авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Технология сушки пиломатериалов на основе моделирования и оптимизации процессов тепломассопереноса в древесине

-- [ Страница 2 ] --

а б

Рис. 3. Модели анатомических элементов лиственных пород

а – волокна; б – сосуды;

1 – капилляр; 2 – клеточная стенка

(примечание: все размеры даны в мкм)

Анализ расчетных параметров моделей позволяет сделать следующие выводы:

  1. Структура моделей позволяет охватывать широкий диапазон влажности древесины, от 5 до 120 – 160 %.
  2. Пористость древесины на моделях на 7 – 11 % меньше, чем по различным экспериментальным данным, приводимым в литературе, однако это не снижает достоверность моделирования.
  3. Модели пригодны для аналитического определения параметров массопереноса для древесины различных пород.

Для капиллярно-пористых тел, каким является древесина, массообмен со средой происходит за счет удаления жидкости из капилляров, выходящих на поверхность.

При равновесии жидкости в капилляре над ее мениском на стенке образуется полимолекулярная пленка с толщиной, уменьшающейся вверх по определенному закону, который может быть найден, если известно расклинивающее давление П или насыщенность пара пленки в функции ее толщины h (рис. 4).

Рис. 4. Физическая модель распределения жидкой фазы в древесном капилляре

Если парциальное давление паров жидкости отличается от того, которое отвечает равновесию жидкости с мениском в капилляре, то будет идти либо испарение, либо конденсация на мениске.

Если радиус капилляра не более 10-5 м, то скорость этого процесса определяется не только диффузионным потоком пара, но и потоком, переносимым пленкой влаги, при ее течении под влиянием градиента толщины h. Для оценки вклада пленочного механизма было использовано уравнение Дерягина – Нерпина.

Для случая течения происходящего параллельно оси y:

(2)

где – вязкость жидкости;

П – расклинивающее давление, являющееся функцией толщины слоя;

Vц – скорость перемещения слоя жидкости по оси у;

– плотность жидкости в слое;

g – ускорение силы тяжести;

– угол наклона оси у к горизонту.

Из условия стационарности процесса следует, что суммарная скорость испарения G равна

(3)

где Gп – поток пара;

Gж – поток жидкости в пленке.

Используя преобразования Н.В. Чураева были получены расчетные формулы для определения Gп и Gж для случая полного смачивания стенок капилляра водой и без учета возможного влияния термовлагопроводности.

Для гигроскопической зоны плотность потока влаги на поверхности материала определяется как

, кг/(м2 с) (4)

где n – количество капилляров, м-2.

Для случая, когда влажность древесины больше предела гигроскопичности, i должен определяться как средневзвешенная величина с учетом количества капилляров каждого типа на единице площади.

В результате было получено уравнение для определения коэффициента влагопроводности

(5)

Вычисление величины аm по (5) сопряжено с проблемой точного определения численного значения производной . Для исключения влияния данной погрешности на результат, определялось нормированное значение коэффициента влагопроводности.

(6)

где аm п.г. – значение коэффициента влагопроводности при W = Wп.г.

Значения критерия фазового превращения определялись как

(7)

На рис. 5 приведены значения нормированного коэффициента влагопроводности для различных пород древесины в функции влажности, описываемые следующими уравнениями регрессии:

Сосна

 (8) Лиственница (9) Береза (10) Дуб (11) -14 (8)

Лиственница

 (9) Береза (10) Дуб (11) Зависимость-15 (9)

Береза

 (10) Дуб (11) Зависимость-16 (10)

Дуб

 (11) Зависимость нормированного-17 (11)

 Зависимость нормированного-18

Рис. 5. Зависимость нормированного коэффициента влагопроводности от влажности древесины

1 – лиственница; 2 – дуб; 3 – береза; 4 – сосна

Общий характер зависимостей соответствует виду экспериментальных кривых, полученных W. Wissman и H. Shauss. Кроме того, зависимость влагопроводности от влажности соответствует уравнению проницаемости для древесины с непрерывно меняющейся влажностью, предложенному Б.Д. Руденко

(12)

где I0 – номинальная проницаемость древесины;

0 – коэффициент проницаемости;

u – влажность;

l – толщина слоя.

Что касается расчетной величины критерия фазового превращения (рис. 6), то она также существенно зависит от влажности. Математическая обработка результатов вычислений позволила получить следующие уравнения регрессии для определения величины .

Сосна

(13)

Лиственница

 (14) Береза (15) Дуб (16) Зависимость-21 (14)

Береза

 (15) Дуб (16) Зависимость критерия-22 (15)

Дуб

 (16) Зависимость критерия фазового-23 (16)

 Зависимость критерия фазового-24

Рис.6. Зависимость критерия фазового превращения от влажности древесины

1 – дуб; 2 – дуб; 3 – лиственница; 4 – сосна

а – данные W. Wissmann [75];

б – данные В.В. Сергеева [91];

в – данные А.В. Лыкова и Ю.А. Михайлова [151]

В дальнейшем, используя полученные выше соотношения для Gп и i, а также известное соотношение А.В. Лыкова

кг/(м2с) (17)

где – коэффициент влагообмена, м/с;

– плотность пара, кг/м3;

un – влажность испаряющей поверхности;

up – равновесная влажность среды

было получено выражение для определения коэффициента влагообмена древесины

м/час (18)

При этом выражение (18) справедливо для случая турбулентного обтекания сохнущего тела средой. Для случая ламинарного обтекания, которое, например, имеет место при естественной циркуляции агента, выражение (18) приобретает вид

м/час (19)

где Vц – скорость циркуляции, м/с;

Vц.кр – критическое значение скорости циркуляции при Re = 2320.

Химический потенциал агента сушки может быть определен по формуле

(20)

где – относительная влажность;

R – универсальная газовая постоянная (R = 8,31 Дж/(моль К));

Т – абсолютная температура, К.

Для того, чтобы гигроскопическая влага была удалена из древесины, агент сушки должен обладать величиной химического потенциала не меньшей, чем работа сорбции влаги древесиной, т.е.

(21)

где Асорб – работа сорбции влаги древесиной.

Известно также, что в капиллярах достаточно малого радиуса (порядка 10-7 см) над мениском жидкости происходит снижение относительного давления пара . Данное явление описывается хорошо известной формулой Томпсона.

На рис. 7 приведены расчетные значения химического потенциала, соответствующие различным значениям температуры и равновесной влажности среды. Можно отметить, что полученные результаты соответствуют экспериментальным данным A. Stamm по теплоте сорбции древесины сосны, причем значения химического потенциала несколько превышают значения работы сорбции, что отвечает (21). Исключение составляет зона экстремально низкой влажности древесины (менее 5 %), для которой значения химического потенциала оказалось ниже работы сорбции.

Возможно, это связано с неточностью определения для малых uр, а также с неопределенностью точного значения коэффициента понижения для низких значений равновесной влажности.

 Химический потенциал среды и-32

Рис.7. Химический потенциал среды и равновесная влажность древесины

(1 – 4) – теплота сорбции (по графику A. Stamm, рис. 2.14)

Химический потенциал, К:

- 303;

- 333;

- 363.

Таким образом, величина химического потенциала может служить косвенной оценкой равновесной влажности среды, а, с другой стороны, можно заключить, что в приведенном диапазоне температур агент обладает достаточным химическим, а, значит, и влагопереносным потенциалом для сушки древесины до требуемых практическими нуждами значений влажности.

В третьем разделе “Теоретические исследования кинетики и динамики сушки пиломатериалов в конвективных камерах” определена практическая пригодность разработанных моделей массопереноса в древесине для анализа процессов сушки.

Для проведения данного исследования была разработана эффективная методика анализа кинетики и динамики сушки пиломатериалов, которая включает в себя следующие частные методики:

  1. Методика исследования полей влагосодержания в древесных сортиментах во времени.
  2. Методика исследования развития влажностных напряжений в древесине.
  3. Методика теоретических исследований процессов сушки при естественной циркуляции агента.
  4. Методика анализа кинетики и динамики сушки отдельных сортиментов в зависимости от их положения в сечении бревна.

В общем случае для низкотемпературной сушки процессы тепломассообмена описываются системой дифференциальных уравнений в частных производных (с соответствующими начальными и граничными условиями) предложенной академиком А.В. Лыковым. Однако в установившемся процессе тепло- и массообмен становятся практически несвязанными. Это позволяет решать более простую задачу

(22)

при начальном условии: (23)

и граничном условии: (24)

Для решения (22) – (24) была реализована конечно-разностная схема на сетке, для чего была разработана специальная программа в вычислительной среде Mathcad – 12 в операционной системе Windows XP.

Исходными данными для расчета во времени полей влагосодержания для данной программы являются:

  • порода древесины;
  • толщина доски;
  • параметры закона изменения равновесной влажности в функции средней влажности пиломатериалов;
  • шаг по времени;
  • температура агента сушки;
  • характеристики массопереноса (am, m).

Выходными параметрами программы являются:

    • расчетные значения влажности древесины в каждой из n-точек по сечению доски в любой интересующий нас момент времени;
    • средняя влажность по сечению доски;
    • равновесная влажность агента сушки в заданный момент времени.

В основу расчета величины внутренних напряжений положена многостержневая модель доски, предложенная Б.Н. Уголевым.

Алгоритм вычислений величины внутренних напряжений для данной структуры модели следующий:

Величина напряжений в данный момент времени равна:

(25)

где * - напряжения на предшествующем этапе сушки;

– приращение напряжений на данном этапе сушки.

Приращение напряжений в любом стержне многостержневой модели можно определить по формуле:

(26)

где n – число стержней (j = 1, 2, …, i = 1, 2, …, n, - номер стержня);

– коэффициент усушки;

u, u* - влажность древесины на данном и предшествующем этапе сушки;

Е – модуль упругости;

h – толщина стержня.

Таким образом, приращение напряжений в каком-либо i-ом стержне зависит как от его собственных параметров, так и от параметров каждого j-го из остальных стержней, причем на данном этапе, по сравнению с предшествующим у любого стержня может изменяться только величина модуля упругости, а толщина стержня должна оставаться неизменной, чтобы не нарушить условия равновесия напряжений в модели.

При проведении исследований была реализована специальная программа в среде Mathcad – 12, предназначенная для определения величины напряжений в функции времени.

Эта программа имеет следующую структуру:

1. Ввод исходных данных;

2. Вычисление значений влажности в каждом стержне многостержневой модели в заданные моменты времени;

3. Вычисление значений модуля упругости и величины допускаемых напряжений в стержнях в заданные моменты времени;

4. Вычисление величин внутренних влажностных напряжений в каждом из стержней многостержневой модели в заданные моменты времени;

5. Построение графиков.

Структура нормативных режимов принята трехступенчатой. Величина режимных параметров полностью соответствует РТМ. Категории режимов – нормальные. Для режимов сушки, реализующих принцип бесступенчатости использована структура режимов, рекомендованная Л.Н. Кротовым со следующими изменениями:

- температура по сухому термометру агента сушки выбирается равной температуре второй ступени нормативного режима. Дальнейшее ее увеличение приводит к возникновению недопустимых напряжений в древесине;

- степень насыщенности обрабатывающей среды изменяется не ступенчато, а плавно, что в большей степени соответствует современным принципам управления сушкой. Кроме того, для такого инерционного объекта как лесосушильная камера ступенчатое изменение какого-либо параметра возможно лишь чисто теоретически, т.к. на месте гипотетической ступени возникает масштабный переходный процесс, продолжающийся, как правило, несколько часов;

- закон изменения равновесной влажности агента сушки от влажности древесины:

, (27)

где Wрк – равновесная влажность среды в конце сушки (соответствует III

ступени нормативного режима);

Wрн – равновесная влажность в начале сушки (соответствует I ступени нормативного режима);

b0, b1 – коэффициенты уравнения.

Выражение (27) представляет собой уравнение функции желательности, связывающей равновесную влажность с текущей влажностью сохнущей древесины. На рис. 8. приведен общий вид зависимости

, (28)

которая и является функцией желательности.

 График функции желательности -43

Рис. 8. График функции желательности

Следует отметить, что при выборе характера зависимости между равновесной и текущей влажностью древесины нами были опробованы различные виды уравнений (линейное, экспоненциальное и др.). Однако выражение (27) показало лучшие результаты как в отношении продолжительности сушки, так и процесса развития влажностных напряжений.

Использование моделей внешнего влагообмена при ламинарном обтекании сортиментов возможно лишь при достаточно точном знании скорости циркуляции. Кроме того, для повышения эффективности процесса сушки пиломатериалов при естественной циркуляции агента возможно применение так называемых осциллирующих режимов, предусматривающих изменение (увеличение и уменьшение) температуры во времени. Все это накладывает существенную специфику на методику подобных исследований.

В отличии от традиционного подхода к определению параметров естественной циркуляции воздуха в лесосушильных камерах нами учтены новые представления об аэродинамике:

  1. Наличие помимо статического напора столба нагретого воздуха динамического напора в плоской струе над нагревателем;
  2. Существенная зависимость коэффициента сопротивления штабеля от квадрата скорости циркуляции, а также от конструкции штабеля.

На основе теории свободных конвективных струй, автором которой является академик Г.Н. Абрамович, в диссертации разработана методика анализа процессов естественной циркуляции с учетом динамической составляющей напора. В результате получено следующее выражение для скорости циркуляции Vц.

, м/с (29)

где Sk – площадь нагнетательных каналов, м2;

Sшт – суммарная площадь воздушных каналов штабеля, м2;

Н – высота бокового воздушного канала, м;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

Q0 – линейная мощность нагревателя, кВт/м;

1, 2 – плотность воздуха, соответственно, на входе в штабель и выходе из него, кг/м3;

– коэффициент Буссинеска, мс;

t - температурный аналог коэффициента Буссинеска, с-1;

с – удельная теплоемкость воздуха, кДж/кг0С;

Т1 – абсолютное значение температуры воздуха на входе в штабель, К;

hшт - высота штабеля, м;

– коэффициент сопротивления трения (воздух – древесина);

dэкв – эквивалентный диаметр воздушного канала, м.

Полученные в результате расчета значения скорости циркуляции приведены в табл. 3.

Таблица 3

Скорость естественной циркуляции агента сушки в

штабеле пиломатериалов

Толщина доски, мм 19 22 25 32 40 50 60 75
Скорость циркуляции, м/с 0,717 0,742 0,761 0,813 0,878 0,926 1,004 1,076


Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.