Экспериментальное и теоретическое исследование тепловых потерь в сушильных цилиндрах

УДК

676.056.5

DOI:

https://doi.org/10.37482/0536-1036-2021-2-169-179

Аннотация

Цель исследования – разработка методов определения тепловых потерь в сушильных цилиндрах. Экспериментальные исследования их температуры выполнены в сушильной части бумагоделательной машины при установившемся режиме работы. Определены средние, предельные и допустимые статистические характеристики температур сушильных цилиндров. По минимально-допустимым уровням температур выявлены сушильные цилиндры с повышенным содержанием конденсата и обоснован ремонт системы отвода конденсата для снижения тепловых потерь (расхода пара). Установлена причина неравномерной сухости бумажного полотна по ширине. Конденсатное кольцо на внутренней стенке по краям сушильных цилиндров приобретает утолщение из-за влаги, поступающей с торцевых крышек от действия центробежных сил. Конденсат выводят из сушильных цилиндров сифоном с приводной стороны. Поэтому на лицевой стороне сушильных цилиндров конденсатная пленка имеет бόльшую толщину, чем на приводной стороне, а бумажное полотно просыхает хуже. Односторонний вывод конденсата и физический эффект центробежного сгона конденсата с торцевых крышек на боковую внутреннюю поверхность сушильных цилиндров приводят к тому, что бумажное полотно имеет меньшую сухость с лицевой стороны. Применение теплоизоляции торцевых крышек будет способствовать равномерной сухости по ширине бумажного полотна. Данные экспериментальных исследований температуры обработаны методами математической статистики для определения уровня тепловых потерь при контактной сушке бумажного полотна на сушильных цилиндрах от торцевых крышек к окружающему воздуху. Расчет тепловых потерь выполнен по уточненной методике исследования тепловых процессов при контактной сушке бумажного полотна. Установлено, что применение теплоизоляции торцевых крышек сушильных цилиндров обеспечивает снижение расхода пара на контактную сушку бумажного полотна без ущерба для технологического процесса. Результаты исследования можно применить для сокращения тепловых потерь в сушильной части бумагоделательных машин на цилиндрах, не имеющих теплоизоляции торцевых крышек. Например, для бумагоделательной машины, состоящей из 56 цилиндров диаметром 1500 мм, производительностью 7000 кг/ч абсолютно сухой бумаги, теплоизоляция их торцевых крышек экономит расход пара на сушку бумажного полотна до 223 кг/ч. Разработаны и апробированы методы обнаружения сушильных цилиндров с повышенным содержанием конденсата по допустимым уровням температуры и уточненный метод определения тепловых потерь при контактной сушке бумажного полотна на сушильных цилиндрах.

Сведения об авторах

В.П. Сиваков, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID:AAC-6084-2021, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9387-1512
А.В. Вураско, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: AAC-5594-2021, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9471-085X
Н.В. Куцубина, канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: AAC-4846-2021, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0438-406X
Уральский государственный лесотехнический университет, ул. Сибирский тракт, д. 37, г. Екатеринбург, Россия, 620100; e-mail: vurasko2010@yandex.ru, sivakov.VP@usfeu.ru, Nelly3416@mail.ru

Ключевые слова

сушильный цилиндр, температура торцевых крышек, диагностирование, теплоемкость, охлаждение, теплоизоляция, тепловые потери, экономия

Для цитирования

Сиваков В.П., Вураско А.В., Куцубина Н.В. Экспериментальное и теоретическое исследование тепловых потерь в сушильных цилиндрах // Изв. вузов. Лесн. журн. 2021. № 2. С. 169–179. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-2-169-179

Литература

1. Бельский А.П. Проектирование и расчет теплообменных (сушильных) установок. Л.: ЛТА, 1992. 115 с. [Bel’skiy A.P. Design and Calculation of Heat Exchange (Drying) Plants. Leningrad, LTA Publ., 1992. 115 р.].

2. Бельский А.П., Лотвинов М.Д. Вентиляция бумагоделательных машин. М.: Лесн. пром-сть, 1990. 215 с. [Bel’skiy A.P., Lotvinov M.D. Ventilation of Paper Machines. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1990. 215 p.].

3. Бушмелев В.А., Вольман Н.С. Процессы и аппараты целлюлозно-бумажного производства. М.: Лесн. пром-сть, 1969. 352 с. [Bushmelev V.A., Vol’man N.S. Processes and Apparatus for Pulp and Paper Production. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1969. 352 p.].

4. Ершов Ю.Г., Санников В.А. Конденсатное хозяйство целлюлозно-бумажных предприятий. М.: Лесн. пром-сть, 1989. 263 с. [Ershov Yu.G., Sannikov V.A. Condensate Economy of Pulp and Paper Mills. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1989. 263 p.].

5. Куров B.C., Кокушин Н.Н. Теория и конструкция машин и оборудования отрасли. Бумаго- и картоноделательные машины. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2006. 588 с. [Kurov B.C., Kokushin N.N. Theory and Design of Machinery and Equipment of the Industry. Paper and Board Machines. Saint Petersburg, Polytech Publ., 2006. 588 p.].

6. Сиваков В.П., Вураско А.В., Леонович А.А. Основы научных исследований в химической и химико-механической переработке растительного сырья. Екатеринбург: УГЛТУ, 2010. 137 с. [Sivakov V.P., Vurasko A.V., Leonovich A.A. Fundamentals of Scientific Research in Chemical and Chemical-Mechanical Processing of Plant Raw Materials. Yekaterinburg, USFEU Publ., 2010. 137 p.].

7. Сиваков В.П., Степанова Е.Н., Вураско А.А., Стоянов О.В. Кластерное диагностирование при комплексной оценке работоспособного состояния технического оборудования // Вестн. Казан. технол. ун-та. 2015. Т. 18, № 1. С. 357–358. [Sivakov V.P., Stepanova E.N., Vurasko A.A., Stoyanov O.V. Cluster Diagnosis in a Comprehensive Assessment of the Serviceability of Technical Equipment. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta [Bulletin of the Technological University], 2015, vol. 18, no. 1, pp. 357–358].

8. Сиваков В.П., Микушина В.Н., Вураско А.В., Стоянов О.В., Гребенщиков Ю.М. Применение трендового анализа при диагностировании технического состояния оборудования // Вестн. Казан. технол. ун-та. 2015. Т. 18, № 2. С. 390–392. [Sivakov V.P., Mikushina V.N., Vurasko A.V., Stoyanov O.V., Grebenshikov Y.M. Application of Trend Analysis for Diagnosing the Technical State of Equipment. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta [Bulletin of the Technological University], 2015, vol. 18, no. 2, pp. 390–392].

9. Тордуа Г.А. Машины и аппараты целлюлозно-бумажного производства. М.: Лесн. пром-сть, 1986. 440 с. [Tordua G.A. Machines and Apparatus for Pulp and Paper Production. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1986. 440 p.].

10. APPM to Revamp Pulp at Novodvinsk Mill. PPI Europe, 2014, vol. 29, no. 12, p. 11.

11. Dumas: Customized Steam and Condensate System for Palm Wӧrth PM 6. Prof. Papermark, 2004, no. 1, pp. 67–68.

12. Hazi A., Hazi G. Exergy Flows in the Paper Machine. Modelling and Optimization in the Machines Building Field, 2005, no. 11, vol. III, pp. 146–149.

13. International Conference Voith Paper – Graphic Papers, September 4–6, 2002. Salzburg, 2002, pp. 23–24.

14. Jewitt D.E. Apparatus and Associated Method for Drying a Wet Web of Paper. Patent US, no. 6425981, 2002.

15. Mayer R., Begemann U. Anodrnung zur Herstellung oder/und Behandlung von Bahn- oder Blattmaterial [Device for the Production and/or Treatment of Strip or Sheet Material]. Patent DE, no. WO 2005/045130 A2, 2005.

16. Metso Paper: Inbetriebnahme der weltgrӧbten Wellpappenrohpapiermaschine. Allgemeine Papier-Rundschau, 2003, pp. 16–21.

17. Sautter G.M. The Drying and Fining Processes Future Innovation Solutions for Efficiency, Quality and Safety. Pulp and Paper Industry, 2017, vol. 2/3, pp. 30–35.

18. Sekiya K. Pollution Prevention Method for Cylindrical Dryer Used in Paper Machine. Patent US, no. US 6,858,113 B1, 2005.

19. Steam System and Dryer Services. Pulp and Paper Industry, 2010, vol. 52, no. 8, p. 11.

20. Viljanmaa M. Method and Equipment for Producing Driving Power in Paper or Board Mill. Patent US, no. US 2005/0160618 A1, 2005.

21. Wolf R., Mack T., Oechsle M., Mayer W. Verfahren und Anodrnung zum Trocknen einer Faserstoffbahn insbesondere Papier-, Karton- oder Tissuerbahn. Patent DE no. DE 19958875 A1, 2001.

Ссылка на английскую версию:

Experimental and Theoretical Study of Heat Losses in Drying Cylinders

EXPERIMENTAL AND THEORETICAL STUDY OF HEAT LOSSES IN DRYING CYLINDERS

Valeriy P. Sivakov, Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: AAC-6084-2021,
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9387-1512
Alesya V. Vurasko, Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: AAC-5594-2021,
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9471-085X
Nelli V. Kutsubina, Candidate of Engineering, Assoc. Prof.; ResearcherID: AAC-4846-2021, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0438-406X
Ural State Forest Engineering University, ul. Sibirskiy trakt, 37, Yekaterinburg, 620100, Russian Federation; e-mail: vurasko2010@yandex.ru, sivakov.VP@usfeu.ru, Nelly3416@mail.ru

Abstract. The research purpose is to develop methods for determination of heat losses in drying cylinders. Experimental study of temperature of drying cylinders performed in the drying section of a paper machine during its steady-state operation. Medium, maximum and permissible statistical characteristics of drying cylinder temperatures were defined. The drying cylinders with increased condensation concentration were determined by the minimally permissible temperature levels and the repair of the condensation drainage system to reduce heat losses (steam consumption) was justified. The cause of uneven dryness of the paper web across the width has been determined. The condensate ring on the inner wall at the edges of the drying cylinders gets thickened due to moisture coming from the end caps from the action of centrifugal forces. The condensation is removed from the drying cylinders with a siphon on the drive side. Therefore, on the front side of the drying cylinders condensate film has a greater thickness, and the paper web dries worse. The single-sided condensate disposal and the physical effect of centrifugal condensate runoff from the end caps to the side inner surface of the drying cylinders cause a lower dryness from the front side of the paper web. The use of thermal insulation of end caps will contribute to uniform dryness across the width of the paper web. The results of experimental studies were processed by methods of mathematical statistics in order to describe the thermal losses during contact drying of the paper web on drying cylinders with and without thermal insulation of the end caps to the ambient air. The calculation of heat losses is carried out according to the refined method of researching thermal processes in contact drying of paper web. It is found, that the use of thermal insulation of the end caps of the drying cylinders provides a reduction in steam consumption for contact drying of the paper web without affecting the technological process. The research results can be used to reduce heat losses in the drying section of paper machines on cylinders that do not have thermal insulation of the end caps. For instance, for a paper machine consisting of 56 cylinders with a diameter of 1500 mm and a capacity of 7000 kg/h of absolutely dry paper, insulating their end caps saves up to 223 kg/h of steam for drying the paper web. Methods of detection of drying cylinders with increased content of condensation on permissible levels of temperature is developed and approved. A refined method for determining thermal losses during contact drying of the paper web on drying cylinders has been developed.
For citation: Sivakov V.P., Vurasko A.V., Kutsubina N.V. Experimental and Theoretical Study of Heat Losses in Drying Cylinders. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2021, no. 2, pp. 169–179. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-2-169-179

Keywords: drying cylinder, temperature of end cups, diagnosis, heat capacity, cooling, thermal insulation, heat losses, saving.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
The authors declare that there is no conflict of interest
Поступила 12.02.20 / Received on February 12, 2020