CC BY
4
© Н.Н. Синицын, Н.В. Телин, Л.А. Полеводова УДК 674.047.3
ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОГРЕВА ОДИНОЧНЫХ КУСКОВ ВЫСОКОВЛАЖНОЙ КОРЫ ДРЕВЕСИНЫ В ПЛОТНОМ ПРОДУВАЕМОМ СЛОЕ
Н.Н. Синицын, Н.В. Телин, Л.А. Полеводова
Череповецкий государственный университет, г. Череповец, Россия
sinitsyn@chsu. ru
Резюме: В настоящей работе на основе математической модели прогрева высоковлажных кусков коры древесины численным методом получены критериальные уравнения связи времени прогрева кусков коры с влажностью и параметрами греющего теплоносителя в процессе сушки.
Ключевые слова: Сжигание, топливо, сушка, кора, топочные устройства.
Благодарности: Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 17-48-350810.
RESEARCH OF HEATING OF SINGLE PIECES OF HIGH MOISTURE WOOD BARK IN A DENSE BLOWN LAYER
N.N. Sinitsyn, N.V. Telin, L.A. Polevodova
Cherepovets State University, Cherepovets, Russia
sinitsyn@chsu. ru
Abstract: In the present paper, the criterial equations are obtained using a numerical method for relations between bark pieces heating time, moisture and heat carrier parameters in the drying process based on heating mathematical model for high-moisture wood bark pieces.
Keywords: Burning, fuel, drying, bark, furnace units.
Acknowledgments: The study was carried out with the financial support of the Russian Foundation for Basic Research within scientific project № 17-48-350810.
Введение
В классической работе [1] при организации топочного процесса готовность древесной коры к энергетическому использованию определяется по ее влажности, которая не должна превышать 60%. Влажность коры перед подачей ее в топку оценивается экспериментально. Получены зависимости доли сжигаемой коры, необходимой для подсушки исходной коры до необходимой влажности. Сам процесс горения древесного топлива (коры) в топке разделен на четыре зависящих от температуры стадии: сушка, выход летучих веществ (элементов), возгорание газообразных летучих веществ и горение твердого углерода. Для каждой стадии выявлен свой температурный диапазон [2-4]. В работах [5,6] приведены основные временные и температурные параметры сушки, выхода летучих веществ при сжигании различных видов древесных отходов, теплота сгорания [7] Экспериментально установлено, что сушка коры происходит в диапазоне температур
308...363 К, температура начала выхода летучих веществ составляет 413 К, температура максимальной скорости реакции выхода летучих веществ равна 595.668 К [5]. Время прогрева одиночного куска коры определяется достижением температуры поверхности образца 413К. В настоящей работе получены зависимости времени прогрева одиночных кусков высоковлажной коры древесины находящихся в плотном продуваемом слое от их влажности и параметров греющего теплоносителя. Окончательные соотношения приведены к безразмерному виду и выражены через числа Фурье и Коссовича. Практическим приложением результатов настоящих исследований является организация топочного процесса в котельном агрегате.
Методика исследования
Математическая модель процесса прогрева высоковлажной коры древесины на стадиях сушки и выхода летучих состоит из системы нестационарных дифференциальных уравнений: уравнения теплопроводности, уравнения испарения влаги и выхода летучих компонентов, учитывающих перемещение фронтов испарения влаги и выхода летучих веществ. Прогрев одиночного куска коры на стадиях сушки и выхода летучих компонентов описывается сквозным уравнением теплопроводности с переменными граничными условиями третьего рода, учитывающими теплообмен конвекцией и тепловым излучением [8].
Критериальные зависимости описывающие процесс сушки высоковлажной коры древесины получены путем численного решения системы нестационарных дифференциальных уравнений. Нагрев неподвижного слоя кусковых материалов при фильтрации через него теплоносителя проводится по методике, приведенной в работах [910]. Прогрев верхних кусков материала, со стороны поступления высокотемпературного теплоносителя оценивался по методике, приведенной в работе [8]. Характерными параметрами процесса нагрева/прогрева являются: насыпная масса, влажность, порозность (пористость), толщина слоя, характерный размер куска коры, температурный интервал нагрева материала, скорость и температура просасывания продуктов сгорания, отнесенная на свободное сечение при нормальных условиях, температура материала, при которой начинают выходить летучие вещества. В качестве теплоносителя применяются отходящие дымовые газы.
Основные результаты
Выполнено математическое моделирование процесса прогрева одиночного куска коры древесины, находящегося в условиях плотного неподвижного слоя, до момента времени, когда температура поверхности материала достигнет температуры начала выхода летучих веществ. Слой коры продувается высокотемпературным теплоносителем. Выполненное моделирование позволило установить взаимосвязи между числами подобия и критериями подобия с учетом фазового перехода воды. Применение высокотемпературного теплоносителя с температурой до 1273 К, обеспечивает высокую напряженность сушильного пространства и повышение КПД сушки. Для внешней задачи одиночный кусок коры древесины приводился к одномерному телу. Температура теплоносителя на входе в плотный слой изменялась от 873 К до 1273 К. Скорость газового потока теплоносителя на свободное сечение принималась менее 100 мм по длине, толщина - 3.5 мм. Начальная температура материала изменялась от 273 К до 293 К. Относительная влажность материала изменялась от 60 до 85%. Моделирование прогрева одиночного куска коры древесины проводилось с учетом градиента температуры по его сечению, т.е. при критерии Био . а*5 „ л
В1 — —— > и, 1 (а - коэффициент теплоотдачи; 5 - полутолщина куска коры, принятого
в виде пластины или радиуса эквивалентного шара; X м - коэффициент теплопроводности влажного материала).
В рассматриваемом диапазоне температур (873-1273Ю получены зависимости числа
У ( К • О • р7 Рейнольдса Яе = го м от числа Коссовича Ко =--2—г- (Уго - скорость газа на
vt с1 • Р1 (Т г -Тф)
свободное сечение при нормальных условиях, vt - коэффициент кинематической вязкости дымовых газов среднего состава, Я = 2256,8 кДж/кг - теплота испарения влаги; О -влажность материала Р1 и Р2 - плотность сухого и влажного материала; Тг и Тф -
температуры теплоносителя и фазового перехода испарения влаги; с1 и Р1 - удельная теплоемкость и плотность сухого материала).
Диаметр (м куска коры принятого в виде эквивалентного шара (аэродинамически подобного куску коры) определяется по формуле [10]:
1,125
(м =1 тг,
— + — + —
а Ь с
где а, Ь, с - размеры куска коры в виде параллелепипеда,
Критерий подобия Коссовича показывает отношение количества теплоты, поглощенное при испарении влаги единицей объема материала, к количеству теплоты необходимого для нагревания этой единицы объема сухого материала от температуры фазового перехода влаги до температуры теплоносителя. Расчет коэффициента теплоотдачи для кусков материала, расположенных в плотном слое, выполнен с использованием формул [ 9,10 ]
№ = 0,61Яе0,67 (для Re > 200);
№ = 0,106Яе (для Re < 200).
Здесь
а •
№ =-
где - коэффициент теплопроводности дымового газа среднего состава.
Связь между Re и ^ определяется также и температурным критерием К т:
к _ Т 0~Тф Кт =- ,
т Тф - Тг
где Т0 - начальная температура материала.
Температурный критерий К т показывает отношение начальной температуры материала к температуре поверхности прогретого материала, если отсчет температуры ведется от температуры фазового перехода. Зависимости числа Fo от числа ^ и Re для образцов высоковлажного материала представлены на рис.1, 2.
Для одиночного куска коры находящегося в плотном слое расчетные данные, приведенные на рис.1, обобщены зависимостью:
Яе = 6777,83 • К1/9 • ехр(- 39,56 • К т) • Ко1
05
с точностью ± 1,8%.
В расчетах число Re изменялось от 2,011 до 18,69, скорость газового потока Уго - от 0,1 до 0,5 м/с, температура газового потока - от 600 до 1000°С.
Рис. 1. Зависимость числа Яе от чисел Коссовича Ко и Кт
Установлено, что продолжительность прогрева материала до температуры начала выхода летучих веществ существенно зависит от соотношения теплоты, расходуемой на испарение влаги, и теплоты, расходуемой на прогрев материала до температуры греющего теплоносителя. Применительно к условиям исследуемого в данной работе процесса число Ко рассматривается как заданная величина. Для исследования зависимости Бо=Ро(Ко) проведены расчетные исследования с помощью разработанной математической модели. Зависимость числа Бо от Ко с учетом представлена на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость числа Бо от критерия Косовича Ко:Ряд 1 - без учета излучающего объема; ряд 2 - с учетом излучающего объема
Линия 1 соответствует случаю, когда прогревается плотный слой неподвижного материала без учета газового объема, расположенного перед слоем. Линия 2 соответствует случаю, когда перед плотным неподвижным слоем имеется газовый объем высокотемпературных дымовых газов среднего состава. Графики соответствуют для условий кусков материала, находящихся на поверхности плотного слоя.
Расчетные данные, представленные на рис.2, полученные при прогреве кусков влажной коры, расположенных на входе теплоносителя в слой, с точностью ±1,5%, аппроксимированы зависимостью:
№ = 2,1-10~3Ко1'9,
а9 • т
где Fo = —^--число Фурье; а 2 - коэффициент температуропроводности влажного
материала; т - интервал времени до начала выход летучих веществ при температуре материала 140°С на поверхности; L - характерный размер материала (полутолщина пластины или радиус эквивалентного шара).
Обсуждение результатов
Анализ полученных данных (рис. 1 и 2) показывает, что с увеличением относительной влажности материала увеличивается время прогрева до температуры начала выхода летучих. При увеличении влажности в 2 раза время прогрева увеличивается в 3 раза. Увеличение температуры теплоносителя в 2 раза снижает скорость газового потока в 5 раз при постоянном критерии Однако, при этом в наружных слоях куска материала начинают выходить летучие, а во внутренних слоях материал еще не прогрелся до температуры фазового перехода. Поэтому при прогреве кусков необходимо уменьшить градиент температуры по сечению куска, уменьшая скорость теплоносителя через плотный слой и уменьшая температуру теплоносителя до температуры начала выхода летучих. Также необходимо уменьшить критерий Кт путем увеличения начальной температуры за счет предварительного подогрева материала.
На основании проведенных исследований разработана технологическая схема энергетического использования коры древесины в топках котлов и теплогенераторов деревообрабатывающих предприятий. Наиболее эффективной представляется двухступенчатая схема термической подготовки высоковлажной коры древесины к сжиганию в топочных устройствах. Сначала кора подсушивается отходящими дымовыми газами в сушилке перед подачей ее в топочное устройство, а затем в сушилке, совмещенной с топкой, где кора подогревается высокотемпературными дымовыми газами, забираемыми из топки котла до температуры начала выхода летучих веществ.
Выводы
1. Разработана математическая модель прогрева кусков высоковлажной коры древесины, проведено исследование прогрева высоковлажной коры деревьев в форме параллелепипеда и эквивалентного шара.
2. Разработана методика оценки времени прогрева куска коры, находящегося в неподвижном нагреваемом плотном слое.
3. Полученные математические зависимости позволяют организовывать топочные процессы с учетом времени прогрева кусков коры, находящихся на поверхности слоя до температуры начала выхода летучих веществ.
Литература
1. Головков С.И., Коперин И.Ф., Найденов В.И. Энергетическое использование древесных отходов. М.: Лесн. пром-сть, 1987. 224 с.
2. Lyubov V.K., Popov A.N., Popova E.I., Malygin P.V., Solnyshkova L.M. Wood-Based Biofuel Efficiency in the Heat Producing Installation. Lesnoy zhurnal [Forest-ry journal], 2017, no. 4, pp. 149-161. 10.17238/issn0536-1036.2017.4.149.
3. Дорняк О.Р. Математическое моделирование процесса сушки древесины // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2012. № 5. С.100-107.
4. Ermochenkov M.G. Kinetic Parameters of Wood Drying Process. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2017, no. 6, pp. 114-125. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.6.114.
5. Чернов А.А., Марьяндышев П.А., Любов В.К. Исследование различных видов биотоплива методом хроматографии газовых смесей // Вестник ЧГУ. 2015. №2(63). Март. С.44-49.
6. Исследование процесса торрефикации древесины. Любов В.К. [и др.] // Вестник ЧГУ, 2017. №3 (78). Июнь. С.38-45.
7. Maksimuk Yu.V., Ponomarev D.A., Kursevich V.N., Fes'ko V.V. Calorific Value of Wood Fuel. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2017, no. 4, pp. 116-129. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.4.116
8. Моделирование динамики выхода влаги летучих веществ в процессе нагрева древесной биомассы (коры) // Н.Н. Синицын [и др.] // Вестник ЧГУ, 2018. №2. С.47-53.
9. Промышленные печи: справочное руководство для расчетов и проектирования / Казанцев Е.Н. 2-е изд. (доп. и переработанное). М.: Металлургия, 1975. 368с.
10. Исследование конвективного теплообмена при сушке коры деревьев в плотном слое. Синицын Н.Н. [и др.] // Вестник ЧГУ, 2016. №3 (72). Июнь. С.24-28.
Авторы публикации
Синицын Николай Николаевич - д-р техн. наук, профессор кафедры Теплоэнергетика, Череповецкий государственный университет. Email: sinitsyn@chsu.ru.
Телин Николай Владимирович - д-р техн. наук, профессор кафедры Теплоэнергетика, Череповецкий государственный университет.
Полеводова Лариса Альбертовна - канд. техн. наук, доцент кафедры Математика и информатика, Череповецкий государственный университет. Email: lora.59@rambler.r
References
1. Golovkov S.I., Koperin I.F., Naydyonov V.I. Utilization of wood waste for energy / М.: Forestry, 1987. 224 р.
2. Lyubov V.K., Popov A.N., Popova E.I., Malygin P.V., Solnyshkova L.M. Wood-Based Biofuel Efficiency in the Heat Producing Installation. Lesnoy zhurnal [Forest-ry journal], 2017, no. 4, pp. 149-161. 10.17238/issn0536-1036.2017.4.149.
3. Dornyak O.R. Mathematical modeling of wood drying process. News of higher educational institutions. Lesnoy zhurnal [Forestry journal]. 2012 5: 100-107.
4. Ermochenkov M.G. Kinetic Parameters of Wood Drying Process. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2017, no. 6, pp. 114-125. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.6.114.
5. Chernov A.A., Maryandyshev P.A., Lyubov V.K. Study of biofuels by chromatography method of gas mixtures. // Cherepovets State University Bulletin No 2(63), March 2015, pp. 44-49.
6. Study of the process of torrefaction of wood. Lyubov V.K. [et al.] // Cherepovets State University Bulletin. No3 (78), June 2017, pp. 38-45.
7. Maksimuk Yu.V., Ponomarev D.A., Kursevich V.N., Fes'ko V.V. Calorific Value of Wood Fuel. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2017, no. 4, pp. 116-129. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.4.116.
8. Simulation of the dynamics of volatile substances moisture release in the process of woody biomass (bark) heating. // Sinitsyn N.N. [et al.] // Cherepovets State University Bulletin No2, 2018, pp. 4753.
9. Industrial furnaces: reference guide for calculation and design. / Kazantsev Ye.N. 2nd ed. (revised and enlarged). M.: Metallurgy, 1975. 368 p.
10. Study of convective heat transfer when drying bark in dense layer. Sinitsyn N.N. [et al.] // Cherepovets State University Bulletin No3 (72), June 2016, pp. 24-28.
Authors of the publication Nikolay N. Sinitsyn - Cherepovets State University, Cherepovets, Russia Nikolay V. Telin - Cherepovets State University, Cherepovets, Russia
Larisa Al Polevodova - Cherepovets State University, Cherepovets, Russia
Поступила в редакцию 30 мая 2018 г.
