CC BY
53
УДК 674.047 А.А. Федяев
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ СУШКЕ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ ЗА СЧЕТ КИНЕТИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ
Проведено комплексное экспериментальное исследование в промышленных и лабораторных условиях газодинамики сушильной камеры с целью направленного перераспределения энергоподвода в рабочей зоне финских установок фирмы «Уа1твЬ>. Численное моделирование процессов гидродинамики и тепломассообмена выполнено с помощью современного вычислительного комплекса РНОЕЫЮБ. Доказана возможность управления неравномерностью интенсивности сушки при выравнивании профилей скоростей при неизменных начальных параметрах теплоносителя.
Среди приемов энергосбережения при тепловой сушке малоизученным аспектом является энергосбережение за счет снижения технологического брака. Рассматривая эту проблему на примере таких дискретных материалов лесной промышленности, как пиломатериалы, или промышленности строительных материалов, таких, как кирпичи, можно предполагать, что снижение технологического брака, достигающего в этих отраслях промышленности величин 5-30%, за счет рационального управления кинетикой сушки дискретного материала в различных точках поперечного сечения сушильных камер позволит снизить не только прямые затраты энергии на сушку, но и вспомогательные затраты энергии на транспорт, рубку, распиловку исходного сырья. Выполненный нами анализ позволяет в масштабах страны оценить возможную экономию энергии только при сушке пиломатериалов в 1,5-1,8 млн тут.
Разработанная и одобренная Правительством РФ "Энергетическая стратегия России до 2020 г.” и принятая Правительством 17 ноября 2001 г. Федеральная целевая программа "Энергоэффективная экономика” предусматривают в числе важных приоритетов резкое повышение эффективности использования топливноэнергетических ресурсов на основе энергосберегающих технологий и оборудования, его совершенствования и рационального практического применения.
Для разработки методов инженерного расчета и создания современных энергоэффективных сушильных установок (СУ) необходима информация о процессах, развивающихся в их элементах, что невозможно без проведения широкомасштабных исследований. Нередко такая информация по своему объему недостаточна и требуется принятие конкретных технических решений в условиях неопределенности. Тогда наряду с проведением комплексных экспериментальных исследований гидродинамического совершенства существующих рабочих камер и технологических процессов, как в промышленных, так и лабораторных условиях, также эффективно применение методов математического моделирования сушильных и смежных процессов с помощью вычислительной техники.
В сушильном цехе деревообрабатывающего завода ОАО «Целлюлозно-картонный комбинат» (г. Братск) установлено 24 финских сушильных камеры «Уа!теЬ>, единичной производительностью около 15000 м3/год. СУ непрерывного действия с продольной циркуляцией сушильного агента и поперечным размещением штабелей в камере предназначены для сушки пилопродукции широкого сортимента [2] до транспортного влагосодержания 18-22% для отраслей авто-, вагоно-, сельхозмашиностроения, а также с эксплуатационным влагосодержанием 8-12% для производства мебели.
Повышение энергоэффективности крупногабаритных СУ осложняется наличием неравномерности скорости сушки, а значит, и неравномерности тепло- и массообмена в различных зонах по высоте штабелей пиломатериалов вследствие различного энергоподвода, что во многом предопределяет основные дефекты сушки: неравномерное просыхание материала по объему штабеля, а также по толщине сортимента; коробление и растрескивание пиломатериалов после сушки при наличии в высушенном материале влажностных и
упругих деформаций и ряд др. Последнее приводит не только к дополнительному росту нерасчетных капитальных и энергетических затрат, но и прямому технологическому браку (до 4%) выпускаемой пилопродук-ции. Прямой промышленный эксперимент, проведенный с целью оценки аэродинамических характеристик в одной из камер сушки, подтверждает сказанное. Скоростной режим сушилки был исследован на участке подачи и распределения сушильного агента (СА) в рабочую камеру. Поперек потока СА в рабочей зоне СУ размещалось 12 штабелей пиломатериалов (рис. 1), в каждом по 24 м3 досок и три вертикально расположенных пакета.
7 8 1 2
Рис. 1. Схема конвективной сушильной камеры: 1 - осевой вентилятор; 2 - паровой калорифер;
3 - штабель сушимого материала; 4 - загрузочное устройство; 5 - разгрузочное устройство;
6 - узел подачи и распределения агента сушки в рабочей зоне; 7 - зона подачи СА;
8 - узел рециркуляции теплоносителя
Тремя осевыми вентиляторами производительностью 70000 м3/ч каждый осуществляется продольная циркуляция СА. Установка работает с частичной рециркуляцией СА (около 4,5%), который подогревается с помощью ребристых паровых калориферов до температуры 45-65оС. Периодически с интервалом порядка 12 ч один штабель высушенного материала удаляется через герметичные двери участка подачи агента сушки, в противоположном загрузочном конце СУ подается другой.
Различная скорость сушки по высоте штабелей обуславливается, очевидно, неодинаковыми гидродинамическими условиями, что подтверждается результатами опытного исследования аэродинамики камеры на «холодных» режимах. Так, например, отмечается значительная неравномерность как продольных (вблизи торцов пиломатериалов рост скорости сушильного агента до 25%), так и вертикальных профилей скорости (падение скорости до 50%, а также наличие обратных потоков в верхней и повышение скорости почти в 2 раза в нижней части камеры) в рабочей зоне участка подачи и распределения теплоносителя (рис. 2,а).
Снижению брака из-за неравномерности сушки как по высоте, так и ширине штабеля пиломатериалов и, соответственно, снижению нерасчетных эксплуатационных расходов способствует умение управлять аэродинамической обстановкой в рабочей зоне СУ (выравнивание профилей скорости сушильного агента, а значит, и выравнивание процессов тепломассопереноса влаги по сечению материала за счет перераспределения потока теплоносителя, исключение застойных зон и т.д.). Варьирование скоростью теплоносителя однозначно приводит к пропорциональному изменению его расхода, а значит, и количества подводимого к сушимому материалу тепла.
Численные исследования процессов гидродинамики и тепломассообмена, проведенные с помощью вычислительного комплекса РНОЕИЮБ, подтверждают экспериментальные данные, что очевидно из представленного, к примеру, на рисунке 3 расчета аэродинамики рассмотренного выше узла подачи и распределения сушильного агента в трехмерной постановке. Последнее свидетельствует о широких возможностях использования расчетного комплекса и предлагаемой К-Е модели турбулентности [3] при рассмотрении подобного рода задач [4,5] с целью поиска рациональных аэродинамических режимов работы различных теплотехнологических агрегатов. Особенности данного метода и достаточно полное изложение основ представлено в работах [6-8].
3 4
Рис. 2. Существующая схема узла подачи сушильного агента в рабочую зону (а); схема узла с дополнительным распределительным устройством (б): 1 - узел подачи и распределения СА в рабочей зоне; 2 - профиль скорости СА на входе в рабочую зону; 3 - дополнительное распределительное устройство; 4 - осевой вентилятор; 5 - штабель сушимого материала; 6 - рабочая зона сушильной камеры
Поиск факторов для оптимизации аэродинамической обстановки начального (разгрузочного) участка камеры в лабораторных условиях проводился на разработанной и изготовленной в масштабе 1:50 модели СУ «Valmet». Для измерения профилей скорости использовалась прецизионная термоанемометрическая аппаратура отечественного производства, работающая в режиме постоянной температуры в комплекте с однониточным стандартным датчиком с диаметром нити 5 мкм. Осредненные профили потоков измерялись с помощью миниатюрного щелевого насадка полного давления в комплекте с микроманометром с наклонной трубкой. Скорости воздушных потоков менее 0,6—0,7 м/с замерялись с помощью термоанемометра. Режим течения - турбулентный, число Рейнольдса составило Red = 2,3-104. Направление аэродинамических потоков определялось с помощью флажка.
Рис. 3. Распределение профилей скорости в узле подачи и распределения теплоносителя сушильной установки
Как при прямом промышленном эксперименте, так и на опытном стенде измерение динамических характеристик потоков выполнялось в семи вертикальных сечениях узла подачи и распределения СА 1 (рис.
2,а). Каждое такое сечение разбивалось на 80 квадратов (поперечное сечение реальной СУ: высота - 7,7 м, ширина - 7,0 м). В каждом квадрате определялось осредненное значение скорости в направлении макси-
23G
мального вектора. Средняя скорость потока при лабораторных исследованиях в рабочей зоне составила порядка 3,5 м/с, что соответствовало скорости СА при промышленных испытаниях сушильной машины.
Эпюры скоростей в узле подачи и распределения СА как по вертикальным, так и по горизонтальным сечениям (10 горизонтальных сечений по высоте рабочей зоны - 5,3 м) наглядно показывают наличие (особенно в вертикальном сечении - непосредственно перед первым штабелем сушильного материала) обширной застойной зоны с обратным движением теплоносителя (рис. 2, а) в верхней части на входе в рабочую зону камеры 6. Это предопределяет неблагоприятные условия для сушки не только для верхнего пакета первого штабеля, но и, очевидно, для последующих штабелей сушимого материала по длине рабочей зоны.
Интенсификации тепломассообмена будет также способствовать метод (способ) укладки пиломатериалов по объему штабеля. Например, выравнивание температурного поля (рис. 4), а соответственно, и энергоподвода, по периметру элементов материала происходит за счет организации равномерных зазоров между ними.
Выравнивание профиля скорости на входе в рабочую зону перед первым штабелем пиломатериалов приведет к равномерному распределению теплового потока О, а значит, и интенсивности сушки по высоте штабеля. Для достижения этой цели была проведена серия опытов, в которых с помощью дополнительного распределительного устройства в виде фасонной пластины разной конфигурации осуществлялось перераспределение потока теплоносителя во входном сечении рабочей зоны камеры сушки.
б
Рис. 4. Распределение температур при термообработке пиломатериалов: а) с равномерными зазорами; б) без зазоров
т
[.
а
Из многочисленных вариантов были получены такие форма и место расположения распределительного устройства [10], которые позволили получить практически равномерную эпюру скорости (рис. 2,б) перед первым штабелем сушильного материала. Равномерный энергоподвод, а следовательно, и равномерная интенсивность сушки пиломатериалов позволяет не только снизить технологический брак, но и улучшить качество выпускаемой продукции за счет уменьшения пересыхания пилопродукции.
Снижение брака по указанным выше причинам только на 1% позволит в год получить дополнительно порядка 146,0 м3 кондиционной продукции на одну сушильную камеру, или около 3504 м3 в целом по заводу. Работа имеет практическое применение.
Литература
1. Эффективное использование топливно-энергетических ресурсов. Опыт и практика СССР, ВНР, ГДР и ЧССР / под ред. Д.Б. Вольфберга. - М.: Энергоатомиздат, 1983.
2. Лыков, В.М. Сушка в химической промышленности / В.М. Лыков. - М.: Химия, 1970. - 430 с.
3. Роди, В. Примеры моделей турбулентности для течения несжимаемой жидкости / В. Роди // Аэрокосмическая техника. - 1983. - Т.1. - №2. - С. 112-119.
4. Федяев, А. А. Совершенствование сопловых сушилок лущеного шпона / А.А. Федяев // Теплоэнергетика и технологии: мат-лы конф. - Каунас: Изд-во КТУ, 2000. - С. 59-62.
5. Федяев, А.А. Снижение внеплановых энергозатрат при управлении аэродинамическими режимами в топке котла / А.А. Федяев // Изв. высших учеб. заведений. Проблемы энергетики. - № 3-4. - Казань: Изд-во КГЭИ, 2000. - С. 36-40.
6. Патанкар, С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости / С. Патанкар. - М.: Энергоиздат, 1984. - 296 с.
7. Вычислительное моделирование конвективного переноса в технологических установках / С.В. Жубрин [и др.]. - М.: Изд-во МЭИ, 1986. - 44 с.
8. Мотулевич, В.П. Численные методы расчета теплообменного оборудования / В.П. Мотулевич, С.В. Жубрин. - М.: Изд-во МЭИ, 1988. - 54 с.
9. Данилов, О.Л. Экономия энергии при тепловой сушке / О.Л. Данилов, Б.И. Леончик. - М.: Энергоатомиз-дат, 1986. - 136 с.
10. Патент на изобретение №2215251. Конвективная камерная сушилка / А.А. Федяев, В.Н. Федяева, О.Л. Данилов. - По заявке №2002103457; дата пост. 06.02.2002; опубл. 27.10.2002; приоритет 06.02.2002.
---------♦-----------
УДК 621.01 Д.М. Мухаммадиев
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ДЛЯ ЧИСЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДВИЖЕНИЯ ВОЛОКНА ПО ПОВЕРХНОСТИ СЕТЧАТОГО БАРАБАНА ПРИ ВСАСЫВАЮЩЕМ ПУЛЬСИРУЮЩЕМ ВОЗДУШНОМ ПОТОКЕ
В работе рассматриваются вопросы составления и исследования уравнения движения волокна по поверхности сетчатого барабана при всасывающем пульсирующем воздушном потоке. В результате получены законы движения волокна по поверхности сетчатого барабана и установлены рациональные геометрические, кинематические и аэродинамические параметры конденсора волокна с пульсатором.
Конденсоры, отделяя волокно от воздуха, одновременно обеспечивают его уплотнение и являются простейшими волокноочистительными машинами, так как через них конденсорные (сетчатые) барабаны с отработанным воздухом выделяют часть мелкого сора, пыли и короткого волокна [1].
В задачу исследований входит изучение движения массы волокна по поверхности сетчатого барабана с постоянной и пульсирующей составляющей возбуждения при заданных геометрических и кинематических параметрах и экспериментально найденных внешних силах [2].
Расчетная схема рассматриваемой системы (рис. 1) состоит из массы т, находящейся на поверхности вращающегося с постоянной угловой скоростью барабана, имеющего радиус Я, с начальным углом р, совершающим относительно его перемещение 5 за время I
Обозначим угол падения волокна на поверхность сетчатого барабана через р, а угол съема - р. Предположим, что масса волокна в процессе передвижения меняется незначительно, и будем пренебрегать величиной сора и сорных примесей, ушедших с воздухом, из-за их малости. Для предотвращения преждевременного отрыва волокна с поверхности сетчатого барабана заслонка пульсатора выполнена таким образом, что всасывающий воздушный поток имеет, кроме пульсирующей составляющей, еще и постоянную.
Сила всасывания волокна воздушным потоком описывается следующей функцией (рис. 2):
Рв = Р0 + А ■ |сов(а-ї + ао )|, (1)
где Рв - сила всасывания, Н; Ро - ее постоянная составляющая, Н; А - амплитуда переменной составляющей силы, Н; а - угловая частота вращения пульсатора, рад/с; а - начальная фаза заслонки пульсатора, рад; Ї - время, с.
Выберем систему координат с началом в неподвижной точке О и обозначим ее ХОУ. Подвижную и относительную систему координат выбираем с началом в точке Оі на барабане. Ось Отнаправлена по касательной к диаметру. За положительное направление принимается вращение по часовой стрелке, ось Оіп перпендикулярна к оси Оіт система координат тОі п жестко связана с барабаном и, следовательно, вращается вместе с ним с постоянной угловой скоростью ю.
