МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПРОЦЕССОВ ТЕРМООБРАБОТКИ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ СТРУКТУР
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 5 - 30%, 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 вспомогательные затраты энергии на транспорт, рубку, распиловку исходного сырья. Выполненный анализ позволяет в масштабах страны оценить возможную экономию энергии только при сушке пиломатериалов в 1,5 - 1,8 млн. тут.
Наряду с проведением комплексных экспериментальных исследований гидродинамического совершенства существующих рабочих камер и технологических процессов как в промышленных, так и лабораторных условиях [1,2,], также особенно эффективно применение методов математического моделирования сушильных и смежных процессов с помощью вычислительной техники. В исследовании нестационарных полей влагосодержания и температуры в работе использовалась известная математическая модель Лыкова А.В [3] , базирующаяся на системе нелинейных дифференциальных уравнений для нестационарного внутреннего влаго- и теплопереноса при термообработке влажных пористых материалов.
Универсальные граничные условия, предложенные в математической модели поверхностного испарения [4,5,6], учитывают снижение действительной движущей силы внешнего массопереноса за счет изменения поверхностного влагосодержания и интенсивность испарения. Модель поверхностного испарения описывает непрерывно как в 1-м, так и во 2-м периоде сушки весь процесс как в жестких, так и мягких условиях сушки.
При конвективной сушке капиллярно-пористого тела в форме пластины граничные условия можно записать в виде:
Критерий Дп учитывает не только реальные свойства конкретного материала, но и факторы, влияющие на массоперенос, такие как характерный размер пор, пористость материала. Критерий поверхностного испарения учитывает также реальные свойства конкретного материала:
Как термодинамические характеристики, так и коэффициенты влаго- и теплопереноса (аш, X, 5) зависят от влагосодержания и температуры, а также от вида материала. Поэтому использование в широких диапазонах изменения характеристик материала отмеченной выше системы уравнений затруднено отсутствием кинетических коэффициентов.
Эта аналогия обусловила в работах [3,7] название коэффициента аш как коэффициента потенциалопроводности массопереноса, поскольку коэффициент температуропроводности ар можно назвать коэффициентом потенциалопроводности теплопереноса.
Для повышения достоверности проектирования конвективных сушильных установок необходимы углубленные исследования по влиянию различных факторов на интенсивность внешнего теплообмена. Отрывочные и противоречивые опытные данные [Смагин В.В., Вайнберг Р.Ш., Бояршинов Б.Ф., Данилов О.Л.] по влиянию поровой структуры сушимого материала и физических свойств испаряемой жидкости, а также существенные отличия в значениях коэффициентов теплоотдачи при испарении из капиллярно-пористых тел и при вдуве в пограничный слой инертного газа вызывают необходимость более детального изучения физики происходящих при этом процессов.
Опытные исследования выполнялись на специально разработанном стенде, в качестве испаряемых жидкостей использовались вода, этиловый спирт и ацетон, как теплоносители, имеющие различную, например, температуру кипения, теплоту фазового перехода и плотность. При измерении осредненных характеристик динамического и теплового пограничных слоев по длине пластины с различной пористой структурой (керамика, поролон) использовались миниатюрные хромель- копелевая термопара и щелевой насадок полного давления, а также термоанемометр.
Разброс опытных данных при проведении экспериментов составил до ±8 %. Исследования подтвердили сделанные ранее предположения о влиянии на локальные коэффициенты отмеченных выше параметров. Наиболее заметное влияние пористость материалов на коэффициент теплоотдачи и интенсивность испарения различных жидкостей оказывает при высоких температурах, что наглядно представлено на рис.1а.
Величина теплового потока к поверхности при испарении воды и варьировании пористостью и температурным напором изменяется и по длине капиллярно-пористого материала. Величина коэффициента теплоотдачи (рис. 1б) снижается довольно значительно при уменьшении пористости, причем с ростом температурного напора эта разница увеличивается. Так, при уменьшении пористости до П = 0,8, величина а снижается на 20 %, а при П = 0,17 - более чем в два раза.
В исследуемом температурном диапазоне температура мокрого термометра у этилового спирта в среднем на 9 11 оС ниже, чем у воды, а у ацетона, соответственно, на 23 25 оС. Ориентировочно эти пропорции соблюдаются и при изменении коэффициентов теплоотдачи в зависимости от физических свойств исследуемых жидкостей. Опытные данные по интенсивности испарения и коэффициентам теплоотдачи могут служить тестом при оценке корректности математических моделей по отношению к реальному физическому процессу для отмеченных выше условий.
Температура основного потока при безградиентном течении в канале менялась в пределах t = 20 140 оС, число Re = 3,5-105, степень турбулентности s = 3,5 %.
По результатам измерения осредненных характеристик определялось несколько параметров, в частности, интенсивность испарения, кг/м2-ч, по соотношению:
Алгоритм решения нелинейной краевой задачи влаго- и теплопереноса в капиллярно- пористых телах (с граничными условиями 1,2,3) реализован программно на языке - «Pascal»[1]. Выполнено тестирование разработанной программы «Fields». Расчетные кривые по интенсивности испарения воды с пористой поверхности достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными, что позволяет сделать вывод о применимости данной методики расчета при различных граничных условиях к расчету интенсивности процессов испарения капиллярно-пористых структур.
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 (сосна и береза) удовлетворительно согласуются с опытными данными работы [Шубин Г.С.]. Расчет показал, в частности, что при изменении пористости материала с 0,1 до 0,5, продолжительность процесса сушки уменьшается на 12-13 %. Неучет влияния пористости (в диапазоне 0,1 и 0,5) приводит к увеличению продолжительности сушки, например, березы на 18-19 % (толщина 20 мм, шн = 100 %, шк = 12 %, tG = 50 оС), что приводит к существенному росту себестоимости готовой продукции.