Дымогенератор является барабанным аппаратом (рис.1), внутри которого перемещаются стальные шарики (насадки) и опилки. Стальные шарики (насадка) разогреваются магнитным полем индуктора, теплота от них передается опилкам (материалу) и обеспечивает их пиролиз.
Рис. 1. Расчетная схема дымогенератора:
1 - загрузочный патрубок, 2 - барабан, 3 - древесные опилки, 4 – стальные шарики (насадки), 5 – транспортное устройство, 6 - разгрузочный бункер, 7 – патрубок отвода влажной воздушной смеси, 8 – патрубок отвода дыма, 9 - патрубок удаления золы.
Аппарат работает в непрерывном режиме, опилки в левой части непрерывно подаются через загрузочный патрубок. Твердый остаток, образующийся в результате пиролиза опилок, выводится в правой части аппарата в разгрузочный бункер, а далее через патрубок удаления золы. С помощью специального транспортного устройства, расположенного в центральной части аппарата, осуществляется рециркуляция стальных шариков насадки [1; 3].
В слой насадки и материала через распределительное устройство подается обогащенная азотом воздушная смесь, которая предварительно приготавливается методом ультрафильтрации. Смесь имеет пониженное содержание кислорода во избежание сгорания опилок.
По длине аппарата устройство можно разделить на 5 зон.
В зоне 1 происходит нагревание опилок от начальной (комнатной) температуры до температуры кипения воды в опилках (100 °С).
В зоне 2 осуществляется удаление влаги из опилок. Температура опилок здесь изменяется несущественно и примерно равно 100÷120·°С.
В зоне 3 осуществляется подогрев обезвоженных опилок до температуры начала пиролиза.
В зоне 4 осуществляются основные процессы пиролиза опилок: образование, испарение и возгонка основного количества продуктов разложения древесины. Эти процессы протекают в интервале температур от 270 до 450 ÷500 °С [1; 2;4]. В процессе пиролиза выделяется теплота в количестве 1÷1,25 МДж/кг. Масса твердого остатка в конце пиролиза составляет примерно 1/3 от начальной массы опилок.
Зона 5 служит для прокаливания твердого остатка при температуре не выше 550÷560 °С.
Материалы и методы
Все процессы, протекающие в аппарате, кроме процесса пиролиза, требуют подвода теплоты. В процессе пиролиза теплота выделяется. Это приводит к разогреву материала и насадки. Рециркуляция насадки позволяет полезно использовать теплоту пиролиза опилок на более ранних стадиях в зонах 1-3 [2].
Зона 1 – нагревание материала до температуры кипения воды. Выделим элемент слоя dx·h·l и составим уравнение теплового баланса для материала (рис. 2)
cм·Gм·dθм =
αнм·(θн– θм)l·h·fн·dx - 
, (1)
где cм, ,cг – теплоемкости
материала и газа; θм, ,θн–температуры
материала и насадки;
αнм – коэффициент
теплоотдачи от насадки к материалу.
Рис.2. Расчетная схема слоя дисперсного материала и насадки.
С
учетом сделанных оценок (
)из (1) следует:
(2)
Коэффициент теплоотдачи от продуваемого материала к поверхности частиц насадки определяется из критериального уравнения [3]
Nu=0,31 · Re0,5·
, (3)
гдеRe =
,Nu = 
Уравнение теплового баланса для насадки:
cн·Gн·dθн = - αнм·(θн – θм)l·h·fн·dx+qv·l·h (1- εн)dx , (4)
где qv– внутреннее тепловыделение на 1м3 материала насадки.
qv= 
, (5)
где Qмаг– тепловой поток, выделяемый насадкой в результате воздействия на нее магнитного поля индукционной системы.
Из (4) с учетом (5) следует:
(6)
Начальная температура материала принимается равной комнатной (θм(0) ≈ 20 °С), начальная температура насадки должна равняться ее конечному значению на выходе из барабана. Определяется начальная температура методом последовательных приближений.
Зона 2 – обезвоживание материала.
В зоне 2 температура материала примерно равна температуре кипения воды (θм= θмк ≈ 100°С).
Уравнение теплового баланса здесь получим из (6) подстановкой θм= θмк
(7)
Второе уравнение запишем для влажности материала:
, (8)
где r – теплота парообразования воды; W - абсолютная влажность материала (на 1 кг сухого материала)
(9)
Зона 3 – нагревание материала от температуры обезвоживания материала до температуры начала пиролиза.
Процесс в данной зоне описывается уравнениями (3) и (6), т.к. он практически не отличается от процесса в зоне 1. Отличными от зоны 1 будут только начальные температуры материала и насадки [6].
Зона 4 - пиролиз материала.
При достижении температуры θм = 270 °С начинается активный пиролиз опилок, который сопровождается бурным выделением тепла. Теплота пиролиза материала равна 1,0…1,2 МДж/кг [2].
В данном процессе температура материала резко увеличивается вследствие выделения теплоты пиролиза и температуры материала.
Уравнение теплового баланса в данной зоне отличается от (1) наличием дополнительного слагаемого, учитывающего теплоту пиролиз материала:
, (10)
где 
- средний
расход материала в зоне пиролиза; ΔGм -
потеря массы твердого материала вследствие выделения газов при пиролизе; qп - теплота пиролиза;
Lп- длина зоны пиролиза.
Конечный расход твердой фазы в зоне пиролиза равен:
, (11)
где
- массовая доля твердого остатка процесса
пиролиза опилок.
В уравнении (2) необходимо подставлять среднее значение для массового расхода материала:
(12)
Или с учетом (11):
(13)
(14)
С учетом (11) получим
(15)
Длина зоны пиролиза материала равна
, (16)
где
– время пиролиза; 
– скорость движения материала.
(17)
С учетом (13 – 17) из уравнения (10) следует
(18)
Распределение температуры в насадке описывается уравнением (19).
Зона 5 - прокаливание твердого остатка.
Поскольку газовыделение здесь незначительно, можно
считать, что расход твердой фазы материала не изменяется и равен 
[5].
С учетом этого обстоятельства уравнение теплового баланса (2) здесь приобретает вид:
(19)
Распределение температуры насадки по длине зоны описывается уравнением (6).
Результаты и обсуждение
Таким образом, из анализа математической модели процесса теплообмена в дымогенераторе между газом, насадкой и материалом в барабане можно сделать следующие выводы.
1. Тепловой поток от рециркулирующих насадок к газу пренебрежимо мал по сравнению с тепловым потоком от частиц к газу. Это объясняется большим отличием удельных поверхностей частиц материала.
2. Температура газа на выходе из слоя практически равна температуре материала (опилок) в данном сечении барабана, то есть теплообмен между газом и материалом полностью заканчивается внутри слоя.
3. Начальная температура материала равнакомнатной.
4.Начальная температура насадки равняется ее конечному значению на выходе из барабана.
5. Расход твердой фазы материала не изменяется и равен
.
Глотова И.А., д.т.н., профессор, заведующая кафедрой технологии переработки животноводческой продукции ФГОУ ВПО «Воронежский ГАУ», г.Воронеж;
Алексеев Г.В., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой процессов и аппаратов пищевых производств университета ИТМО, г. Воронеж.