей в аппаратах непрерыв-

ного действия и в аппаратах, работающих под давлением, для

нагревания воздуха в сушилках, нагревания валов каландров.

Глухой пар, отдавая тепло, конденсируется. Конденсат от-

водится с помощью специальных устройств — конденсатоотвод-

чиков (конденсационных горшков).

Рис. 186. Кожухотрубные тепло-

обменники

Для нагревания глухим

паром различных жидко-

стей в красильно-отделоч-

ном производстве исполь-

зуют теплообменные ап-

параты разнообразной

конструкции. Наибольшее

применение для нагревания

жидкостей имеют трубча-

тые теплообменники и ап-

параты с паровыми рубаш-

ками, а для нагревания

воздуха — калориферы.

Трубчатые теплообмен-

ные аппараты бывают ко-

жухотрубные с неподвиж-

ными трубными решетками, с компенсирующими устройствами,

типа «труба в трубе», оросительные, погружные, пластинчатые,

спиральные и др.

Кожухотрубный теплообменник состоит из пучка труб 1

(рис. 186, а), концы которых закреплены в специальных меж-

трубных решетках 4. Трубы заключены в общий кожух 2.

С торцов кожух имеет входную 7 и выходную 5 камеры со

штуцерами 6 для присоединения к трубопроводам, а с боков —

штуцера 3 для трубопроводов подвода пара и отвода конден-

сата. Теплоноситель I (пар) движется в межтрубном прост-

ранстве, а нагреваемая жидкость II — по трубам.

Теплообменники могут быть одноходовыми (в них теплоно-

ситель движется в одном направлении при встречном движе-

нии жидкости — противотоке) и многоходовыми (рис. 186, б),

работающими при смешанном токе. Кроме того, трубчатые теп-

лообменники могут быть вертикальными и горизонтальными.

Для повышения скорости движения теплоносителя в межтруб-

ном пространстве устанавливают продольные или поперечные

перегородки 8 я 9, разделяющие межтрубное пространство и

камеры на ходы.

На рис. 186, в показаны межтрубные решетки.

Трубчатые теплообменники применяют, например, в сопло-

вых красильных машинах, в аппаратах, работающих под дав-

лением, в бойлерах для нагревания воды и других устрой-

ствах.

Теплообменник типа «труба в трубе» имеет несколько

труб 1 (рис. 187) большого диаметра, расположенных одна

над другой, внутри которых проходят трубы 2 меньшего диа-

314

метра. Внутренние трубы последовательно соединены между

собой элементами 3, наружные — элементами 4. Теплоноси-

тель / перемещается по трубам большего диаметра в направ-

лении сверху вниз, а нагреваемая жидкость II — по трубам

меньшего диаметра снизу вверх. Теплообменники этого типа

в красильно-отделочном производстве применяют значительно

реже кожухотрубных.

Погружной теплообменник представляет собой змеевик,

помещенный в сосуд с жидкостью. Для увеличения площади

теплообмена змеевик выполняют в виде кольца, нескольких

концентрических колец, спирали, расположенных вдоль стенок

цилиндрического сосуда, или в виде нескольких параллельных

труб прямоугольной формы.

Аппараты с рубашками применяют для обогрева или ох-

лаждения реакционных аппаратов, в которых нельзя использо-

вать змеевики и другие нагревательные приборы (например,

если внутри аппарата имеются мешалки; если нагреваемая

жидкость очень вязка; если затруднена очистка внутренних

стенок аппаратов).

Передача тепла в аппаратах с рубашками происходит не-

посредственно через их стенки, которые служат поверхностью

теплообмена. Аппарат с рубашкой представляет собой сосуд,

состоящий из корпуса 1 (рис. 188) и рубашки 2, которую при-

варивают к корпусу или прикрепляют болтами к фланцу ап-

парата. Обычно корпус изготовляют из нержавеющей стали

(иногда меди), а рубашку — из чугуна, углеродистой стали,

котельного железа в зависимости от назначения аппарата, дав-

ления среды в пространстве между стенками, условий приме-

нения.

По замкнутому между рубашкой и наружной поверхностью

корпуса пространству пропускают греющий или охлаждающий

Рис. 187. Теплообменник типа «труба

в трубе»

Рис. 188. Аппарат с паровой

рубашкой

V'f

Пар

шшшшшшшшшшшшщ

•П

IIIIIIIIIIIIIIII

iiiiiiiiiiiKiimiimimii

""!!!!!!!!!!!1!

• IIIIIIIL

iiiiiiiiihiiiflM

•••••••••III

imiimiiiiiisi

IIIIUlUIIIUIUIIIMIIIillliiimiimmiiiiiiiiiii

k 1

'Ионденсат

Воздух

Рис. 189. Пластинчатый калорифер

агент, отдающий тепло стенкам корпуса или отнимающий

тепло у них, вследствие чего жидкость в сосуде соответственно

нагревается или охлаждается. Примером таких аппаратов яв-

ляются загустковарочные котлы.

Калорифер. Для нагревания воздуха и газов применяют ка-

лориферы. Калориферы являются основным устройством для

нагревания воздуха в разнообразных сушильных устройствах

красильно-отделочного производства.

Воздух обладает низким коэффициентом теплопроводности,

вследствие чего условия теплоотдачи по обеим сторонам

стенки, отделяющей греющую среду от нагреваемой, очень раз-

личны: от греющего пара к стенке коэффициент теплоотдачи

выражается величиной в 200—2000 раз больщей, чем коэффи-

циент теплоотдачи от наружной поверхности стенки к воздуху.

Чтобы ликвидировать эту разницу, необходимо увеличить

поверхность теплоотдачи. Этого достигают, делая трубы кало-

риферов ребристыми, применяя для их изготовления матери-

алы, обладающие высокой теплопроводностью. Ребра (пла-

стины) могут быть круглыми, эллиптическими, прямоуголь-

ными.

Пластинчатый калорифер состоит из пучка сребренных

труб 3 (рис. 189), закрепленных в коробах 1, которые имеют

междутрубные рещетки 2. Воздух движется через калорифер

принудительно с помощью вентилятора, устанавливаемого

перед калорифером либо за ним. В качестве греющей среды

в калориферах используют пар.

Расход тепла в поверхностных теплообменниках опреде-

ляют по формулам (4) —(6), а расход пара — по формуле

(7). При расчете расхода глухого пара температуру конден-

сата принимают на 2—3 °С ниже температуры греющего пара.

Площадь поверхности нагрева теплообменника F, м^, вы-

числяют исходя из основного уравнения теплопередачи:

А Art

где Q — расход тепла на нагревание, кДж; k — коэффициент теплопередачи,

316

кВт/(м2-°С); А^ —средняя разность между температурами греющей и на-

греваемой сред, °С; т — время нагревания с.

Расчеты расхода пара на различных видах красильно-от-

делочного оборудования. Удельный расход пара при обработке

волокнистых материалов зависит от вида применяемого обо-

рудования и процессов, происходящих в нем, принципа дейст-

вия оборудования, теплосодержания греющего пара, начальной

и конечной температур нагреваемой жидкости, тепловых по-

терь и других факторов.

При нагревании воды или раствора в оборудовании перио-

дического действия (например, в красильно-промывных мащи-

нах для полотна) удельный расход пара D, выраженный в ки-

лограммах на 1 кг полуфабриката, вычисляют по формуле

где Di — удельный расход пара на отдельную операцию процесса.

где Do — удельный расход пара на нагревание воды или раствора, кг на

1 кг полуфабриката; fe — коэффициент дополнительного расхода пара на

нагревание волокнистого материала и компенсацию теплопотерь в окру-

жающую среду.

Удельный расход пара на нагревание раствора

где W —модуль ванны, или удельный расход теплой воды при промы-

вании, л/кг; р — плотность раствора или промывной воды, г/см®; с, — удель-

ная теплоемкость раствора, кДж/(кг-°С); /2 — конечная температура нагре-

вания, °С; /1 — начальная температура, °С; i" — энтальпия греющего пара,

кДж/кг; с —удельная теплоемкость конденсата, кДж/(кг-°С); ^к — темпе-

ратура конденсата, °С.

Температуру конденсата при нагревании острым паром при-

нимают равной конечной температуре нагреваемой жидкости,

а при нагревании глухим паром — на 2—3 °С ниже темпера-

туры греющего пара.

Энтальпию пара определяют по таблицам насыщенного во-

дяного пара при данном давлении пара.

Удельную теплоемкость разбавленных водных растворов

принимают равной теплоемкости воды, т. е. 4,2 кДж/(кг-°С),

а для концентрированных растворов находят в справочных

таблицах или вычисляют по формулам:

для растворов, концентрация которых меньше 20 %,

для растворов, концентрация которых выше 20 %,

с _ с(100-Д) I СсВ

100 100 '

где с—удельная теплоемкость воды, кДж/(кг-°С); Сс — удельная теплоем-

кость растворенного вещества, кДж/(кг-Х); В — концентрация раствора,

Расход пара G, кг, на нагревание определенного объема

воды или раствора вычисляют по формуле

Q_ Vpcs(h~h)

где V — объем воды или раствора, л.

При нагревании жидкостей с плотностью, большей плотно-

сти воды,

где m — масса жидкости, кг.

Средний удельный расход пара на нагревание растворов,

используемых повторно,

Do + Do(n- 1)

j-^o '

где Do' —удельный расход пара на нагревание свежего раствора, кг на 1 кг

полуфабриката; £»о" — удельный расход пара на нагревание повторно ис-

пользуемого раствора, кг на[ 1 кг полуфабриката; п — число партий полу-

фабриката, обрабатываемых в одном повторно используемом растворе.

При нагревании теплой воды, поступающей в ванну, на-

чальную температуру принимают равной температуре холод-

ной воды, чтобы учесть расход пара на ее предварительное на-

гревание в котельной или в бойлере.

Коэффициент К, учитывающий дополнительный расход

пара на нагревание волокнистого материала и компенсацию

теплопотерь в окружающую среду, принимают по опытным

! данным или определяют теплотехническим расчетом по урав-

' нению

с„ , SQn

CsMp (i" — ct„) Do

где См — удельная теплоемкость волокнистого материала, кДж/(кг-°С);

Cs — удельная теплоемкость раствора, кДж/(кг-°С); М — модуль ванны,

л/кг; р —плотность раствора, г/см'; 2Qn —сумма потерь тепла на нагрева-

ние аппарата и в окружающую среду через стенки аппарата и испарением

с открытой поверхности раствора или волокнистого материала, кДж, от-

несенная к 1 кг полуфабриката.

Теплотехнический расчет потерь тепла в окружающую

среду сложен и громоздок. Приближенное значение коэффици-

ентов дополнительного расхода пара (с точностью ±10%)

можно принять по табл. 28, в которой приведены ориентировоч-

ные коэффициенты дополнительного расхода пара на нагрева-

ние волокнистого материала и потерь в окружающую среду при

модуле ванны 20 ±2 л/кг.

Для герметически закрытых аппаратов при температуре

выше 70 °С коэффициент дополнительного расхода пара сле-

дует принимать примерно на 0,05 меньше приведенного

в табл. 28.

Таблица 28

Максимальная

Продолжительность нагревания, мин

температура

нагревания,

"С

менее 30

90 120

40 0,08

0,11

0,14 0,17

50 0,11

0,16

0,21 0,26

60 0,16

0,22

0,28

0,34

70 0,21

0,29

0,37

0,45

80 0,25

0,34

0,43

0,52

90 0,30

0,44 0,58 0,72

98 0,36

0,52 0,68

0,84

Удельный расход пара в аппаратах непрерывного действия

где 2Z)i — сумма удельных расходов пара в отдельных ваннах агрегата, кг

на 1 кг полуфабриката.

Удельный расход пара в отдельной ванне агрегата

(1+Йп)

Csyp(/-15) + Co

100

i" — ct^

где fen — коэффициент дополнительного расхода пара на компенсацию теп-

лопотерь; Cs — удельная теплоемкость раствора или промывной воды,

кДж/(кг-°С); V —удельный расход раствора или промывной воды в ванне

агрегата или в нескольких ваннах с одним раствором, л на 1 кг полуфаб-

риката; р — плотность раствора или промывной воды, г/см^; t — темпера-

тура раствора или промывной воды в ванне, °С; Со — удельная теплоем-

кость воды или раствора, содержащихся в волокнистом материале, посту-

пающем в ванну, кДж/(кг-°С); 6о — влажность волокнистого материала,

поступающего в ванну, или количество раствора, поступающее из преды-

дущей ванны вместе с волокнистым материалом, % массы волокнистого

материала; ^о — температура волокнистого материала, поступающего

в ванну, °С; См — удельная теплоемкость волокнистого материала,

кДж/(кг-°С), равная ~12,5 кДж/(кг-°С); i" — энтальпия греющего пара,

кДж/кг; с — удельная теплоемкость воды, кДж/(кг-°С); t^ — температура

конденсата, °С.

Удельный расход раствора У, л на 1 кг полуфабриката, со-

ставит:

у ТУр1+т

где W —удельный расход воды, л на 1 кг полуфабриката; pi —плотность

воды, г/см®; т — удельный расход химиката товарной концентрации, кг на

1 кг полуфабриката; р — плотность раствора, полученного растворением хи-

микатов (по удельным расходам химикатов и воды), г/см'.

Коэффициент дополнительного расхода пара на компенса-

цию тепловых потерь приближенно вычисляют по формулам:

для ванн с растворами

/г

= 0,05 + 0,005 (f—20) т;

для промывных ванн

fe = 0,05 + 0,003 (^—20)т,

где / — температура раствора или воды в ванне агрегата, °С; т —продол-

жительность работы ванны между ее перезаправками, ч.

Удельный расход пара D в сушилках, в сушильно-шириль-

ных и формовочных машинах рассчитывают по удельному рас-

ходу пара на 1 кг испаренной влаги:

100

где Db — удельный расход пара на 1 кг испаренной влаги, кг; — влаж-

ность волокнистого материала, поступающего в сушилку, % воздушно-су-

хой массы; Ьг — влажность волокнистого материала, выходящего из су-

шилки, %.

Удельный расход пара D в каландрах, стабилизационных,

запарных машинах и зрельниках определяют по часовому рас-

ходу пара в машинах:

"и

где Пя — часовой расход пара в машине, кг; Яи •— часовая производитель-

ность машины, кг или десятки пар изделий.

Удельный расход пара на 10 пар изделий D', кг, вычисляют

по удельному расходу пара на 1 кг изделий:

Устройства для нагревания электрическим током. В кра-

сильно-отделочном производстве устройства для нагревания

электрическим током применяют в стабилизационных и плисси-

ровочных машинах, тиснильных каландрах и некоторых других

видах отделочного оборудования, когда необходима высокая

(180—230 °С) температура рабочей среды или поверхности ра-

бочих органов.

320