本文關鍵詞：紙頁干燥過程傳熱傳質(zhì)數(shù)學模型的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：本論文以節(jié)能減排作為出發(fā)點，概述了國內(nèi)外造紙工業(yè)的節(jié)能研究現(xiàn)狀和相關的節(jié)能技術，包括已有商業(yè)化節(jié)能技術與新興節(jié)能技術；探討了造紙工業(yè)中常用的能效對標與能源審計等節(jié)能潛力評估方法，并對其應用做了綜述；就此還以某造紙企業(yè)為例開展了全面的能源審計，找出了約14%的節(jié)能潛力。分析發(fā)現(xiàn)紙頁干燥是造紙流程中脫水量最少，但能耗與成本卻最高，且節(jié)能機會最多的單元操作之一，紙頁干燥過程性能的優(yōu)劣對于造紙過程的總能效水平有極大影響，故以紙頁干燥過程作為本論文研究的主要落腳點。 首先，本論文對紙機干燥部能量系統(tǒng)進行了診斷分析，應用本課題組設計的系統(tǒng)分析方法以及關鍵狀態(tài)參數(shù)測試方法，以某瓦楞紙機為例，對其干燥部的運行現(xiàn)狀進行了綜合分析，診斷出了影響干燥能耗的主要問題所在，提出了有效的節(jié)能改造建議。另外，還探討了能量分析與分析相結合的紙機熱回收系統(tǒng)分析方法，以某涂布紙機熱回收系統(tǒng)為研究對象，基于分析結果提出了余熱聯(lián)合利用的節(jié)能措施，預計可使能源利用率提高7.3%。干燥過程節(jié)能診斷與熱回收系統(tǒng)分析方法以及相應的應用實例對于指導紙機干燥部節(jié)能降耗有一定的借鑒意義。 其次，基于質(zhì)量與能量守恒原則，以烘缸組為建模單元，采用序貫模塊法構建了符合紙頁干燥工藝規(guī)程的靜態(tài)能量模型和模擬系統(tǒng)。該模擬系統(tǒng)共由八個基本功能模塊構成，包含了干燥部各子系統(tǒng)之間的相互關系。以某新聞紙機為例，根據(jù)其工藝規(guī)程搭建了干燥靜態(tài)能量模型和模擬系統(tǒng)，并在MATLAB上實現(xiàn)了靜態(tài)模擬，模擬結果顯示該模型可以較準確的仿真實際紙頁干燥過程。此外，還模擬了進紙溫度和干度、送風溫度、排風濕度以及環(huán)境溫濕度對干燥性能的影響，仿真結果與工程經(jīng)驗基本相符。該靜態(tài)模擬系統(tǒng)不僅可以從宏觀上模擬干燥過程的物流和能流信息，還可用來分析某些關鍵操作參數(shù)對紙頁干燥性能的影響，有助于加深對紙頁干燥全過程的認識和理解，且對于指導實際紙機干燥過程中的節(jié)能優(yōu)化具有一定的參考價值。 隨后，根據(jù)紙頁中水分的不同存在形態(tài)及其各自的蒸發(fā)機制，分別給出了描述自由水和吸著水傳質(zhì)速率的基本方程。選取紙頁接觸干燥為研究對象，探索了其傳熱傳質(zhì)解析性數(shù)學模型的建立，并采用數(shù)值技術開展了干燥動力學模擬，得到了紙頁溫度與含水率以及蒸發(fā)速率隨干燥時間的變化規(guī)律，模擬結果基本符合文獻中對紙頁理論干燥過程的定性描述。此外，還數(shù)值研究了初始紙頁干度、熱源溫度與空氣流速對干燥速率和能耗的影響，結果表明：提高初始紙頁干度可降低干燥時間和能耗；提高熱源溫度不僅會降低干燥時間和能耗，，還會改善干燥效率；而空氣流速的增加除令干燥時間縮短外，可能會影響干燥效率。該解析數(shù)學模型以及所提出的紙頁干燥數(shù)值研究方法可以作為對現(xiàn)行紙頁理論干燥曲線定性描述的補充，且對于進一步開發(fā)實際紙機干燥過程的傳熱傳質(zhì)機理數(shù)學模型具有重要的理論指導意義。 最后，基于靜態(tài)能量模型對干燥部的整體性理解以及紙頁接觸干燥傳熱傳質(zhì)模型對干燥機理的描述，對紙頁在紙機干燥過程的傳熱傳質(zhì)解析性數(shù)學模型進行了探索性研究與初步模擬。對此，分別選取紙頁微元體和與其耦合的烘缸微元體作為建模單元，由局部到整體地建立了描述紙頁干燥全過程的較為完整的解析數(shù)學模型。根據(jù)紙頁在貼缸干燥區(qū)與對流干燥區(qū)以及纖維飽和點前后截然不同的傳熱傳質(zhì)機理對紙頁質(zhì)量和能量方程中的自由項進行了逐一論述，并考慮了不同情況下烘缸能量方程的邊界條件。該解析數(shù)學模型對紙頁干燥過程的描述最終表現(xiàn)為一個常微分方程初值問題與一個偏微分方程邊值問題相耦合的問題。對此問題涉及的計算區(qū)域，采用數(shù)值方法進行了網(wǎng)格劃分，并對紙頁和烘缸控制方程及其邊界條件進行了離散化處理，得到了紙頁運行方向上和烘缸弦向與徑向上各離散單元的有限差分格式。然后，在利用MATLAB編程對構成所有節(jié)點的差分方程組采用迭代法逐一節(jié)點進行了數(shù)值求解，得到了整個紙頁干燥計算域內(nèi)的數(shù)值解。模擬結果顯示：計算得到的干燥過程曲線與理論過程和實際經(jīng)驗趨勢基本吻合，尤其是在干燥的前端和末端，但還需深入完善該模型及其計算過程，尤其是模型所涉及的各類傳熱傳質(zhì)系數(shù)和過渡區(qū)不同形態(tài)水分同時蒸發(fā)的機理，才能使其更加接近于工程實際，以達到為實際生產(chǎn)提供理論指導的終極目標。
【關鍵詞】：紙頁干燥 節(jié)能 數(shù)學模型 傳熱傳質(zhì) 序貫模塊法 干燥曲線
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TS755
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 綜述15-31
• 1.1 造紙工業(yè)節(jié)能概況15-17
• 1.2 造紙工業(yè)節(jié)能技術17-18
• 1.3 造紙過程節(jié)能潛力評估18-21
• 1.4 紙頁干燥概述及研究現(xiàn)狀21-27
• 1.4.1 紙頁干燥概述21-23
• 1.4.2 紙頁干燥研究現(xiàn)狀23-27
• 1.5 研究內(nèi)容與研究目標27-29
• 1.5.1 研究內(nèi)容27-28
• 1.5.2 研究目標28-29
• 1.6 論文提綱29-31
• 第二章 紙頁干燥過程節(jié)能診斷與分析31-59
• 2.1 紙機干燥部構成及干燥工藝流程31-33
• 2.2 干燥部性能測試與分析方法33-40
• 2.2.1 干燥部測試方法33-37
• 2.2.2 水分蒸發(fā)速率計算方法37-38
• 2.2.3 熱回收系統(tǒng)分析方法38-40
• 2.3 干燥過程診斷與分析40-48
• 2.3.1 案例介紹40-42
• 2.3.2 干燥過程現(xiàn)狀分析42-44
• 2.3.3 干燥過程診斷與討論44-48
• 2.4 熱回收系統(tǒng)節(jié)能分析48-56
• 2.4.1 案例介紹48-50
• 2.4.2 熱回收系統(tǒng)節(jié)能分析50-55
• 2.4.3 熱回收系統(tǒng)節(jié)能效果評價55-56
• 2.5 本章小結56-59
• 第三章 紙頁干燥靜態(tài)能量模型的建立與模擬59-99
• 3.1 紙頁干燥相關的質(zhì)量與能量平衡方程60-62
• 3.1.1 質(zhì)量平衡方程60-61
• 3.1.2 能量平衡方程61-62
• 3.2 紙頁干燥性能評價指標62-65
• 3.2.1 干燥能源強度63-64
• 3.2.2 干燥熱效率64-65
• 3.3 紙頁干燥靜態(tài)能量模型的建立與模擬方法65-71
• 3.3.1 紙頁干燥靜態(tài)能量模型的建立方法65-69
• 3.3.2 紙頁干燥過程靜態(tài)模擬的實現(xiàn)69-71
• 3.4 紙頁干燥靜態(tài)數(shù)學模型的建立71-87
• 3.4.1 烘缸組功能模塊72-75
• 3.4.2 汽水分離功能模塊75-77
• 3.4.3 表面冷凝功能模塊77-78
• 3.4.4 風機功能模塊78-79
• 3.4.5 熱回收功能模塊79-80
• 3.4.6 空氣加熱功能模塊80-82
• 3.4.7 紙頁功能模塊82-85
• 3.4.8 氣罩功能模塊85-87
• 3.5 紙頁干燥靜態(tài)能量模型的應用87-97
• 3.5.1 PM1 干燥部概況及模擬條件87-89
• 3.5.2 PM1 干燥部功能模塊劃分及其靜態(tài)模型89-90
• 3.5.3 模擬結果90-93
• 3.5.4 結果討論93-97
• 3.6 本章小結97-99
• 第四章 紙頁接觸干燥數(shù)學模型的推導及其分析99-129
• 4.1 紙頁干燥物理基礎100-104
• 4.1.1 紙頁中水分存在形式100-101
• 4.1.2 紙頁中水分蒸發(fā)機制101-103
• 4.1.3 紙頁的吸附解吸現(xiàn)象103-104
• 4.2 紙頁干燥規(guī)律104-105
• 4.3 紙頁接觸干燥數(shù)學模型的推導105-113
• 4.3.1 簡化假設106-108
• 4.3.2 數(shù)學模型的推導108-113
• 4.4 紙頁接觸干燥數(shù)學模型的數(shù)值求解113-116
• 4.4.1 差分格式113-114
• 4.4.2 數(shù)值求解114-116
• 4.5 紙頁接觸干燥數(shù)學模型的計算結果分析116-121
• 4.5.1 已知條件116
• 4.5.2 干燥曲線116-119
• 4.5.3 干燥能耗119-121
• 4.6 結果討論121-127
• 4.6.1 初始紙頁干度對干燥速率和能耗的影響121-123
• 4.6.2 熱源溫度對干燥速率和能耗的影響123-125
• 4.6.3 風速對干燥速率和能耗的影響125-127
• 4.7 本章小結127-129
• 第五章 紙頁干燥傳熱傳質(zhì)模型的建立129-177
• 5.1 幾何關系131-143
• 5.1.1 單掛式烘缸組各干燥階段長度計算135-139
• 5.1.2 雙掛式烘缸組各干燥階段長度計算139-143
• 5.2 建立控制方程前的簡化假設143-145
• 5.3 紙頁干燥的控制方程145-152
• 5.3.1 紙頁質(zhì)量控制方程146-147
• 5.3.2 紙頁能量控制方程147-148
• 5.3.3 烘缸能量控制方程148-152
• 5.4 定解條件152-172
• 5.4.1 紙頁質(zhì)量方程的自由項及初始條件153-156
• 5.4.2 紙頁能量方程的自由項及初始條件156-158
• 5.4.3 烘缸能量方程的邊界條件158-160
• 5.4.4 相關傳熱傳質(zhì)系數(shù)160-164
• 5.4.5 相關物理條件164-172
• 5.5 紙頁干燥傳熱傳質(zhì)數(shù)學模型172-174
• 5.6 本章小結174-177
• 第六章 紙頁干燥傳熱傳質(zhì)模型的數(shù)值求解177-217
• 6.1 前言177-178
• 6.2 網(wǎng)格劃分178-181
• 6.2.1 紙頁計算區(qū)域的離散化178-180
• 6.2.2 烘缸計算區(qū)域的離散化180-181
• 6.3 紙頁傳熱傳質(zhì)模型的差分格式181-192
• 6.3.1 紙頁含水率的差分方程181-183
• 6.3.2 紙頁溫度的差分方程183-185
• 6.3.3 烘缸溫度的差分方程185-192
• 6.4 ODE 初值問題與 PDE 邊值問題的耦合求解192-198
• 6.4.1 濕端干燥的差分格式192-193
• 6.4.2 干端干燥的差分格式193-195
• 6.4.3 數(shù)值求解步驟195-198
• 6.5 計算結果與討論198-214
• 6.5.1 已知條件198-200
• 6.5.2 結果與討論200-214
• 6.6 本章小結214-217
• 結論217-221
• 參考文獻221-235
• 附錄235-243
• 攻讀博士學位期間取得的研究成果243-247
• 致謝247-249
• 答辯委員會對論文的評定意見249

【參考文獻】

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  本文關鍵詞：紙頁干燥過程傳熱傳質(zhì)數(shù)學模型的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：298671