Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы энерго- и продуктосбережения при заготовке растительных кормов 10
1.1. Физико-химические характеристики травы и сена 10
1.2. Эффективность существующих способов сушки травы 25
1.3. Тепломассообмен в процессе сушки 31
Выводы по главе 1 41
Глава 2. Теплофизическая модель тепломассопереноса в процессе сушки травы 42
2.1. Общие положения 42
2.2. Зона слоя травы с падающей скоростью сушки 47
2.3. Зона слоя травы с постоянной скоростью сушки 63
2.4. Зона слоя влажной травы 76
Выводы по главе 2 77
Глава 3. Теоретическое обоснование процесса энергетического разделения в закрученном потоке газа 78
3.1. Основные направления экспериментальных и теоретических исследований энергетического разделения в закрученных потоках газа 78
3.2. Структура потока внутри вихревого энергоразделителя и физическая сущность энергетического разделения 82
3.3. Гипотезы, объясняющие энергетическое разделение в вихре 83
3.4. Аналитическая модель процесса энергетического разделения в низконапорных вихревых трубах 91
3.5. Методика расчета температурных характеристик низконапорной вихревой трубы 101
Выводы но главе 3 117
Глава 4. Экспериментальное исследование характеристик низконапорной вихревой трубы и режимов ее работы при сушке травы 118
4.1. Цель, задачи и планирование экспериментальных исследований 118
4.2. Экспериментальная установка и методика исследований 122
4.3. Экспериментальные характеристики низконапорной вихревой трубы 126
4.4. Режимы работы вихревой трубы при сушке травы 131
Выводы по главе 4 135
Глава 5. Методика расчета и технико-экономическое обоснование использования низконапорной вихревой трубы 136
5.1. Определение основных размеров вихревой трубы 136
5.2. Методика расчета нестационарных процессов сушки 138
5.2.1. Зона с падающей скоростью сушки 139
5.2.2. Зона с постоянной скоростью сушки 141
5.3. Пример расчета нестационарного процесса сушки травы 143
5.4. Сопоставление стационарного и нестационарного процессов сушки травы 147
5.5. Технико-экономическое обоснование применения низконапорной вихревой трубы 148
Выводы по главе 5 151
Основные результаты и выводы 152
Библиографический список 154
Приложения 168
- Эффективность существующих способов сушки травы
- Аналитическая модель процесса энергетического разделения в низконапорных вихревых трубах
- Экспериментальные характеристики низконапорной вихревой трубы
- Технико-экономическое обоснование применения низконапорной вихревой трубы
Введение к работе
Актуальность исследований. Распространенный способ естественной сушки травы в полевых условиях сопровождается большими потерями (30...50%) питательных веществ, а содержание кормовых единиц не превышает 0,4 КЕ в 1 кг корма. Досушка травы с применением систем активной вентиляции позволяет сократить общее время сушки в 2...3 раза, снизить потери питательных веществ. При этом авторы работ, посвященных исследованию процессов сушки травы активным вентилированием, делают вывод о целесообразности использования неподогретого атмосферного воздуха. Однако коэффициент обеспеченности заданных параметров продуваемого воздуха составляет к„„яь0,8 (t„>18 С, ф„<75%). Кроме того, такие системы активного вентилирования не рекомендуется применять в дождливую погоду. Для повышения коэффициента обеспеченности ков атмосферный воздух в некоторых случаях подогревают в электрокалориферах или воздухоподогревателях, работающих на жидком топливе, что значительно усложняет системы сушки и повышает энергозатраты.
В таких условиях для обработки атмосферного воздуха целесообразно использовать вихревые трубы, в которых реализуется эффект разделения воздуха на охлажденный и подогретый потоки.
Существование градиента температуры в закрученном потоке газа до сих пор не получило строгого научного обоснования, что привело к возникновению множества гипотез, объясняющих энергетическое разделение газов с помощью различных допущений. Более глубокое изучение физической природы вихревого эффекта и развитие его теоретических основ обеспечило бы успешное решение прикладных задач. Одной из таких задач является сушка травы.
Низконапорная вихревая труба органично вписывается в процесс сушки травы. Это обусловлено тем, что в процессе сушки травы используются как подогретый, так и охлажденный потоки воздуха. Продувка слоя травы воздухом периодически изменяющейся температуры способствует росту градиента тем-
2 пературы между воздухом и слоем травы и, как результат, увеличению
разности потенциалов влажности. Кроме того, нагрев воздуха за счет адиабатного сжатия в вентиляторе и затем в вихревой трубе повышает температуру слоя травы и, следовательно, увеличивает равновесную относительную влажность продуваемого воздуха, а также его влагопоглощающую способность.
Целью работы является повышение эффективности процессов сушки травы путем использования систем активной вентиляции с низконапорными вихревыми трубами.
Для достижения поставленной цели необходимо решить комплекс взаимосвязанных задач, основными из которых являются:
-
Разработка теплофизической модели нестационарного процесса сушки травы.
-
Разработка аналитической модели процесса энергоразделения в низконапорных вихревых трубах.
-
Получение экспериментальных характеристик низконапорной вихревой трубы при условиях нестационарного процесса сушки травы.
-
Разработка методики расчета режимов нестационарной сушки травы.
-
Экспериментальные исследования нестационарных процессов сушки травы с использованием низконапорной вихревой трубы.
Научная новизна работы заключается в разработке теплофизической модели нестационарного процесса сушки травы и аналитической модели энергетического разделения в закрученном потоке воздуха в низконапорных вихревых трубах.
Практическое значение работы заключается в разработанной компьютерной методике расчета распределения температуры воздуха по радиусу низконапорной вихревой трубы и ее режимных характеристик, в разработке инженерной методики расчета режимов нестационарной сушки травы и систем сушки травы с использованием низконапорной вихревой трубы.
На защиту выносятся следующие решения поставленных задач:
- теплофизическая модель нестационарного процесса сушки травы;
аналитическая модель процесса энергетического разделения в закрученном потоке газа для низконапорной вихревой трубы;
методы расчета распределения температуры по радиусу закрученного потока воздуха в низконапорной вихревой трубе;
результаты экспериментального исследования низконапорной вихревой трубы;
методика расчета режимов нестационарной сушки травы;
- результаты экспериментального исследования режимов нестационарной
сушки травы.
Реализация результатов исследований и обоснование достоверности нашли отражение в реконструкции установок по досушке травы в колхозе «Елизаровский» (Дивеевский район Нижегородской области), в разработке технической документации на системы активной вентиляции сушки капиллярно-пористых веществ в ОАО Нижегородский институт «Сантехпроекг» (Нижний Новгород). Акты внедрения результатов научно-исследовательской работы представлены в приложениях к диссертации.
Апробация работы в виде докладов и обсуждений основных положений и результатов исследований проходила в Нижнем Новгороде, Самаре на следующих конференциях и семинарах: на региональной 59-й научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» (г. Самара, 2002 г); на научно- технических конференциях профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов «Архитектура и строительство-2000» (г. Нижний Новгород, 2000 г.), «Архитектура и строительство-2003» (г. Нижний Новгород, 2003 г.)
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 7 научных публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав основной части, основных результатов и выводов, списка литературы из 158 наименований и 4 приложений, которые включают акты внедрения результатов
4
научно-исследовательской работы. Работа изложена на 186 страницах
машинописного текста, включая 61 рисунок и 10 таблиц.
Эффективность существующих способов сушки травы
Анализ работ, посвященных исследованию свойств растительного сырья как объекта сушки, показал, что биологические и физико-механические свойства травы и сена изучены в достаточно полном объеме. По нашему мнению, при имеющихся многочисленных данных о теплофизических свойствах отдельных частей травянистых растений требуют уточнения и обобщения значения теплофизических характеристик слоя сохнущей травы различного сортового состава, при различных способах заготовки (измельченное, рассыпное, прессованное) и различной насыпной плотности, которые представляют наибольший интерес при разработке эффективных способов и режимов сушки травы.
Эффективность существующих способов сушки травы В отечественной практике наибольшее распространение получила заготовка сена непосредственно в поле. Сушка травы до кондиционной влажности осуществляется поэтапно, непосредственно в полевых условиях: провяливание скошенной массы в прокосах (до влажности 35...50%) и валках (до 22...30%) с периодическим ворошением; копнение; скирдование [44, 48].
При заготовке кормов из бобовых трав имеет место неравномерность сушки листьев и стеблей растений, что приводит к пересыханию и потере лиственной части. Повышения интенсивности влагоотдачи стеблей добиваются дополнительным плющением скошенной массы (для злаковых трав подобного эффекта не обнаружено) [96]. При широком применении практически на всей территории страны рассмотренная технология заготовки сена не может считаться перспективной из-за невысокого качества полученных грубых кормов: потери питательных веществ достигают 30. ..50%, каротина - 60...90%; содержание кормовых единиц значительно ниже 0,4 в 1 кг корма [27,48, 70].
К более прогрессивным технологиям относят заготовку рассыпного (не-измельченного и измельченного) и прессованного сена с активным вентилированием. Анализ исследований эффективности использования метода активного вентилирования для сушки травы [2, 9, 24, 27, 46, 56, 70, 87, 99, 100, 125] выявил следующие преимущества такой технологии: уменьшение общего времени нахождения травы в поле до 1.. .3 дней; повышение качества кормов в 1,7...2,0 раза; снижение влияния погодных условий из-за сокращения в 2...3 раза времени сушки; повышение технологичности процесса заготовки; сокращение механических потерь на 20.. .25%.
Технологическая схема заготовки сена с досушкой активным вентилированием включает в себя предварительное провяливание травы в поле (до влажности 35...45% при заготовке рассыпного и до 30...35% - прессованного сена). Имеются данные о положительном опыте сушки травы с начальной влажностью 50...60% активным вентилированием без искусственного подогрева воздуха [56, 70,138, 153]. Вентилирование провяленной массы в первые двое суток проводят непрерывно вне зависимости от погодных условий. Затем система активной вентиляции (CAB) работает лишь при значениях параметров воздуха фв 75%, tB 15С. В дождливую погоду вентиляторы отключают, а при повышении температуры слоя выше 40С производят периодическое включение CAB, предотвращая тем самым перегрев продукции и возникновение очагов плесени. Продолжительность сушки до кондиционной влажности составляет в среднем 100...200 часов непрерывной работы CAB.
Часто для снижения зависимости от погодных условий и повышения влагопоглощающей способности воздуха CAB оборудуют устройствами предварительного подогрева. Наибольшее распространение получили электрокалориферы типов СФОЦ, СФОО и воздухоподогреватели, работающие на жидком топливе, типов ТГ, ТАУ и ВПТ. Используют теплогенераторы автономно либо, при недостаточной производительности по воздуху, как элемент централизованной воздухораспределительной системы.
Искусственный подогрев воздуха применяется и как способ интенсификации тепломассообменных процессов в слое сохнущей травы и повышения качества кормов за счет значительного (в 2...3 раза) сокращения времени сушки [62].
Однако ввиду экономической нецелесообразности CAB с искусственным предварительным подогревом не получили распространения в Нидерландах, Германии, Швеции, сокращается их использование в США [62, 70, 105].
Как показывают проведенные ранее исследования [27, 54, 101], искусственный подогрев атмосферного воздуха на Ю...15С требует дополнительных затрат не менее 8,0...8,5 кВт-ч электроэнергии или 60...65 кг дизельного топлива на тонну сена.
Однако вопрос целесообразности применения искусственного подогрева пока не имеет однозначного решения и требует дальнейшего изучения, поскольку при технологически оправданном перегреве атмосферного воздуха на З...ЮС использование теплогенераторов с гораздо более мощным теплоэнергетическим потенциалом должно быть энергетически и экономически обосновано. Противоречивость рекомендаций по этому вопросу подтверждает анализ отечественного и зарубежного опыта использования сушильных установок с предварительным подогревом.
Ряд исследователей [5, 46, 48, 99, 138] считает, что для климатических условий большинства стран Западной Европы вполне осуществима досушка провяленной травы активным вентилированием неподогретым воздухом, а для Нечерноземной зоны России такая досушка может считаться наиболее целесообразной.
Весьма эффективным способом управления процессом сушки является выбор рациональной воздухопроизводительности установки. Экспериментальные значения удельных расходов воздуха в CAB, рекомендуемые различными авторами, изменяются в широких пределах (таблица 1.2) что, по нашему мнению, можно объяснить большим числом технологических и технико-экономических аспектов, определяющих процесс сушки, комплексный учет которых в большинстве случаев затруднителен. Это является следствием отсутствия разработанной теоретической модели тепломассообменных процессов в слое сохнущей травы и технико-экономически обоснованной методики расчета режимов работы CAB.
Аналитическая модель процесса энергетического разделения в низконапорных вихревых трубах
Струйки газа на входе в камеру имеют одинаковую температуру торможения. За счет разности тангенциальных скоростей у оси и на периферии вихря термодинамическая температура газа будет выше на оси вихря. Действительно, из уравнения энергии для вязкого газа следует, что при квазитвердом вращении термодинамическая температура должна быть постоянна[29]. Интенсивное турбулентное перемешивание, благодаря которому и возможно квазитвердое течение, выравнивает термодинамическую температуру в газовом потоке. Очевидно, что благодаря выравниванию термодинамической температуры, поле температур торможения будет нарушено. Температура торможения осевых струек получается ниже, а периферийных выше, что и составляет существо рассматриваемого явления.
Однако, как указано выше, результаты экспериментов [71,82] показывают монотонное убывание термодинамической температуры по радиусу от периферии к оси. С учетом этого Вулис, указывая на определяющую роль градиента термодинамической температуры, не отрицает и других процессов, сопровождающих вихревой эффект [29].
Планк [147] считает, что из-за высокой степени турбулентности потока в вихревой трубе, вызванной трением сдвига двух движущихся в противоположных направлениях потоков, приосевые частицы воздуха перемещаются на периферию, а периферийные частицы к оси трубы. Первые, попав в периферийную зону, отдают тепло, тем самым повышая среднюю температуру периферийного слоя вихря. Механизм переноса тепла осуществляется за счет кинетической энергии турбулентности,
Автор гипотезы не дает необходимых количественных соотношений, объясняет вихревой эффект только с качественной стороны.
Автор работы [79], предполагая, что турбулентные элементы совершают холодильный цикл Карно, проводит энергетический анализ вихревой трубы с целью выявления возможности реализации данного механизма охлаждения. Располагаемая работа в вихре - разность кинетических энергий свободного и вынужденного вихрей. На основании анализа полученных результатов автор делает вывод, что эта располагаемая работа значительно превышает работу, необходимую для осуществления холодильных циклов в вихревой трубе.
Фультон объясняет эффект температурного разделения газов, как результат перестройки свободного вихря в вынужденный вихрь за счет сил трения. В результате перестройки вихря угловая скорость внутренних слоев газа уменьшается, а внешних - возрастает. Это создает возможность перехода механической энергии от центра к периферии и выравнивает угловые скорости по всему сечению. Одновременно с этим, вследствие более высокой термодинамической температуры у периферии вихря, возникает поток тепла, противоположно направленный потоку механической энергии. Эти два потока энергии в вихревой трубе не сбалансированы. Поток механической энергии превосходит по своей величине тепловой поток, что и является основной причиной охлаждения приосевых слоев газа и нагрев периферийных слоев.
Перепад температур, подсчитанный согласно гипотезе Фультона, значительно меньше полученного экспериментальным путем. Кроме того, следует отметить, что, согласно гипотезе Фультона, максимальный перепад температур по сечению вихревой трубы должен наблюдаться в области полной перестройки свободного вихря в вынужденный, т.е. температурный эффект должен возрастать по мере удаления от сопла вдоль трубы и достигать своего максимума на определенном удалении от сопла.
Однако, результаты экспериментов с короткой вихревой трубой [37,75, 83, 84] показывают, что максимальный перепад температур наблюдается в сопловом сечении, что противоречит основному положению гипотезы Фуль-тона.
Согласно гипотезе взаимодействия вихрей [81,83], выдвинутой А.П.Меркуловым преобразование вихря осуществляется за счет сил вязкости газового потока, спирально двигающегося вдоль трубы от сопла к дросселю. Такая схема течения наглядно объяснима физически и строго описывается системой уравнений движения, сплошности, энергии и состояния.
Процесс теплообмена объясняется следующим образом [83]. При перемещении элемента газа за счет радиальной турбулентной пульсационной скорости V с одной радиальной позиции на другую в поле с высоким радиальным градиентом давления, он адиабатно расширится или сожмётся, соответственно изменив свою температуру. Если после этого перемещения его температура окажется отличной от температуры расположенных на этом радиусе других элементов, то в результате смешения произойдет нагрев или охлаждение газа в этом слое. В сущности, турбулентные элементы совершают холодильные циклы, передавая тепло в периферийные слои, а источником механической энергии этих циклов является турбулентность.
Автор замечает, что турбулентный перенос в круговом потоке будет иметь место во всех случаях, когда радиальное распределение температуры отлично от закона адиабаты. При достижении адиабатного распределения температуры, турбулентный перенос тепла прекращается. При оценке предельных возможностей вихревого эффекта предполагают, что в сопловом сечении полностью завершился энергетический обмен между вихрями, т.е. в вынужденном вихре установилось адиабатное распределение статической температуры по радиусу. Основные положения гипотезы взаимодействия вихрей заключается в следующем: 1. В вихревой трубе имеются приосевой и периферийный турбулентные закрученные потоки, перемещающиеся в противоположных направлениях. 2. По всей длине вихревой зоны между двумя закрученными потоками наблюдается интенсивный энергообмен за счет перемещающихся в радиальном направлении турбулентных элементов газа. В результате этого происходит передача кинетической энергии от периферийного слоя к центральному и противоположный по направлению процесс переноса тепла в поле с высоким градиентом статического давления. 3. Самый интенсивный перенос тепла наблюдается в сопловом сечении, где градиент статического давления имеет наибольшую величину. 4. В сопловом сечении вихревой трубы периферийный потенциальный и приосевой вынужденный вихри являются адиабатными. Однако, в работе [58] указано, что рассмотренный процесс теплообмена не может быть реализован, т.к. в общем объеме при расширении одного элемента работа расширения затрачивается на работу сжатия соседних элементов. А, так как работа расширения равна работе сжатия, то и температура объема газа остается постоянной.
Экспериментальные характеристики низконапорной вихревой трубы
Отмеченные выше особенности планирования эксперимента в биологически активных средах и определили серию экспериментов, результаты которых представлены ниже.
Воздух, сжатый в двух последовательно соединенных вентиляторах высокого давления, поступает в вихревую трубу диаметром 100 мм. В вихревой трубе воздух разделяется на два потока: охлажденный, направляемый через патрубок 1 в воздухосборник и далее в разрезные колонки 2 высотой 500 мм с травой, и нагретый поток, направляемый через патрубок 3 и воздухосборник в такие же колонки 4. Контрольный поток воздуха поступает непосредственно от вентилятора через патрубок 5 в воздухосборник и колонки 6 с травой. Заполненные травой до необходимой плотности, кольца колонок соединялись между собой хомутами с пенорезиной толщиной 8 мм, позволяющей также максимально ограничить теплообмен с окружающей средой. Каждая колонка состоит из 5 колец высотой 100 мм и диаметром 150 мм.
Контроль количества продуваемого воздуха осуществлялся по методу переменного перепада давлений при помощи предварительно протарирован-ного (рис. 4.2) сопла Вентури 7 с точностью измерения ±1,5 3,0% и микроманометра 9 марки ЛТА-4. В опорных кольцах 10 каждой из колонок устанавливались сухой и мокрый термометры 8 (лабораторный ртутный стеклянный термометр с ценой деления 0,1 С), позволившие фиксировать температуру и относительную влажность воздуха на входе и выходе из колонок. Перепад статических давлений по высоте слоя измерялся микроманометром ММБ-240 , подключенным к штуцерам для отбора давлений в опорных кольцах 10. Измерение температуры воздуха в слое осуществлялось с помощью медь-константановых термопар 11, размещаемых в центре каждого кольца, и цифрового милливольтметра 12 марки В2-36 (точность измерения ±1 % от всей шкалы), соединенного с термопарами через многоточечный переключатель 13. Для исключения контакта термопары с влажной травой и искажения показаний рабочий спай помещался в проволочный каркас. Температура холодного спая преобразователей поддерживалась постоянной (tx = 0С) с помощью изотермического сосуда 14 с тающим льдом. Скорость фильтрации воздуха через слой травы и его расход через каждую колонку контролировались в сечении опорного кольца на выходе из колонок с помощью крыльчаток» анемометра (точность измерения 3%). На протяжении всего опыта фиксировались параметры микроклимата в помещении лаборатории (рб, tB, фв).
Контроль динамики сушки осуществлялся прямым измерением по изменяющейся массе сохнущей травы. Взвешивание навесок травы, размещенных в кольцах разрезных колонок, проводилось с точностью ± 10 мг.
В низконапорной вихревой трубе разность температур охлажденного и нагретого потоков не превышает нескольких градусов, поэтому допускается, что теплоемкости воздуха на входе в вихревую трубу, охлажденного и нагретого потоков равны, поэтому массовую долю ц. охлажденного потока определяем по уравнению [83]: трубы Определение необходимого количества опытов при экспериментальном исследовании низконапорной трубы проводилось на основе следующих предпосылок.
Исследованию конструктивных характеристик низконапорных вихревых труб уделялось незначительное внимание, и имеющиеся в настоящее время данные весьма ограниченны [36,82]. Следует отметить, что изменение конструктивных размеров диафрагмы и сопла низконапорной вихревой трубы в пределах, исследованных в работе [58] при степени расширения я=2, не позволяет строго определить оптимальное сочетание диаметра диафрагмы и площади сопла. Это объясняется незначительным изменением температур охлажденного и нагретого потоков, находящимся в пределах погрешности измерений, при существенной теплоемкости корпуса низконапорной вихревой трубы. Поэтому проектирование и изготовление исследуемой вихревой трубы основывалось на результатах исследования вихревых труб высокого давления (степень расширения л 2), которым посвящены многие работы [3, 4,33,36,37, 58, 57, 73, 76,79, 82].
Экспериментальные исследования по определению оптимальной по степени охлаждения длины вихревой трубы [37, 58, 73] без развихрителя на горячем конце показали, что по мере снижения степени расширения воздуха, длина трубы уменьшается. При я=2 оптимальная длина составляет 30...32 калибра. Оптимальная длина вихревой трубы определяется равенством давления воздуха в поперечном сечении на выходе из горячего конца трубы [58]. Такие замеры были проведены, и они показали, что давления нагретого потока воздуха у дросселя трубы равны по всему ее поперечному сечению при длине трубы 2500 мм.
Низконапорная вихревая труба при сушке травы применяется в системе активной вентиляции с одновременным использованием охлажденного и нагретого потоков с равными их расходами, т.е. при и=0,5. Поэтому диаметр диафрагмы принят равным 0,5DTp, В работах [58, 82] отмечалось, что при малых степенях расширения и диаметре диафрагмы 0,5DTp рациональная площадь поперечного сечения сопла близка к 0,lFTp (F - площадь поперечного сечения вихревой трубы). Согласно вышеизложенного, исследовалась вихревая труба диаметром Этр = 100 мм, длиной 2500 мм, площадью соплового ввода а = 0,1 FTp, диаметром диафрагмы сІл = 0,5 DTpnpn степени расширения 71= 1,01...1,11. Из графиков следует, что минимальная температура охлажденного по тока воздуха наблюдалась при ц. = 0,42...0,46 в зависимости от степени расширения, т.е. уменьшение тс сопровождалось смещением минимальной температуры в сторону больших величин ц. Это объясняется, на наш взгляд, влиянием пограничного слоя воздуха, стекающего по плоскости диафрагмы от периферийного потока, и встречного осевого потока наружного воздуха. Подмешивание этого воздуха повышает температуру охлажденного потока. Естественно, чем меньше расход воздуха охлажденного потока (при равных ц), тем больше влияние подмешиваемых потоков.
Технико-экономическое обоснование применения низконапорной вихревой трубы
При обзоре научной и технической литературы нами не обнаружены примеры применения низконапорных вихревых труб в процессах сушки травы. Однако существует множество работ [3, 4, 26, 30, 32, 41, 49, 71 ....83], посвященных как анализу термодинамического совершенства устройств, реализующих вихревой эффект, так и их экономичности при применении в тех или иных целях.
По сравнению с обратным циклом Карно термический КПД вихревой трубы составляет 2...3%, то есть необратимость процессов делает вихревые устройства термодинамически малоэффективными.
Экономичность вихревой трубы с позиции адиабатного КПД, по сравнению с реальными детандерами малой производительности, также ниже в 2....2,5 раза. В тоже время, по сравнению с процессом дросселирования, вихревые устройства при работе на воздухе по температурному эффекту лучше примерно в 30 раз, а по холодопроизводительности в 15 раз [74]. Наибольшую термодинамическую эффективность имеют низконапорные вихревые трубы, использующие воздух с давлением до 0,15 МПа, поступающий от вентиляторов высокого давления [39].
Таким образом, по совершенству цикла вихревой эффект не может конкурировать с газовыми детандерными циклами. Но в ряде случаев термодинамическое совершенство цикла не является решающим, так как основную роль могут играть техническое и технологическое преимущество вихревой трубы [74]. Следует особо отметить разработки по применению низконапорных вихревых труб, работающих от вентиляторов высокого давления, для систем кондиционирования воздуха [36, 39], что соответствует цели настоящей работы. В работе [57] подчеркивается, что наиболее рационально применение вихревых устройств в тех случаях, когда есть возможность использовать как холодный, так и горячий воздух.
Целью применения низконапорной вихревой трубы в процессах сушки травы являлось не получение охлажденного или нагретого потока воздуха, а использование теплоты исходного потока воздуха при более высокой температуре. В соответствии с проведенными теоретическими и экспериментальными исследованиями в диапазоне перепада температур At4=At, l ...3С применение низконапорной вихревой трубы при сушке травы способствует снижению периода сушки травы с влажностью до 40%, в среднем на 20%. При этом повышается содержание питательных веществ в сене и снижается или количество затраченной электроэнергии, или период сушки травы.
Так как в настоящей работе не проводился анализ сена на наличие питательных веществ, то экономичность применения низконапорной вихревой трубы рассматривается только с позиции экономии электроэнергии. Капитальные затраты на вихревую трубу сравнимы с такими же затратами на звенья воздуховодов той же длины, поэтому их можно не учитывать.
При адиабатном сжатии воздуха в вентиляторах высокого давления растет его температура и, естественно, повышается влагопоглощающая способность. Расход электроэнергии сравним с тем, если бы воздух нагревался в электрокалориферах и получение необходимого располагаемого напора воздуха перед вихревой трубой не связано с расходом дополнительной энергии.
Проведенные расчеты показали, что повышение температуры травы на 1С при циклической продувке ее нагретым потоком воздуха с температурой на 2С выше температуры исходного воздуха, позволили снизить расход электроэнергии по сравнению с непосредственным подогревом исходного воздуха на 3,5 кВгч на одну тонну сохнущей травы или сократить период сушки на 20% по сравнению с сушкой исходным воздухом.
Следует отметить, что, если исходный воздух является сушильным агентом, т.е. его относительная влажность меньше равновесной при wK, то эффективность применения низконапорной вихревой трубы снижается, и время периода сушки уменьшается на 7% на каждый градус повышения температуры сохнущей травы.
Таким образом, применение низконапорной вихревой трубы для сушки травы является целесообразным при различных параметрах наружного воздуха. При этом эффективность работы вихревой трубы значительно повышается, если исходный воздух не является сушильным агентом.
Для Нижегородской области применение низконапорной вихревой трубы особенно перспективно, так как средние температуры летних месяцев находятся в пределах 16...18С [52]. 1. Разделение исходного воздуха на нагретый и охлажденный потоки по зволяет повысить температуру слоя сохнущей травы, относительную равно весную влажность воздуха в слое травы и, как результат, его влагопогло щающую способность. 2. Повышение температуры травы на 1С увеличивает равновесную влажность воздуха на 1% ( при влажности травы wT 45%), а его влагопогло щающую способность в среднем на 0,15 г/кг сух.возд. 3. Рост температуры нагретого потока на 1С (при температуре нагретого потока воздуха на 2С выше температуры исходного) сокращает период сушки травы до 7%, если исходный воздух является сушильным агентом, и до 20%, если последний не является сушильным агентом. 4. Нагрев необходимой части исходного воздуха до параметров сушильного агента потребует дополнительного расхода электроэнергии около 1,8 кВгч на тонну сохнущей травы на каждый градус повышения температуры воздуха. 5. Рост влагопоглощающей способности воздуха в результате разделения его на охлажденный и нагретый потоки позволяет снизить расход электроэнергии до 3,5 кВгч на тонну сохнущей травы при ее начальной влажности wT=18...45%.
