Модель высокотемпературной сушки сферических торфяных частиц и ее экспериментальное подтверждение
Представлена упрощенная модель высокотемпературной сушки сферических торфяных частиц и результаты ее экспериментального подтверждения. Представлено спрощену модель високотемпературної сушки сферичних торф’яних часток та результати її експериментального підтвердження. The reductive mathematical model...
Saved in:
| Published in: | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Date: | 2004 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2004
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61601 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Модель высокотемпературной сушки сферических торфяных частиц и ее экспериментальное подтверждение / Ю.Ф. Снежкин, Д.Н. Коринчук // Промышленная теплотехника. — 2004. — Т. 26, № 6. — С. 134-137. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859919422699864064 |
|---|---|
| author | Снежкин, Ю.Ф. Коринчук, Д.Н. |
| author_facet | Снежкин, Ю.Ф. Коринчук, Д.Н. |
| citation_txt | Модель высокотемпературной сушки сферических торфяных частиц и ее экспериментальное подтверждение / Ю.Ф. Снежкин, Д.Н. Коринчук // Промышленная теплотехника. — 2004. — Т. 26, № 6. — С. 134-137. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | Представлена упрощенная модель высокотемпературной сушки сферических торфяных частиц и результаты ее экспериментального подтверждения.
Представлено спрощену модель високотемпературної сушки сферичних торф’яних часток та результати її експериментального підтвердження.
The reductive mathematical model of high temperature drying of peat particles and its experimental confirmation results are presented.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:07:19Z |
| format | Article |
| fulltext |
теория и практика сушки
УДК 662.641.047
СНЕЖКИН Ю.Ф., КОРИНЧУК Д.Н.
Ин-т технической теплофизики НАН Украины
МОДЕЛЬ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СУШКИ
СФЕРИЧЕСКИХ ТОРФЯНЫХ ЧАСТИЦ
И ЕЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ
Представлено спрощену модель ви-
сокотемпературної сушки сферичних
торф’яних часток та результати її експе-
риментального підтвердження.
Представлена упрощенная модель
высокотемпературной сушки сфериче-
ских торфяных частиц и результаты ее
экспериментального подтверждения.
The reductive mathematical model of
high temperature drying of peat particles
and its experimental confirmation results
are presented.
a –коэффициент температуропроводности, м2/с;
L – теплота парообразования Дж/кг;
R – радиус частицы,м; ξ – радиус фронта испаре-
ния,м;
r – локальный радиус частицы, м;
t – температура, оС;
U – влагосодержание, кг вл./кг с.в.;
α – коэффициент теплоотдачи, Вт/м2⋅К;
λ – коэффициент теплопроводности, Дж/м⋅с⋅ оС;
ρ – плотность, кг/м3;
τ – время,с;
Индексы:
i – порядковый номер итерации;
ст - стенка частицы;
о – начальное;
ср – среды.
Введение
В последнее время наблюдается рост цен на
традиционные энергоносители − нефть и при-
родный газ. Сегодня становится актуальным
использование альтернативных и
нетрадиционных восстанавливаемых источников
энергии. Особенно это касается Украины,
которая находится в настоящее время в
состоянии энергетической необеспеченности.
Известно, что Украина покрывает 53 %
энергопотребления своими топливно-
энергетическими ресурсами [1]. Поэтому
огромное значение приобретает использование
местных видов топлив, в том числе торфа.
Одним из направлений повышения эффектив-
ности торфобрикетного производства является
совершенствование технологических процессов
и оборудования. Особого внимания в этом от-
ношении заслуживает искусственная сушка фре-
зерного торфа, от интенсивности которой в
значительной степени зависит качество и
себестоимость конечного продукта.
В настоящее время на торфобрикетных
заводах (ТБЗ) Украины эксплуатируется
несколько типов сушилок, использующих в
качестве теплоносителя пар, нагретую воду или
высокотемпературные топочные газы. Из них
наиболее перспективны пневмогазовые сушилки
(ПГС), которые более просты в изготовлении и
не требуют сложного энергетического
оборудования. Основным и общим недостатком
существующих конструкций ПГС является
сравнительно невысокая интенсивность тепло- и
массообменных процессов, что увеличивает их
габариты и расход тепла на сушку. Основные
требования, предъявляемые к сушилке, состоят в
том, что влагосодержание торфа не должно
превышать 0,2 кг/кг а влагоразность отдельных
фракций − 0,15 кг/кг с. в. Как показывает
практика [2], большинство сушилок являются
достаточно энергоемкими, и тем не менее, не
обеспечивают нужного качества сушенки. Все
это снижает эффективность работы ТБЗ,
134 ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 6
теория и практика сушки
оснащенных ПГС и сдерживает их широкое
практическое использование.
Поэтому исследования по интенсификации
процесса пневмогазовой сушки фрезерного
торфа и созданию наиболее рациональной
конструкции ПГС для торфобрикетного
производства представляет собой большой
практический и научный интерес.
Цели исследования
Процессы сушки торфа зависят от многих
факторов: скорости и температуры газа-теплоно-
сителя и его расхода; фракционного состава и
влажности фрезерного торфа; условий внешнего
и внутреннего тепломассообмена. Для
детального анализа и оценки различных методов
интенсификации сушки необходима
математическая модель, описывающая
тепломассообмен влажной частицы с
высокотемпературным газом. Целью данной ра-
боты является разработка модели, описывающей
тепломассообмен влажной частицы с высокотем-
пературным газом и определение ее
корректности на основе экспериментальных
исследований.
Физическая модель сушки
сферических частиц
В общем случае исследование сушки пористого
тела связано с решением весьма сложной задачи
движения двухфазной газожидкостной смеси при на-
личии фазового перехода и одновременного переноса
тепла в трехфазной системе. Эта задача нелинейная в
связи с зависимостью коэффициентов в уравнениях
движения и конвективной теплопроводности (напри-
мер, проницаемости пористого тела для обеих дви-
жущихся фаз, эффективного коэффициента тепло-
проводности и т. п.) от температуры, влагосодержа-
ния и других неизвестных величин. Задача еще более
усложняется необходимостью учета кинетики фазо-
вого превращения и межфазового теплообмена, ка-
пиллярных явлений, вызывающих перетекание жид-
кости из крупных пор в мелкие, а также явлений де-
сорбции или перехода химически связанной жидко-
сти в свободное состояние. Строгая теория сушки от-
сутствует, и имеются лишь попытки дать полуфено-
менологическое описание этого процесса. Упрощен-
ные модели сушки такого типа предложены в работах
[3,4]. Однако эти модели также содержат большое
число неизвестных величин, входящих в нелинейные
дифференциальные уравнения, решения которых мо-
гут быть получены лишь в частных случаях и имеют
весьма громоздкий вид затрудняющий их практиче-
ское использование.
Вместе с тем в ряде случаев такие факторы,
как, например, адсорбционно связанная влага, пере-
мещение жидкости в порах и другие, несущественны,
так что могут быть предложены вполне обозримые
модели таких процессов, позволяющие получить
корректные результаты, достаточные для практиче-
ских целей. По аналогии с процессами, связанными с
движением границ фазового раздела, можно предпо-
ложить, что испарение жидкости осуществляется
главным образом в узкой зоне, распространяющейся
по мере сушки в глубь материала и разделяющей об-
ласти, занятые паром и жидкостью. Ширина зоны ис-
парения определяется характерным размером пор,
капиллярными силами, вызывающими перераспреде-
ление жидкости в порах разных размеров, а также со-
отношением между теплом, затрачиваемым на нагрев
тела и жидкости во «влажной» области, и теплом,
идущим на испарение. При определенных условиях
ширина зоны испарения оказывается значительно
меньше характерного размера высушиваемого тела,
так что эту зону можно заменить фронтом испарения
пренебрежимо малой толщины.
Заметим, что расплыванию фронта испарения
способствует увеличение среднего размера пор и
дисперсия распределения пор по размерам, рост
поверхностного натяжения жидкости и
теплопроводности сухого пористого тела.
При пневмогазовой сушке испарение влаги из
материала происходит в среде
высокотемпературных газов. Рассмотрим сушку
сферической частицы радиуса R, в которой
сформировался фронт испарения ξ = f (τ) (рис. 1).
Предположим, что при углублении фронта
испарения материал делится на две области
“сухую” и “влажную”. В сухой области
перемещается только пар, во влажной
влагосодержание остается неизменным и равно
начальному.
Учитывая что для высокотемпературных про-
цессов характерное время τ соизмеримо со
временем тепловой релаксации или значительно
меньше его, распределение температур в сухой
области ξ(τ) ≤ r ≤ R описывается уравнением
нестационарной теплопроводности:
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 6 135
теория и практика сушки
2
2
2
τ
d t dt dta
r dr ddr
⎛ ⎞
+ =⎜ ⎟⎜ ⎟
⎝ ⎠
; (1)
с граничными условиями:
cpλ (τ) ( , τ)r R
dt t t R
dr = ⎡ ⎤= α −⎣ ⎦ ; (2)
fr t)r(t ==ξ .
(3)
Уравнение баланса теплоты и влаги в преде-
лах фронта испарения:
2 2
0
ξ4πξ 4πξ ρ
τ
dt dL U
dr d
λ = ⋅ ⋅ ; (4)
где λ − коэффициент теплопроводности, учиты-
вающий явления термодифузии, конвективные
токи в порах, теплоперенос парами воды.
Система уравнений решается методом конеч-
ных разностей по явной схеме:
1
1 1 1
2
2 2
τ
k k k k k k
i i i i i iT T T T T T Ta
r rr
+
+ − +⎛ − + − −
+ =⎜⎜ ⎟∆ ∆∆⎝ ⎠
k
i⎞
⎟ ; (5)
Граничные условия:
1
1ст 1
ср стλ ( )
k k
k kT T T T
r
+
+−
= α −
∆
; (6)
f
1k
1n tT =+
+ . (7)
Уравнение баланса теплоты и влаги в преде-
лах фронта испарения:
Рис. 1. Распространение фронта испарения
в сферической частице: 1 - сухая область;
2 - влажная область.
0
ξλ
τ
k
n fT T
L U
r
−
ρ ∆
= ⋅ ⋅
∆ ∆
. (8)
Температура в точке предшествующей точке
фронта при движении фронта определяется интерпо-
ляцией по неявной схеме:
1
12 2
2
1 1 1 1 1( ) ( )
2 1
τ
k
f i
n
T T
r a rr rT
ar
+
−⋅ + + + −
ξ∆ ∆τ ξ∆∆ ∆=
+
∆∆
.(9)
Экспериментальные исследования
и их результаты
Решение поставленной задачи осуществлялось
комплексным методом включающим
экспериментальные и аналитические
исследования. Была составлена программа
решения системы уравнений. При определении
коэффициента теплоотдачи использовались
критериальные уравнения предложенные в [5].
Коэффициент теплопроводности определялся по
данным [6].
Исследования проводили на эксперименталь-
ном стенде, рабочая камера которого представле-
на на рис. 2. В опытах использовался торф
низинного типа степенью разложения 30…35 %.
Плотность сухой части 200…350 кг/м3. Исходное
влагосодержание 1 кг/кг с.в. Из торфа
формовались образцы сферической формы
диаметром 5…8 мм. Образец 2 крепился на игле
3, взвешивался, устанавливался в штатив и
помещался в рабочую камеру на весы.
Проводилась тарировка. В ходе эксперимента
измерялась убыль массы шаров. Температура
теплоносителя изменялась в пределах
120…150оС. Скорость теплоносителя составляла
4 м/с.
На рис. 3 приведено сравнение результатов экспе-
риментальных данных и данных, полученных в ре-
зультате расчета по математической модели.
Выводы
В результате проведенных исследований
разработана модель сушки частиц торфа
высокотемпературным теплоносителем. Макси-
мальное рас-
U0
U = f (r)
1
2
r
R ξ(τ)
136 ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 6
теория и практика сушки
хождение не превышает 10% среднестатистиче-
ское отклонение не более 3%, что позволяет сде-
лать вывод о достаточной точности описания
процесса сушки данной моделью и возможности
ее применения для практических целей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Материалы научно-практического семинара
”Комплексный подход к использования мест-
ных видов топлив”.- Житомир.- 2003.
2. Наумович В.М. Искусственная сушка торфа.
М.: Недра, 1984.- 222 с.
3. Лыков А.В. Теория сушки.- М: Энергия, 1968.
4. Бабенко В.Е., Буевич Ю.А., Шепчук Н.М. Ква-
зистационарный режим сушки сферической
частицы// Теоретические основы химической
технологии.– Т. 9.- № 2 – М.: ”Наука”, 1975.-
С. 274- 277.
5. Федосов С.В., Лебедев В.Я. Теплообмен между
газом и дисперсным материалом// Реология,
процессы и аппараты химической техноло-
гии.- М.- 1984.- С. 23-38.
6. Справочник по торфу. М.: Недра,1982.- 760 с.
Получено 11.10.2004 г.
Рис. 3. Зависимость вагосодержания образца
от времени сушки.
− экспериментальные данные для образ-
ца d = 7 мм t = 120 °C, Ж − эксперименталь-
ные данные для образца d = 7 мм t = 150 °С.
Рассчитанные согласно математической
модели: 1 – t = 120 °C, 2 –150 °C.
Рис. 2. Рабочий участок эксперименталь-
ного стенда. 1 – сушильная камера; 2 - об-
разец; 3 - игла в штативе; 4 – весы цифро-
вые АD500; 5 – потенциометр.
ν
1
2
3
4
ПП
5
τ,c
1,2
U,кг/кг с.в.
1 2
1
0,8
0
0,2
0,4
0,6
6 8 100 2 4
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 6 137
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61601 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:07:19Z |
| publishDate | 2004 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Снежкин, Ю.Ф. Коринчук, Д.Н. 2014-05-08T08:01:37Z 2014-05-08T08:01:37Z 2004 Модель высокотемпературной сушки сферических торфяных частиц и ее экспериментальное подтверждение / Ю.Ф. Снежкин, Д.Н. Коринчук // Промышленная теплотехника. — 2004. — Т. 26, № 6. — С. 134-137. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61601 662.641.047 Представлена упрощенная модель высокотемпературной сушки сферических торфяных частиц и результаты ее экспериментального подтверждения. Представлено спрощену модель високотемпературної сушки сферичних торф’яних часток та результати її експериментального підтвердження. The reductive mathematical model of high temperature drying of peat particles and its experimental confirmation results are presented. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Теория и практика сушки Модель высокотемпературной сушки сферических торфяных частиц и ее экспериментальное подтверждение The model of high temperature drying of spherical peat particles and its experimental confirmation Article published earlier |
| spellingShingle | Модель высокотемпературной сушки сферических торфяных частиц и ее экспериментальное подтверждение Снежкин, Ю.Ф. Коринчук, Д.Н. Теория и практика сушки |
| title | Модель высокотемпературной сушки сферических торфяных частиц и ее экспериментальное подтверждение |
| title_alt | The model of high temperature drying of spherical peat particles and its experimental confirmation |
| title_full | Модель высокотемпературной сушки сферических торфяных частиц и ее экспериментальное подтверждение |
| title_fullStr | Модель высокотемпературной сушки сферических торфяных частиц и ее экспериментальное подтверждение |
| title_full_unstemmed | Модель высокотемпературной сушки сферических торфяных частиц и ее экспериментальное подтверждение |
| title_short | Модель высокотемпературной сушки сферических торфяных частиц и ее экспериментальное подтверждение |
| title_sort | модель высокотемпературной сушки сферических торфяных частиц и ее экспериментальное подтверждение |
| topic | Теория и практика сушки |
| topic_facet | Теория и практика сушки |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61601 |
| work_keys_str_mv | AT snežkinûf modelʹvysokotemperaturnoisuškisferičeskihtorfânyhčasticieeéksperimentalʹnoepodtverždenie AT korinčukdn modelʹvysokotemperaturnoisuškisferičeskihtorfânyhčasticieeéksperimentalʹnoepodtverždenie AT snežkinûf themodelofhightemperaturedryingofsphericalpeatparticlesanditsexperimentalconfirmation AT korinčukdn themodelofhightemperaturedryingofsphericalpeatparticlesanditsexperimentalconfirmation |