WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Исследование влияния реверсивности потока на процесс сушки было проведено Шубиным Г.С., который указывает на увеличение продолжительности процесса сушки при реверсировании потока, объясняя это тем, что при изменении направления циркуляции резко изменяются параметры среды и материала в зоне штабеля, со стороны которой до этого проводилась циркуляция. В связи с этим автор предлагает использовать комбинированный характер циркуляции, принимая на первой стадии процесса реверсивную, а в дальнейшем, при достижении определенной влажности, проводить нереверсивную циркуляцию, которая в этом случае, помимо уменьшения конечной неравномерности, упрощает процесс проведения сушки и улучшает условия работы двигателей.

Вместе с тем, анализ литературных данных позволяет сделать вывод о том, что древесина достаточно хорошо изучена как объект сушки. В справочной литературе довольно подробно рассмотрены структурно-сорбционные и массопроводные характеристики древесины: имеются эмпирические зависимости теплофизических, влажностных и термодинамических характеристик, представленные в графической форме. Широко исследован механизм переноса влаги в древесине в процессе сушки. В литературе содержатся сведения о реологических свойствах древесины основных пород, освещается механизм образования внутренних напряжений, а также излагаются экспериментально-теоретические методы анализа напряженного состояния древесины во время и после сушки.

Поэтому на базе современных представлений о сорбционно-кинетических и тепловых свойствах древесины является целесообразным исследование процессов, протекающих при вакуумно-конвективной сушке пиломатериалов, совершенствование действующих и создание новых высокоэффективных вакуумных аппаратов, позволяющих получать равномерную по штабелю конечную влажность, а также разработка новых ресурсо- и энергосберегающих технологий и их аппаратурного оформления.

Во второй главе рассмотрена физическая картина и разработана математическая модель процессов конвективной сушки листовых материалов в условиях вакуумных аппаратов и представлен алгоритм расчета процесса конвективного тепломассообмена при вакуумно-конвективной сушки и создана инженерная методика расчета вакуумно-конвективной сушильной камеры.

Согласно блочному принципу построения математической модели процесса, совокупность физических явлений, составляющих исследуемый способ сушки, рассматривается решая внешнюю – тепломассоперенос в среде теплоносителя и его тепломассообмен с материалом, и внутреннюю задачи – тепломассоперенос внутри материала.

При решении внешней задачи вначале исследуют гидродинамическую обстановку в аппарате, а затем переходят к изучению кинетики массо- и теплопередачи с учетом выявленных гидродинамических условий модели. Для выявленной структуры потоков в процессах сушки пиломатериалов при конвективных методах теплоподвода, основными характеристиками являются разность парциальных давлений паров удаляемой влаги над поверхностью влажного материала и в окружающей среде и интенсивность подвода тепла конвекцией. При этом парциальное давление компонента и температурное поле окружающей среды определяются системой дифференциальных уравнений переноса массы и энергии с объемными источниками массы и тепла.

Для решения совмещенной задачи удаления влаги из материала при его конвективном обтекании горячим воздухом или перегретым паром температурное поле окружающей среды определялось с помощью дифференциального уравнения переноса энергии, которое с учетом теплообмена с материалом, представлено в виде выражения

. (1)

Учитывая необходимость экономии вакуумного пространства аппарата, конвективный нагрев материала в нем является сложной задачей, решение которой должно обеспечить как максимальное заполнение камеры высушиваемой древесиной, так и создание равномерного подвода тепловой энергии к штабелю во всем пространстве сушильной камеры.

Наиболее рациональной формой вакуумных аппаратов является цилиндрическая обечайка, поэтому движение теплоносителя относительно штабеля пиломатериалов в процессе конвективного нагрева может осуществляться как в продольном, так и в поперечном направлении с формированием гидродинамического тракта в сегментных зазорах, образованных корпусом аппарата и боковыми перегородками. При этом сегментные зазоры используются для расположения в них калориферов для нагрева среды (рис. 1).

При создании поперечной циркуляции основной задачей является обеспечение равномерного распределения сушильного агента относительно штабеля пиломатериалов. Решение данной проблемы совпадает с гидравлической задачей о течении газа по каналам с путевым расходом. На практике создание равномерности потока происходит путем установки выравнивающих устройств: сеток, решеток, жалюзийных направляющих с целью выравнивания скоростей потока в различных точках штабеля.

Решение одномерной задачи обтекания калорифера агентом сушки может быть представлено в виде

(2)

Скорость агента сушки в выражении (2) зависит от характера циркуляции теплоносителя относительно штабеля пиломатериалов:

  • при продольной циркуляции скорость агента сушки остается постоянной по всей длине сегментного зазора и зависит от скорости теплоносителя при прохождении вдоль штабеля пиломатериалов

. (3)

  • при поперечной циркуляции скорость агента сушки при движении вдоль калорифера уменьшается, вследствие расхода через перфорированную боковую стенку. С достаточной для подобных расчетов точностью изменение скорости сушильного агента можно принять ступенчатым (постоянной в пределах одной зоны и скачкообразно уменьшающейся при переходе в следующую зону)

. (4)

Начальные условия для решения уравнений (1) и (2) могут быть представлены выражениями

,. (5)

Граничным условием для решения дифференциального уравнения (2) является значение температуры фронта среды после её прохождения через штабель пиломатериалов и наоборот: значение температуры фронта среды после её прохождения через калорифер является граничным условием для решения уравнения (1). При этом под понятием «фронта среды» понимается граница раздела значений температуры предыдущего и текущего момента времени:

. (6)

При решении проблемы с продольной циркуляцией теплоносителя задача может быть упрощена и изменение температуры фронта среды при прохождении через калорифер может быть определена из теплового баланса процесса прогрева сушильного агента в точке выхода из калорифера. Отсюда, граничное условие для решения дифференциального уравнения (1) при продольном обтекании штабеля

. (7)

При прохождении вдоль пиломатериала теплоноситель отдает свое тепло древесине, в результате чего материал прогревается. Теплообмен между теплоносителем и пиломатериалом (при учете термического сопротивления последнего) происходит в сочетании с теплопроводностью внутри материала. Аналитический расчет процессов сушки и нагревания коллоидных капиллярнопористых тел основывается на решении дифференциальных уравнений тепломассопереноса. Для описания изменения во времени полей влажности и температуры по толщине пиломатериала воспользуемся уравнениями, предложенными А.В. Лыковым в следующей форме:

, (8)

. (9)

В процессе прогрева древесины в среде, температура которой ниже точки кипения воды при данном давлении в аппарате, внутри пластины отсутствуют фазовые превращения, тогда, критерий парообразования в уравнении (2.17) равен нулю и дифференциальное уравнение сводится к уравнению теплопроводности Фурье

. (10)

Краевые условия для решения системы дифференциальных уравнений (8) и (10) могут быть записаны в следующем виде

начальные условия

U ( 0; x ) = U0, Tм ( 0; x ) = Tм.0,. (11)

граничные условия

, (12)

. (13)

Изменение плотности паров среды при прохождении над i-отрезком поверхности материала определяется из выражения

. (14)

Для расчета представленной математической модели процессов конвективного тепломассообмена в условиях вакуумных аппаратов разработан алгоритма расчета. Алгоритм расчета состоит из четырех блоков. Расчет начинается с ввода исходных данных, представляющих собой начальные условия процесса, теплофизические характеристики материала и теплоносителя, структурные характеристики штабеля, а также параметры теплового оборудования. В первом блоке по результатам проверки конечно-разностных схем уравнений на устойчивость производится выбор шагов по времени и по координатам. Во втором блоке выбирается схема циркуляции теплоносителя (вдоль или поперек штабеля) и в результате расчета определяется температура фронта среды на входе в штабель. В третьем блоке производится расчет изменения температуры и влажности фронта теплоносителя по мере прохождения над поверхностью пиломатериала. В четвертом блоке осуществляется расчет полей температуры и влагосодержания внутри материала.

По результатам решения разработанной математической модели можно выбрать рациональные параметры ведения процесса и определить некоторые конструктивные особенности вакуумной камеры сушки. Для более детального определения конструкции вакуумно-конвективной сушильной камеры разработана инженерная методика расчета, которая позволяет рассчитать основные характеристики обечайки, вентилятора, калориферов, вакуумного насоса, конденсатора, размеры перфораций боковых решеток для создания равномерного теплоподвода и др.

В третьей главе представлено описание экспериментальных установок и методики проведения исследований, а также изложены результаты математического и физического моделирования процессов вакуумной сушки пиломатериалов с конвективными способами подвода тепла, приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических зависимостей, установлена адекватность разработанной модели реальному процессу.

Для проведения экспериментальных исследований по распределению материальных и тепловых потоков внутри вакуумно-конвективных камер была создана лабораторная конвективная сушилка, в которой могут быть реализованы продольная и поперечная схемы обтекания пиломатериалов теплоносителем.

Для исследования кинетики вакуумной сушки древесины, когда в качестве агента сушки используется газообразная среда, была создана экспериментальная установка.

С помощью данных установок были получены значения недостающихся коэффициентов, использующихся в математической модели, и проведен сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных с целью определения возможности использования разработанной модели для теоретических исследований указанных процессов. Погрешность расчета по разработанным моделям находится в пределах 29 %.

В результате математического моделирования были получены рекомендации по режимным параметрам исследуемых процессов и конструктивным особенностям вакуумно-конвективных аппаратов сушки.

Моделирование стадии прогрева пиломатериала показало, что продольная циркуляция сушильного агента относительно штабеля может приводить к неравномерной сушке по длине пиломатериала, что объясняется снижением температуры теплоносителя (рис. 2) и повышением его относительной влажности при движении вдоль доски. Результаты математического моделирования нестационарного теплообмена между агентом сушки и калорифером при поперечной циркуляции по схеме, представленной на рис. 1б, с двусторонним расположением калориферов также выявили неравномерность температурного поля среды по длине штабеля (рис. 3). Это обусловлено значительным повышением температуры при обтекании калорифера, расположенного вдоль нагнетательного канала вентилятора. Схема циркуляции с постоянным путевым расходом приводит к тому, что по мере прохождения вдоль калорифера снижается скорость агента сушки, вызывая существенное повышение температуры последнего, поэтому зона штабеля, отстоящая от вентилятора, нагревается быстрее. Наиболее равномерное удаление влаги по штабелю пиломатериалов обеспечивается при поперечной схеме обтекания и установке нагревательных элементов теплового оборудования во всасывающем канале вентилятора. При этом стадию прогрева при осциллирующих технологиях сушки целесообразно вести при высоких степени насыщенности и температуре среды, ограниченной предельной величиной градиента влажности и значением температуры, оказывающим негативное влияние на физико-механические свойства древесины.

Исследование температурных режимов выявило возможность подбора температуры среды таким образом, чтобы при соответствующей продолжительности процесса температура не оказывала влияние на физико-механические свойства древесины. Так при конвективной сушке соснового пиломатериала в разреженной среде температурой 80 °С продолжительность сушки составляет менее 40 часов, что не влияет на физико-механические свойства древесины (рис.2).

Моделирование стадии сушки при пониженном давлении проводилось с целью исследования влияния глубины вакуума в камере на процесс тепломассопереноса. При моделировании процессов конвективной сушки пиломатериалов в разреженной среде были проведены исследования, в которых варьировалось значение остаточного давления среды на стадии сушки в интервале 30 – 100 кПа, температура среды поддерживалась на уровне 359 К. Полученные кривые сушки березовых пиломатериалов представлены на рис. 2. Как видно из характера кривых сушки снижение давления среды значительно интенсифицирует удаление влаги из пиломатериала, что особенно заметно при испарении свобод ной влаги. В тоже время глубокое разрежение среды (35 кПа) не позволяет максимально сократить продолжительность процесса, что объясняется значительным уменьшением коэффициента теплоотдачи между теплоносителем и влажным материалом (рис. 3).

Анализ кривых скорости сушки показывает, что при падении влагосодержания древесины ниже 25% пониженное давление среды приводит к снижению интенсивности удаления влаги. В связи с этим процесс конвективной сушки в среде разреженного теплоносителя целесообразно проводить в два этапа: при удалении свободной влаги давление в аппарате поддерживать на определенном постоянном значении; при снижении влагосодержания древесины ниже 25% производить повышение давления в зависимости от породы, текущей влажности и толщины сортимента.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»