ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов на основе энергосберегающих технологий и оборудования и его совершенствования предусматривается в числе важных приоритетов в Федеральной целевой программе “Энергоэффективная экономика”. Принятая правительством России 17 ноября 2001 г. данная программа на период до 2010 г. и далее в числе основных целей предусматривает значительное повышение энергоэффективности энергоемких производств, к числу которых относится и такая технологическая стадия производства строительной продукции, как ее термовлажностная обработка, не только за счет создания и совершенствования энергосберегающего оборудования, но и технологий.
Среди приемов энергосбережения при тепловой сушке малоизученным аспектом является энергосбережение за счет снижения технологического брака. Рассматривая эту проблему на примере таких дискретных материалов лесной промышленности, как пиломатериалы, или промышленности строительных материалов, как кирпичи, можно предполагать, что снижение технологического брака, достигающего в этих отраслях промышленности величин 20% и более, за счет рационального управления кинетикой сушки дискретного материала в различных точках поперечного сечения сушильных камер позволит снизить не только прямые затраты энергии на сушку, но и затраты энергии на вспомогательные (транспорт, рубку, распиловку исходного сырья и др.) операции.
Важной задачей при выявлении потенциала энерго- и ресурсосбережения в низкотемпературных теплотехнологических процессах является разработка математических моделей неравномерного тепломассообмена в рабочих камерах аппаратов и элементах оборудования с конвективным массоотводом при различных физических механизмах теплоподвода.
В работе для исследования нестационарных полей влагосодержания и температуры в процессах термовлажностной обработки термически толстых капиллярно-пористых коллоидных тел взята математическая модель, базирующаяся на системе нелинейных дифференциальных уравнений для внутреннего влаго- и теплопереноса [1]:
В математической модели поверхностного испарения [2, 3, 4] предложены универсальные граничные условия, в которых учитывается снижение действительной движущей силы внешнего массопереноса за счет изменения поверхностного влагосодержания и интенсивности испарения. Модель поверхностного испарения описывает непрерывно и в I-м, так и во II-м периоде сушки весь процесс как в жестких, так и мягких условиях сушки.
Алгоритм решения нелинейной краевой задачи влаго- и теплопереноса в капиллярно- пористых телах (уравнения 1,2) реализован программно на языке - «Pascal». Для температурных режимов, пористости, коэффициентов влаго- и теплопереноса и термодинамических характеристик пористых материалов, использованных при экспериментальном исследовании процессов испарения, выполнено тестирование разработанной программы «Fields». Для обработки выходных данных (количество численных значений более 40000) разработана программа «Picture», позволяющая представлять интегральные и текущие числовые данные в виде графиков в размерных координатах.
Результаты расчета процесса сушки различных пород древесины (например, сосны - рис.1) удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными и располагаются в диапазоне изменения влагосодержания материала вследствие изменения пористости (темный фон) в соответствующих временных интервалах продолжительности сушки.
Расчет процесса сушки сосны толщиной 25 мм выполнен при условиях: юн = 30 %, юк = 5 %, tc = 70 оС. При изменении пористости материала с 0,1 до 0,5 (рис. 1а), продолжительность процесса сушки уменьшается на 12-13 %. Эволюция полей влагосодержаний и температур представлена на рис.2.
Проведены параметрические численные исследования по оценке влияния температуры и скорости набегающего потока, а также пористости материалов на распределение полей влагосодержаний и температуры по толщине дискретных капиллярно-пористых коллоидных тел и продолжительность процесса сушки. Отмечается достаточно значительное влияние пористости материалов на продолжительность процесса сушки (до 22 %).
Основным препятствием для быстрой сушки многих материалов является их растрескивание, что обуславливается неравномерными полями температур, внутренним парообразованием и главным образом неравномерным распределением влагосодержаний, для определения которых наибольшими возможностями обладает математическая модель поверхностного испарения, как уже отмечалось выше, базирующаяся на системе нелинейных дифференциальных уравнений для внутреннего влаго- и теплопереноса [1], в результате решения которых применительно к неограниченной пластине можно получить различные соотношения в критериальной форме для параболического распределения температуры и влагосодержания внутри материала.
Если температура в любой точке тела одинакова и равна температуре мокрого термометра, то в этом случае, например, массообменный критерий Кирпичева:
Очевидно, что для исключения отмеченных выше зон необходимо выравнивать профиль скорости до пограничных значений, полученных в расчетных исследованиях (для расчётного варианта, к примеру, не более 12 % от исходного значения, рис. 3а).
Подобные и другие более сложные виды профилей скорости сушильного агента, рассмотренные в работе, со значительными перепадами скорости неоднократно фиксировались при исследованиях аэродинамической обстановки рабочих камер теплотехнологического оборудования в промышленных, а также лабораторных условиях [7].
Выполненный анализ позволяет в масштабах страны оценить возможную экономию энергии свыше 1,6 млн. т.у.т. только при сушке пиломатериалов за счет снижения технологического брака в условиях неравномерного тепломассообмена.