Использование солнечной тепловой энергии для сушки пиломатериалов





Для Украины, как малолисистои и к тому же с низким уровнем использования лесных ресурсов государства, актуальным является решение такой важной научно-технической проблемы как разработка энерго-и материалоощадних способов сушки на базе универсальных высокоэффективных сушилок с нетрадиционными техническими источниками тепловой энергии (в частности, солнечной энергии).

Известно, что производительность любой сушилки регламентируется ее конструктивными габаритами, количеством одновременно загруженных штабелей, скоростью и равномерностью ее распределения по камере, породой и размерами объекта сушки (досок, черновых мебельных заготовок, рельсов и т.п.), режимами сушки и т д.

Одним из путей повышения производительности сушилок является уменьшение начальной влажности материала за счет использования на первом этапе сушки нетрадиционного метода обезвоживания с дальнейшим досушуванням в паровоздушной камерах. Другими словами, использование энергии солнечного излучения в комбинации с другими видами технической энергии позволяет получить оптимальное решение проблемы уменьшения энергозатрат на сушку. В свою очередь, разработка конструкций сушильных установок на базе солнечной энергии требовала создания теоретических основ взаимодействия инфракрасного излучения с древесиной на базе оптических свойств материала и сочетания и согласования их как с поглотителями (термоколекторамы), так и с климатологических характеристик окружающего воздуха, колебаниями температуры в течение суток для атмосферного и конвективной сушки осциллирующими режимами.

Решение проблемы успешного использования энергии солнечного излучения для сушки пилопродукции включало в себя следующие задачи:
1. анализ свойств солнечного тепла как экологически чистого вида энергии;
2. анализ климатологических карты и теплового баланса территории Украины;
3. анализ конструкций гелиосушарок зарубежного производства;
4. создание модели процесса сушки древесины с системой обогрева солнечной энергией;
5. разработка конструкций гелиотермичних коллекторов-поглотителей солнечной энергии, что дало бы возможность обеспечения непрерывного процесса сушки в периоды недостаточной энергии солнечной радиации.

Солнце как естественное источник тепловой энергии

К основным характеристикам Солнца как излучателя относятся его угловые размеры, энергетические и спектральные характеристики и степень их изменения по поверхности. Спектр излучения Солнца за пределами земной атмосферы примерно совпадает со спектром излучения черного тела, имеющего температуру 600 К. Энергетическая светимость составляет 6,2 * 107 Вт/м2. К поверхности Земли от Солнца через атмосферу доходит в основном излучения в диапазоне длин волн 0,3 ... 3,0 мкм с полосами поглощения парой воды, углекислого газа и озона.

Энергетическая освещенность, создаваемая Солнцем на плоскости, перпендикулярной направлению на Солнце, вне земной атмосферой составляет 1360 Вт/м2 (в перигее 1407 Вт/м2, а в апогее 1316 Вт/м2), на поверхности Земли освещенность находится в пределах 616-913 Вт/м2. Угловой размер солнечного диска при наблюдении с Земли равен примерно 32 ¢.

В свою очередь, при наблюдении Земли из Космоса рассматривают две составляющие излучения: отраженный поток и собственно излучения. Значение коэффициента отражения (альбедо) составляет 0,10 ... 0,80 (10 ... 80%), что объясняется различными метеоусловиями на отдельных участках земной поверхности различными условиями их облучения Солнцем. Собственно излучение Земли сравнимо по значению с отраженным солнечным излучением на длинах волн более 3 ... 4 мкм. На длине волны 5 мкм эти две составляющие равны между собой. Спектр излучения Земли в окнах прозрачности атмосферы зависит от температуры и типа излучающей поверхности: принимают что это излучение соответствует излучению абсолютно черного тела с температурой 300 К (27 Со). Излучения атмосферы в тех спектральных интервалах длин волн, где она поглощает излучение, аппроксимируется кривой излучения черных тел при 200 К. Интегральная плотность излучения системы "Земля-атмосфера" в космос равна 200 Вт/м2.

Излучение земного ландшафта зависит от его излучающих и отражающих свойств: значение интегральных коэффициентов излучения земной растительного покрова находится в пределах 0,85 ... 0,97. На практике характер собственного излучения земных покровов считают диффузным и допускают, что земная поверхность излучает как серое тело с коэффициентом излучения 0,35 в видимой области и 0,90 в ИК-области. Для длин волн более 4 мкм излучения многих природных покровов (почвы, растительности) принимают равным излучению черного тела при той же температуре. Альбедо большинства земных покровов (покрытий) составляет 0,15 ... 0,20 и только в диапазоне длин волн 0,70 ... 1,0 мкм доходит до 0,70 ... 0,80.

Что касается неба, то для длин волн менее 4 мкм основным источником свечения дневного неба рассеянное солнечное излучение. Цветовая температура дневного неба составляет (12 ... 18) * 103 К и в значительной степени зависит от положения Солнца на небе и высоты места наблюдения (строительства сушки) над уровнем моря. Например, монохроматическая яркость может изменяться в соотношении 300:1 при длине волны 0,50 мкм. Участка неба, которые являются противоположными Солнцу намного ярче участков, лежащих под углом 90 ° с направлением к нему.

Рассеянный свет ясного неба создает на земной поверхности освещенность, что составляет 20 ... 30% от освещенности солнечного излучения.

Ночью, когда рассеянное солнечный свет отсутствует, излучение неба определяется собственным излучением паров и газов, составляющих атмосферу. Максимум излучения при наблюдении с Земли находится в области около 10,50 мкм, а спектр его аналогичен спектру излучения черного тела при температуре атмосферы (для участков неба, близких к горизонту. При переходе к зениту яркость неба уменьшается более, чем в 2 раза. Энергетическая яркость неба в видимой области спектра колеблется в среднем в пределах (5,5 ... 8,5) * 10-7 Вт/м-2ср-1. Для верхних слоев атмосферы значительное влияние на излучение ночного неба имеют гидроксильные группы OH, которые вызывают появление полосового спектра. В частности, в полосе 2,8 ... 3,4 мкм его монохроматическая энергетическая яркость составляет 7 * 10-4 Вт м-2 ср-1 мкм-1.

Излучение пасмурного неба также состоит из отраженного и рассеянного солнечного и собственного теплового излучения. Первое преобладает в области длин волн до 3 мкм. Альбедо облаков при их наблюдении с высоты выше 30 мкм в диапазоне 0,30 ... 2,30 мкм в среднем равное 0,007, но максимальные его значения варьируют в пределах 0,45 ... 0,78. Собственно излучения достаточно мощных облаков можно рассчитать как излучение черного тела с температурой 200 ... 220 К.

Прозрачность атмосферы

Прозрачность атмосферы, характеризующий способность ее пропускать солнечную радиацию, является одной из очень важных свойств, определяющих поступление энергии солнечного излучения на поверхность облучения.

Солнечное излучение, проходя через атмосферу, ослабляется за счет поглощения и рассеяния молекулами различных газов, накоплений молекул (аэрозолей), туманом, дождем, снегом. При этом, поглощение излучения обусловлено главным образом присутствием в атмосфере молекул воды, углекислого газа и озона. Тогда газы, составляют, в основном, атмосферу (кислород, азот, аргон), дают лишь слабые полосы поглощения в инфракрасной (ИК-) области спектра. Следует отметить, что в большинстве случаев на практике их можно считать полностью прозрачными.

Пары воды является наиболее поглощающей смесью в составе атмосферы и может изменяться в довольно широких интервалах в зависимости от температуры, давления, высоты, времени года и географического расположения.

Основной характеристикой влажности атмосферы, как известно, является приведенная толщина слоя осажденного воды на километр трассы S (см / км), которая связана с плотностью жидкой воды r, относительной влажностью j и абсолютной влажностью насыщенного пара r н.п соотношением вида

S = r н.п j / r. (1)

Учитывая, что плотность воды примерно равна 1 г/см2,

то S = 105 r н.п j (см / км). (2)

В случае, когда абсолютное и относительное влажности на трассе постоянные, то значение SS (количество осажденного воды) определяется

SS = S * LT (LT - длина трассы, км. (3)

В общем случае с ростом высоты изменяются температура, относительная влажность. Изменение относительной влажности от высоты описывается уравнением

r н = r о * 100,20 Н, (4)

где r н - влажность на высоте Н (км);
r о - влажность на уровне моря.

Приведенная толщина слоя осажденного воды на километр трассы на уровне моря

SS = 0,492 3,094 * 10-2Ta +9,5 * 10-4 Ta2 2,888 * 10-5Ta3, (5)

где 0 £ Ta £ 40 Со.

Согласно исследованиям проф. Зуева водяной пар имеет полосы поглощения падающего солнечного излучения в диапазонах волн: 0,498 ... 0,5114; 0,542 ... 0,5478; 0,567 ... 0,578; 0,586 ... 0,606; 0,628 ... 0,7304; 0,926 ... 0,978; 1,095 ... 1,165; 1,319 ... 1,948 ; 1,762 ... 1,977; 2,520 ... 2,845; 4,24 ... 4,40; 5,25 ... 7,50 мкм.

В отличие от паров воды углекислый газ CO2 распределяется в атмосфере более равномерно (его концентрация составляет 0,030 ... 0,040%) и не зависит от высоты. При расчетах пропускания атмосферы, как правило, локальные и временные изменения содержания углекислого газа в атмосфере не учитывают.

Как поглотитель солнечного излучения углекислый газ характеризуется также наличием полос поглощения в спектральных интервалах: 1,38 ... 1,50; 1,52 ... 1,67; 1,92 ... 2,10; 2,64 ... 2,87; 4,63 ... 4,95; 5,05 ... 5,35; 12,5 ... 16,40 мкм.

Озон, в отличие от углекислого газа, распределен в атмосфере неравномерно и расположен в основном в верхних слоях атмосферы при фотохимические диссоциации молекул кислорода, когда атомарный кислород взаимодействует с молекулами кислорода. Как поглотитель озон характеризуется наличием полос поглощения в спектральных интервалах: 0,60; 4,63 ... 4,95; 8,30 ... 10,6; 12,10 ... 16,40 мкм.

Поток излучения при прохождении через атмосферу ослабляется также за счет рассеяния на молекулах воздуха и на частицах различных примесей (дыма, частиц растений, бактерий, капель воды, кристалликов льда различных органических остатков, которые были подняты ветром с поверхности Земли).

Рассеяния молекулами, аэрозолями, туманом и т.п. можно объяснить с помощью теории рассеяния Ма, которая является справедливой для малых частиц, размер которых значительно меньше длины волны (релеивське рассеяния), и для рассеяния на крупных частицах, размер которых значительно больше длины монохроматической волны. Следует отметить, что релеивське рассеяния существенное в видимой и ближней инфракрасной области спектра, т.е. в диапазоне 0,40 ... 2,5 мкм.

Изучению интегральной прозрачности атмосферы на Украине посвящены работы М. И. Гойсы, Г. Ф. Приходько, Л. З. Проха, Л. И. Сакало.
Зависимость напряжений прямой и рассеянной радиации от относительной влажности водяного пара у поверхности Земли для некоторых населенных пунктов и регионов Украины раскрыта в работах М. И. Щербаня, Л. С. Березин, К. И. Пилипенко, Л. И. Сакало, М. И. Гойсы.

Тепловой баланс территории Украины

Целесообразность использования тепловой энергии Солнца для сушки древесной пилопродукции, как мы видим, определяется климатом территории и зависит от географической широты, времени года, места расположения Солнца на небе относительно точки наблюдения и т.п. В свою очередь, климат любой территории земной поверхности формируется на основе взаимодействия таких факторов: особенностей атмосферной циркуляции, географического расположения, орографии местности, поступления солнечной радиации, абсолютной влажности воздуха и т.д.

Результаты исследований М. С. Гойсы показали, что суточные и месячные суммы прямой и суммарной радиации при ясном небе имеют широтное распределение по территории Украины, а распределение рассеянной радиации в пределах данной территории не зависит от географической широты. Как показал анализ солнечной карты Украины, суммарная радиация зимой изменяется в пределах от 25,1 кдж/см2 × сезон до 41,9 кдж/см2 × сезон. При этом минимальные значения суммарной солнечной радиации наблюдаются в декабре-месяце (6,28 ... 12,56 кдж/см2 × месяц).

Весной, когда имеет место переход от зимних слоистых форм облачности до летних купчатих, величина солнечной радиации изменяется в диапазоне 125,6 ... 150,7 кдж/см2 × сезон. В основном, зональное распределение сумм радиации сохраняется. Возникают заметные температурные контрасты, что проявляется в развитии купчатих облаков. В результате этих контрастов возникает резкий перепад в распределении суммарной солнечной радиации (60, 7 ... 69,1 кВт/см2 × сезон).

Для горных районов весной наблюдаются максимальные значения облачности, вызывающих снижены значение радиации, в связи с чем возникают замкнутые центры с ослабленным поступлением тепла до пидстиляючои поверхности.

Летом, когда имеет место наличие повышенных горизонтальных градиентов солнечной радиации, возникающие за счет значительных температурных контрастов и обусловливают появление местной облачности, суммарная радиация изменяется от 167,5 до 213,5 кдж/см2 × месяц.

Осенью, когда наблюдается ослабление поступления тепловой энергии за счет уменьшения влияния местных физико-географических особенностей в формировании терморадиацийного режима, значение суммарной радиации изменяется в довольно широких пределах (62,8 ... 92,1 кдж/см2 × сезон).

По исследованию климата Украинских Карпат Адриановым, Токмаковою, Бучинским, Бабиченко, Кисиленко, Шахновичем и др., то в этих исследованиях отсутствуют полные данные из теплового баланса западного региона Украины. Как показывает анализ результатов исследований, в Прикарпатье величина теплового баланса составляет зимой 1,67 ... 4,19 кдж/см2 × сезон, в Закарпатье - 8,37 ... 12,56 кдж/см2 × сезон. Зимой с небольшой протяженностью Карпат на территории Украины с севера на юг приток солнечной радиации, по мнению К.Т. Логвинова, А.М. Фаевського, Н.Н. Айзенберга почти не меняется. В частности, в Прикарпатье терморадиацийний баланс составляет 209,34 кдж/см2 × год, в Закарпатье - 251,2 кдж/см2 × год. Горы осуществляют динамический и термический влияние на вертикальные движения и могут существенно влиять на термодинамические свойства воздушных масс. Например, среднегодовые значения температуры в Закарпатье составляют 7 ... 9 Со, в Прикарпатье 5 ... 7 Со. Среднесуточная температура самого холодного месяца в Прикарпатье составляет -4 ... -5 Со, в Закарпатье колеблется в пределах -3 ... -4 Со, а в Карпатах на высотах более 1000 м понижается до -7 ... -8 Со. Зима в Прикарпатье начинается в конце ноября - начале декабря, в Закарпатье - в середине декабря и заканчивается в первой декаде марта.

Весной терморадиацийний баланс в западном регионе Украины изменяется в диапазоне от 67 кдж/см2 × сезон в Прикарпатье до 83,74 кдж/см2 × сезон на Закарпатье, а в горных районах составляет 67 кдж/см2 × сезон. В летний период тепловой баланс колеблется от 92,1 кдж/см2 × сезон (Прикарпатье) до 117,2 кдж/см2 × сезон (Закарпатье), в горных районах Карпат составляет 75,4 ... 92,1 кдж/см2 × сезон.

Осенью терморадиацийний баланс в Украинских Карпатах изменяется в пределах 4,19 ... 25,12 кдж/см2 × сезон. Осень - единственная пора года, когда терморадиацийни условия Прикарпатья и Закарпатья примерно одинаковы (20,9 ... 25,12 кдж/см2 × сезон).

Относительно теплового баланса Причерноморского степи, то суточный ход прямой солнечной радиации характеризуется такими специфическими особенностями:
1. большим значением дополудневих напряжений солнечной радиации за писляполудневи, что объясняется максимальным развитием морского бриза, который в сочетании с интенсивным турбулентным обменом увеличивает сухую и влажную мутность атмосферы;
2. в суточном ходе прямой солнечной терморадиации может встречаться дополудневий или послеполуденного минимум;
3. правильным ходом прямой солнечной радиации.

Следует отметить, что наличие близости моря вызывает ослабление солнечного излучения в прибрежной полосе водяным паром и аэрозолями (частицы соли, которые образовались вследствие испарения капелек воды, попавших в атмосферу за счет волнения моря.

Относительно теплового баланса территории Крыма, то наибольшие надрходження солнечного тепла имеют место летом (1193,85 кдж/см2 × мин) в прибрежных районах, а наименьшие (150,72 кдж/см2 × мин) - в центре полуострова и на северных районах Крымских гор . Годовые суммы солнечной радиации изменяются в диапазоне 494,0 ... 531,7 кдж/см2 × год.

В весенние месяцы, когда на распределение солнечной радиации существенно влияют брызги, которые, в свою очередь, вызывают увеличение количества солнечных дней, наибольшие суммы терморадиацийного излучения достигают 164,54 кдж/см2 × месяц, а наименьшие - 149,1 кдж/см2 × месяц . Осенью значение солнечной терморадиации варьируют в пределах 34,3 ... 36,4 кдж/см2 × сезон.

Поэтому, учитывая выше описанное, можно констатировать, что тепловой баланс Украины позволяет успешно использовать энергию солнечного излучения для сушки пилопродукции и различных материалов растительного происхождения (лекарственных растений, листья табака и т.п.).

Pages:
2 1







Last Advertisement
Login
Log in:  
Password:  
 
You must register to get additional capabilities in the system, Registration is free

Использование солнечной тепловой энергии для сушки пиломатериалов - www.PromWood.com
Users OnLine: 
History forestry | Woodworking | Species of wood | Wood drying | Machinery and equipment | Finishing wood | Biofuel | Charcoal | Forest handbook | Охота