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 |

Расчет тепломассопереноса в процессе сушки волокнистых материалов на основе аналитических методов в теории теплопроводности

-- [ Страница 2 ] --

сушки, в котором воздух у поверхности волокна насыщен водяными парами, а скорость процесса лимитируется скоростью их отвода от поверхности испарения в ядро потока сушильного агента. Обозначим момент начала первого периода сушки t0. Считаем, что поле температур волокна (цилиндра) имеет распределение Т(r,t)=f1(r), tt0. Вся теплота, подведенная к материалу конвективно от нагретого воздуха с температурой (t), затрачивается на испарение влаги с поверхности волокна. Перенос теплоты внутри слоев теплопроводностью отсутствует. В данном периоде влага под действием перепада влагосодержания в материале перемещается из внутренних его слоев к поверхности. Недостаток влаги на поверхности мгновенно пополняется из внутренних слоев материала. Внутренняя диффузия не тормозит процесс сушки. Движения границы испарения влаги не происходит.

Математическая модель:

Уравнение, задающее скорость испарения влаги:

, (6)

где r* – теплота парообразования, кДж/кг; Vc – объем цилиндра, м3; w(t) – концентрация влаги в материале, кг влаги/м3 материала; S – поверхность цилиндра, м2.

Искомое решение имеет следующий вид:

(7)

Переходя от w(t) к u(t) - влагосодержанию материала, кг влаги/ кг сухого материала, получаем в случае =const:

, (8)

заметим, что , где 0 - плотность абсолютно сухого материала, кг/м3. Данный период сушки продолжается до тех пор, пока содержание влаги в материале не достигнет критического значения u(t)=u*.

Третий раздел второй главы посвящен моделированию периода с падающей скоростью сушки (второго периода сушки). Когда влагосодержание материала достигает критического значения, происходит углубление локализованного фронта испарения влаги.

Математическая модель:

Поместим начало координат на центральной оси цилиндра и будем считать распределение температур четной функцией r (рис.2). Математическая постановка задачи о сушке волокна во втором периоде сводится к сопряженной задаче теплопроводности для неограниченного цилиндра с подвижной границей фазового перехода, при соответствующих краевых условиях:

, (9)

(10)

(11)

(12)

; (13)

(14)

(15)

Требуется найти у(t), Ф(r,t), при t>0, у(t)<r<R.

Здесь Ф(r,t) – поле температур высушенного слоя, K; T(r,t) – поле температур влажного слоя, K; P(t) – парциальное давление водяного пара в воздухе, Па; f1(r) – симметричное относительно центральной оси цилиндра, распределение температуры во влажном материале, сформированное к моменту начала второго периода сушки; – плотность воды, кг/м3; – пористость материала, м3/м3; , – общее сопротивление массопередаче (с/м); – коэффициент массопередачи по газовой фазе, отнесённый к разности парциальных давлений пара, кг/(м2 с Па); K – коэффициент массопередачи, выраженный по газовой фазе и отнесённый к разности концентраций пара, кг/(м2 скг/м3); – газовая постоянная водяного пара; – средняя температура водяного пара на интервале от T(y(t),t) до ; – коэффициент массоотдачи, отнесённый к разности концентраций пара, кг/м3; Dэ – эффективный коэффициент диффузии пара в пористой среде (высохшем слое), м2/с.

Рис. 2. Схема тепловых потоков в периоде падающей скорости сушки

Данная задача Стефана (9 – 15) решена нами аналитически с использованием метода дифференциальных рядов. Решение позволяет установить поле температур высушенного слоя и закон перемещения границы испарения, т.е. рассчитать кинетику и динамику процесса сушки волокна. Метод дает возможность найти решение при любом начальном распределении температур. Для определенности полагали, что имеет место квадратичное начальное распределение температур в цилиндре, симметричное относительно центральной его оси:

f1(r)= D0 + D1r2, где D0, D1 – постоянные величины. Тогда распределение температур внутри высушенного слоя в любой момент времени можно представить выражением (дифференциальным рядом), удовлетворяющим уравнению (9):

, (16)

где B(t) – произвольная функция, вид которой должен обеспечить сходимость ряда (16). В выражении (16) отражена указанная выше симметрия тепловых полей в нашей задаче. В диссертации представлено нулевое приближение решения задачи.

Закон перемещения границы испарения имеет вид:

. (17)

Температура просушенного слоя материала

, (18)

где (19)

Здесь ; ; .

Расчет по модели и сопоставление его результатов с экспериментальными данными показали, что при малых значениях ( <0,1) следует использовать нижнее выражение в (19). Анализ полученного решения в среде MаthCAD позволил выявить динамику изменения положения границы испарения влаги из волокон различных типов.

Изложенный метод решения задачи об испарении более эффективен, чем описанные в литературе инженерные и численные методы, так как он позволяет: описать процесс на протяжении всего его течения; решать задачу при произвольном распределении температуры в теле перед сушкой; учесть влияние начального теплосодержания на динамику изменения границы фазового перехода и температуры тела и т.п.

В следующем четвертом разделе главы 2 получена расчетная формула для нахождения текущего влагосодержания материала uнов в период падающей скорости по известному закону перемещения границ испарения y(t), если известно исходное значение влагосодержания uc:

. (20)

В последнем пятом разделе данной главы очерчена область применимости предложенной модели сушки.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию конвективной сушки волокнистых материалов. С целью проверки адекватности предложенной математической модели были проведены экспериментальные исследования процесса сушки ряда волокнистых материалов: вискозы; хлопкового волокна; льняного волокна, изготовленного в ИХР РАН; хлопковой нити; льняной нити; полиамида; нитрона на лабораторной экспериментальной установке. Получены экспериментальные кривые сушки и нагрева отдельных волокон указанных материалов в условиях конвективной сушки — при трёх температурах сушильного агента (воздуха) в интервале от 400 до 60 оС. В качестве примера на рис. 3, 4 представлены кривые нагрева и сушки льняного волокна. Проведен анализ полученных экспериментальных данных с целью выделения первого и второго периодов сушки их длительности. Полученные кривые сушки были продифференцированы с целью определения скорости сушки. Для каждого из материалов получены экспериментальные зависимости критического влагосодержания от температуры сушильного агента: в пределах исследованных температур критическое влагосодержание может быть описано линейной функцией от температуры, например, для хлопкового волокна кр = 0,0105+ + 0,2513; для хлопковой нити кр = 0,00495 + 0,3268; для льняной нити кр = 0,00195 + 1,1085; для вискозы кр = 0,0523 + 0,611. Экспериментально определены значения пористости исследуемых волокон и их плотности в абсолютно сухом состоянии; по экспериментальным данным получены коэффициенты тепло- и массоотдачи, которые используются нами в математическом описании процесса сушки (табл. 1 ).

 Кинетика нагрева льняного волокна.-55

Рис. 3. Кинетика нагрева льняного волокна. Температура теплоносителя 400, 500, 60 0 С

 Кинетика сушки льняного волокна. -56

Рис. 4. Кинетика сушки льняного волокна.

Образец цилиндрической формы (длина - 30 мм, диаметр - 3 мм, сухой вес - 28,9 мг). Поперечный обдув теплоносителем со скоростью 5 м/с.(uкр =1,2 кг/кг с.м. при = 40 0С; uкр =1,69 кг/кг с.м. при = 50 0С; uкр =1,81кг/кг с.м. при = 60 0С)

Четвертая глава посвящена проверке адекватности разработанной математической модели. Проведено сопоставление параметров, характеризующих кинетику процесса конвективной сушки волокнистых материалов, рассчитанных по модели и полученных экспериментально, как для каждого периода в отдельности, так и для всего процесса в целом.

В качестве примера на рис. 5, 6, 7, 8 приведены расчетные и экспериментальные кривые соответственно для периода прогрева, а также первого и второго периодов сушки льняного волокна. Как видно из рисунков, наблюдается удовлетворительное соответствие экспериментальных и расчетных данных. Рассчитанные среднеквадратические отклонения полученных кривых не превышают 15%.

Таблица 1

Результаты расчётов коэффициентов тепло- и массоотдачи

№ п/п Материал Диаметр волокна d,мм Температура воздуха , °С Скорость воздуха с, м/с Коэффициент массоотдачи с, м/с Коэффициент теплоотдачи , Вт/м2·К
1 Вискозное волокно 1,95 40 1,1 0,21 280
50 1,3 0,22 320
60 1,5 0,23 330
2 Лен (ИХР РАН) 3 40 5 0,09 147
50 5 0,09 177
60 5 0,09 228
3 Нитрон (полиакрило-нитрил) ПАН) 2,82 40 0,8 0,005 106
50 1,1 0,007 142
60 1,5 0,005 169
4 Хлопковое волокно 2,1 40 0,8 0,07 120
50 1,2 0,08 110
60 1,5 0,09 140
5 Хлопковая нить 1 40 0,8 0,11 140
50 1,2 0,15 160
60 1,5 0,13 180
6 Льняная нить 0,65 40 0,8 0,06 100
50 1,2 0,07 100
60 1,5 0,07 100
7 Полиамид 0,85 40 0,8 0,05 16,1
50 1,2 0,06 17,8
60 1,5 0,05 20,6


Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 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.