CC BY
54
Известия ТулГУ. Технические науки. 2015. Вып. 5. Ч. 2 УДК 676.0(045)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ ЩЕПЫ ПРИ ОТКРЫТОМ
СПОСОБЕ ХРАНЕНИЯ
В.И. Мелехов, Д. А. Братилов, А.Н. Деснев
Рассматриваются вопросы, связанные с безопасным хранением технологической щепы на открытых складах кучевым способом. Проблема заключается в самопроизвольном нагреве щепы до температуры тления и самовоспламенения под воздействием жизнедеятельности микроорганизмов. В результате протекания процесса самонагрева, значительно ухудшается качество технологической щепы и возникает риск распространения пожара на объекте. Для предотвращения негативных последствий необходимо из массы технологической щепы отводить излишнее тепло, например, используя тепловые трубы. Представлены результаты экспериментального исследования распределения температуры и влажности щепы при открытом способе хранения, что необходимо для определения эффективных способов отвода тепла.
Ключевые слова: технологическая щепа, открытый способ хранения щепы, изотерма, влажность древесной щепы, температура тления, температура самовоспламенения.
Технологические процессы переработки древесины предусматривают измельчение цельной древесины в технологическую щепу. Хранение щепы на открытых складах осуществляется путем формирования куч. Одним из недостатков такого способа хранения является самопроизвольный нагрев щепы до температуры тления и самовоспламенения под воздействием жизнедеятельности микроорганизмов. В результате тления уменьшается содержание целлюлозы, изменяется химический состав древесины, что приводит к безвозвратным потерям значительного количества кондиционной технологической щепы. Развитие процесса тления приводит к самовоспламенению щепы и, как следствие, создает пожароопасную ситуацию.
Наиболее интенсивно щепа нагревается в центре кучи, аккумулируя значительное количество тепла. Для предотвращения процесса разогрева щепы необходимо из центральной зоны кучи своевременно отводить излишнее тепло и понижать температуру. Данную задачу можно решить с помощью системы теплоотводящих элементов, выполненную на основе тепловых труб. Опыт применение тепловых труб имеется в различных отраслях промышленности.
Для проведения исследований на открытой площадке ОАО "Соломбальский ЦБК" была сформирована экспериментальная куча технологической щепы в июле 2010 года в форме правильного конуса (рис. 1).
V«.
Рис. 1. Экспериментальная куча щепы
За время хранения размеры кучи менялись, происходила осадка. В феврале 2012 года геометрические параметры кучи составили: высота 10,2 м; радиус основания 14 м угол естественного откоса 42 градуса. 10 февраля 2012 года было проведено исследование распределения температуры и влажности внутри кучи щепы. Замеры проводились по четырем направлениям путем на глубине 2 м от боковой поверхности с шагом 0,2 м. Затем боковая часть кучи была послойно разрезана, что позволило замереть температуру и влажность вдоль вертикальной оси кучи через 0,2 м (рис. 2). Были использованы приборы: оптический высотомер; термометр контактный ТК-5.06, закрепленный на щупе; влагомер резисторного типа GMH 3830в комплекте; инфракрасный термометр Viking.
R
Рис. 2. Объект исследования: 1 - точки замеров температуры на глубине 2 м от боковой поверхности кучи; 2 - точки замеров температуры и влажности вдоль вертикальной оси; Н- высота, м; Я - радиус; а - угол естественного откоса кучи щепы
99
По статистически обработанным результатам эксперимента построен график распределения температуры по высоте кучи (рис.3). Из графика видно, что максимальная температура щепы 99,8С происходит на высоте 4,2 м от уровня площадки. В диапазоне высот от 4,2 до 10,2 м наблюдается прямопропорциональное снижение температуры до 60 С. В диапазоне высот от 4,2 до 0 °С.
я
^
с
и г-"
Температура Г,
Рис. 3. Распределение температуры внутри кучи: 1 - вдоль вертикальной оси кучи; 2 - на глубине 2 м от боковой
поверхности кучи
Были произведены замеры влажности щепы в срезах кучи по всей высоте. Результаты приведены на рис. 4. Диапазон изменения влажности от 8 до 22%. Наибольшая влажность в основании кучи, наименьшее значение на высоте 4,2 м. Результаты сравнительного анализа по всему диапазону полученных результатов показывают, что существует зависимость уровня влажности от температуры щепы. Минимальное значение влажности совпадает с максимальным значением температуры.
В соответствии с графиком распределения температуры и топографического размещения точек замеров температуры построены изотермы в объеме исследованной кучи щепы (рис. 5). Изотермы представляют собой дугообразные линии, показывающие характер распространения температуры от центра ко всем поверхностям кучи. Распределение температуры по объему кучи неравномерное. В центральной области наблюдается накопление тепла, сфокусированного в небольшом объеме, который может быть локализован и из него можно отводить тепло и понижать температуру.
0 м наблюдается стремительное снижение температуры
\ г" • к
■ т 1» >
и* 0* 1
V
О 10 20 30 40 50 60 70 Й0 90 100 110
Рис. 4. Распределение влажности вдоль вертикальной оси кучи
9 10 )1 12
Рис. 5. Распределение температуры внутри кучи щепы: 1 - точка максимальной температуры щепы 99,5°С; 2 - изотерма;
3 - траектория интенсивного теплообмена; 4 - обледеневшая щепа
Таким образом, в результате проведенных исследований можно отметить:
- в процессе открытого кучевого хранения происходит естественное разогревание массива щепы до критической температуры и может сопровождаться самовозгоранием;
- температура щепы внутри объема кучи распределена неравномерно, можно выделить локальные участки с повышенной температурой;
101
- отвод тепла из локальных участков может быть эффективно решен с помощью системы тепловых элементов на основе тепловых труб, устанавливаемых в кучу щепы при ее формировании.
Мелехов Владимир Иванович, д-р техн. наук., проф., v.melekhov@narfu.ru, Россия, Архангельск, Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова,
Братилов Дмитрий Александрович, канд. техн. наук., доц., Dmitry-Bratilov@yandex.ru, Россия, Архангельск, Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова,
Деснев Александр Николаевич, асс., a desnev@sovintel.ru, Россия, Архангельск, Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова
EXPERIMENTAL RESEARCH OF THE PATTERNS OF TEMPERATURES AND MOISTURE OF WOOD CHIPS STORED IN THE OPEN AIR.
V.I. Melekhov, D.A. Bratilov, A.N. Desnev
The article deals with questions of safe storage of technological wood chips in heaps in the open air. The problem lies in spontaneous heating of wood chips up to the temperature of smoldering and self-ignition as a result of vital activity of microorganisms. Due to the process of self-heating of wood chips their quality deteriorates and there appears a risk of fire spreading through the property. To prevent the negative consequences the excess of heat should be withdrawn with the help of heat pipes, for example. Present the results of experimental research of the patterns of temperatures and moisture of the wood chips stored in the open air which is absolutely necessary for assessing effective ways of withdrawing heat.
Key words: technological wood chips, open-air storage of wood chips, isotherm, temperature, moisture, smoldering temperature, spontaneous ignition temperature.
Melekhov Vladimir Ivanovich, doctor of engineering sciences, professor, v.melekhov@narfu.ru, Russia, Arkhangelsk, Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov.
Bratilov Dmitriy Aleksandrovich, candidate of engineering sciences, docent, Dmitry-Bratilov@yandex.ru, Russia, Arkhangelsk, Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov.
Desnev Aleksandr Nikolaevich, assistant, a_desnev@sovintel.ru, Russia, Arkhangelsk, Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov
