CC BY
34
При спiвставленнi даних, наведених на рис. 2 i рис. 3, випливае, що мiцнiсть клейових з'еднань на основi сумiшi КФЖ i 30... 50 % деревно! меле-си без кат^затора затвердiння вища, шж для подiбних клейових композицiй, як мiстять сульфат амонiю. Очевидно, у цьому випадку сумарна кшьюсть сульфату амонда i кислих продуктiв мелеси у полiмернiй композици перевер-шуе оптимальну, а концентрацiя смоли - нижча вщ оптимально!. Внаслiдок цього виникае забагато цен^в початку процесу затвердшня, а сам процес проходить швидко i призводить до утворення багатьох не зв'язаних густосгг-частих структур у клейовому з,еднаннi. Клейовi з'еднання з такою структурою мають високу крихкiсть i, вщповщно, невелику мiцнiсть.
Висновки
Узагальнюючи результати проведених дослщжень можемо стверджу-вати, що деревну мелесу можна використовувати як наповнювач у клейових композищях на основi карбамiдних смол замють деревного борошна чи ш-ших наповнювачiв. До сумiшi карбамщно! смоли i каталiзатора гарячого затвердшня варто вводити до 10 % деревно! мелеси, оскiльки бiльший и вмiст призводить до значного зменшення мiцностi клейового з'еднання. Можна використовувати i клейовi композици на основi карбамщно! смоли i деревно! мелеси (30 % i бшьше) без каталiзатора затвердiння, однак оптимальш техно-логiчнi режими використання таких композицш потрiбно ще встановити.
УДК 647.047 Проф. В.М. Голубець, д-р техн. наук;
доц. 1.М. Озартв, канд. техн. наук; доц. Й.Л. Ацбергер - УкрДЛТУ
ТЕПЛООБМ1Н У ПРОЦЕС1 СУШ1ННЯ СИПУЧИХ МАТЕР1АЛ1В З ДЕРЕВИНИ У КИПЛЯЧОМУ ШАР1
Наводяться основш теоретичнi рiвняння теплообмiну у процес сушiння, якi визначають особливосп сушiння подрiбненоï деревини у киплячому шарь Описаш умови сушiння у киплячому, аерофонтанному i щiльному шарах.
Prof. V.M. Holubets, I.M. Ozarkiv, J.L. Acberher - USUFWT
Heat exchange in the process of bulk material drying from wood
in a boiling layer
Major theoretical equations of heat exchange in the process of drying, determined by the peculiarities of chopped wood in boiling layer, have been given. Drying conditions in a boiling, aerofountain, and dense layers have been described.
Сушшня подрiбненоï деревини у плитному виробнищв значною Mi-рою визначаеться як теплофiзичними, технолопчними властивостями самого матерiалу, так i цшьовим призначенням та техшко-експлуатацшними вимога-ми об'екту сушшня. Слщ нагадати, що технолопя виробництва плит вимагае висушування стружки вщ початковоï вологосл 120...80 % до кiнцевоï воло-гост 2.4 % (внутршнш шар) i 4.6 % (зовшшнш шар плити). Розмiри дере-винних частинок плит регламентуються видом плити i шаром [1]. Наприклад, для трьохшарових деревостружкових плит розмiри е такими: для зовшш-
нього шару (довжинахширинахтовщина, мм) 20x3x0,20^0,25 мм, внут-рiшнього - 40x12x0,40^0,45 мм, а для одношарових - 20x6x0,3^0,4 мм.
Процес сушшня подрiбнено! деревини також е не тiльки теплофiзич-ним, але й масообмiнним процесом, в якому одну з визначальних ролей вадг-рае форма i вид енерги зв'язку вологи з деревиною. У свою чергу цикл сушшня подрiбненого матерiалу, як i масивного тiла, при постiйному режимi су-шiння, можна роздiлити на два основш перiоди сушiння, як мiж собою вщ-рiзняються не тшьки характером змiни вологостi, але й швидюстю сушiння i розподшенням температури за поперечним перерiзом частинок, яю сохнуть.
Як вiдомо [2], перший перюд сушiння супроводжуеться на^ванням матерiалу, пiдвищенням парiв води над його поверхнею i випаровуванням вологи (температура дрiбних частинок шдвищуеться до температури мокрого термометра i залишаеться постiйною, а вологовiддача при постшному режимi також залишаеться сталою величиною). У другому перiодi, шсля так звано! першо! критично! точки, мае мюце безперервне зменшення швидкост сушш-ня внаслiдок заповiльнюючого поступлення вологи iз середини матерiалу (при цьому температура матерiалу поступово зростае i прямуе до температури середовища).
Другий перюд, у свою чергу, виходячи з умов випаровування, умовно можна роздшити на два етапи: перший, коли здшснюеться випаровування ще з поверхш матерiалу, та другий, коли зона випаровування вологи перемь щаеться у середину матерiалу.
Величина критично! вологосл, як i характер криво! сушшня, у перiодi заповшьнюючо! швидкостi сушiння (другому перюд^ буде залежати вiд роз-мiру частинок матерiалу, а також вщ iнтенсивностi та способу пiдведення тепла. У робот ми будемо дальше користуватися термшом сипуча деревина, а не подрiбнена деревина, оскiльки сушшня тирси, стружки, технолопчно! трiски за сво!м механiзмом близьке до сушшня багатьох сипучих матерiалiв, а поняття "подрiбнена деревина" включае у себе не тшьки тирсу, стружку, але й пакувальну стружку, Ырникову соломку i т.д.
При математичному описуванш теплообмiну iз сипучими матерiалами використовують поняття як квазiгомогенне, однорiдне [3,4], так i гетероген-не, двокомпонентне середовище [5,6]. Слщ вiдзначити, що концепщя кваз^о-могенного середовища характерна простотою математичного опису, аналь тичного розв'язку задачi i достатньо простого дослщження ефективних коефь цiентiв перенесення, але вона може бути використаною тшьки у випадках, коли розглядаеться шар матерiалу, який значно перевищуе розмiри частинок, а також коли мае мюце рiвнiсть температур компонент i дуже велика трива-лють процесу сушiння. Проте, при наявност внутрiшнiх джерел теплоти, часто виникае значне температурне "ковзання" мiж газом (теплоносiем) i дрiбни-ми частинками (об'ектом сушiння). Тодi доцшьно використовувати двоком-понентнi моделi, оскшьки останнi бiльш глибше i повшше враховують умови теплоперенесення. Адже, в бшарних гетерогенних системах "газ - тверде ть ло" при пропусканш iз певними швидкостями потоку менш щшьно! фази (газу) знизу - вверх через шар бшьш щшьно! фази (подрiбненого матерiалу) ут-
ворюеться висячий (псевдозрщжений) шар, який, залежно вiд характеру псев-дорозрiдження частинок i вiдповiдних конструкцiй сушильних агрегатв, мо-же бути киплячим шаром (КШ), фонтануючим, вiброкиплячим, шiльним шаром i т.д. Слiд вiдзначити, що у всiх системах висячий шар характеризуеться тим, що вага важко! фази (сили земного тяжшня) врiвноважуеться тертям газу чи дрiбно! частинки у поеднаннi з архiмедовою силою. При цьому частин-ки твердого матерiалу плавають у потощ газу, пульсують, здiйснюють вихро-вi рухи, але не покидають меж шару при значному збшьшенш лiнiйно! швид-костi агента сушшня (газу) через одночасне збiльшення порiзностi, тобто легко! фази в шарi матерiалу.
Таким чином, шар подрiбненого матерiалу буде представляти собою неоднорщну (гетерогенну) систему, яка шд впливом теплофiзичних характеристик буде приймати певш осередненi значення. У зв'язку з чим зупиняемо-ся на деяких властивостях сипучо! деревини, як суттево впливають на штен-сивнiсть теплообмiну.
Вiдомо, що порiвняно невеликi розмiри частинок сипучо! деревини i невелика насипна маса при низькш вологостi самого матерiалу надають !м значну рухомiсть, а шд дiею газового потоку - ще й летюсть, де швидкостi кружляння частинок сипучо! деревини будуть значно впливати на штенсив-нiсть сушшня при конвективному шдведенш теплоти. Слщ нагадати, що насипна маса сипучо! деревини залежить вiд сортименту i складае, наприклад: для технолопчно! щепи пiсля переробки горбилiв i рейок при вологостi
3 3
3...5 % - 200... 250 кг/м , тирси - 120_ 140 кг/м , стружки шсля переробки деревини на верстатах - 90 кг/м , рiзано! стружки для середнього шару три-
33
шарових плит - 40.45 кг/м , деревно-волокнисто! маси - 20 кг/м , деревно! муки - 94.209 кг/м i стружки подрiбнено! шсля молотково! дробарки -140.200 кг/м3 [2].
Порiзнiсть 8, яка виражае вщносну величину промiжкiв мiж частинка-ми сипучого матерiалу в рiзних його станах i визначаеться як доля об'ему поР Упо
рожнин мiж частинками у загальному об,емi шару (8 = 1--— = -пор, де рнас
Р V
г м ш
- насипна густина, рм - густина частинок, Vпор - сумарний об'ем промiжкiв мiж частинками, Vш - весь об'ем шару насипних частинок), залежить вщ во-логост деревини i висоти шару. Для шару трюки, отриманого iз круглих колод, у сташ спокою i при вологостi 5 % - 8= 0,55; для шару подрiбнено! вто-ринно стружки i тiй же вологостi - 8 = 0,70; для шару тирси - 8 = 0,80; для шару стружки зовшшнього шару плит - 8= 0,96; для шару стружки середнього шару плит - 8= 0,91 [2].
Пдродинамжа шару частинок у процеЫ сушшня, значною мiрою, залежить вщ гранульометричного складу, тобто розподшення частинок матерь алу за розмiрами ^аметрами). Як вiдомо, розподiлення частинок за розмiра-ми (дiаметрами) визначаеться методом ситовим, мжроскошчного аналiзу, пневмоповiтряно! сепараци i т.п. Тобто, по рiзному вводять рiзнi поняття ек-
вiвалентного дiаметра (лiнiйного розмiру частинки, еквiвалентного дiаметру вiдповiдного шару).
Зокрема, середнiй арифметичний дiаметр виражаеться
X ¿п X gi/di
Л = ^-= ^-
п
X
i=\
(1)
де: п - загальна кiлькiсть частинок; п - кiлькiсть частинок /-о! фракци; di -середнiй дiаметр г-о! фракци; gi - масова доля частинок. Середнш квадратичний дiаметр визначаеться
=
а середнiй дтметр за масою
п 2 X ¿2п1 i=l 1 / 2 ( п X i=l \
п п X V i=l у
1 / 2
(2)
/ \1 / 4 ' п . *
=Х gidi = i=1
X п4
i=l
(3)
п
V у
На практищ найчастiше еквiвалентний дiаметр частинки визначають методом ситового аналiзу за сшввщношенням
X g1d1
¿е = ^ ,
X gi i=1
де: - середнiй дiаметр отворiв сит; gi - масова доля фракци. Натомють
(4)
4 =
¿1 ¿2
+ ¿2
(5)
де: d1, - вiдповiдно дiаметри, визначенi за розмiрами отворiв прохщного i непрохiдного сит.
Для характеристики частинок неправильно! форми був введений тер-мш геометричний коефiцiент форми р або обернена величина - коефщент сферичност рл). Тобто коефщент форми може бути представлений вира-зом
р = ¿Мш або ¿е = р ¿ш, (6)
де - дiаметр шару, об'ем якого е е^валентним об'ему частинки.
Очевидно, що для шароподiбних частинок коефщент р = 1; для ок-руглених - 0,75; для кутоподiбних - 0,66; для продовгуватих - 0,58 i пластин-коподiбних - 0,43 [2].
1нод^ для врахування вщмшност форми частинки вщ сферично!, за-мiсть й використовують сшввщношення й/ р.
У процес конвективного сушiння впливову роль вщшрае тепло- i ма-сообмiн мiж сушильним агентом (газом) i об'ектом сушшня, а також перене-сення тепла i маси (вологи) у середиш матерiалу. При цьому процес сушшня значно штенсифжовуеться за рахунок зменшення дифузшних i термiчних опорiв бiля межi роздiлу фаз, що досягаеться безперервним поновленням по-верхш матерiалу, яка контактуе iз газовим середовищем. При сушшш подрiб-лених (сипучих) матерiалiв у пiдвiшеному або псевдошдвшеному станi по-новлення контактно! поверхш значно iнтенсифiковуеться.
Процес сушшня сипучих матерiалiв з деревини тюно пов'язаний iз пи-танням пдродинамжи i тепломасообiгу у киплячому шарь Адже, якщо в шар твердого подрiбненого матерiалу пропускати iз певною швидюстю пiдiгрiте повiтря або топковi гази, то шар матерiалу спочатку розпушуеться, а потм переходить у стан, який подiбний до стану киплячо! рiдини, тобто в так званий псевдорозрщжений стан.
У такому псевдорозрщженому станi шар розпушуеться та штенсивно перемiшуеться, завдяки чому вс частинки матерiалу омиваються сушильним агентом. Внаслщок iнтенсивного перемiшування i безпосереднього контакту окремих частинок проходить вирiвнювання температури в об'емi шару.
Використовуючи залежност мiж швидкiстю пов^я и i дiаметром частинок й при рiзнiй величинi порiзностi шару 8, як показали дослщження [7], можна досягнути вщповщного стану сушшня шару (наприклад, коли 8< 0,40 - мае мюце сушiння в щшьному шарi; 8 = 0,55 .0,75 i коли й = 6.40 мм - то е сушшня у киплячому шарц 8= 0,55.0,75 i й = 25.30 мм - фонтану-ючий шар з висхщним рухом частинок матерiалу по осi сушильного агрегату та низхщним вздовж стiнок); 8= 0,75.0,95 - агрофонтануюче сушшня, коли е фонтануючий шар iз частковим виносом шдсушених i повним винесенням сухого матерiалу; 8= 1,0 - сушшня у пневмотрубах, коли е шдвшений шар, а самi частинки матерiалу перемiшуються зi швидкiстю им = игаз - икружЫня, тоб-
то игаз < икруж.
У сташ псевдорозрiдження вага шару (з врахуванням сили Архiмеда) зрiвноважуеться перепадом тиску в шар^ тобто
Ар = g (Рм - Рг)(1 - 8) Н = g (Рм - Рг)(1 - 8кр) Нр, (7)
де: 8кр, Нкр - порiзнiсть i висота шару подрiбленого матерiалу в момент початку псевдорозрщження вiдповiдно; рг - густина розрщженого газу (агента су-шшня).
Розв'язуючи рiвняння (7) разом з рiвнянням Ар=Ар(и) для стацiонар-ного шару можна визначити швидюсть на початку псевдорозрщження. Слiд вiдзначити, що для визначення икр використовують велику кшьюсть рiвнянь.
Зокрема, для розрахунку швидкост кружлiння деревинних частинок вико-ристовують формули Тодеса [3], Раквща i Святкова [2].
Формула Тодеса мае вигляд:
=-—-^. (8)
1
150-—3кр +
£кр
1? Аг
V Ькр .
де: £кр - критична порiзнiсть (приймаеться на 10 % бшьшою за е насипного
рЯ3 р — р
шару); Аг - критерш Архiмеда (— — ———).
и рг
Тимчасом, формула Раквiца описуеться рiвнянням
и = 0,135^рм . В-103 м/с, (9)
3
де: рм - густина частинки, г/см ; В - товщина частинки (стружки), мм. Формула С.М. Святкова [2]:
и = 0Д4
Рм — м/с, (10)
(0,22 + ^)рпов
И
3
де: рпов - густина повiтря, кг/м ; И - товщина частинки, мм; а — коефщент, який залежить вiд форми частинок (для частинок кругло! або квадратно! фор-ми а = 1,1, а для прямокутно! або близько до не! - а = 0,90)
Поряд з тим, використовуючи поняття еквiвалентного дiаметра при розрахунку швидкост початку розрiдження (кружляння), слiд мати на увазi те, що на розрiдження великих частинок мають вплив ранiше розрiдженi дрiбнi фракцi!, якi передають !м частину кшькосп свого руху. Це значить, що швидюсть розрiдження залежить вщ всього розподiлення частинок за дiамет-рами, тобто у загальному випадку залежшсть для розрахунку икр полщиспер-сних систем мае вигляд
Явкр = 0,0736— г°-6258кр (Ятах/Яе)°31\ (11)
3
коли 20<Ке<1,5-10 (йтах - максимальний дiаметр частинки).
У роботi [9], на основi теорi!' подiбностi, отримана формула для розрахунку икр полщисперсного матерiалу, що складаеться iз фракцш рiзно! густи-ни, тобто
= ср(п+1)/3^(1—2П)/3)>60.П0/3, (12)
Рг
к р р Я к р р Я
_ X о г'А^тах тах / X г тах ;
1=1 8тахр$ 1=1 ётахрА
де: Пс = X 1 тах та /X 1 тах тах - показник полiдисперсностi; с, п - коефь
~>тахГ1 1 1 отахг'1 1
щенти, якi дорiвнюють:
с = 0,025; п = 1,3 - [Яе (р/\2)УЪ < 3; с = 0,045; п = 0,765 - коли Яе (рЫ1)1'3 > 3;
gmax - масова доля фракцi! максимального дiаметра.
Тепло- i масообмiн у киплячому шар^ як видно, iз вище наведених формул, обумовлений рядом факторiв, що визначаються: геометричними роз-мiрами самого подрiбненого матерiалу, штенсившстю зовнiшнього теплооб-мiну, вологопровiднiстю об'екта сушшня, швидкiстю перенесення вологи до поверхш частинок, якi висушуються. 1накше кажучи, на характер процесу сушшня у киплячому шарi впливають не тшьки властивостi матерiалу, його аеродинамiчний режим, але й тепловий режим сушшня.
Для матерiалiв iз значним коефiцiентом дифузi! вологи сушшня буде протжати у першому перюд^ коли (tn.м - температура поверхш матерь
алу), а сам процес сушшня буде визначатися теплообмшом мiж агентом сушшня (повiтрям) i поверхнею частинок матерiалу. Тобто, визначення коефь цiента теплообмшу а буде здiйснювaтися з критерiального рiвняння
Ш = f Fe; Ar; h/d), (13)
де Fe - критерш Федорова, який описуеться так:
. (14)
3 у'рг
Fe = 3/4 Ar = й 3 V 3 \
Слiд вiдзнaчити, що термiчний опiр зовнiшнього теплообмiну вщшрае важливу роль тiльки при порiвняно малих h i великих й. 1накше, при значних товщинах шару h i малих й шар мaтерiaлу буде поглинати все тепло, що тд-водиться з повггря. При цьому лiмiтуючим фактором буде максимально допустима температура мaтерiaлу.
У другому перiодi сушiння подрiбненого мaтерiaлу характерне значним опором внутршнш дифузi! вологи, коли температура мaтерiaлу значно перевищуе ^ i процес, в основному, лiмiтуеться температурою повггря tс i мало залежить вiд швидкостi i вщносно! вологостi повiтря. Тому, у даному ви-падку необхiдне сумiсне розв'язання рiвнянь зовнiшнього теплообмiну i внут-рiшнього тепломасоперенесення, що приводить до труднощдв розв'язку вщ-повiдних диференщальних рiвнянь. Тому при розв'язaннi диференщальних рiвнянь тепломасоперенесення у киплячому шaрi використовують рiзнi наб-лиженi методи, а також формули, як отримаш шляхом математично! оброб-ки експериментальних даних при рiзних умовах сушшня. Проте, даш розра-хунковi формули представляють, як правило, у критерiaльнiй формi
и t -0
= f(Fo,Ar,Kom,G/Ь,—-п-), (15)
_ ип - и - 0п _
де: и - середнiй вологовмiст мaтерiaлу у певний момент часу; ип - почат-ковий вологовмют мaтерiaлу; Кот - масообмшний критерiй Косовича; G/L -вщношення маси мaтерiaлу до витрат агента сушшня; 0п - початкова температура мaтерiaлу, °С; - початкова температура середовища, °С.
Слщ вважати, що в бiльшостi випадюв, при безперервному процесi сушшня допускають у цiлому, що сушшня кожно! частинки протiкaе тiльки у першому перiодi сушiння.
Критерiй Косовича
иг
КОт = _ " _ . , (16)
См Оп.с —®п )
де: См - питома теплоемшсть матерiалу; г - питома теплота пароутворення.
Теплообмш мiж газом (агентом сушшня) i частинками ^жфазний теплообмiн) носить чисто конвективний характер, як i сам масообмiн. При цьому мiжфазний тепломасообмiн у киплячому шарi розглядаеться порiвняно з одиничною частинкою.
Автори [3] теплообмiн мiж теплоносiем i частинками у киплячих i щiльних шарах розраховують за рiвнянням (Яе/е>200)
Иа = 0,40 (Яе/е)2/3Рг1/3, (17)
де: Иа (-Иа = а—) - теплообмшний критерiй Нусельта; Яе (Яе = — Я) — Л V
с с
критерiй Рейнольдса; Лс, vс - вiдповiдно теплопровщшсть i коефiцiент кше-матично! в'язкость
Таким чином, iз останнього рiвняння можна визначити коефiцiент теплообмiну мiж агентом сушiння i частинками сипучо! деревини.
Л1тература
1. Обливин А.Н., Воскресенский А.К., Семенов Ю.П. Тепло- и массоперенос в производстве древесно-стружечных плит. - М.: Лесн. пром-сть, 1978. - 192 с.
2. Архангельский В. А. Аппараты для сушки сыпучей древесины. - М.: Лесн. пром-сть, 1970. - 126 с.
3. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. - Л.: Химия, 1968. - 510 с.
4. Баум В.А., Бекмурадов О. Расчет температуры и теплообмена в каналах с кусковым материалом./ Изв. АН Туркменской ССР: Серия физ. - техн., хим. и геолог. наук, 1976. -№ 3. - С. 101-105.
5. Дущенко В.П. Кинетика и динамика внутреннего тепло- и массопереноса в твердых дисперсных системах. - Дис. д-ра. техн. наук. - Киев, 1974. - 320 с.
6. Львов Ф.П. Тепло- и массообмен при сушке в кипящем, взвешенном, плотном и виброкипящих слоях.//В кн.: Тепло- и массообмен: Материалы дискуссии III Всесоюзн. сов. по тепло- и массопереносу. - Минск: ИТМО, 1969. - т. 11. - С. 105-124.
7. Романков П.Г., Рашковская Н.Б. Сушка во взвешенном состоянии. - М.: Химия, 1968. - 358 с.
8. Романков П.Г., Рашковская Н.Б. Сушка в кипящем слое. - М.: Химия, 1964. - 288 с.
9. Процессы тепло- и массопереноса в кипящем шаре./ Под ред. А.П. Баскакова. -М.: Металлургия, 1978. - 247 с._
УДК 674.047 П.В. Бтей, д-р. техн. наук; астр. А.В. Полоз - УкрДЛТУ К1НЕТИКА АТМОСФЕРНОГО СУШ1ННЯ ПИЛОМАТЕР1АЛ1В
Дослщжено кшетику атмосферного сушшня соснових пиломатерiалiв, знайде-но основний параметр процесу - коефщент сушшня.
