Coefficient of thermal conductivity as a generalizing efficiency parameter of castor oil plant husk burning in the furnance

Full Text

Отходы переработки масличных культур находят все большее применение как альтернативное топливо с «нулевым» балансом углекислого газа (поглощение-выбросы). Знаменитая надпись: «Zero СО₂» немного лукавая. Тут, необходимо пояснение: выбросы СО₂ при горении отходов переработки масличных культур происходят в полном объёме, точно также, и ничуть ни меньше, чем при горении ископаемых углеродсодержащих топлив. Однако теоретически, умозрительно, считают, что если мы вдруг опять посеем масличную культуру в тех же объёмах, что и в предыдущем году, то для своего развития в следующем году растения поглотят из атмосферы ровно столько же СО₂, сколько попало в атмосферу при их горении нынче. В современных условиях элементы топливно-энергетического комплекса требуют не только практического их использования, но и тщательного изучения и исследования эффективности горения. Горение органических отходов сельскохозяйственного производства – это перспективное направление в энергетике. Оно состоит из нескольких вариантов осуществления процесса. Наиболее часто говорят о переработке масличных культур в биодизельное топливо, а также об изготовлении из целлюлозосодержащих продуктов: брикетов, пеллет, гранул. Однако оба эти направления требуют до 15-20 % затрат энергии на выполнение технологических операций по трансформации сырья в топливо. В тоже время, горение лузги клещевины в слое непосредственно на маслозаводе свободно от дополнительных затрат. Эффективность горения лузги клещевины, в основном, зависит от её влажности, насыпной плотности и пористости слоя. Коэффициент теплопроводности лузги клещевины также зависит от этих параметров и может рассматриваться, как обобщающий параметр.

Цель исследований: определить коэффициенты теплопроводности лузги клещевины как обобщающего параметра для использования при расчетах условия устойчивого и эффективного горения лузги клещевины в топке котла, для обеспечения тепловых процессов в технологической линии получения касторового масла из семян клещевины.

Задачи исследований: провести экспериментальные исследования по определению зависимости коэффициента теплопроводности λ (Вт/(м∙К)) лузги клещевины от влажности W (%), насыпной плотности ρ_н.п. (кг/м³) и пористости P_л.к. (%) с использованием комплекса оборудования и аппаратуры. По результатам исследований построить графические зависимости исследуемых величин. Путем математической обработки выполнить аппроксимацию графических зависимостей и получить эмпирические уравнения регрессии, которые можно было бы использовать в инженерных расчетах прикладного характера.

Материалы и методы исследований. Исследования выполнены на кафедре электроэнергетики имени профессора И.П. Назаренко ФГБОУ ВО «Мелитопольский государственный университет» (г. Мелитополь) в период 2023-2025 гг. При проведении экспериментальных исследований использовались численные и статистические методы обработки экспериментальных данных [6].

В представленную работу включен вопрос возможности использования коэффициента теплопроводности лузги клещевины, как обобщенного параметра контроля эффективность её горения. При растущем спросе на касторовое масло и увеличивающихся площадях посева клещевины, отмечается перспективность использования её лузги в качестве альтернативного топлива для обеспечения тепловых процессов при переработке клещевины на касторовое масло.

Объектом исследования являлась лузга клещевины, полученная в соответствии с технологией [7]. В работе использованы методика определения коэффициента теплопроводности сельскохозяйственных материалов [8] и методика расчета выносной топки к серийно выпускаемой котельной установке для горения лузги клещевины [4]. Коэффициент теплопроводности определяли с помощью прибора ИТП-МГ4 со штатным набором датчиков и термопар [8]. Влажность, плотность и пористость лузги определяли стандартными методами, а именно влажность - весовым методом, плотность - гидростатическим методом, пористость - исходя из средней и истинной плотности материала.

 

Рис.1. Материалы, использованные в исследованиях: лузга клещевины

 

Методика определения коэффициента теплопроводности сельскохозяйственных материалов заключается в следующем. Предварительно определяли влажность лузги гравиметрическим методом и насыпную плотность путем взвешивания пробы лузги клещевины в мерном сосуде. Затем навеску лузги клещевины, установленной влажности и насыпной плотности, помещали в емкость для измерения коэффициента теплопроводности, где её сверху нагревали, а снизу охлаждали для создания теплового потока. После установления стационарного режима, измеряли термо-ЭДС датчика плотности теплового потока, термо-ЭДС горячей термопары, термо-ЭДС холодной термопары и толщину образца. После проведения эксперимента коэффициент теплопроводности лузги клещевины вычисляли по формуле:

${\lambda }_{л.к.}=\frac{q\cdot \delta }{△t}=\frac{U_{q\cdot kq\cdot \delta }}{\frac{U{t}_r}{k_t}-\frac{U{t}_{X^{,}}}{k_t}}$, (1)

где λ_л.к. – коэффициент теплопроводности лузги клещевины, Вт/(м∙К);

q – плотность теплового потока, Вт/(м²∙К);

δ – толщина образца материала, м;

U_q – термо-ЭДС датчика плотности теплового потока, мВ;

k_q – коэффициент датчика теплового потока, 78 Вт/(мВ∙м²);

Ut_г – величина термо-ЭДС горячей термопары, мВ;

k_t – коэффициент термопары (0,083 мВ/ К);

Ut_х – величина термо-ЭДС холодной термопары, мВ.

Исследования проводились для 12 проб лузги клещевины с различным сочетанием влажности и насыпной плотности, с трехкратной повторностью.

Результаты исследований. В результате обработки данных экспериментальных исследований получены графические зависимости и эмпирические уравнения регрессии для различных режимов измерения зависимости коэффициента теплопроводности λ (Вт/(м∙К)) лузги клещевины от влажности W (%), насыпной плотности ρ_н.п. (кг/м³) и пористости P_л.к. (%).

В соответствии с условиями проведения экспериментальных исследований влажность W изменялась в пределах 7-18 %, Насыпная плотность лузги клещевины ρ_н.п изменялась в пределах 100-150 кг/м³, а измельчённой лузги до 250 кг/м³, пористость P_л.к. в пределах 0-70 %.

 

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплопроводности лузги клещевины λ (Вт/(м∙К)) от влажности W (%): 1 – Ряд 1 при насыпной плотности ρ_н.п. равной 100 кг/м³; 2 – Ряд 2 при насыпной плотности ρ_н.п. равной 150 кг/м³, 3 – Ряд 3 при насыпной плотности ρ_н.п. равной 250 кг/м³

 

Зависимость коэффициента теплопроводности лузги клещевины λ (Вт/(м∙К)) от влажности W (%) при насыпной плотности ρ_н.п. равной 100 кг/м³ выражается уравнением регрессии, которое имеет следующий вид:

${\lambda }_W=\mathrm{0,005}+\mathrm{1,2}\cdot W-11\cdot W^2+\mathrm{1,7}\cdot {10}^2\cdot W^3+530\cdot W^4,$ (2)

где λ_W – коэффициент теплопроводности лузги клещевины, (Вт/(м∙К));

W – влажность, (%).

Зависимость коэффициента теплопроводности лузги клещевины λ (Вт/(м∙К)) от влажности W (%) при насыпной плотности ρ_н.п. равной 150 кг/м³ выражается уравнением регрессии, которое имеет следующий вид:

${\lambda }_W=\mathrm{0,0335}+\mathrm{0,0094}\cdot W-4?{10}^{(-5)}\cdot W^2$. (3)

Зависимость коэффициента теплопроводности лузги клещевины λ (Вт/(м∙К)) от влажности W (%) при насыпной плотности ρ_н.п. (кг/м³) равной 250 выражается уравнением регрессии, которое имеет следующий вид:

${\lambda }_W=\mathrm{0,0521}+\mathrm{0,009}\cdot W-5\cdot {10}^{(-5)}\cdot W^2.$ (4)

 

Рис. 3. Зависимость коэффициента теплопроводности лузги клещевины λ_Пл.к. (Вт/(м∙К)) от пористости P_л.к. (%)

 

Зависимость коэффициента теплопроводности лузги клещевины λ_Пл.к. (Вт/(м∙К)) от пористости P_л.к. (%), с учетом данных [9] выражается уравнением регрессии, которое имеет следующий вид:

${\lambda }_{(Пл.л)}=\mathrm{0,1935}+\mathrm{0,0047}\cdot P_{(л.к)}-3\cdot {10}^{-5}\cdot {P_{(л.к.)}}^2$ (5)

Анализ полученных результатов выполнен с использованием основных положений теории горения. Теория горения, бурно развивающаяся молодая наука. Объяснение процессов горения стало возможным только в 20 веке. Основатель теории горения советский ученый академик Н.Н. Семенов, который внес важнейший вклад в её становление и развитие [10]. Скорость горения обусловлена не только химическими свойствами топлива, но переносом теплоты, давлением и прочим. Скорость химических реакций зависит от температуры и теплофизических свойств, в том числе и от коэффициента теплопроводности. При комнатной температуре топливовоздушная смесь хранится сколь угодно долго. Для начала процесса горения есть два пути: 1 - нагреть всю смесь до температуры самовозгорания; 2 - поднести к топливовоздушной смеси открытый огонь.

Условием горения является состояние, при котором количество теплоты, выделяемое во время процесса горения (Q_р.г.) превышает количество теплоты, которое отводится за счет теплопроводности (Q_тп) [11].

$Q_{(р.г.)}=A\cdot m\cdot e^{-\frac{E}{R\cdot T}}>Q_{\text{ТП}}=\frac{\lambda }{\delta }\cdot \Delta T\cdot F$ (6)

где А – тепловой эффект реакции, Дж/кг;

m – масса топлива, кг;

$e^{-\frac{E}{R\cdot T}}$ – экспоненциальная функция;

Е – энергия активации, Дж/моль;

R – газовая постоянная, Дж/(моль∙К);

T – температура, К;

λ – коэффициент теплопроводности, (Вт/(м∙К));

δ – толщина слоя, м;

F – площадь, м².

При этом необходимо отметить, что коэффициент теплопроводности характеризует эффективность или скорость передачи теплоты материалом. То есть, оценивая значения коэффициента теплопроводности можно сделать вывод о условиях протекания реакции горения. Он является своеобразным обобщающим параметром, влияющим на эффективность горения, в том числе и лузги клещевины. Более низкие значения коэффициента теплопроводности лузги клещевины соответствуют более эффективному горению, в то время как, более высокие – ухудшают его. Так с увеличением влажности от 2 до 18% и плотности лузги клещевины (рис. 2) коэффициент теплопроводности увеличивается примерно в четыре раза, что ухудшает условия протекания реакции горения. В то же время, с увеличением пористости лузги клещевины (рис. 3) до 70% коэффициент теплопроводности уменьшается примерно также - в четыре раза, что улучшает условия протекания реакции горения.

Проведенные нами ранее исследования показали, что с увеличением коэффициента теплопроводности увеличиваются и потери теплоты с уходящими газами [12], что также нежелательно.

В литературе отмечена возможность использования лузги клещевины в качестве биодизельного топлива [13, 14].

Заключение. Доказана возможность использования коэффициента теплопроводности лузги клещевины, как обобщающего параметра контроля эффективности её горения. Обоснованы параметры влияющие на коэффициент теплопроводности λ (Вт/(м∙К)) лузги клещевины такие как, влажность W (%), насыпная плотность ρ_н.п. (кг/м³) и пористость P_л.к. (%). Получены графические зависимости и эмпирические уравнения регрессии определения коэффициента теплопроводности лузги клещевины, с учетом указанных параметров. Установлено, что процесс горения происходит наиболее эффективно при коэффициенте теплопроводности лузги клещевины равном 0,05-0,09 Вт/(м∙К), влажности – 6-9%, плотности, при слоевом горении – 100-120 (кг/м³) и пористости 40-50%.

About the authors

Nikolay I. Struchaev

Melitopol State University

Email: takaytokey@mail.ru

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Melitopol

Andrey B. Chebanov

Melitopol State University

Author for correspondence.
Email: chebanov-ab@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8457-0574

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Melitopol

Svetlana V. Adamova

Melitopol State University

Email: adamova164@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4857-4524

Senior Research Fellow

Russian Federation, Melitopol

Konstantin N. Struchaev

Melitopol State University

Email: strucaevkonstantin@gmail.com
ORCID iD: 0009-0008-4130-8956

Рost Graduate student

Russian Federation, Melitopol

Dmitry A. Milko

Melitopol State University

Email: milkodmitry@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-0991-1930

Doctor of Technical Sciences, Professor

Russian Federation, Melitopol

References

Supplementary files