Визначення порозності шару солом'яної стружки Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

нлты

УКРЛ1НИ

wi/ган

Науковий bIch и к НЛТУ УкраТни Scientific Bulletin of UNFU

http://nv.nltu.edu.ua https://doi.org/10.15421/40280118 Article received 05.02.2018 р. Article accepted 28.02.2018 р.

УДК 674.815:631.572

ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)

1 ЁЕЗ Correspondence author R. O. Kozak kozak_r@nltu.edu.ua

Р. О. Козак

Нацюнальний л^отехтчний утверситет Украти, м. Львiв, Украта

ВИЗНАЧЕННЯ ПОРОЗНОСТ1 ШАРУ СОЛОМЯНО1 СТРУЖКИ

Математично описано порозшсть насипного шару, порозшсть початку псевдорозрщження шару та порозшсть киплячого шару солом'яно1 стружки на операцп 11 сушшня. Визначено значення цих величин для рiзних значень власно1 щiльностi со-лом'яно1 стружки, 11 насипно! щшьноста, еквшалентного дiаметра та фракцiйного складу (номера фракцй). Проаналiзовано залежност порозност насипного шару солом'яно! стружки ввд 11 власно! щiльностi, еквшалентного дiаметра та фракцiйного складу. Встановлено, що порознiсть насипного шару солом'яно1 стружки зростае зi збiльшенням 11 еквшалентного дiаметра, фракцiйного складу та власно1 щiльностi. Також встановлено залежшсть порозност початку псевдорозрiдження шару со-лом'яно1 стружки вiд 1х власно1 щшьност та рiзного фракцiйного складу за сталих значень густини та кшематично1 в'язкостi газу (агента сушiння). За таких умов порозшсть початку псевдорозрщження шару солом'яно1 стружки збшьшуеться зi змен-шенням 11 фракцiйного складу i знаходиться в межах 0,378-0,399. Власна щшьшсть солом'яно1 стружки на порозшсть початку псевдорозрщження 11 шару ютотного впливу не чинить. Враховуючи, що значення порозностi насипного шару солом'яно1 стружки е бшьшою за значення порозностi початку псевдорозрщження шару солом'яно1 стружки, то тд час вибору показни-ка порозност киплячого шару потрiбно враховувати значення порозносп насипного шару.

Ключовi слова: стружкова плита; солома; сушiння; насипний шар; еквшалентний дiаметр; початок псевдорозрвдження.

Вступ. В Украíнi бiльшiсть лгав виконуе природо-охороннi функцп або не придатна для промыслового ви-користання (Atamanchuk, 2014), а наявт запаси про-мислово1' деревини е незначними (Vintoniv, Sopu-shynskyi, & Taishinher, 2005) i стримують розвиток де-ревообробно1' галузi загалом i виробництва стружкових плит зокрема.

Використання соломи, як сировини у виробнищга стружкових плит, дасть змогу виршити нагальну проблему нестачi деревинно1' сировини. Також замiна у стружкових плитах деревинно1' сировини на солому ма-тиме i важливе природоохоронне значення, тому що зменшиться навантаження на лiсовий фонд Украни, а залишки соломи не спалюватимуться.

За умов постшного здорожчання енергетичних ре-сурсiв важливого значення набувае ефективне використання теплово1' енерги у виробнищга стружкових плит. Сушильна дшьниця у виробництвi стружкових плит за витратою теплово1' енерги е одшею з найенергомютш-ших (Ianiuk, 2003; ВекЫа, 1994). Витрата тепла на су-шiння стружки у п'ять разiв бiльша, нiж на пресування плит (Bekhta, 1994). Тому рацюнальне використання тепла пiд час сушiння солом'яно1' стружки е актуальним.

Встановлено, що за питомими витратами тепла, електроенергп та напруженiстю за випаруваною воло-гою циклонно-спiральнi сушарки для сушшня стружки е ефектившшими за iншi (Kozak, 2013). Однак для яшс-ного та енергоощадного сушiння солом'яно1' стружки в таких сушарках немае даних про порознiсть 11' шару, яка

визначае не тшьки стутнь розширення такого шару та його висоту, але i впливае на розмiри сушарки та iнтен-сившсть процесiв тепло- i масообмiну, тому входить до рiзних розрахункових формул. Отже, встановлення значень порозносп шару солом'яноí стружки е актуальним i дасть змогу розрахувати оптимальш конструктивнi па-раметри циклонно-спiральноí сушарки, режими сушш-ня солом'яноí стружки та мiнiмiзувати енергетичнi зат-рати тд час и сушiння.

Мета роботи - визначити порозшсть шару со-лом'яноí стружки.

Виклад основного матерiалу досл1дження. Пороз-нiсть шару визначають як частку об'ему пустот (¥„) мiж частинками в загальному об'емi шару (¥ш) (Mukhlenova, Sazhina & Frolova, 1986):

-.Vi.

V

у ш

(1)

Розрiзняють порозшсть насипного шару (енас), коли шар перебувае у спокоТ, i порозшсть киплячого шару (ек.ш.), коли частинки перебувають у розрвдженому ста-ш Порознiсть насипного шару пов'язана з його насип-ною щiльнiстю (рнас) та власною щiльнiстю матерiалу (рм) (Mukhlenova, Sazhina & Frolova, 1986):

,= 1 --

Рм

(2)

З урахуванням залежностi насипно! щшьносп со-лом'яних частинок (стружки) вщ !х еквiвалентного дь аметра (de) (Kozak, 2015) порознiсть насипного шару солом'яних частинок можна записати у виглядi:

к

1нформащя про aBTopiB:

Козак Руслан Олегович, канд. техн. наук, доцент кафедри технологш деревинних композицiйних матерiалiв, целюлози та

паперу. Email: kozak_r@nltu.edu.ua Цитування за ДСТУ: Козак Р. О. Визначення порозносп шару солом'яно' стружки. Науковий вкник НЛТУ УкраТни. 2018, т. 28, № 1. С. 91-94.

Citation APA: Kozak, R. O. (2018). Determination of Straw Particles Layer Porosity. Scientific Bulletin of UNFU, 28(1), 00-00. https://doi.org/10.15421/40280118

,= 1 -

148,68

Рм

-0,3625-de

(3)

Виразивши екв1валентний д1аметр частинок у фор-мул1 (3 38) через розм1ри отвор1в сит (doc) за формулою

кг/м3; Re^2 - критерш Рейнольдса для режиму початку псевдорозрщження частинок максимального розм1ру:

ЛГкр2

Re™2 = -

(8)

k 3

d = -V d

de = 2 ' do> kF

(4)

де kv i -f - коефщенти пропорцшност (Kozak, 2014), можна визначити порозшсть насипного шару частинок окремих фракцш. Порознiсть киплячого шару змь нюеться приблизно в межах (Lebedev, 1962):

&кр2 < &к.ш. < &кр! , (5)

де: еКр1 - порознiсть шару на початку виносу дрiбних частинок iз сушарки (початок руйнування киплячого шару, бкр1 = 1,0); бкр2 - порозшсть шару на початку псев-дорозрщження частинок максимального розмiру. Усе-реднено може бути розрахована за рiвнянням О. М. Тодеса, В. Д. Горошко i Р. Б. Розенбаума (Lebedev, 1962):

&кр2 — Ар,21 - (18 - Re^ 0.36 - Re^ , (6)

де: Агкр2 - критерш Архiмеда для режиму початку псев-дорозрiдження частинок максимального розмiру:

Ar — g' de max . pм — ^С ■ (7)

V2 Рс

g - прискорення вшьного падiння, м2/с; de max - е^ва-лентний дiаметр частинок максимального розмiру, м; v - кшематична в'язюсть середовища, що втримуе кип-лячий шар, м2/с; рм - власна щшьшсть частинок, кг/м3; рс - густина середовища, що втримуе киплячий шар,

^кр2 1400 + 5,22- hj Агкр2 Згiдно з формулами (5)-(8), порознiсть киплячого шару залежить як вiд параметрiв самих частинок, так i вiд параметрiв середовища.

Якщо насипна порозшсть шару солом'яних частинок е бшьшою за порознiсть початку псевдорозрщження цього шару, то пiд час вибору показника порозност киплячого шару за нерiвнiстю (5) потрiбно враховувати показник порозност насипного шару:

&к.ш. = &sidu + &нас , (9)

де eeidH - вдаосна порознiсть, яка, при розширеннi неру-хомого шару i переходi його в киплячий, характеризуе збшьшення частки пустот при псевдорозрiдженнi вщ-носно нерухомого шару (Mukhlenova, Sazhina, & Frolo-va, 1986):

V

F .A = 1 — Унас &в1дн 1 T/.

V к.ш.

(10)

де: VHac - об'ем насипного шару, м ; V'к.ш. - об'ем киплячого шару, м3. Пiдставивши у формулу (2) значення власно1 та насипно1 щiльностi солом'яних частинок, визначили значення порозност 1х насипного шару, як наведено в таблицi. З даних цiеi таблицi видно, що значення порозност насипного шару солом'яних частинок збшьшуеться зi зростанням iх власноi щiльностi i змен-шуеться зi зростанням iх насипноi щшьностг

Власна щшьшсть, кг/м3 Насипна щшьшсть, кг/м3

40 50 60 70 80 90 100 110 120

340 0,8824 0,8529 0,8235 0,7941 0,7647 0,7353 0,7059 0,6765 0,6471

360 0,8889 0,8611 0,8333 0,8056 0,7778 0,7500 0,7222 0,6944 0,6667

380 0,8947 0,8684 0,8421 0,8158 0,7895 0,7632 0,7368 0,7105 0,6842

400 0,9000 0,8750 0,8500 0,8250 0,8000 0,7750 0,7500 0,7250 0,7000

420 0,9048 0,8810 0,8571 0,8333 0,8095 0,7857 0,7619 0,7381 0,7143

440 0,9091 0,8864 0,8636 0,8409 0,8182 0,7955 0,7727 0,7500 0,7273

Залежнiсть порозностi насипного шару вщ екшва-лентного дiаметра солом'яних частинок та iх власноi щiльностi наведено на рис. 1. Порозшсть насипного шару солом'яних частинок збшьшуеться iз збшьшенням iх е^валентного дiаметра та власноi щiльностi. До того ж вплив власноi щшьност частинок на порознiсть iх насипного шару е значно меншим, тж е^валентного дiаметра частинок.

Залежнiсть порозност насипного шару солом'яних частинок вщ iх власноi щiльностi та номера фракцп наведено на рис. 2.

Екв1валентний д1аметр солом'яних частинок, Рис. 1. Залежнють порозност насипного шару солом'яних частинок вщ !х етвалентного даметра та власно! щшьност

320 340 360. 380 400 420 440 3 460 Власна щшьшсть солом'яних частинок, кг/м Рис. 2. Залежнють порозност насипного шару солом'яних частинок вщ !х власно1 щшьност та номера фракцп

З рис. 2 видно, що чим бшьша фракщя i власна щiльнiсть частинок, тим бшьша 1х порознiсть насипного шару. Збшьшення власноi щiльностi солом'яних частинок зумовлюе, порiвняно з номером фракцп, незнач-не збiльшення 1х порозностi насипного шару. До того ж зi збiльшенням власноi щшьносл частинок зростання

e

порозносп насипного шару е iстотнiшим для частинок фракцп 0,315/0 нiж для частинок фракцп -/5,0.

Залежнiсть порозносп шару на початку псевдорозрь дження солом'яних частинок вiд власно! щшьносп частинок i !х фракцшного складу (еквiвалентного дiамет-ра) за сталих параметрiв газу, що створюе киплячий шар, наведено на рис. 3. З цього рисунку видно, що зi збшьшенням власно! щшьносп та еквiвалентного дь аметра солом'яних частинок порозшсть початку псевдо-розрщження !х шару зменшуеться. До того ж за збшь-шення власно! щшьносп частинок зменшення пороз-носп киплячого шару е порiвняно неютотним.

n0Tpi6H0 враховувати показник n0p03H0CTi насипного шару.

Висновок. Визначенi на основi теоретичних розра-хунк1в порознiсть насипного шару та початку псевдо-розрщження шару солом'яних частинок дають змогу застосувати отриманi результати у розрахунках пара-метрiв сушильних апаратiв та режимiв сушiння со-лом'яно! стружки. Отримаш табличнi данi та графiчнi залежностi дають змогу аналiзувати вплив власно! та насипно! щiльностi, а також фракцiйного складу солом'яних частинок на !х порознiсть.

Перелш використаних джерел

Atamanchuk, V. I. (2014). Osnovni dosiahnennia lisovoho hospo-darstva Ukrainy. Derzhavne ahentstvo lisovykh resursiv Ukrainy. Lisova haluz Ukrainy v konteksti Uriadovykh reform - 2014. Retrieved from: http://dklg.kmu.gov.ua/forest/control/uk/publish/article? Art_id=121197&cat_id=81209 Bekhta, P. A. (1994). Tekhnolohiia i obladnannia dlia vyrobnytstva

derevynno-struzhkovykhplyt. Kyiv: ISDO. 456 p. [In Ukrainian]. Ianiuk, Iu. V. (2003). Matematicheskoe modelirovanie i optimizatciia protcessov sushki sypuchikh materialov v sushilnoi ustanovke bara-bannogo tipa. Candidate Dissertation for Technical Sciences (05.13.18 - Mathematical modeling, numerical methods and program complexes). Petrozavodsk. 164 p. [In Russian]. Kozak, R. O. (2013). Vyznachennia sposobu sushinnia solomianoi struzhky dlia vyrobnytstva struzhkovykh plyt. Lisove hospodarstvo, lisova, paperova i derevoobrobna promyslovist, 39(1), 68-71. [In Ukrainian].

Kozak, R. O. (2014). Vyznachennia heometrychnoho koefitsiienta formy ta koefitsiienta sferychnosti solomianykh chastynok. Visnyk Kharkivskoho Natsionalnoho tekhnichnoho universytetu silskoho hospodarstva im. Petra Vasylenka, 147, 60-68. [In Ukrainian]. Kozak, R. O. (2015). Vyznachennia nasypnoi shchilnosti rozfraktsi-onovanoi solomianoi struzhky. Visnyk Kharkivskoho Natsionalnoho tekhnichnoho universytetu silskoho hospodarstva im. Petra Vasylenka, 160, 52-58. [In Ukrainian]. Lebedev, P. D. (1962). Raschet i proektirovanie sushilnykh ustanovok.

Moscow - Leningrad: Gosenergoizdat. 320 p. [In Russian]. Mukhlenova, I. P., Sazhina, B. S., & Frolova, V. F. (Eds.). (1986). Raschety apparatov kipiashhego sloia. Lviv: Khimiia. 352 p. [In Russian].

Vintoniv, I. S., Sopushynskyi, I. M., & Taishinher, A. (2005). De-revynoznavstvo. Lviv: RVV UkrDLTU. 256 p. [In Ukrainian].

Власна щшьшсть солом'яних частинок, Рис. 3. Залежтсть порозносп початку псевдорозрiдження шару солом'яних частинок вщ 1х фракцiйного складу (еквшалентного дiаметра) та власно! щiльностi (густина газу - 0,746 кг/м3; юне-матична в'язкiсть газу - 3,475-10-5 м2/с)

Основний вплив на змшу цiе! величини чинить фракцшний склад частинок або !х е^валентний да-аметр. Тобто вид соломи, який характеризуеться влас-ною щшьшсть матерiалу, на параметри створення кип-лячого шару майже не впливае, що е безперечним позитивом, тому що дае змогу не враховувати його тд час розрахуншв сушильних апарапв i режимiв сушiння.

У разi використання полвдисперсного шару показник порозностi початку псевдорозрвдження шару солом'яних частинок приймають за найменшим значен-ням його величини. Порiвнюючи данi рис. 2 i 3, можна зробити висновок, що насипна порозшсть шару солом'яних частинок е бшьшою за порозшсть початку псевдорозрвдження цього шару. Отже, тд час вибору показника порозносп киплячого шару за нерiвнiстю (5)

Р. О. Козак

Национальный лесотехнический университет Украины, г. Львов, Украина

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРОЗНОСТИ СЛОЯ СОЛОМЕННОЙ СТРУЖКИ

Математически описаны порозность насыпного слоя, порозность начала псевдоожижения слоя и порозность кипящего слоя соломенной стружки на операции ее сушки. Определены значения данных величин для различных значений собственной плотности соломенной стружки, ее насыпной плотности, эквивалентного диаметра и фракционного состава (номера фракции). Проанализированы зависимости порозности насыпного слоя соломенной стружки от ее собственной плотности, эквивалентного диаметра и фракционного состава. Установлено, что порозность насыпного слоя соломенной стружки возрастает с увеличением ее эквивалентного диаметра, фракционного состава и собственной плотности. Также установлена зависимость порозности начала псевдоожижения слоя соломенной стружки от их собственной плотности и разного фракционного состава при постоянных значениях плотности и кинематической вязкости газа (агента сушки). При таких условиях по-розность начала псевдоожижения слоя соломенной стружки увеличивается с уменьшением ее фракционного состава и находится в пределах 0,378-0,399. Собственная плотность соломенной стружки на порозность начала псевдоожижения ее слоя существенного влияния не оказывает. Учитывая, что порозность насыпного слоя соломенной стружки имеет большие значения от значений порозности начала псевдоожижения слоя соломенной стружки, то при выборе показателя порозности кипящего слоя необходимо учитывать значение порозности насыпного слоя.

Ключевые слова: стружечная плита; солома; сушка; насыпной слой; эквивалентный диаметр; начало псевдоожижения.

R. O. Kozak

Ukrainian National Forestry University, Lviv, Ukraine

DETERMINATION OF STRAW PARTICLES LAYER POROSITY

The porosity of the bulk layer, the porosity of the beginning of layer fluidization and the porosity of the straw particles fluidized bed on its drying operations are mathematically described. The values of these dimensions for different values of the density of straw particle, its bulk density, the equivalent diameter and fraction composition (fraction numbers) are determined. The bulk density of straw particles increases in the range from 40 to 120 kg/m3 for the density of straw particle 340 kg/m3, the porosity of its bulk layer decreases from 0.88 to 0.65. The bulk layer porosity decreases from 0.91 to 0.73 for its density of straw particle 440 kg/m3 in the specified interval of its bulk density. The dependences of the bulk layer porosity of straw particle on its intrinsic density, equivalent diameter and fraction composition are analysed. It is defined that bulk layer porosity of straw particle increases with increasing of its equivalent diameter, fractional composition and intrinsic density. The value of the bulk layer porosity within the density of straw particle being 340-440 kg/m3 increases by on 3 % for the fraction -/5 and by 14 % for the fraction 0.315/0. Reducing of the equivalent diameter from 3.6 to 0.16 mm (fraction from -/5 to 0.315/0) leads to reducing the density of the bulk layer by 33 % for the density of straw chips 340 kg/m3 and 25 % for its density 440 kg/m3. The dependence porosity of beginning of fluidization straw particle layer from its density and different fractional composition is also defined; density values kinematic viscosity gas (drying agent) is constant. Under such conditions, the porosity of fluidization beginning of straw particle layer increases with decreasing of its fractional composition and it ranges from 0.378 to 0.399. The proper density of straw particle doesn't substantially influence on the porosity of the fluidization beginning its layer. The value of bulk layer porosity of straw particles is higher than the value of porosity of fluidization beginning layer of straw particle that's why, during adoption of parameter porosity fluidized bed, the value of bulk layer porosity should be take into account.

Keywords: particle board; straw; drying; bulk layer; equivalent diameter; beginning of fluidization.