CC BY
11
Науковий вкник, 2004, вип. 14.4
3. Семенишин G.M., Троцький В.1., Федорчук-Мороз В.1. Кiнетика екстрагування олп з насшня щирицi загнуто!// Вiсник НУ '^bBÍBCbKa пол^ехшка": Хiмiя, технологп речовин та ix застосування. - 2003, № 488. - С. 200-205.
4. Семенишин С.М., Троцький В.1., Гойсак Н.М., Сеньк1в В.М. Мехашзм i юнети-ка екстрагування олп з насiння рiпаку i виноградно! кiсточки. Тези доповiдей Х мiжнародноi конференцп "Вдосконалення процесiв та апаратив xiмiчниx та харчових виробництв" (1ССЕ-99), Львiв, 1999. - С. 65-66. _
УДК 66.047 Проф. Я.М. Ханик, д-р техн. наук;
В.М. Кузьма - НУ "Льв1вська полтехшка";
доц. В.М. Гербей, канд. техн. наук - УкрДЛТУ
Г1ДРОДИНАМ1КА ПРИ СУШ1НН1 ЛИСТОВИХ МАТЕР1АЛ1В ШЛЯХОМ ВИМУШЕНОГО РУХУ ТЕПЛОНОС1Я КР1ЗЬ
ПОРИСТУ СТРУКТУРУ
Розглянуто результати теоретичних та експериментальних дослщжень пдроди-намiки при сушшш листових матерiалiв шляхом вимушеного руху теплоносiя крiзь пористу !х структуру.
Prof. Ya.M. Khanyk; eng. V.M. Kuzma - NU "L'vivs'ka politekhnika";
doc. \V.M. Gerbey - USUFWT
Hydrodynamics at drying deciduous materials by compulsory movement of the heat-transfer medium through their porous structure
In clause is considered results of theoretical and experimental researches of hydrodynamics at drying deciduous materials by compulsory movement of the heat-transfer medium through their porous structure.
Постановка питання. Метод сушшня листових MaTepianiB, названий "фшьтрацшним процесом" при обезводненш листових MaTepianiB pi3H0i структурно! модифжаци i piзно! природи, описаний в лiтepaтуpi [1].
Вш мае ряд ютотних переваг перед звичайним конвективним сушш-ням таких причин:
• наявност1 велико! внутршньо! поверхт тепло-масообмшу, яка на порядок-два перевищуе геометричну поверхню висушеного матер1алу;
• значних град1енив концентрацш;
• часткового мехатчного вииснення i винесення вологи, практично без затрат теплово! енергп;
• практично повного використання теплово! енергп нос1я.
Тaкi хapaктepнi особливостi "фiльтpaцiйного сушшня " дають змогу вести процес при "м'яких" режимах, досягти високо! якостi висушуваного ма-тepiaлу, при значнш його штенсифжацп поpiвняно з шшими методами при одночасному зниженш питомих енергетичних затрат.
Аналiз останшх дослiджень i публiкацiй показуе, що такий процес може бути усшшно використаний при сушшш листових деревинних матерь aлiв i мaтepiaлiв, сировиною для виготовлення яких е деревина. Однак при зас-тосувaннi вказаного методу для сушшня деревини необхщно вивчити пдроди-нaмiку процесу як по сухому мaтepiaлу, так i по вологому. Оскiльки пдроди-намжою визначаються як eнepгeтичнi затрати на сушшня (величина перепаду
5. 1нформацшш технологи галузi
321
тискiв) листових матер1ал1в, так 1 кшетичш особливост сушшня, як визнача-ються швидюстю руху теплоноЫя через кашлярно-пористу структуру.
Постановка завдання. Сшввщношення м1ж швидюстю руху теплоноЫя 1 необхщним перепадом тисюв для забезпечення необхщно! швидкост руху теплового агенту визначаеться доцшьшсть застосування методу в тому, чи шшому випадку.
При вивченш пдродинамжи по сухому матер1алу встановлюеться взаемозв'язок м1ж пдравл1чним опором матер1алу, швидюстю руху газу через пористу структуру 1 товщиною стшки, тобто АР = Г(ю,И). Волога пдродина-мжа - вивчення змши пдравл1чного опору, швидкост руху теплоноЫя 1 во-логост матер1алу в чаЫ в процеЫ сушшня. У даному випадку мае м1сце нес-тащонарне фшьтрацшне сушшня, осюльки АР=ф(т), ш=^(т), £,=(т), а АР, ш 1 w однозначно зв'язаш м1ж собою.
Нижче наводяться результати теоретичних 1 експериментальних дос-лщжень пдродинамжи по сухому матер1алу, осюльки в процеЫ такого сушш-ня при досягненш р1вноважно! вологост пдравл1чний ошр 1 швидкост руху теплоноЫя через матер1ал приблизно дор1внюють аналопчним величинам сухого дослщжуваного об'екту 1 результати такого дослщження дають можли-вють спрогнозувати юнетику сушшня 1 енергетичш затрати на реал1защю обезводнення.
Одним 1з важливих питань при вивченш пдродинамжи сухого матерь алу е питання узагальнення результат1в дослщжень { отримання розрахунко-вих залежностей, яю дають змогу розрахувати пдравл1чний ошр матер1алу залежно вщ швидкост руху теплоноЫя { його ф1зичних властивостей, геомет-ричних розм1р1в об'екту, його структурних особливостей.
Анал1зуючи л1тературш джерела, можна зробити висновок, що 1з велико! юлькост емшричних залежностей найбшьш зручною е штерполяцшна залежшсть [2]:
АР 2
— = Аю + Рю2, (1)
Н
у якш а Р~р.
Залежшсть (1) придатна для розрахунку пдравл1чного опору зернистого шару будь-яко! структури, яка враховуе одночасний вплив шерцшних { в'язюсних сил. Можлив1 два крайш випадки [2], коли домшуе шерцшний або в'язюсний режими. Виходячи з позици капшярно! модел1 за межами в'язюс-ного режиму залежшсть (1) можна побачити у виглядг
2
ар = рщ_ _ а _ (2)
Н 2 е
де I - коефщент тертя в канал1 на одиницю довжини зернистого шару.
I = а + Я-. (3)
Яе
Враховуючи те, що дшсна швидюсть шд = ш / е, а довжина каналу шару дор1внюе Н о/ Н 1 використовуючи екшвалентний критерш Я—, отримаемо:
322
Збiрник науково-технiчних праць
Науковий вкмик, 2004, вип. 14.4
АР _ г а рю 8
2
f (4)
Н Je 83 2 ' ()
f = а
J e
Атт \3 R (Н ^
Н 0 V в
V Н ) Ree v Н ) З позицп зовшшньо1 зaдaчi гiдродинамiки для шерцшного режиму:
(5)
Ар = Р-^-ф(8)-п-р . (6)
Н c
Найбшьш поширеною практичною залежнiстю, виходячи з позици внутр1шньо1 задачi гiдродинамiки, е залежнiсть Ергана (2):
АР = 150 .Ы +1.75.1Ц8).РЮ-. (7)
Н 83 d2 83 d
Коефiцiенти 150 i 1,75 отриманi на основi узагальнення багаточислен-них експериментальних даних.
ви61р iнтерполяцiйних залежностей (6) i (7) для узагальнення резуль-татiв по пдродинамщ при pусi повiтpя через сухi листовi газопpоникнi мате-piали базуеться на таких допущеннях:
• при рус1 газу через газопроникт листов^ матер^али вщсутнш резкий перехвд в1д ламшарного до турбулентного режим1в. Такий пеpехiд е плавним. Кр1м цього,
• с» • • с» 1 ' • U • U /—*
при одн1й 1 ий же фштивнш швидкост1 руху газу через газопроникний об ект внасл1док наявносп катляр^в р1зних д1аметр1в мае м1сце одночасно ламшарний i турбулентний режими. Тому виникае складн1сть з визначенням режиму руху газу i в1дпов1дно розрахунку залежност а = f (Re). 1нтерполяцшна залежтсть е утверсальною, оскшьки одночасно враховуе вплив сил в'язкост та iнеpцii, вщпадае необхiднiсть визначати а = f (Re) i ряд шших величин;
• при узaгaльненнi експериментальних даних за допомогою р1вняння (1) необ-х1дно розрахувати лише коефщент пропорц1йност1 А i В.
Однак виникае питання можливост застосування р!внянь в розгорну-тому вигляд1 для розрахунку пдравл!чного опору листових газопроникних матер!ал!в, знаючи 1х структурн1 характеристики. Для зернистих матер!ал!в, як стверджуеться в робот! [3], числов! значення коефщенлв, що входять у величини "А" i "В", мають постшне значення.
Як показали нaшi дослщження, при вивченнi гiдpодинaмiки кapтонiв i шпону використання р1вняння (1) 1з вказаними числовими коефiцiентaми, як1 входять у величини А i В, р1вняння (1) неможливе, оск1льки числов1 значення коефiцiентiв зм1нюються залежно в1д структурно1 модифжаци газопроникно-го мaтеpiaлу. Спроба узагальнення числових коефiцiентiв залежно в1д зм1ни питомо1 повеpхнi "a" i пористост1 "8" не дало позитивних результат, тому що загальна питома поверхня мaтеpiaлу i його ефективна питома поверхня в1др1зняються за величиною.
Бшьш повну характеристику структур! листового газопроникного ма-теpiaлу дае величина коефщента проникност1:
кп . (8)
5. Iii(|)()|)Maiiiiiiii технологи галузi
323
Вивчення пдродинамжи дослiджуваних MaTepianiB показало, що величина коефщента пpоникностi kn перебувае в межах 510-14 - 1,48-10 i чис-ловi значення коeфiцiентa пpопоpцiйностi, що входять у величини А i В, е функцiями величини коефщента kn •
Рiвняння (1) доцшьно переписати у виглядi:
АР 2
— = х - ц - ю + у - рю , (9)
Н
х'-а2 у'-а
х у(10)
S S
У результат проведених дослiджeнь встановлено, що в загальному виглядi зaлeжнiсть x i y вiд коeфiцiентa пpоникностi описуеться piвняннями, що добре узгоджуються з експериментальними даними.
X = exp(m - n - kn)-S, (11)
Y = exp(k - е- kn)-S • (12)
В границях змши kn =2-10-11 - 45-10-11
х = exp(2.5 - 9.61 -109 - kn), (13)
у = exp(11.8 - 7.1 -109 - kn)• (14)
Зaлeжностi (13) i (14) добре узгоджуються з дослщними даними. Вщ-носна похибка не перевищуе 15 %.
На основi отриманих peзультaтiв встановлено:
• використовуючи безпосередньо р1вняння (1) прогнозування пдродинамжи
сухих газопроникних матер1ал1в неможливо;
• числов1 значення коефшдеипв, що входять в р1вняння (1), не е величинами
постшними;
• коефщенти пропорцшносп х i у е функциями коефшдента проникност!
У наведених вище формулах введено таю позначення: АР - перепад тисюв, Па; ю - швидкiсть руху теплоноЫя, м/с; Н - товщина шару мaтepiaлу, м; т - час, с; w - текуча волопсть мaтepiaлу, %; А, В - коефщенти пропор-цiйностi; ц - в,язкiсть газу, Па-с; р - густина газу, кг/м3; а - питома поверхня, м /кг; s - вшьний об'ем мaтepiaлу; Re - критерш Рейнольда; Н0/ Н - вщно-
шення каналу до висоти шару; а, в - коефщенти пpопоpцiйностi; d - дiaмeтp частинки, м; х', у' - числовi значення коефщенлв; m, n, k, е - числовi значення коeфiцiентiв, що входять у величини х i у.
Лггература
1. Аксельруд Г.А., Ханик Я.М. Математическая модель фильтрационной сушки плоских объектов// Chemical Engineering. Problems of momentum, Heat and Mass Transfer, Wroclaw. - 1988, № 52. - P. 65-67.
2. Аэрив М.Э., Тодес О.М., Наринский Д.А. Аппараты со стационарным зернистым слоем. - Л.: Изд-во "Химия", 1979. - 176.
3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Изд-во "Химия", 1972. - 784.
324
Збiрник науково-техшчних праць
