CC BY
50
ТЕХНОЛОГИИ И МАШИНЫ ЛЕСНОГО ДЕЛА
УДК 676.0(045)
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТВОДА ТЕПЛА ИЗ МАССИВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЩЕПЫ В УСЛОВИЯХ КУЧЕВОГО ХРАНЕНИЯ
Д. А. Братилов, А. Н. Деснев
Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, Российская Федерация, 163002, Архангельск, набережная Северной Двины, 17 E-mail: Dmitry-Bratilov@yandex.ru; a_desnev@sovintel.ru
В статье приведено описание конструкции и даны рабочие характеристики теплового элемента, предназначенного для отвода излишнего тепла из массы технологической щепы при хранении её кучевым способом. Проблема заключается в самопроизвольном нагреве щепы до температуры тления и самовоспламенения под воздействием жизнедеятельности микроорганизмов, в результате чего ухудшается качество технологической щепы и возникает пожароопасная ситуация. Для предотвращения негативных последствий предлагается отводить излишнее тепло от технологической щепы с помощью системы, состоящей из тепловых труб.
Ключевые слова: технологическая щепа; открытый способ хранения щепы; тепловая труба; тепловой элемент; температурный напор; температура тления; температура самовоспламенения; математическая модель.
Введение. Технологические процессы переработки древесины предусматривают измельчение цельной древесины в технологическую щепу. Хранение щепы на открытых складах осуществляется путём формирования куч. Одним из недостатков такого способа хранения является самопроизвольный нагрев щепы до температуры тления и самовоспламенения под воздействием жизнедеятельности микроорганизмов. В результате тления уменьшается содержание целлюлозы, изменяется химический состав древесины, что приводит к безвозвратным потерям значительного количества кондиционной технологической
щепы. Развитие процесса тления приводит к самовоспламенению щепы и, как следствие, к пожароопасной ситуации [1].
Наиболее интенсивно щепа нагревается в центре кучи, аккумулируя значительное количество тепла. Для предотвращения процесса разогрева щепы необходимо из центральной зоны кучи своевременно отводить излишнее тепло и понижать температуру. Данную задачу можно решить с помощью системы теп-лоотводящих элементов, выполненную на основе тепловых труб. Опыт применения тепловых труб имеется в различных отраслях промышленности [2-4].
© Братилов Д. А., Деснев А. Н., 2015.
Для цитирования: Братилов Д. А., Деснев А. Н. Устройство для отвода тепла из массива технологической щепы в условиях кучевого хранения // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Сер.: Лес. Экология. Природопользование. - 2015. - № 2 (26). - С. 44-49.
Тепловая труба - это герметичное ис-парительно-конденсационное устройство с использованием капиллярных сил, служащее для передачи тепла и работающее по замкнутому циклу [4]. Корпус трубы состоит из испарительной, конденсационной, транспортной зон и капиллярной структуры. В качестве теплоносителя используется легкокипящая жидкость.
Цель работы - исследовать опытный образец устройства для отвода тепла из массива технологической щепы в условиях кучевого хранения.
Решаемые задачи: разработать и изготовить опытный образец тепловой трубы; экспериментально изучить тепловой напор трубы [5-8].
Методика исследования. Нами разработана конструкция низкотемпературной тепловой трубы для отвода тепла из кучи технологической щепы. Труба изготовлена из нержавеющей стали 08*13 толщиной 2,5 мм и диаметром 50 мм. Корпус трубы состоит из цилиндрической и конической частей и имеет клапанную крышку, которая соединена с трубой резьбовым соединением через уплотнитель (рис. 1, а). Клапан предназначен для заполнения трубы легкокипящей жидкостью. Рукояти, расположенные рядом с клапаном, необходимы для перемещения трубы. Внутренний объём трубы составляет 2,65 л, из которых на коническую часть приходится 0,83 л.
&
150
050
о
T
v
T
± о
Конденсационная
зона □
Теплоизоляция
Теплоноситель
Испарительная зона
а)
б)
Рис. 1. Теплоотводящий элемент: а - тепловая труба; б - схема эксперимента; Тн ср - температура нагретой среды; Ти - температура трубы в зоне испарения; Тк - температура трубы в зоне конденсации; То ср - температура окружающей среды
и
н.ср
Для оценки количества тепла, которое можно отвести из кучи, необходимо знать температурную характеристику теплоот-водящего элемента. С этой целью было проведено экспериментальное исследование опытного образца тепловой трубы. В качестве теплоносителя использовали ацетон с температурой кипения 56 °С. Температура окружающего воздуха То.ср 16°С. План эксперимента предусматривал два переменных фактора: температура нагретой среды Тнср, оС; объём теплоносителя Утн, л. Для каждого фактора было выбрано пять уровней. Схема эксперимента представлена на рис. 1, б. Площадь поверхности нагрева 780 см , площадь поверхности охлаждения 390 см , соотношение 2 к 1. Измеряли температуру трубы в зоне испарения Ти °С и в зоне конден-
сации Тк °С, затем определяли температурный напор ДТ, °С
ДГ = ГИ-ГК. (1)
Полученные результаты. Результаты наблюдений представлены в таблице.
Математическое моделирование и интерпретация результатов. Регрессионный анализ результатов наблюдений позволил определить математическую зависимость температурного напора ДТ, °С от температуры нагретой среды Тнср , С и объёма теплоносителя в трубе У,,,, л
ДГ = -19,091+ 30,489-Гтн +
+0,673 • Гнср - 32,514 • УТ1 + (2)
+0,170 • ¥тн ■ Гн ср +0,0001- Гн2ср.
Графически зависимость (2) представлена на рис. 2 в виде поверхности
Температурный напор ЛТ, оС
Объём теплоносителя Ун, л Температура нагретой среды Тнср, оС
40 60 80 100 120
0,2 13,1 30,1 42,6 61,4 67,3
0,4 17,9 37,4 48,7 61,4 79,9
0,6 18,0 29,9 48,3 61,6 81,4
0,8 12,6 37,4 45,9 68,3 97,5
1,0 15,6 32,1 47,7 63,6 73,2
Рис. 2. Математическая модель зависимости температурного напора АТ от температуры нагретой
среды Тнср и объёма теплоносителя Утн
о
о
в-ч" <
Оч
о §
я
с
S
(D
н
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Объем теплоносителя V„, л
1,2
Рис. 3. Оптимальный объём жидкости в теплоотводящем элементе при различных температурах нагретой среды: 1 - изотерма; 2 - значение оптимального объёма жидкости
Из формулы (2) следует, что ДТ линейно зависит от температуры в зоне нагрева
Гн. ср и значимо зависит от Ктн . Следовательно, можно определить объём жидкости в трубе, при котором труба наиболее эффективно отводит тепло. Диапазон объёма жидкости для исследованного теплового элемента определен 0,6...0,8 л в зависимости от температуры в зоне нагрева (рис. 3).
Выводы. Полученная математическая зависимость позволяет определить количество тепла, которое теплоотводящий элемент может перенести из массива насыпной кучи технологической щепы в окружающую среду, контролировать и регулировать процесс аккумулирования тепла в массиве при помощи установки необходимого количества теплоотводя-щих элементов.
Список литературы
1. Головков, С.И. Энергетическое использование древесных отходов / С. И. Головков, И.Ф. Коперин, В.И. Найденов. - М.: Лесная промышленность, 1987. - 224 с.
2. Ивашов, Е.Н., Применение тепловых трубок в нанотехнологиях / Е.Н. Ивашов, К.Д. Федотов // Успехи современного естествознания. -2014. - № 1. - С. 48-51.
3. Гоголев, Г.В. Исследование артериальных низкотемпературных тепловых труб для теплооб-менного оборудования СЭУ / Г.В. Гоголев, В.А. Тимофеев // Вестник СевГТУ. Сер.: Механика, энергетика, экология. - 2008. - Вып. 85. - С. 82-86.
4. Ивановский, М.Н. Технологические основы тепловых труб / М.Н. Ивановский, В.П. Сорокин, И.В. Ягодкин. - М.: Атомиздат, 1980. - 256 с.
5. Кузнецов, Г.В. Численное моделирование тепло-массопереноса в низкотемпературной тепловой трубе / Г.В. Кузнецов, А.Е. Ситников // Ин-
женерно-физический журнал. - 2002. - Т. 75, № 4. - С. 58-64.
6. Колоусова, А.А. Температурный режим тепловой трубы при неоднородном теплообмене не ее внешнем контуре / А.А. Колоусова, Г.В. Кузнецов // Известия Томского политехнического университета. - 2004. - Т. 307, № 6. - С. 98-101.
7. Ибрагимов, Э.В. Экспериментальные исследования инновационных конструкций полого-наклонных термостабилизаторов грунта / Э.В. Ибрагимов, Я.А. Кроник, Е.В. Куплинова // Вестник ТГАСУ. - 2014, № 4.- С. 208-220.
8. Лукс, А.Л. Анализ основных расчетных и экспериментальных теплофизических характеристик аммиачных тепловых труб повышенной тепловой проводимости из алюминиевых сплавов / А.Л. Лукс, А.Г. Матвеев // Вестник СамГУ. Естественнонаучная серия. - 2008. - № 3. -С. 331-357.
Статья поступила в редакцию 30.04.15.
Информация об авторах
БРАТИЛОВ Дмитрий Александрович - кандидат технических наук, доцент кафедры древесиноведения и технологии деревообработки, Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова. Область научных интересов - технология механической обработки древесины, композиционные материалы на основе древесины, деревянное домостроение. Автор шести публикаций.
ДЕСНЕВ Александр Николаевич - ассистент кафедры гражданской защиты, Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова. Область научных интересов - физические свойства древесных материалов, промышленная безопасность. Автор 10 публикаций.
UDC 676.0(045)
DEVICE FOR HEAT TRANSFER FROM CHIPPINGS WHEN STORAGE IN HEAPS
D. А. Bratilov, А. N. Desnev Northern (Arctic) Federal University, 17, Sev. Dviny nab., Arkhangelsk, 163002, Russian Federation E-mail: Dmitry-Bratilov@yandex.ru; a_desnev@sovintel.ru
Key words: chippings; open woodchips storage; heat pipe; thermal element; temperature difference; smoulder temperature; self-ignition temperature; mathematical model.
ABSTRACT
Introduction. Woodprocessing enterprises store chippings and other particulate wood-base materials at the unsheltered storage area in the heaps. Serious shortcoming of the mode of storage is spontaneous heating of chippings up to smoulder temperature and its spontaneous ignition caused by vital activity of microorganisms. As a result of smoldering, cellulose content is decreased and timber chemical composition is changed. It leads to permanent losses of vast number of chippings and provokes fire hazardous situation. Chipping is heated in the center of a heap most of all, accumulating heat. Thus, it is obligatory to deflect the heat and lower the temperature of chippings. It is possible to solve the problem with the help of system of heat-removing elements, made on the basis of heat pipes. The goal of the research is to study a test model of a device for heat transfer from chippings when storage in heaps. Tasks in hand is to develop and produce a test model of heat pipe, and to experimentally study pipe temperature head. Research technique. The test model of heat pipe made of stainless steel 08X13 (2,5 mm width and 50 mm diameter) was elaborated and produced. Body ofpipe consists of cylindrical and conical portions and it includes valve cover. The valve is meant for pipe filling with low boiling liquid. Pipe capacity is 2,65 l. Acetone with 56°C boiling temperature was used as heat-transfer material. Surrounding air temperature (Tsur.air ) was 16°C. The plan of experiment included two variable factors: temperature of heated medium Theated medium,, °C; and volume of heat carrier Vheat camer voiume, l. Pipe temperature in the evaporation zone T evaporation °C and Tcondensation °C in the condensation zone were measured in the course of the experiment, than temperature difference AT, °C was defined
AT = T -T (I)
evaporation condensation * '
Mathematic simulation and results interpretation. Regression analysis made it possible to define mathematic dependence of temperature difference AT, °C on the temperature of heated medium Theatedmedium , °C and heat carrier volume in the pipe Vheatcarriervoiume, I.
Ar = -19,091 + 30,489-KheaUamervdume+0,673.rheatedmediim-
w
32,514 carrier volume ^^ ^heat carrier volume ^heated medium 0,0001 medium
Equation (2) allowed to define that pipe rejected heat more intensively when it was filled with heat-transfer material up to 0,23...0,30 of its inner volume. Conclusions. The obtained mathematical relation allows to define the necessary heat, which heat-transmitting element may transfer from the heap of chippings into the environment, consequently, it is the device for heat spreading system design .
REFERENCES
1. Golovkov S.I., Koperin I.F., Naidenov V.I. Energeticheskoe ispolzovanie drevesnykh otkhodov [Wood Wastes Usage for Power Generation]. Moscow: Lesnaya promyshlennost, 1987. 224 p.
2. Ivashov E.N., Fedotov K.D. Primenenie teplovykh trubok v nanotekhnologiyakh [Application of Heat Pipes in Nanotechnology]. Uspekhi sov-
remennogo estestvoznaniya [Success of Modern Natural Sciences]. 2014. № 1. Pp. 48-51.
3. Gogolev G.V., Timofeev V.A. Issledovanie arterialnykh nizkotemperaturnykh teplovykh trub dlya teploobmennogo oborudovaniya SEU [Study of Arterial Low-Temperature Heat Pipes for Heat-Exchange Equipment of Ship Power Plant]. Vestnik SevGTU.
Ser.: Mekhanika, energetika, ekologiya. [Vestnik of Northern (Arctic) Federal University. Ser.: Mechanics, Energetics, Ecology]. 2008. Issue 85. Pp. 82-86.
4. Ivanovskiy M.N., Sorokin V.P., Yagod-kin I.V. Tekhnologicheskie osnovy teplovykh trub [Technology of Heat Pipes]. Moscow: Atomizdat, 1980. 256 p.
5. Kuznetsov G.V., Sitnikov A.E. Chislennoe modelirovanie teplo-massoperenosa v nizkotempera-turnoy teplovoy trube [Numerical Simulation of Heat and Mass Transfer in Low-Temperature Heat Pipe]. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal [Engineering and Physics Journal]. 2002. Vol. 75. № 4. Pp. 58-64.
6. Kolousova A.A., Kuznetsov G.V. Tempera-turnyy rezhim teplovoy truby pri neodnorodnom tep-loobmene ne ee vneshnem konture [Temperature Condition of Heat Pipe When Irregular Heat Exchange on Its Outer Boundary]. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta [News of Tomsk
Polutechnical University]. 2004. Vol. 307, № 6. Pp. 98-101.
7. Ibragimov E.V., Kronik Ya.A., Kuplino-va E.V. Eksperimentalnye issledovaniya inno-vatsionnykh konstruktsiy pologo-naklonnykh termo-stabilizatorov grunta [Experimental Researches of Innovative Facilities of Oblique Soil Heat Stabilizer]. Vestnik TGASU [Vestnik of TGASU]. 2014. № 4. Pp. 208-220.
8. Luks A.L., Matveev A.G. Analiz osnovnykh raschetnykh i eksperimentalnykh teplofizicheskikh kharakteristik ammiachnykh teplovykh trub pov-yshennoy teplovoy provodimosti iz aluminievykh splavov [The Analysis of Basic Calculation and Experimental Thermophysical Characteristics of Ammoniac Heat Pipes of Higher Heat Conduction Made of Aluminum Alloys]. Vestnik SamGU. Estestvennon-auchnaya seriya. [Vestnik of SamSU. Natural Sciences]. 2008. № 3. Pp. 331-357.
The article was received 30.04.15.
Citation for an article: Bratilov D. A., Desnev A. N. Device for heat transfer from chippings when storage in heaps. Vestnik of Volga State University of Technology. Ser.: Forest. Ecology. Nature Management. 2015. No 2 (26). Pp. 44-49.
Information about the authors
BRATILOV Dmitry Aleksandrovich - Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor at the Chair of Wood Technology and Woodworking Technology, Northern (Arctic) Federal University. Research interests - technology of mechanical wood processing, composite materials based on wood, house-building of wood. The author of six publications.
DESNEV Alexander Nikolayevich - Teaching Assistant at the Chair of Civil Protection, Northern (Arctic) Federal University. Research interests - physical properties of wooden materials, industrial security. The author of 10 publications.
