Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного
На правах рукопису
Ганжа Євгеній Петрович
УДК 621.577
МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ В ТЕПЛОНАСОСНІЙ УСТАНОВЦІ ДЛЯ СУШІННЯ ДЕРЕВИНИ
Спеціальність: 05.14.06 –технічна теплофізика та промислова
теплоенергетика
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків –
Дисертація є рукописом
Робота виконана на кафедрі аерокосмічної теплотехніки Державного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського “ХАІ” при методичній та науковій підтримці відділу моделювання теплових та механічних процесів Інституту проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України.
Науковий керівник:
- доктор технічних наук, професор Горбенко Геннадій Олександрович, Державний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського “ХАІ”, завідуючий кафедрою аерокосмічної теплотехніки.
Офіційні опоненти:
Провідна організація:
- Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України, відділ малої енергетики, м. Київ.
Захист відбудеться 5 жовтня2000 р. о 14 годині в ауд. 1112 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.180.02 в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дмитра Пожарського, 2/10.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту проблем машинобудування НАН України за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дмитра Пожарського, 2/10.
Автореферат розіслано 30 серпня 2000 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради
кандидат технічних наук Ковальський О. Е.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Конвективне сушіння здається найбільш перспективною областю застосування теплонасосної техніки, оскільки джерелом низькопотенційної теплоти є сам технологічний процес, у якому теплота, відібрана від вологого повітря у випарнику теплового насоса (ТН), повертається до повітря у конденсаторі ТН.
Актуальність теми. Хоча ідея створення ТН відома давно, до теперішнього часу застосування ТН в Україні стримувалось рядом причин, головною з яких вважається співвідношення цін на первинне паливо, теплову та електричну енергію. Другою причиною була відсутність надійних високотемпературних компресорів, які мають допустиму вартість. Ці причини відсутні в західних країнах, що зумовило різкий ріст застосування теплонасосної техніки у цих країнах за останні 15 років. Інтеграція України у світову економіку, встановлення світових стандартів у цінах на сировину та енергоносії, можливість купівлі комплектуючих для ТН від найкращих виробників робить дуже актуальною задачу використання енергозберігаючої теплонасосної технології і у нашому народному господарстві.
На жаль, незважаючи на активну енергозберігаючу політику, вітчизняних промислових зразків теплонасосних сушильних установок (ТНСУ) в Україні на сьогодні дуже мало.
Конструкція та режимні параметри сушильних установок (СУ) залежать від типу висушуваного матеріалу та відрізняються великою різноманітністю. В свою чергу, ефективність ТН істотно залежить від різниці температурних рівней споживача та джерела теплоти. Тому при створенні ефективної ТНСУ виникає задача взаємної адаптації процесів вологовиділення у сушильній камері та перетворення теплоти у ТН.
Відомо, що сушіння деревини –процес нестаціонарний, тому під час аналізу вологовиділення у деревині треба ураховувати кінетику прогріву та сушіння деревини.
Необхідність одночасного підтримання двох режимних параметрів (температура та вологість повітря) у процесі сушіння накладає також особливі вимоги на систему керування процесом.
Вирішити поставлені задачі можливо за допомогою математичних моделей, які описують процеси сумісного тепло –та масообміну одночасно у деревині, сушильному агенті та ТНСУ. Проте, подібні математичні моделі до теперішнього часу не розроблено.
Зв’язок дисертації з розробкою енергозберігаючих технологій та вирішенням вказаних науково-технічних проблем, а також відсутність у літературі алгоритмів, методик розрахунку ТНСУ для деревини та рекомендацій по програмі керування процесом сушіння обумовлюють актуальність обраної теми.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у рамках: бюджетної теми Г205-9/95 (№ Д.Р. 0195V016667), бюджетної теми № 211 (№ Д.Р. 0197U012288) (спільно з Інститутом Проблем машинобудування (ІПМаш) НАН України). Розроблену автором математичну модель, а також методику проектування було використано під час створення дослідно-промислового зразку ТНСУ для деревини згідно з господарчим договором № 102 - ЦТФ/99 між ТОВ “КЛІТ” та Центром Технічної Фізики (ЦТФ) Державного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковского “ХАІ”.
Мета роботи –створення моделей, необхідних для аналізу тепло –та масообмінних процесів у теплонасосній установці для сушіння деревини та методики її розрахунку.
Завдання дослідження:
- термодинамічний аналіз ТНСУ та визначення найбільш перспективних конструктивних схем;
- розробка методики розрахунку та проектування ТНСУ для деревини;
- розробка математичних моделей для опису сумісних тепло –та масообмінних процесів у деревині, сушильному агенті та ТНСУ;
- визначення поправочних коефіцієнтів для розрахунку конвективного теплообміну вологого повітря у ребристо-трубному теплообміннику з насадними пластинчастими ребрами з урахуванням впливу випадіння вологи;
- виробка рекомендацій по програмі керування ТНСУ та адаптації існуючих температурно-вологісних режимів конвективного сушіння деревини для сушіння у тепловому насосі.
Наукова новизна отриманих результатів:
- встановлено, що для процесів сушіння деревини найбільш ефективна ТНСУ замкнутої схеми (ЗС) з байпасуванням потоку повітря мимо випарника та частковим видаленням надлишку теплоти шляхом викиду гарячого повітря з сушильної камери в атмосферу;
- вперше розроблено математичні моделі та реалізуючі їх обчислювальні алгоритми, які дозволяють одночасно розглядати процеси сумісного тепло –та масообміну у висушуваному матеріалі (деревині), сушильному агенті та ТНСУ;
- отримано експериментальні стаціонарні характеристики ТНСУ на різних режимах роботи;
- доведено, що для раціонального використання ТНСУ для деревини необхідно розробляти спеціальні температурно-вологісні режими сушіння;
- було досліджено ефект впливу випадіння вологи на конвективний теплообмін у ребристо-трубному теплообміннику з насадними пластинчастими ребрами;
- вперше отримано залежності поправочних коефіцієнтів від інтенсивності вологовипадіння для розрахунку конвективного теплообміну у ребристо-трубному теплообміннику з насадними пластинчастими ребрами з урахуванням впливу випадіння вологи.
Практична цінність отриманих результатів визначається:
- методикою розрахунку та проектування ТНСУ для деревини;
- програмним забезпеченням, яке реалізує у формі стандартних програм методи та математичні моделі для аналізу та вибору елементів, а також конструктивних та режимних параметрів ТНСУ;
- рекомендаціями по проектуванню теплообмінників, призначених для осушення повітря;
- отриманими у результаті теоретичного та експериментального моделювання рекомендаціями по програмі регулювання та керування процесом сушіння деревини;
- рекомендаціями по адаптації існуючих температурно-вологістних режимів сушіння деревини при використанні методу низькотемпературного “холодного” сушіння в ТНСУ;
- дослідно-промисловим зразком ТНСУ для деревини.
Впровадження здійснено:
Вірогідність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується використанням загальновизнаних методик вимірювань і обробки експериментальних даних та їх достатньою точністю, а також зіставленням результатів власних розрахунків з даними, отриманими другими фахівцями у цій галузі і з експериментальними даними, отриманими автором.
Публікації. Головні результати роботи опубліковано у п’яти наукових статтях.
Особистий внесок дисертанта. Дисертант розробив методику термодинамічного аналізу теплонасосної сушильної установки, а також запропонував критерій енергетичної ефективності установки [1]; розробив математичну модель низькотемпературного процесу сушіння деревини, а також запропонував методику визначення вихідних даних для проектування осушника ТНСУ [2]; розробив математичну модель для опису процесів тепло –та масообміну у камері для сушіння деревини [3]; провів експериментальні дослідження процесу теплообміну вологого повітря у ребристо-трубному теплообміннику з насадними пластинчастими ребрами [4]; приймав участь у розробці методу моделювання складних багатоелементних систем на базі ідеалізованих елементів [5].
Апробація роботи. Основні наукові та прикладні результати роботи доповідались на:
Міжнародному семінарі “Теплотехніка-98” (Київ, 1998 р.);
31-й Міжнародній конференції по теплопередачі (Х’юстон, 1996 р.);
науково-технічній конференції “Теплові труби, теплові насоси, двофазні системи терморегулювання у спеціальній техніці” (Крим, с. Рибаче, 1998 р.);
науково-технічних конференціях молодих вчених (Харків, Державний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського, 1998 –р.р.).
Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновку, списка використаної літератури з 37 найменувань, 136 рисунків, 6 таблиць, 9 додатків, 149 сторінок основного тексту. Повний обсяг дисертації 245 сторінок.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
В першому розділі було виконано аналітичний огляд стану проблеми, який базується на вивченні робіт таких відомих вітчизняних та закордонних фахівців, як Д.Рей, Д.Макмайкл, Янтовський Є.Н., Везиришвілі О.Ш. Доведено, що існує ряд технологічних процесів, у яких застосування ТН виправдано з точки зору енергетичної та економічної ефективності. До таких процесів відноситься конвективне сушіння та збезводнювання повітря.
Встановлено, що задача взаємної адаптації процесів вологовиділення у сушильній камері та перетворення теплоти у ТН може бути вирішена за допомогою математичних моделей, які описують процеси сумісного тепло –та масообміну одночасно у деревині, сушильному агенті та ТНСУ. З урахуванням вищесказаного можна зробити висновок про те, що проводити аналіз ТНСУ без розглядання особливостей технологічного процесу сушіння неможливо.
У даному розділі за допомогою ідеалізованих моделей було проведено термодинамічний аналіз енергетичної ефективності застосування ТН в установках для конвективного сушіння деревини. За критерій енергетичної ефективності було обрано величину затрат енергії на випаровування 1 кг вологи –Lпит. Проаналізовано існуючі схеми включення ТН у склад СУ, основними з яких є відкрита схема (ВС) (рис. 1 а) та замкнута схема (рис. 1 б).
На підставі проведеного термодинамічного аналізу встановлено, що для процесів низькотемпературного конвективного сушіння деревини ТНСУ ЗС з байпасуванням з енергетичної точки зору ефективніше ТНСУ ВС з електронагрівником (ЕН) –довідником (рис. 2).
Під час роботи ТНСУ по замкнутій схемі внаслідок теплоприпливів від різного енергоспоживаючого обладнання, яке знаходиться у камері (вентилятори, компресор), виникає так звана надлишкова теплота, яка може призвести до неприпустимого перегріву повітря у процесі сушіння.
Найбільш простим та ефективним засобом видалення надлишкової теплоти є дозований викид з камери гарячого вологого повітря в атмосферу (рис. 3). При даному засобі видалення теплоти крім вологи, яка конденсується у теплонасосному осушнику, видаляється додаткова кількість вологи, яка знаходиться у вологому викидному повітрі. У ТНСУ ЗС з викидом надлишкової теплоти у виносному конденсаторі (рис. 1 б) цього не відбувається. Таким чином, у ТНСУ ЗС з викидом повітря в атмосферу на одиницю витраченої енергії видаляється більша кількість вологи.
Другий розділ присвячений розробці математичних моделей, які описують процеси тепло - та масообміну у деревині, сушильному агенті (повітрі), сушильній камері та ТНСУ.
Для аналізу вологовиділення у деревині з урахуванням кинетики її прогріву та сушіння запропоновано нестаціонарну математичну модель низькотемпературного процесу сушіння деревини, яку було створено на базі ідеалізованих елементів: контрольний об’єм, тепловий провідник та гілка (рис. 4). Даний підхід при моделюванні складних теплоенергетичних систем було запропоновано у роботі [5].
Особливістю даної моделі є введення на межі деревина-повітря фіктивного об’єму, так званої - фази, яка вводиться для зручності опису взаємодії фаз (рис. 5). У зв’язку з тим, що у межах - фази існує температурна та вологісна рівновага між деревиною та повітрям, то вона може бути охарактеризована лише двома параметрами: температурою t та рівноважною вологістю деревини Wр. При цьому рівноважна вологість повітря у межах - фази зв’язана з вологістю деревини відомою функціональною залежністю: пов= f (t,Wр).
Система рівнянь для контрольного об’єму записується у такому вигляді:
Окремий підрозділ присвячений аналізу адекватності розробленої математичної моделі процесу сушіння деревини, при цьому для найбільш повного аналізу зіставлення результатів проводилось по кільком якісним та кількісним критеріям.
При математичному моделюванні процесів тепло- та масообміну у сушильному агенті та сушильній камері у вихідній системі рівнянь для контрольного об’єму, яка складається з двох рівнянь збереження маси (для повітря та водяної пари) та рівняння збереження енергії для всієї суміші, було здійснено перетворення з введенням нових незалежних змінних: масового вологовмісту dп та температури суміші T:
Даний захід дозволив зменшити загальну кількість рівнянь при чисельному моделюванні.
Визначення витрати пароповітряної суміші у гілках здійснювалося шляхом рішення трансцендентних рівнянь виду:
При опису процесів у теплонасосному осушнику було використано квазістаціонарну математичну модель. У цьому випадку вихідна система диференціальних рівнянь трансформується в систему алгебраїчних рівнянь:
Для визначення холодопродуктивності Q та потужності Nком компресора теплонасосного осушника було використано апроксимаційну залежність експериментальних характеристик компресора у вигляді: Q= f (tкип, tконд), Nком = f (tкип, tконд).
При розрахунку умовного коефіцієнту тепловіддачі з боку повітря з урахуванням впливу випадіння вологи на поверхні ребристо-трубного теплообмінника з насадними пластинчастими ребрами було введено поправочний коефіцієнт , який ураховує сумарний вплив на конвективний теплообмін таких факторів, як турбулізація потоку повітря стікаючими по поверхні краплями вологи, термічний опір водяної плівки та збільшення швидкості повітря у звуженому плівкою живому перерізі:
Останній підрозділ присвячений опису повної нестаціонарної моделі ТНСУ, яку створено на базі вищевказаних математичних моделей.
Третій розділ присвячений експериментальному моделюванню ТНСУ та визначенню впливу випадіння вологи на конвективний теплообмін у ребристо-трубному теплообміннику з насадними пластинчастими ребрами. Параметри теплопередаючої поверхні дослідного теплообмінника: розташування пучка мідних трубок –шахматне, ss=2118 мм, dзовн=10 мм, р=0,2 мм, uр=1,8 мм, Fж. пер =5,26710-2 м.
Експериментальна ТНСУ зібрана на елементній базі побутового кондиціонера БК –, який оснащено компресором типу ФГрВ-2,2 (рис. 7).
Основними елементами експериментальної ТНСУ є:
побутовий кондиціонер БК-2000;
сукупність повітроводів з системою заслінок, які створюють повітряний контур експериментальної установки;
блок зволоження;
парогенератор;
система вимірювань.
Для випарника та конденсатора експериментальної установки було використано штатні ребристо-трубні теплообмінники з насадними пластинчастими ребрами. Фреоновий контур кондиціонера було використано без доробок. Для регулювання вологості та температури повітря на вході у випарник було використано два засоби зволоження:
шляхом випаровування води з розвиненої поверхні, яка безперервно зволожнюється краплинним вологорозподільником 5;
за допомогою парогенератора 4 з регульованою потужністю (Nmax 2000 Вт).
Основні регулюючі параметри експериментальної установки такі:
а) витрата підмішуваного (скидаємого) повітря;
б) ступінь байпасування повітря;
в) вологість та температура повітря на вході у випарник;
г) ступінь рециркуляції;
д) загальна витрата повітря через установку.
У результаті обробки даних експериментів без відділення вологи було отримано залежність числа Нусельта (рис. 8) для різної витрати повітря через теплообмінник. При цьому за характерний лінейний розмір обрано еквівалентний діаметр звуженого прохідного перерізу.
Величина коефіцієнту конвективної тепловіддачі, яку отримано у результаті експериментів, виявилась вище значень, розрахованих для даних умов по критеріальній залежності Гоголіна. Це можна пояснити тим, що при зниженні швидкості повітря через теплообмінник різниця між коефіцієнтами конвективної тепловіддачі для шахматного та коридорного пучків зростає. Таким чином, величина поправки на “шахматність” ( 10 %), на яку рекомендується збільшити коефіцієнт конвективної тепловіддачі, розрахований по формулі Гоголіна для коридорного пучка при Re 500, виявляється заниженою при Re 500.
Отримані у результаті обробки однієї з серій експериментів значення поправочного коефіцієнта та апроксимуючу залежність наведено на рис. 9. Необхідно відзначити, що при розрахунку умовного коефіцієнту тепловіддачі величина контактного опору приймалася незмінною (Rконт = 0,003) та відповідала даному типу оребрення при доброму сухому контакті. Насправді, при випадінні вологи на поверхні теплообміну із-за утворення “водяного” контакту величина контактного опору може зменшитися в 5 - 10 разів. Змінювання цієї величини також було закладено у коефіцієнт .
Утворення екстремума при збільшенні інтенсивності вологовипадіння можливо пояснюється тим, що з зростанням інтенсивності вологовипадіння одночасно відбуваються такі процеси:
наростання товщини плівки, що призводить до росту термічного опору;
збільшення швидкості повітря у живому перерізі через його звуження стікаючими струменями вологи, що призводить до збільшення коефіцієнта конвективної тепловіддачі;
зниження величини контактного опору через утворення “водяного” контакту, що також покращує процес теплопередачі.
При невеликому вологовипадінні вплив двох останніх факторів виявляється більшим, тому спостерігається зростання поправочного коефіцієнту . При подальшому збільшенні інтенсивності вологовипадіння Rконт досягає свого мінімального значення і рясне вологовипадіння викликає зниження величини (з-за того, що негативний вплив на теплопередачу термічного опору водяної плівки “переважує” позитивний вплив збільшення коефіцієнта конвективної тепловіддачі за рахунок збільшення швидкості повітря у живому перерізі).
Цікаво відмітити, що з зростанням швидкості повітря через випарник вплив вологовипадіння на конвективну тепловіддачу зменшується, що досить суперечно. Мабуть, це можна пояснити тим, що в усіх експериментах було зафіксовано глибоко ламінарну течію повітря крізь випарник (Re 300…400), тому був відсутній зрив крапель з поверхні теплообміну та ефект їх турбулізуючого впливу на теплообмін. Можливо, що при дуже низькій швидкості повітря крізь теплообмінник спокійно стікаюча водяна плівка викликає більше захаращування живого перерізу (та більшу інтенсифікацію коефіцієнта конвективної тепловіддачі), чим при більш високій швидкості (але все ще без зриву крапель з поверхні), коли можливе стоншення плівки потоком повітря.
Окремі підрозділи присвячені експериментальному моделюванню різних режимів роботи ТНСУ. При експериментальному визначенню впливу байпасування на роботу ТНСУ встановлено, що з збільшенням ступені байпасування кількість вологи, відділяємої з повітря не тільки не падає, але навіть трохи зростає. Це викликано збільшенням зовнішнього коефіцієнту охолодження (рис. 10), який характеризує ступінь зближення температури повітря у кінці процесу охолодження з температурою охолоджувальної поверхні.
Встановлено, що максимальна відносна похибка при визначенні коефіцієнта конвективної тепловіддачі конв не перевищує 15%, при визначенні коефіцієнту вологовипадіння –%, при визначенні поправочного коефіцієнту , який ураховує вплив вологовипадіння на конвективний теплообмін у випарнику –%.
У четвертому розділі викладено методику проектування та розрахунку параметрів ТНСУ, а також проведено аналіз результатів математичного моделювання роботи всієї установки.
Основними вихідними даними при визначенні параметрів ТНСУ є:
порода та товщина деревини;
початкова та кінцева вологість деревини;
максимальне разове завантаження камери;
режим сушіння деревини;
максимальні теплові втрати камери;
діапазон змінювання температури навколишнього середовища;
інтенсивність циркуляції повітря у камері сушіння.
Розроблена методика проектування ТНСУ дозволяє визначити:
продуктивність теплонасосного осушника по волозі, що відділяється з повітря;
витрата повітря через основні елементи ТНСУ;
параметри випарника, конденсатора та компресора ТНСУ;
потужність ЕН та продуктивність витяжного вентилятора.
Аналіз результатів математичного моделювання низькотемпературного процесу сушіння дубу від Wпоч = 60% до Wкін = 10% у ТНСУ з разовим завантаженням 7 м показав, що величина продуктивності витяжного вентилятора має значний вплив на точність підтримання відносної вологості повітря у камері у процесі сушіння. При розрахунковій продуктивності витяжного вентилятора (70 м/год) за рахунок плавного вентилювання камери у кінці першого ступіню сушіння не відбувається відхилення вологості повітря за нижню межу встановленого діапазону: 5% (рис. 11), протилежна ситуація спостерігається у випадку підвищеної продуктивності вентилятора (150 м/год) (рис. 12).
Для більш ефективної роботи ТНСУ запропоновано плавне регулювання вологості повітря у камері у процесі сушіння, яке містить у собі прив’язку цього параметру до фактичної вологості деревини, тобто пов=f(Wд). Даний метод регулювання вологості повітря дозволяє скоротити тривалість циклу сушіння на 26%, а сумарне енергоспоживання ТНСУ на 22% у порівнянні зі ступінчатим регулюванням. У цьому випадку питомі затрати електроенергії становлять:
Запропонована методика проектування ТНСУ, а також результати математичного моделювання були використані при створенні дослідно-промислового зразка ТНСУ для ТОВ ”КЛІТ” (м. Харків).
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ
. На підставі проведеного термодинамічного аналізу енергетичної ефективності застосування ТН в установках для конвективного сушіння деревини встановлено:
застосування ТН в установках для конвективного сушіння деревини ефективніше з енергетичної точки зору у порівнянні з традиційними засобами утилізації теплоти за допомогою плівкових рекуперативних теплообмінників типу “повітря-повітря”;
для процесів низькотемпературного конвективного сушіння деревини найбільш ефективна теплонасосна установка замкнутої схеми з байпасуванням частини потоку повітря мимо випарника та видаленням надлишкової теплоти шляхом дозованого викиду гарячого повітря з сушильної камери в атмосферу;
. Розроблено метематичні моделі для опису сумісних тепло- та масообмінних процесів у деревині, сушильному агенті та ТНСУ, які дозволяють виявити різні системні ефекти, що виникають під час роботи ТНСУ, а також виробити рекомендації відносно вибору основних режимних праметрів та елементів установки;
3. Вироблено рекомендації відносно проектування теплообмінників, призначених для осушення повітря;
. Запропоновано інженерну методику розрахунку та проектування ТНСУ для деревини, за допомогою якої було створено дослідно-промисловий зразок установки з разовим завантаженням до 7 м;
5. Вироблено рекомендації відносно програми керування ТНСУ та адаптації існуючих температурно-вологістних режимів конвективного сушіння деревини для теплонасосного сушіння, зокрема, запропоновано плавне регулювання вологості повітря у камері (з відстеженням фактичної вологості деревини), яке дозволяє запобігти виникненню деформацій у деревині та прискорити процес сушіння за рахунок безперервного підтримання оптимальної вологості повітря у камері;
6. У результаті експериментального дослідження роботи ребристо-трубного теплообмінника з насадними пластинчастими ребрами в умовах інтенсивного випадіння вологи виявлено:
залежності поправочних коефіцієнтів від інтенсивності вологовипадіння для розрахунку конвективного теплообміну у ребристо-трубному теплообміннику з насадними пластинчастими ребрами з урахуванням впливу випадіння вологи носять нелінійний характер з яскраво вираженим екстремумом;
коефіцієнт конвективної тепловіддачі при інтенсивності вологовипадіння 10-4 кг/(мс) на поверхні теплообміну з розміром у світу між ребрами 1,6 мм при масовій швидкості повітря 2,35 кг/(мс) перевищує коефіцієнт конвективної тепловіддачі при сухому теплообміні на 30-35%;
. Аналіз експериментальних стаціонарних характеристик ТНСУ показав:
використання байпасування частини потоку повітря мимо випарника не призводить до зниження кількості вологи, відділяємої з повітря (за рахунок реалізації більш високого коефіцієнту зовнішнього охолодження);
часткова рециркуляція повітря навколо випарника ТНСУ неефективна для зниження температури кипіння хладагента та підвищення температурної межі працездатності ТНСУ;
. Аналіз адекватності розробленої математичної моделі ТНСУ показав добре узгодження результатів, максимальне розходження між експериментальними та розрахунковими величинами складає 21% при величині середньоквадратичного відхилення =0,928;
9. На підставі результатів чисельного моделювання встановлено:
надмірна продуктівність витяжного вентилятора призводить до надто інтенсивного осушення повітря у камері і в цьому випадку можливе відхилення відносної вологості повітря, яка підтримується у камері на даному ступеню сушіння, за нижню межу встановленого діапазону, тому правильний вибір витяжного вентилятора є невід’ємним етапом проектування ТНСУ;
використання плавного регулювання відносної вологості повітря у камері у процесі сушіння відповідно до змінювання фактичної вологості деревини дозволяє скоротити час сушіння на 26%, а енергоспоживання на 22% у порівнянні з ступінчатим регулюванням процесу. У порівнянні з традиційним конвективним калориферним сушінням питомі затрати енергії на видалення вологи знижуються на 70% і складають 0,554 кВтгод/кг (1994 кДж/кг). Питомі затрати на сушіння 1 м дубу від 60 до 10% вологості складають 187 кВтгод/м (6,7310 кДж/м);
Основний зміст дисертації опубліковано у працях:
АНОТАЦІЯ
Ганжа Є.П. Моделювання процесів у теплонасосній установці для сушіння деревини. Дисертація є рукописом, представленим на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.14.06. –технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. Інститут проблем машинобудування НАН України, Харків, 2000.
Дисертація присвячена розробці математичних моделей, необхідних для аналізу тепло - та масообмінних процесів у теплонасосній установці для сушіння деревини.
Проведено експериментальні дослідження впливу випадіння вологи на конвективний теплообмін при течії вологого повітря у ребристо-трубному теплообміннику з насадними пластинчастими ребрами.
Для розрахунку конвективного теплообміну з урахуванням вологовипадіння запропоновано поправочний коефіцієнт, який дозволяє урахувати комплекс явищ, що виникають при випадінні вологи на поверхні теплообміну.
Розроблено методику проектування теплонасосної установки для сушіння деревини, придатність якої підтверджена результатами чисельного моделювання, а також результатами попередніх випробувань дослідно-промислового зразка.
Запропоновано оптимальні закони керування процесом сушіння, які дозволяють знизити енергоспоживання теплонасосної установки у порівнянні з традиційним регулюванням на 22%.
Ключові слова: математична модель, теплонасосна установка, процеси тепло - та масообміну, сушіння деревини, вологовипадіння, вологе повітря, теплообмінник.
АННОТАЦИЯ
Ганжа Е.П. Моделирование процессов в теплонасосной установке для сушки древесины. Диссертация является рукописью, представленной на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06. –техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. Институт проблем машиностроения НАН Украины, Харьков, 2000.
Диссертация посвящена разработке математических моделей, необходимых для анализа тепло- и массообменных процессов в теплонасосной установке для сушки древесины. Данные математические модели позволяют одновременно рассматривать процессы совместного тепло - и массообмена в сушимом материале (древесине), сушильном агенте (воздухе) и ТНСУ.
На основании проведенного термодинамического анализа сопоставлена энергетическая эффективность различных схем ТНСУ, а также предложена наилучшая схема теплонасосной установки для сушки древесины.
Для описания тепло - и массообменных процессов в предложенной ТНСУ разработаны:
Получены экспериментальные стационарные характеристики ТНСУ на различных режимах работы, на основании которых установлено, что байпасирование части потока воздуха мимо испарителя не приводит к снижению количества удаляемой влаги в теплонасосном осушителе за счет реализации более высокого коэффициента наружного охлаждения.
Проведены экспериментальные исследования влияния выпадения влаги на конвективный теплообмен при течении влажного воздуха в ребристо-трубном теплообменнике с насадными пластинчатыми ребрами.
Для расчета конвективного теплообмена с учетом влаговыпадения предложен поправочный коэффициент, который позволяет учесть комплекс явлений, возникающих при выпадении влаги на поверхности теплообмена, а именно:
Выявлено, что зависимости поправочных коэффициентов от интенсивности влаговыпадения носят нелинейный характер с ярко выраженным экстремумом.
Установлено, что коэффициент конвективной теплоотдачи при интенсивности влаговыпадения 10-4 кг/(мс) и массовой скорости воздуха 2,35 кг/(мс) для поверхности теплообмена с размером в свету между ребрами 1,6 мм больше конв при сухом теплообмене на 30-35%.
На основании проведенных исследований даны практические рекомендации по проектированию теплообменников, предназначенных для осушения воздуха.
Разработана методика проектирования теплонасосной установки для сушки древесины, пригодность которой подтверждена результатами численного моделирования, а также результатами предварительных испытаний опытно-промышленного образца.
Предложена программа управления процессом сушки, а также выявлены различные системные эффекты, возникающие при работе ТНСУ. В частности, установлено, что производительность вытяжного вентилятора оказывает определяющее влияние на точность поддержания влажности воздуха в сушильной камере и частоту включений компрессора теплонасосного осушителя.
Предложены оптимальные законы управления процессом сушки, позволяющие снизить энергопотребление теплонасосной установки на 22% по сравнению с традиционным ступенчатым регулированием.
Ключевые слова: математическая модель, теплонасосная установка, процессы тепло - и массообмена, сушка древесины, влаговыпадение, влажный воздух, теплообменник.
SUMMARY
Ganja E.P. Modeling of processes in heat pump for wood drying.
This thesis is a manuscript being submitted for a Candidate of Sciences Degree (Engineering) in the specialty 05.14.06 – engineering thermal physics and industrial heat- and-power engineering. Institute for problems in Machinery Engineering of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkov, 2000.
The thesis deals with development of mathematical models, which are necessary to be used for the analysis of heat - and mass exchange processes in heat pump for wood drying.
The experimental investigations of moisture fall-out influence on convective heat exchange process for moisture air flow in fin-tubular heat exchanger with plate finning are conducted.
The correction coefficient for calculation of convective heat exchange process is proposed, which allows to take into account complex of phenomena, arising at moisture fall-out on heat exchange surface.
The method of heat pump projection procedure for wood drying is developed. The method is proved to be reliable due to results of a numerical modeling.
The optimal laws of drying process control are proposed. These laws allow to have a 22% decrease of energy consumption for heat pump functioning in correspondence to traditional step-by-step regulation procedures.
Key words: mathematical model, heat pump, heat - and mass exchange processes, wood drying, moisture fall-out, moisture air, heat exchanger.
Підп. до друку 24.07.2000 р. Формат 6084 1/16. Папір офісний.
Друк-ризографія. Умовн. друк. арк. 1,0. Умовн. фарб. відб. 1,0.
Облік.-вид. арк. 1,0. Тираж 100 прим. Зам. №82.
Видавничий центр ХДПУ
ГРПОД ХДПУ, 61002, Харків, вул. Фрунзе, 21