印染布料烘干过程节能系统的设计与仿真
1 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
印染又称为染整，是染色、印花、后处理、洗水等的总称，印染行业是纺织工业中重要组成部分，是提升纺织质量的关键行业。据统计，目前我国的印染企业大部分在浙江、广东、福建、江苏、山东五省，每年生产的印染布料占全国的90%以上,规模较大的印染企业在2007年有2064家，总产量达490亿米，总销售 1657.18亿元，占纺织工业的6.19%，出口创汇达93.70亿美元，占纺织工业的 5.83%。虽然我国的印染行业在规模和经济效益上有了一定的水平，但依然存在着很多问题，其中能耗大的问题日益凸显，能耗约为发达国家的2.3倍。
印染行业的能耗构成以热能(蒸汽)为主，主要用于烘干(30%~40%)、洗涤(25%~35%)、蒸煮(10%~15%)、高温热处理(8%~12%)及其他(5%~10%)，烘干过程是布料印染工艺必须经历的环节，在该环节要耗费大量的能量，占整条印染生产线总能耗的30%以上。在印染布料烘干过程中，系统排出的废气往往被直接排放到大气中去，其带走的热量越占烘干过程总能耗的43%，造成了热能被大量浪费。另外，由于缺乏在线检测及必要的自动控制手段，布料烘含水率的控制并不精确，降低了系统的烘干效率，亦造成能源浪费。因此，设计一个具有排气回热及含水率在线测控功能的系统有利于印染行业节约能源，降低成本。
1.2 印染布料的烘干方式
印染布料的烘干方式有很多种，目前在国内外应用最广有箱式烘干、红外线烘干、微波烘干三种。
（1）红外线烘干
该方法利用红外线辐射使布料中水分气化，具有烘干速度快、生产效率高、烘干质量好的特点。并且，与微波烘干相比，其装置更加简易、便宜。目前国内较有名的红外烘干设备厂家是江苏省民营科技企业盛泰科红外科技有限公司。但是红外烘干却很难在我国推广，主要是因为：
① 我国红外烘干研究起步晚，存在着技术上的限制；
② 其成本较高、检修和维护较困难；
③ 我国电力供应依然很紧张；
④ 红外涂料易老化、脱落，辐射率会逐渐降低。
（2）微波烘干
微波烘干是一种新型高效的烘干方式，利用的是水分子易吸收高频微波从而受热气化这一原理，该方法的特点是:
① 加热效率高，节能效果显著；
② 由于微波烘干吸收的电磁能量与含水量成正比，烘干后的布料十分均匀；
③ 易实现自动化控制和提高产品质量。
如美国生产的SAM-255 微波烘干系统可大幅减少样品干燥时间，比传统烘干方法快100倍，精确控制功率0-100%可调，可设定多达8步的时间与功率模式，而且操作容易。国内也有生产微波烘干设备的厂家，如河南郸城格尔微波科技有限公司生产的GER-SX-F00，其性能比较好。
但是，同国外相比，我国在微波干燥技术的应用研究方面起步较晚，虽然取得了不少成果，但微波干燥技术的应用研究领域较窄，大多停留在实验阶段或小规模生产阶段，微波干燥技术的研究有待于拓展，瞬间传质传热理论研究还不够，与微波干燥技术配套的设备及仪器开发尚需加强，且其投入的资本极高。这使得微波烘干的应用在我国现阶段较难推广。
（3）箱式烘干
目前，箱式烘干是在印染行业上应用最广的一种烘干方式，具有结构简易、成本低的特点，缺点是它的能耗极大。但是，鉴于我国红外线烘干及微波烘干方式上现阶段存在的困难，本文选择滚箱式烘干作为研究对象。
2 节能系统设计的理论基础
印染布料烘干过程节能系统的设计涉及到了很多领域，如热力学、传热学、流体力学、控制系统等，热力学为我们研究与布料烘干速率密切相关的湿空气的性质提供了基础；传热学给出了宏观下各种热交换的规律及热传递的结果；流体力学解决了换热器中参与换热的流体的基本物理现实。本文中所涉及的主要理论基础如下：
2.1 热力学基础
热力学是总结物质的宏观现象而得到的热学理论，不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用。文章中主要用热力学中关于湿空气的热力性质相关知识来研究印染布料烘干过中水分蒸发的热力过程。
2.1.1 绝对湿度
湿空气的绝对湿度（湿度）又被称为空气的含湿量，可表述为湿空气中所含的水蒸气的质量与绝干空气的质量之比，以符号H 表示为：
湿空气处于常压时可将其视为理想气体的混合物，按照道尔顿分压定律对理想气体的描述：理想气体混合物中各组分的摩尔比等于分压比。则式（2-1）可表示为：
据式（2-2），湿空气总压与水蒸气分压可构成与空气绝对湿度相关联的函数。当湿空气保持一定的总压时，水蒸气的分压是决定湿空气绝对湿度的关键因素，水蒸气分压增加时，湿空气的绝对湿度亦相应增加。
2.2 传热学基础
热量传递是自然界和生产中一种十分普遍的现象，文章中涉及的热量传递方式主要有导热和对流两种，应用传热学相关知识的地方主要有：
① 分析印染布料烘干过程中的各项能耗并计算；
② 换热器设计中计算其传热系数；
2.2.1 导热
物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为导热。烘筒、烘箱、换热器板片的内壁与外壁之间的热量传递及印染布料接触烘筒的一面与另一面之间的热量传递均为导热。当物体温度在x方向变化时，导热基本定律可由下式表示：
物体在热量传递时遵守热力学第一定律，针对某一微元体，其内能增量为导入微元体的总热流量、导出微元体的总热流量及生成热的矢量和。物体在稳态、无热源且为常数时的导热微分方程为：
3 系统的结构及数学模型的建立..........13
3.1 系统的结构..............13
3.1.1 工艺流程.................13
3.1.2 换热器...............14
4 换热器设计......................25
4.1 板式换热器结构...................25
4.2 设计原则.......................26
5 布料含水率在线控制策略...................48
5.1 含水率的检测方法.....................48
5.2 含水率控制算法.....................49
6 烘干过程的仿真模拟
采用组态王软件对本课题所设计的印染布料烘干过程进行模拟仿真，通过对比原烘干过程中的湿度、含水率、车速等工艺参量的变化情况来最终体现出加换热器后系统的节能效果。
6.1 组态王简介
亚控科技在 NT4.0 ws2000/windo 98/windows Windows 操作系统上开发了组态王 53ingview6. ，主要用于工业监控。由工程浏览器( ExplorerTouch )、工程管理器( Manager Pro )及画面运行系统( ViewTouch )这三个部分组成。具有资源管理器式的操作界面，支持汉字为关键字的脚本语言，同时也提供了多种硬件的驱动程序。另外，组态王还拥有丰富的工控图库、工具箱及操作向导，在提高效率和优化系统性能的方面具有突出优势。组态王的结构功能如图6.1
7 总结与展望
7.1 总结
本文以热力学、传热学及流体力学的相关理论知识为基础，借助换热器模拟计算软件 HTRI Xchanger Suite、PLC 编程软件 MicroWIN 及组态王ingview6.53 完成了对印染布料烘干过程节能系统的设计与控制。主要工作及结论如下：
（1）结合相关参考文献，在原有的布料烘干系统基础上提出了节能设计的总体思路，并建立了能量守恒模型和含水率控制模型，：
① 能量守恒模型能耗模型，明确烘干系统的热量传递过程，为系统节能设计提供了理论基础；
② 布料烘干后含水率模型，用以明确烘干后布料的含水率的影响因素，为确定布料含水率的控制方法提供依据。
（2）在原有的布料烘干机械结构基础上在每个烘箱后设计了一个板式换热器。从节能的角度考虑，完成了板式换热器的板片选型、流程组合并依据传热学及流体力学中的相关知识从理论上计算出所需的换热面积。板片选择了人字形波纹板，流程组合采用了单流程、全逆流，用 CFD 软件对人字形波纹板片在板间流速为 3m/s、5m/s、6.5m/s、7.5m/s 时的流场进行了仿真，作为板间流速及流道数的选择提供依据。最终结果表明，在压降允许的条件下，板间流速可选择大于5m/s，因此时流道内的涡旋现象发展充分，可有效增强空气与板片的对流换热。最终，利用 HTRI 软件对理论设计进行了仿真验证，仿真计算结果显示误差较小（总传热系数的误差仅为0.21），证实了所设计的换热器的可行性。
（3）结合烘干过程中含水率非线性变化的特点，提出了用采用模糊 PID 控策略来控制印染布料烘干后的含水率，并利用STEP 7编写了模糊PID 控制的程序。模糊 PID 控制应用于原系统上，结果表明烘干系统的含水率控制效果得到改善，可基本稳定在设定值上，有利于烘干系统的节能。
（4）采用组态王软件对加入换热器后的烘干系统进行模拟仿真，并依据能量守恒模型和含水率控制模型编程实现个工艺参数之间的计算。最终完成加换热器后系统的能耗仿真计算。仿真计算结果显示加换热器后其节能率可达7.7%，满足换热器设计指标中的 6%。
印染布料烘干过程节能系统的设计有助于节约能源、提高能效比，并且还能提高烘系统的自动化水平，简化工人操作，有着广阔的市场前景和良好的社会、经济效益。
参考文献（略）