Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Введение

Вопросам интенсификации процессов добычи торфа посвящена масса научных работ. В последнее время следует отметить рост активности исследователей, работающих в области торфяного производства, что, в первую очередь, объясняется возросшей заинтересованностью бизнеса в создании производств разнородной, востребованной на рынке продукции на основе торфа. Одной из основных особенностей большинства технологических решений добычи торфа является возможность получения кондиционного сырья исключительно в период непродолжительного добычного сезона. Именно данное обстоятельство направляет исследователей по трем основным направлениям: создание технологий, обеспечивающих увеличение сборов кондиционного сырья и торфяной продукции в рамках добычного сезона; расширение сезона добычи кондиционного сырья; заводская переработка сырого торфа с получением кондиционного торфяного сырья и торфяной продукции. По какому бы направлению не двигался исследователь, главным вопросом, от решения которого зависит эффективность создаваемой технологии, является вопрос удаления влаги из материала.

Данная работа основана на анализе процессов тепломассопереноса в торфяных системах, и полученные результаты позволяют сделать определенные выводы о потенциальных возможностях интенсификации полевой сушки торфяного сырья.

Аналитическая база

При изучении процессов гравитационного обезвоживания торфяного сырья в навале [9,10,11] установлено, что вклад потока влаги, идущего на испарение в процессе влагопереноса, начинает играть существенную роль с уменьшением гравитационной составляющей, когда d в результате действия капиллярно-поверхностных сил возникает давление , в пределе приближающееся к гравитационному . В процессе обезвоживания, по мере выравнивания капиллярных и гравитационных сил в торфяной системе нарушенной структуры, высота навала торфяного сырья уменьшается и достигает критической толщины . В этом случае интенсивность гравитационного обезвоживания снижается до нуля. В дальнейшем процесс снижения влагосодержания торфяного сырья в навале происходит за счет испарения, т.е. роль испарения влаги в общем балансе влагопереноса возрастает. При критической высоте расстила торфяного сырья (критической толщине, зависящей в первую очередь от его исходной влажности) общий поток влаги будет определяться интенсивностью сушки торфа в расстиле или на откосах промежуточного штабеля:

при . (1)

Таким образом, при процесс обезвоживания определяется суммой потоков влаги,

. (2)

Если в качестве одной из технологических характеристик процесса сушки (подсушки) торфа принять момент времени достижения равновесного состояния (время ), при котором на долю испарения приходится до 50 % потерянной торфом влаги, то с ростом высоты навала торфа продолжительность данного периода будет увеличиваться. Например, в ходе экспериментальных исследований установлено, что для шейхцериево-сфагнового торфа степенью разложения RT=22-25 % при 0С, при изменении начальной высоты навала торфа в диапазоне от 100 до 400 мм, время изменялось от 18 до 60 часов при конвективном теплоподводе (К-режим) и от 8 до 43 часов при радиационно-конвективном тепловодводе (РК-режим) согласно уравнению:

, (3)

где – угловой коэффициент зависимости ; – начальная высота навала торфяного сырья.

Уравнение (3) дает результирующее значение, отражающее взаимодействие сил и , зависящее от углового коэффициента и эффективного коэффициента влагопереноса , т.е.

. (4)

Экспериментальные исследования, проведенные с шейхцериево-сфагновым торфом (обладающим минимальной влагопроводностью) показали, что при РК-режиме теплоподвода значения ч/м, а при К-режиме, ч/м [9].

Следовательно, во втором случае, очевидно, возрастание роли интенсификации теплоподвода в процессах обезвоживания торфяного сырья в навале.

В полевых условиях интенсификация процессов сушки возможна как за счет максимального использования радиационного баланса сушимого слоя [1,5,7,9], вследствие изменения его структуры, влагосодержания, размеров частиц, так и вследствие регулирования высоты навала, обеспечивающего варьирование критической толщины и послойного влагосодержания, которое тем меньше, чем больше начальная высота навала [9,11]. Это положение следует из анализа не только экспериментальных данных [1, 2, 9, 13], но и выполненных ранее ряда теоретических исследований [3,7,10,12,13].

Следовательно, при текущей высоте расстила на величину интенсивности испарения могут влиять тепловой и водный балансы навала торфяного сырья, сушимого в полевых условиях. Из анализа уравнения теплового баланса следует, что затраты тепла на испарение влаги целесообразно определять, используя выражение:

, (5)

которое после подстановки соответствующих значений радиационного баланса , теплового потока

, (6)

турбулентного оттока , преобразуется в формулу В.В. Романова [7] для оценки интенсивности испарения:

, (7)

где – коэффициент, зависящий от внешних условий сушки и характеризующий при P→0 удельное количество испарившейся влаги; – затраты тепла на теплоаккумуляцию слоем торфа; – глубинный отток тепловой энергии в нижележащие слои (подстилающую торфяную залежь, минеральный подстил и пр.).

Раннее [9] было получено выражение для оценки интенсивности испарения в виде

. (8)

В формуле (8) в отличие от формулы (7) тепловой поток

(9)

только частично учитывается коэффициентом , хотя на его долю приходится около половины суммарной радиации [1].

В приведенных выражениях – удельная теплота испарения влаги; – коэффициент внешнего теплообмена; разность температур при конвективном теплоподводе (температуры сухого и смоченного термометров соответственно); – удельная теплота парообразования.

Результаты исследований

Анализ выражений (7) и (8) показывает, что коэффициент возрастает при , т.е. при , что соответствует максимально возможному испарению влаги

. (10)

Из работ В.В. Романова, К.К. Павловой, К.Е. Иванова [7] следует, что коэффициент приведенного испарения с погрешностью (5÷13) % может быть определен из формулы (10) с учетом относительных затрат энергии на испарение влаги [7]. Данные выводы относятся и к сушке торфа различных типов и видов (верховой сосново-пушицевый, RT=25 %, кгвл/кгсух; переходный, кгвл/кгсух; низинный осоковый торф, RT=20-25 %, кгвл/кгсух) в толстых слоях при [4].

Так для мм значения составили кг/Дж, что мало отличается от данных, полученных О.А. Белоцерковской [7] при сушке фрезерного торфа средней степени разложения, которая экспериментально показала, что зависит от внешних условий сушки и свойств испарившейся жидкости.

Анализ зависимости показывает, что коэффициент зависит и от толщины расстила торфа (таблица 1, рисунок 1) с экстремумом при мм. Последний характеризует состояние навала (слоя), при котором около 50 % от радиационного баланса тепловой энергии перераспределяется в нижележащие слои торфа нарушенной структуры, или подстилающей залежи [4]. Учитывая сказанное, дальнейшая сушка остаточного слоя торфа при послойной уборке в технологии полевого обогащения торфяного сырья нецелесообразна из-за высокой потери тепловой энергии при любых . Таким образом, следующий цикл сушки следует начинать с добавления к остаточному слою торфяного сырья известной влажности до такой толщины, которая соответствовала бы при данной влажности: . В этом случае на испарение влаги при сушке верхних относительно тонких слоев (мм) будет использоваться максимальное количество тепловой энергии с ее аккумуляцией в навале торфа нарушенной структуры [5].

Таблица 1

Зависимость удельной теплоты испарения от толщины слоя

Другой особенностью коэффициента в формулах (7) и (10) является отсутствие учета доли тепловой энергии, поступающей в слой за счет конвективного теплообмена (9). Для оценки этой связи приравняем формулы (7) и (8):

(11)

и найдем, что

, (12)

где , . Зависимость (12) подобна используемой ранее [7], выраженной через градиенты температуры и удельной влажности воздуха на высоте 0,5 и 2 м при известных значениях и удельной теплоемкости . В нашем случае зависимость (12) указывает на связь коэффициента с суммарным потоком тепловой энергии и его остатком (), получаемым после учета затрат тепла на теплоаккумуляцию

, (13)

и глубинного оттока в нижележащие слои,

, (14)

где – объемная теплоемкость, Дж/м3К; ; т.е. – теплоемкость твердой фазы торфа Дж/кг×К; – теплоемкость воды Дж/кг×К; – плотность сухой части торфа при ; , – эффективные значения коэффициентов тепло- и температуропроводности (, Вт/м×К; , м2/с), . Причем, при толщине сушимого слоя мм , а при мм (сосново-пушицевый торф, ), т.е. в первом случае можно не учитывать затраты тепла на (ошибка – 19 %), а во втором можно не учитывать (ошибка – 12 %) [7].

Соответственно, выражение для интенсивности испарения с учетом формулы (7) при принимает вид:

, (15)

а при ,

. (16)

Значит, при должен быть экстремум, т.к. зависимость будет падающей (15), а зависимость согласно (16) будет возрастающей согласно схеме на рисунке 2. [3]. Тогда точка пересечения кривых при дает экстремум с координатами , . Следовательно, при наблюдается спад интенсивности сушки в навале. По данным работы [7], точка пересечения кривых при сушке фрезерного торфа (сосново-пушицевый, ) приходится на мм, что соответствует ходу кривых на рисунке 1 для , мм.

Это состояние слоя торфа связано с толщиной зоны испарения . Последняя, по данным А.Е. Афанасьева [2], может быть определена из соотношения:

. (17)

Рисунок 1. Зависимость удельного испарения от толщины остаточного слоя верхового пушицево-сфагнового торфа , кгвл/кгсух, и обработка данных экспериментальной зависимости , при Дж/кг по [7]

Рисунок 2. Схема изменения интенсивности сушки от толщины навала торфа при : кривая 1 (по формуле (13)), кривая 2 (по формуле (14)), зависимость 3 (по формуле 10), кривая 4 – предполагаемая зависимость (по формулам (7) и (12))

Поэтому при , (см. графики 3 и 4 на рисунке 2) вычисляемой по формуле (10).

Анализ функции (7) на экстремум подтверждает рассмотренные результаты (рисунки 2 и 3).

Рисунок 3. Теоретическая зависимость интенсивности испарения от толщины расстила. Обработка данных [6,8]

Выполненные аналитические и экспериментальные исследования показывают, что при реализации существующих технологических схем полевого производства торфяной продукции не в полной мере используются потенциальные возможности интенсификации удаления влаги из торфа. В частности, параметры слоя сушки и характеристики основания расстила не являются рациональными с точки зрения утилизации тепловой энергии. В работе показано, что с ростом величина интенсивности испарения растет при (формула (16)), а при убывает (формула (15), что связано с колебаниями значений удельного испарения (рисунок 1) из-за изменения теплового и радиационного балансов согласно формуле (12), подтверждаемыми в первом приближении теоретическими данными (сравнение графиков на рисунке 2 (график 4) и рисунке 3). Максимум интенсивности испарения приходится на толщину слоя ≈ 0,04 м, но это не значит, что именно такая толщина слоя является оптимальной при реализации технологического процесса сушки торфяного сырья в полевых условиях. При увеличении толщины слоя (сушка в толстых слоях) увеличивается и общее количество испаренной влаги (рисунок 3).

Заключение

Результаты исследований процессов тепломассопереноса в торфяных системах и полученные результаты позволяют сделать выводы о потенциальных возможностях интенсификации полевой сушки торфяного сырья.

Продолжительность полевой сушки торфа в расстиле зависит от уборочного влагосодержания. Так, если убирать торф из толстого расстила влажностью 65 %, то дальнейшая сушка может продолжаться и в штабеле. С учетом ранее полученных данных по гравитационному обезвоживанию торфа нарушенной структуры [9,10] при условии послойной уборки толстого расстила, а также при уборке всего толстого расстила с последующей досушкой торфяного сырья в промежуточном штабеле следует, что рациональное значение толщины расстила торфяного сырья при гравитационном обезвоживании и радиационно-конвективной сушке в зависимости от изменяющихся внешних условий находится в диапазоне от 0,100 до 0,175 м.

Полученные результаты и рекомендации могут быть использованы при создании, рационализации и интенсификации прогрессивных технологических процессов при добыче торфа.

Рецензенты:

Пашкевич М.А., д.т.н., профессор, директор ЦКП, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург.

Иванов С.Л., д.т.н., профессор кафедры машиностроения, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург.