Математическое моделирование процесса контактного теплопереноса для пирогенетических установок полунеперерывного действия

УДК 674.816.2

А. В. Сафина, Н. Ф. Тимербаев, А. Р. Хабибуллина, Т. О. Степанова, Л. Ш. Асаева

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНТАКТНОГО ТЕПЛОПЕРЕНОСА

ДЛЯ ПИРОГЕНЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПОЛУНЕПЕРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Ключевые слова: математическая модель, контактный тепломассоперенос, древесный уголь, древесные частицы, тепловая

труба, пиролиз, охлаждение.

Разработана математическая модель для установки производства древесного угля, описывающая процесс регенерации тепловой энергии из зоны охлаждения древесного угля в зону пиролиза древесных отходов с применением тепловой трубы. Приведены результаты моделирования процесса контактного теплопереноса для пирогенетических установок полунепрерывного действия

Keywords: Mathematical model, contact heat and mass transfer, charcoal, wood particles, heat pipe, pyrolysis, cooling.

A mathematical model has been developed for the installation of charcoal production, which describes the process of regeneration of thermal energy from the cooling zone of charcoal to the pyrolysis zone of wood waste with the use of a heat pipe. The results of modeling the process of contact heat transfer for pyrogenetic installations of semicontinuous action.

Введение

На предприятиях лесопромышленного комплекса (ЛПК), даже на современных, образуется огромное количество древесных отходов, оказывающих отрицательное воздействие на окружающую среду. К последнему представителю таких предприятий можно отнести российско-турецкое предприятие «Kastamonu», запущенное на территории ОЭЗ «Ала-буга» в 2014. Менее чем за год эксплуатации данного предприятия на его территории скопилось большое количество древесных отходов. Одним из перспективных направлений является переработка таких отходов в древесный уголь. [1+3].

Исследования по пиролизу древесины на кафедре переработки древесных материалов КНИТУ начаты в начале 2004 г. Целью исследований была оптимальная переработка отходов деревообработки в древесный уголь и бионефть [4+6]. Применительно к средне-дисперсным отходам была разработана установка для производства древесного угля [7].

Для определения рациональных параметров установки и технологических процессов, протекающих в ней, необходимо провести моделирование этих процессов. Математическое моделирование является наиболее оптимальным с точки зрения материальных и временных затрат [8+16].

Экспериментальная часть

На (рис.1) представлена схема установки для производства древесного угля [7].

Основной частью данной установки является вертикальная реторта 1, которая имеет зону накопления 2, сушки 3, пиролиза 4, активирования 5, зоны охлаждения 6,7. Зоны изолированы между собой шиберными заслонками.

В этой установке древесные частицы из зоны сушки с температурой порядка 100 оС попадают в зону пиролиза. Температура сырья в зоне пиролиза возрастает до 500оС за счет тепла, выделяющегося в процессе экзотермических реакций. Интенсивное

термическое разложение древесины начинается с 350 оС. Подогрев до требуемой температуры осуществляется за счет передачи тепла древесного угля древесным частицам через тепловую трубу 8 [8+12].

Для проведения расчетных работ при проектировании установки необходима разработка математической модели процесса теплопереноса [13+16].

Рис. 1 - Схема установки для производства древесного угля: 1 - вертикальная реторта; 2 - зона накопления; 3 - зона сушки; 4 - зона пиролиза; 5 -зона активирования; 6,7 - зоны охлаждения; 8 -тепловая труба

Упрощенная схема теплопереноса в установке представлена в виде схемы на физической картине процесса (рис. 2). В верхней зоне установки происходит нестационарный прогрев древесных частиц от поверхности тепловой трубы, который описывается с уравнением теплопроводности Фурье II порядка, записанным для бесконечного цилиндра в виде:

дТ,

др

дт

-атдр

д 2Т

др

дг2

+1 £Т

r дг

др

1

В нижней зоне происходит охлаждение угля полученного после пиролиза, за счет испарения конденсата в тепловой трубе. Математическое описание

данного процесса представлена аналогичной формулой:

дТ

У

дт

аТ„

д 2Т

У

дг

1 дТ

+ —

г

У

дг

Рис. 2 - Физическая картина процесса: 1 - пленка конденсата; 2 - пар; 3 - верхняя зона с древесными частицами; 4 - нижняя зона с древесным углем; 5 - сборник конденсата

где Тдр, Ту - температуры, соответственно, древесных отходов и древесного угля.

Древесные частицы получают тепловую энергию от поверхности цилиндра тепловой трубы. Удельный тепловой поток можно записать уравнением Фурье I порядка:

qдр — Ядрк

dT

др

dг

г—Я

Древесный уголь отдает тепловую энергию на испарение конденсата в тепловой трубе, удельный тепловой поток также можно записать аналогичным уравнением:

Яу - Яу

dT

у

dг

г-R

где к - коэффициент потери теплосодержания древесной частицы за счет термохимической реакции

Н

к —

др

Н

уг

где Нуг - высота слоя древесного угля задается производительностью установки, Ндр - расчетная высота зоны нагрева древесного слоя рассчитывается в соответствии с уравнением теплового баланса, из соотношения:

ИДР —

ругСугТНуГ -Тк) ^

СдрТк ~ТНдр)

И

уп

где Тк - задаваемая конечная температура, до которой должны нагреваться древесные частицы. Начальные условия для протекающих процессов можно записать соотношениями:

Тдрг0)—Тидр;

Туг,0) — Ти .

Краевые условия на границах записываются в виде:

условий симметрия

дТ

ДР

дг

— 0;

дТ

у

г—0

дг

г—0

«-» ого

и граничных условий 3— рода

1

дТ

др

др

дг

г—R

Я

дТ

к

дг

— Зп 'г + Рж-С>

г—Я

дт

где }п jк - интенсивность, соответственно, парообразования, конденсации пара в тепловой трубе. Интенсивность парообразования ^ в тепловой трубе определяется градиентом температуры на теплопод-водящей поверхности, изменением температуры жидкости в тепловой трубе и скрытой теплотой парообразования.

ьуг •

дТ2

дг

1п —

г—Я

Р С дТж ~Рж Сж ——

дт

г0 ЛСп ~Сж)'Т

ж

Интенсивность конденсации пара ^ зависит от температурного напора, коэффициента теплопередачи и теплоты конденсации

Jк —

К{Тж ТЫ

г0 + (Сп ~Сж)'Тж Коэффициент теплопередачи зависит от теплопроводности слоя древесных частиц, свойств жидкости в тепловой трубе, толщины пленки конденсата и плотности пара. Изменения плотности пара в тепловой трубе, а соответственно, и давления определяются разностью интенсивностей парообразовании и конденсации

Jп

J К — VСВ 0 от

Совместное решение дифференциальных уравнений (1,2,14) при краевых условиях (7^11), описывает не только кинетику кондуктивного теплопереноса при использовании тепловой трубы, но и изменение технологических параметров (р> в самой трубе.

Анализ результатов моделирования, позволяет сделать допущение об отсутствии термического сопротивления в тепловой трубе и равенстве интен-сивностей парообразования и конденсации, т.е.

]к = jп .

Коэффициенты температуропроводности для ьтых исследуемых материалов рассчитываются по соотношению:

аТ,-

Я,

С,Р,

где а - коэффициент температуропроводности, [Дж/0С], с — теплоемкость, [кДж/кг К], р - насыпная

плотность, [кг/м3], Я - коэффициент теплопроводно-

0

сти, [Вт/мК]. Числовые значения теплофизических коэффициентов представлены в таблице 1 [17].

Таблица 1 - Теплофизические свойства исследуемых материалов

Теплоем- Насыпная Коэффици-

ев кость С!, плотность ент тепло-

а <и [кДж/кг Pi, [кг/м3] проводно-

Й К] сти Xi,

[Вт/мК]

Древе-

сины:

березы 3,0 234 0,94

осины 2,3 169 0,9

дуба 2,4 292 1,0

сосны 2,7 187 0,87

ели 2,7 162 0,87

Древес-

ный

уголь:

березы 0,75- 1,17 185-206 0,058

осины 0,75- 1,17 100-120 0,058

дуба 0,75- 1,17 150-170 0,058

сосны 0,75- 1,17 141-147 0,058

ели 0,75- 1,17 118-125 0,058

На рисунках 3,4 приведены результаты математического моделирования процесса переработки древесины сосны, при начальных температурах Т1= 100 °С, Т2= 500 °С.

350 :-

325 --

300 --

275 --

250 --

225 --

200 --

175--

150--

125--

100--

75--

50--

25--

10 20 30 40 г[м]10"3

Рис. 3 - Температурные зависимости слоя древесного угля при охлаждении:т1=0 с; т2 =180 с; т3 =900 с; т4 = 1800 с; т5 = ж

Анализ температурных кривых при охлаждении (рис. 3) и нагреве (рис. 4), позволяет рекомендовать пребывание перерабатываемых материалов в соответствующих зонах установки [1] не менее 30 минут.

Заключение

Анализ результатов моделирования показывает, что отвод тепловой энергии только в зону пиролиза позволяет охладить уголь лишь до 350оС В связи с этим возникает востребованность дальнейшего совершенствования установки производства древесного угля, с целью более эффективной регенерации

тепловой энергии, например, введенным дополнительной секции аналогичного теплоотвода в зону накопления продукта - 2.

г,°с

425 -400 -375 -г-

75 50 25

0 Н-1-1-1-1-

о 10 20 30 40 г[м]10-а

Рис. 4 - Температура слоя древесных частиц при

нагревании тепловой трубой: Tt=0 с; т2 =180 с;

т3 = 900 с; т4 = 1800 с; т5 = ос

Литература

1. И. Бронзов О.В., Уткин Г. К., Кислицин А.Н. и др. «Древесный уголь: получение, основные свойства и области применения древесного угля». - М.: Лесная промышленность, 1979. -137 с.

2. Р.Р. Сафин, Энергосбережение: современный подход к повышению эффективности деревообрабатывающих предприятий в России / Р.Р. Сафин, А.В. Беляева // Деревообрабатывающая промышленность. - 2005. - №3. -С. 11-13.

3. Сафин, Р.Р. Анализ современного состояния лесопромышленного комплекса и перспективы его развития на базе кафедр лесотехнического профиля КГТУ / Р.Г. Сафин, Р.Р. Сафин 1 Вестник Казанского технологического университета.— 2010. — №4. — С. 120-130.

4. Сафин, Р.Г. Технологическая схема подготовки жидких продуктов пиролиза древесных отходов к газификации [Текст]/ Д.В. Тунцев, Р.Г. Сафин, А.М. Касимов, Р.Г. Хисматов, И.С. Романчева, А.С. Савельев // Вестник Казанского технологического университета. -2013. - Т. 16. №21. - С. 258-260.

5. Грачев, АН. Исследование быстрого пиролиза древесины в абляционном режиме / А.Н. Грачев, Р.Г. Хисматов, Р.Г. Сафин, В.Н. Башкиров // Известия самарского научного центра РАН. — 2008. — специальный выпуск

— с. 25-29.

6. Тимербаев Н.Ф., Зиатдинова Д.Ф., Сафин Р.Г., Сафин Р.Р., Воронин А.Е., Садртдинов А.Р., Хуснуллин И.И., Установка для производства древесного угля / 2012, в.2468061.

7. Патент РФ №2582696, МПК С10В1/04(2014.01) Установка для производства древесного угля /Р.Г Сафин, Н.Ф., Тимербаев, Р.Р.Сафин и др.,2014.

8. Тимербаев Н.Ф. Современное состояние процесса пиро-генетической переработки органических веществ / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. И.И. Хуснуллин // Вестник Казанского технологического университета. — 2011. — № 14,33.— С. 169-173.

9. Пиролизная переработка отходов лесопромышленного комплекса в древесный уголь // Р.Г. Сафин, Р.Р. Зиатди-нов, А.В. Сафина, А.Р. Хабибуллина // Вестник Казанского государственного технологического университета.

- 2014. - №20-Т.17. —С .131-134.

10. Переработка отходов лесопромышленного комплекса в древесный уголь //Р.Г. Сафин, З.Г. Саттарова, А.В. Сафина, Т.Д. Исхаков, А.Р. Хабибуллина. Вестник тех-нол. ун-та, 2015 Т.18 №4. С. 151-153.

11. Сафин, Р.Г. Пирогенетическая переработка древесных материалов / Р.Г. Сафин // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. №9. - С. 88-92.

12. Р.Г. Хисматов, Р.Г. Сафин, Д.В. Тунцев, И.С. Роман-чева / Термическое разложение древесины при кондук-тивном подводе тепла / КНИТУ. 2015, с.112-7.

13. Р.Р. Сафин, Математическая модель конвективной сушки пиломатериалов в разложенной среде / Р.Р. Са-фин, Р.Р. Хасаншин, Р.Г. Сафин // Известия ВУЗов Лесной журнал. - 2006. - №4. - С. 64-71.

14.Макаров, А.А. Математическая модель термического разложения древесины в абляционном режиме / А.Н.

Грачев, Р.Г. Сафин, А.Т. Шаймуллин // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - №8. -С. 68-72.

15. Математическая модель тепломассообменных процессов, протекающих при переработке древесных отходов (статья) // Р.Г.Сафин, Р.Р. Зиатдинов, Д.А.Ахметова, А.В.Сафина, А.Р.Хабибуллина Вестник технологического университета. - 2015. Т18, №3. - С.161-163.

16. Сафин Р.Г., Степанова Т.О., Хабибуллина А.Р., Математическая модель тепломассообменных процессов, протекающих при переработке древесных отходов / УОП ФГБОУ ВО "ВГЛТУ". 2015, т.3, в.7, с.413-417.

17. Ю.Л. Юрьев Древесный уголь. Справочник / автор и составитель Ю.Л. Юрьев. Екатеринбург: Издательство <<Сократ>>. 2007. С.34.

© А. В. Сафина - к.т.н. доцент кафедры АрД КНИТУ, cfaby@mail.ru; Н. Ф. Тимербаев - д.т.н., профессор кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, tnail@rambler.ru; А. Р. Хабибуллина - аспирант кафедры ПДМ КНИТУ, almira-h@rambler.ru; Т.О. Степанова - магистрант каф. ПДМ КНИТУ, stepanova-211190@yandex.ru; Л. Ш. Асаева - студентка каф. ПДМ КНИТУ, leisanasaeva@mail.ru.

© A. V. Safina - сandidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Processing Woody Materials, KNRTU, cfaby@mail.ru; N. F. Timerbaev - doctor of engineering, professor of chair of processing of wood materials К№ЯТО, tnail@rambler.ru; A. R. Habibullina - рost-graduate student of wood materials processing department, KNRTU, almira-h@rambler.ru; Т. О. Stepanova - undergraduate of chair of processing of wood materials, KNRTU, stepanova-211190@yandex.ru; L. Sh. Asaeva - student of the department of processing of wood materials, KNRTU, leisanasaeva@mail.ru.