Исследование внутреннего тепломассопереноса в дискретных капиллярно-пористых коллоидных материалах

и

К ЗАЩИТЕ ДИССЕРТАЦИ

УДК 536.244

ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННЕГО ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ДИСКРЕТНЫХ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ КОЛЛОИДНЫХ

МАТЕРИАЛАХ

А.А. ФЕДЯЕВ Братский государственный университет

С помощью разработанной программы на основе математической модели поверхностного испарения выполнены параметрические численные исследования по оценке влияния внешнего температурного и динамического факторов на изменение внутренних полей температуры и влагосодержания в дискретных капиллярно-пористых коллоидных материалах с учетом их пористости.

Актуальность рассмотрения вопросов экономии энергии именно при тепловой сушке обусловлена тем, что последняя характеризуется высокой энергоемкостью. В тоже время средний КПД сушильных установок редко превышает 33 %. Повышение КПД сушильных установок (СУ) вдвое позволило бы экономить ежегодно 50-55 млн. т условного топлива, что составляет около 30 % планируемого ежегодного объема экономии по стране.

Процесс парообразования при сушке существенно отличается от процессов испарения и кипения в капиллярно-пористых структурах - это нестационарный процесс, при котором определяющими характеристиками являются неравномерные в пространстве и во времени поля изменяющихся физических величин. Хотя процессам сушки, непосредственно связанным с парообразованием в пористых структурах, и изучению их закономерностей посвящено большое количество работ, основное содержание которых отражено в работах [1, 2, 3], технико-экономические показатели отечественных сушильных машин, как правило, уступают зарубежным аналогам.

При термовлажностной обработке термически толстых дискретных материалов, например, где кинетика процессов переноса сильно зависит от свойств твердых рабочих сред, наибольшими возможностями в исследовании нестационарных полей влагосодержания и температуры обладает математическая модель, базирующаяся на системе нелинейных дифференциальных уравнений для нестационарного внутреннего влаго- и теплопереноса при сушке влажных тел [3]:

дt д

Ср 0 — = —

дт дх

к-

д

дх

дш

дт

дш д

дт дх

дш

дх

дх

© А.А. Федяев

где am, к, 5 - соответственно коэффициенты потенциалопроводности,

теплопроводности и термоградиентный коэффициент; С, г, г - удельная теплоемкость, теплота фазового перехода и критерий фазового превращения.

В математической модели поверхностного испарения [4,5] предложены универсальные граничные условия, в которых учитываются снижение действительной движущей силы внешнего массопереноса за счет изменения поверхностного влагосодержания и интенсивность испарения.

Для численного решения отмеченных выше задач, содержащих системы уравнений параболического типа (1, 2), удобными и наиболее простыми являются методы конечных разностей [5]. Преобразование к разностным уравнениям исходных дифференциальных операторов с соответствующими коэффициентами переноса производится по широко распространенной трехточечной схеме с заданием тепломассообменных характеристик в "полуцелых" узлах.

Весьма эффективным для решения данных уравнений является совместное применение матричного метода "прогонки" и метода Ньютона-Рафсона, что и было положено в основу метода решения систем уравнений [4]. При данном методе решение конечно-разностной задачи в каждый момент времени выполняется для приращенных искомых потенциалов переноса (Ат и АТ) при условии минимума этих приращений, причем следующее приближение выбирается наилучшим образом в соответствии с методом Ньютона. Для этой цели исходная конечно-разностная задача предварительно преобразуется посредством дифференцирования уравнений по дискретным сеточным функциям Ю; и T;. В результате такого дифференцирования конечно-разностная задача линеаризуется и может уже быть выполнена способом решения систем алгебраических уравнений для тридиагональной матрицы коэффициентов, т.е. методом "прогонки".

В работе оптимизация неравномерного тепломассопереноса при термовлажностной обработке термически толстых капиллярно-пористых коллоидных дискретных материалов рассматривается применительно к конвективной сушке пиломатериалов в рабочих крупногабаритных камерах, так как в этом случае можно получить значительный энерго- и ресурсосберегающий эффект, поскольку технологический брак вследствие неравномерного тепломассообмена достигает 4 % и более.

Параметрические расчеты проводились на основе разработанной программы «Fields» для температурных режимов, пористости и коэффициентов влаго- и теплопереноса и термодинамических характеристик пористых материалов, использованных при экспериментальном исследовании процессов испарения [7]. Алгоритм решения нелинейной краевой задачи влаго- и теплопереноса в капиллярнопористых телах реализован программно на языке - «Delphi». В работе выполнен расчет процесса сушки различных пород древесины для условий экспериментальных данных работы [8].

Расчет процесса сушки сосны толщиной 25 мм выполнен при условиях: начальное влагосодержание = 30 %, конечное - 5 %, температура набегающего потока 70оС. При изменении пористости материала с 0,1 до 0,6 (рис. 1), продолжительность процесса сушки уменьшается на 12-13 %. На рис. 2, а и 2, б показано распределение кривых влагосодержания при сушке сосны для пористости 0,6 и 0,1 для временного интервала 32 и 37,3 часа, соответственно.

Расчет процесса сушки березы толщиной 20 мм выполнен при условиях: начальное влагосодержание 100 %, конечное - 12 %, температура набегающего потока порядка 50оС. Неучет влияния пористости (в диапазоне

0,1 и 0,5) приводит к увеличению продолжительности сушки на 18-19 %.

Рис. 1. Кривые сушки сосны толщиной 25 мм при изменении пористости

А А

0,599

б)

120,400 160,199

-А-

\ /" Ч \ А" X

/ /' ~\ \

/ /X \\ \

_ __

——

Рис. 2. Кривые распределения влаги в древесине при сушке сосны при пористости П = 0,6

Опытные данные [8] в обоих случаях достаточно удовлетворительно согласуются с расчетными при изменении пористости в соответствующих временных интервалах продолжительности сушки (для сосны 8, 16, 24, 32 часа, для березы 7, 15, 30, 37 часов).

Выводы

1. Выполнено дополнительное тестирование программы «Fields» по имеющимся экспериментальным данным по продолжительности сушки пилопродукции различного сортамента.

2. Проведены параметрические численные исследования по оценке влияния температуры и скорости набегающего потока, а также пористости материалов на распределение полей влагосодержаний и температуры по их толщине и продолжительность сушки. Отмечается достаточно значительное влияние пористости материалов на продолжительность сушки (до 22 %).

Summary

Parametrical numerical researches were executed on the examinations of the influence of external temperature and dynamic factors on the change of the internal fields of the temperature and liquid consent in discrete capillary-porous colloid materials due to elaborated program on the base of mathematical model of surface evaporation taking into account their porosity.

Литература

1. Лыков А.В. Явления переноса в капиллярно-пористых телах. - М.: Гостехиздат, 1954.

2. Лыков А.В. Тепломассообмен в процессах сушки. - М.:

Гостехиздат, 1956.

3. Лыков А.В. Теория сушки. - М.: Энергия, 1968. - 471 с.

4. Смагин В.В. Использование нестационарного энергоподвода для интенсификации процесса сушки плоских материалов: Автореф. дис... канд. техн. наук. - М., 1984. - 20 с.

5. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Терехов В.И. Конвективный теплообмен при испарении жидкости в газовый поток // Известия СО АН СССР. - Вып. 3. - № 16. - 1985. - 17с.

6. Никитенко Н.И. Исследования процессов тепло и массообмена методом сеток. - Киев: Наук. думка, 1978. - 213 с.

7. Федяев А.А., Федяева В.Н. Особенности тепло-и массообмена в капиллярно-пористых телах: Труды 1-й Международной научно-

практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)». В 4 томах. - Т.2. - М.: МГАУ, 2002. - С. 62-65.

8. Шубин Г.С. Проектирование установок для гидротермической обработки древесины. - М.: Лесная промышленность, 1983. - 272 с.

Поступила 27.04.2007