CC BY
12
УДК674.047 Доц. 1.А. Соколовський, канд. техн. наук;
проф. 1.М. Озаршв, д-р техн. наук; доц. М.С. Кобринович, канд. фЬ.-мат. наук - НЛТУ Украти, м. Львiв
ТЕОРЕТИЧН1 ДОСЛЩЖЕННЯ К1НЕТИКИ ТА ДИНАМ1КИ ПРОЦЕСУ СУШ1ННЯ КАП1ЛЯРНО-ПОРИСТИХ КОЛОЩНИХ МАТЕР1АЛ1В
Проаналiзовано мехашзм процесу сушшня вологих матерiалiв на приклад дере-вини, як типового коло'л'дного кашлярно-пористого тша. Наведено рiвняння, якi дають змогу визначити тепломасообмшш параметри. Отриманi формули дають змогу розра-хувати фактичш (реальнi) значения коефщенйв теплообмену для перiоду постшно! та сповшьнено! швидкостi сушшня шд час конвективного способу пiдведення теплоти.
Розкрито особливостi процеив товстих i тонких листових матерiалiв, як для першо-го, так i другого перюдш сушшня. Проаналiзовано особливостi перюду стало! i сповшь-нено! швидкостей сушшня. Описано вплив режимних параметров на температурно-воло-гiснi поля об'екйв сушiння. Показано особливостi перенесення вологи шд дieю катляр-ного потенщалу, молекулярно! та молярно! дифузш. Внаслщок оброблення експеримен-тальних дослiджень наведено формулу розрахунку критерiю Нуссельта i коефшдента теплообмену для рiзних габаритних розмiрiв штабел1в, а також швидкостей сушшня.
Вступ. Вiдомо [1, 2], у сушильнш технiцi тепломасообмшш процеси аналiзують за кривими змши середньо1 вологостi матерiалу в час (кривими су-шiння) i кривими змши температури матерiалу в центр! й назовнi поверхнi його в час (температурними кривими).
Як показали дослщження з процес1в сушiння рiзних вологих матерiалiв рослинного походження шд час рiзних способ1в пiдведення тепла до об'екта су-шiння (конвекщею, терморадаащею, кондукцieю) за постшних режимних парамет-р1в процес сушiння складаеться з трьох перiодiв: перiоду початкового прогр1ван-ня, перiоду постшно1 швидкосп сушiння та перiоду сповiльненоí швидкосп су-шiння. При цьому в першому перiодi сушiння (перiодi постшно1 швидкосп сушш-ня) наявна максимальна штенсившсть випаровування води, яка протягом цього перiоду е постшною. Перший перюд тривае до т. зв. критично1 точки, що фiксуе межу закшчення перiоду постшно1 швидкосп сушшня i початок настання сповшь-нено1 (спадноГ) швидкосп сушшня, тобто початок другого перюду сушшня.
Проте треба зауважити, що в процес! сушшня тонких листових матерь алiв (лущеного та струганого шпону, картону, паперу тощо), коли сам матерiал надходить у сушарку без попереднього названия, то в першому перiодi наявне незначне усунення вологи з матерiалу, що пояснюеться зр1вноваженням дц гра-дiентiв вологосп (вологовмкту) i температури. Для в!дносно дуже тонких листових матерiалiв (коли товщина менша шж 0,80 мм) перюд постшно1 швидкосп суш!ння не спостертаеться, тобто настае вщразу перюд сповшьнено1 швидкосп суш!ння. 1накше кажучи, швидккть сушшня у другому перюд! поступово змен-шуеться ! наприкшщ самого процесу асимптотично наближаеться до лшп р1в-новажного вологовмкту, величина якого в!дповщае цьому режиму сушшня ! визначаеться за д!аграмою р!вноважно1 вологост! Температура матер!алу без-перервно зростае (поверхневих шар1в - швидше, а центральних - повшьшше) ! прямуе наприкшщ процесу до температури агента сушшня (1С).
Деят особливосп мае процес суш!ння, коли температура поверхш воло-гого матер!алу досягае 100 °С ! вище. У цьому випадку спостеркаеться в пер-
4. !нформацшш технологи галузi
351
Нащональний лкотехшчний унiверситет Украши
шому перiодi сушiння стабiлiзацiя температури в центр матерiалу на рiвнi 100 °С, а температура поверхнi матерiалу стабiлiзуeться на дещо бiльшому рiв-нi (101 ^ 103 °С) або процес проходить без стабшзацц температури поверхнi. Такий розподал температури у перiодi постiйноí швидкостi сушiння свiдчить про те, що в середиш матерiалу iснуe сталий надлишковий тиск i виникае мо-лярне перенесення вологи. Найбiльш характерним прикладом такого процесу е сушiння деревини, як типового капiлярно-пористого колощного тша, за й воло-гостi, вищо1 за 30 %, у перегртй парi за атмосферного тиску. 1накше кажучи, коли е високотемпературний процес сушшня, що супроводжуеться не випаро-вуванням, а кипiнням вологи в деревиш (гм»100 °С). Процес кишння, на вiдмiну вiд випаровування води, вщбуваеться за температури (вищо1 за 100 °С), за яко1 тиск пари рщини дорiвнюе тиску навколишнього середовища, тобто коли внас-лвдок кипiння витискуеться iз простору пов^я. Крш того, в разi кишння води неможливо пiдвищити температуру випаровувано1 фази рiдини вище вiд температури пароутворення до моменту перетворення всiеí рiдини в пару.
Теоретичш дослщження. У загальному випадку густина потоку вологи в деревиш шд даею градiентiв вологостi, температури i тиску описуеться ршнянням
Эи , (Э2и . Э2г Л , Э2Р
аГ^-ЧайЭХ2 ]-ЭТ' (1)
де: « - коефiцiент вологопровщностц р0 - густина деревини в абсолютно сухому сташ, кг/м3; 6г - термоградiентний коефщент; в - коефщент молярного
ди Эг ЭР
перенесення вологи; —, —,--вщповвдно градiенти вологовмiсту, темпера-
Эх Эх Эх
тури i тиску.
Зауважимо, що коефiцiент в потребуе експериментального визначення i даних про його чисельш значення наразi немае.
Результати експериментальних дослщжень. На основi результатiв власних дослiджень процесiв сушiння деревини у середовишд атмосферного по-вiтря i перегрiтоí пари в межах змiни температури поверхнi матерiалу гм=60 ...100 °С, коли перенесення вологи здайснюеться пiд дiею кашлярного по-тенщалу, молекулярно!' та молярно!' дифузií, отримано формулу для визначення коефiцiента вологопроввдносп [2]
а/ = 23,5-10-8Г М23.ГРV3,9.(! + »к., см2/с, (2)
^ 273) \ 400) \ 100 8т 90°)
де: Тм - температура матерiалу, яка дорiвнюе температурi мокрого термометра, К; р,б - базова густина будь-яко! породи деревини (сосни, липи - рб=400 кг/м3; бука - рв=530 кг/м3; дуба - Рб=560 кг/м3; берези - рв=500 кг/м3); ¥„р - об'ем сер-цевинних променiв у деревиннш речовинi (сосни - 6 %, берези - 11 %, клена -15 %, дуба - 25 %, бука - 35 %); /-кут, утворений дотичною до рiчних кiлець i нормаллю, проведеною до зовнiшньоí площини посерединi ширини сортименту (для радiального потоку вологи /3=90°, а для тангентального - /3=0 °С).
352 Збiрник науково-техшчних праць
«к (*е - ) = Г ■ +рб ■ с ■ , (3)
Ыи = 0,0641 ■ Яе0-80( I ■ Рг0-33(1--— ■I , (5)
Граничнi умови для конвективного сушшня для низькотемпературного процесу сушiння будуть мати вигляд [1, 2]
& йТ
де: ак - коефщкнт конвективного теплообмiну; г - питома теплота пароутво-рення; ц'т - шгенсивнкть випаровування вологи з поверхш матерiалу; с - питома теплоемнкть волого! деревини; К - характерний розмiр (К = 51/2, де -товщина матерiалу).
Iнтенсивнiсть сушiння деревини в перюда постiйноí швидкостi сушiння визначають за формулою
дт = ^^ (Тс - Тм), (4)
г ■ Ь
де: Ыи - критерiй Нуссельта; 1С - коефiцieнт теплопровiдностi повiтря, як агента сушшня; Ь - ширина штабеля (або матерiалу для одиничного сортименту). Величину критерда Нуссельта можна визначити за виразом
Л2 л4
э(- .. V ) V Яев.м
де: Яе - критерiй Рейнольдса для повiтря (Яе = (щ-S1)/ V, щ - швидккть цир-куляцп агента сушiння, - товщина матерiалу; V - коефiцieнт кiнематичноí в'язкостi повiтря); Рг - критерiй Прандтля (Рг = N/а, а - коефщкнт темпера-туропровiдностi); Яев.м - критерiй Рейнольдса для поверхш випаровування во-логого матерiалу (Яев.м = (щ - вшт) / п).
Коефiцieнт теплопровiдностi повiтря (середовища) 1с = [4,67- (4,16 + 2,45 ■ ф) ] ■Ю-2 + (7,14 + 4,46■ 0) ■ 10-5Тс, Вт/(м-°С), (6)
де ф - вiдносна вологiсть (ступiнь насичення) повiтря.
Величину коефщкнта кiнематичноí в'язкостi вологого пов^я можна розрахувати за таким виразом [3]:
V = [0,113 ■ Тс - (18,24 + 7,0 ■ ф)] ■ 10-6, м2/с. (7)
Тод коефiцieнт теплообмiну можна визначити за формулою
«к = , Вт/(м2°С), (8)
вшт
де вшт - ширина штабеля.
Швидккть сушшня у перiодi постшно! швидкостi сушiння
N = 100■(Г-Гм)■«, %/с. (9)
рб ■ г■К
Питома теплота пароутворення залежить вiд температури i може бути розрахована
г = 2490 (1 -0,01 ■ Г«), кДж/кг. (10)
4. 1ш|>ормашй ш технологи галузi 353
Нащональний лкотехшчний унiверситет УкраХни
У першому перюд^ як ввдомо, температура поверхш матерiалу е практично постшною (dt / dt ® 0). Це означае, що величину коефщента можна виз-начити за формулою
О dW Рб- Rr--
ак =---dt, Вт/(м2 - °С). (11)
100 (tc - t„,M) V ' V '
Величина тиску перегрио! пари пропорцiйна добутку концентрацп молекул на температуру, тобто
Р = С-k-T, Па, (12)
де: С - концентраЦя газу в одинищ об'ему; k - стала Больцмана (k=1,38- 10-23 Дж/К); Т - температура газу (пари).
Враховуючи те, що концентрацда С можна представити як
С = V - ро, (13)
то рiвняння (12) можна переписати як
Р = V-р0 -k-T, Па, (14)
де V - вологовмкт, кг/кг сухого матерiалу.
Таким чином, рiвняння (14) дае змогу спрогнозувати даю тиску пари все-рединi деревини пiд час ii' сушiння.
Висновок. Внаслiдок проведених теоретичних й експериментальних дослiджень отримано формули, ят дають змогу оцiнити стан перебку сушiння деревних матерiалiв, а також спрогнозувати штенсивнкть перебiгу тепломасо-обмiнного процесу залежно вiд режимних параметрiв процесу. Отриманi формули дають змогу визначити коефщенти теплообмiну в першому та другому перюдах сушiння.
Лiтература
1. Озаркв 1.М. Використання сонячно! енергн у промисловост : навч. поибн. / 1.М. Озаркв, Й.С. Мисак, З.П. Копинець; за ред. д-ра техн. наук 1.М. Озарква. - Льв1в : Вид-во НВФ "Украшсьи технологи", 2008. - 276 с.
2. Озарив 1.М. Теплов1 процеси деревообробки : навч. пойбн. / 1.М. Озарюв, П.В. Бшей, В.М. Максимв, I.A. Соколовський. - Льв1в : РВВ НЛТУ Украши, 2008. - 264 с.
3. Озарюв I.M. Основи аеродинамши i тепломасообмшу : навч. пойбн. / I.M. Озарюв, Л.Я. Сорока, Ю.1. Грицюк. - К. : Вид-во 1ЗМН, 1997. - 280 с.
Соколовский И.А., Озаркив И.М., Кобринович М.С. Теоретические исследования кинематики и динамики процесса сушки капиллярно-пористых коллоидных материалов
Проанализирован механизм процесса сушки влажных материалов на примере древесины, как типичного коллоидного капиллярно-пористого тела. Приведены уравнения, позволяющие определить тепломассообменные параметры. Полученные формулы дают возможность рассчитать фактические (реальные) значения коэффициентов теплообмена для периода постоянной и замедленной скорости сушки при конвективном способе подвода теплоты. Раскрыты особенности процессов толстых и тонких листовых материалов, как для первого, так и второго периодов сушки. Проанализированы особенности периода устойчивой и замедленной скоростей сушки. Описано влияние режимных параметров на температурно-влажностные поля объектов сушки. Показаны особенности переноса влаги под действием капиллярного потенциала, молекулярной и молярной
354 Збiрник науково-техшчних праць
диффузий. В результате обработки экспериментальных исследований приведена формула расчета критерия Нуссельта и коэффициента теплообмена для различных габаритных размеров штабелей, а также скоростей сушки.
Sokolovskyy I.A., Ozarkiv I.M., Kobrynovych M.S. Theoretical Investigation of Kinetics and Dynamics of the Process of Drying of Capillary-porous Colloidal Materials
The analysis of mechanism of the process of drying of moist materials is made on the example of wood as a typical colloidal capillary-porous body. The equations which allow determining heat exchanging parameters are proposed. Obtained formulas enable calculating the actual (real) coefficients of heat transfer for a period of constant and slow speeds during con-vective drying method of heat input. The features of the process of thick and thin sheet materials for both the first and second periods of drying are described. Some peculiarities of the periods of stable and slow drying speeds are analyzed. The effect of operational parameters on the temperature and humidity fields of drying facilities is described. Some features of transferring moisture under the influence of capillary potential, and also molecular and molar diffusions. As a result of experimental studies the formula for calculating Nusselt criterion and the coefficient of heat transfer for different dimensions of stacks and drying speeds are provided.
Keywords: drying, colloidal capillary-porous material, heat transfer, convective drying method.
УДК 378.14.004:004.9 Доц. О Л. Сторожук, канд. техн. наук;
проф. Я.1. Соколовський, д-р техн. наук - НЛТУ Украти, м. Львiв
ОСОБЛИВОСТ1 ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРОННИХ НАВЧАЛЬНИХ КУРС1В ДЛЯ ОРГАН1ЗАЦН САМОСТ1ЙНО1 ТА 1НДИВ1ДУАЛЬНО1 РОБОТИ СТУДЕНТ1В
Наведено синтезовану дидактичну модель, яка описуе зв'язки та вщношення в ш-формацшно-комушкацшних техноло^х у процес самостшно! та щдивщуально! робо-ти студентов. Цю модель апробовано на кафедрi шформацшних технологш Нацюналь-ного люотехшчного ушверситету Укра!ни та запропоновано для використання у дис-танцшному навчанш у тому ж ушверситету Така модель дае змогу покращити оргашза-щю самостшно! та шдивщуально! роботи студенпв, сформувати карту ix самостшно! роботи, шдвищити ефектившсть вивчення навчального матерiалу. Крiм того, вона ство-рюе оргашзацшно-методичш засади щодо розвитку мотиваци студенпв до навчання, формуе у них навички практично!, самостшно! та науково-дослщно! роботи.
Ключовi слова: система дистанцшного навчання, дидактична модель, самостшна та щдивщуальна робота, LMS Moodle, служби Google Apps.
Актуальшсть. Упродовж останнього десятилiття в УкраМ активно ввд-буваеться iнформатизацiя освiти та сусшльства, що сприяе застосуванню сучас-них шформащйно-комушкащйних технологiй (1КТ) для оргашзацп навчального процесу за будь-якою формою навчання. Зокрема, для опрацювання лекцш, шд-готовки та проведения лабораторних i практичних робiт, а також розроблення методичного i дидактичного забезпечення самостiйноí, iндивiдуальноí роботи, контрольних заходав.
Застосування електронних навчальних курсiв штенсифжуе навчальний процес та покращуе зворотний зв'язок мiж викладачем i студентом [1]. Запрова-дження сучасних шформащйно-комушкащйних техиологiй е важливим чинни-ком, котрий сприяе формуванню " змтаноГ системи освiти в Украíнi. Як зазна-
4. Iнформацiйнi технологи галул
355
