CC BY
12
3. ТЕХНОЛОГИ! ТА УСТАТКУВАННЯ Л1СОВИРОБНИЧОГО КОМПЛЕКСУ
УДК 674*047,3 Проф. 1.М. Озартв, д-р техн. наук;
астр. В. С. Козар - НЛТУ Украти, м. Львiв
ОСОБЛИВОСТ1 РОЗРАХУНКУ ТЕМПЕРАТУРНИХ ПОЛ1В
У ГЕЛ1ОСУШАРЦ1
Наведено теоретичш дослщження процесу конвективно-радiацiйного сушiння. Отримано рiвняння, що базуються на використанш теорп променевого тепломасооб-мiну i дають змогу розраховувати температуру в будь-якiй зонi сортимента iз враху-ванням оптичних властивостей деревини. Це дае змогу прогнозувати iнтенсивнiсть сушшня.
Ключов1 слова: конвективно-радiацiйне сушiння, гелюсушарка, гелiотермiчнi колектори, температурне поле.
Вступ. Вщомо [1], що в сонячнш сушильнш установщ мае мюце комбь новане конвективно-рад1ац1йне сушшня деревини, тобто, коли штабель пило-матер1ал1в обдувае пщгр^е пов1тря та опромшюе потж сонячного випромшю-вання, яке безпосередньо пройшло через прозоре скло передньоi та бокових стшок камери, а також частково вторинним випромшюванням вщ гел1отерм1ч-них колектор1в. Вщдачу тепла внаслщок теплопровщносп стараються припинити шляхом зменшення безпосереднього контакту об'екта сушшня 1з нагрггими конструктивними елементами сушарки. Це дае змогу не тшьки спростити математичш операцii, але й розширити можливост аналггичних розв'язюв. Зокрема, в разi нехтування втратами тепла внаслщок теплопровщ-ностi спрощуеться обчислення температурного поля у зовшшньому шарi деревини, а також ютотно полегшуеться облiк залежностi теплофiзичних парамет-рiв сушiння вiд температури агента сушшня. К^м того, нехтування теплопро-вiднiстю в умовах конвективно-радiацiйного сушшня тд час визначення нес-тацюнарних температурних полiв дае нам змогу безпосередньо перейти до розрахунку надлишкових температур, оминаючи при цьому задачi теплопро-вiдностi за рахунок оптичних характеристик шфрачервоного випромiнювання.
Об'ект та методика. Об'ектом дослiдження е мехашзм процесiв кон-вективно-радiацiйного сушiння деревини на базi сонячного випромiнювання. Для оцшювання впливу густини випромiнювання на тривалють сушiння деревини рiзних порiд у дiапазонi температур 20... 100 °С у дiапазонi довжин хвиль монохроматичного випромшювання 1.10 мкм, ми у [2] здшснили вщ-повщт обчислення iз використанням ЕОМ, що дозволило розробити i надалi використовувати отриману математичну модель для розрахунку конвектив-но-радiацiйних сушарок.
Обговорення та результати. В шженернш практицi тепловi витрати, пов,язанi з конвективним теплообмшом, набагато переважають витрати, якi зумовлеш сонячним випромiнюванням. Тим бiльше, що це мае мюце в ге-лiоустановках iз примусовою циркуляцiею нагрггого повiтря.
Науковий вкиик НЛТУ УкраТни. - 2010. - Вип. 20.10
Особливим випадком е визначення температури та побудова кшетич-них кривих нагрiвання деревних сортименпв iз врахуванням конвективно! та променево! складових теплообмiну. Зазначимо, що отримати рiвняння, якi дали б змогу розрахувати температурш поля, з допомогою простих анал^ич-них методiв дуже складно. Щоб виконати розрахунок процеЫв нагрiвання та сушiння деревини в гелюустановках iз використанням спещальних гелютер-мiчних колекторiв, потрiбно попередньо знати змшу значень спектрального коефщента поглинання Ах, показника поглинання промешв деревиною шх, коефiцiента випромшювально! здатност складових променевого теплообмiну ёх, коефщента теплообмiну ак тощо.
В умовах гелiосушiння пiд час розрахунку температурних полiв треба ввести коефщент, який враховував би вiдношення величини опромшено! по-верхнi штабеля пиломатерiалiв Еопр до величини вЫе! поверхш Б, яка бере участь в конвективно-променевому теплообмш, тобто
к/ = Ропр/ Я. (1)
Тодi залежнiсть мiж максимальною температурою 1;шах в гелiосушарцi та температурою повггря 1;с, як агента сушiння, можна записати
. = . + АЛ 'Епм •к/ (2)
'шах _ ?
аК
де: Еп.м. — густина променевого потоку на опромшенш поверхнi матерiалiв. (енергетична опромiненiсть); ак - коефiцiент комбiновaного теплообмiну.
Зауважимо, що в процес сушiння вентилятори в сонячнш сушильнiй кaмерi працювали тiльки вдень для перiодичного перемшування нaгрiтого повiтря (вентилятори вмикали щогодини на 10 хв) для регулювання рiвномiр-ностi температурних полiв всередиш сушарки.
В умовах, коли немае примусово! циркуляци, тобто конвективна скла-дова теплового потоку в процес конвективно-рaдiaцiйного сушiння в ге-люустановщ буде мiнiмaльною (в умовах природно! конвекци) або дорiв-нюватиме нулю, то з урахуванням поширення теплоти в мaтерiaлi (об,ектi су-шшня) внaслiдок теплопровiдностi можна записати для поверхш Б i за час т
атеплопров = —Х ' , (3)
ах
а вщношення рaдiaцiйноl складово! авипр до цтетопр. буде дорiвнювaти
в = Чвипр = его • Т4 = со • Т4 • ах = со • Т3 Я (4)
р = а ~ , ат = хат ~ х 'Я, (4)
Нтеплопр X__
ах
де: Я - визначальний або характерний розмiр тша (Я - товщина матерь
алу, що сушиться); X - коефщент теплопровiдностi деревини.
1накше кажучи, отриманий нами критерiй Ввипр буде враховувати радь aцiйний складник потоку тепла.
1з виразу (2) видно, що для шдвищення частки використання енерги випромiнювання доцшьно пiдвищити температуру повiтря в камерi (особливо в тих зонах сушарки, де температура поверхнi матерiалу мае велику величину). Тобто внаслщок конвективно! тепловiддачi температура матерiалу Тм (Тм= Тпм) знизиться. Це свщчить про те, що температура деревини може бути шдвищена двома шляхами: за рахунок збшьшення штенсивност опромшен-ня (додатковим встановленням гелiотермiчних колекторiв) або за рахунок шдвищення температури агента сушшня (повiтря) у сушильнш камерi.
Для оцiнювання конвективно! складово! теплового потоку в гелюсу-
В. _
шарцi, коли _ ' <1 (критерiй Бiо; Ввипр - радiацiйний критерiй,
Ввипр
— ао ■ Я 3 п „ . „ . .
5випр =--Т3, Я - характерний розмiр, к - критерiй теплопровiдностi мате-
Л
рiалу), доцiльно ввести об'еднаний критерiй конвективно-радiацiйного су-шiння, тобто
__В.
ВУ = Ввипр + В--£/ (5)
Ввипр
де е/ - коефiцiент, який враховуе вид сортименту, тобто необмежеш пластину чи цилшдр (для пластини - е/ =0,275).
В умовах конвективно-радiацiйного теплообмiну температура необме-жено! пластини в точцi з координатою х за час т визначаеться за формулою [2]
С 7 л
/ ч к/ ■аут
¡шах -(/шах - ¡0 )■ ехр - С- , (6)
V см■рм■ху
де ¡0 - початкова температура пластинчатого сортименту; ау - сумарний ко-ефiцiент теплообмiну.
Останню формулу виразимо через безрозмiрну температуру
0 = . (7)
¡шах — ¡0
Тодi рiвняння (6) можна представити виразом
0 = 1 - ехр (-к/ ■ Ре ■ В), (8)
,, . а■т
де Ре критерiй Фур е, Ре = ——.
Я 2
Формула (8) е частковим випадком вщомого класичного розв'язання рiвняння, що вiдображае нагрiвання необмежено! пластини за крайово! умови третього роду, тобто
0 = 1 -у Вп ■ е-£-р0. (9)
I=1
Обмежившись першим членом ряду i прийнявши для малих значень В. (В<0,10) Вп ~1 i замiнивши при малих значеннях величину
Науковий вкиик- НЛТУ УкраТни. - 2010. - Вип. 20.10
K = kfF0- Bi = kf--——2-х = —^--г. (11)
2
ctgjn = -1 jn , (10)
Bi
на tgj « ju1 тобто прийняти, що jj « Bi, то отримаемо, що показник ступеня буде дорiвнювати
Л-т2 а-£ х = а-£ C м - Рм -R2 Л C - р- R
Таким чином, рiвняння для визначення температури пластини t в точ-цi з координатою х у момент часу т буде таким:
(tœ-t0 ) = (tmax - t0 )-(1 - e-K-T) . (12)
Аналiзуючи останню формулу, ми бачимо, що i3 пiдвищенням величини К значення т зменшуеться. 1накше кажучи, збiльшення а^ та зменшення теплоакумуляцiйноï здатностi матерiалу (р'С), а також шдвищення температури t буде викликати зменшення часу сушшня. Остання формула вказуе на ïï графiчне вiдображення, що виражало б прирют температури (наприклад, по ос ординат вiдкладати рiзницю (t-t0), а по ос абсцис чинник часу (К-т) за рiз-них значень рiзницi (tmax-t0)). Аналiз формул (2), (3) i (12) показуе, що iз шд-вищенням показника К величина т зменшуеться, тобто збшьшення коефь цiента ак та зменшення акумуляцiйноï здатностi деревини (р-С), як i тдвищення температури сушильного агента зменшуе тривалють процесу сушшня.
Висиовки i узагальиеиия. Одним iз основних результат впливу на деревину концентрованих потокiв енергiï, до яких належить й iнфрачервоне випромiнювання, е змша температури в окремих зонах об'ему й поверхнi ма-терiалу. Часткова прозорiсть деревини пiд час випромшювання приводить до поглинання енерги випромiнювання в межах поверхневого шару деревини кшцево1" товщини. Поглинаючий шар - це розподшене джерело тепла, тобто зона концентрованого потоку енерги. На поверхш тша або в його середиш, починаючи з певного часу, буде дiяти джерело тепла, яке певним чином буде розподшеним в окремих зонах матерiалу i в чаЫ. Поглинання випромшювання е^валентне появi джерела тепла всередиш i на поверхнi деревини.
Точнiшi результати розрахункiв температурних полiв можуть бути от-риманi в разi врахування характеру змiн теплофiзичних властивостей матерь алу, що приводить до необхщност розв'язання нелiнiйних диференцiйних рiвнянь теплопровiдностi. Розв'язання задач ускладнюеться ще й тим, що джерело тепла, внаслщок залежностi поглинаючо!" здатностi вщ температури, також додатково вносить нелшшшсть у диференцiйнi рiвняння. 1з числа нель нiйних задач теплово!" оброблення (на^вання, сушiння) концентрованими потоками енерги найбшьш практичну цiннiсть отримали задачi нагрiвання iзотропного тiла, коли X i с залежить вiд температури. Тому, дослщники часто звертаються до рiзних наближених способiв розв'язання цих задач на осно-вi аналiтичних уявлень, числових методiв, принцишв моделювання, статис-тичних методiв i т. ш. Хоча, пiд час розроблення того чи шшого розрахунко-вого методу аналiзу теплових процеЫв внаслiдок опромiнення необхiдно вра-хувати низку особливостей: зокрема, шд час комбшованого сушiння мае мю-
це високоштенсивне нагрiвання в широкому дiапазонi змши температур (вiд нормально! до температури кишння води), а також поглинання промешв i пе-ревипромiнювання самого матерiалу. Тому, пiд час комбшованого сушiння розрахункове визначення температурних полiв потрiбно здiйснювати на ос-новi кiнетики процесу сушiння iз врахуванням динамжи тепло- i масоперено-су в матерiалi.
У процесi на^вання тонкого матерiалу (лущеного або струганого шпону, паркетно! фрези, тарних дощечок) iнфрачервоним випромiнюванням за малих значень критерш Бiо (В<0,10) мае мюце променевий i конвектив-ний теплообмш.
Тому, враховуючи останне, балансове рiвняння тепло-i масообмiну в процесi конвективно-радiацiйного сушiння можна записати
Чвипр +ак (с - ¡ПМ ) = С Р Я — , (13)
ат
де С, р0 - вщповщно питома теплоемнiсть i густина абсолютно сухо! деревини.
З огляду на те, що в стащонарному сташ критерiй Фур'е прямуе до да
л
, то температура деревини и буде дорiвнювати
^ = 0
dz у
t.= -tc kf. (14)
ак
Лггература
1. Озарк1в 1.М. Використання сонячно'1 енергп у промисловост : навч. noci6H. / за ред. д-ра техн. наук 1.М. Озарюва / 1.М. Озарюв, З.П. Копинець. - Львiв : НВФ "Украшсью технологп", 2008. - 276 с.
2. Озарю в 1.М. Науково-технiчнi основи конвективно-радiащйноro сушiння деревини : дис. ... д-ра техн. наук. - Львiв : Вид-во НЛТУ Украши, 2006. - 404 с.
Озаркив И.М., Козар В.С. Особенности расчета температурных полей в гелиосушилке
Приведены теоретические исследования процесса конвекционно-радиационной сушки. Получены уравнения, которые базируются на использовании теории лучистого тепломассоо6мена, и позволяют рассчитать температуру в той или иной зоне сортимента с учетом оптических свойств древесины. Это позволит спрогнозировать интенсивность сушки.
Ключевые слова: конвективно-радиационная сушка, гелиосушилка, древесина, гелиотермические коллекторы, температурное поле.
Ozarkiv I.M., Kosar W.S. Features calculation temperature fields in ge-liodrying chamber
The findings of the theoretical research of process of convective-radiation drying are cited. The received equations are based on the theory of radiant heat exchange and help to calculate the temperature in a certain area of assortment considering the optical properties of timber. This will predict the intensity of the drying process.
Keywords: convective-radiation drying, geliodrying chamber, timber, heliothermic collectors, temperature field.
