МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И МЕТОД РАСЧЕТА ДИНАМИКИ СУШКИ И ТЕРМОДЕСТРУКЦИИ БИОМАССЫ
Authors: Сороковая Наталья Николаевна , Коринчук Дмитрий Николаевич 
Published: August 2018

Разработана математическая модель и численный метод расчета динамики тепломассопереноса, фазовых превращений и усадки при сушке коллоидных капиллярно-пористых тел цилиндрической формы в условиях равномерного обдува теплоносителем. Математическая модель строилась на базе дифференциального уравнения переноса субстанции (энергии, массы, импульса) в деформируемых системах. Проведены экспериментальные исследования кинетики обезвоживания частиц энергетической вербы в потоке воздуха с целью верификации математической модели. Обоснована возможность ее использования для расчета совместных процессов сушки и начального этапа термического разложения биомассы. С использованием ранее полученных данных по значениям энергии активации Аэф(Т) для различных видов биомассы проведено математическое моделирование динамики и кинетики высокотемпературной сушки в потоке дымовых газов энергетической вербы, которая сопровождается термодеструкцией гемиоцеллюлозы. Результаты численных экспериментов свидетельствуют об адекватности предложенного подхода, эффективности математической модели и метода ее реализации. На их основе возможно проводить исследование динамики тепломассопереноса при сушке частиц различных видов измельченной биомассы; определение температуры начала и окончания первой стадии термического разложения; момента достижения равновесного влагосодержания в зависимости от свойств материала и сушильного агента. Эти данные позволяют выбирать оптимальные с точки зрения сохранения энергии и качества высушиваемого продукта  режимные параметры процесса.         A mathematical model and a numerical method for calculating the dynamics of heat and mass transfer, phase transformations and shrinkage during the drying of colloidal capillary-porous cylindrical bodies under conditions of equitable winding by a coolant are developed. The mathematical model was based on the differential equation of substance (energy, mass, impulse) transfer in deformable systems. It includes the equations diffusion-filtration transfer of energy for the system as a whole, and the mass transfer of the liquid, vapor and air phases in the pores of the body. Expressions for the intensity of evaporation of a liquid, capillary pressure, and the diffusion coefficients are presented. The relative volume strain was found by means of an analytical solution of the thermoconcentration deformation equation. Based on the explicit three-layer counting difference scheme and the procedure splitting of algorithm  by physical factors, a numerical method for realizing this mathematical model is developed.Experimental studies of the kinetics of dehydration of energy willow particles in the airflow were carried out to verify the mathematical model. Its applicability for calculating combined processes of drying and of the initial stage of thermal decomposition of biomass is substantiated. Using the previously obtained data on the activation energy values for various types of biomass, a mathematical simulation of the dynamics and kinetics of high-temperature drying in the flue gas flow of energy willow was carried out, which is accompanied by thermal destruction of hemiocellulose. The results of numerical experiments indicate the adequacy of the proposed approach, the effectiveness of the mathematical model and the method of its implementation. On their basis, it is possible to study the dynamics of heat and mass transfer when drying particles of different types of ground biomass; determination of the temperature of the beginning and ending of the first stage of thermal decomposition; the moment when the equilibrium moisture content is reached, depending on the properties of the material and the drying agent. These data allow choosing the process parameters that are optimal in terms of energy saving and quality of the dried product.