Методика расчета прогрева высоковлажной коры древесины

Таким образом, скорость протекания процесса сушки и качество гуммировочного покрытия определяются закономерностями переноса вещества и энергии во взаимодействующих фазах. Совершенствование производственных технологий при сушке клеевых слоев связано с интенсификацией тепло- и массопереноса, со снижением расхода энергии на единицу выпускаемой продукции и повышением показателей её качества.

Список литературы

1. Коновалов, В.И. Пропиточно-сушильное и клеепро-мазочное оборудование / В.И. Коновалов, A.M. Коваль. -М.: Химия, 1989.

2. Лыков, A.B. Теория теплопроводности / A.B. Лыков. - М.: Изд-во технико-теоретической литературы, 1968.

3. Осипов, Ю.Р. Математическое моделирование сушки клеевой пленки в процессе формирования многослойного гуммировочного покрытия / Ю.Р. Осипов, C.B. Иванова // Материалы Международного форума по проблемам науки, техники и образования. - М.: Академия наук о Земле, 2004.-Т. 2.-С. 149-151.

4. Осипов, Ю.Р. Тепломассообмен процесса сушки ад-гезивов при формировании многослойного гуммированного покрытия / Ю.Р. Осипов, C.B. Иванова // Конструкции из композиционных материалов. - 2006. - № 3. - С. 49 - 57.

5. Савин, В. К. Исследование гидродинамики в пристенном пограничном слое полуограниченной струи / В.К. Савин // Инж.-физ. журнал. - 1969. - Т. 17, № 4. - С. 733 -736.

6. Шлихтинг, Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлих-тинг. -М.: Наука, 1974.

7. Юдаев, Б.Н. Теплообмен при взаимодействии струй с преградами / Б.Н. Юдаев, М.С. Михайлов, В.К. Савин. -М.: Машиностроение, 1977.

Осипов Сергей Юрьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры менеджмента Тверского государственного технического университета, докторант Череповецкого государственного университета.

Тел.: 8 (0822) 44-33-90.

Скоробогатова Анна Юрьевна - аспирантка кафедры АСУ Тверского государственного технического университета.

Рожин Сергей Павлович - аспирант кафедры теории и проектирования машин и механизмов Вологодского государственного технического университета.

Осипов Юрий Романович - заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор кафедры теории и проектирования машин и механизмов Вологодского государственного технического университета.

Белянина Анна Юрьевна - кандидат технических наук, доцент, Вологодский государственный технический университет.

Osipov, Sergey Yurievich - Candidate of Science (Technology), Associate Professor, Department of Management, Tver State Technical University, Cherepovets State University Doctorate.

Tel.: 8(0822)44-33-90.

Scorobogatova, Anna Yurievna - Postgraduate student, Department of Automatic Control System, Tver State Technical University.

Rozhin, Sergey Pavlovich - Postgraduate student, Department of Machines and Mechanisms Theory and Design, Vologda State Technical University.

Osipov, Yury Romanovich - Russia's Honored Scientist Worker, Doctor of Science (Technology), Professor, Department of Machines and Mechanisms Theory and Design, Vologda State Technical University.

Belyanina, Anna Yurevna - Candidate of Science (Technology), Associate Professor, Vologda State Technical University.

УДК 621.181

H.H. Синицын, B.A. Куигков, A.H. Нохрин, A.K. Кудрявцева МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРОГРЕВА ВЫСОКОВЛАЖНОЙ КОРЫ ДРЕВЕСИНЫ

N.N. Sinitsyn, V.A. Kushkov, A.N. Nohrin, A.H Kudryavtseva METHODS OF CALCULATION OF HIGH-HUMID BARK WARMING-UP

В статье представлена методика расчета прогрева одиночных кусков высоковлажной коры деревьев, экспериментальная установка по исследованию прогрева одиночных кусков высоковлажной коры с учетом выхода влаги и летучих.

Температурное поле, выход влаги, выход летучих, пластина, экспериментальная установка.

The article presents methods of calculation of high-humid bark single pieces warming-up, an experimental installation for studying high-humid bark single pieces warming-up taking into consideration moisture and volatile substances emission.

Temperature range, moisture emission, volatile substances emission, plate, experimental installation.

На современных фанерно-мебельных комбинатах все отходы древесины, ее обработки и переработки - опилки, стружка, древесная пыль, щепа, кроме коры, используются для получения конечного продукта - древесностружечных и древесноволокнистых плит. Поэтому возникает проблема утилизации техногенного отхода коры. При использовании коры в качестве топлива, без добавок высококалорийного топлива, возникают проблемы при обеспечении устойчивого горения в топках котлов. Поэтому возникает проблема совершенствования технологии сжигания высоковлажной коры деревьев в топках котлов.

При сжигании биотоплив резко снижаются выбросы оксидов серы, азота, летучей золы. Главными факторами, затрудняющими использование в энергетике отходов переработки древесины, является высокая влажность и неоднородный гранулометрический состав. Отходы мокрой окорки имеют исходную влажность на рабочую массу Ж; =70-85%, а после отжима 50 - 60 %. При сухой окорке =40-45 % [1]. Для выбора оптимальной технологической схемы энергетического использования биотоплива необходимо выполнить исследование его теплотехнических и гранулометрических характеристик.

Твердое натуральное топливо содержит углерод, большое количество различных углеводородных соединений, влагу, золу и т.д. При нагревании еще до воспламенения частицы происходит термическое разложение органической массы топлива с выделением летучих веществ, в состав которых входит значительное количество горючих компонентов, таких как, например, метан СН4, водород Н2, окись углерода СО и т.д. Они в значительной степени определяют условие воспламенения и горения натурального топлива. После выделения летучих остается твердый кокс, состоящий из углерода.

Процесс горения твердого натурального топлива представляет собой комплекс сложных физико-химических явлений, из которых основными являются теплообмен частиц топлива с окружающей средой, выход и горение летучих веществ -продуктов термического распада сложных органических соединений топлива, горение коксового остатка - взаимодействие между углеродом кокса и газовыми компонентами, диффундирующими к поверхности частицы. При этом надо учитывать внешние условия процесса, связанные с конкрет-

ной конструкцией промышленной установки или способом сжигания топлива.

Для постановки задачи о горении частицы твердого натурального топлива необходима определенная схематизация процесса [3].

Сушка представляет собой процесс, при котором влага, находящаяся в материале, переходит в газообразное состояние и удаляется в окружающую среду. Подвод теплоты осуществляется излучением и конвекцией. При протекании процесса сушки концентрация влаги в высушиваемом материале непрерывно изменяется. Между поверхностью, с которой происходит удаление влаги, и внутренними слоями материала возникает разность концентрации влаги. При подходе к поверхности тела или к некоторой границе испарения (поверхности, разделяющей влажную и сухую части материала) внутри тела влага превращается в пар, затем смешивается с сушильным агентом. Граница испарения по мере высушивания перемещается от поверхности во внутренние слои тела.

Так как для компенсации скрытой теплоты испарения влаги необходим подвод теплоты, то наряду с удалением влаги происходит нагрев высушиваемого материала. При этом возникает разность температур между поверхностью и центром, обуславливающая разность давлений в капиллярных каналах и перемещение влаги из более нагретых мест в менее нагретые. После нагрева до 100 °С влага в порах массивного тела превращается в пар, и при этом внутри материала создается более высокое давление водяного пара, чем во внешних, уже сухих слоях. Эта разность давлений приводит к дальнейшему усилению переноса влаги из внутренних слоев к наружным. При прогреве внешних сухих слоев температура материала достигает температуры начала выхода летучих веществ. При дальнейшем прогреве начинается интенсивный выход летучих веществ из сухого материала [3].

Рассмотрим нагрев плоского тела в среде с постоянной температурой. В начальный момент времени (т = 0) все точки пластины имеют одинаковую температуру Т0. Влажность пластины имеет значение Щг. Температура То меньше температуры испарения влаги Гисп = 100 °С. Коэффициенты теплопроводности и теплоемкость зависят от температуры.

То

У//////////////////////Щ

РгЛг

--5-

50

100

Рис. 1. Схема к расчету прогрева плоского тела

Расчетная схема процесса прогрева куска коры в экспериментальной установке представлена на рис. 1. Здесь ^о - площадь поверхности цилиндра; ¥г - площадь поверхности пластинки; Т0 и Т2 -температура поверхностей цилиндра и пластинки; 1 - цилиндрическая стенка; 2 - исследуемый образец коры в форме квадратной пластинки.

Задачу математически можно сформулировать так:

-Р1

дх дх

, т>0, 0<х<л;

^-б^Д|,т>0,11<х<5;

с2 • р, - , ,„2

дх дх{ дх

дх йх

дх

ау _

йх ~

к0 ехр

КТ2

0-^)5

(1т_(1УУ йУ йх с1х йх

Начальные условия: Т{(х,0) = Т2(х,0) = То; л = 5. Граничные условия: 7;(Л,Т) = Г2(П,Т) = 7;СП=сопзП

дх

0 - условие симметрии.

Расчет теплового потока на поверхности проводим по формуле

&ое=гпр-5,67

АГ ш4

юо; иоо;

•^2 +

Для расчета теплоотдачи от широкой наклонной пластины к воздуху (Рг = 0,73) существует формула [4]

N11 = 0,48[(1 + соБср)/2]  вг/'4,

в которой вг,

¡?/3 Т -Т

<5* ст ж

Ыи =

а/

А.

среднее

V Тж

число Нуссельта; / - длина пластины; ср - угол между нижней теплоотдающей поверхностью пластины и вертикалью. Формула справедлива при 105 < вг, < 109 и 0 <(р<90°. При ср = 0 пластина вертикальна, при ср = 90° - горизонтальна (тепло-отдающая поверхность обращена вниз).

В том случае, когда нагретая (теплоотдающая) поверхность обращена вверх, применяется формула

N11 = 0,54-На1'4,

справедливая для квадратных пластин при 105 <11а<2-107.

В этих формулах физические свойства среды отнесены к температуре 0,5 (Гст + Тж). За характерный размер принята сторона квадрата. Эту формулу можно применять и в том случае, когда холодная сторона пластины обращена вниз и Т <Т .

ст ж

Здесь Т1 - текущая температура до фронта испарения влаги; Т2 - текущая температура после

фронта испарения влаги; х - текущая координация; Сь рь А-ь С2> Р2> - коэффициенты (теплоемкости, плотности, теплопроводности) влажного и сухого материала; V - доля летучих веществ в прогреваемом материале; г„ - теплота испарения; бпов - тепловой поток на поверхности пластины; 8пр - приведенный коэффициент излучения системы тел (цилиндра и пластины); ^о и ^ - площадь поверхности цилиндра и пластинки; т - масса пластины; т - время; Е - энергия активации, 5 -

полутолщина пластины; а - средний коэффициент теплоотдачи; X - коэффициент теплопроводности воздуха; Гст - температура стенки; Тж -температура воздуха; V - коэффициент кинематической вязкости газа; g - ускорение свободного падения; Яа = Ог-Рг - число Релея; Рг - число Прандтля.

В системе уравнений два уравнения описывают прогрев влажной пластины до и после фронта испарения влаги. Третье уравнение определяет положение фронта испарения влаги. Четвертое уравнение определяет выход летучих веществ.

Решение системы (1) - (6) дает возможность получить измерение массы пластины во времени и изменение температуры по сечению пластины. Предложенная схема учитывает возникновение градиента температур по сечению с учетом изменения массы во время прогрева, сушки и выхода летучих веществ.

Установка для мониторинга массы пластины при ее нагревании приведена на рис. 2 [2].

Пластина коры древесины необходимых размеров закреплена на конце длинного плеча разно-плечих рычажных весов и уравновешивается перемещаемым грузиком на коротком плече весов. После уравновешивания весы перемещаются по столу так, что пластина из коры оказывается в середине нагреваемого объема электронагревательного устройства. Электронагревательное устройство позволяет устанавливать температуру нагрева до 1250 °С и автоматически поддерживать ее величину.

Относительная погрешность измерений находится в пределах 10" - 10"3, что соответствует техническому взвешиванию повышенной точности. Для уменьшения погрешности следует увеличивать отклонение плеча пластины, а также расстояние от зеркала до шкалы. Внешние условия при измерении следует поддерживать неизменными. Установка (рис. 2) позволяет контролировать изменение массы и температуры материала во времени.

Решение системы дифференциальных уравнений (1) - (6) осуществляется методом конечных разностей. Адаптация результатов расчета системы уравнений и экспериментальных данных позволит рассчитывать время прогрева материала в форме пластины и изменения массы во времени. Результат зависит от конкретных внешних и внутренних условий тепломассообмена частиц в форме пластин.

Рис. 2. Экспериментальная установка для мониторинга массы пластины при ее нагревании:

1 - трубка из нержавеющей стали; 2 - разноплечие рычажные весы; 3 - перемещаемый грузик; 4 - стол; 5 - электронагревательное устройство; 6 - лазерный излучатель; 7 - электромагнит; 8 - зеркало; 9 - экран; 10 - сердечник

Список литературы

1. Любое, В. К. Энергетическое использование биотоплива: учеб, пособие / В.К. Любов. - Архангельск: АГТУ, 2007.

2. Синицын, H.H. Математическая модель прогрева угольного шлама с учетом фазовых переходов и ее апробация средствами кафедры ЭП и ЭТ / H.H. Синицын, А.К.

Кудрявцева, А.Н. Нохрин, В.А. Кушков и др. // Вестник ЧГУ. - 2008. - № 4. - С. 120- 122.

3. Синицын, H.H. Теплофизические процессы при движении одиночных частиц в газовом потоке / H.H. Синицын. - Череповец: ЧГУ, 2001.

4. Теория тепломассообмена: учебник для вузов / под ред. А.И. Леонтьева. — М.: Высш. шк., 1979.

Синицын Николай Николаевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой промышленной теплоэнергетики Инженерно-технического института Череповецкого государственного университета.

Тел.: 8 (8202) 24-32-29.

Кушков Владимир Александрович - Инженерно-технический институт Череповецкого государственного университета.

Нохрин Александр Никифорович - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой электропривода и электротехники Инженерно-технического института Череповецкого государственного университета.

Кудрявцева Анна Константиновна - доцент кафедры электропривода и электротехники Инженерно-технического института Череповецкого государственного университета.

Synitsyn, Nickolay Nickolayevich - Doctor of Science (Technology), Professor, Head of Department of Industrial Thermal Engineering, Institute of Engineering and Technology, Cherepovets State University.

Tel.: 8 (8202) 24-32-29.

Kushkov, Vladimir Alexandrovich - Institute of Engineering and Technology, Cherepovets State University.

Nohrin, Alexander Nikiforovich - Candidate of Science (Technology), Associate Professor, Head of Department of Electric Drive and Electrical Engineering, Institute of Engineering and Technology, Cherepovets State University.

Kudryavtseva, Anna Konstantinovna - Associate Professor, Department of Industrial Thermal Engineering, Institute of Engineering and Technology, Cherepovets State University.

УДК 66.021.4

С.Ю. Осипов, С.П. Рожин, А.Ю. Скоробогатова, Ю.Р. Осипов

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ НА КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ

S. Y. Osipov, S.P. Rozhin, A. Y. Scorobogatova, Y.R. Osipov

ANALYSIS OF ENFLUENCE OF THE THERMAL TREATMENT REGIME PARAMETERS ON THE PRODUCT QUALITY CHARACTERISTICS

В статье описан метод и алгоритм проведения анализа влияния параметров режима тепловой обработки на эффективность процесса на основе применения метода имитационных исследований на примере обработки материалов в пропарочных камерах. Проведен анализ влияния изменения параметров режима на качественные показатели процесса по сравнению с базовым режимом.

Тепловая обработка, алгоритм, оптимизация, оптимальное управление.

The paper describes a method and algorithm of carrying out analysis of the influence of the thermal treatment regime parameters on the process effectiveness on the basis of the imitating investigations method using the example of materials treatment in the steam curing chambers. The analysis is presented of the influence of the regime parameters change on the process qualitative characteristics as compared to those in the basic regime.

Thermal treatment, algorithm, optimization, optimal control.