CC BY
13
8. Frank Th. Application of Eulerian-Lagrangian prediction of gas-particle flow to cyclone separators. Lecture series1999-2000. "Theoretical and experimental modeling of particle flow". Brussels. Belgium. 03-07April 2000.
9. Christian Fredriksson Exploratory Experimental and Theoretical Studies of Cyclone Gasification of Wood Powder. Doctoral thesis. Lulea University of technology. Sweden. 1999.
10. Ter Linden A., Investigation into cyclone Dust Collectors. Proc.Inst. Mech. Eng., 1949. pp160-233.
11. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Гл. ред. физ.-мат. лит-ры, из-д-во "Наука", 1978. - 736 c.
12. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя/ Пер. с нем. - М.: Наука, 1974. - 712 с.
13. Lecoffre Y., Gay J.C., Goffart A. Optisep, a new concept in liquid-liquid separation. Stavanger. Force downhole/subsea processing seminar.16-17 march 1999.
14. Лютий С.М., Нахаев П.П., Ляшеник А.В. Ефективнють застосування циклошв i3 фшьтруючими зовнiшнiми стiнками// Наук. вiсник УкрДЛТУ: Зб. наук.-техн. праць. -Львiв: УкрДЛТУ. - 2001, вип. 12.2. - С. 121-125._
УДК674.047 Доц. 1.М. Озармв, канд. техн. наук;
доц. М.С. Кобринович, канд. фiз.-мат. наук - УкрДЛТУ
ОСОБЛИВОСТ1 ЗОВН1ШНЬОГО ТЕПЛООБМ1НУ В ПРОЦЕСАХ ПРОМЕНЕКОНВЕКТИВНОГО СУШ1ННЯ ДЕРЕВИНИ
Розкрит особливост теплообмшу в технолопчних процесах конвективно-радь ацiйного сушiння деревини. Наведено вщповщш аналiтичнi вирази для розрахунку теплообмшу.
Doc. I.M. Ozarkiv; doc. M.S. Kobrynovich - USUWFT
The peculiarities of external heatexchange in the process of the radiant
convective wood drying
The article deals with the peculiarities of heatexchange in the technological process of convecctive-radiant wood drying. The corresponding analytical formula for calculating heatexchange are given.
В останш роки конвективно-рад1ацшне сушшня як за рахунок тради-цшних джерел шфрачервоного (1Ч) випром1нювання, так i нетрадицшного, еко-лопчно чистого й вщновлювального джерела теплово! рад1аци (зокрема, соняч-ного випром1нювання) знаходить широке використання не тшьки для сушшня тонких листових матер1ашв (сушеного i струганого шпону, лшарських рослин, тютюну, тонких шар1в стружки чи тирси), але й для сушшня пилопродукци.
Анал1з умов опромшення у промислових 1Ч-установках показуе, що матер1ал (об'ект сушшня) опромшюеться змшаним спрямовано-дифузшним у певному обмеженому тшесному кут Аю та повшстю дифузним нашвсфе-ричним потоком (Аю=2п) випромшювання. Що стосуеться направленого опромшення матер1ал1в е опромшення сонячним випромшюванням, яке мае м1сце при сушшш фруклв, овоч1в, бавовнику, чаю, тютюну, торфу i т.п., а та-кож при конвективно-атмосферному сушшш пиломатер1ал1в (дощок, заготовок, бруЫв тощо). При виконанш теплових розрахунюв сушарок, як працю-ють в умовах променевого теплообмшу, необхщно знати терморад1ацшш властивосл об'екта опромшення (R, D, A, s).
Вiдомо, що iз загально! кiлькостi потоку випромшювання Qп, який па-дае на опромшююче тiло в одиницю часу (Дж/с), частина його поглинаеться ^А), частина потоку вiдбиваеться i частина (Qд) пропускаеться тiлом (в нашому випадку деревини), тобто [1]
Qп = Qя + QD + QA . (1)
Ушвши поняття коефiцiентiв вiдбивання Я (Я=QR/Qn), пропускання D (D=QD/Qn) i поглинання А (A=QA/Qn), отримаемо рiвняння
Я + D + А = 1. (2)
У процес променевого сушшня проходить теплообмiн випромшюван-ням мiж джерелом (генератором) випромiнювання i об'ектом опромiнення (деревини). Зазначимо, що вибiр джерел iнфрачервоного випромiнювання за-лежить вiд поставлено! задачi сушшня того чи шшого матерiалу i вимагае добро! збiжностi терморадiацiйних характеристик (Я, D, А) генератора та об'екта сушiння. Зокрема, коли сто!ть завдання досягнення певного поглинання поверхнею матерiалу iнфрачервоних променiв з метою його на^ван-ня, то доцшьно використовувати так званi "темш" низькотемпературнi дже-рела, променi яких добре поглинаються матерiалами навiть у вщносно тонкому шарi (на^вання матерiалу здiйснюеться тiльки за рахунок поглинання променево! енерги).
Бiльшiсть вологих капшярно-пористих коло!дних тiл при вологостях, бшьших або близьких до пгроскошчних, в розрахунках теплообмiну iз "тем-ними" випромiнювачами, температура яких не перевищуе 400 К, можна вва-жати сiрими. Це пояснюеться тим, що спектральний коефiцiент вiдбивання речовини, як сильно розсшваного матерiалу, великий Я < 0,85 в област спектра ^=0,76.. .25 мкм [2].
Переважае капшярний (мiкро-капiляри) i абсорбцiйний зв'язок погли-нено! матерiалом вологи (вологiсть матерiалу близька до рiвноважно!). В об-ластi спектра 3-5,5 мкм мае мюце середне розсшвання, а при довжинах хвиль 6-15 мкм - слабе розсшвання. Вплив вологи у дiапазонах хвиль 3,0-15 мкм -середнш, тобто оптичш властивост матерiалу (об'екта опромшення) проявля-ються однаково. Таким чином, деревину можна вважати "Ырою" тшьки у дь апазонi хвиль 6-15 мкм i бiльше, коли температура "Ырого" випромiнювача повинна бути не нижче 400 К.
Зауважимо, що густина падаючого потоку Еп (Eп=dQn/dF) повинна бути визначена iз врахуванням багаторазових вщбивань у сушильнiй камерi та поглинання IЧ-випромiнювання пароповiтряним середовищем. Енергiю, що поглинулась матерiалом в одиницю часу, визначають за формулою
Апогл = АЕп^опр , (3)
де Fопр - площа опромшено! поверхнi матерiалу.
Нами встановлено, що терморадiацiйнi характеристики деревини зале-жать вiд породи, вологост^ температури, стану i чистоти поверхш, спектрального складу i напрямку й кута падшня випромiнювання [2]. Хоча деяк iз вище наведених факторiв при певних умовах не проявляють ютотного
впливу на терморадiацiйнi й оптичнi властивост деревини. Так, зокрема, при змш кута падiння вiд 0 до 30° мало мюце зростання (на 0,5-2 %), змен-шення Ах (0,20-1,5 %) [2]. Дальше зростання кута вщ 30 до 60° викликало збiльшення (1,5-4,0 %), зменшення Dх (1-3,2 %) i Ах. 1стотна вiдмiннiсть в абсолютних значеннях Dх { Ах для рiзних порiд деревини при змш кута падiння вказуе на чутливють вiдносно впливу останнього для деревини, що характерна великою пористютю.
Зменшення поглинання проходить за рахунок збшьшення вiдбивання, тому що коефщенти пропускання також зменшуються, але меншою мiрою. 1накше кажучи, щ процеси взаемно компенсуються i коефщент поглинання практично не змiнюеться в iнтервалi змiни кута падiння 0-60°, тобто зали-шаеться практично величиною сталою. Це говорить про те, що при викорис-товуваннi плоских панельних випромiнювачiв як генераторiв випромшюван-ня, що розташованi паралельно до поверхонь матерiалу, що висушуеться, впливом кута падшня можна знехтувати. Впливом стану й чистоти поверхонь матерiалу при постшнш технологi! виготовлення матерiалу (об'екта сушiння) можна також знехтувати.
Проникливють деревини 1Ч-променями вiдносно невелика i становить для хвойних порщ деревини 3-7 мм, а листяних - 0,50-4 мм. М. Дерiбере були отриманi такi значення глибини проникнення ГЧ-промешв для рiзних по-рiд деревини: модрини - 5-7 мм, ялищ - 6-7 мм, ялини - 6 мм, вшьхи - 56 мм, липи - 4-6 мм, клена - 4 мм, сосни - 3-4 мм, бука - 3 мм, граба - 23 мм, дуба - 2 мм, горiха грецького - 0,50 мм. Останне вказуе на доцшьшсть використання променево! енерги для сушшня тонких деревних матерiалiв (сушеного i струганого шпону, дощечок, паркетно! фризи, фанери тощо).
Для бшьшост тiл, коефщент пропускання певного шару визначаеться за такою формулою [1]
Dx = D0 ехр(-кек • х), (4)
де: Dx, Do - вiдповiдно коефiцiенти пропускання шару деревини товщиною х поверхневого шару дуже мало! товщини (коли х^0); кек - коефщент екстин-ци (ослаблення променiв iнтегрального потоку, який залежить вiд властивос-тей матерiалу i у загальному випадку вщ товщини матерiалу); добуток (кек-х) називають критерiем Бугера, тобто рiвняння (4) набуде вигляду:
Dx = Do • е"Ви (5)
або 1п = -Ви 1п е, (6)
П
Do
де е - основа натуральних логарифмiв.
Очевидно, що в напiвлогарифмiчних координатах залежшсть 1п Dx / D0 = /(Ви) буде вщображатися прямою лiнiею, тангенс кута нахилу
яко! tgty = 1п е = 1 (ф =45°).
Очевидно, що закон Бугера може бути використаний для аналiзу ш-тегрального випромшювання тiльки у випадках постiйностi оптичних власти-
востей об'екта опромiнення (зокрема, при постiйностi коефщента пропускан-ня) в розглядуваному дiапазонi хвиль. В iншому випадку буде мати мюце вщ-хилення вщ експоненцiального закону i математичне оброблення експери-ментальних даних, що належать до штегрального випромiнювання, у виглядi закону Бугера е наближеною. Тому закон Бугера доцшьно використовувати тшьки для монохроматичного випромiнювання. Проте автори роботи [3] для довжини хвиль ^=1,1 мкм наводять рiвняння для визначення коефщента про-пускання, яке мае такий вигляд
В = а ехр(-£ 5), (7)
де а=69,37; ^=2,7836 - для деревини осики i ^=5-8 %; а=53,8; ^=2,2957 - для берези карельсько!.
У загальному випадку кiлькiсть енергп, яка поглинулась матерiалом, в результат променевого теплообмiну буде рiвна енерги поглинутого i власно-го випромшювання, тобто
ЕрЕопр = (АЕп — Евл )^Опр , (8)
де: Евл = еЕаут (Евипр п) - власне випромшювання (9); е - стушнь чорноти ма-терiалу; Ер - густина результуючого потоку випромiнювання, Вт/м
Епогл = АЕп = КЕпад; Ееф = Евл + (1-^)Еп = Евл + КЕп (кОЛи В = 0) , (10)
де Епогл, Ееф - густина поглиненого i ефективного потоюв випромiнювання.
Для густини потоку результуючого випромшювання можна записати:
Ерез = Ееф + Еп = Евл — Епогл , (11)
а густина ефективного потоку випромшювання визначиться
Ееф = Ерез + Еп = Чвипр + Еп , (12)
де двипр - густина теплового потоку, що шдводиться до поверхнi розглядува-ного матерiалу, який бере участь у променевому теплообмт з iншими тша-ми, тобто Ерез=Цвипр.
З формули (12) виходить, що
Чвипр = Еп — Ееф • (13)
Як вiдомо [1], закон Стефана-Больцмана встановлюе залежнiсть густини потоку штегрального нашвсферичного випромiнювання "Ырого" тiла вiд абсолютно! температури, тобто
4
Вт
Вт (14)
Евл = 8°0
Т
п. м. V 100 у
2
м
де: е - штегральна ступiнь чорноти "Ырого" тiла; а0 - постшна Стефана-Больцмана, а0 = 5,67032-108 Вт/(м2-К4).
Необхiдно вiдзначити, що закон Стефана-Больцмана дае змогу отри-мати формули для розв'язання окремих задач променевого теплообмшу. Як правило, за умовами задачi задають геометричнi розмiри випромiнюючих тiл (генераторiв) тiл, що беруть участь у теплообмш, !х вiдносне розмiщення у
простор^ температуру на поверхнi об'екта сушшня (опромiнення) i характе-ризують випромшювання, а шуканою (розрахунковою величиною виступае густина результуючого потоку випромiнювання, яка характеризуе теплооб-мiн випромiнюванням мiж цими тiлами.
У загальному випадку для замкнено! системи двох Ырих тiл (генератора i об'екта опромшення), що мають рiзнi температури поверхонь i довiльну форму та довшьно розмiщенi у просторi, густина теплового потоку, спрямо-ваного вщ першого до другого тiла, визначаеться за формулою [1]
Q
випр
рез.2
8 пр°0
К
випр
ЧЖУ
Н
1,2
Тп
100
Н
2,1
(15)
де: Qpез.2 - результуючий тепловий потж, що передаеться вiд випромiнювача до об'екта опромшення, Вт; Впр - усереднена стушнь чорноти системи тш; Твипр, Тпм - вiдповiдно абсолютш температури поверхонь джерела випромiнювання та опромшеного тiла, К; Н12 i Н21 - взаемнi поверхнi випромшювання
(Н1,2 = Ф12^1; Н21 = Ф21^2) , (16)
де ф12, ф21 - середнi кутовi коефщенти випромiнювання (представляють собою вщношення потоку випромiнювання вiд поверхнi одного тша на повер-хню другого тша до повного власного випромшювання, що виходить вщ уЫе! поверхш першого тiла у всiх можливих напрямках нашвсферичного простору), фу<1. Визначення фгу для рiзних задач променевого теплообмiну е самос-тшним питанням i детально розглянутi в роботах [1, 4].
Для визначення кутових коефщенлв випромшювання для системи тш, як використовуються, наприклад, в реальних промислових конвективно-радiацiйних стрiчкових сушарках для шпону (що складаеться iз плоского панельного випромшювача та матерiалу, поверхнi яких мають значш розмiри по вiдношенню з вщстанню мiж ними) можна використати рiвняння для двох безмежно довгих паралельних смуг рiзноl ширини, тобто
2
Ф21
л/4 + (А + А2)2 -44 + (А2 -
2 А2
(17)
де: А1 = аг /к; А2=а2/к (а^, а2 - ширини тш вiдповiдно: к - вiддaль мiж тша-ми). Осереднена (наведена) стушнь чорноти системи, що складаеться iз двох тш, визначають за такою формулою
1 (18)
в =
пр
1 + Ф12
'±-1Л
чВ1
+ Ф21
' ±-1Л'
V В2
де в1, в2 - ступiнь чорноти поверхонь генератора i об'екта опромiнення.
Необхщно зазначити, що iнтенсифiкaцiя процесiв сушшня деревини здшснюеться в результaтi створення на 11 поверхнi великих теплових потоюв. Результати наших дослiджень показують, що променевий теплообмш для рiз-
4
них ступешв чорноти починае переважати над конвективним тшьки при температурах випромшювача, вищих за 300-400° С.
Тому, для теплообмшу випромiнюванням доцiльно користуватися ко-ефiцiентом конвективного теплообмiну авипр, що виражае передачу тепла ви-промiнюванням, тобто
4 4
= Чвипр = е пр^0 а випр = - - ^ (. - )
с п. м г2\ 1с п. м)
Л (Т Н12
випр
100
п. м
100
Н 21
(19)
Явипр + а£^с - ¿п.м) = ГЯт + р5Яс~ , (20)
де tc, ¿пм - вiдповiдно температура середовища (повiтря) та поверхнi матерь алу, що сушиться.
У зв'язку з тим, що терморадiацiйне сушшня в чистому видi практично не використовуеться (його просто не юнуе), бо воно завжди супровод-жуеться як природною, так i примусовою конвекцiею для усунення випарову-вано! води з матерiалу, то рiвняння комбiнованого конвективно-радiацiйного сушiння мае такий вигляд
й т
де: Явипр - густина результуючого променевого потоку; а^ - коефщент конвективного теплообмiну; г - питома теплота пароутворення; С - питома теп-лоемнiсть волого! деревини, Дж/(кг-с); Я - характерний розмiр тiла, м; Л/йт-
швидкiсть на^вання деревини, ° С/с; ят - штенсившсть випаровування во-
логи з поверхш матерiалу, кг/(м -с).
Зазначимо, що значення г { С визначають за температурою поверхш матерiалу. Тодi коефщент теплообмiну для комбшованого конвективно-радь ацiйного сушiння визначаеться з рiвняння (20):
ГЯт + СР Б - Я випр
а комб = t ' (21)
с п. м
. рБЯ йЖ , 1ТТТ. 7 . . ч
де Ят =--(аЖ/ат - швидюсть сушiння, %/с).
100 ат
Що стосуеться ступеня чорноти деревини, то необхiдно зазначити, що дослщники наводять рiзнi данi для деревини. Зокрема, автори [5] наводять таю значення ступеш чорноти: для дуба струганого - е=0,90 при t=40 °С, горiха шль фованого - е=0,83 (¿=40 °С), ялини шлiфованоi' - е=0,82 (¿=40 °С), бука - е=0,94 (¿=40 °С), платана - е=0,78 (¿=40 °С); iншi породи - е=0,80-0,90 (¿=40 °С).
Дослiдник Л.З. Крикунов [6], по-своему, дае такi данi: для деревини бе-рези е=0,92 при 1=25-30 °С, сосна - е=0,70-0,80 (1=20 °С), дуб струганий -е=0,89 (1=20 °С), дерево стругане - е=0,80-0,90 (1=20 °С), деревина бша, сира -е=0,80-0,90 (1=20 °С), дерево шлiфоване - е=0,50-0,70 (1=20 °С).
Зауважимо, що в бiльшостi iнженерних розрахункiв досить широко використовуються нашвсферичш iнтегральнi терморадiацiйнi характеристи-
ки поверхонь, що беруть участь у променевому теплообмшь Такий грубий шдхщ до розрахунку променевого теплообмiну пов'язаний Ï3 значними труд-нощами. KpiM того, незважаючи на достатньо широк табличнi данi Ï3 ступенi чорноти рiзних матерiалiв, ми бачимо, що з-за юнуючо! невизначеностi у кла-сифiкацiï стану поверхонь та з-за методичних помилок табличш данi з термо-радiацiйних характеристик не завжди iз високою точнiстю можуть описувати властивост поверхнi, для якоï повинен бути виконаний розрахунок.
Для дiелектрикiв (до яких вщноситься й деревина) характерним е за-гальна тенденцiя щодо зростання спектрального ступеню чорноти iз збшь-шенням довжини хвиль Адже, з-за наявностi локальних смуг променевипро-мiнювання в iнфрачервонiй област спектра змiна s iз змшою довжини хвилi спектра може бути не монотонною, а мати своï максимуми та мшмуми. За-уважимо, що теорiя розрахунку ступеню чорноти неметалiв розроблена ще недостатньо.
1з формули Френеля [6], тобто
е(Х) = П+W (22)
К +1)2
видно, що спектральна стушнь чорноти дiелектрикiв визначаеться залежшс-тю показника заломлення вiд довжини хвиль
Тому, для виконання особливо точних розрахунюв променевого теп-лообмшу можна використати два шляхи:
• спещально визначити терморад1ащйт характеристики поверхонь, що беруть участь в теплообмш (дуже трудомштко);
• створювати штучно неселективт поверхт 1з заздалепдь ввдомими значенными R, D, A i s.
У зв'язку з тим, що основними конструкцiйними матерiалами для ви-готовлення огороджень та екрашв сушарок е метали, то отримання заданого значення s сушильноï установки можливе за рахунок створення на опромшю-ванiй поверхнi (екраш, бокових стiнках камери) конструкцiï iз нанесенням спецiального неметалево!" речовини (сполуки).
У свою чергу, наявш л^ературш данi е дуже суперечливими навт при оцiнцi чистих металiв. Це пояснюеться не тiльки вiдмiннiстю методик вимiрювання ступеня чорноти, але й тим, що дослщники використовували рiзнi об'екти вимiрювань, що були отримаш за рiзними технологiчними режимами. У результат чого, не дивлячись на наявшсть велико1' кiлькостi експе-риментальних даних з оптичних властивостей деревини, використання ix в iнженернiй практицi е ускладненим, бо вимагае сторонньоï переперевiрки. Kрiм того, результати дослщжень s (À, Т) е несистематизованими, носять характер фшсаци, а теорiя розрахунку, що пов'язуе ступiнь чорноти iз структур-ними параметрами твердого тша, розвинена ще недостатньо.
Для коефщента теплообмшу випромшюванням авипр у загальному ко-ефщенл комбiнованого теплообмiну акомб становить 5,0 %, а рiзниця у загальному коефщенл теплообмiну, що може виникнути внаслщок вiдмiнностi ступеня чорноти, буде дорiвнювати 2,5-3,5 %.
Л1тература
1. Озарк1в 1.М., Сорока Л.Я., Грицюк Ю.1. Основи аеродинамки 1 тепломасообмь ну. - К.: 1ЗМН, 1997. - 280 с.
2. Озаркив И.М. Спектрофотометрические и поляризационные характеристики древесины// Дисс. ... канд. техн. наук. - Львов: ЛЛТИ, 1989. - 277 с.
3. Долацис Я.Д., Ильясов С.Г. Исследование оптических свойств древесины в инфракрасной области спектра// Изв. вузов: Лесной журнал. - 1969, № 2. - С. 70-73.
4. Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжков Л.Н. Теплообмен излучением: Справочник. -М.: Энергоатомиздат, 1991. - 432 с.
5. Абрамович Б.Г., Гольдштейн В.Л. Интенсификация теплообмена излучением с помощью покрытий. - М.: Энергия, 1977. - 250 с.
6. Крикунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. - М.: Сов. радио, 1978. - 400 с.
УДК 543.253:547 Ст. викл. Н.Л. Пандяк, канд. xiM. наук;
асист М.1. Хмтьовська - УкрДЛТУ
К1ЛЬК1СНИЙ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧНИЙ АНАЛ1З ПЕРОКСИД1В АЛК1Н1В
Дослщжено електрохiмiчне вщновлення 4-метил-4-трет.бутилперокси-2-пен-тиново! кислоти та й похщних на ртутному крапельному та дискових обертових електродах. На основi вольтамперних хвиль, що вщповщають дифузшним процесам, розроблено методики кшьюсного аналiзу пероксидiв алкiнiв.
Senior teacher N.L. Pandyak; assist. M.I. Chmilovska - USUFWT Quantitative voltammetric analysis of alkine peroxide
The electrochemical reduction of 4-methyl-4-tert.butylperoxy-2-pentynoic acid and its derivatives on the dropping mercury and disk rotating electrodes has been studied. Based on the diffusional voltameter waves quantitative analysis methods of alkine peroxides are developed.
Специф1чш умови високотемпературно! пол1меризаци вимагають вщ-повщних шщ1атор1в i3 досить стабшьними пероксидними групами [1]. Якраз такими шщаторами, яю в результатi термодеструкци генерують активш ра-дикали, е пероксиди алюшв. Умови iнiцiювання пероксидами алкiнiв вимагають розробки методик !х кiлькiсного визначення в рiзних модельних системах. Пероксиди алюшв ^м -О-О- груп мютять потрiйний зв'язок i гетеро-атоми. Це виключае використання загальновщомих титриметричних методик !х юльюсного визначення у зв'язку з певними неточностями, зумовленими протжанням паралельних реакцш [2].
Полярографiя вiдома як ушверсальний метод аналiзу складних орга-шчних сполук: пероксиефiрiв, гiдропероксидiв, дiацилiв, а також !х сумiшей [2, 3]. Цей метод успiшно був використаний [4] при дослщженш ацетилен-вмюних пероксидiв формули
(СНз)зСОО (СНз)2СС^СК, де: R= -C(O)OH (I), -C(O)ONa (II), -С=СС(СНз)2ООС(СНз)з (III),
-С^СС(СНз)2ООС(СНз)2(СН2)4СНз (IV), -ЩС=СС(СНз)2ООССНз)з (V).
