Надіслати цю статтю Температурне поле в круговому циліндричному каналі скінченної довжини, заповненому диспергованою масою, яка переноситься внаслідок обертання індукційно нагрітої геліси
Анотація
Проведено аналіз розподілу температурного поля в циліндричному круговому каналі скінченної довжини, заповненому дисперсною масою, яка рухається в осьовому напрямку з постійною швидкістю внаслідок обертання індукційно нагрітої геліси. Припускається, що вздовж геліси неперервним чином розподілені точкові джерела тепла. Вважається, що бічна поверхня каналу теплоізольована, а на його вході і на виході виконуються граничні умови третього роду для температури. Для розв’язування відповідної задачі теплопровідності застосовано метод розвинень шуканої функції в ряди Фур’є – Бесселя за кутовою і радіальною змінними, а також інтегральне перетворення Лапласа за часом. Послідовність диференціальних рівнянь у трансформантах розв’язано шляхом заміни невідомих функцій таким чином, щоб неоднорідні звичайні диференціальні рівняння перейшли в однорідні. Внаслідок переходу до оригіналів одержано точний розв’язок задачі, який з практичних міркувань обчислювального характеру замінюється наближеним розв’язком. Виконано детальний числовий аналіз просторових і часових характеристик температурного поля. Показано, що в цій задачі тривалість перехідного процесу є обернено пропорційною до квадрата швидкості руху маси, а амплітуди коливань температури у квазістаціонарному режимі досить слабкі. Проте ці коливання чітко проявляються тоді, коли їх аналізувати в певних напрямах, а особливо в умовах просторово-часового резонансу при відповідно підібраних швидкостях обертання геліси і прямолінійного руху диспергованої маси. Також встановлено ефект локального підвищення температури при малих швидкостях руху маси.
Зразок для цитування: O. П. Піддубняк, “Температурне поле в круговому циліндричному каналі скінченної довжини, заповненому диспергованою масою, яка переноситься внаслідок обертання індукційно нагрітої геліси”, Мат. методи та фіз.-мех. поля, 67, №1-2, 103–125 (2024), https://doi.org/10.15407/mmpmf2024.67.1-2.103-125
Ключові слова
Посилання
A. V. Lykov, Theory of Heat Conduction [in Russian], Vysshaya Shkola, Moscow (1967); English edition: A. V. Luikov, Analytical heat diffusion theory, Acad. Press, New York, 1968.
O. P. Piddubniak, N. G. Piddubniak, “Nonstationary temperature distribution in a thermally insulated concentric cylindrical channel with biomass moving under the influence of rotation of an electrically heated helix,” Mat. Met. Fiz. Mekh. Polya, 64, No. 1, 107–123 (2021) (in Ukrainian), https://doi.org/10.15407/mmpmf2021.64.1.107-123; English translation: J. Math. Sci., 274, No. 5, 708–729 (2023), https://doi.org/10.1007/s10958-023-06631-7
S. Aramideh, Q. Xiong, S. C. Kong, R. C. Brown, “Numerical simulation of biomass fast pyrolysis in an auger reactor,” Fuel, 156, 234–242 (2015), https://doi.org/10.1016/j.fuel.2015.04.038
L. Bartolucci, S. Cordiner, P. Mele, V. Mulone, “Defatted spent coffee grounds fast pyrolysis polygeneration system: Lipid extraction effect on energy yield and products characteristics,” Biomass Bioenergy, 179, Art. 106974 (2023), https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2023.106974
Biogreen. The pyrolyzer Spirajoule (2016), http://www.biogreenenergy.com/biogreen/spirajoule/
F. Campuzano, R. C. Brown, J. D. Martinez, “Auger reactors for pyrolysis of biomass and wastes,” Renew. Sustain. Energy Rev., 102, 372–409 (2019), https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.12.014
H. S. Carslaw, J. C. Jaeger, Conduction of Heat in Solids, Clarendon Press, Oxford (1959).
S. Cordiner, A. Manni, V. Mulone, V. Rocco, “Biomass fast pyrolysis process at laboratory scale: residence time and heating up evaluation in a shaftless screw reactor by means of a discrete element model approach,” in: Proc. CHT-17 ICHMT Int. Symp. on Advances Comput. Heat Transfer (May 28 – June 1, 2017, Napoli, Italy), Napoli (2017), pp. 1071–1083, https://doi.org/10.1615/ichmt.2017.cht-7.1180
P. P. G. Dyke, An Introduction to Laplace Transforms and Fourier Series, Springer–Verlag, London etc. (2001).
I. S. Gradshteyn, I. M. Ryzhik, Table of Integrals, Series, and Products, Acad. Press, Amsterdam etc. (2007).
E. Jiang, X. Su, M. Wang, L. Xiong, C. Zhao, X. Xu, “Design of variable pitch spiral conveyor for biomass continual pyrolysis reactor,” Trans. Chin. Soc. Agricult. Mashinery, 44, No. 2, 121–124 (2013) (in Chin. with Engl. abstract), https://doi.org/10.6041/j.issn.1000-1298.2013.02.023
G. A. Korn, T. M. Korn, Mathematical Handbook for Scientists and Engineers: Definitions, Theorems and Formulas for Reference and Review, Dover Publ., Mineola–New York (2000).
S. Ledakowicz, O. Piddubniak, “Analysis of non-stationary temperature field generated by a shaftless screw conveyor heated by Joule–Lenz effect,” Chem. Process Eng., 42, No. 2, 119–137 (2021), https://doi.org/10.24425/cpe.2021.138920
S. Ledakowicz, O. Piddubniak, “Temperature distribution in a finite-length cylindrical channel filled with biomass transported by electrically heated auger,” Energies (MDPI), 16, No. 17, Art. 6260, 23 p. (2023), https://doi.org/10.3390/en16176260
F. C. Luz, S. Cordiner, A. Manni, V. Mulone, V. Rocco, “Biomass fast pyrolysis in a shaftless screw reactor: A 1-D numerical model,” Energy, 157, 792–805 (2018), https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.05.166
Y. Makkawi, F. H. Pour, Y. Elsayed, M. Khan, O. Moussa, O. Masek, M. Badrelzaman, W. El Tahir, “Recycling of post-consumption food waste through pyrolysis: Feedstock characteristics, products analysis, reactor performance, and assessment of worldwide implementation potentials,” Energy Convers. Manag., 272, Art. 116348 (2022), https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.116348
A. Masmoudi, M. Hammami, M. Baccar, “Numerical simulation of thermal and mass behaviors during pyrolysis homogeneous reaction within a screw reactor,” Arab. J. Sci. Eng., 46, No. 12, 12549–12572 (2021), https://doi.org/10.1007/s13369-020-05295-8
K. Moser, E. Wopienka, C. Pfeifer, M. Schwarz, I. Sedlmayer, W. Haslinger, “Screw reactors and rotary kilns in biochar production – A comparative review,” J. Anal. Appl. Pyrolys., 174, Art. 106112, 19 p. (2023), https://doi.org/10.1016/j.jaap.2023.106112
R. W. Nachenius, T. A. van de Wardt, F. Ronsse, W. Prins, “Residence time distributions of coarse biomass particles in a screw conveyor reactor,” Fuel Process. Technol., 130, 87–95 (2015), https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2014.09.039
R. W. Nachenius, T. A. van de Wardt, F. Ronsse, W. Prins, “Torrefaction of pine in a bench-scale screw conveyor reactor,” Biomass Bioenergy, 79, 96–104 (2015), https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2015.03.027
L. Pezo, A. Jovanović, M. Pezo, R. Čolović, B. Lončar, “Modified screw conveyor-mixers – Discrete element modeling approach,” Adv. Powder Technol., 26, No. 5, 1391–1399 (2015), https://doi.org/10.1016/j.apt.2015.07.016
O. Piddubniak, S. Ledakowicz, “Modeling of heat transfer from an electrically heated rotating helix in a circular cylindrical channel filled with a biomass moving at a constant velocity,” Therm. Sci. Eng. Progress, 30, Art. 101265 (2022), https://doi.org/10.1016/j.tsep.2022.101265
R. Potnuri, D. V. Suriapparao, C. S. Rao, T. H. Kumar, “Understanding the role of modeling and simulation in pyrolysis of biomass and waste plastics: A review,” Bioresour. Technol. Rep., 20, Art. 101221 (2022), https://doi.org/10.1016/j.biteb.2022.101221
M. Raza, A. Inayat, A. Ahmed, F. Jamil, C. Ghenai, S. R. Naqvi, A. Shanableh, M. Ayoub, A. Waris, Y.-K. Park, “Progress of the pyrolyzer reactors and advanced technologies for biomass pyrolysis processing,” Sustainability (MDPI), 13, No. 19, Art. 11061, 42 p. (2021), http://doi.org/10.3390/su131911061
M. Romero, B. German, D. Rivadeneira, D. Chulde, A. Chico-Proano, R. A. Narváez, J. Martínez-Gómez, “Assessment of pilot-scale pyrolysis gas production as fuel for cogeneration,” Chem. Eng. Trans., 92, 211–216 (2022), https://doi.org/10.3303/cet2292036
Shaftless screw conveyors for pyrolysis of waste plastic and scrap tires.
– https://www.kwsmfg.com/resources/problem-solvers/shaftless-screw-conveyors-for-pyrolysis-of-waste-plastic-and-scrap-tires/.
X. Shi, F. Ronsse, R. Nachenius, J. G. Pieters, “3D Eulerian–Eulerian modeling of a screw reactor for biomass thermochemical conversion. Part 2: Slow pyrolysis for char production,” Renew. Energy, 143, 1477–1487 (2019), https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.05.088
R. Slezak, H. Unyay, S. Szufa, S. Ledakowicz, “An extensive review and comparison of modern biomass reactors torrefaction vs. biomass pyrolizers – Part 2,” Energies (MDPI), 16, No. 5, Art. 2212, 25 p. (2023), https://doi.org/10.3390/en16052212
S. H. Teo, H. L. Gan, A. Alias, L. M. Gan, “Internally heated screw pyrolysis reactor (IHSPR) heat transfer performance study,” IOP Conf. Ser.: Materials Science and Engineering, 342, Art. 012096, 11 p. (2018), https://doi.org/10.1088/1757-899X/342/1/012096
Q. Xiong, S. Aramideh, A. Passalacqua, S.-C. Kong, “Characterizing effects of the shape of screw conveyors in gas-solid fluidized beds using advanced numerical mo-dels,” Trans. ASME J. Heat Transfer, 137, No. 6, Art. 061008, 7 p. (2015), https://doi.org/10.1115/1.4029864
Q. Xiong, S.-C. Kong, A. Passalacqua, “Development of a generalized numerical framework for simulating biomass fast pyrolysis in fluidized-bed reactors,” Chem. Eng. Sci., 99, 305–313 (2013), https://doi.org/10.1016/j.ces.2013.06.017
F. Zhao, Y. Li, Z. Liu, “Numerical study on pyrolysis characteristics of oil-based drilling cuttings in a two-layer screw-driving spiral heat exchanger,” Clean Energy Sustainability, 2, No. 2, Art. 10008, 26 p. (2024), https://doi.org/10.35534/ces.2024.10008
Посилання
- Поки немає зовнішніх посилань.
Ця робота ліцензована Creative Commons Attribution 3.0 License.