Моделирование процессов тепло- и массопереноса при конвективной сушке хлопчатобумажных тканей

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Представлена математическая модель тепло- и массопереноса в процессе конвективной сушки ткани в химической технологии ее отделки. Уравнения записаны для теплофизических переменных, усредненных по объему образца. Модель контролирует состояние воды в капиллярно-пористой системе и учитывает течение жидкой фазы в связанном состоянии, свободная вода неподвижна. Изменение концентрации свободной воды может происходить за счет фазовых переходов на границах жидкой и газообразной фаз. Математическая модель может рассматриваться как вариант известной модели диффузионного тепло- и массопереноса А.В. Лыкова с определенными дополнениями. Кроме уравнений влагопроводности, теплопроводности и общего давления, в модель включено уравнение для концентрации паровой компоненты газообразной фазы. Для локальных значений коэффициента диффузии жидкой фазы и критерия фазового перехода используются аналитические зависимости этих величин от влагосодержания и температуры. Математическая модель исследована численно с помощью метода конечных разностей. Валидация модели проведена с использованием данных лабораторного эксперимента для образцов ткани из хлопка различной плотности, толщины и способов плетения. Расчеты кривых сушки по предложенной модели показали удовлетворительное совпадение с опытными зависимостями. Исследован вклад в процесс высушивания ткани двух механизмов массопереноса, связанных с фазовыми переходами и капиллярными течениями жидкой фазы.

About the authors

М. К. Кошелева

Российский государственный университет им. А. Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство)

Author for correspondence.
Email: oxtpaxt@yandex.ru
Russian Federation, Москва

О. Р. Дорняк

Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г. Ф. Морозова

Email: oxtpaxt@yandex.ru
Russian Federation, Воронеж

References

  1. Сажин Б.С., Кошелева М.К., Сажина М.Б. Процессы сушки и промывки текстильных материалов / Под ред. Б. С. Сажина. М.: ФГБОУ ВПО Московский государственный университет дизайна и технологий, 2013.
  2. Romankov P.G. Тheory and practice of drying and adsorption // Theor. Found. Chem. Eng. 1987. V. 21. № 1. Р. 9. [Романков П. Г. Теория и практика промывки и адсорбции // Теорет. основы хим. технологии. 1987. Т. 21. № 1. C. 9.]
  3. Романков П.Г. Актуальные задачи теории и практики адсорбционных процессов. Адсорбенты, их получение, свойства и применение // Cб. тр. 1V Всесоюзного совещания по адсорбентам / Акад. наук СССР. Отделение общей и технической химии. Л.: Наука, 1978. С. 170.
  4. Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии. Л.: Химия, 1974.
  5. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1973.
  6. Павлюкевич Н.В. Введение в теорию тепло- и массопереноса в пористых средах // Сб. тр. Ин-т тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАНБ. Минск, 2003. С. 140.
  7. Алиев Р.З., Романков П.Г., Медведев А.А. Флуктуационно-релаксационная диффузионная модель пористой среды, уравнения нестационарного переноса // Cб. тр. Акад. наук СССР. Отделение общей и технической химии. Л.: Наука, 1965. С. 147.
  8. Нигматулин Р. И. Основы механики гетерогенных сред. М.: Наука, 1978.
  9. Whitaker S. Simultaneous Heat, Mass and Momentum Transfers in Porous Media // A Theory of Drying. Advances of Heat Transfer. 1977. V. 13. P. 119.
  10. Гринчик Н.Н., Акулич П.В., П.С. Куц П.С., Павлюкевич Н.В., Терехов В.И. К проблеме неизотермического массопереноса в пористых средах // Инж.-физ. журн. 2003. Т. 76. № 6. С. 129. [Grinchik, N.N., Akulich, P.V., Kuts, P.S. Terechov V.I. On the problem of nonisothermal mass transfer in porous media. // J. Eng. Phys. Thermophys. 2003. V. 76. № 6. P. 129.]. https://doi.org/10.1023/B: JOEP.0000012041.81528.02
  11. Johann G., Silva E.., Lima O.C., Pereira, N. Mathematical modeling of a convective textile drying process // Brazilian J. of Chem. Eng. 2014. V. 31. № 4. P. 959. https://doi.org/10.1590/0104-6632.20140314s00002685
  12. Etemoglu A.B., Ulcay Y., Can M., Avci, A. Mathematical modelling of combined diffusion of heat and mass transfer through fabrics // Fib. Polymers. 2009. V. 10. № 2. P. 252. https://doi.org/10.1007/s12221-009-0252-0
  13. Lee H.S., Carr W.W., Beckham H.W., Leisen, J. A model of through-air drying of tufted textile materials // Int. J. Heat Mass. Transfer. 2002. V. 45. № 2. P. 357. https://doi.org/10.1016/s0017-9310(01)00130-2
  14. Li Yi., Zhu Q., Yeung K. Influence of thickness and porosity on coupled heat and liquid moisture transfer in porous textiles // Text. Res. J. 2002. V. 72. № 5. P. 435. https://doi.org/10.1177/004051750207200511
  15. Wang S., Zhang H., Chen H., Zhong Y., Yue X. A numerical model of the open-width coupling drying process for cotton fabrics based on the theory of heat and mass transfer in porous media // Text. Res. J. 2019. V. 90. № 13–14. P. 1639. https://doi.org/10.1177/0040517519891706
  16. Дорняк О.Р., Кошелева М.К. Математическая модель сушки тканых материалов // Тез. Док. 15 Минский меж. форум по тепло- и массообмену. Минск, 2016. С. 120.
  17. Konovalov V.I., Romankov P.G., Sokolov V.N., Pasko A. P. Approximate models of the kinetics of convective drying of thin materials // Theor. Found. Chem. Eng. 1975. V. 9 № 4. P. 501. [Коновалов В.И., Романков П.Г., Соколов В.Н., Пасько А.Р. Приближенные модели кинетики конвективной сушки тонких материалов // Теорет. основы хим. технологии. 1975. Т. 9. № 4. C. 501.]
  18. Ольшанский А.И., Марущак А. С. Новый метод расчета кинетики процесса сушки тканей // Вестник Витебского государственного технологического университета. 2021. № 1. С. 72.
  19. Kosheleva M.K., Belgorodsky V.S., Kulov N.N. Analytical review of the materials of the international scientific and technical symposium Improving energy efficiency and environmental safety of processes and devices of chemical and related industries, dedicated to the 110th anniversary of A. N. Planovsky // Theor. Found. Chem. Eng. 2022. V. 56. № 3. P. 267. [Кошелева М.К., Белгородский В.С., Кулов Н.Н. Аналитический обзор материалов международного научно-технического симпозиума Повышение энергоресурсоэффективности и экологической безопасности процессов и аппаратов химической и смежных отраслей промышленности, посвященного 110-летию А. Н. Плановского // Теорет. основы хим. технологии. 2022. Т. 56. № 3. С. 267.].
  20. Kosheleva M.K., Dornyak O.R., Maklusova M.S. Modeling of kinetics of drying process of polycaproamide granules considering its sorption properties. IDS2018. Proceedings 21st International Drying Symposium. 2018. С. 387. https://doi.org/10.4995/ids2018.2018.7553
  21. Kosheleva M.K., Meshalkin V.P., Dornyak O.R. Mathematical modeling of heat and mass transfer in the drying of granules used as a support for a nickel catalyst // Theor. Found. Chem. Eng. 2021. V. 55. № 3. P. 339. https://doi.org/10.31857/S0040357121030258 [Кошелева М.К., Мешалкин В.П., Дорняк О.Р. Математическое моделирование тепло- и массопереноса при сушке гранул носителя для никелевого катализатора // Теорет. основы хим. технологии. 2021. Т. 55. № 3. С. 339.].
  22. Дорняк О.Р., Усачев А.М., Шмитько Е.И., Аль Сарраджи С. Х.М. Математическое моделирование тепло- и массопереноса при адсорбционно-контактной сушке керамических материалов (математическая модель) // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2013. № 89. С. 655.
  23. Patankar S. V. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Series in Computational Methods in Mechanics and Thermal Sciences, Hemisphere, New York, 1980. [Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984.].
  24. Цимерманис Л.Х.Б. Сорбция, структурообразование, массоперенос (термодинамика влажного тела). М.: Алекс, 2006.
  25. Kosheleva M.K., Dornyak O.R., Novikova T.A. The research of the sorption properties of cotton fabrics in the technological operations of finishing // Izv. universities. Technology of the textile industry. 2016. V. 363. № 3. P. 242. [Кошелева М.К., Дорняк О.Р., Новикова Т.А. Исследование сорбционных свойств хлопчатобумажных тканей в технологических операциях отделки // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. 2016. Т. 363. № 3. С. 242.].

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences