научная статья по теме ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС ПРИ СУШКЕ В ОСЦИЛЛИРУЮЩЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС ПРИ СУШКЕ В ОСЦИЛЛИРУЮЩЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2011, том 45, № 6, с. 641-647

УДК 542.47

ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС ПРИ СУШКЕ В ОСЦИЛЛИРУЮЩЕМ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ

© 2011 г. С. П. Рудобашта, Э. М. Карташов*, Н. А. Зуев

Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина *Московская государственная академия тонкой химической технологии

rudobashta@mail.ru Поступила в редакцию 07.02.2011 г.

Сформулирована и аналитически решена задача, описывающая тепломассоперенос при сушке плоского тела (или слоя материала) в осциллирующем электромагнитном поле при граничных условиях тепло- и массообмена третьего рода. Проведен численный анализ процесса.

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы все чаще для проведения процесса сушки используются осциллирующие и импульсные режимы [1—8], которые в зависимости от решаемой технологической задачи проводят путем: 1) осцилляции скорости сушильного агента, продуваемого через слой материала в режиме, например, псевдоожижения [1]; 2) чередования процессов конвективного нагрева материала и последующей вакуумной сушки [2, 3], чередования стадий нагрева и остывания слоя материала при его облучении электромагнитным полем [4—6], при импульсном энергоподводе, вызванном, например, ударным нагру-жением материала [7, 8]. Осциллирующий режим создает щадящие условия сушки, что чрезвычайно важно для термолабильных материалов — в целях сохранения их кондиционных свойств. При сушке материалов в электромагнитном поле необходим осциллирующий режим, при котором стадии облучения материала чередуются со стадиями обдува материала газовой средой с невысокой температурой — во избежание перегрева материала. Это может быть сушка с подводом энергии только с помощью электромагнитного поля, когда материал обдувается холодным газом (например, атмосферным воздухом), либо комбинированная конвективно-электромагнитная сушка, при которой для повышения энергетической эффективности процесса часть энергии, затрачиваемой на сушку, подводится конвективно.

При проведении процесса сушки термолабильного материала в осциллирующем электромагнитном поле важно знать динамику температурного поля материала для того, чтобы можно было выбрать правильный технологический режим и оценить возникающие в материале температурные градиенты, способные вызывать термодиффузию и молярный перенос влаги. Для получения информации о температурном поле материала, высушиваемом в осцил-

лирующем электромагнитном поле (это может быть инфракрасная сушка или сушка материала токами высокой или сверхвысокой частоты), ниже сформулирована и аналитически решена задача взаимосвязанного тепломассопереноса при сушке плоского материала (пластина или плоский слой высушиваемого материла), обдуваемого потоком газа (сушильного агента).

ПОСТАНОВКА И АНАЛИТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ

При формулировке задачи приняты следующие условия и допущения:

— тело имеет форму неограниченной пластины толщиной Я и находится на поверхности, непроницаемой для потоков теплоты и влаги;

— противоположная поверхность тела участвует в процессе тепломассобмена с потоком газа по законам тепло- и массотдачи;

— термодиффузия и молярный перенос влаги в теле отсутствуют (это условие правомерно, поскольку рассматривается низкотемпературная сушка термолабильных материалов);

— электродиффузией согласно [9] также пренебрегаем, следовательно, внутренний массоперенос осуществляется только путем массопроводности;

— при формулировке задачи теплопроводности принимаем допущение об отсутствии внутренних фазовых превращений (сток теплоты на испарение влаги имеет место у поверхности тела);

— поглощение лучистой энергии происходит согласно закону Бугера—Ламберта—Бера;

— коэффициент проницаемости тела равен нулю;

— циклы "нагрев—остывание" тела одинаковы по длительности с одинаковыми значениями в них длительностей стадий нагрева и остывания;

Л(т)

"nag

Т, С

Рис. 1. Периодическая функция /[(т) в уравнении (9).

— все теплофизические и электрофизические характеристики материала, кинетические характеристики процесса, а также температура сушильного агента и концентрация пара в нем постоянны.

С учетом вышеизложенного сформулируем сначала задачу массопроводности, поместив начало координат в основание пластины — в виде

^^ = кд\ 0 < х < R, т> 0; дт дх

и (х, т) = unach (х), 0 < х < R, т = 0;

и (х, т) = ß c (Cs,p - Cs), x = R, т> 0; du (х, т)

дх

= 0, х = 0, т> 0.

(1)

(2)

(3)

(4)

E =

и - и*

*nach

- Ur

Z Бк exp (-ß2kFom),

(5)

к=1

Б к =

Bl m

2Bii

(6) (7)

ßк (Bim + ßк + Bim )' На основе (5) найдем интенсивность сушки i (т):

i (т) = - d-U Rp 0 d т

^Zк exp(-ßкFOm

R

к=1

U и - ur

nach

(8)

и влагосодержания материала: к = /(и, 1), но применение зональной методики расчета [10] позволяет учесть это изменение.

Зная интенсивность сушки /(т), сформулируем задачу одностороннего нагрева пластины в осциллирующем электромагнитном поле с учетом стока теплоты на испарение влаги следующим образом:

• 1 ц*?оехр[-ц* (Я - х)](1 - Я *) (т),(

дт

д 2t ^ a—2 +'

дх cp

т> 0, 0 < х < R; t (х, т) т_0 = f2 (х), 0 < х < R; dt

дх

= 0, т > 0;

х=0

X*

дх

= а(ts -1(R))- r*i(т), т> 0,

(9)

(10) (11)

(12)

Решение задачи (1)—(4) применительно к средне-объемному влагосодержанию в теле й при k, вс, unach, cs = const имеет вид [10]

где р k — корни характеристического уравнения (в k > 0)

где a, c, ро, ||*, q0, A, X, a, R, tc, r* = const; f (т) — единичная периодическая функция, отражающая цикличность облучения (рис. 1):

да

f (т) = X П (т - nTts ) - П [т - (nxts + т nag )] , (13)

n=0

где п — единичная функция Хевисайда. При n = 0 имеем один цикл:

fl (т) = П (т) -П (Т-Т nag ) .

Выражение q(x) = ^*q0exp[-^* (R - x)] в (9) описывает количество тепловой мощности, выделяющейся в единице объема пластины в плоскости с координатой х — в соответствии с законом Бугера— Ламберта—Бера, Вт/м3. Как видно из (12), математическая формулировка задачи предполагает, что сток теплоты на испарение влаги происходит у поверхности тела. В целях общности постановки задачи сделано предположение, что начальная температура в пластине распределена неравномерно — согласно функции f2 (x) в (10).

Введем обозначения

Wo ; ф(т) = ; h = a,

cp а X

тогда задача (9)—(12) примет вид

dt

a I2! + Wfi (т) exp [-ц* (R - х)], дт дх

0 < х < R, т > 0, t (х, т) т_0 = f (х), 0 < х < R, dt (х, т)

дх

= 0, т> 0;

(14)

(15)

(16)

х=0

dt (х, т)

дх

х=R

Коэффициент массопроводности к в процессе сушки изменяется, являясь функцией температуры

-h[t(x,т)=R + ф(т) - tc], т> 0. (17)

Введем новую функцию

tx (x, т) = t (x, т) + Ф (т), (18)

Т

0

0

Т

ts

да

и перепишем задачу (14)—(17) в виде

| = а0 + Ц/ (т) ехр [-ц*(Я - х)] + & (19)

0 < х <Я, т > 0;

h (х> Т)т=0 = /з (х0 ^ х ^ Я;

dti (х, т)

дх

= 0, т> 0;

х=0

дь (х, т) , г / м т

-Ш = -П[[ ^т)х=я - К] т> 0. дх х=я Здесь

/ъ (х) = / (Х) + ф (0) ,

йф _ г* й! (т) й т а й т Переходим к безразмерным величинам:

(23)

£ = х; Fo = Ц; Я Я2

_ АЯ2

КЯ2

a (nach ts )

КЧАЯ2 ,

Сра ((пасП ) ^ ((пасП )

в _ ПЯ м*-м*Я т* _Ъ£• т* - Тпа£а

в _ ПК, м0 _ м Я, тц _ 2 , тnag _ 2 ,

Я Я

где ^асЬ— масштабная начальная величина;

/0 Ю

_ /з (х) - ts _ [/2 (х) - ts ] + ф (0) _

tnach ts

tnach ts

Vh (х) - tc] + Иa)i(0)

tnach ts

Ф0(Fo)

Я2

^Ф (т) _

Я 2r*

di (т)

'(nach - ts) d T aa (nach - ts) d T

Л* (Fo) = X n (Fo- nT* ) -n

n=0

Fo- |ЛХ* +T*ag

W (2,,Fo)

= fr (х, т) - ts = [t (х, т) - ts] + Ф (t) =

tnach ts ^ nach ts

= [ (х, т)-] + (г*/ а) (т)

1пасП

Все безразмерные величины записаны через ис ходные данные задачи, что удобно для расчетов. Теперь исходная задача приводится к виду

+ 00/* (Fo) exp

-Ио (1

dW = д W dFo д^2

0 <£< 1, Fo > 0; W(%,Fo)Fo=0 = /0®, 0^1; dW {%, Fo)

+ Ф0 (Fo)

= 0, Fo > 0;

dW fe Fo)

= - Bi W ( Fo) .=1, Fo > 0. (32)

5=1

Задачу решаем с помощью таблиц Карташо-ва [11] методом конечных интегральных преоб-

(20) разований. Выпишем все формулы.

1. Изображение функции:

(21) (22)

W (цn, Fo) = J W ( Fo)cos ц n^ d

0

2. Изображение d 2Wjd 12:

(33)

Cd 2W ,,,

J ^T^cos ц n%d % =

3%

x cosЦn

dW

.3%

+ BiW

5=1

dW

d%

(34)

-Ц 2nW = -ц iW (ц n,Fo).

5=0

3. Формула обращения:

" (uI + Bi2)cosunE— W ( Fo) = 2X n 2 -2 J. W(u n,Fo), (35)

u n + Bi + Bi

(24) где Ц n > 0 — корни уравнения

И

ctg^

Bi

(36)

В пространстве изображений задача (29)—(32) пе-(25) реходит в задачу Коши:

dW ..2

d Fo

+ и2nW = 00/Г (Fo) А (и* ) + Ф0 (Fo) А (0),

, (26)

, (27)

(28)

Fo>0, W(иn,Fo)|FQ=0 = /0 (иn). Здесь

An (^0) = X exP ((1 cos ^

(37)

(38)

An (0) = An U

Ц0 =0

/0 (Цn) = J/0 ©cos Цn\d% (39)

Решение задачи Коши (37) имеет вид

(29)

(30)

(31)

Fo

W(^n,Fo) = /0 (^n)eFo + 00An [ц* j Je

-Ц n(Fo-y)

Fo

(40)

X /1* (y)dy + An (0) JФ0 (y)e-^n(Fo-y)dy.

5=0

0

30

0

0

0

0

rFo ,, 2

шение:

J'Fo 2 (F - )

e 0 у'ф0 (y)dy в

0

третьем слагаемом выражения (41). Перепишем для + Bi2) cos цл ^ * этого (8) в виде -2—n.2 n. e If0 Isjx / л

=1 цп + Bi + Bi 0 P0\Unach - Ur )a Lu» * _

i (T) = --У Bke -pkLuFo, (46)

R k=i

W(S,Fo) =2Z ■■ n + Bi2 + Bi e Jf0(S)

n 0

n + Bi2) (■*)cos ■ nS

cos ■ nSdS + 200£ 2 B.2 - * 2

n=i ■ n + Bi + Bi (41) где ßк > 0 корни уравнения (6); Бк = B^ßк.

Fo Из (26) получим:

X J в(y )dy + ^ (Fo) = R 2r* di(T) = R 2r* di (Fo) a

0 aa((nach - ts) dT aa(tnach - ts) dFo R2

^(■n + Bi2)An(0)cos^nSFг (Fo-y)

2Z-2-Je фо(y)dy. Л (u -u*)aLu2

■ n + Bi+ Bi 0 r Po \unach %)a Lu zß2B-P2LuFO

■ n + Bi2 + Bi J Г P0 (unach - up)a Lu

Рассмотрим частный случай. Пусть a (tnach - ts )R

в

к=1

t(x, т)t_0 = tnach, 0 < x < R, т.е. в (10)

f2 (x) = tnach = const. Из (25) находим = Ny p2 B*e -PkLuFO,

f (£) = (tnach - ts) + (r*/«>' (0) = ^ (42) k=1

tnach - ts где

Тогда первое слагаемое в (41) примет вид / л 2

11 Г*Р0 (Unach - Ur)a Lu

W ( F ) 2N V n + Bi2) An (0)cOS И n^ 2 Fo (43) N1 =--L-1-

W1 (^,Fo) = 2N0 ^-n2 Bi-^ • (43) 1 a (tnach - ts )R

n=1 И n + Bi + Bi „

Второе слагаемое в (41) остается без изменения, Отсюда искомый интеграл равен перепишем его в виде

(47)

Тх, ^ Ч ^ (Ц2n + Bi2)An(Hi0)CoS ЦJ, W2 (%,Fo) - 200 Z-=-=-- х

JФ0 (y)-^"(Fo-y)dy = Dne(48)

n=i

Fo

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком