РАСЧЕТ СКОРОСТИ АГЕНТА СУШКИ В КАМЕРАХ С ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ

 

Гороховский А.Г., Шишкина Е.Е. (ОАО «УралНИИПДрев», УГЛТУ, г. Екатеринбург, РФ)

elenashishkina@yandex.ru

 

THE CALCULATION OF SPEED TO AGENT DRYING IN CHAMBER WITH NATURAL CIRCULATION

 

Постоянное повышение цен на электроэнергию в последние годы заставило производственников [1] и исследователей [2] вновь обратиться к использованию для сушки пиломатериалов камер с естественной циркуляцией агента сушки, которые не потребляют электроэнергию на привод вентиляторов. К другим преимуществам камер этого типа можно отнести:

·        простоту конструкции и более низкую стоимость камеры;

·        более низкую амортизацию и эксплуатационные затраты.

Недостатки камер с естественной циркуляцией хорошо известны и могут быть успешно преодолены современными техническими средствами [1, 2].

В то же время анализ ранее проведенных исследований [3, 4, 5, 6] показывает, что процессы естественной циркуляции с теоретической стороны проработаны явно недостаточно.

В основе разработанных методик определения параметров, в первую очередь скорости естественной циркуляции [3, 5, 7] лежит гидравлическая теория движения газов, разработанная В.Е. Грум-Гржимайло [8].

Согласно [3] процесс циркуляции возникает вследствие разности весов столбов воздуха, охлажденного в штабеле и нагретого в калорифере (рис. 1).

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.  Схема естественной циркуляции воздуха в лесосушильной камере

 1 – штабель; 2 – экраны;

 3 – калориферы

 

Статический напор, создаваемый при этом равен

                      ,   Н/м2                      (1)

где   Н – высота столба нагретого воздуха, м;

         ρ1 – плотность воздуха, нагретого в калорифере (на входе в штабель),

                кг/м3;

         ρср.шт. – средняя плотность воздуха в штабеле, кг/м3.

 

Среднюю плотность воздуха в штабеле можно определить как:

                                                                                   (2)

где   ρ2 – плотность воздуха на выходе из штабеля, кг/м3.

 

После преобразований Н.С. Селюгин [3] предлагает следующую формулу для определения скорости естественной циркуляции :

                                   м/с                                          (3)

где  Δ t –  перепад   температуры   воздуха   на штабеле, 0С;

       Т1 – абсолютное значение температуры воздуха на входе в штабель, 0К;

       Σ ξ  - сумма коэффициентов сопротивлений движению воздуха.

Практически         Σ ξ = ξ шт.                                                                        

где  ξ шт.  – коэффициент сопротивления штабеля.

 

В [9] есть ряд эмпирических формул и номограмм, позволяющих определять ξ для различных случаев сушки.

Таким образом, существующая методика определения скорости естественной циркуляции не учитывает некоторых новых представлений об аэродинамике, например:

·        наличие помимо статического напора столба нагретого воздуха динамического напора в плоской струе над нагревателем;

·        в [3] коэффициент сопротивления штабеля зависит от параметров штабеля, в то время как он, в первую очередь зависит от квадрата скорости циркуляции воздуха;

·        применение ребровой укладки пиломатериалов [9] помимо резкого снижения коэффициентов сопротивления требует изменения подхода к точному определению их величины.

Динамическая составляющая напора появляется в результате возникновения над источником тепла (калорифером) свободной плоской конвективной струи (рис. 2). Автором теории свободных конвективных струй является Г.Н. Абрамович [10, 11, 12].

В конвективной струе различают три участка: разгонный ABFE, переходный BCGF и основной DCGH.

 

 Рис. 2.   Схема свободной конвективной струи

 

Если выделить в струе на расстоянии S от источника тепла элементарный слой толщиной dS, то применительно к этому объему можно написать уравнение количества движения в проекциях на оси струи:

                                             dK = - dRa  ,                                                                      (4)

где  К – количество движения, проходящего через сечение, удаленное   на

             расстояние S от источника тепла;

       Rа – архимедова сила.

Средняя скорость в поперечном сечении струи:

             ,  м/с                                (5)

где  β – коэффициент Буссинеска, м∙с;

        ρ = ρ1 – плотность окружающего струю воздуха, кг/м3;

        S0 = - 2 B0 – абсцисса полюса струи;

        В0 – полуширина струи в сечении АЕ.

После преобразований выражение для определения средней скорости струи приобретет вид:

                                 .                                           (6)

где  Т1 – абсолютная температура нагревателя, 0К;

        с – теплоемкость воздуха, кДж/кг∙ 0С;

        g = 9,81 м/с2,  –  ускорение свободного падения;

        Q – линейная тепловая мощность калорифера, кВт/м;

        βΔt – температурный аналог коэффициента Буссинеска, с-1.

Согласно [13] потеря давления в воздуховоде произвольного сечения:

                          ,    н/м2                                   (7)

где   λ – коэффициент сопротивления трения;

         l – длина воздуховода, м;

         ρ – плотность воздуха, кг/м3;

         Vср – средняя скорость воздуха, м/с;

          Р – периметр воздуховода, м;

          F – площадь сечения воздуховода, м2.

Для штабеля:

, Н                                        (8)

где  hшт – высота штабеля;

        ,  м2  –  суммарная площадь воздушных каналов

       штабеля, м2;

      Вшт, Lшт – ширина и длина штабеля, м;

      Sд – толщина доски, м;

       b – толщина прокладки, м;

       , м;

       а – расстояние между прокладками, м.

Процесс циркуляции в установившемся режиме может быть описан следующим уравнением баланса:

Σ Рn = ΔPст + ΔРдин,                                       (9)

где   ΣРn – суммарные потери напора, Н.

 

С учетом (1), (3), (6), (8) после преобразований получим:

 

,  м/с          (10)

 

Если принять  ρ1 = 0,878 кг/м3, ρ2 = 0,909 кг/м3, Т1 = 353 0С, Н = 3 м,  g = 9,81 м/с2, Q0 = 10 кВт/м, с = 1 кДж/(кг∙ 0С),  hшт = 2,5 м, λ = 0,032,  β = 1,56 м ∙ с,  βΔt = 1,36 c-1,  dэкв = 0,049 м,  Sk = 6 м2,  (значения Sшт принимаем по [3]), то получим следующие значения скорости циркуляции (табл. 1).

 

Таблица 1

Скорость естественной циркуляции агента сушки в штабеле пиломатериалов

Толщина доски, мм

19

22

25

32

40

50

60

75

Скорость циркуляции, м/с

0,717

0,742

0,761

0,813

0,878

0,926

1,004

1,076

 

Данные табл. 1 показывают, что при выбранной конструкции штабеля [9] скорость циркуляции:

·        существенно выше распространенных в литературе 0,2 м/с;

·        определяется, главным образом, толщиной пиломатериалов, подвергающихся сушке (при постоянной толщине прокладок и линейной мощности нагревателя).

 

Выводы

 

Разработана методика расчета параметров процесса естественной циркуляции агента сушки с учетом статической и динамической составляющих теплового напора, а также влияния параметров штабеля пиломатериалов на коэффициент его аэродинамического сопротивления.

 

 

Список литературы

 

1.     Камеры СПК-12: Начало положено // Дерево RU. –  2006. – № 3. –            С. 62 -63.

2.     Шишкина Е.Е. Сушка пиломатериалов в камерах малой мощности с естественной циркуляцией воздуха: автореф. дисс. … канд. техн. наук / Шишкина Елена Евгеньевна. – СПб.: СПбЛТА им. С.М. Кирова. –  2006.

3.     Селюгин Н.С. Сушка древесины / Н.С. Селюгин. М.-Л., Гослестехиздат, 1949.

4.     Кречетов Н.В. Сушка древесины / И.В. Кречетов. – М. – Л.: Гослесбумиздат. –  1949.

5.     Андронова Н.А. Сушка и сушила для дерева / Н.А. Андронова. – М.: ОНТИ. – 1936.

6.     Грум-Гржимайло В.Е. Основы правильной конструкции сушил /                В.Е. Грум-Гржимайло // Изв. Горного ин-та – Свердловск. –  вып. 7. –  1920.

7.     Альтшулер И.С. Расчет сушильных камер для древесины. /                           И.С. Альтшулер. – М.: Гослесбумиздат. –  1953.

8.     Бардин И.П. Элементарная теория построения металлургических печей. / И.П. Бардин, В.Е. Грум-Гржимайло.  – М. – Л.: изд. АН СССР, 1949.

9.     Агапов В.П., Гороховский А.Г. Устройство для сушки пиломатериалов / Патент РФ на полезную модель № 37815 от 10.05.2004.

10. Абрамович Г.Н. Теория свободной струи и ее приложения. / Г.Н. Абрамович. – Труды ЦАГИ, вып. 293 – М., 1936.

11. Абрамович Г.Н. Турбулентные свободные струи жидкостей и газов. / Г.Н. Абрамович. – Труды ЦАГИ, вып. 512 – М., 1940.

12. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. / Г.Н. Абрамович. – М.: Физматиздат, 1960.

13. Талиев В.Н. Аэродинамика вентиляции. / В.Н. Талиев. – М.: Стройиздат, 1979.