Гідродинаміка і тепломасообмін під час сушіння подрібненої “енергетичної” верби в стаціонарному шарі

Abstract

Дисертаційну роботу присвячено дослідженню процесу фільтраційного сушіння подрібненої “енергетичної” верби в стаціонарному шарі. У роботі наведено методику визначення еквівалентного діаметра каналів між частинками неправильної форми волокнистої будови. На основі теоретичних та експериментальних досліджень гідродинаміки руху теплового агенту крізь пористу структуру шару запропоновано критеріальні залежності, які описують втрати тиску в шарі матеріалу. Отримано критеріальні залежності у вигляді безрозмірних комплексів для визначення коефіцієнтів тепло- й масовіддачі для сухого і волого шару матеріалу. У роботі наведена математична модель розрахунку коефіцієнта дифузії вологи з частинок циліндричної форми в навколишнє середовище, яка є справедливою в широких межах температур теплового агенту. Наведено економічний розрахунок ефективності використання фільтраційного сушіння і проведений порівняльний аналіз енергетичних затрат з сушінням на установках, які використовують сьогодні в промисловості. Розроблено методику розрахунку основних конструктивних параметрів сушильного агрегату та його принципову схему. Основні результати експериментальних і теоретичних досліджень передано для впровадження у виробництво та у навчальний процес. Диссертация посвящена исследованию гидродинамики, кинетики и тепломассообмена фильтрационной сушки измельченной “энергетической” ивы в стационарном слое. Проведен критический анализ источников литературы, который позволил определить основное направление исследований процесса фильтрационной сушки измельченной “энергетической” ивы. В работе разработано и обосновано методику определения эквивалентного диаметра каналов между частицами неправильной формы волокнистого строения. Исследована гидродинамика фильтрации теплового агента сквозь стационарный слой измельченной “энергетической” ивы. Определены неизвестные коэффициенты А и В для модифицированного уравнения Эргана. Исследовано влияние перепадов давления на пористость слоя измельченной “энергетической” ивы и предложено систему уравнений для прогнозирования потерь давления с учетом явления “усадки” слоя. Определен коэффициент сопротивления слоя измельченной “энергетической” ивы, который позволяет прогнозировать потери давления применяя зависимость Дарси-Вейсбаха. Предложено обобщение экспериментальных данных по гидродинамике фильтрации теплового агента сквозь стационарный слой измельченной “энергетической” ивы в виде критериального уравнения и определены неизвестные его коэффициенты, которые позволяют прогнозировать энергетические затраты и экономическую целесообразность при проектных расчетах внедрения нового сушильного оборудования. Учитывая то, что фильтрационная сушка носит зональный характер и в слое одновременно существуют сухой и влажный материал, определены коэффициенты тепло- и массоотдачи для сухого и влажного слоев материала. Раскрыт механизм фильтрационной сушки слоев измельченной “энергетической” ивы и обосновано существования периодов полного и частичного насыщения теплового агента влагой. Предложены критериальные зависимости для определения коэффициентов теплоотдачи от теплового агента к слою сухих и влажных частиц измельченной “энергетической” ивы. Предложены критериальные уравнения для определения коэффициентов масоотдачи от влажного слоя к тепловому агенту при фильтрационной сушки. Исследована внутренняя диффузия влаги с частиц измельченной “энергетической” ивы и определена зависимость коэффициента внутренней диффузии от температуры теплового агента. Рассчитана минимальная высота слоя на которой тепловой агент полностью насыщается влагой и ее зависимость от скорости фильтрации и температуры теплового агента. Исследована кинетика и динамика фильтрационной сушки измельченной “энергетической” ивы при различных условиях проведения процесса: высоты слоя материала, скорости и температуры теплового агента. Исследована динамика фильтрационной сушки измельченной “энергетической” ивы для периодов полного и частичного насыщения теплового агента. Доказано, что скорость фильтрационной сушки не зависит от высоты слоя материала. Исходя из обобщения теоретических и экспериментальных исследований гидродинамики, кинетики, динамики, теплообмена и массообмена разработана принципиальная схема сушильной установки, которая реализует фильтрационный метод сушки, учитывая гидродинамические и кинетические особенности слоя измельченной “энергетической” ивы. Усовершенствована методика расчета основных конструктивных размеров сушильных установок, которые реализуют фильтрационный метод сушки измельченной “энергетической” ивы. Рассчитаны оптимальные технологические параметры проведения процесса (температура и скорость движения теплового агента, высота слоя материала). Приведены результаты расчетов экономической эффективности сушки измельченной “энергетической” ивы фильтрационным методом и сравнение энергетических затрат с сушильными установками, которые используются в промышленности. Определена низшая теплотворная способность “энергетической” ивы при разной влажности материала. Основные результаты экспериментальных и теоретических исследований переданы для внедрения в производство топливных брикетов и пеллет. This thesis presents research on the filtration drying process of comminuted “energy” willow in the stationary layer. The method of defining the equivalent diameter of channels between particles of irregular shape and fibrous structure has been suggested. Based on the theoretical and experimental researches into a hydrodynamic movement of a heat agent through the layer with a porous structure, criteria dependencies, which respond to losses of pressure in the layer of a material, have been proposed. Criteria dependencies in the form of dimensionless complexes has been obtained with the aim to calculate heat and mass emission coefficients for both dry and moist layers of the material. In this respect, the present research also presents a mathematical model for predicting the coefficient of moisture diffusion through cylinder-like particles into the environment. The model has been shown to be reasonable within a wide temperature range of a heat agent. The thesis also suggests an economic efficiency calculation of using filtration drying and compares energy losses during the drying process being currently used in industry facilities. The calculation procedure of main constructive parameters of a drying aggregate as well as its principal scheme has been developed. The main results obtained from experimental and theoretical researches appear to be implemented for manufacturing and educational purposes.