Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор 11
1.1. Влияние рулонной технологии уборки на качество льняной тресты 11
1.2. Особенности льняной тресты рулона как объекта сушки 13
1.3. Оборудование для сушки льняной тресты в рулонах 17
1.4. Основные факторы, влияющие на эффективность сушки рулонов льняной тресты 36
1.5. Подходы к моделированию процессов сушки 41
1.6. Выводы 46
2. Экспериментальные исследования свойств слоя льняной тресты высокой плотности 47
2.1. Экспериментальное определение проницаемости льняной тресты при поперечной и продольной продувке 47
2.2. Экспериментальное исследование массообмена при сушке слоя тресты высокой плотности 60
2.3. Выводы 66
3. Моделирование и исследование процесса сушки тресты в рулонах 67
3.1. Конечно-элементная модель процесса сушки рулона льняной тресты 67
3.2. Верификация конечно-элементной модели 74
3.3. Оценка эффективности регулирования степени рециркуляции в процессе сушки 77
3.4. Исследование влияния скорости воздуха на показатели процесса сушки рулонов
3.5. Выводы 94
4. Опенка эффективности системы автоматического управления процессом сушки для сушильной машины СЛР-ЗМ2 95
4.1. Конечно-элементная модель процесса сушки рулонов тресты на машине СЛР-ЗМ2 95
4.2. Анализ результатов моделирования процесса сушки 105
4.2.1. Существующая сушильная машина СЛР-3 М2 105
4.2.2. Сушильная машина СЛР-ЗМ2 с системой автоматического управления подачей воздуха 114
4.3. Выводы 124
5. Общие выводы и рекомендации 125
Библиографический список
- Оборудование для сушки льняной тресты в рулонах
- Экспериментальное исследование массообмена при сушке слоя тресты высокой плотности
- Оценка эффективности регулирования степени рециркуляции в процессе сушки
- Анализ результатов моделирования процесса сушки
Оборудование для сушки льняной тресты в рулонах
Предложены также и более общие описания, однако непосредственное применение сложных систем взаимосвязанных дифференциальных уравнений с многочисленными необходимыми коэффициентами для конкретных рассматриваемых процессов является затруднительным, главным образом вследствие зависимости коэффициентов переноса от влагосодержания и температуры, что делает уравнения (1.3) нелинейными. Одним из путей решения данной проблемы является использование «зонального метода», при котором для временных и пространственных зон должны рассчитываться средние значения этих коэффициентов [55].
Во многих конкретных задачах сушки взаимным влиянием процессов переноса можно пренебречь. Например, при конвективной сушке тонких лубоволокнистых материалов интенсивность массообмена на поверхности стеблей не лимитируется внутренним переносом влаги (внешняя задача, диффузионное число Био Ві 1) [65]. А это означает, что влагоперенос в стенке стебля, обусловленный градиентами температуры и давления (термо- и бародиффузия влаги) является несущественным, и соответствующие коэффициенты переноса в уравнениях (1.3) можно приравнять к нулю. Тогда появляется возможность исследовать и описывать процессы тепло- и массопереноса системой обычных уравнений теплопроводности и диффузии, а взаимосвязи между процессами учитывать дополнительно [51]. Такие уравнения для тел канонических форм (пластина, цилиндр, шар) решаются аналитически. Если же коэффициент диффузии влаги (в общем случае -коэффициент влагопереноса, учитывающий другие механизмы переноса влаги) зависят от температуры и влагосодержания, уравнения переноса решаются численными методами.
Данный подход к моделированию и исследованию процесса сушки использован, например, А.Г.Гороховским [56] применительно к древесине для анализа кинетики сушки отдельных сортиментов в зависимости от их положения в сечении бревна. Основываясь на допущении об отсутствии связи процессов тепло- и массообмена в установившемся режиме сушки, автор методом конечных разностей решает уравнение влагопереноса: равновесное влагосодержание; ат - коэффициент влагопроводности; ат - коэффициент влагообмена; R - радиус поперечного сечения бревна.
В указанной работе коэффициенты массопереноса рассчитаны аналитически, на основе представления капиллярно-пористого коллоидного материала древесины как системы постоянных и непостоянных капилляров канонической формы, радиус которых зависит от влажности и температуры.
Рассмотренный подход также использовался для моделирования процесса сушки зерна пшеницы, геометрически область представлялось в виде эллипсоида [57].
Основополагающие уравнения переноса тепла и влаги использовались и А.М.Афанасьевым для моделирования процесса сушки капиллярно-пористых тел, обдуваемых воздушным потоком при одновременном воздействии электромагнитного излучения (инфракрасного или СВЧ) [58]. Для учета выделяющегося при поглощении излучения тепла в уравнение теплопереноса использовалось в более общей форме, включающей источниковый член, представляющий объемную плотность внутренних источников тепла, зависящую от мощности излучения, глубины его проникновения и других параметров: дТ dU где с, X, у, am, aj - теплофизические характеристики материала (удельная теплоемкость, коэффициенты теплопроводности, испарения, диффузии влаги и термодиффузии влаги); р0 - плотность материала в сухом состоянии.
Уравнения в дивергентной форме (1.6) и (1.7) эквивалентны уравнениям (1.3) при отсутствии фильтрационного переноса и при постоянных X, am, aj.
Использование чисто теоретического подхода к моделированию процессов сушки капиллярно-пористых коллоидных тел встречает серьезные затруднения. Сложность структуры таких тел, изменение параметров капилляров в процессе сушки в большинстве практически важных случаев не позволяет рассчитать теоретически коэффициенты переноса в уравнениях (1.3), а при использовании эмпирических данных нелинейность полученных уравнений заставляет решать задачу численными методами.
Для решения данного класса задач в настоящее время разрабатываются принципы гомогенизации, основанные на замене сложной среды (материала) с многоуровневой структурой на однородный материал с эквивалентными свойствами.
В связи с изложенным, в нашей работе использовался теоретико-экспериментальный метод, основанный на следующих допущениях: - слой тресты рассматривается как сплошная ортотропная среда с коэффициентами проницаемости, зависящими от параметров слоя, направления и скорости фильтрации сушильного агента. Дезориентация стеблей не учитывается; - для расчета массообмена между слоем тресты и сушильным агентом используются критериальные уравнения, полученные при экспериментальном изучении сушки слоя льняной тресты.
В рамках данного подхода, слой тресты рассматривается как пористая среда с распределенными параметрами. При этом полагается, что это уравнение справедливо и для отдельного элемента слоя, что дает возможность учесть различия в интенсивности массообмена, связанные, в частности, с неравномерностью распределения плотности слоя по объему рулона, а следовательно, и поля скоростей сушильного агента, а также изменением его потенциала сушки при прохождении через слой тресты.
Разработка конечно-элементной модели процесса сушки также позволит оценить влияние неравномерности распределения потоков воздуха между отдельными рулонами тресты, обусловленной как конструкцией воздуховодов, так и разбросом самих рулонов по проницаемости.
Моделирование в среде ANSYS основано на решении дифференциальных уравнений Навье-Стокса, энергии, уравнения неразрывности и переноса компонентов смеси газов или паров при соответствующих начальных и граничных условиях, дополняемых уравнениями переноса и диссипации турбулентности. Модель замыкается соотношениями, характеризующими изменение концентрации компонентов смеси, в данном случае содержания влаги в воздухе, вследствие испарения ее из слоя тресты. Применительно к моделированию процесса сушки льняной тресты данный подход впервые использован Ю.В.Васильевым с соавторами для совершенствования слоевых сушильных машин [10], при этом неоднородность слоя тресты по плотности не учитывалась.
Экспериментальное исследование массообмена при сушке слоя тресты высокой плотности
В литературе имеются данные о гидравлическом сопротивлении льносоломы [59, 60] при конвейерной сушке слоя плотностью 1-6 кг/м (горизонтальная загрузка) и 10-35 кг/м (вертикальная загрузка), что соответствует объемной плотности до 75 кг/м . Однако при прессовании льнотресты в рулоны плотность в средней части рулона может достигать 200 кг/м , а максимальная средняя плотность для эффективной сушки составляет примерно 130 кг/м [6]. Кроме того, очевидно, что слой тресты существенно отличается по проницаемости от слоя соломы в силу повышенной шероховатости поверхности стеблей, сплющивания их при прессовании, повышенной дезориентации и пр. В [6] приведены данные об аэродинамическом сопротивлении рулона в целом, в зависимости от плотности и скорости воздуха. Однако для оценки проницаемости отдельных элементов рулона с различным диаметром стеблей (комлей, вершин) этого недостаточно.
В связи с этим возникает необходимость экспериментального определения проницаемости слоя льняной тресты с повышенной объемной плотностью.
Для изучения зависимости проницаемости льняной тресты от плотности слоя, скорости воздуха и диаметра стеблей, различных для комлевой, срединной и вершиночной части стеблей проводились эксперименты [61] на модернизированной установке для разбраковки текстильных паковок [62].
В каждом опыте подготавливалась навеска образцов, вырезанных из вершин, середин и комлей стеблей длиной 200 мм, что соответствовало ширине бункера установки. Плотность образцов находилась на уровне ПО, 130, 150 и 170 кг/м . Расход воздуха при температуре 20С изменялся в диапазоне 5-24 л/с, что соответствовало скорости на входе в слой 1,3-6,3 м/с. При этом скорость фильтрации в слое находилась в диапазоне примерно 4-50 м/с. Навески тресты располагались в бункера, высота которого составляла 400 мм. Образцы закладывались в бункер и равномерно распределялись по его высоте, после чего включался вентилятор установки. При непрерывном изменении частоты вращения вентилятора, а, следовательно, и расхода воздуха, производились последовательные замеры перепада давления на слое с интервалом 0,2 с. Данные о расходе автоматически пересчитывались в скорость фильтрации в слое, с учетом перепада давления определялась проницаемость слоя и данные записывались в соответствующие файлы. После завершения измерений в режиме «регрессия» эти файлы загружались, и зависимость проницаемости от скорости фильтрации аппроксимировалась степенной функцией, как показано на рисунке 2.1.
Аппроксимация зависимости коэффициента проницаемости от скорости степенной функцией Сглаживание экспериментальных точек позволило компенсировать разброс отдельных единичных замеров перепада давления на слое тресты. Вид функции:
Коэффициенты приведены в таблице 2.1. По формуле (2.1) для соответствующих значений скорости рассчитывались сглаженные значения коэффициента проницаемости. Для выявления зависимости коэффициента проницаемости от среднего диаметра стеблей в слое производились замеры диаметра 30 стеблей в различных участках. Средний диаметр комлей составил 1,48 мм, середин -1,12 мм, вершин - 0,81 мм. Сетка опытов и результаты замеров коэффициента проницаемости после исключения «выскакивающих» результатов даны в таблице 2.1.
Уравнение регрессии получено с использованием пакета программ PASW Statistics 18. Уравнение регрессии задавалось в виде, учитывающем механизм влияния факторов на показатель, следующий из формулы (2.1), и позволяющем оценить влияние среднего диаметра стеблей:
Результаты работы пакета PASW Statistics 18 даны в таблицах 2.2, 2.3. Для снижения ошибок округления при обработке данных постоянная величина v принималась равной единице, проницаемость умножалась на 109, а диаметр стебля брался в миллиметрах.
Нескорректированный 550,217 43 итог Скорректированный 307,185 42 итог R в квадрате = 1 - (остаточная сумма квадратов) / (скорректированная сумма квадратов) = 0,948. -5 „2 /
С учетом того, что в условиях опыта v=1.5 10" м /с, получим уравнение регрессии (диаметр стебля в [м]):
Зависимость коэффициента проницаемости от плотности слоя по формуле (2.3) с доверительным интервалом
При определении проницаемости слоя льнотресты при продольной продувке слоя стеблей те же образцы тресты устанавливались в бункер вертикально, при этом толщина слоя составляла 0,18 м. В связи с малой толщиной слоя, а также более высокой проницаемостью вертикального слоя, его гидравлическое сопротивление составляло при низких расходах 60-100 Па, что вызывало повышенную ошибку измерения и аппроксимации зависимости проницаемости от скорости. Это показано на рисунке 2.4.
Зависимость коэффициента проницаемости от плотности слоя, скорости фильтрации и диаметра стебля по формуле (2.3)
Поэтому при статистической обработке результатов для достижения приемлемого коэффициента детерминации пришлось отбраковать дополнительно ряд замеров, по сравнению с поперечной продувкой.
При продольной продувке проницаемость выше, чем при поперечной. Отношение соответствующих значений проницаемости при прочих равных условиях увеличивается при повышении плотности слоя и снижении скорости фильтрации, как это видно на рисунке 2.7. Исходя и этого, можно отметить, что при повышенной плотности загрузки, соответствующей тресте в рулонах, неоднородность слоя по плотности будет сильнее влиять на неоднородность поля скоростей, а, следовательно, и на равномерность сушки рулона, особенно при низкой средней скорости продувки. Для повышения равномерности сушки необходимо увеличивать скорость фильтрации сушильного агента.
Оценка эффективности регулирования степени рециркуляции в процессе сушки
Выбор данной функции физически обоснован, т.к. при полном насыщении теплоносителя влагой (ф=1) рециркуляция бессмысленна (степень рециркуляции у=0), а при минимальном насыщении его (ф— 0) степень рециркуляции должна быть максимальной. В то же время функция содержит лишь один параметр, и задача максимально упрощается.
При компьютерной реализации данного закона управления степенью рециркуляции в препроцессоре CFX-Pre вводится входная переменная а, а степень рециркуляции задается в виде выражения (3.4), в котором аргументом является CEL-функция, вычисляющая среднее значение относительной влажности воздуха в выходном сечении рулона.
Выходными переменными, задаваемые в постпроцессоре CFX-Post, являются общие суммарные затраты на тепло, электроэнергию и заработную плату, удельный расход тепла, время сушки, а также усредненное по времени значение степени рециркуляции за все время сушки. Этот параметр необходим для сравнительной оценки эффективности использования регулирования степени рециркуляции. Для включения этой опции в препроцессоре CFX-Pre, в разделе Output Control на вкладке Trn Stats необходимо в поле Option выбрать Arithmetic Average, а в поле Output Variables List выбрать из списка все параметры теплоносителя. После этого в постпроцессоре CFX-Post для переменных из данного списка можно использовать их усредненные по времени значения при добавлении суффикса Trnavg.
В вычислительных экспериментах параметр а в ф.(3.4), варьировался в диапазоне 0-80, при этом средняя за время сушки степень рециркуляции не превышала 30-35; температура воздуха 90С, остальные параметры модели (расход воздуха, параметры рулона) соответствовали п. 3.1. Расчеты производились как для аксиальной, таки для радиальной продувки рулона. Результаты расчетов для радиальной продувки приведены на рис. 3.10. При этом для варианта с регулируемой степенью рециркуляции (n=var) на графиках для сопоставления дано среднее значение этого параметра за время сушки.
Вариант с регулируемой степенью рециркуляции имеет преимущество, которое увеличивается при повышенной начальной влажности тресты в рулоне. Для наглядности, снижение затрат на сушку при использовании регулирования степени рециркуляции приведено на рис. 3.11.
Анализ показывает, что при увеличении степени рециркуляции преимущество варианта с ее регулированием (n=var) увеличивается. Однако, из рис. 3.10 видно, что в условиях вычислительного эксперимента существует оптимальная степень рециркуляции, при которой затраты минимальны.
Снижение затраты на сушку тресты при использовании регулирования степени рециркуляции и радиальной продувке
При оптимальном значении средней степени рециркуляции (п=10) использование регулирования этого параметра в процессе сушки позволит снизить затраты на 3,5% при начальной влажности 25% и на 5% при начальной влажности 40 %.
Результаты аналогичных расчетов при аксиальной продувке рулона с начальной влажностью 40% приведены на рис. 3.12, 3.13. Неравномерность рулона по плотности в радиальном направлении, определенная с использованием ф. (3.1) на высоте 0,6 м от основания рулона, оставляла 12%. При оптимальной средней степени рециркуляции (п=4) вариант с регулируемой степенью рециркуляции позволит снизить затраты лишь на 1,9 %. Проводя сопоставление двух способов подачи теплоносителя в рулон (аксиальную и радиальную продувку), можно отметить, что значительное преимущество аксиальной продувки рулона сохраняется и при использовании регулирования степени рециркуляции.
Снижение затраты на сушку тресты при использовании регулирования степени рециркуляции и аксиальной продувке При этом, ввиду весьма незначительного эффекта за счет регулирования при аксиальной продувке (1,8% снижения затрат) и усложнения конструкции сушильной машины, введение автоматического регулирования степени рециркуляции следует признать нецелесообразным. Для рулонов с сильной неравномерностью распределения плотности по радиусу, такое решение имело бы больший эффект, однако более целесообразно добиваться минимальной неоднородности рулонов путем совершенствованием пресс-подборщика.
Считается, что оптимальная скорость воздуха при конвективной сушке лубоволокнистых материалов находится в пределах 0,8-3,5 м/с [39] . Однако для конкретного вида паковки с неоднородной структурой (рулон льняной тресты) выбирать скорость сушильного агента на основании столь общей информации было бы некорректно. В работе И.А.Дубковой [6], посвященной в том числе изучению процесса сушки рулонов тресты, вопрос об оптимальной скорости сушильного агента не рассматривался.
Произведем оценку влияния скорости сушильного агента на входе в рулон на показатели процесса сушки при учете степени рециркуляции воздуха. Для анализа используем упрощенная модель рулона (рис.3.2). При формировании граничных условий для сечений 1,2 (Рис. 3.1) реверсирование потока воздуха не рассматривалось для сокращения времени счета, т.к. при смене направления подачи возникает быстрая перестройка поля скоростей, которая требует резкого уменьшения шага по времени.
Расчеты выполнены при следующих условиях: скорость воздуха на входе варьировалась в диапазоне 1-8 м/с, относительная влажность подогретого атмосферного воздуха 17%, температура 90С, степень рециркуляции варьировалась в интервале 0-5. Начальная влажность тресты 40%, средняя конечная влажность 8%. При расчете затрат на сушку уточнена стоимость тепла (1315 руб. за Гкал, в расчете на использование теплогенератора, работающего на костре ценой 5 руб./кг с низшей теплотой сгорания 15,93 МДж/кг [71]); цена электроэнергии 4,3 руб. за кВт-ч, тарифная ставка рабочего принята 100 руб. в час.
Для оптимизации использованы средства ANSYS Workbench (Goal Driven Optimization). Выбран план эксперимента Central Composite Design с дополнительными точками. Погрешность сходимости сеточного решения не превышала 10"3-10"4. Результаты вычислительного эксперимента приведены в таблице 3.1.
Анализ результатов моделирования процесса сушки
Рассмотрим результаты моделирования процесса сушки рулонов льняной тресты в существующей сушильной машине. Сушка производится при температуре горячего воздуха 90С и относительной влажности 11%. Разрежение, создаваемое вентилятором, 2200 Па, расход воздуха при этом разрежении составил 8520 м /ч, а скорость на входе в каждый из трех рулонов 0,6 м/с. Это примерно соответствует параметрам СЛР-ЗМ2, где расчетная скорость при паспортной производительности вентилятора 7500 м /ч составляет 0,4 м/с. Смена направления подачи воздуха через 60 с, рециркуляция не используется. Начальная влажность тресты 36%.
При этом время сушки, определяемое по моменту достижения максимальной влажности в пределах всех трех рулонов не более 25%, составило 4100 с.
Значения средней, минимальной и максимальной влажности в пределах каждого рулона в ходе сушки приведены в табл. 4.1. Средствами постпроцессора ANSYS построены также более подробные графики изменения влажности тресты по рулонам в процессе сушки (Рис. 4.6, 4.7).
Результаты моделирования показывают, что рулоны сохнут неравномерно, рулон 3 (Рис. 4.6) высыхает до максимальной влажности 25% за 1200 с, рулон 1 - за 2200 с, а рулон 2 - за 4100 с. Это объясняется неравномерным распределением воздуха между рулонами в машине СЛР-3. Даже при одинаковых параметрах рулонов расход воздуха через рулон RULON составляет 2740 м3/ч, рулон RULON1 - 2224 м3/ч, рулон RULON2 105 3558 м /ч, вследствие неравномерного распределения давления по длине воздуховодов, что вызывает неравномерность скорости фильтрации через рулоны. В результате RULON2 с наибольшей скоростью фильтрации сохнет быстрее (Рис. 4.6).
Очевидно, что разброс рулонов по плотности и проницаемости, имеющая место в реальных условиях, еще больше усиливает неравномерность сушки. При этом, несмотря на наличие заслонок, позволяющих изменять подачу воздуха в каждый рулон, выровнять расходы через них практически невозможно из-за отсутствия средств контроля перепада давления или датчиков потока воздуха на машине. На практике, ввиду отсутствия датчиков влажности тресты, это означает, что из трех рулонов два останутся недосушенными. Фактически, заслонки выполняют свою функцию лишь при неполной загрузке машины, перекрывая подвод воздуха к местам без рулонов.
Распределение влажности в рулонах через 600 с сушки При отсутствии рециркуляции воздух, прошедший через уже высохшие рулоны не насыщается влагой и его потенциал теряется. Это иллюстрируется рисунками 4.9, 4.10.
Видно, что после высыхания первого рулона (1500 с) относительная влажность воздуха на выходе из сушилки составляет всего 30%, а температура достигает 75С. Скачки на графиках с периодичностью 60 с обусловлены реверсированием направления подачи воздуха в рулоны.
Так, при смене направления подачи заслонками 1-4 (рис.4.4) в течение некоторого времени в выходной воздуховод попадает нагретый и сухой воздух, находившийся в распределительном воздуховоде и еще не прошедший через рулоны, который в дальнейшем вытесняется охлажденным и более влажным воздухом, проходящим через них.
По данным моделирования, средняя тепловая мощность калорифера составляет 195 кВт, время сушки до максимальной влажности 23% 4100 с, что по затратам тепла составляет 799,5 МДж. При максимальной влажности в пределах рулонов 25% средняя влажность составляет 5%. Загрузка по сухой тресте 491 кг, содержание влаги начальное 491x0,35=171,8 кг, конечное (в среднем по рулонам) 491x0,05=24,5 кг. Всего испарено 147,3 кг влаги. При этом удельный расход тепла на 1 кг испаренной влаги - 5,43 мДж/кг. Средняя мощность, потребляемая вентилятором, составила 5900 Вт.
Сушильная машина СЛР-ЗМ2 может использовать рециркуляцию сушильного агента, что требует установки дополнительных воздуховодов, но повышает энергоэффективность.
Произведем моделирование процесса сушки тресты на данной машине со степенью рециркуляции 4. Повышенная степень рециркуляции по сравнению с определенными ранее оптимальными значениями соответствует большей степени неоднородности рулонов (см. рис. 3.4) и позволит лучше оценить эффект от автоматизации управления заслонками. Рециркуляция воздуха организуется программно [10], дополнительные воздуховоды не учитываются.
Кривые сушки по средней (рис. 4.11) и максимальной (рис. 4.12) влажности рулонов для существующей конструкции сушильной машины показывают, что при незначительном (с 4100 до 4400 с) увеличении времени сушки неравномерность ее, определяема Это объясняется снижением интенсивности процесса из-за уменьшения потенциала сушки воздуха при наличии рециркуляции. При этом удельные затраты тепла снижаются с 5,43 МДж/кг до 4,23 МДж/кг испаренной влаги.
Неравномерность сушки, определяемая отношением времени высыхания последнего рулона к времени высыхания первого, сокращается с 2,8 до 1,9. Это объясняется снижением интенсивности процесса из-за уменьшения потенциала сушки воздуха при наличии рециркуляции. При этом удельные затраты тепла снижаются с 5,43 МДж/кг до 4,23 МДж/кг испаренной влаги.