Mathematical Model and Numerical Method of Calculating the Dynamics of High-Temperature Drying of Milled Peat for the Production of Fuel Briquettes

В даній роботі представляється математична модель високотемпературного сушіння фрезерного торфу, яке на заключному етапі супроводжується початковою стадією термодеструкції. Математична модель включає диференційні рівняння ене-ргії та масопереносу рідкої, парової і повітряної фаз, що побудовані на основі рівняння переносу субстанції для систем що деформуються Нікітенко М.І.. Для замикання системи рівнянь залучаються: формула Дарсі для розрахунку фільтраційних швидкостей фаз, рівняння стану для розрахунку тисків компонентів газової фази, вираз для капілярного тиску рідини, формула для площі поверхні контакту рідкої і газової фаз в порах тіла, рівняння термоконцентраційного деформування, формули для інтенсивності фазових перетворень на зовнішній і внутрішніх поверхнях частинок торфу та для коефіцієнтів дифузії рідкої і газової фаз. Термічне розкладання торфу врахо-вувалось відповідним значенням енергії активації. В [6,8] експериментально доведено активаційний характер термічного розкладання твердої фази фрезерного торфу. Обробка результатів [6] дериватографічних досліджень термічних властивостей твер-дого залишку фрезерного торфу, з використанням кінетичної моделі А.А. Broido дозволила визначити числові значення ефективної енергії активації Аef частинок зв’язаної речовини. В момент початку розкладання геміоцелюлози ефективне значення енергії активації досить різко змінюється і впливає на інтенсивність тепломасопереносу. Розроблено чисельний метод розрахунку математичної моделі, який дозволяє визначати динаміку зміни температури і об’ємних концентрацій компонентів зв’язаної речовини в пористій частинці в залежності від її теплофізичних, структурних і геометричних характеристик а також параметрів сушильного агенту. На таких обчисленнях базується розробка режимів сушіння пористих матеріалів, що забезпечують скорочення часу процесу і відповідно енергоресурсів на його проведення при збереженні високої якості кінцевого продукту.Milled peat must be dried for the production of peat fuel briquettes. The current trend in the creation of drying technologies is the intensification of the dehydration process while obtaining a high-quality final product. An increase in the temperature of the drying agent, above 300 C, significantly accelerates the reaching of the final moisture content of the peat. In the final stage, it is also accompanied by partial thermal decomposition of the solid phase. Its first stage, which is the decomposition of hemicellulose, contributes to a decrease in weight and an increase in the caloric content of the dry residue. The development of high-temperature drying modes consists of determining the temperature and velocity of the drying agent, wherein the duration of the material reaching the equilibrium moisture content will be minimal and the temperature of the material will not rise above the second-stage decomposition temperature of cellulose. This problem can be solved by the mathematical modeling of the dynamics of peat particles drying in the flow. The article presents a mathematical model of heat and mass transfer, phase transitions, and shrinkage during the dehydration of milled peat particles. The equations of the mathematical model were built based on the differential equation of mass transfer in open deformable systems, which, in the absence of deformations, turns into the known equation of state. A numerical method for implementing a mathematical model has been developed. The adequacy of the mathematical model is confirmed by comparing the results of numerical modeling with known experimental data.Slovak University of Technology in Bratislava, Radlinského 9, 812 37 Bratislava, SlovakiaДля виробництва торф'яних паливних брикетів фрезерний торф підлягає сушінню. Найбільш поширеним типом сушильних установок для зневоднення сипучих дисперсних матеріалів є барабанні і аеродинамічні сушарки, в яких частинки вологого матеріалу рівномірно омиваються нагрітим газовим теплоносієм. Сучасною тенденцією створення сушильних технологій є інтенсифікація процесу зневоднення при отриманні кінцевого продукту високої якості. Підвищення температури сушильного агенту вище 300 0С значно прискорює досягнення торфом кінцевої вологості і на заключному етапі супроводжується термічним розкладанням твердої фази, перша стадія якого – розкладання геміоцелюлози - сприяє зменшенню ваги і підвищенню калорійності сухого залишку. Розробка режимів високотемпературного сушіння полягає у визначенні температури і швидкості сушильного агенту, при яких тривалість досягнення матеріалом рівноважного вологовмісту буде мінімальною і температура матеріалу не підвищиться вище температури розкладання гемі-целюлози. Ця проблема може бути вирішена на базі математичного моделювання дина-міки сушіння частинок торфу в потоці теплоносія. В статті представляється математична модель тепло- і масопереносу, фазових перетворень і усадки при зневодненні частинок фрезерного торфу, яка дозволяє розраховувати поля температур, об’ємних концентрацій рідкої, парової і повітряної фаз, а також час сушіння в залежності від параметрів теплоно-сія і вологої частинки. Враховуючи активаційний характер процесів дифузії, випаровування і термодеструкції, запропоновано підхід розрахунку впливу термічного розкладання на динаміку високотемпературного сушіння. Рівняння математичної моделі будувались на базі диференційного рівняння переносу субстанції у відкритих системах, що деформуються [1], яке при відсутності деформацій переходить у відоме рівняння Умова. Розроблено чисельний метод реалізації математичної моделі. Адекватність математичної моделі підтверджується порівнянням результатів чисельного моделювання з відомими експериментальними даними