1 緒論

1.1 課題研究的背景及意義
國(guó)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(guó)的印染布銷售到世界上多達(dá) 200 個(gè)的國(guó)家以及地區(qū)，亞洲市場(chǎng)是主要的銷售地區(qū)，大約占總銷售量的 1/2，非洲市場(chǎng)的銷售量占 1/5 左右，美國(guó)、歐盟以及日本則分別占了將近 1/10[2]。但是，我國(guó)印染行業(yè)平均耗煤量和總耗能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了世界的先進(jìn)水平，分別為世界先進(jìn)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(shí)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(hào)召，重視“十二五”期間提出的宏觀經(jīng)濟(jì)調(diào)控重點(diǎn)“節(jié)能減排”，并制定相應(yīng)的措施來應(yīng)對(duì)。現(xiàn)如今，國(guó)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(shì)。也就是要提高效率，降低能耗，減少排放，這三個(gè)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(shí)企業(yè)應(yīng)具備環(huán)保意識(shí)及可持續(xù)發(fā)展意識(shí)，本著誰(shuí)污染誰(shuí)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(guó)際上先進(jìn)國(guó)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(dòng)密集型，而變成了如今的更利于競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)密集型和資本密集型。且行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)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(guó)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(dòng)了紡紗織造業(yè)發(fā)展[6]，同時(shí)也對(duì)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(guó)印染行業(yè)跟上了世界先進(jìn)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(qiáng)度、耐磨、耐腐蝕及高保溫性能等特點(diǎn)，給了印染行業(yè)新希望，帶來了新機(jī)遇；其次，引進(jìn)了先進(jìn)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(zhǎng)設(shè)備壽命，增加設(shè)備使用次數(shù)[7]。同時(shí)，我國(guó)印染設(shè)備擁有了自己獨(dú)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(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，變得更加可靠和實(shí)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(jì)算機(jī)技術(shù)得到了充分的利用。
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2 節(jié)能方式設(shè)計(jì)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(shí)為我們選擇研究對(duì)象以及對(duì)研究對(duì)象的進(jìn)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(dòng)狀態(tài)對(duì)換熱產(chǎn)生的影響。

2.1 蒸汽基礎(chǔ)知識(shí)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(jì)算的方法。了解相關(guān)的蒸汽知識(shí)，就可以對(duì)蒸汽換熱進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，以下是蒸汽相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)。將水加熱至沸點(diǎn)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(diǎn)的那部分熱量被稱為蒸汽的顯熱；達(dá)到沸點(diǎn)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(jià)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(gè)相對(duì)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(shí)通常選擇高壓傳送，低壓使用。在實(shí)際情況中，一般不存在干飽和蒸汽，實(shí)際使用的蒸汽干度大約為 85%，所以實(shí)際使用中，實(shí)際焓值應(yīng)該占理論總焓值的 85%才是真實(shí)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堋Ｓ行芨苷鎸?shí)地反映能量的價(jià)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(yùn)動(dòng)而物體之間沒有相對(duì)位移而發(fā)生的熱量傳遞行為。兩個(gè)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(jìn)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(duì)零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，在輻射能量的同時(shí)，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(jì).....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(jì)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(jì)..........27
4.3 換熱器設(shè)計(jì)計(jì)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(duì)外的散熱量以及染液的實(shí)時(shí)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(jìn)行相互間的比較。本章針對(duì)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(shí)間一定偏差范圍內(nèi)達(dá)到一定溫度，恒溫過程要求溫度穩(wěn)定波動(dòng)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(cè)量得到，散熱量的理論計(jì)算公式忽略了環(huán)境因素，使得計(jì)算結(jié)果不太精確，下文提出一種用熱流計(jì)測(cè)量實(shí)際散熱量的方法，使得散熱更符合實(shí)際情況。染缸的散熱量雖然可以通過計(jì)算得到，，但是計(jì)算中往往忽略了一些隨時(shí)間變化的環(huán)境因素，比如溫度的波動(dòng)、濕度的變化、空氣的流動(dòng)等等，使得計(jì)算的結(jié)果不準(zhǔn)確，因此在實(shí)際過程中可以使用熱工儀表直接測(cè)量平均熱流密度再通過公式換算來得到散熱量。僅測(cè)量溫度變化并不能得到具體的熱信息，在實(shí)際中，一般通過測(cè)量熱流密度的方法來得到熱流量。測(cè)量熱流密度常用的儀器為熱流計(jì)，熱流計(jì)是一種由熱流傳感器和測(cè)量指示儀表組成的熱工儀表，測(cè)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(shí)、熱力學(xué)以及流體力學(xué)等相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)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(duì)封閉式染缸蒸汽節(jié)能方式的分析與研究，同時(shí)制定溫度控制策略使染色過程的溫度在達(dá)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(dá)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(xiàn)提供的基礎(chǔ)知識(shí)，根據(jù)染色過程中各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，以及溫度控制對(duì)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(duì)外耗散的能量之和，建立了溫度、蒸汽流量與時(shí)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(diǎn)，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(jì)一個(gè)適合此工藝過程的換熱器，使換熱維持在一個(gè)良好的狀態(tài)，為下文實(shí)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(jì)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(duì)設(shè)計(jì)的換熱器進(jìn)行仿真模擬，驗(yàn)證換熱器的換熱效果以及速度對(duì)換熱效果和壓降的影響，仿真結(jié)果證明設(shè)計(jì)的換熱器能夠達(dá)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(xiàn)(略)

本文編號(hào)：63709