Машины, агрегаты и процессы
Малыхин В.И., доктор технических наук, профессор
Русанова И.К., аспирант, старший преподаватель
(Московский государственный университет сервиса)
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ В ПРАЧЕЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ НА СТАДИИ ОТЖИМА И СУШКИ
В последние годы вопрос экономии энергоресурсов приобретает всё большую актуальность. И это относится не только к промышленному производству, но и к бытовым потребностям.
Анализируя виды услуг, бытовые потребности населения, легко заметить, что наиболее энергоёмкими являются услуги химчисток и прачечных. Масштабы прачечного производства, как в нашей стране, так и во всем мире очень велики и соизмеримы со многими промышленными производствами. Объемы производства прачечных системы бытового обслуживания непрерывно увеличиваются.
Интенсивно увеличивается количество стиральных машин, находящихся у населения. Широкое распространение бытовых стиральных машин естественно приводит к увеличению расхода энергоресурсов. В связи с этим экономия энергоресурсов в прачечном производстве в настоящее время является одной из важнейших задач развития экономики страны.
Возможным решением частного вопроса общей государственной программы является разработка энергосберегающих технологий при обработке изделий из тканей в прачечном производстве на стадии отжима и сушки с сохранением заданных показателей качества стирки.
Процесс удаления влаги из текстильных изделий характеризуется двумя уравнениями: уравнением массообмена и уравнением теплообмена. Общим параметром обоих уравнений является величина влагосодержания, достигнутая при центробежном отжиме. От ее величины зависят энергозатраты при отжиме. Чем больше конечная влажность, тем меньше затраты энергии при центробежном отжиме. При этом, естественно, увеличатся затраты энергии при удалении влаги сушкой.
Уравнение массообмена может быть представлено в виде равенства
Об = Оц + Ос
Здесь Об - суммарное количество удаляемой влаги; Оц - количество влаги, удаляемой центробежным отжимом; Ос - количество влаги, удаляемой при сушке изделий.
Уравнение теплообмена представляет собой равенство
0к = 0с + Д0,
в котором 0к - количество тепла, выделяемое в калорифере при подогреве воздуха до заданной температуры сушки; - количество тепла, необходимое для уменьшения влагосодер-жания в изделиях; Ы0 - потери тепла в процессе сушки.
Уравнения массообмена и теплообмена объединяются в одно общее уравнение - уравнение энергозатрат
ЕБ Еотж + Есуш
Здесь Еб - суммарные энергозатраты; Еотж - энергозатраты при отжиме изделий; Есуш -энергозатраты при сушке изделий.
Суммарные энергозатраты, приведенные в данной формуле, при стирке текстильных изделий являются одними из основных показателей уровня качества исследуемой технической системы.
При оценке уровня качества технических систем часто применяют дифференциальный метод [1], при котором используются единичные показатели качества, т.е. показатели, характеризующие одно из свойств продукции. Этот метод используется при проведении сопоставительного анализа уровня качества оцениваемой продукции и базового образца по отдельно взятым показателям качества. Пользуясь этим методом, устанавливается влияние предлагаемого технического решения на величину выбранного показателя качества путем его сопоставления с этим же показателем качества, принятого для характеристики базового образца.
В данном случае рассматривается техническая система, состоящая из стирально-отжимной машины с сушкой непосредственно в машине (СОМС) или с применением су-шильно-гладильного вакуумного катка (СГВК). Примем за показатель качества энергоемкость удаления влаги из текстильных изделий при отжиме, сушке и глажении.
Расход энергии при отжиме зависит от ряда факторов, среди которых заметное влияние оказывают: начальная влажность изделий (н; влажность изделий после отжима <еотж; фактор разделения Рт; продолжительность отжима тотж; вязкость жидкости вид ткани, ассортимент изделий и др.
Таким образом, расход энергии при отжиме можно представить в виде некоторой функциональной зависимости
Еотж ./1 ((ЕЬ (отж> Рт, ^Лж л> ...).
Расход энергии при сушке определяется конечной влажностью после отжима ( отж; конечной влажностью после сушки (к; температурой ¿с, продолжительностью сушки тс; видом сушильного оборудования и др. Следовательно, расход энергии при сушке будет
Есуш =/2 ((отж, (к, и, Тс,...).
Как видно, суммарный расход энергии зависит от многих факторов. Следовательно, функция, определяющая суммарный расход энергии, представляет собой сложную зависимость от различных факторов и ее исследование сопряжено с определенными трудностями.
В связи с этим целесообразно ограничить число оптимизирующих факторов, оставив наиболее важные, в соответствии с поставленной задачей.
Применительно к процессу удаления влаги при стирке текстильных изделий при их отжиме и сушке задача может быть сформулирована следующим образом: определить оптимальные режимы отжима текстильных изделий в стирально-отжимных машинах, обеспечивающие минимальные суммарные энергозатраты при удалении из них влаги методом центробежного отжима с последующей их сушкой.
Для решения данной задачи необходима вполне определенная целевая функция исследования, представляющая собой выражение, экстремальное значение которого характеризует предельно достижимую количественную оценку оптимизируемого параметра объекта исследования.
По нашим первоначальным предположениям оптимизация расхода электроэнергии возможна путем перераспределения остаточной влажности в процессе удаления влаги из изделий между операцией отжима и операцией сушки.
Так как режим отжима в основном определяется фактором разделения и продолжительностью отжима, то эти два параметра являются двумя независимыми переменными (двумя управляющими воздействиями).
Таким образом, целевая функция будет функцией двух независимых переменных х1 и х2.
Я = /(Х\, Х2),
где функция Я является количественной оценкой энергетического эффекта стирально-отжимной машины. На независимые переменные х1, х2 должны быть наложены определенные ограничения в виде равенств или неравенств, или же тех и других одновременно.
Если принять в качестве показателя качества технической системы величину энергозатрат на выполнение одного и того же процесса в проектируемой и базовой технической системе, то разность между энергозатратами определит эффективность предлагаемого решения.
В этом случае разность затрат энергии будет
ДЕ = Ебаз - Епр .
Здесь Ебаз и Епр - затраты энергии на удаление влаги соответственно с применением базового и проектируемого комплексов. При этом предполагается, что базовый комплекс отличается от проектируемого лишь величинами варьируемых параметров. Например, при оценке влияния факторов разделения отличаются в проектируемом комплексе лишь те затраты энергии, которые зависят от этого фактора, а остальные остаются одинаковыми, т. е. варьируется лишь величина фактора разделения. Аналогично оценивается влияние продолжительности отжима.
Понятно, что при ДЕ > 0 параметр, используемый в проектируемом комплексе, предпочтителен в сравнении с аналогичным параметром базового комплекса. Варьируя величинами выбранного в исследовании фактора определяют ДЕтах. Эта величина фактора и будет его оптимальным параметром.
Из изложенного очевидно, что целевая функция оптимизации процесса удаления жидкости из изделий при стирке в СОМ и сушке непосредственно в машине или с применением СГВК, может быть представлена в виде разности
ДЕ = У1(Ег, Готж, Тс, И, ...)баз -/2(ЕГ,Готж, Т, И, -.)пр. (1)
Варьируемыми параметрами в проектируемом комплексе могут быть параметры любого фактора, влияние которого исследуется.
При поиске оптимальных режимов процесса удаления влаги из изделий при отжиме и сушке рассматривается влияние выше названных управляющих параметров на расход электроэнергии при выполнении рассматриваемых операций. В этом случае целевая функция (1) примет вид:
ДЕ ( Еотж + Есуш )баз - ( Еотж + Есуш )пр . (2)
Понятно, что расход энергии при выполнении указанных операций в машинах базовой технической системы оценивается конкретной величиной, постоянной при оценке эффективности предлагаемых мероприятий. Таким образом, в формуле (2) базовые показатели могут быть представлены постоянной величиной Кбаз, и тогда АЕ окажется равным
АЕ Кбаз - ( Еотж + Есуш )пр. (3)
Так как при исследовании принятой целевой функции управляющими воздействиями являются фактор разделения Ег и продолжительность отжима Тотж, то при определении основного параметра технологического процесса - фактора разделения, получим уравнения:
при заданной продолжительности отжима Тотж
дАЕ дАЕ
-= 0 или-= 0 ,
дЕг да
где а - угловая скорость вращения барабана, определяющая величину фактора разделения при заданном радиусе барабана СОМ;
при заданной величине Рг
дАЕ дт
= 0
Следует заметить, что структура функциональных зависимостей для базового и проектируемого образцов одинакова, они отличаются только числовыми значениями варьируемых параметров.
Таким образом, в нашем случае для представления целевой функции в конечном виде необходимо определить суммарные энергозатраты только при отжиме и сушке. Их компоненты схематически представлены на рисунке 1.
В связи с тем, что ранее комплексные исследования энергетических затрат при операциях удаления влаги из изделий при их стирке и сушке не проводились, то целевая функция (3) является новым результатом.
Математическая модель процесса удаления влаги при отжиме и сушке текстильных изделий представляет собой совокупность уравнений, определяющих энергозатраты при выполнении перечисленных операций, как в проектируемой, так и в базовой технической системе.
В соответствии с уравнением (3) для обеих технических систем слагаемые функции будут иметь идентичный общий вид. В связи с этим в математической модели нет необходимости их индексировать. Достаточно привести их в общем виде.
Из представленной диаграммы видно, что при отжиме изделий энергозатраты определяются системой уравнений, каждое из которых представляет отдельные виды энер
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.