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 – 2000

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 жовтня 2000 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 теп-ло-насосної техніки, оскільки джерелом низькопотенційної теплоти є сам тех-но-ло--гічний процес, у якому теплота, відібрана від вологого повітря у випарнику теп-ло-во--го насоса (ТН), повертається до повітря у конденсаторі ТН.

Актуальність теми. Хоча ідея створення ТН відома давно, до теперішнього часу за-сто-сування ТН в Україні стримувалось рядом причин, головною з яких вважається спів-відношення цін на первинне паливо, теплову та електричну енергію. Другою при-чиною була відсутність надійних високотемпературних компресорів, які мають до-пустиму вартість. Ці причини відсутні в західних країнах, що зумовило різкий ріст за-сто-сування тепло-насосної техніки у цих країнах за останні 15 років. Інтегра-ція України у сві-тову економіку, встановлення світових стандартів у цінах на си-ро-ви-ну та енер-го-но-сії, можливість купівлі комплектуючих для ТН від найкращих ви-роб--ників робить ду-же актуальною задачу використання енергозберігаючої тепло-на-сос-ної технології і у нашому народному господарстві.

На жаль, незважаючи на активну енергозберігаючу політику, вітчизняних про-мис-ло--вих зразків теплонасосних сушильних установок (ТНСУ) в Україні на сьогодні дуже мало.

Конструкція та режимні параметри сушильних установок (СУ) залежать від типу ви---су-шуваного матеріалу та відрізняються великою різноманітністю. В свою чергу, ефек---тив-ність ТН істотно залежить від різниці температурних рівней споживача та дже---рела теплоти. Тому при створенні ефективної ТНСУ виникає задача взаємної адап--тації процесів вологовиділення у сушильній камері та перетворення теплоти у ТН.

Відомо, що сушіння деревини – процес нестаціонарний, тому під час аналізу во-ло--говиділення 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 ке--рування процесом.

Вирішити поставлені задачі можливо за допомогою математичних моделей, які опи---сують процеси сумісного тепло – та масообміну одночасно у деревині, су-шиль-но--му агенті та ТНСУ. Проте, подібні математичні моделі до теперішнього часу не роз-роблено.

Зв’язок дисертації з розробкою енергозберігаючих технологій та вирішенням вка-за--них науково-технічних проблем, а також відсутність у літературі алгоритмів, ме-то--дик розрахунку ТНСУ для деревини та рекомендацій по програмі керування про-це--сом 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 про-ек-ту---ван-ня було використано під час створення дослідно-промислового зразку ТНСУ для де-ревини 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 масо-об-мін-них процесів у теплонасосній установці для сушіння деревини та методики її роз-ра-хунку.

Завдання дослідження:

- термодинамічний аналіз ТНСУ та визначення найбільш перспективних кон-струк-тивних схем;

- розробка методики розрахунку та проектування ТНСУ для деревини;

- розробка математичних моделей для опису сумісних тепло – та масообмінних про-цесів у деревині, сушильному агенті та ТНСУ;

- визначення поправочних коефіцієнтів для розрахунку конвективного тепло-об-міну вологого повітря у ребристо-трубному теплообміннику з насадними пластин-час--тими ребрами з урахуванням впливу випадіння вологи;

- виробка рекомендацій по програмі керування ТНСУ та адаптації існуючих тем-пе--ратурно-вологісних режимів конвективного сушіння деревини для сушіння у те-п-ло--вому насосі.

Наукова новизна отриманих результатів:

- встановлено, що для процесів сушіння деревини найбільш ефективна ТНСУ замкну-тої схеми (ЗС) з байпасуванням потоку повітря мимо випарника та частковим ви--даленням надлишку теплоти шляхом викиду гарячого повітря з сушильної камери в атмосферу;

- вперше розроблено математичні моделі та реалізуючі їх обчислювальні ал-го-рит-ми, які дозволяють одночасно розглядати процеси сумісного тепло – та масообміну у висушуваному матеріалі (деревині), сушильному агенті та ТНСУ;

- отримано експериментальні стаціонарні характеристики ТНСУ на різних ре-жи-мах роботи;

- доведено, що для раціонального використання ТНСУ для деревини необхідно роз-робляти спеціальні температурно-вологісні режими сушіння;

- було досліджено ефект впливу випадіння вологи на конвективний теплообмін у реб-ристо-трубному теплообміннику з насадними пластинчастими ребрами;

- вперше отримано залежності поправочних коефіцієнтів від інтенсивності во-ло-го-випадіння для розрахунку конвективного теплообміну у ребристо-трубному теп-ло-обміннику з насадними пластинчастими ребрами з урахуванням впливу випадіння во-логи.

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 ре-жимних параметрів ТНСУ;

- рекомендаціями по проектуванню теплообмінників, призначених для осушення по-вітря;

- отриманими у результаті теоретичного та експериментального моделювання ре-ко--мендаціями по програмі регулювання та керування процесом сушіння деревини;

- рекомендаціями по адаптації існуючих температурно-вологістних режимів су-шін--ня деревини при використанні методу низькотемпературного “холодного” су-шін-ня в ТНСУ;

- дослідно-промисловим зразком ТНСУ для деревини.

Впровадження здійснено:

1)

2)

3)

Вірогідність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується ви-ко-ристанням загальновизнаних методик вимірювань і обробки експериментальних да-них та їх достатньою точністю, а також зіставленням результатів власних роз-ра-хун-ків з даними, отриманими другими фахівцями у цій галузі і з експе-ри-мен-таль-ни-ми даними, отриманими автором.

Публікації. Головні результати роботи опубліковано у п’яти наукових статтях.

Особистий внесок дисертанта. Дисертант розробив методику термодинамічного ана-лізу теплонасосної сушильної установки, а також запропонував критерій енер-ге-тич-ної ефективності установки [1]; розробив математичну модель низько-тем-пе-ра-тур-ного процесу сушіння деревини, а також запропонував методику визначення ви-хід-них даних для проектування осушника ТНСУ [2]; розробив математичну модель для опису процесів тепло – та масообміну у камері для сушіння деревини [3]; провів експе-риментальні дослідження процесу теплообміну вологого повітря у ребристо-труб-ному теплообміннику з насадними пластинчастими ребрами [4]; приймав участь у розробці методу моделювання складних багатоелементних систем на базі ідеалі-зованих 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 сис-те-ми терморегулювання у спеціальній техніці” (Крим, с. Рибаче, 1998 р.);

науково-технічних конференціях молодих вчених (Харків, Державний аерокос-міч-ний університет ім. М.Є. Жуковського, 1998 – 1999 р.р.).

Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, вис-новку, списка використаної літератури з 37 найменувань, 136 рисунків, 6 таб-лиць, 9 додатків, 149 сторінок основного тексту. Повний обсяг дисертації 245 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі було виконано аналітичний огляд стану проблеми, який ба-зу-єть-ся на вивченні робіт таких відомих вітчизняних та закордонних фахівців, як Д.Рей, Д.Макмайкл, Янтовський Є.Н., Везиришвілі О.Ш. Доведено, що існує ряд тех--нологічних процесів, у яких застосування ТН виправдано з точки зору енер-ге-тич-ної та економічної ефективності. До таких процесів відноситься конвективне сушін-ня та збезводнювання повітря.

Встановлено, що задача взаємної адаптації процесів вологовиділення у сушильній ка--мері та перетворення теплоти у ТН може бути вирішена за допомогою ма-те-ма-тич-них моделей, які описують процеси сумісного тепло – та масообміну одночасно у де--ревині, сушильному агенті та ТНСУ. З урахуванням вищесказаного можна зро-би-ти висновок про те, що проводити аналіз ТНСУ без розглядання особливостей техно--ло-гіч-но-го процесу сушіння неможливо.

У даному розділі за допомогою ідеалізованих моделей було проведено термоди-на-міч--ний аналіз енергетичної ефективності застосування ТН в установках для кон-век-тив---ного сушіння деревини. За критерій енергетичної ефективності було обрано ве-ли--чину затрат енергії на випаровування 1 кг вологи – Lпит. Проаналізовано існуючі схе--ми 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 низь--котемпературного конвективного сушіння деревини ТНСУ ЗС з байпасуванням з енергетичної точки зору ефективніше ТНСУ ВС з електронагрівником (ЕН) – до-від-ником (рис. 2).

Під час роботи ТНСУ по замкнутій схемі внаслідок теплоприпливів від різного енер--го-споживаючого обладнання, яке знаходиться у камері (вентилятори, ком-пре-сор), виникає так звана надлишкова теплота, яка може призвести до неприпустимого пе--регріву повітря у процесі сушіння.

Найбільш простим та ефективним засобом видалення надлишкової теплоти є до-зо---ваний викид з камери гарячого вологого повітря в атмосферу (рис. 3). При даному за-----собі видалення теплоти крім вологи, яка конденсується у теплонасосному осуш-ни-ку, видаляється додаткова кількість вологи, яка знаходиться у вологому викидному по----вітрі. 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 ат-мо-сфе--ру на одиницю витраченої енергії видаляється більша кількість вологи.

Другий розділ присвячений розробці математичних моделей, які описують про-це-си тепло - та масообміну у деревині, сушильному агенті (повітрі), сушильній камері та ТНСУ.

Для аналізу вологовиділення у деревині з урахуванням кинетики її прогріву та су-шін--ня запропоновано нестаціонарну математичну модель низькотемпературного про--цесу сушіння деревини, яку було створено на базі ідеалізованих елементів: кон-троль--ний об’єм, тепловий провідник та гілка (рис. 4). Даний підхід при моделюванні склад--них 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 де-ревиною та повітрям, то вона може бути охарактеризована лише двома па-ра-мет-ра-ми: температурою t та рівноважною вологістю деревини W р. При цьому рів-но-важна вологість повітря у межах - фази зв’язана з вологістю деревини відомою функці-ональною залежністю: пов= f (t,W р).

Система рівнянь для контрольного об’єму записується у такому вигляді:

Окремий підрозділ присвячений аналізу адекватності розробленої математичної мо--делі процесу сушіння деревини, при цьому для найбільш повного аналізу зістав-лен--ня результатів проводилось по кільком якісним та кількісним критеріям.

При математичному моделюванні процесів тепло- та масообміну у сушильному аген--ті та сушильній камері у вихідній системі рівнянь для контрольного об’єму, яка скла--дається з двох рівнянь збереження маси (для повітря та водяної пари) та рів-нян-ня збереження енергії для всієї суміші, було здійснено перетворення з введенням но-вих незалежних змінних: масового вологовмісту dп та температури суміші T:

Даний захід дозволив зменшити загальну кількість рівнянь при чисельному мо-де-лю-ванні.

Визначення витрати пароповітряної суміші у гілках здійснювалося шляхом рі-шен-ня трансцендентних рівнянь виду:

При опису процесів у теплонасосному осушнику було використано ква-зі-ста-ці-о-нар--ну математичну модель. У цьому випадку вихідна система диференціальних рів-нянь трансформується в систему алгебраїчних рівнянь:

Для визначення холодопродуктивності Q0 та потужності Nком компресора теп-ло-на-сос--ного осушника було використано апроксимаційну залежність експериментальних ха--рактеристик компресора у вигляді: Q0 = f (tкип, tконд), Nком = f (tкип, tконд).

При розрахунку умовного коефіцієнту тепловіддачі з боку повітря з урахуванням впли--ву випадіння вологи на поверхні ребристо-трубного теплообмінника з на-сад-ни-ми пластинчастими ребрами було введено поправочний коефіцієнт 1, який ураховує су--марний вплив на конвективний теплообмін таких факторів, як турбулізація потоку по-вітря стікаючими по поверхні краплями вологи, термічний опір водяної плівки та збіль-шення швидкості повітря у звуженому плівкою живому перерізі:

Останній підрозділ присвячений опису повної нестаціонарної моделі ТНСУ, яку ство-рено на базі вищевказаних математичних моделей.

Третій розділ присвячений експериментальному моделюванню ТНСУ та виз-на-чен--ню впливу випадіння вологи на конвективний теплообмін у ребристо-трубному теп--лообміннику з насадними пластинчастими ребрами. Параметри теплопередаючої по--верхні дослідного теплообмінника: розташування пучка мідних трубок – шах-мат-не, s1s2=2118 мм, dзовн=10 мм, р=0,2 мм, uр=1,8 мм, Fж. пер =5,26710-2 м2.

Експериментальна ТНСУ зібрана на елементній базі побутового кондиціонера БК – 2000, який ос-на-щено компресором типу ФГрВ-2,2 (рис. 7).

Основними еле-мен-та-ми експериментальної ТНСУ є:

побутовий кондиціонер БК-2000;

сукупність повітроводів з системою заслінок, які створюють повітряний контур екс-пе-риментальної установки;

блок зволоження;

парогенератор;

система вимірювань.

Для випарника та конденсатора експериментальної установки було використано штат-ні ребристо-трубні теплообмінники з насадними пластинчастими ребрами. Фреоно-вий контур кондиціонера було використано без доробок. Для регулювання во-логості та температури повітря на вході у випарник було використано два засоби зво-ложення:

шляхом випаровування води з розвиненої поверхні, яка безперервно зво-лож-ню-ється 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 за--лежність числа Нусельта (рис. 8) для різної витрати повітря через тепло-об-мін-ник. При цьому за характерний лінейний розмір обрано еквівалентний діаметр зву-же-ного про-хідного перерізу.

Величина коефіцієнту конвективної тепловіддачі, яку отримано у результаті експе--риментів, виявилась вище значень, розрахованих для даних умов по кри-те-рі-аль--ній залежності Гоголіна. Це можна пояснити тим, що при зниженні швидкості по--ві-тря через теплообмінник різниця між коефіцієнтами конвективної тепловіддачі для шах-матного та коридорного пучків зростає. Таким чином, величина поправки на “шах--матність” ( 10 %), на яку рекомендується збільшити коефіцієнт конвективної те-п-ловіддачі, розрахований по формулі Гоголіна для коридорного пучка при Re 500, виявляється заниженою при Re 500.

Отримані у результаті обробки однієї з серій експериментів значення попра-воч-но-го коефіцієнта 1 та апроксимуючу залежність наведено на рис. 9. Необхідно від-зна-чи---ти, що при розрахунку умовного коефіцієнту тепловіддачі величина контактного опо---ру приймалася незмінною (Rконт = 0,003) та відповідала даному типу оребрення при доброму сухому контакті. Насправді, при випадінні вологи на поверхні тепло-обмі-ну із-за утворення “водяного” контакту величина контактного опору може зменши---тися в 5 - 10 разів. Змінювання цієї величини також було закладено у коефіцієнт 1.

Утворення екстремума при збільшенні інтенсивності вологовипадіння можливо по--яснюється тим, що з зростанням інтенсивності вологовипадіння одночасно від-бу-ва---ються такі процеси:

наростання товщини плівки, що призводить до росту термічного опору;

збільшення швидкості повітря у живому перерізі через його звуження сті-ка-ю-чими стру-менями вологи, що призводить до збільшення коефіцієнта конвективної те-пло--від-дачі;

зниження величини контактного опору через утворення “водяного” контакту, що та--кож покращує процес теплопередачі.

При невеликому вологовипадінні вплив двох останніх факторів виявляється біль-шим, тому спостерігається зростання поправочного коефіцієнту 1. При по-даль-шо-му збіль--шенні інтенсивності вологовипадіння Rконт досягає свого мінімального зна-чен-ня і рясне вологовипадіння викликає зниження величини 1 (з-за того, що негатив-ний вплив на теплопередачу термічного опору водяної плівки “переважує” позитив-ний вплив збільшення коефіцієнта конвективної тепловіддачі за рахунок збільшен-ня швид-кості повітря у живому перерізі).

Цікаво відмітити, що з зростанням швидкості повітря через випарник вплив во-ло-го--ви-падіння на конвективну тепловіддачу зменшується, що досить суперечно. Мабуть, це можна пояснити тим, що в усіх експериментах було зафіксовано глибоко ла-мінарну течію по-віт-ря крізь випарник (Re 300…400), тому був відсутній зрив кра-пель з поверхні те-пло-обміну та ефект їх турбулізуючого впливу на теплообмін. Мож-ливо, що при ду-же низькій швидкості повітря крізь теплообмінник спокійно сті-каюча водяна плівка ви-кли-кає більше захаращування живого перерізу (та більшу інтен-сифікацію ко-ефі-цієн-та конвективної тепловіддачі), чим при більш високій швид-кості (але все ще без зриву кра-пель з поверхні), коли можливе стоншення плів-ки потоком повітря.

Окремі підрозділи присвячені експериментальному моделюванню різних режимів ро--боти ТНСУ. При експериментальному визначенню впливу байпасування на ро-бо-ту ТНСУ встановлено, що з збільшенням ступені байпасування кількість вологи, від--діляємої з повітря не тільки не падає, але навіть трохи зростає. Це викликано збіль--шенням зовнішнього коефіцієнту охолодження (рис. 10), який характеризує сту--пінь зближення температури повітря у кінці процесу охолодження з тем-пе-ра-ту-рою охолоджувальної поверхні.

Встановлено, що максимальна відносна похибка при визначенні коефіцієнта кон-век--тивної тепловіддачі конв не перевищує 15%, при визначенні коефіцієнту во-ло-го-ви--па-дін-ня – 11%, при визначенні поправочного коефіцієнту 1, який ураховує вплив во-ло-го-випадіння на конвективний теплообмін у випарнику – 29%.

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 су--шіння дубу від Wпоч = 60% до Wкін = 10% у ТНСУ з разовим завантаженням 7 м3 по--ка-зав, що величина продуктивності витяжного вентилятора має значний вплив на точ-ність підтримання відносної вологості повітря у камері у процесі сушіння. При роз-рахунковій продуктивності витяжного вентилятора (70 м3/год) за рахунок плав-но-го вентилювання камери у кінці першого ступіню сушіння не відбувається від-хи-лен-ня вологості повітря за нижню межу встановленого діапазону: 5% (рис. 11), про-тилежна ситуація спостерігається у випадку підвищеної про-дук-тив-нос-ті вен-ти-ля-то-ра (150 м3/год) (рис. 12).

Для більш ефективної роботи ТНСУ запропоновано плавне регулювання во-ло-гос-ті 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 во-ло-гос-ті повітря дозволяє скоротити тривалість циклу сушіння на 26%, а сумарне енерго--спо-жи-ван-ня ТНСУ на 22% у порівнянні зі ступінчатим регулюванням. У цьо-му випадку пи-томі затрати електроенергії становлять:

-

-

Запропонована методика проектування ТНСУ, а також результати математичного мо--делювання були використані при створенні дослідно-промислового зразка ТНСУ для ТОВ ”КЛІТ” (м. Харків).

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. На підставі проведеного термодинамічного аналізу енергетичної ефективності застосування ТН в установках для конвективного сушіння деревини встановлено:

застосування ТН в установках для конвективного сушіння деревини ефек-тив-ні-ше з енергетичної точки зору у порівнянні з традиційними засобами утилізації теп-ло-ти за допомогою плівкових рекуперативних теплообмінників типу “повітря-повітря”;

для процесів низькотемпературного конвективного сушіння деревини найбільш ефек-тивна теплонасосна установка замкнутої схеми з байпасуванням частини по-то-ку повітря мимо випарника та видаленням надлишкової теплоти шляхом дозованого ви-киду гарячого повітря з сушильної камери в атмосферу;

2. Розроблено метематичні моделі для опису сумісних тепло- та масообмінних про-цесів у деревині, сушильному агенті та ТНСУ, які дозволяють виявити різні сис-тем-ні ефекти, що виникають під час роботи ТНСУ, а також виробити рекомендації від-носно вибору основних режимних праметрів та елементів установки;

3. Вироблено рекомендації відносно проектування теплообмінників, призначених для осушення повітря;

4. Запропоновано інженерну методику розрахунку та проектування ТНСУ для де-ре-вини, за допомогою якої було створено дослідно-промисловий зразок установки з ра-зовим завантаженням до 7 м3;

5. Вироблено рекомендації відносно програми керування ТНСУ та адаптації існу-ю-чих температурно-вологістних режимів конвективного сушіння деревини для теп-ло-насосного сушіння, зокрема, запропоновано плавне регулювання вологості по-віт-ря у камері (з відстеженням фактичної вологості деревини), яке дозволяє запобігти ви-никненню деформацій у деревині та прискорити процес сушіння за рахунок без-пе-рер-вного підтримання оптимальної вологості повітря у камері;

6. У результаті експериментального дослідження роботи ребристо-трубного теп-ло--обмінника з насадними пластинчастими ребрами в умовах інтенсивного випадіння во-логи виявлено:

залежності поправочних коефіцієнтів від інтенсивності вологовипадіння для роз-рахунку конвективного теплообміну у ребристо-трубному теплообміннику з на-сад-ними пластинчастими ребрами з урахуванням впливу випадіння вологи носять не-лінійний характер з яскраво вираженим екстремумом;

коефіцієнт конвективної тепловіддачі при інтенсивності вологовипадіння 10-4 кг/(м2с) на поверхні теплообміну з розміром у світу між ребрами 1,6 мм при ма-со-вій швидкості повітря 2,35 кг/(м2с) перевищує коефіцієнт конвективної теп-ло-від-дачі при сухому теплообміні на 30-35%;

7. Аналіз експериментальних стаціонарних характеристик ТНСУ показав:

використання байпасування частини потоку повітря мимо випарника не приз-во-дить до зниження кількості вологи, відділяємої з повітря (за рахунок реалізації більш високого коефіцієнту зовнішнього охолодження);

часткова рециркуляція повітря навколо випарника ТНСУ неефективна для зни-жен-ня температури кипіння хладагента та підвищення температурної межі пра-цездат-ності ТНСУ;

8. Аналіз адекватності розробленої математичної моделі ТНСУ показав добре уз-год-ження результатів, максимальне розходження між експериментальними та роз-ра-хун-ковими величинами складає 21% при величині середньоквадратичного відхилення =0,928;

9. На підставі результатів чисельного моделювання встановлено:

надмірна продуктівність витяжного вентилятора призводить до надто інтен-сив-но-го осушення повітря у камері і в цьому випадку можливе відхилення відносної во-ло-гості повітря, яка підтримується у камері на даному ступеню сушіння, за нижню ме-жу встановленого діапазону, тому правильний вибір витяжного вентилятора є не-від’ємним етапом проектування ТНСУ;

використання плавного регулювання відносної вологості повітря у камері у про-це-сі сушіння відповідно до змінювання фактичної вологості деревини дозволяє ско-ро-тити час сушіння на 26%, а енергоспоживання на 22% у порівнянні з ступінчатим ре-гулюванням процесу. У порівнянні з традиційним конвективним калориферним су-шінням питомі затрати енергії на видалення вологи знижуються на 70% і скла-да-ють 0,554 кВтгод/кг (1994 кДж/кг). Питомі затрати на сушіння 1 м3 дубу від 60 до 10% вологості складають 187 кВтгод/м3 (6,73105 кДж/м3);

Основний зміст дисертації опубліковано у працях:

1.

2.

3.

4.

5.

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 про-мислова 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 кон-век-тив-ний теплообмін при течії вологого повітря у ребристо-трубному теплообміннику з на-садними пластинчастими ребрами.

Для розрахунку конвективного теплообміну з урахуванням вологовипадіння за-про-поновано поправочний коефіцієнт, який дозволяє урахувати комплекс явищ, що ви-никають при випадінні вологи на поверхні теплообміну.

Розроблено методику проектування теплонасосної установки для сушіння де-ре-ви-ни, придатність якої підтверджена результатами чисельного моделювання, а також ре-зультатами попередніх випробувань дослідно-промислового зразка.

Запропоновано оптимальні закони керування процесом сушіння, які дозволяють зни-зити енергоспоживання теплонасосної установки у порівнянні з традиційним ре-гу-люванням на 22%.

Ключові слова: ма-те-матична модель, теплонасосна установка, процеси тепло - та ма-сообміну, сушіння деревини, вологовипадіння, вологе повітря, теплообмінник.

АННОТАЦИЯ

Ганжа Е.П. Моделирование процессов в теплонасосной установке для сушки дре-ве--сины. Диссертация является рукописью, представленной на соискание научной сте--пени кандидата технических наук по специальности 05.14.06. – техническая те-пло--физика и промышленная теплоэнергетика. Институт проблем машиностроения НАН Украины, Харьков, 2000.

Диссертация посвящена разработке математических моделей, необходимых для ана-лиза тепло- и массообменных процессов в теплонасосной установке для сушки дре--весины. Данные математические модели позволяют одновременно рассматривать про---цессы совместного тепло - и массообмена в сушимом материале (древесине), су-шиль--ном агенте (воздухе) и ТНСУ.

На основании проведенного термодинамического анализа сопоставлена энер-ге-ти-чес-кая эффективность различных схем ТНСУ, а также предложена на-илучшая схема теп-лонасосной установки для сушки древесины.

Для описания тепло - и массообменных процессов в предложенной ТНСУ раз-ра-бо-таны:

-

-

-

Получены экспериментальные стационарные характеристики ТНСУ на различных ре---жимах работы, на основании которых установлено, что байпасирование части по-тока воздуха мимо испарителя не приводит к снижению количества удаляемой влаги в теплонасосном осушителе за счет реализации более высокого коэффициента на-руж--ного охлаждения.

Проведены экспериментальные исследования влияния выпадения влаги на кон-век--тивный теплообмен при течении влажного воздуха в ребристо-трубном теп-ло-об-мен-нике с насадными пластинчатыми ребрами.

Для расчета конвективного теплообмена с учетом влаговыпадения пред-ложен поп-равочный коэффициент, который позволяет учесть комплекс яв-ле-ний, воз-ни-ка-ющих при выпадении влаги на поверхности теплообмена, а именно:

-

-

-

-

Выявлено, что зависимости поправочных коэффициентов от интенсивности вла-го-вы-падения носят нелинейный характер с ярко выраженным экстремумом.

Установлено, что коэффициент конвективной теплоотдачи при интенсивности вла--говыпадения 10-4 кг/(м2с) и массовой скорости воздуха 2,35 кг/(м2с) для по-вер-хнос-ти теплообмена с размером в свету между ребрами 1,6 мм больше конв при су-хом теплообмене на 30-35%.

На основании проведенных исследований даны практические рекомендации по про--ектированию теплообменников, предназна-чен-ных для осушения воздуха.

Разработана методика проектирования теплонасосной установки для сушки дре-ве--сины, пригодность которой подтверждена результатами численного мо-де-ли-ро-ва-ния, а также результатами предварительных испытаний опытно-про-мыш--ленного образца.

Предложена программа управления процессом сушки, а также выявлены раз-лич-ные системные эффекты, возникающие при работе ТНСУ. В частности, ус-та-нов-лено, что производительность вытяжного вентилятора оказывает определяющее вли--яние на точность поддержания влажности воздуха в сушильной камере и частоту вклю-чений компрессора теплонасосного осушителя.

Предложены оптимальные законы управления процессом сушки, позволяющие сни--зить энергопотребление теплонасосной установки на 22% по сравнению с тради-ци--онным ступенчатым регулированием.

Ключевые слова: ма-те-матическая 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