Совершенствование конструкций лесосушильных камер на основе создания теплоаэродинамического модуля

В России ежегодно создается около тысячи новых деревообрабатывающих предприятий, главным образом небольшой производственной мощности. Данные предприятия, как правило, удалены от промышленных центров и приближены к местам непосредственной заготовки древесины. Это приводит к ограничению их возможностей в применении лесосушильных камер (JICK).

Для проведения технологического процесса сушки, в основном, применяют лесосушильные камеры, которые обеспечивают высушивание древесины нормативными режимами, в том числе и высокотемпературными. Эти камеры оснащены сложным тепловым и циркуляционным оборудованием, требуют высокопотенциальных источников теплоснабжения и квалифицированного обслуживания.

На крупных деревообрабатывающих предприятиях, расположенных в промышленно развитых центрах, нашли применение специализированные лесосушильные камеры большой производительности, что определяется объемами производства, наличием развитой энергетической базы и возможностью приобретения дорогостоящего универсального и специализированного оборудования, в основном, заводского изготовления.

Предприятия небольшой производственной мощности, как правило, удалены от промышленных центров и часто приближены к местам непосредственной заготовки древесины. Это ограничивает их возможности в применении универсальных лесосушильных камер заводского изготовления из-за ограниченных энергетических возможностей, сложности эксплуатации, необходимости приспосабливаться к местным условиям и пр. Поэтому на таких предприятиях для проведения технологического процесса сушки сооружают лесосушильные камеры, применяя для этих целей имеющиеся помещения, комплектуя их случайным, малоэффективным и плохо совместимым оборудованием, что не позволяет, в конечном итоге, обеспечивать поддержание требуемых режимов и качественную сушку пиломатериалов.

Сложившаяся ситуация объясняется отсутствием научно-обоснованных технических решений и рекомендаций, позволяющих решить вопросы совершенствования конструкций лесосушильных камер применительно к реальным возможностям предприятий небольшой производственной мощности. Для решения этих задач в конструкциях лесосушильных камер целесообразно применять агрегатированные, высокоэффективные теплоциркуляци-онные узлы оборудования с регулируемыми теплоаэродинамическими характеристиками. Это можно осуществить на основе калориферов из биметаллических оребренных труб, в которых имеется возможность интенсификации теплоотдачи со стороны подвода агента сушки. При этом появляется возможность применения активных способов повышения тепловой эффективности и регулирования режимных параметров агента сушки, что позволит создавать основное оборудование сушильных камер из элементов, агрегатиро-ванных в единый модуль с определенными и регулируемыми теплоаэродинамическими характеристиками, повысив при этом эффективность сушильной установки в целом.

Однако специальных исследований в этом направлении выполнено недостаточно, отсутствуют ответы на целый ряд технологических и конструктивных вопросов.

Поэтому проведение исследований и разработка рекомендаций по совершенствованию конструкций лесосушильных камер, применяемых в условиях предприятий небольшой производственной мощности, является актуальным.

Таким образом, целью диссертационной работы явилось совершенствование конструкции лесосушильных камер на основе создания теплоаэродина-мического модуля с регулируемыми теплоаэродинамическими характеристиками.

В соответствии с целью исследования необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать принципы создания теплоаэродинамического модуля повышенной эффективности с широким диапазоном регулирования теплоаэро-динамических характеристик применительно к лесосушильной камере периодического действия.

2. Обосновать возможность применения активного метода интенсификации конвективной теплоотдачи шахматных пучков калориферов лесосушиль-ных камер из биметаллических оребренных труб посредством обдува направленными струями агента сушки, сформированными плоскопрофили-рованной сопловой решеткой.

3. Разработать методику экспериментального исследования конвективной теплоотдачи малорядных шахматных пучков калориферов из биметаллических оребренных труб при струйном обдуве агентом сушки.

4. Теоретически обосновать поправку на локальный метод теплового моделирования процессов конвективной теплоотдачи в малорядных шахматных пучках из оребренных труб.

5. Экспериментально определить и исследовать конструктивные и эксплуатационные характеристики плоскопрофилированной сопловой решетки и их влияние на интенсификацию конвективной теплоотдачи малорядных шахматных пучков из биметаллических оребренных труб калориферов ле-сосушильных камер.

6. Получить на основе результатов экспериментальных исследований обобщенные уравнения подобия по конвективной теплоотдаче и аэродинамическому сопротивлению, охватывающие основные компоновочные характеристики модульной конструкции теплоаэродинамической установки.

7. Усовершенствовать на основе результатов исследований методику расчета калориферов из малорядных шахматных пучков биметаллических оребренных труб со струйным обдувом агентом сушки для теплоаэродинамического модуля лесосушильной камеры.

В процессе выполнения теоретических и экспериментальных исследований использовали: теорию моделирования теплообменных процессов [44], элементы математического анализа и теории вероятностей. Экспериментальные исследования конвективной теплоотдачи пучков калориферов из биметаллических оребренных труб проводили на специально созданной экспериментальной установке методом локального теплового моделирования. При анализе и обобщении экспериментальных данных по теплоотдаче использовали теорию подобия тепловых процессов.

Основным объектом экспериментальных исследований являлись малорядные шахматные трубные пучки из биметаллических оребренных труб с накатными алюминиевыми ребрами с коэффициентом оребрения равным 16,74 и плоскопрофилированные сопловые решетки. Именно трубные пучки с числом рядов по ходу движения агента сушки от одного до четырех чаще всего используются в качестве поверхности теплообмена JICK. Сопловые решетки осуществляли формирование плоских импактных струй набегающего потока агента сушки. За счет струйного обдува производилась интенсификация конвективной теплоотдачи.

По результатам экспериментальных исследований были получены критериальные уравнения по теплоотдаче и аэродинамическому сопротивлению пучков оребренных труб. Данные уравнения позволили выявить оптимальные компоновочные характеристики малорядных шахматных пучков и эксплуатационные характеристики плоскопрофилированных сопловых решеток.

Проведенные экспериментальные и теоретические исследования создали новое направление совершенствования конструкций лесосушильных камер периодического действия на основе агрегатирования калориферного и циркуляционного оборудования в единый теплоаэродинамический модуль, позволяющий расширить пределы регулирования режимов сушки путем применения активного метода интенсификации конвективной теплоотдачи калориферов. Применение теплоаэродинамического модуля позволяет предприятиям строить эффективные сушильные камеры с учетом местных условий и возможностей.

По результатам экспериментальных и теоретических исследований была разработана усовершенствованная методика теплового расчета для теплоаэ-родинамического модуля.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований доложены на: Международной научно-технической конференции «Проблемы развития лесной отрасли» (Петрозаводск, 1998 г.) — Международной научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии в лесном хозяйстве, лесной и деревообрабатывающей промышленности» (Минск, 1999 г.) — Второй Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1998 г.) — 1-ой Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (Вологда, 1998 г.) — 2-ой Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (Вологда, 2000 г.) — XIII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева «Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (СПб, 2001 г.).

Результаты проведенных исследований отражены в 13 печатных работах [28,29,33,40,41,56, 57, 58, 59,60, 61, 63, 83].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований, представленных в диссертационной работе, можно сделать следующие выводы.

1. Разработаны принципы создания теплоаэродинамического модуля для лесосушильных камер с широким диапазоном регулирования теплоаэродинамических характеристик на основе объединения калориферной, вентиляторной установки и плоскопрофилированной сопловой решетки в единый агрегат с использованием активного метода интенсификации конвективной теплоотдачи.

2. Научно обоснована возможность применения активного метода интенсификации теплоотдачи малорядных шахматных пучков из биметаллических оребренных труб посредством обдува направленными регулируемыми струями агента сушки.

3. Теоретически обоснован и получен поправочный коэффициент на локальный метод теплового моделирования теплоотдачи в малорядных шахматных пучках из биметаллических оребренных труб, функционально зависящий от чисел Рейнольдса, Прандтля и геометрического коэффициента Сл = /(Re, Pr, r). Показано, что поправочный коэффициент слабо зависит от температуры агента сушки, что повышает точность и достоверность тепловых расчетов.

4. Экспериментально определены оптимальные конструктивные параметры плоскопрофилированной сопловой решетки: относительная ширина щелей b/d0= 0,1.0,3- относительное расстояние установки решетки //d/0=0,2.0,5.

5. Экспериментально определены оптимальные компоновочные характеристики малорядных шахматных пучков из биметаллических оребренных труб: относительный поперечный шаг S/d= 1,05.1,1, относительный диагональный шаг S2'ld= 1,05.1,1.

6. За счет струйного обдува пучков из биметаллических оребренных труб достигнута интенсификация конвективной теплоотдачи. Причем величина повышения для первого ряда составляет 1,1.2,5 раза, для второго -1,05.1,3 раза.

7. Впервые получены расчетные зависимости по теплоотдаче и аэродинамическому сопротивлению усовершенствованного модуля для лесосушиль-ных камер периодического действия с широким диапазоном регулирования тепловой нагрузки.

8. Усовершенствованная методика расчета, может быть рекомендована для конструктивных расчетов теплоаэродинамических модулей при проектировании лесосушильных камер.

9. Научно-обоснованные технические решения по созданию теплоаэродина-мического модуля рекомендуются в первую очередь использовать при сооружении лесосушильных камер для деревообрабатывающих предприятий небольшой производственной мощности.

Ю.Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований рекомендованы для применения проектными организациями при разработке новых технических и компоновочных решений основных узлов и оборудования для вновь создаваемых и реконструируемых лесосушильных камер для пиломатериалов.

11 .Новые подходы и усовершенствованная методика расчета теплоаэродина-мического модуля для лесосушильных камер рекомендованы для использования в учебном процессе при подготовке специалистов деревообрабатывающей отрасли.

12. На основе экспериментальных исследований доказано, что сопротивление системы «пучок + решетка» гораздо меньше, чем сумма сопротивлений пучка и сопловой решетки. Это объясняется малым гидродинамическим расстоянием между пучком и решеткой.

13. Специальным профилированием сопловых решеток можно достичь снижения на 30% сопротивления теплоаэродинамического модуля по сравнению с плоскопрофилированными сопловыми решетками.

14. Метод интенсификации струйным обдувом газообразным теплоносителем может быть применен не только в калориферных установках и тепло-аэродинамических модулях JICK, но и в других теплообменных аппаратах специального и общепромышленного назначения, теплообменной поверхностью которых являются пучки поперечнооребренных труб.