CC BY
4
3. ТЕХНОЛОГИ! ТА УСТАТКУВАННЯ Л1СОВИРОБН11ЧОГО КОМПЛЕКСУ
УДК 066.021 Проф. В.М. Атаманюк, д-р техн. наук; проф. Я.М. Гумницький, д-р техн. наук; астр. М.1. Мосюк - НУ "Львiвська полтехтка "
К1НЕТИКА ВНУТР1ШНЬОДИФУЗ1ЙНОГО ПРОЦЕСУ СУШ1ННЯ ПОДР1БНЕНО1 "ЕНЕРГЕТИЧНО1" ВЕРБИ
Наведено результати теоретичних i експериментальних дослiджень з визначен-ня коефiцieнта внутршньо! дифузи вологи з пор i капiлярiв частинок подрiбнено! швидкоросло! "енергетично!" верби тд час фiльтрацiйного сушiння.
Постановка проблеми. Вщомо, що Укра!на е енергетично залежною державою. На сьогодш одним !з основних палив в Укра!ш залишаеться при-родний газ - його частка в структур! споживання первинних енергоноспв складае становить 40 %. При цьому, завдяки власним ресурсам Укра!на за-безпечуе себе газом лише на 35 %, а решту необхщного обсягу потр1бно !м-портувати [1]. За даними експерпв 1нституту вщновлювано! енергетики На-цюнально! академп наук Укра!ни, розвщаних запаив нафти та газу за тепе-ршшх темтв споживання вистачить на 40-50 роюв, вугшля - близько 400 роюв [2]. Тому сучасною тенденщею розвитку економжи е перехщ вщ вичерпних первинних джерел енергп до вщновлювальних джерел енергп. Одним !з таких джерел енергп, як широко застосовують у розвинених кра!нах свггу та в Укра!ш зокрема, е швидкоросла "енергетична" верба [3]. В Укра!ш вирощують швидкорослу "енергетичну" вербу у Волинськш, Тернопшьськш, Льв!вськш та шших областях. Застосування швидкоросло! "енергетично!" верби як джерела енергп потребуе !! подр!бнення ! наступного суш!ння. Для сушшня подр!бнено! "енергетично!" верби в промисловост використовують барабанн! сушарки та киплячий шар. Вщомо, що затрати на !! висушування становлять приблизно 30 %> ус!х затрат на виробництво паливних брикепв. Тому дослщження процесу висушування з метою зменшення енергетичних затрат е актуальною проблемою. Вщомо, що фшьтрацшне суш!ння е одним !з високоефективних метод!в, суть якого полягае у профшьтровуванш теплового агенту в напрямку "вологий матер!ал - перфорована перегородка " завдяки перепаду тиск!в [4-6]. Тому для висушування подр!бнено! "енергетично!" верби ми обрали саме цей метод.
Метою роботи е дослщження к!нетики фшьтрацшного суш!ння под-р!бнено! "енергетично!" верби та визначення коефщента внутр!шньо! дифузп залежно в!д температури теплового агента.
Характеристика об'екта досл1дження. П!сля подр!бнення "енергетична" верба - це сумш частинок (рис. 1), що мають волокнисту ! здебшьшо-го цилшдричнопод!бну форму, зокрема: голкопод!бну (Ь > 20 Б), подовгасту (15 Б < Ь < 20 Б), грубу подовгувату (Ь ~ 10 Б), тонку подовгувату (5 Б < Ь < 10 Б), округлу Ь ~ 2 Б. Порист!сть такого шару матер!алу перебувае в межах
0,750 <е< 0,831 м3/м3, а початковий вологовмют свiжозрубаноl "енергетично!" верби становить а>€ = 0,6 + 2,0 кг Н2О/кгсух.м [7].
Рис. 1. Частинки подрiбненоí енергетично1' верби (збтьшено 50 х)
Дослщження кшетики фiльтрацiйного сушiння та дифузп вологи з частинок подрiбненоl "енергетично!" верби в навколишне середовище проводили на експериментальнш установцi (рис. 2) за методикою, наведеною у [8]. Температура над шаром матерiалу тдтримувалось постiйною з точнiстю ± 0,5ОС за допомогою терморегулятора РТ-100 i двох термопар, якi були розмь щенi над шаром матерiалу в рiзних точках (у цен^ контейнера i 30 мм вщ його стiнки).
Рис. 2. Схема експериментально1'установки для дослдження ктетики суштня подрiбнено'í "енергетично^'" верби: 1 - ресивер; 2 - контейнер; 3 - вимiрювальний прилад; 4 - вакуумметр; 5 - U-подiбний манометр; 6 - вакуум-насос; 7, 8 -регулю-вальний i затрний вентилi; 9 - ротаметр; 10 - вентилятор; 11 - калорифер
Результати експериментальних дослщжень. Кшетику фшьтрацшно-го сушшня подрiбненоl "енергетично!" верби наведено на рис. 3. Зм^ воло-говмюту визначали ваговим методом у розрахунку на суху масу. Як бачимо з рис. 3, кшетичш кривi мають класичний характер, тобто на них можна виок-
ремити "перший" та "другий" перюди. Однак мехашзм фiльтрацiйного су-шiння е дещо вiдмiнним [9], нiж у випадку конвективного сушiння в стащ-онарному шар^ коли в першому перiодi видаляеться вiльна волога, а в другому - зв'язана. Вщомо, що фiльтрацiйне сушiння мае зональний характер [10] i зона масообм^ перемiщаеться в напрямку руху теплового агента, внаслщок цього в шарi одночасно iснують сухий i вологий матерiал, тобто одночасно видаляеться вшьна i зв'язана волога. Частка сухого матерiалу зростае, а воло-гого зменшуеться. Тому на кiнетичнiй кривш сушiння "перший" умовний пе-рюд iснуе доти допоки тепловий агент повшстю насичуеться вологою, а з шару видаляеться однакова кшьюсть вологи внаслщок розширення зони масо-обмiну в напрямку до перфоровано! перегородки. Як тiльки зона масообм^ сягае перфоровано! перегородки, тепловий агент лише частково насичуеться вологою i кшьюсть вологи, що виноситься iз шару, зменшуеться, тому на ю-нетичнш кривiй маемо "другий" умовний перюд.
Рис. 3. Кшетика сушшня nodpi6nenoi "енергетичног" верби за рiзних температур теплового агента:
и0 = 1,74 м/с;H = 120мм; 1 -1 = 40oC; 2-1 = 60oC; 3-1 = 80oC;4-1 = 100oC.
Метод визначення коефiцieнта внутршньо1 дифузи базуеться на мате-матичному розв'язку диференцiйного рiвняння внутршньо1 дифузи. Пiд час аналiзу кiнетики було зроблено такi допущення:
• частинки подр1бнено! верби мають цилшдричну подовгувату форму (d << L);
• волога р1вном1рно розподшена в об'ем1 частинки;
• кожна частинка р1вном1рно обдуваеться повггряним потоком;
• на поверхш частинок встановлюеться концентращя вологи, що не змь нюеться в чаи.
Враховуючи те, що пористють шару е значною (е = 0,814), а тепловий агент вшьно фшьтруеться крiзь шар матерiалу, можемо допустити у першому наближеннi, що числа Bid е великими, з подальшою перевiркою 1х значення, а саму задачу звести до граничних умов першого роду. Для частинок цилш-дрично1 форми таке рiвняння мае вигляд [11]:
d®c d 2®c + 1 д®| (1)
дт ^ dr2 r dr J З граничними умовами:
c (r,°) =
— =Р(п - х) (2)
dTJr=R
— = 0
dr J r=0
—0,T) n
®(r,o) = —; —ад = —; —г— = 0;
dr
d—c (d2—c 1 3®) ®-—c ™ Bn-e~jUj'Fo
"IT = Dw + -I--® , (3)
дт ^ dr2 r dr J — - — n=1
де: DW - коефiцieнт внутршньо! дифузи, м2/с; r, R - поточний радiус i радь ус частинки, м; —, —0 - поточний i пгроскотчний вологовмiст у серединi частинки верби кг Н-О/кг сух. мат., jn - кореш характеристичного piBMH-ня., хп, х - вологовмют повiтpя бiля повеpхнi частинки, (його значення виз-начаегься з умов piвноваги хп = f (wf) i поточний вологовмют теплового агенту, кг НО/кг сух. пов.; р - коефщент масовiддачi вологи вiд частинок под-
piбненоl "енергетично1" верби до газового потоку, м/с; т - час, с, F0 = Dw-T
R
- число Фур'е.
Використовуючи наведенi вище допущення, розв'язок системи (1) -(3) може бути представлений у виглядп
— = ±Bn-e-A F (4)
® 0 ,=1
де: Bn = 4/j-, ¡п = J0(ju), J0 - функцiя Бесселя нульового порядку.
Розв'язок piвняння (4), що встановлюе залежнiсть змiни поточно! кон-центрацп в часi наведено в [11]. З гранично! умови формуеться дифузшне число Бiо (Bid = р-R/Dw), значення якого визначае кшетику процесу. Малим числам Bid вщповщае зовнiшньо-дифузiйна кiнетика. За великих чисел Bid (в дшсносп при Bid >50 [11]) юнетика визначаеться виключно внутршньо-дифу-зiйним перенесенням. 1снуе також пpомiжна область, в якш обидва механiзми перенесення юнують одночасно. Вологi частинки подpiбненоl "енергетично!" верби мiстять незначну кiлькiсть вшьно! поверхнево! вологи i в основному зв'язану вологу, яка випаровуеться у другому перюд^ Враховуючи те, що тд час практичних pозpахункiв процеив сушiння використовують сеpеднiй вологовмют у частинцi —0, який можна визначити експериментально, нами вико-ристаний метод, що базуеться на шдстановщ експериментальних даних у те-оретичш розв'язки з метою визначення коефщенту внутршньо! дифузп.
Ми використали ту обставину, що за чисел Фур'е Fo > 0,3 [11] досить обмежитися першим коренем характеристичного piвняння (видшити регуляр-ний режим). Справедливють прийнятого допущення можна встановити пере-вipкою Bid. При цьому вибираемо найбiльшi значення коефiцiента внут-
ршньо! дифузп, що становить Б"* = 3,5213-10 8 м2/с для подрiбненоl "енер-гетично!" верби, еквiвалентний дiаметр каналiв мiж частинками ¿еке = 4,63-10-3 мм , та коефiцieнта масовiддачi для умов дослiду р = 1,559 м/с розраховане найменше значення дифузшного числа Бiо становить Ыд = 5,4867-105 >> 50, що тдтверджуе чисто внутрiшньо-дифузiйний режим сушшня, i справедливiсть прийнято! нами гшотези щодо граничних умов першого роду.
Для визначення коефiцieнта внутршньо! дифузп прологарифмуемо за-лежнiсть (4) i представимо 11 у виглядi графiчноl залежностi 1п(*с/ *Г) вщ т (рис 4.). Як бачимо з графiчноl залежностi, 1п(*с/*Г) + т мае лiнiйний характер i за тангенсом кута нахилу прямих до ош абсцис можна визначити коефь щент дифузп Б*.
Рис. 4. Залежшсть 1п(*с/*Г) вiд часу сушшня
подрiбненоl " енергетичноь" верби
Б*
гяа - Я2
(5)
де tga
1п(*с/ *Г)
На рис. 5 наведено графiчну залежнiсть коефiцiента внутршньо! дифузп Б* вщ температури. Як бачимо, з ростом температури теплового агента значення коефщента внутршньо! дифузп Б* вологи з частинок подрiбненоl "енергетично!" верби в навколишне середовище зростае лiнiйно.
Рис. 5. Залежшсть коефщieнта внутрШньоь дифузи в 'д температури для шару подрШненоь "енергетичноь" верби i швидкостг руху теплового агента *=1,74 м / с
т
На рис. 5 представлено залежшсть коефiцieнта внутршньо! дифузп вiд температури для подр1бнено! "енергетично1" верби Тому 11 можна апроксимувати такою залежнютю:
Б =Б29Ъ + 0,427-Ю-10-(Т - 293). (6)
Вiдомi значення коефiцieнта дифузп вологи в навколишне середовище шд час сушiння залежать вiд структурно! будови частинок, вологовмюту i температури i для рiзних об'ектiв сушшня перебувають у межах вiд 10-6 (каш-лярно пористi матерiали) до 10-12 м/с (мало пористi матерiали) [12, 13], що ко-релюеться iз значениями, якi ми отримали.
Порiвняння значень коефiцiента внутр1шньо! дифузи, розрахованих за залежнiстю (6) з експериментально визначеними для температур (300-380 К) i швидкостi руху теплового агента (™ = 0,26 + 2,0 м/с), не перевищуе 14,3 % Висновки:
• Отримана розрахункова залежшсть дае змогу визначити коефщент дифузи вологи з частинок подр1бнено1 "енергетично!" верби в навколишне середовище в широких межах температури (вщ 300 до 380 К) [ швидкост руху теплового агента ^ = 0,26 + 2,0 м / с .
• Отримана розрахункова залежшсть дае змогу прогнозувати затрати теплово! енергц, розрахувати оитимальш параметри процесу та встановити економ1ч-ну доцшьшсть застосування фшьтрацшного методу сушшня на етат проек-тування сушильного обладнання.
Л1тература
1. Швняк Г.Г. Енергозбереження в промисловому сектор! економжи Укра!ни / Г.Г. Шв-няк // Наука та шноваци. - 2006. - № 2.
2. Кудря С.О. Законодавча база вщновлювано! енергетики в Укра!ш / С.О. Кудря // Вщ-новлювана енергетика XII столтя : матер. 10-о! ювшейно! М1жнар. наук. практ. конф. (14-18 вересня 2009 р). [Електронний ресурс]. - Доступний з http://www.ive.org.ua/conference _2009/Шгуа% 20res % 20 nikolaevka.pdf.
3. Цивенкова Н.М. Альтернативш джерела енерги: чи врятують вони Укра!ну вщ енер-гетично! залежност та еколопчно! катастрофи? / Н.М. Цивенкова, О.О. Самилш // Новини аг-ротехшки. - 2009. - № 1.
4. Гузьова 1.О. Пдродинамжа та тепло масообмш при фiльтрацiйиому сушiииi мате-рiалiв кристатчно! та аморфно! структури : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: спец. 05.17.08 - Процеси i апарати хiмiчноl технологи / НУ "Львiвська пол^ехш-ка". - Львiв, 2001. - 19 с.
5. Ханик Я.М. Пдродинамжа процесу фшьтрацшного сушшня матерiалiв, для яких властиве явище сiдання / Я.М. Ханик, Я.М. Гумницький, В.М. Атаманюк, П.В. Бшей // Науко-вий вiсник УкрДЛТУ : зб. наук.-техн. праць. - Сер.: Проблема деревообробного виробництва.
- Львiв : Вид-во УкрДЛТУ. - 1994. - Вип. 2. - С. 29-39.
6. Ханик Я.М. Пдродинамжа процесу фшьтрацшного сушшня матерiалiв, для яких властиве явище сщання / Я.М. Ханик, Я.М. Гумницький, В.М. Атаманюк, П.В. Бшей // Науко-вий вюник УкрДЛТУ : зб. наук.-техн. праць. - Сер.: Проблема деревообробного виробництва.
- Львiв : Вид-во УкрДЛТУ. - 1994. - Вип. 2. - С. 29-39.
7. Чудинов Б.С. Вода в древесине / Б.С. Чудинов. - Новосибирск : Изд-во "Наука", 1984. - 248 с.
8. Аксельруд Г.А. Кинетика фильтрационного процесса сушки / Г.А. Аксельруд, Я.Н. Ханык, В.И. Топчий // Химическая технология. - 1986. - № 5. - С. 41-46.
9. Атаманюк В.М. Дисперсш матерiали Мехашзм i юнетика фшьтрацшного сушшня / В.М. Атаманюк // Хiмiчна промисловють Укра!ни. - К., 2007. - № 4. - С. 24-29.
10. Юндзера Д.П. Сушшня паливних матерiалiв у щшьному шарi : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: спец. 05.17.08 - Процеси i апарати хiмiчноl технологи / НУ "Львiвська полггехшка". - Львiв, 2003. - 20 с.
11. Никитин Е.Е. Концепция управления энергоэффективностью систем теплоснабжения поселенный / Е.Е. Никитин, Ин-т газа НАН Украины. - К. : Изд-во "Энерготехнологии и ресурсозбережение". - 2009. - № 2.
12. Муштаев В.И. Сушка дисперсных материалов. - М. : Изд-во "Химия", 1988. - С. 352.
13. Рудобашта С.П. Массоперенос в системах с твердой фазой. - М. : Изд-во "Химия", 1980. - С. 248.
Атаманюк В.М., Гумницкий Я.М., Мосюк М.И. Кинетика внутри-дифузного процесса сушки измельченной "энергетической" вербы
Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению коэффициента внутренней диффузии влаги из пор и капилляров частиц измельченной быстрорастущей "энергетической" вербы при фильтрационной сушке.
Atamanyuk V.M., Иитпускну Ya.M., Mosyuk M.I. Kinetics of internal diffusive process of drying of the ground up "power" willow
The results of theoretical and experimental studies to determine the coefficient of internal diffusion of moisture from the pores and capillaries of the diffusion of the crushed particles rapidly growing "energy" willow during the dry filtration.
УДК 621.(548+311.24) Доц. Р.В. Зшько, канд. техн. наук -
НУ "Львiвська полiтехнiка "
ОСОБЛИВОСТ1 РОБОТИ В1ТРЯК1В З ЛОПАТЯМИ В1ТРИЛЬНОГО ТИПУ
Запропоновано класифжащю вггродвигушв з урахуванням тенденцш !х розвит-ку. Проведено ж^вняння характеристик вггродвигушв з лопатями гвинтового i в^-рильного типу. Визначено потужшсть, яку вщбирае дшянка лопат елементарно! площi тихохщного впроколеса вприльного типу.
Ключовг слова: лопат в^рильного типу, автономш впроенергетичш установки, класифжащя, оптимiзацiя профшю поверхш лопатг
Вступ. 1снування нашо! цивЫзацп полягае в нагромадженш i перет-воренш енергп за р1зних вид1в д1яльносп. Будь-яка д1яльн1сть людини е дь яльнютю економ1чною, оскшьки економжа - це процес обм1ну м1ж людьми порщями енергп або !х шформацшними в1ддзеркаленнями у вигляд1 так звано! вартосп, бо вартють - це шформащя про витрачену на виробництво товару або послуги енергп. За останшх 30-35 роюв споживання енергп в свт подвоюеться кожш 10 роюв, цим тдтверджуеться, що науково-техшчний i економ1чний розвиток - це, насамперед, розвиток енергетичний.
3i зростанням величини перероблено! енергп зростае валовий продукт, а брак енергп i неправильний !! перерозподш призводить до фшансових i економiчних криз. Тому економiчно! стабшьносп можна досягти через на-уково-техшчний розвиток, важливою складовою частиною якого е розвиток енергетичного комплексу.
Енергоспоживання, що збшьшуеться, протягом останшх десятилпъ задовольняеться здебшьшого завдяки використанню традицшних енергонось !в - вугiлля, нафти, газу, торфу, води (пдроенергетика) та атомно! енергп. Швидке зростання енергоспоживання, пашка на ринках енергоносi!в у вигля-дi стрiмкого здорожчання палива i енергi!, посилення геополiтичних, еконо-мiчних i екологiчних проблем паливно-енергетичного комплексу потребують бшьш обгрунтованого i ретельного опрацьовування принципiв використання
