10665

На I−d-диаграмме влажного воздуха нет кривых линий, кроме ϕ = const. На I−d−θ-диаграмме два вида кривых линий: ϕ = const, θ = const. Построение линий ϕ = const основано на аналитическом расчете значений относительной влажности воздуха при различных значениях температуры и влагосодержания воздуха. Построение графических зависимостей θ, предложенных авторами [8], не объяснено с термодинамической позиции и не имеет математической обработки.

Для термодинамического обоснования характера направления кривых θ = const на диаграмме нами были проведены следующие аналитические исследования. Воспользовавшись уравнением Клапейрона, относительная влажность воздуха была выражена отношением парциальных давлений водяного пара:

Давление насыщенного водяного пара рп.н зависит только от темпе-

ратуры воздуха. Его значения определены экспериментальным путем и приведены, например, в [33].

Используя соотношение для парциального давления пара

относительная влажность воздуха через его влагосодержание выражается следующим образом:

По выражению (3.21) построена зависимость между температурой t и

относительной влажностью воздуха ϕ при некоторых значениях влагосодержания d (рис. 3.10). Характер полученных кривых говорит о том, что с понижением температуры при d = const величина относительной влажности воздуха экспоненциально возрастает, т.е. оказывает большее влияние на значение потенциала влажности, чем изменение температуры, что ка-

81

чественно подтверждается математическим видом зависимостей (3.17 и 3.18). Именно следствием этого, по нашему мнению, является возникновение кривизны линий θ = const в сторону уменьшения влагосодержания в области высоких значений относительной влажности (ϕ > 80 %), где взаимосвязь величин t и ϕ особенно выражена. При t > 30 °С зависимость относительной влажности воздуха от его влагосодержания можно представить линейной, вследствие чего значения величины потенциала влажности θ качественно совпадают с прямой d = const. Это подтверждается отсутствием процесса массопереноса при постоянном влагосодержании и косвенно объясняет геометрический вид линий θ = const.

3.4. ОБЕСПЕЧЕННОСТЬ ПАРАМЕТРОВ НАРУЖНОГО КЛИМАТА

Качество заготавливаемого сена напрямую зависит от параметров сушильного агента. Как отмечалось ранее, из всех существующих способов сушки растительного сырья наиболее эффективным считается искусствен-

82

ная сушка методом активного вентилирования, при этом наименее энергоемка продувка неподогретым атмосферным воздухом. Однако применение наружного воздуха в качестве агента сушки ограничивается климатическими условиями большинства районов страны, несмотря на то, что в период заготовки кормов (июнь-август) наблюдаются максимальные значения температуры tн и минимальные значения относительной влажности воздуха ϕн.

В качестве показателя оценки возможной естественной теплоты используется коэффициент обеспеченности параметров наружного климата для сушки Коб, величина которого показывает долю общего числа случаев, не допускающих отклонения от расчетных условий [6]:

где N – общее число случаев;

n – число случаев отклонения условий от расчетных.

Обеспеченность появления двух зависимых параметров Коб(tн, ϕн), т.е. появления одновременно заданной температуры и заданной относительной влажности равна:

где Коб(tн) – обеспеченность появления заданной температуры наружного воздуха;

Коб(ϕн /tн) – условная обеспеченность появления относительной влажности

ϕн при заданной температуре tн .

При обработке климатических данных расчетное изменение температуры наружного воздуха должно соответствовать заданному коэффициенту обеспеченности Коб(tн) = Коб (tн, ϕн), а расчетное значение относительной влажности принимается исходя из наиболее невыгодного сочетания параметров (наибольшие значения ϕн при различных tн), т.е. сочетания, отвечающего условию Коб (ϕн /tн) = 1.

Анализ динамики тепломассообменных процессов при сушке биологически активного сырья показал, что для получения высококачественного

84

сена при сушке неподогретым воздухом минимальные значения температуры наружного воздуха должны быть не ниже 16,5…17,0 °С, а относительной влажности – 75 % [11].

Проведена оценка обеспеченности параметров наружного климата для сушки растительного сырья в условиях Нижегородской и Самарской областей, климат которых характерен для большинства регионов Поволжья. Значения Коб в период заготовки грубых кормов определялись по результатам статистической обработки метеорологических данных за последние 10 лет. Величины Коб рассчитывались по среднемесячным значениям относительной влажности и температуры за три летних месяца путем построения статистического ряда. Среднемесячная температура воздуха в летние месяцы выше 20 °С наблюдалась в 43 % случаев, ϕн < 70 % регистрировалась в 83 % случаев. Параметры атмосферного воздуха в обозначенный период при Коб = 0,85 составляют tн>18 °С и ϕн < 70 %.

Аналогичный расчет по среднесуточным значениям рассматриваемых явлений показал: обеспеченность минимальных допустимых значений параметров воздуха составляет 0,93 для температуры и 0,98 для относительной влажности; среднемесячные значения tн и ϕн составляют при Коб = 0,9 соответственно 20 °С и 50 %.

Однако такой расчет является приближенным и может быть применен только для предварительного анализа климатических условий. Для более точного рассмотрения вопроса предлагается определять значения Коб

по среднемесячному ходу температур, который дает не только наглядное представление о динамике температур в течение лета, но и позволяет оценить возможность сушки за любой временной промежуток (от 1 дня до 3 мес.) [27].

Учитывая тот факт, что вентилирование растительного сырья осуществляют в течение 8…10 часов в сутки, часто возникает необходимость расчета Коб для определенного периода суток. Поэтому особое значение при оценке возможности сушки травы атмосферным воздухом имеет су-

85

Наиболее благоприятные условия для сушки растительного сырья неподогретым воздухом складываются в течение дня в интервале с 10 до 20 ч; (минимальное значение Коб = 0,9). Приведенные данные позволяют сделать вывод о возможности использования атмосферного воздуха в качестве сушильного агента на территориях Нижегородской и Самарской областей без предварительной его обработки с минимальным коэффициентом обеспеченности Коб = 0,9 не менее 10 часов в сутки.

Учитывая высокую интенсивность солнечного излучения в летние месяцы, можно говорить о целесообразности использования гелиоустановок для дополнительного подогрева продувочного воздуха на 5…10 °С с целью экономии энергоресурсов и интенсификации процесса сушки биологически активного сырья. Обеспеченность минимально допустимых параметров воздуха в этом случае составит Коб = 0,99 на весь период послеуборочной обработки растительной продукции.

На практике процесс вентилирования часто начинается раньше, чем температура атмосферного воздуха достигает среднесуточного значения.

86

Если при этом среднесуточная температура tср равна минимально допустимой по технологии tminдоп , то в течение промежутка времени Δτ′ для нормального ведения процесса сушки требуется дополнительный подогрев агента сушки. Поэтому определение коэффициента обеспеченности по среднесуточной температуре воздуха может привести к завышенным значениям Коб. Во избежание таких ошибок разработана методика проведения оценки этой величины по температуре воздуха в начале вентилирования tн.в, которая сходна величине при оценке эффективности естественного хо-

лода.

Если процесс вентилирования осуществляется до захода солнца, величина начальной температуры вентиляционного воздуха tн.в, о С, составляет [27]:

где tа – амплитуда среднесуточного колебания температуры наружного воздуха для расчетного месяца, °С;

τдн – продолжительность дня (время от восхода до захода солнца), ч;

τв – продолжительность вентилирования, ч;

Δτ − время от восхода солнца до точки совпадения температурной кривой со средней температурой наружного воздуха, ч, (рис. 3.19).

Если продувка заканчивается раньше захода солнца, то начальная

где Δτ′ – время от начала вентилирования слоя сохнущей травы до точки совпадения температурной кривой со средней температурой наружного воздуха, ч, (рис. 3.19);

τвр – продолжительность возрастания температуры наружного вентиляционного воздуха (время от восхода солнца до достижения максимальной температуры), ч.

87

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ СУШКИ ТРАВЫ

Приведенные в главе 3 теоретические основы расчетов теплофизических процессов тепломассообмена в период сушки травы требуют знания конкретных значений коэффициентов обмена теплотой и влагой. Получение этих величин возможно только в процессе проведения специальных лабораторных, полупромышленных и натурных исследований. Предпочтение следует отдавать натурным исследованиям. В некоторых случаях только они точно характеризуют теплофизические процессы в биологически активных средах. Однако такие исследования чрезвычайно трудоемки, длительны, в них не всегда возможно имитировать необходимые начальные и граничные условия для получения искомых величин. Часть экспериментальных исследований нами проведено в лабораторных условиях. Основное требование к этим экспериментам состояло в наиболее точном воспроизводстве на лабораторном стенде реальных условий процессов тепломассообмена при продувке воздухом слоя сохнущей травы.

4.1. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ПРОЦЕССОВ СУШКИ

Для выявления закономерностей процессов сушки травы и определения количественных характеристик тепломассообмена в слое влажной травы на кафедре отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета был разработан и смонтирован экспериментальный стенд (рис. 4.1). Комплексные исследования на стенде проводились авторами в течение трех лет, хотя начало исследований по сушке травы на кафедре было начато около двадцати пяти лет назад совместно с инженером И.А. Фетисовым.

Основным рабочим инструментом стенда является разрезная колонка. Методика определения влажностных характеристик материалов с помощью разрезных колонок разработана на кафедре отопления и вентиля-

88

влажность подаваемого в колонки воздуха регулируются и доводятся до необходимых значений изменением подаваемой в камеру воды из термостата 11. Требуемая температура воды поддерживается с помощью контактного термометра 12. Расход подаваемого воздуха дополнительно регулируется выпуском фиксированного его количества из камеры 3 через калиброванные коллекторы 10. Перепад давлений в каждой колонке и статическое давление в камере измеряются микроманометром 13. Между кольцами колонок размещены термопары 14, холодный спай которых помещается в сосуд Дьюара 17. С помощью многоточечного переключателя 16 и

потенциометра 15 фиксируются изменяющиеся по высоте слоя значения температуры.

Камера 18 предназначена для создания и регулирования температуры и относительной влажности воздуха с противоположных сторон каждой из колонок, что позволяет в необходимых пределах менять значения tв и φв на входе и выходе из слоя сохнущей травы. Этому процессу в конкретных случаях также могут способствовать установленные на подающей линии холодильная камера 20 и форсунка 21. Подача воздуха в камеру 18 осуществляется вентилятором 19.

Данная установка позволяет проводить исследования: динамики тепловлагопереноса в слое сохнущей травы как при организованной механической фильтрации воздуха, так и без нее; значений удельной влагоемкости и влагопроводности травы; аэродинамического сопротивления слоя в зависимости от влажности и плотности прессования материала.

В результате лабораторных исследований были определены поля влагосодержания в слое сохнущей травы. Один из характерных результатов исследований для луговой травы приведен на рис. 4.2. Локальные значения влагосодержания фиксировались в пяти точках по высоте слоя (в центре каждого из колец разрезной колонки). Общая продолжительность сушки составляла 24 ч. Вполне очевидным представляется продвижение в процессе сушки слоя активно сохнущей травы по направлению движения

90