1 緒論

1.1 課題研究的背景及意義
國內(nèi)的印染布出口數(shù)量巨大，紡織業(yè)界甚至政府也高度關(guān)注該行的發(fā)展前景[1]。我國的印染布銷售到世界上多達 200 個的國家以及地區(qū)，亞洲市場是主要的銷售地區(qū)，大約占總銷售量的 1/2，非洲市場的銷售量占 1/5 左右，美國、歐盟以及日本則分別占了將近 1/10[2]。但是，我國印染行業(yè)平均耗煤量和總耗能量遠遠超出了世界的先進水平，分別為世界先進水平的 1.7 倍和 2.8 倍[3]。印染業(yè)被列為“三高”行業(yè)，不僅耗能量高、耗水量大而且存在嚴(yán)重污染[4]。在能源、水資源日益緊張與短缺的情況下，不時上演的霧霾天也預(yù)示著環(huán)境正在不斷惡化，因此能耗較高、污染嚴(yán)重且治理不力的企業(yè)面臨著更大的生存壓力。印染企業(yè)正是這樣一種企業(yè)，面臨著節(jié)能減排這道轉(zhuǎn)型之坎，轉(zhuǎn)型成功企業(yè)就能壯大發(fā)展，擁有更好的前景；轉(zhuǎn)型失敗，企業(yè)繼續(xù)存在資源缺乏、污染嚴(yán)重的現(xiàn)象，就有可能面臨資金周轉(zhuǎn)困難、停業(yè)整頓、轉(zhuǎn)產(chǎn)甚至倒閉的嚴(yán)重后果。因此，印染行業(yè)響應(yīng)“十二五”號召，重視“十二五”期間提出的宏觀經(jīng)濟調(diào)控重點“節(jié)能減排”，并制定相應(yīng)的措施來應(yīng)對。現(xiàn)如今，國內(nèi)外的印染行業(yè)，均遵循高效、節(jié)能和環(huán)保的發(fā)展趨勢。也就是要提高效率，降低能耗，減少排放，這三個方面環(huán)環(huán)相扣、缺一不可[5]。只有效率提高了，才能夠降低能耗，能耗降低了消耗的能源少了，自然排放也就減少了。節(jié)能迫在眉睫，最直接的手段就是提高能源利用率并循環(huán)利用能源，提高生產(chǎn)力，同時企業(yè)應(yīng)具備環(huán)保意識及可持續(xù)發(fā)展意識，本著誰污染誰治理的原則，提高污染處理能力。
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1.2 染整行業(yè)的研究現(xiàn)狀
國際上先進國家的印染行業(yè)很多已經(jīng)完成轉(zhuǎn)型了，不再是過去的粗放型和勞動密集型，而變成了如今的更利于競爭的技術(shù)密集型和資本密集型。且行業(yè)競爭的主題也不再一成不變，而是新增了資源利用，生態(tài)平衡，成本控制等主題。在我國紡織工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中，印染業(yè)是其主要組成部分，印染業(yè)的發(fā)展帶動了紡紗織造業(yè)發(fā)展[6]，同時也對提升服裝檔次、家用紡織品品質(zhì)及其附加值起了關(guān)鍵作用。我國印染行業(yè)跟上了世界先進水平，逐漸走上了轉(zhuǎn)型之路。目前，在印染行業(yè)創(chuàng)新主要體現(xiàn)在印染設(shè)備的材料創(chuàng)新、印染設(shè)備的技術(shù)創(chuàng)新及印染設(shè)備管理的技術(shù)創(chuàng)新三方面。首先，碳纖維、不銹鋼等新型材料在印染設(shè)備上的應(yīng)用，使其具有高強度、耐磨、耐腐蝕及高保溫性能等特點，給了印染行業(yè)新希望，帶來了新機遇；其次，引進了先進的設(shè)備，例如具備高頻烘燥法等，能顯著節(jié)約能耗；再次，在設(shè)備管理方面，完善配套服務(wù)，可以延長設(shè)備壽命，增加設(shè)備使用次數(shù)[7]。同時，我國印染設(shè)備擁有了自己獨有的特色：研究多樣化，包含設(shè)備、印染工藝以及染料多方面的綜合研究；機械結(jié)構(gòu)簡化，變得更加可靠和實用；以PLC、觸摸屏和變頻器為主的控制系統(tǒng)在印染設(shè)備上得到了廣泛應(yīng)用；在線監(jiān)控技術(shù)得到了部分應(yīng)用；計算機技術(shù)得到了充分的利用。
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2 節(jié)能方式設(shè)計的理論基礎(chǔ)

封閉式染缸蒸汽節(jié)能方式的研究需要應(yīng)用很多理論基礎(chǔ)，如蒸汽性質(zhì)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)等。蒸汽基礎(chǔ)知識為我們選擇研究對象以及對研究對象的進一步了解提供了依據(jù)；傳熱學(xué)提供了各種熱量交換公式，方便定量分析熱量傳遞及耗散；流體力學(xué)幫助分析了換熱介質(zhì)流動狀態(tài)對換熱產(chǎn)生的影響。

2.1 蒸汽基礎(chǔ)知識研究
蒸汽加熱方式首先要了解蒸汽的基本性質(zhì)、蒸汽的加熱原理、能量轉(zhuǎn)換的形式、蒸汽的輸送方式以及熱量計算的方法。了解相關(guān)的蒸汽知識，就可以對蒸汽換熱進行相關(guān)的計算，以下是蒸汽相關(guān)的基礎(chǔ)知識。將水加熱至沸點以后，繼續(xù)加熱后汽化生成的氣體稱為蒸汽。蒸汽焓值由兩部分組成：顯熱、潛熱。支撐水加熱到沸點的那部分熱量被稱為蒸汽的顯熱；達到沸點后繼續(xù)加熱轉(zhuǎn)化為蒸汽所需要的那部分熱量稱為蒸汽的潛熱，此刻的溫度不發(fā)生變化，又稱為汽化熱[17]。相較于汽化熱，水的顯熱過小，可利用的價值不大，我們主要利用的是水的汽化熱，而且最好利用飽和蒸汽，也就是干蒸汽。干、濕度是兩個相對的概念，分別用來表示干蒸汽、飽和水在每千克濕蒸汽中的質(zhì)量百分比[18]。干飽和蒸汽中不含飽和水，且汽化熱隨著壓力的降低而增大，因此我們利用蒸汽時通常選擇高壓傳送，低壓使用。在實際情況中，一般不存在干飽和蒸汽，實際使用的蒸汽干度大約為 85%，所以實際使用中，實際焓值應(yīng)該占理論總焓值的 85%才是真實的焓值。
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2.2 傳熱學(xué)基礎(chǔ)

熱量的有效能：熱量 Q 中可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ哪遣糠纸凶鲈摕崃康挠行�。有效能更能真實地反映能量的價值。導(dǎo)熱是物體內(nèi)的微觀粒子如分子、原子、自由電子等做熱運動而物體之間沒有相對位移而發(fā)生的熱量傳遞行為。兩個物體只有緊密接觸，才能相互傳導(dǎo)熱量，不直接接觸不能進行熱量的傳導(dǎo)[23]。熱輻射[24]屬于電磁波輻射，其產(chǎn)生的原因是由于熱。溫度高于絕對零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，在輻射能量的同時，也吸收別的物體輻射到它身上的能量，而且能把該輻射能量重新轉(zhuǎn)化成熱能。最后輻射和吸收共同作用的結(jié)果就組成了輻射換熱這種方式。

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3 染缸加熱系統(tǒng)的模型建立......15
3.1 染缸的結(jié)構(gòu).........16
3.2 工藝流程......18
3.3 控制原理......19
3.4 數(shù)學(xué)模型的建立........20
3.4.1 能量守恒模型.......20
3.4.2 染液的溫度控制模型.........22
3.5 本章小結(jié)......24
4 換熱器的設(shè)計.....24
4.1 換熱器的選擇.....25
4.2 換熱器的參數(shù)確定....26
4.2.1 換熱器設(shè)計指標(biāo)..........26
4.2.2 換熱器材料管徑選擇.........27
4.2.3 換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計..........27
4.3 換熱器設(shè)計計算........32
4.4 CFD 仿真模擬....35
4.5 本章小結(jié)......39
5 溫度控制策略.....39
5.1 溫度與散熱量.....40
5.2 溫度控制方法.....44
5.3 本章小結(jié)......53

5 溫度控制策略

在封閉式染缸系統(tǒng)中，為了提高染布的質(zhì)量和效率，一定要維持過程中的溫度，使之符合工藝過程曲線，并在偏差允許范圍之內(nèi)。研究染液溫度曲線變化首先要得到染缸對外的散熱量以及染液的實時溫度，為了能夠控制溫度符合工藝曲線并且尋求能耗最少，要制定不同的加熱控制策略進行相互間的比較。本章針對蒸汽加熱過程不同溫度過程的需求，升溫過程要求在一定時間一定偏差范圍內(nèi)達到一定溫度，恒溫過程要求溫度穩(wěn)定波動盡量小，制定不同的蒸汽加熱控制策略，尋求過程中消耗蒸汽量、總熱量最少的控制方式。

5.1 溫度與散熱量
染液溫度可通過溫度傳感器直接測量得到，散熱量的理論計算公式忽略了環(huán)境因素，使得計算結(jié)果不太精確，下文提出一種用熱流計測量實際散熱量的方法，使得散熱更符合實際情況。染缸的散熱量雖然可以通過計算得到，，但是計算中往往忽略了一些隨時間變化的環(huán)境因素，比如溫度的波動、濕度的變化、空氣的流動等等，使得計算的結(jié)果不準(zhǔn)確，因此在實際過程中可以使用熱工儀表直接測量平均熱流密度再通過公式換算來得到散熱量。僅測量溫度變化并不能得到具體的熱信息，在實際中，一般通過測量熱流密度的方法來得到熱流量。測量熱流密度常用的儀器為熱流計，熱流計是一種由熱流傳感器和測量指示儀表組成的熱工儀表，測得的是垂直于熱流方向的單位面積的熱流量，也就是熱流密度。其組成如下圖 5.1 所示。
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總結(jié)

本文以蒸汽相關(guān)知識、熱力學(xué)以及流體力學(xué)等相關(guān)的基礎(chǔ)知識作為理論基礎(chǔ)，利用 FLUENT 流體仿真軟件、MATLAB 及組態(tài)王軟件完成了對封閉式染缸蒸汽節(jié)能方式的分析與研究，同時制定溫度控制策略使染色過程的溫度在達到工藝要求的基礎(chǔ)上，得到消耗蒸汽量最少的溫度控制方式，達到節(jié)能的目的。本文的主要工作和結(jié)論如下：（1）結(jié)合參考文獻提供的基礎(chǔ)知識，根據(jù)染色過程中各個參數(shù)之間的關(guān)系，以及溫度控制對象的特性，建立了能量守恒模型和溫度控制模型。①根據(jù)能量守恒關(guān)系式，加入系統(tǒng)的總能量等于系統(tǒng)溫度上升吸收的能量和系統(tǒng)對外耗散的能量之和，建立了溫度、蒸汽流量與時間之間的關(guān)系式，為下文研究提供了理論基礎(chǔ)；②根據(jù)溫度模型的特點，建立了溫度控制模型，明確了整體的控制目標(biāo)，為下文制定控制策略提供了依據(jù)。（2）根據(jù)具體的染色工藝參數(shù)工作介質(zhì)、溫控范圍、熱交換形式等設(shè)計一個適合此工藝過程的換熱器，使換熱維持在一個良好的狀態(tài)，為下文實現(xiàn)控制提供保障。首先完成了換熱器的選型，包括換熱器的種類、材料、管徑等參數(shù)的確定，再根據(jù)工藝參數(shù)，計算換熱器的換熱系數(shù)，從而確定換熱器的換熱面積。最后利用 FLUENT 軟件對設(shè)計的換熱器進行仿真模擬，驗證換熱器的換熱效果以及速度對換熱效果和壓降的影響，仿真結(jié)果證明設(shè)計的換熱器能夠達到預(yù)想的換熱效果，并且為了壓降滿足要求，應(yīng)控制流速在一定范圍之內(nèi)。
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參考文獻(略)

本文編號：63709