автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Совершенствование конструкций лесосушильных камер на основе создания теплоаэродинамического модуля

На правахрукописи

Рощин Сергей Павлович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ЛЕСОСУШИЛЬНЫХ КАМЕР НА ОСНОВЕ СОЗДАНИЯ ТЕПЛОАЭРОДИНАМИЧЕСКОГО МОДУЛЯ

Специальность 05.21.05 - "Древесиноведение, технология и оборудование деревообработки"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Архангельск - 2004 г.

Работа выполнена в Архангельском государственном техническом университете.

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кунтыш В.Б. доктор технических наук, профессор Мелехов В.И.

доктор технических наук, профессор Шепель Г. А.; кандидат технических наук, старший научный сотрудник Поромов В.Н.

Ведущая организация: ОАО «Научдревпром - ЦНИИМОД»

Защита состоится 25 июня 2004 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.01 в Архангельском государственном техническом университете (наб. Северной Двины, 17, главный корпус, ауд. 228).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Архангельского государственного технического университета.

Автореферат разослан мая 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Земцовский А.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В России ежегодно создается около тысячи новых деревообрабатывающих предприятий, главным образом небольшой производственной мощности. Основополагающей операцией в процессах деревообработки, во многом определяющей качество выпускаемой продукции, является сушка древесины.

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 про-мышленно развитых центрах, нашли применение специализированные лесосу-шильные 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, приспосабливаемости к местным условиям и пр. Поэтому на таких предприятиях для проведения технологического процесса сушки сооружают лесосушильные камеры, приспосабливая 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 аг-регатированные, высокоэффективные теплоциркуляционные 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, агрегатированных в единый модуль с определенными и регулируемыми теплоаэродинамическими характеристиками, повысив при этом эффективность сушильной установки в целом.

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

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

Цель диссертационной работы - совершенствование конструкции лесосу-шильных камер на основе создания теплоаэродинамического модуля с регулируемыми теплоаэродинамическими характеристиками.

В соответствии с целью исследования были поставлены задачи:

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

2. Обосновать возможность применения активного метода интенсификации конвективной теплоотдачи шахматных пучков калориферов лесосушильных камер из биметаллических оребренных труб посредством обдува направленными струями агента сушки, сформированными плоскопрофилированной 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 эксплуата-циионные характеристики плоскопрофилированной сопловой решетки и их влияние на интенсификацию конвективной теплоотдачи малорядных шахматных пучков из биметаллических оребренных труб калориферов лесосу-шильных 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 оребрен-ных труб со струйным обдувом агентом сушки для теплоаэродинамического модуля лесосушильной камеры.

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

процессов. Расчет, анализ и обработка опытных данных проводились с применением программ Microsoft Excel 98, Golden Software Grapher 1.32. Научная новизна работы:

• впервые в конструкции лесосушильных камер применено агрегатирование калориферной и вентиляторной установки в единый теплоаэродинамический модуль с регулированием основных теплоаэродинамических характеристик;

• доказана возможность интенсификации конвективной теплоотдачи малорядных шахматных пучков калориферов лесосушильных камер из биметаллических оребренных труб посредством струйного регулируемого обдува агентом сушки, сформированного в плоскопрофилированной сопловой решетке;

• теоретически выведен поправочный коэффициент на локальный метод теплового моделирования конвективной теплоотдачи малорядных шахматных пучков из биметаллических оребренных труб;

• выполнены экспериментальные исследования по интенсификации конвективной теплоотдачи малорядных шахматных пучков калориферов лесосушиль-ных камер из биметаллических оребренных труб посредством струйного обдува агентом сушки в широком диапазоне изменения компоновочных характеристик теплоаэродинамической установки;

• усовершенствована методика расчета малорядных шахматных пучков калориферов лесосушильных камер из биметаллических оребренных труб при интенсификации конвективной теплоотдачи посредством струйного обдува агентом сушки.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследований по созданию теплоаэродинамического модуля для лесосушильной камеры с изменяемой теплоаэродинамической характеристикой.

2. Теоретическое обоснование применения метода локального моделирования при проведении экспериментов.

3. Результаты экспериментальных исследований по интенсификации конвективной теплоотдачи малорядных шахматных пучков калориферов лесосу-шильных камер при струйном обдуве агентом сушки в зависимости от компоновочных характеристик теплоаэродинамической установки.

4. Уточненная методика расчета малорядных шахматных пучков калориферов из биметаллических оребренных труб при интенсификации конвективной теплоотдачи посредством струйного обдува агентом сушки, основанная на результатах экспериментальных исследований.

Практическая значимость. Проведенные аналитические и экспериментальные исследования позволили создать новое направление совершенствования конструкций лесосушильных камер периодического действия на основе агрегатирования калориферного и циркуляционного оборудования в единый теплоаэ-родинамический 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.

Апробация работы. 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.).

Публикации. Результаты проведенных исследований отражены в 13 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Общий объем работы 134 страницы, включая 74 рисунка, 16 таблиц, список литературы из 83 наименований и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование поставленной темы и краткую аннотацию проведенной работы.

В первой главе приведено состояние исследуемого вопроса и определены задачи исследования, дан анализ современных конструкций лесосушильных камер периодического действия, основных узлов теплоаэродинамического оборудования.

Сушка древесины является основным процессом в технологии деревообработки, от правильного проведения которого во многом зависит качество продукции. На основании многочисленных исследований ЦИНИИМОД, ГИПРОДРЕВ, ГИПРОДРЕВПРОМ, УКРНИИПРОМ, ЛТА, МГУЛ, АГТУ и др., проведенных Б.А. Посновым, В.Л.. Козловым, Н.Н. Пейч, П.В. Соколовым, И.В. Кречетовым, П.С. Серговским, Г.С. Шубиным, А.В. Лыковым, А.И. Расевым, П.В. Билеем, Э.А. Микитом, К.А. Пуховым, Е.С. Богдановым, СИ. Мачулисом, АЛ. Игумновым, Е.А. Пировских, В. Б. Кунтышем, В.И. Мелеховым, Б.С. Чудиновым, Д.Ю. Михайловым, получены научно-обоснованные результаты по теоретическим вопросам сушки древесины, разработаны режимы сушки пиломатериалов различных пород и сечений и даны рекомендации по их практическому применению, проведены исследования кинетики и динамики сушки, исследовано влияние те-плоаэродинамических факторов на тепломассообмен при проведении процессов сушки древесины, найдены технологические, конструктивные и компоновочные решения, позволившие повысить эффективность работы теплового и аэродинамического оборудования и лесосушильных камер в целом.

Однако можно отметить, что большинство исследований направлено на создание высокоэффективного лесосушильного оборудования для универсальных лесосушильных камер, предназначенных главным образом для применения на деревообрабатывающих предприятиях большой производственной мощности, обеспеченных высокопотенциальными энергоносителями, квалифицированным обслуживанием и развитой инфраструктурой.

На деревообрабатывающих предприятиях большой производственной мощности используются универсальные лесосушильные камеры периодического действия, различные конструкции которых обеспечивают сушку широкого ассортимента сечений пиломатериалов различных пород. Наибольшее применение нашли лесосушильные камеры периодического действия отечественного производства - УЛ-1, УЛ-2, СПЛК-1, СПЛК-2 и их модификации, а также зарубежных производителей - Сейко, Хильдебранд, Ваничек, Валмет и др. Принципиальная схема конструкции лесосушильной камеры периодического действия представлена на рис. 1.

В этих конструкциях применяется специализированное высокоэффективное тепловое и циркуляционное оборудование, установленное автономно в циркуляционном контуре лесосушильной камеры. Тепловое и циркуляционное оборудование обеспечивает подготовку агента сушки с требуемыми параметрами и нормативные режимы сушки, в том числе и высокотемпературные.

В результате универсализации установленная энергетическая мощность сушильного оборудования, рассчитанного на экстремальные режимы, существенно завышена. Универ-

Рис. 1. Схема лесосушильной камеры периодиче- сальные лесосУшильные

ского действия: 1 - ограждения; 2 - осевой венти- камеры сложно применять

лятор с электродвигателем; 3 - горизонтальный на деревообрабатывающих экран; 4 -калорифер; 5 - штабель пиломатериалов; предприятиях небольшой 6 - подштабельная тележка. производственной мощно-

сти из-за ограниченных

технических, технологических, энергетических возможностей и др. Это связано с удаленностью таких предприятий от промышленно развитых центров, слабой энергетической базой, что вынуждает сооружать лесосушильные камеры из

имеющихся случайных, разнородных, малоэффективных и плохо совместимых узлов теплового и циркуляционного оборудования, нередко приспосабливая под камеры существующие помещения. В связи с этим возникает необходимость создавать лесосушильные камеры с учетом местных условий и возможностей деревообрабатывающих предприятий небольшой производственной мощности.

В универсальных лесосушильных камерах, как отмечалось, циркуляционное и теплопередающее оборудование устанавливается в виде отдельных узлов, разнесенных по циркуляционному каналу. При такой схеме возникают дополнительные потери на трение, связанные с рассеиванием кинетической энергии потока агента сушки. Исследованиями В.Б. Кунтыша и В.И. Мелехова установлены оптимальные расстояния между фронтальной поверхностью калорифера и плоскостью вращения вентилятора, составляющие 3-7 калибров оребренной трубы. Такое решение практически может быть реализовано при агрегатировании теплового и циркуляционного оборудования в теплоаэродинамический модуль с установкой плоскопрофилированной сопловой решетки.

Для лесосушильных камер рекомендуется применять калориферы из биметаллических оребренных труб с накатными или навитыми алюминиевыми ребрами, обладающими повышенной коррозионной стойкостью, высоким значением коэффициента оребрения и компактностью по сравнению со стандартными сантехническими калориферами. Общий вид таких труб представлен на рис. 2.

Нами предложено в лесосушильных камерах периодического действия объединить тепловое и циркуляционное оборудование в агрегатирован-ный модуль, с регулируемыми теплоаэродинами-ческими характеристиками. Преимуществами такого объединения являются: применение теплового оборудования с оптимальной площадью поверхности теплообмена, позволяющего создавать форсированные режимы сушки, путем изменения теплоаэродина-мических характеристик; агрегатный метод обслуживания и ремонта, являющийся наиболее прогрессивным.

Пределы регулирования теплоаэродинамических характеристик модуля определяются использованием нескольких методов интенсификации конвективной теплоотдачи от поверхности нагрева. Известны пассивные методы интенсификации конвективной теплоотдачи путем изменения формы поверхности теплообмена и компоновки биметаллических труб в пучке с целью турбулизации по-

тока агента сушки. Они имеют определенные стационарные пределы регулирования и имеют ограниченное использование. В работе в дополнение к известным методам добавляются активные методы интенсификации теплоотдачи, которые связаны с непосредственным воздействием на поток агента сушки и его турбу-лизацией, что значительно расширяет пределы регулирования интенсивности теплообмена.

Как показали предварительные экспериментальные исследования интенсифицировать конвективную теплоотдачу в калорифере из биметаллических ореб-ренных труб можно путем локального изменения скорости агента сушки у поверхности биметаллической оребренной трубы за счет струйного обдува. Однако этот вопрос требует проведения дополнительных специальных исследований, результаты которых представлены ниже.

В результате проведенного анализа состояния вопроса определены цель и задачи теоретических и экспериментальных исследований.

Во второй главе приведены разработанная методика проведения экспериментального исследования конвективной теплоотдачи шахматных пучков из биметаллических оребренных труб, методика обработки экспериментальных данных. Экспериментальная установка показана на рис. 3.

Рис.3. Экспериментальная установка: 1 - центробежный вентилятор Ц-4-70 №8; 2 -эластичная резиновая вста вка; 3 - сопло; 4 - трубка Пито -Прандтля; 5,8 -микроманометры ММН; 6 - стабилизирующий участок; 7,17 - ртутные термометры; 9,15 -датчики отбора статического давления; 10 -рабочий участок; 11 - ваттметр К-50; 12 - пло скопрофилированная с опловая решетка; 13 - опытный пучок; 14 пароэлектрический калориметр; 16 - потенциометр ПП-63; 18 - выходной участок.

Модель опытного шахматного пучка из биметаллических оребренных труб (рис. 4) помещалась для исследования в измерительном участке аэродинамической трубы. Экспериментальные данные по теплоотдаче и аэродинамическому сопротивлению этой модели принимались за базовые. Далее перед пучком на разных расстояниях от лобовой точки первого ряда труб устанавливалась плос-копрофилированная сопловая решетка, формировавшая систему импактных струй агента сушки, набегающую на пучок. В дальнейшем производилось срав-

нение данных по теплоотдаче и аэродинамическому сопротивлению такого пучка с базовым.

Экспериментальные данные обрабатывались в числах подобия Нуссельта, Эйлера и Рейнольдса

(1)

(2),(3)

где а„р - приведенный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К); Я, - коэффициент теплопроводности агента сушки, Вт/(м-К); ¿ц -диаметр биметаллической оребренной трубы у основания ребер, м; АР - потери давления агента сушки при прохождении через шахматный пучок из биметаллических оребренных труб, Па; р - плотность агента сушки, - скорость агента сушки в

наименьшем проходном (сжатом) сечении шахматного пучка из биметаллических оребренных труб, м/с; v - коэффициент кинематической вязкости агента сушки, м2/с. Теплофизические свойства v, X и р определялись по средней температуре агента сушки в пучке.

Эмпирические зависимости по теплоотдаче и сопротивлению шахматного пучка из биметаллических оребренных труб пред-

Рис. 4. Схема установки трехрядного шахматного пучка в измерительном участке аэродинамической трубы: 1 -аэродинамическая труба; 2 - плоско-профилированная сопловая решетка;

3 - набегающий поток агента сушки;

4 - места установки пароэлектрического калориметра.

ставлялись в виде:

N11 = СЯе"; Ей = , (4), (5)

где С, В, п и т - коэффициенты, полученные на основе регрессионного анализа экспериментальных данных.

Погрешность результатов экспериментов определялась по среднеквадрати-ческому отклонению полученных критериев подобия

(6)

бКи =

5Ле = ^(8п)2+(Ы0)2+(6у)2 , 5Еи = ^(Ш)2+(Ьр)2+(2Ы)2,

(7)

(8)

где 8 - относительные погрешности измерения отдельных величин. При проведении экспериментов максимальное значение погрешностей не превышало: для № ± 3%, для Re ± 2,5%, для Eu ± 6%.

Критериальное уравнение для средней теплоотдачи малорядного шахматного пучка из биметаллических оребренных труб выводилось на основе критериальных уравнений, полученных для каждого ряда пучка методом локального теплового моделирования

№1ср=СсрКей"\ (9)

где - коэффициенты, полученные в процессе обработки опытных дан-

ных.

В третьей главе приведен теоретический вывод поправочного коэффициента на локальный метод теплового моделирования.

Экспериментальные исследования процессов теплоотдачи при вынужденной конвекции агента сушки в поперечнообтекаемых пучках гладких и оребренных труб обычно проводятся с использованием методов полного или локального теплового моделирования. Метод локального теплового моделирования имеет преимущества, связанные с более высокой точностью определения коэффициента теплоотдачи каждого отдельного ряда пучка, упрощает конструкцию экспериментальной установки и проведение экспериментов. Однако применение локального метода дает погрешность при определении среднего коэффициента теплоотдачи всего трубного пучка, величина которой зависит от различных факторов и в настоящее время определяется на основе сравнения экспериментальных данных по полному и локальному тепловому моделированию путем введения в расчеты поправочного коэффициента на локальное тепловое моделирование. Этот поправочный коэффициент по разным источникам у авторов значительно различается, что не позволяет проводить достоверный сравнительный анализ, в связи с чем потребовалось теоретически получить формулу поправочного коэффициента.

В качестве модели принят трубный пучок из труб с поперечными спиральными ребрами с количеством рядов I и длиной труб /, омываемый поперечным потоком агента сушки. Вопрос решался без привязки к виду компоновки пучка -коридорной или шахматной. Трубы имели геометрические характеристики - с1ц, Л, Д, я (см. рис. 2) и коэффициент ореберния ф. Параметры трубного пучка: поперечный шаг и продольный шаг В центре каждого ряда пучка установлены трубы-калориметры. Были приняты допущения:

- средняя температура стенки всех труб одинакова, что характерно при паровом обогреве труб пучка;

- после каждого ряда происходит идеальное перемешивание агента сушки;

- агент сушки в пределах объема, ограниченного длиной труб / и поперечным шагом пучка не перемешивается при прохождении его через ряд пучка;

- теплофизические свойства агента сушки - средняя теплоемкость плотность р, коэффициент кинематической вязкости v, коэффициент теплопроводности А. и коэффициент температуропроводности а - практически постоянны, и определяются по средней температуре агента сушки в пучке, так как при проведении реальных экспериментов температура нагрева агента сушки не превышает 100 °С.

В случае полного теплового моделирования приведенный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-°С), всего рассматриваемого пучка рассчитывается по уравнению

где - тепловой поток конвекцией от калориметра, установленного в / -том-ряду, Вт; Т^- площадь наружной теплопередающей поверхности калориметра, установленного в / - том ряду, ы ; - температура наружной теплопередающей

поверхности калориметра у основания ребер,°С; I- средняя температура агента сушки в пучке,°С.

Средняя температура агента сушки в пучке для упрощения расчетов, согласуясь с опытами, может быть определена за счет линеаризации изменения температуры по каждому ряду пучка. В силу этого средний температурный напор практически не отличается от среднеарифметического. Тогда средняя температура

где - температура агента сушки перед первым рядом пучка,

В случае локального теплового моделирования приведенный коэффициент теплоотдачи /-го ряда пучка определяется как

где - температура потока агента сушки, набегающего на -ый ряд пучка, Средний приведенный коэффициент теплоотдачи всего пучка при локальном

тепловом моделировании вычисляется по выражению

Поправочный коэффициент на локальный метод теплового моделирования определяем без учета поправки на число поперечных рядов труб в пучке, так как порядок этой поправки одинаков при локальном и полном тепловом моделировании. Поэтому с учетом (10), (12) и (13) получим

Для однорядного пучка поправочный коэффициент на локальный метод теплового моделирования примет вид

Г - °п -л -З-~

а„

1

где Г - безразмерный геометрический коэффициент, - число Стентона, определенное по среднему приведенному коэффициенту теплоотдачи при локальном моделировании.

Безразмерный геометрический коэффициент

где

Хфр + - коэффициент сжатия фронтального сечения пучка.

Число Стентона

где w - скорость агента сушки, набегающего на трубный пучок, м/с. Для двух и трехрядных пучков вид коэффициента идентичен (15). Если заменить число Стентона соотношением

(17)

81.=-

Ыи

ср •

ЯеРг

(18)

где - число Нуссельта; - число Рейнольдса;

Рг = \/а- число Прандтля.

Число Нуссельта функционально связано критериальным уравнением с числом Рейнольдса (9).

Окончательно теоретический поправочный коэффициент на локальное тепловое моделирование будет иметь вид

(19)

1-1Г

Яе'^Рг

Если температурный напор агента сушки в выражении (11) опреде-

лить с большей точностью как среднелогарифмический , то выражение (19) примет вид

11е'~л'РРг

С =— Л «л

ГС.

1п

ч>

1-Г

-ср

Яе'^Рг

(20)

Полученный теоретический поправочный коэффициент на метод локального теплового моделирования был применен для сравнения данных по теплоотдаче шахматных пучков из биметаллических оребренных труб, полученных различными методами теплового моделирования. Результаты сравнения показали хорошую сходимость для малорядных одно-, двух- и трехрядных пучков. Величина погрешности сравнения не превышала 5,6%. Необходимо отметить, что использование формулы (20)' приводит к уточнению результатов сравнения на 1...2% по сравнению с (19).

В четвертой главе приведены результаты исследований интенсификации конвективной теплоотдачи малорядных шахматных пучков из биметаллических оребренных труб методом обдува струями агента сушки. Для выявления качественных характеристик воздействия струйного обдува агента сушки на интенсификацию конвективной теплоотдачи были проведены эксперименты на одиночной оребренной трубе. Струи в опытах формировали установкой плоских решеток, профилированных вертикальными щелями шириной 6=24 мм, и высотой

а=365 мм. Решетки устанавливались на различных расстояниях от среза ребер трубы. Ширину щели выбирали таким образом, чтобы при истечении из нее поток воздуха охватывал диаметр цилиндра по основанию ребер. Виды решеток и варианты ихрасположения представлены на рис. 5.

Использовалась биметаллическая труба со спиральными накатными алюми-

Рис. 5. Профилированные сопловые решетки: а - с одной щелью; Ъ - с двумя; с - с тремя щелями; d - установка калориметра и решетки в измерительном участке аэродинамической трубы; 1 - аэродинамическая труба; 2 - решетка, 3 - калориметр.

ниевыми ребрами с размерами, мм: (рис.2) и коэффициентом оребрения ф=16,74.

Полученные экспериментальные данные по теплоотдаче обобщались критериальным уравнением

N11 = СЯе„" (21)

За линейный размер в числах N11 И Яе,, принят диаметр по основанию ребер (¡ц. В качестве определяющей скорости в числе Яен принята скорость агента сушки в набегающем сечении. Значения постоянных Сип в уравнении (21) в зависимости от параметров решеток представлены в табл. 1.

При анализе результатов были применены симплексы: - безразмер-

ная координата установки решетки, - безразмерный межосевой шаг

щелей решетки, I - расстояние установки решетки от среза ребер цилиндра, -расстояние между осями щелей решеток, £?э - эквивалентный диаметр щели. Эквивалентный диаметр щели решетки определяли по формуле

4/ 4 (Ьха) 3~ Р 2(Ь + а)'

(22)

где: /- площадь щели, Р - периметр щели. Для исследуемых решеток <4= 45 мм.

Оценку влияния струйного обдува на теплоотдачу производили посредством сравнения полученной теплоотдачи для каждого конкретного случая с теплоотдачей оребренной трубы в потоке без решеток, которую принимали в качестве базовой. Поэтому коэффициент интенсификации теплоотдачи вычисляли из соотношения

е=№1/№6 (23)

где N11, N115 - числа Нуссельта соответственно для оребренной трубы с интенсификацией теплоотдачи и базовой.

Таблица 1.

Параметры сопловых решеток и коэффициенты критериального уравнения.

/, мм 0 10 20 30 50 70 90

Одна щель СхЮ2 14,5 14,6 14,6 15,9 15,7 14,9 14,1

л 0,85

Две щели 5*=88мм Re„<2500 CxlO2 10,2 | 13,6 | 16,2 18,9 | 21,4 | 22,6 | 25,6

п 0,72

У=88мм Re„>2500 CxlO2 1,55 2,08 2,41 | 2,74 3,13 3,27 | 3,51

п 0,96

5"=108мм Re„<2500 CxlO2 10,7 12,4 14,4 [ 17,2 | 22,1 | 24,2 25,2

п 0,7

108мм Re„>2500 СхЮ2 1,35 | 1,61 1,84 | 2,2 | 2,85 | 3,05 3,18

п 0,96

,У=148мм Re„<2500 СхЮ2 14,1 14,7 16,7 | 18,0 25,3 | 21,0 | 36,6

п 0,66

У=148мм Re^2500 СхЮ2 1,3 | 1,39 1,49 | 1,61 2,20 | 2,66 3,25

п 0,96

Три щели 5=44 мм СхЮ2 8,87 8,94 9,42 9,59 8,53 7,91 7,74

п 0,83

$=54 мм СхЮ2 8,96 9,32 9,8 9,7 9,7 9,45 8,58

п 0,82

5=74 мм СхЮ2 8,82 | 9,16 | 9,16 | 9,16 | 9,35 | 9,10 9,10

и 0,82

Базовая труба СхЮ2 3,84

п 0,76

Коэффициент интенсификации теплоотдачи оребренной трубы Е при обдуве одиночной центральной струей (рис. 6) растет с увеличением числа R^ в диапазоне ReH = 1000+4000 пропорционально Re,,"'"', причем это характерно для всех значений /. Видно, что значение Е имеет максимум в районе /« 0,8. До этого значения / параметр £ изменяется незначительно вследствие неполного раскрытия струи и нарастания ламинарного пограничного слоя на поверхности ребер лобовой части трубы. При дальнейшем увеличении расстояния установки решетки струя раскрывается полнее и охватывает всю лобовую поверхность ребер, чем и объясняется резкий скачок значения s. С / = 1,1 происходит снижение S, что связано с потерей энергии струи, и при он достигает первоначального

значения.

При обдуве цилиндра тремя щелями (рис. 7.) картина изменения параметра 6 зависит от 15

Рис. 6. Интенсификация теплоотдачи трубы при обдуве одиночной струей;1 - Кеи= 1000, 2

Яен= 4000.

безразмерного шага щелей решетки. Очевидно сказывается влияние смешивания соседних струй на боковой плоскости ребер трубы. При 5 = 0,98 наблюдается рост Б с 3,78 при / = 0 и Яен= 1000 до 4,67 при значениях / =0,67 и Кс,,= 9000. Численное значение Б при 5 = 0,98 в диапазоне изменения 11^=1000+9000 возрастает

п. 0,07

пропорционально Ке„ и это характерно для всех значений I. С увеличением /от0 до 0,11 имеет место незначительный рост далее при рост более ин-

тенсивен и достигает максимума при 7» 0,7. Последующее увеличение I сопровождается резким падением значения коэффициента Е. Оптимальный диапазон I при 5= 0,98 находится в пределах от 0,11 до 0,9, что обусловлено наиболее интенсивным смешением струй на боковых поверхностях труоы.

При 5= 1,2 зависимость е от I носит менее выраженный характер. Наблюдается сглаживание кривой е (рис. 7). Область максимального значения Б сдвигается к / = 0,45. Параметр Б при £'=1,2 растет пропорционально Яе,,0'06, что характерно для всех значений / в диапазоне 11ен= 1000-5-9000. Оптимальный диапазон I в данном случае располагается в интервале от 0,11 до 1,56.

Для 5 = 1,64 картина зависимости Б от / имеет практически автомодельный характер относительно / с наличием небольшого максимума при /=1,1. Характер зависимости Б от / с увеличением не изменяется и рост Б пропорционален при всех значениях.

Изменения расположения области максимальных значений коэффициента Б, а также точки максимума по оси I, качественно показывают, что с изменением I точка максимума при 5 = 0,98 находится практически в том же диапазоне, что и для одиночной щели. С ростом 5 точка максимума сдвигается в область более низких значений / , а диапазон максимальных значений £ расширяется, что можно видеть на рис. 7 при 5= 1,2. С дальнейшим увеличением 51 до 1,64 максимум становится менее выражен, а область максимальных значений коэффициента становится расширенной. Можно предположить, что оптимальное значение параметра 5 лежит в пределах от 0,98 до 1,64. При 0,98>5>1,64 характер функциональной зависимости параметра от становится такой же, что и для одиночной щели.

При обдуве трубы двумя струями характер изменения Б, в зависимости от / , имеет существенное различие по сравнению с обдувом тремя и одной струями. Основное различие заключается в отсутствии максимума в исследованном диа-

Рис. 7. Интенсификация теплоотдачи трубы при установке решетки с тремя щелями; 1, 3, 5 - 5 = 0,98, 1,2 и 1,64 соответственно при Яен = 1000, 2, 4, 6 - 5= 0,98,1,2 и 1,64 соответственно при Ке„ = 9000.

пазоне / . Для всех 5 характерен монотонный рост значений Е при возрастании / , при этом в зависимости от числа Не„ наблюдается рост в диапазоне происходит снижение значений пропорционально для

5= 0,98 , Яе^"0,06 для 5= 1,2 , Яс/'1 для 5= 1,64; в диапазоне 11еи= 250СМ-8000 происходит возрастание значений Е пропорционально Яе,,"'1'2, характерное для всех £ И 7.

Сравнивая данные, можно отметить следующее: несмотря на то, что проходное сечение для агента сушки у решетки с двумя щелями меньше, чем у решетки с тремя щелями, коэффициент интенсификации теплоотдачи £ в исследуемом диапазоне 7, для всех значений параметра 5 , возрастет незначительно.

Были проведены исследования на трехрядных, двухрядных и однорядных шахматных пучках, качественная оценка влияния плоских струй агента сушки на теплоотдачу и сопротивление с помощью коэффициентов

№ „> Ей

N11, ' Ии,,

N4,

-,Б =

Ей«

(24), (25), (26)

где теплоотдача ряда соответственно пучка с решеткой и базово-

го пучка; - средняя теплоотдача соответственно пучка с решеткой и ба-

зового пучка; - сопротивление соответственно пучка с решеткой и базо-

вого пучка.

Параметры компоновки пучков: 5|=58...100 мм, $2= 48... 59 мм. Ширина щелей изменялась в диапазоне Ь = 4.... 10 мм. Толщина исследованных плоскопро-филированных сопловых решеток изменялась в диапазоне 5 = 10...30 мм. Расстояние установки плоскопрофилированных сопловых решеток от среза ребер первого ряда труб пучка изменялось в диапазоне / = 0....50 мм. Расстояние между осями щелей

Определены: оптимальная толщина сопловых решеток в диапазоне 5 = 10...20 мм; оптимальная ширина - Ь « 8 мм; оптимальное расстояние установки I = 0....20 мм.

Анализ результатов опытов показал, что изменение шага ^ на интенсификацию теплоотдачи и рост сопротивления в исследованном диапазоне влияет незначительно (рис. 8). Исходя из этого, рекомендуемое значение шага ¿2 определяется из технологических условий возможности монтажа трубного пучка для обеспечения компактности (минимально возможное значение диагонального шага = 58 мм),. Результаты обработки опытных данных для трехрядных пучков при 1У1 = 67 мм представлены в табл. 2.

Для выяснения влияния поперечного шага компоновки труб в пучке на интенсификацию теплоотдачи и рост сопротивления он варьировался в пределах от 58 мм до 100 мм при Бг = 58 мм (рис. 9). Рекомендуемое значение поперечного шага5| в пределах 58. ..62 мм. Результаты обработки опытных данных для трехрядных пучков при 1У2' = 58 мм представлены в табл. 3.

Рис. 8. Влияние продольного шага на соотношение приростов теплоотдачи к сопротивлению трехрядного пучка при <р = 16,74 и ^ = 67мм; 1,2, 3,4-соответственно & =48,52,59 и 55 мм.

Таблица 2.

& 1 С1 1 л, 1 С2 | Я2 | Сз | Из 1 с„ | лс„ 1 В 1 т

Значения для базовых пучков

48 мм 0,1120 0,64 0,0770 0,70 0,0530 0,74 0,1120 0,70 54,40 0,38

51 мм 0,1080 0,64 0,0736 0,70 0,0530 0,74 0,1060 0,70 53,40 0,38

55 мм 0,1050 0,64 0,0720 0,70 0,0540 0,74 0,1050 0,70 53,20 0,38

59 мм 0,1230 0,62 0,0703 0,70 0,0516 0,74 0,0970 0,70 51,50 0,38

Значения при установке плоскопрофилорованной решетки с шириной щели Ь = 8 мм на расстоянии / = 10 мм

48 мм 0,0293 0,82 0,0610 0,74 0,0543 0,74 0,0670 0,77 14,30 0,12

51 мм 0,0293 0,82 0,0610 0,74 0,0543 0,74 0,0670 0,77 14,15 0,12

55 мм 0,0340 0,80 0,0584 0,74 0,0514 0,74 0,0702 0,76 13,62 0,12

59 мм 0,0340 0,80 0,0695 0,72 0,0514 0,74 0,0701 0,76 14,15 0,12

Таблица 3.

Коэффициенты критериальных уравнений_

| С, | щ | Сг | пг | С3 | л3 | С | п \ В | т

Значения для базовых пучков

58 мм 0,1460 0,61 0,0920 0,68 0,0774 0,70 0,0958 0,67 39,90 0,32

62 мм 0,130 0,62 0,0910 0,68 0,0780 0,70 0,0949 0,67 45,20 0,35

100 мм 0,0860 0,67 0,1730 0,61 0,0470 0,74 0,1377 0,67 45,40 0,40

Значения при установке плоскоп] на юфилорованных решеток с шириной щели Ь = 8 мм расстоянии /= 10 мм

58 мм 0,0490 0,76 0,0702 0,71 0,0767 0,70 0,0992 0,72 24,50 0,21

62 мм 0,0485 0,76 0,0730 0,71 0,0780 0,70 0,0672 0,72 21,35 0,19

100 мм 0,0452 0,79 0,0605 0,78 0,0414 0,78 0,0757 0,78 18,40 0,08

При локальном тепловом моделировании интенсификация теплоотдачи имеет наибольшее значение для первых двух рядов труб шахматного пучка - для первого ряда Б = 1,3...2,0, для второго ряда е = 1,05—1,2, теплоотдача третьего ряда практически не изменяется.

е/е' 0.85

1000' 6000 11000 16000 21000

Рис. 9. Влияние поперечного шага на соотношение приростов теплоотдачи к сопротивлению трехрядного пучка при ф = 16,74 и Яг' =58 мм; 1,2, 3 и 4 - соответственно^ = 58,100,67 и 62 мм.

Экспериментально установлено, что суммарное аэродинамическое сопротивление шахматного пучка из биметаллических оребренных труб и сопловых решеток на 15...20% ниже, чем сопротивление, определенное расчетным путем. Поэтому основное влияние на аэродинамическое сопротивление теплоаэродина-мического модуля оказывает сопротивление решетки. Снижение аэродинамического сопротивления модуля на 10...15 % может быть достигнуто при использовании специально профилированных сопловых решеток (рис. 10).

Рис. 10. Общий вид экспериментальных решеток; 1 плоскопрофилированная сопловая решетка, 2 - специально профилированная сопловая решетка.

В пятой главе приведена уточненная методика расчета калориферной установки для теплоаэродинамического модуля лесосушильной камеры периодического действия.

Теплоаэродинамический модуль представляет собой агрегатированный узел, объединяющий вентилятор, калорифер и плоскопрофилированную решетку с регулированием ширины сопловых щелей (рис. 11). Регулирование производится путем изменения проходного сечения сопел.

За основу приняты методики расчета стандартных калориферных установок. Параметры агента сушки, его объемный расход рассчитывают предварительно, исходя из выбранного режима, продолжительности сушки пиломатериалов и технологического расчета лесосушильной камеры.

Первоначально выбирают осевой вентилятор с требуемой напорной характеристикой, после чего конструктивно принимают основные параметры калорифера из биметаллических ореб-ренных труб. При нормальных условиях первоначально находят сопротивление пучка калорифера без плоскопро-филированной сопловой решетки для заданного диапазона изменения скоростей агента сушки. По условиям совместной работы вентилятора и калорифера определяют объемный расход агента сушки. Далее проводят тепловой расчет, используя известные зависимости для выбранного пучка, и определяют тепловую нагрузку на калорифер.

Вторым этапом является расчет модуля при установке плоскопрофилирован-ной решетки с оптимальной шириной сопел щели и на оптимальном расстоянии от первого ряда труб пучка при тех же скоростях агента сушки в сжатом поперечном сечении пучка. Совмещая напорную характеристику вентилятора с аэродинамической характеристикой пучка с плоскопрофилированной сопловой решеткой, определяют объемный расход агента сушки. В тепловом расчете вводят поправки на интенсификацию теплообмена е И е' и определяют максимальную тепловую нагрузку модуля.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработаны принципы создания теплоаэродинамического модуля для ле-сосушильных камер с широким диапазоном регулирования теплоаэроди-намических характеристик на основе объединения калориферной, вентиляторной установки и плоскопрофилированной сопловой решетки в еди-

Рис. 11. Конструкция теплоаэродинамического модуля; 1 - электродвигатель; 2 - осевой вентилятор, 3 - корпус; 4 - плоскопрофилированная сопловая решетка; 5 - шахматный пучок из оребрен-ных труб.

ный 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 = /('Яе.Рг.Г^ . 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 относительное расстояние установки решетки //¿о=0,2...0,5.

5. Экспериментально определены оптимальные компоновочные характеристики малорядных шахматных пучков из биметаллических оребренных труб: относительный поперечный шаг относительный диагональный шаг

6. За счет струйного обдува пучков из биметаллических оребренных труб достигнута интенсификация конвективной теплоотдачи в 1,1...2,5 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.

10. 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 лесосушиль-ных 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.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ:

1. Кунтыш В.Б., Аксенов В.В., Рощин С.П. Интенсификация теплообмена ореб-ренных труб в шахматном пучке методом струйного обдува воздухом // Изв. вузов. Лесной журнал. 1995. № 4-5. С. 113 -182.

2. Кунтыш В.Б., Аксенов В.В., Рощин СП. Интенсификация теплообмена в пучках оребренных труб методом струйного обдува. Химическое и нефтяное машиностроение, 1997. №2. С. 71-76.

3. Рощин СП., Кунтыш В.Б., Самылов А.И. О влиянии параметров струйного обдува на теплоотдачу одиночного цилиндра с поперечным оребрением // Изв. вузов. Энергетика. 1997. № 5-6. С. 85 - 90.

4. Рощин СП., Самылов А.И., Кунтыш В.Б. О сопротивлении плоских перфорированных решеток в прямом загроможденном канале // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: Сб. науч. тр. АГТУ. 1997. Вып. I. С. 45-49.

5. Кунтыш В.Б., Рощин СП. К вопросу создания струйным обдувом закритиче-ского обтекания начальных рядов оребренных труб пучка // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: Сб. науч. тр. АГТУ. 1997. Вып. II. С. 81-92.

6. Рощин СП. Влияние ширины щелей в плоской решетке на интенсификацию теплоотдачи шахматного оребренного пучка. // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Повышение эффективности теп-лообменных процессов и систем". - Вологда: ВоПИ, 1998. - С 31-34.

7. Кунтыш В.Б., Мелехов В.И., Рощин СП. Теплообменник со струйным обдувом рабочей поверхности. - Архангельск, ЦНТИ, Информационный листок №04-075-00.

8. Рощин СП., Самылов А.И., Кунтыш В.Б. Особенности распределения давления по окружности ребристой трубы при струйном обдуве воздухом. // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС: Межвузовский сборник научных трудов. / СПб ГТУ РП. - СПб., 1997. -С 62-71.

9. Kuntysh V.B., Roschin S.P. Heat transfer and pressure drop of finned tube banks in the cross system ofplane air jets // International Conference. Forest Sector Development Problems, Extended Abstracts. - Petrozavodsk, 1998. - P. 21-22.

10. Рощин СП. Теплоотдача однорядных моделей калориферов в струйном потоке воздуха // Ресурсосберегающие технологии в лесном хозяйстве, лесной и деревообрабатывающей промышленности: Материалы докладов международной научно-технической конференции. - Минск: БГТУ, 1999. - С. 286288.

11. Кунтыш В.Б., Рощин С.П. Особенности интенсификации теплоотдачи начальных рядов шахматного оребренного пучка набегающими струями воздуха // Тезисы докладов II Международной научно-технической конференции "Повышение эффективности теплообменных процессов и систем". Т. 1. - Вологда: ВоПИ, 2000. - С. 53-55.

12. Самородов А.В., Рощин С.П., Кунтыш В.Б. Теоретический расчет поправочного коэффициента к методу локального теплового моделирования вынуж-

денной конвекции поперечно-обтекаемых трубных пучков. // Труды XIII Школы семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева "Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках", Т. 2. - СПб.: Изд-во СПбТТУ, 2001. С. 321-324.

13.Рощин СП. Качественная оценка эффективности интенсификации теплоотдачи трехрядных шахматных пучков из оребренных труб струями воздуха. // Наука - северному региону: Сб. научных трудов. - Архангельск: Изд-во АГ-ТУ, 2002.-С. 222-226.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим направлять по адресу: 163002, Россия, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, Архангельский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.008.01 Земцовскому А.Е.

04-14136

Сдано в произв. 19.05.2004. Подписано в печать 19.05.2004. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,24. Заказ № 119. Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии Архангельского государственного технического университета.

163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Описание экспериментальной установки.

2.2. Методика проведения экспериментальных исследований.

2.3. Методика обработки экспериментальных данных.

2.4. Расчет погрешности экспериментальных данных.

2.5. Представление результатов экспериментов.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПОПРАВОЧНОГО КОЭФФИЦИЕНТА К МЕТОДУ ЛОКАЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ КАЛОРИФЕРОВ ЛЕСОСУШИЛЬНЫХ КАМЕР.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ КОНВЕКТИВНОЙ ТЕПЛООТДАЧИ

МАЛОРЯДНЫХ ШАХМАТНЫХ ПУЧКОВ РЕБРИСТЫХ ТРУБ

КАЛОРИФЕРОВ ЛСК.

4.1. Интенсификация теплоотдачи на одиночной оребренной трубе.

4.2. Влияние ширины щелей и расстояния установки плоскопрофилированной сопловой решетки на интенсификацию теплоотдачи.

4.3. Анализ результатов исследования сопротивления плоскопрофилированных решеток.

4.4. Влияние толщины плоскопрофилированной сопловой решетки на интенсификацию теплоотдачи.

4.5. Влияние продольного шага компоновки трубного пучка на интенсификацию теплоотдачи трехрядного пучка.

4.6. Влияние поперечного шага компоновки трубного пучка на интенсификацию теплоотдачи трехрядного пучка.

4.7. Влияние специального профилирования сопловой решетки на интенсификацию теплоотдачи и аэродинамического сопротивления трехрядного шахматного пучка.

4.8. Интенсификация теплоотдачи на двухрядных шахматных пучках.

4.9. Интенсификация теплоотдачи на однорядных пучках.

5. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛОАЭРОДИНАМИЧЕСКОГО МОДУЛЯ ДЛЯ ЛЕСОСУШИЛЬНОЙ КАМЕРЫ

ПЕРИОДР1ЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ.

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.

1. Аникин А.И., Пиир А.Э., Кунтыш В.Б. О методах обработки и обобщения опытных данных по теплоотдаче поперечно-омываемых пучков из оребренных труб // Вестник Международной академии холода. 2000. Вып. 3. С. 18-21.

2. Анипко Б.В. Интенсификация теплоотдачи спирально-накатного оребре-ния пучков труб. Харьков: ИПМаш АН УССР, 1989. - 55 с.

3. Антуфьев В.М. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева. -M.-JL: Энергия, 1966. 181 с.

4. Белов И.А. Взаимодействие неравномерных потоков с преградами. — Л.: Машиностроение, 1983. 254 с.

5. Вельский А.П., Лотвинов М.Д. Вентиляция бумагоделательных машин. -М.: Лесная промышленность, 1990. — 216 с.

6. Билей П.В. Основы аэродинамики лесосушильных камер с перфорированными перегородками //Изв. вузов, Лесной журнал, 1984. №6. С. 72-75.

7. Билей П.В., Дутчак М.П. Лесосушильные камеры с перфорированными перегородками //Деревообрабатывающая пр-сть, 1978. №1. С. 7-8.

8. Бузник В.М. Интенсификация теплообмена в судовых установках. — Л.: Судостроение, 1969. 364 с.

9. Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки: Учеб. для вузов / И.И. Перелетов, Л.А. Бровкин, Ю.И. Розенгарт и др.; Под редакцией А.Д. Ключникова. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 336 с.

10. Готовский М.А. Интенсификация конвективного теплообмена и самоорганизация вихревых структур // Теплоэнергетика. 1995. №6. С. 55 60.11 .Гухман А.А. Введение в теорию подобия. М.: Высшая школа, 1973. — 296 с.

11. Деденко Л.Г., Керженцев В.В. Математическая обработка и оформление результатов эксперимента/Под общ. ред. А.Н. Матвеева. — М.: Изд. МГУ, 1977.- 111 с.

12. И.Дыбан Е.П., МазурА.И. Конвективный теплообмен при струйном обтекании тел. Киев: Наук. Думка, 1982. -303 с. М.Жукаускас А., Жюгжда И. Теплоотдача цилиндра в поперечном потоке жидкости. - Вильнюс: Мокслас, 1979. - 240 с.

13. Жукаускас А., Улинскас Р. Теплоотдача поперечно обтекаемых пучков труб. Вильнюс: Мокслас, 1986. - 204 с.

14. Жукаускас А., Улинскас Р., Катинас В. Гидродинамика и вибрации обтекаемых пучков труб — Вильнюс: Мокслас, 1984. — 312 с.

15. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. М.: Наука, 1982.-472 с.

16. Жучков П.А. Тепловые процессы в целлюлозно-бумажном производстве.- М.: Лесная промышленность, 1978. 408 с. 19.3ысина-Моложен Л.М., Зысин J1.B., Поляк М.П. Теплообмен в турбомашинах. Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1974. - 336 с.

17. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975. - 559 с.

18. Исаев С.И., Кожинов И.А., Кофанов В.И. и др. Теория тепломассообмена: Уч. пособие для вузов/Под ред. Леонтьева А.И. М.: Высшая школа, 1979. -495 с.

19. Исследование турбулентных струй воздуха, плазмы и реального газа. Сборник статей. Под ред. Г.И. Абрамовича. -М.: Машиностроение, 1967. -182 с.

20. Краус А.Д. Охлаждение электронного оборудования. Перев. с англ. JL: Энергия, 1971.-247 с.

21. Кречетов И.В. Сушка древесины. 3-е изд., перераб. М.: Лесная промышленность, 1980.-432 с.

22. Кречетов И.В. Сушка и защита древесины: Учебник для техникумов. М.: Лесная промышленность, 1987. - 328 с.

23. Кунтыш В.Б., Аксенов В.В., Рощин С.П. Интенсификация теплообмена оребренных труб в шахматном пучке методом струйного обдува воздухом // Изв. вузов, Лесной журнал, 1995. № 4-5. С. 113 -182.

24. Кунтыш В.Б., Аксенов В.В., Рощин С.П. Интенсификация теплообмена в пучках оребренных труб методом струйного обдува // Химическое и нефтяное машиностроение, 1997. №2. С. 71-76.

25. Кунтыш В.Б., Мелехов В.И., Богданов Е.С., Новиков В.В. Теплообмен и аэродинамическое сопротивление однорядных биметаллических калориферов для лесосушильных камер // Деревообраб. пром-сть, 1985. № 9.1. С. 7-9.

26. Кунтыш В.Б., Мелехов В.И., Рощин С.П. Теплообменник со струйным обдувом рабочей поверхности. Архангельск, ЦНТИ, Информационный листок № 04-075-00.

27. Кунтыш В.Б., Пиир А.Э. Интенсификация теплообмена в пучках труб методом радиальной разрезки поперечных ребер // Изв. вузов Нефть и газ — 1991. -№1 С. 69-74.

28. Кунтыш В.Б., Пиир А.Э. Интенсификация теплоотдачи волнообразным движением в межреберных каналах труб шахматных пучков // Повышение эффективности энергетических систем и оборудования: Сб. тр. / АГТУ. -Архангельск, 1999. С. 90-97.

29. Кунтыш В.Б., Пиир А.Э. Интенсификация теплоотдачи трубных пучков аппаратов воздушного охлаждения насечкой кромок спиральных накатных ребер // Изв. вузов. Энергетика 1991. - №8. - С. 111-115.

30. Кунтыш В.Б., Пиир А.Э. Интенсификация теплоотдачи трубных пучков продольной пластической разрезкой спиральных накатных ребер // Изв. вузов. Энергетика 1991 - №6 - С. 98-103.

31. Кунтыш В.Б., Пиир А.Э., Федотова JI.M. Экспериментальное исследование тепловых и аэродинамических характеристик газожидкостного теплообменника из оребренных труб (Метод, указания к лабораторным работам) АЛТИ - Архангельск - 1977 - 24 с.

32. Кунтыш В.Б., Рощин С.П. К вопросу создания струйным обдувом закри-тического обтекания начальных рядов оребренных труб пучка // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: Сб. науч. тр. АГТУ. 1997. Вып. II. С. 81-92.

33. Кунтыш В.Б., Стенин Н.Н. Теплообмен и сопротивление зигзагообразных ребристых пучков. // Изв. вузов. Лесн. журн. 1997. - №3. - С. 120-128.

34. Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования. JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. - 264 с.

35. Мигай В.К. Повышение эффективности современных теплообменников. -Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. 144 с.

36. Мигай В.К., Фирсова Э.В. Теплообмен и гидравлическое сопротивление пучков труб. Л.: Наука, 1986. — 195 с.

37. Минин В.Е. Воздухонагреватели для систем вентиляции и кондиционирования воздуха. М.: Стройиздат, 1976. - 199с.

38. Новиков П.А. Течения и тепломассообмен в щелевых системах, АН БССР, институт тепломассообмена. Минск: Навука i тэхшка, 1991. - 356 с.

39. Новиков П.А., Любин Л.Я. Гидромеханика щелевых систем. Минск: Наука и техника, 1988. - 237 с.

40. Письменный Е.Н. Особенности течения и теплообмена в шахматных пучках поперечно-обтекаемых труб // Инж.-физ. журнал 1991. - Т.60. - №6. -С. 895-902.

41. Поляков А.А., Канаво В.А. Тепломассообменные аппараты в инженерном оборудовании зданий и сооружений. М.: Стройиздат, 1989. - 200 с.

42. Расев А.И. Сушка древесины: Учебное пособие. Изд. 4-е. М.: МГУЛ, 2000.-228 с.

43. Расчет, проектирование и реконструкция лесосушильных камер/ Е.С. Богданов, В.И. Мелехов, В.Б. Кунтыш и др. / Под ред. Е.С. Богданова М.: Экология, 1993.-352 с.

44. Рощин С.П. Качественная оценка эффективности интенсификации теплоотдачи трехрядных шахматных пучков из оребренных труб струями воздуха. // "Наука северному региону". Сб. научных трудов. - Архангельск: Изд-во АГТУ, 2002. - С. 222-226.

45. Рощин С.П., Кунтыш В.Б., Самылов А.И. О влиянии параметров струйного обдува на теплоотдачу одиночного цилиндра с поперечным оребрением // Изв. вузов. Энергетика. 1997. № 5-6. С. 85-90.

46. Рощин С.П., Самылов А.И., Кунтыш В.Б. О сопротивлении плоских перфорированных решеток в прямом загроможденном канале // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: Сб. науч. тр. АГТУ. 1997. Вып. I. С. 45-49.

47. Руководящие технические материалы по технологии камерной сушки древесины. Архангельск, 1985. - 144 с.

48. Селиверстов В.М. Расчеты судовых систем кондиционирования воздуха. -Л.: Судостроение, 1971.-264 с.

49. Смоленский Л.А. Конвективные электропечи. М.: Энергия, 1972. - 168 с.

50. Соколов П.В., Харитонов Г.Н., Добрынин С.В. Лесосушильные камеры. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Лесная промышленность, 1980. 216 с.

51. Справочник по сушке древесины/ Е.С. Богданов, В.А. Козлов, В.Б. Кунтыш, В.И. Мелехов/ Под ред. Е.С. Богданова 4-е изд., перераб. и доп. -М.: Лесная промышленность, 1990. - 304 с.

52. Стасюлявичюс Ю., Скринска А. Теплоотдача поперечно обтекаемых пучков ребристых труб. Вильнюс: Минтис, 1974. - 243 с.

53. Стенин Н.Н. Разработка и исследование перспективных компоновок из ребристых труб теплообменников воздушного охлаждения: Автореферат дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. СПб, 1994. - 22 с.

54. Течение газов в каналах и струях. Межвуз. сб. С.-Петерб. Гос. Ун-ст. Под ред. В.Г. Дулова. СПб.: Изд-во С.-Петербургского ун-та, 1993. - 181 с.

55. Товарас Н.В., Ташкаев В.И. Освоено серийное производство эффективных вентиляторов из композиционных материалов // Холодильная техника. 1997. №4. С. 12-13.

56. Трубин B.C., Курносов А.Т. Безфитильные тепловые трубы: конструкция, расчеты и применение. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1987. - 112 с.

57. Трубин B.C., Манохин В.Я., Курносов А.Т. Исследование теплообмена в струйном теплообменнике с тепловыми трубами // Изв. вузов. Промышленная теплоэнергетика. 1982. №4 С. 42 44.

58. Турбулентное смешение газовых струй. Под ред. Г.И. Абрамовича. М: Наука, 1974.-272 с.

59. Фраас А., Оцисик М. Расчет и конструирование теплообменников. Перев. с англ. — М.: Атомиздат, 1971. 359 с.

60. Швец И.Т., Дыбан Е.Т. Воздушное охлаждение деталей газовых турбин. -Киев: Наукова думка, 1974. — 487 с.

61. Юдаев Б.Н., Михайлов М.С., Савин В.К. Теплообмен при взаимодействии струй с преградами. М.: Машиностроение, 1977. - 248 с.

62. Юдин В.Ф. Теплообмен поперечнооребренных труб. Л.: Машиностроение, 1982.- 189 с.

63. График поправочного коэффициента Ла=1 для однократного перекрестного тока с неиеремешивающимися теплоносителями1. Я =я1. U) U)ш t1. Ы 0,2 0J 0,4 0,5 0,6q7 0,8 as 1,0 р