CC BY
25
ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА И ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.319.70015
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДА СУШКИ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПОЛЕ КОРОННОГО РАЗРЯДА
© 2003 г. В.Г. Ушаков, Л.М. Логанчук, Е.НЗеликов
Обезвоживание - один из наиболее сложных и энергоемких элементов самых разных технологических процессов. Сушка имеет место при обработке материалов различного вида и назначения (сельхозпродуктов, стройматериалов, древесины, электротехнических устройств, продуктов микробиологического производства и др.).
Существует большое разнообразие технологий и реализующих их аппаратов обезвоживания материалов. На основании анализа обзорных данных по методам сушки [1, 2], их преимуществам и недостаткам и классификации материалов как объектов сушки [3] можно сделать вывод о том, что суть освоенных в настоящее время способов сушки сводится к термическому или аэродинамическому воздействию на осушаемый материал. При этом затрачивается энергия как непосредственно на испарение, так и на бесполезный разогрев всего объема подсушиваемого материала. Причем эти процессы протекают зачастую при повышенных температурах, что недопустимо для термочувствительных материалов.
Для интенсификации сушки возможна организация подвода энергии непосредственно к влаге посредством так называемого «электронного ветра» или «ионного ветра». Такие условия подвода энергии можно осуществить, поместив обезвоживаемый материал в поле коронного разряда.
Обратимся к теории коронного разряда [4]. Общая картина разряда при униполярной короне постоянного тока [5] схематически изображена на рис. 1.
-OU О
Рис. 1. Принципиальная картина разряда при униполярной короне: а - коронирующий электрод с малым радиусом кривизны; S - некоронирующий электрод большого радиуса; Р - граница чехла короны (граница зоны ударной ионизации)
Здесь а - коронирующий электрод с малым радиусом кривизны, S - некоронирующий электрод большого радиуса, между которыми приложено постоянное напряжение. Ударная ионизация молекул газа происходит в узкой зоне «чехла короны», показанной на рис. 1 в виде заштрихованной области. Из этой области в остальную часть поля между Р и S, называемую внешней зоной короны, направляется стационарный поток униполярных ионов, движущихся под действием сил электрического поля от а к & Знак заряда ионов совпадает со знаком заряда на электроде а.
В экспериментах фиксировались величины, характеризующие интенсивность коронного разряда, а значит, и «ионного ветра».
Такими величинами были выбраны:
1. Средняя напряженность электрического поля Е, кВ/мм, которая с достаточной точностью косвенно вычисляется по измеренному напряжению на электродах и расстоянию между ними. Напряжение измерялось киловольтметром С100, класс точности 1,5.
2. Полный ток короны 1к, мкА. Величина необходима с точки зрения определения энергозатрат. Аналитически для униполярной короны полный ток 1к можно найти, применив уравнение Пуассона [4]. Но необходимость увеличить плотность тока / заставила использовать большое количество коронирующих электродов малого радиуса при одном некоронирую-щем электроде, что сделало невозможным аналитическое определение вольтамперной характеристики (ВАХ). В силу этих условий ВАХ находили эмпирическим методом.
3. Плотность тока короны /, мкА/см2 Определялась также косвенным путем по расчетной формуле [4].
Для исследования эффективности испарения воды в поле коронного разряда была создана экспериментальная установка [6,7]. На кювету и коронирующий электрод подавался постоянный ток высокого напряжения, обеспечивающий устойчивый коронный разряд. В кювету помещался подсушиваемый материал. После каждого опыта определялась убыль в массе сушимого материала АО за время сушки t, что и позволяло судить об интенсивности испарения. Помимо этого, в опытах фиксировались: температура и влажность окружающего воздуха, расстояние между электродами, рабочее и пробивное напряжения, длитель-
ность воздействия, площадь поверхности испарения. Оценивалось изменение температуры осушаемого материала.
Первые две серии опытов были посвящены определению оптимальной полярности электродов. По данным результатов этих серий опытов были построены изображенные на рис. 2 графические зависимости АО = ДЕ) для различных полярностей электродов.
G, г/ч 2,0
AGi 1,5 **
ag2
-О- 1'0'
0,5
0
Eo х- E <i>
il < / ; 1 1
✓ /
/ ✓
<*-: se-
+ +
0,5
1,0 E, кВ/мм
G, гТ 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
1,21
63
Г, мин
Рис. 2. Графики зависимости интенсивности испарения от напряженности поля при различных полярностях на электродах: I - первая серия опытов («-» на кювету, «+» на коронирующий электрод); II - вторая серия опытов («+» на кювету, «-» на коронирующий электрод)
Анализ результатов показывает, что предпочтительнее с точки зрения интенсивности испарения полярность второй серии опытов («+» на кювету, «-» на коронирующий электрод). Поэтому все последующие опыты проводились при этой полярности.
Также необходимо отметить, что не происходит увеличения температуры осушаемого материала, находящегося в поле коронного разряда, а даже имеет место ее снижение вследствие испарительного охлаждения [8], что очень важно при обработке сельскохозяйственной продукции, так как при чрезмерном увеличении температур возможно изменение внутренней структуры продукта.
Для подтверждения эффективности данного метода применительно к сушке сельскохозяйственной продукции была проведена еще одна серия экспериментов. В качестве сушимого материала был выбран картофель, так как он имеет высокую исходную влажность до 80 % и характерную пористую структуру, присущую большинству продуктов сельскохозяйственного производства. Зависимость интенсивности испарения от напряженности поля подтверждает результаты предыдущих серий опытов по интенсификации обезвоживания [6]. Также была получена зависимость массы сушимого образца О от продолжительности сушки Г (рис. 3).
На графике изображены две зависимости, которые описывают убыль в массе образца картофеля с течением времени при различных режимах. Верхняя кривая описывает процесс естественного обезвоживания картофеля, нижняя - сушку в поле коронного разряда. В результате проведенных исследований подтверждено некоторое снижение интенсивности обезвоживания с течением времени в связи с переходом режима испарения от поверхностного к пористому.
0 10 20 30 40 50 —™— Сушка в поле коронного разряда —■— Естественная сушка
Рис. 3. Убыль массы образца картофеля с течением времени
Производительность по испаренной влаге исследуемого метода применительно к сушке картофеля составила порядка 1,0 кг/ч с 1м2 поверхности сушимого материала. При этом энергозатраты составили порядка 3500-3600 кДж на 1кг испаренной влаги [6]. Сравним с энергозатратами некоторых промышленных сушилок. Например, вихревая распылительная сушилка ВРС-20 потребляет 8000-10000 кДж на 1 кг испаренной влаги [1] при начальной температуре сушильного агента 170 °С. Расход тепла на 1 кг испаряемой влаги в вибрационной сушилке ГСЛ-62 и ГИЛ-52 составляет 4190 кДж/кг [1].
Проделанная работа позволяет судить о принципиально новом методе обезвоживания материалов, не прибегая к термической и аэродинамической обработке.
Следует отметить, что по результатам опытов интенсификация испарения в исследуемом методе происходит и при высоких значениях относительной влажности окружающего воздуха, что неосуществимо другими методами. Только это полезное преимущество может определить сферу применения данного метода, например, для стабилизации технологического процесса в часто меняющихся условиях окружающей среды.
Данный метод также позволяет обезвоживать материалы, для которых повышенное температурное воздействие недопустимо, причем со значительной интенсификацией процесса и с существенным снижением энергозатрат по сравнению с традиционными методами. Например, метод может быть востребован для сушки медицинских материалов, таких как лечебные грязи. Их обезвоживание имеет большое значение для медицинских курортно-оздоровительных учреждений, так как это позволит решить проблемы, связанные с хранением и транспортировкой. В то же время даже незначительный нагрев грязей недопустим, так как приводит к гибели микрофлоры и снижает способность к регенерации лечебных свойств [9].
Подобными термочувствительными свойствами обладает большое количество различных материалов, таких как продукты микробиологического производства, сельскохозяйственные культуры, практически все материалы на легкоплавкой полимерной основе.
Применительно к ТЭС возможно использование установок испарительного охлаждения циркуляционной воды, работающих на коронном разряде [8]. В частности, было предложено для охлаждения циркуляционной воды ТЭС использовать градирни, в которых организовано наложение поля коронного разряда. Очевидно, что такая градирня будет значительно компактней вытяжной башни и даже вентиляторной градирни, к тому же с улучшением многих режимных характеристик (например, как уже говорилось - интенсификация испарения в условиях высокой влажности). Следовательно, можно говорить о значительной экономии капитальных затрат на строительство такого сооружения.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что данный метод может стать основой прогрессивной энергосберегающей технологии низкотемпературной сушки термочувствительных материалов. Причем сфера возможного применения не ограничивается только обезвоживанием.
Литература
1. Куц П.С. Современные направления оптимизации процессов и техника сушки. Минск, 1979.
2. Сажин Б.С. Основы техники сушки. М., 1984.
3. Сажин Б.С. Шадрина Н.Е. Выбор и расчет сушильных установок на основе комплексного анализа влажных материалов как объектов сушки.
4. Попков В.И. К теории коронного разряда в газе при постоянном напряжении. М., 1953.
5. Попков В.И. Коронный разряд и линии сверхвысокого напряжения // Избранные труды. М., 1990.
6. Ушаков В.Г., Логанчук Л.М., Зеликов Е.Н. Исследование процессов сушки пористых материалов в поле коронного разряда // Современные энергетические системы и комплексы и управление ими: Материалы II междунар. науч.-практ. конф. Новочеркасск, 2002. Ч. 1. С. 4-8.
7. Ушаков В.Г., Логанчук Л.М., Зеликов Е.Н. Экспериментальное исследование испарения в поле коронного разряда // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2002. № 2.
8. Ушаков В.Г, Горбачев В.М. Об испарительном охлаждении сточных вод в поле коронного разряда // Изв. СКНЦ ВШ. Техн. науки. 1973. № 4.
9. Тутова Э.Г., Куц П.С. Сушка продуктов микробиологического производства.
Южно-Российский государственный технический университет (НПИ) 29 ноября 2002 г.
УДК 662.997
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ С АККУМУЛЯТОРОМ ДЛЯ ЖИЛОГО ДОМА
© 2003 г. Б.Д. Бабаев, Н.И. Мамаев
В связи с дефицитом органического топлива в настоящее время вновь возросло внимание к нетрадиционным возобновляемым источникам энергии (НВИЭ). Одним из перспективных направлений использования НВИЭ является создание отопительных систем на основе преобразования солнечной энергии в тепловую. Такие системы должны компенсировать тепловые потери помещений и обеспечить в них заданную температуру воздуха 4.
Вопросы нестационарного теплообмена при теплотехнических оценках помещений и конструкций подробно рассмотрены в работах [1-5], в которых изложены современные теплотехнические требования к помещениям, проанализированы вопросы экономики и выбора оптимальных решений с целью обеспечения теплового комфорта с минимальными затратами энергии и топлива.
В данной работе рассмотрена возможность оценки необходимой тепловой нагрузки системы солнечного теплоснабжения для компенсации тепловых потерь помещения (здания), т. е. представлено расчетное обоснование выбора геометрических размеров основных элементов системы.
Тепловые потери помещения Qш можно оценить, составив уравнение баланса тепла для помещения в виде [6]:
Qтп Qт +Qи Qтв,
где Qт - теплопотери за счет теплопередачи через ограждения, Вт; Qи - теплопотери инфильтраций за счет поступления в помещение холодного воздуха через неплотности, Вт; Qтв - внутренние тепловыделения, Вт.
Величину Qт определяют по формуле
Qт = Sкn(tв - 4),
где S - площадь ограждения, м2; к = 1Ш - коэффициент теплопередачи ограждающих конструкций, Вт/(м2К); R - термическое сопротивление ограждающих конструкций, (м2К/Вт); п - поправочный коэффициент к расчетной разности температур: для нагрузочных стен, покрытий, перекрытий над подвалами п = 1, для чердачных перекрытий п = 0,8 0,9 [6, 7]; 4 и 4 - температура воздуха внутри и снаружи помещения соответственно, °С.
Величину к и R определяют для многослойной стенки [8], а для типовых наружных ограждений - из справочников СНиП.
Температура 4 принимается с учетом назначения помещения. Для жилых помещений 4 = 18 20 °С, для производственных - от 10 °С до 18 °С с учетом тепловыделений, физической занятости персонала и т. д. Температура 4 зависит от климатических данных для района проектирования.
