Puidukuivatite simuleerimine

Arvutisimulatsioonid puidukuivatite

disainis

Vahur ZadinTartu 2016

IMS-i ülevaade

• EAP kunstlihased• Simulatsioonid

• Kompaktne lineaarpõrguti(CERN) • Mikroakud• Polümeer elektrolüüdid• Kunstlihased• Optimaalsed disainid• Vedelikudünaamika

Engineering• SHEE• FITS.ME• Design of large scale equipment

(1MW tuulegeneraatori osad, martäänahjud,..)

Kompuuternägemine:• Pilditöötlus(superresolutioon)• Inimese-arvuti interaktsioonid (emotsioonide mõistmine)• Arvutigraafika(3D kaart) V. Zadin, University of Tartu

SHEE – Self Deployable Habitat for Extreme Environments

V. Zadin, University of Tartu

Arvutisimulatsioonid IMS-is

• Kõik simulatsioonid alates atomistlikest kuni makroskoopilistenid– Alates DFT-st kuni lõplike

elementide meetodini• Võimekus arendada ja rakendada

uusi metoodikaid• Võimekus läbi viia multiskaala

simulatsioone– Mehaanika– Soojuse, massi transport

V. Zadin, University of Tartu

Puidukuivatite simuleerimine

• Odav – tehnilise lahenduse testimiseks ei pea reaalset seadet (kuivatit) ehitama• Paindlik – lahenduse leidmine

spetsiifilistele probleemile

Puidukuivatite modelleerimise põhimõtted

Temperatuur kuivatis ja

puidus

Puidu niiskussisaldus

Õhu niiskussisaldus

Õhu liikumine

Tihedalt pakitud materjali simuleerimine:• Geomeetriline mudel kõigi

detailide jaoks• Keskmistatud materjali

jaotus

Kasutatav metoodika publitseeritud rahvusvahelises eelretsenseeritud teadusajakirjas*

*Zadin, V., Kasemägi, H., Valdna, V., Vigonski, S., Veske, M., & Aabloo, A. (2015). Application of multiphysics and multiscale simulations to optimize industrial wood drying kilns. Applied Mathematics and Computation. V. Zadin, University of Tartu

Puidukuivati disaini optimeerimine

• Halupuidu kuivatamine – odav, lihtsalt ehitatav, samas vajadustele kohandatud kuivati• Lahendatud kuus erinevat juhtumit Eesti väikeettevõtetele• Kõik ettevõtted said EAS-i toetusi

V. Zadin, University of Tartu

Õhu liikumine kuivatis

• Ühtlane õhuvool tagab ühtlase kuivamise!• Õhu voolu jaotus on

optimeerimise lähtepunkt• Lõpptulemus sõltub olulisel

määral nii kasutatavatest ventilaatoritest kui ka võimalikest geomeetrilistest piirangutest• Geomeetria optimeerimine

aitab saavutada ühtlas õhu voolu jaotust kõrgetel vent. kiirustel

vin=8m/s

vin=5m/svin=8m/s

V. Zadin, University of Tartu

Kuivamise dünaamika

vin=5m/s

vin=8m/s

vin=8m/s

V. Zadin, University of Tartu

Väikesemahuline, enrgiatõhus kuivatamine

• Päikeseenergia kasutamine puidu kuivatamiseks• Tisleripuidu kuivatamine

• Aeglane, tsükleeriv ja automaatsel niiskust reguleeriv kuivatussüsteem• Energiakulu kuivatamisel minimaalne• Efektsiivselt rakendatav suvekuudel

Õhu liikumine kuivatis

V. Zadin, University of Tartu

Temperatuuri jaotused kuivatis

• sissepuhe peal, 1h ja 2h peale kütmise alustamist

V. Zadin, University of Tartu

Puidu niiskussisaldus kuivatamistsükli vältel

V. Zadin, University of Tartu

Kokkuvõte

• Puidu kuivamise detailne rekonstrueerimine terve kuivati ulatuses• Õhu liikumise, temperatuuri ja niiskuse jälgimine igas

kuivatuskambri punktis• Võimalus optimeerida kuivatamise protsessi,

kuivatuskambri kuju või kuivatatava materjal jaotust• Võimalus testida uudseid lahendusi enne tegeliku

seadme ehitust!

V. Zadin, University of Tartu

Tänan tähelepanu eest!

Coupled mass, heat and moisture transport

• Navier-Stokes eq. or k-e model for air flow• Brinkman equation (NS for porous media) for air flow in wood stacks

𝜕𝜕𝑡 (𝜌𝑌 )+𝛻 ∙(𝜌𝐮𝑌 )=𝛻 ∙ (𝜌 𝐷𝛻𝑌 )+ 𝐽 𝑣𝑜𝑙

𝜌wd𝑤𝑑𝑡 =− 𝐽𝑣𝑜𝑙

𝐽𝑣𝑜𝑙=𝑎𝑠𝑝𝑒𝑐𝛼𝑚(𝑤−𝑤∗)

𝜌𝐶𝑝𝜕𝑇𝜕𝑡 +𝜌𝐶𝑝𝐮 ∙𝛻𝑇=𝛻 ∙ (𝜅𝛻𝑇 )+𝑄

Moisture balance: Heat balance:

𝑄=− 𝜆∙ 𝐽 𝑣𝑜𝑙−𝒏 ∙ (−𝜅 𝛻𝑇 )=h (𝑇 𝑒𝑥𝑡−𝑇 )

Homogenization of drying material:

𝜅𝑒𝑞=𝜃𝑤𝜅𝑤+𝜃𝑎𝑖𝑟 𝜅𝑎𝑖𝑟

¿

𝑎𝑠𝑝𝑒𝑐=3𝜃𝑤/𝑟 𝑒𝑓𝑓Optimization (uniform horizontal flow):

𝐹=1𝑉∫𝑢𝑦2 𝑑𝑉 +

1𝑉 ∫√ (𝑢𝑥−𝑢𝑥)2𝑑𝑉

BOBYQA gradient free method

V. Zadin, University of Tartu