Моделирование температурного поля в массиве кучи измельченной древесины

УДК

674.08

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2019.6.213

Аннотация

Хранение измельченных древесных материалов на лесоперерабатывающих предприятиях осуществляется открытым способом в сформированных кучах различных размеров и форм. Недостатком при хранении измельченной древесной массы таким способом является неконтролируемый процесс самонагревания щепы до критических температур под воздействием термофильных микроорганизмов. При отсутствии должного контроля за этим процессом теряется полезная масса древесины, в значительной степени ухудшается ее качество и появляется риск возгорания. Для предотвращения негативных последствий необходимо отводить избыточную тепловую энергию из массива измельченного древесного материала в окружающую среду. Отвод тепла позволит установить контроль над тепловыми процессами и организовать управление температурными полями внутри кучи. Для осуществления технологических мероприятий могут быть использованы тепловые трубы. Такой способ эффективен, не требует привлечения коммерческого энергопотребления и экологически безопасен. Для обоснования решения проведены теоретические исследования процессов, протекающих в массиве кучи измельченной древесины. Цель работы – установление математических закономерностей, описывающих влияние наиболее существенных факторов на процессы самонагревания измельченной древесины, хранящейся в сформированных конусных кучах на открытых складах. При проведении исследований использовали методы математического моделирования, теории вероятностей и математической статистики с применением вычислительных программных комплексов. В результате получена система уравнений, моделирующих процессы самонагревания измельченной древесины и позволяющих прогнозировать формирование температурного поля внутри кучи к заданному временному интервалу, что позволит разработать методы безопасного хранения технологической щепы.

Сведения об авторах

А.Н. Деснев^1,2, ст. преподаватель; ORCID: 0000-0002-7941-645X
Г.Ф. Прокофьев¹, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: G-9482-2019; ORCID: 0000-0003-4494-4989
В.Ю. Тюриков¹, магистрант; ORCID: 0000-0002-6358-5822
¹Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, г. Архангельск, Россия, 163002; e-mail: nvd1975@yandex.ru
²ООО «АРХПОЖСЕРВИС», просп. Чумбарова-Лучинского, д. 30, этаж 2, помещение 2, г. Архангельск, Россия, 163000; e-mail: a.n.desnev@yandex.ru

Ключевые слова

хранение измельченной древесины, щепа, тепловая труба, теплопроводность дисперсных материалов, теплоемкость дисперсных материалов, самонагревание древесины

Для цитирования

Деснев А.Н., Прокофьев Г.Ф., Тюриков В.Ю. Моделирование температурного поля в массиве кучи измельченной древесины // Лесн. журн. 2019. № 6. С. 213–223. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.6.213

Литература

1. Авдуевский В.С., Сорокин В.П., Ягодкин И.В. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике. M.: Машиностроение, 1975. 256 с. [Avduyevskiy V.S., Sorokin V.P., Yagodkin I.V. Heat Transfer Principles in Rocket and Space Equipment. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1975. 256 p.].
2. Белозерцев В.Н., Бирюк В.В., Толстоногов А.П. Теплотехника. Самара: Самар. ун-т; 2001. 86 с. [Belozertsev V.N., Biryuk V.V., Tolstonogov A.P. Heat Engineering. Samara, Samarskiy universitet Publ., 2001. 86 p.].
3. Ивановский М.Н., Сорокин В.П., Ягодкин И.В. Физические основы тепловых труб. М.: Атомиздат, 1978. 256 с. [Ivanovskiy M.N., Sorokin V.P., Yagodkin I.V. Physical Principles of Heat Pipes. Moscow, Atomizdat Publ., 1978. 256 p.].
4. Исаев С.И., Кожинов И.А., Кофанов В.И. Теория тепломассообмена / под ред. А.И. Леонтьева. M.: Высш. шк., 1979. 495 с. [Isayev S.I., Kozhinov I.A., Kofanov V.I. Theory of Heat and Mass Exchange. Ed. by A.I. Leont’yev. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1979. 495 p.].
5. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. 4-е изд., перераб. и доп. M.: Энергоиздат, 1981. 417 с. [Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Heat Transfer. Moscow, Energoizdat Publ., 1981. 417 p.].
6. Кошкин В.К., Калинин Э.К. Теплообменные аппараты и теплоносители. M.: Машиностроение, 1971. 200 с. [Koshkin V.K., Kalinin E.K. Heat Exchangers and Heat Carriers. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1971. 200 p.].
7. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. 5-е изд., перераб. и доп. M.: Атомиздат, 1979. 416 с. [Kutateladze S.S. Fundamentals of the Theory of Heat Exchange. Moscow, Atomizdat Publ., 1979. 416 p.].
8. Лыков А.В. Теория теплопроводности. M.: Высш. шк., 1967. 600 с. [Lykov A.V. Theory of Thermal Conductivity. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1967. 600 p.].
9. Лыков А. В. Тепломассообмен: справ. M.: Энергия, 1971. 479 с. [Lykov A.V. Heat and Mass Exchange: Handbook. Moscow, Energiya Publ., 1971. 479 p.].
10. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. 2-е изд. M.: Энергия, 1977. 343 с. [Mikheyev M.A., Mikheyeva I.M. Heat Transfer Principles. Moscow, Energiya Publ., 1977. 343 p.].
11. Николаев Г.П., Изотеева О.Ю. Расчет рабочих характеристик контурных тепловых труб // Молодой ученый. 2012. № 3. С. 17–25. [Nikolayev, G.P., Zoteyeva O.Yu. Performance Analysis of Loop Heat Pipes. Molodoy uchenyy [Young Scientist], 2012, no. 3, pp. 17–25].
12. Угланов Д.А. Численное моделирование тепловых процессов аппаратов. Самара: Самар. ун-т, 2017. 34 с. [Uglanov D.A. Numerical Simulation of Thermal Processes of Apparatus. Samara, Samarskiy universitet Publ., 2017. 34 p.].
13. Юдаев Б.Н. Теплопередача. M.: Высш. шк., 1973. 359 с. [Yudayev B.N. Heat Transfer. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1973. 359 p.].
14. Юрьев В.Н., Лебедев П.Д. Теплотехнический справочник: в 2 т. Т. 2. 2-е изд., перераб. M.: Энергия, 1976. 896 с. [Yur’yev V.N., Lebedev P.D. Heat Engineering Handbook. In 2 vol. Vol. 2. Moscow, Energiya Publ., 1976. 896 p.].
15. Braza M., Chassiang P., Ha Minh H. Numerical Study and Physical Analysis of Pressure and Velocity Field in the Near Wake of a Circular Cylinder. Journal of Fluid Mechanics, 1986, vol. 165, pp. 79–130. DOI: 10.1017/S0022112086003014
16. Lef B.I., Kesler М.G. A Generalized Thermodynamic Correlation Based on Three-Parameter Corresponding States. AlChE Journal, 1975, vol. 21, iss. 3, pp. 510–527. DOI: 10.1002/aic.690210313
17. LeVeque R.J. Finite Volume Methods for Hyperbolic Problems. Cambridge, Cambridge University Press, 2002. 558 p.
18. Mandelbrot B.B. The Fractal Geometry of Nature. San Francisco, W.H. Freeman, 1982. 468 p.
19. Srinivas M., Ravisankar M.S., Seetharamu K.N., Aswathanarayana P.A. Finite Element Analysis of Internal Flows with Heat Transfer. Sadhana, 1994, vol. 19, iss. 5, pp. 785–816. DOI: 10.1007/BF02744405
20. Stefan J. Ueber die Theorie der Eisbildung, insbesondere über die Eisbildung im Polarmeere. Annalen der Physik, 1891, vol. 278, iss. 2, pp. 269–286. DOI: 10.1002/andp.18912780206
21. Varaprasad Patnaik B.S., Gowda Y.T.K., Ravisankar M.S., Aswatha Narayana P.A., Seetharamu K.N. Finite Element Simulation of Internal Flows with Heat Transfer Using a Velocity Correction Approach. Sadhana, 2001, vol. 26, iss. 3, pp. 251–283. DOI: 10.1007/BF02703387
22. Zabaras N., Ruan Y. A Deforming Finite Element Method Analysis of Inverse Stefan Problems. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 1989, vol. 28, iss. 2, pp. 295–313. DOI: 10.1002/nme.1620280205

Ссылка на английскую версию:

Simulation of the Temperature Field in the Crushed Wood Heap Massif

SIMULATION OF THE TEMPERATURE FIELD IN THE CRUSHED WOOD HEAP MASSIF

A.N. Desnev^1,2, Senior Lecturer; ORCID: 0000-0002-7941-645X
G.F. Prokof’ev¹, Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: G-9482-2019; ORCID: 0000-0003-4494-4989 
V.Yu. Tyurikov¹, Master; ORCID: 0000-0002-6358-5822 
¹Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; e-mail: g.prokofjev@narfu.ru, a.n.desnev@yandex.ru
²LLC “ARKhPOZhSERVIS”, prosp. Chumbarova-Luchinskogo, 30, etazh 2, pomeshcheniye 2, Arkhangelsk, 163000, Russian Federation; e-mail: a.n.desnev@yandex.ru

Storage of the crushed wood materials at the wood processing enterprises is carried out in the open air in formed heaps of various sizes and shapes. The disadvantage of such storage is uncontrolled self-heating of chips to critical temperatures driven by thermophiles. The payload mass of wood gets lost, its quality significantly degrades, and a risk of flame development appears without proper control. In order to prevent negative consequences, it is necessary to reject the excess heat energy from the massif of crushed wood material into the environment. Heat rejection will allow to establish control over thermal processes and operate with temperature fields inside a heap. Production engineering measures can be carried out with the use of heat pipes. This method is effective and environmentally friendly; and does not require the involvement of commercial energy consumption. Basic studies of the processes occurring in the heap massif of crushed wood were carried out for solution substantiation. The research purpose is to identify mathematical regularities describing the influence of the key factors on the processes of self-heating of crushed wood stored as the cone-formed heaps in the open air conditions. Methods of mathematical simulation, probability theory and mathematical statistics with the use of computational software systems were used as a part of the study. As a result, a system of equations those simulate the processes of self-heating of crushed wood and allow to predict the temperature field inside a heap to a given time interval is obtained, which will allow developing methods of industrial chips safe storage.
For citation: Desnev A.N., Prokof’ev G.F., Tyurikov V.Yu. Simulation of the Temperature Field in the Crushed Wood Heap Massif. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2019, no. 6, pp. 213–223. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.6.213

Keywords: storage of crushed wood, chips, heat pipe, thermal conductivity of dispersed materials, heat capacity of dispersed materials, wood self-heating.

Поступила 31.03.19 / Received on March 31, 2019