CC BY
38
ВЕСТНИК .-f««..«
5/2012
УДК 666.91
М.В. Павлов, Д.Ф. Карпов, А.А. Синицын
ФГБОУ ВПО «ВоГТУ»
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА СЫПУЧЕГО ДИСПЕРСНОГО МАТЕРИАЛА НА ПРИМЕРЕ ФРЕЗЕРНОГО ТОРФА В УСЛОВИЯХ ИНФРАКРАСНО-ЛУЧИСТОГО ОБОГРЕВА
Знание теплового баланса является необходимым условием при изучении процессов термовлагопереноса в теле. В экспериментальных условиях по отражательной способности поверхности вещества выполнен расчет теплового баланса сыпучего дисперсного материала на примере фрезерного торфа при работе источника инфракрасного излучения. Проведено сравнение результатов работы с литературными данными.
Ключевые слова: сыпучий дисперсный материал, фрезерный торф, инфракрасно-лучистый обогрев, источник инфракрасного излучения, термовлажностный режим, деятельная поверхность, тепловой баланс, альбедо, радиационный баланс, тепломассоперенос.
Процессы, происходящие на границе раздела сред, «закладываются» в граничные условия при решении дифференциальных уравнений тепломассообмена. Задание граничных условий осуществляется двумя путями [1]: либо определением хода изменения температуры и влажности во времени на поверхности исследуемого тела, либо установлением теплового баланса на его границе. В первом случае решение и результат сильно упрощаются, поскольку вместо сложного выражения для теплового баланса со всеми его компонентами фигурируют известные температура и влажность. Физически понятно, что потенциалы энергии и массы являются результатом всех энергетических воздействий на деятельной поверхности материала, которые могут заменить весь сложный комплекс элементов теплового баланса. Данный путь имеет существенный недостаток, так как он не раскрывает всесторонне физическую картину процессов, идущих на границе исследуемого объекта. Изучение теплового баланса дает возможность понять в полной мере физику явлений, важнейшие энергетические особенности материала и их органическую связь с окружающей средой. Таким образом, процессы тепло- и массопереноса в слое вещества должны быть рассмотрены не изолированно, а как результат полного теплового баланса, охватывающего в единое целое верхний слой объекта и нижний слой атмосферы.
Потенциалы энергии и массы в любой точке сыпучего дисперсного материала могут изменяться под действием следующих факторов [2, 3]:
тепломассообмен с внешней средой (инфракрасное излучение, ирригационные процессы, кондиционирование микроклимата);
теплопроводность, конвекция и излучение между фазами вещества, диффузия влаги, термодиффузионный эффект;
тепломассообмен с воздухом (конвективный теплообмен, адвекция, испарение и конденсация водяного пара);
внутренние химические реакции и биологические процессы (теплота смачивания, радиоактивный распад).
Поток электромагнитного излучения, поступающий на поверхность тела при инфракрасно-лучистом обогреве, преобразуется во внутреннюю (тепловую) энергию. Нагрев верхнего слоя дисперсного материала активизирует процессы тепломас-сопереноса, происходящие между его деятельной поверхностью и окружающей сре-
дой, а также между смежными слоями, которые вызывают изменения температуры и влагосодержания вещества во времени и по глубине залегания.
Для аналитического описания термовлажностного режима дисперсного материала в условиях инфракрасно-лучистого обогрева необходимо исследовать его тепловой баланс (рис. 1), который включает приходные, расходные и аккумулятивные статьи.
Рис. 1. Тепловой баланс дисперсного материала при инфракрасно-лучистом обогреве
Поток электромагнитного излучения Qinf (см. рис. 1) от источника инфракрасного излучения падает на поверхность сыпучего материала, где преобразуется во внутреннюю энергию вещества. Основным элементом всех тепловых эффектов на деятельной поверхности приемника излучения, где происходит трансформация лучистой энергии в тепловую, является притекающая к ней прямая коротковолновая радиация QjSn1W. Кроме того, итоговая величина Qinf включает в себя рассеянную Qinif!p (притекает к деятельной поверхности после рассеяния энергии молекулами газов, входящих в состав воздуха, пылинками, инородной смесью, ионами) и длинноволновую Q]^í (часть прямой радиации, поглощенной водяными парами, атмосферными газами и пылью) радиацию.
В список расходных статей теплового баланса Qгef входят коротковолновая суммарная радиация Qг™ и длинноволновое излучение QГJ сыпучего вещества. Разность между Qi1nW и Й- образует эффективное излучение Qeff.
Радиационный баланс Qгad равен разности потоков падающей Qinf и отраженной Qгef теплоты от поверхности приемника. Аккумулятивная составляющая теплового баланса Qгad расходуется на нагрев глубинных горизонтов Qг1atd, испарение влаги из материала QГ2d и турбулентный теплообмен с пограничным слоем воздуха Qгc°n.
для определения приходных, расходных и аккумулятивных составляющих теплового баланса сыпучего дисперсного материала используют показатель отража-
© Павлов М.В., Карпов Д.Ф., Синицын А.А., 2012
115
ВЕСТНИК
5/2012
тельной способности поверхности вещества — альбедо, которое рассчитывается по уравнению [4], %
А _
Qref 100 _ 0'Уп£ Qrad Ю0
(1)
Qiní Qiní
Для нахождения коэффициента А в экспериментальных условиях разработано устройство, которое включает в себя два идентичных тепловоспринимающих элемента (далее ТВЭ) (рис. 2). Каждый ТВЭ состоит из гладкой металлической пластины 1, приемная поверхность и боковые грани которой покрыты черной влагонепроницаемой краской 2. Задняя поверхность пластины 1 закрыта слоем теплогидроизоляции 3 со светоотражательной пленкой 4. В центральной части пластины 1 закреплен спай хромель-алюмелевой термопары 5, который регистрирует нагрев пластины во времени. Приемные поверхности пластин ТВЭ установлены на одном уровне, параллельно поверхности исследуемого материала. ТВЭ расположены на расстоянии между источником инфракрасного излучения и исследуемым материалом.
Рис. 2. Внешний вид и схема ТВЭ: 1 — металлическая пластина; 2 — черная влагонепроницаемая краска; 3 — слой теплогидроизоляции; 4 — светоотражательная пленка; 5 — хромель-алюмелевая термопара
Рассмотрим экспериментальный способ определения альбедо деятельной поверхности сыпучего дисперсного материала на примере фрезерного торфа (рис. 3). Электрический инфракрасный излучатель ЭЛК 10R 1 формирует переменный во времени поток электромагнитного излучения. Фрезерный торф 2, расположенный в опытной площадке 3, которая изнутри покрыта слоем теплогидроизоляции Изоком-П 4, получает от источника теплоты 1 часть исходного лучистого потока интенсивностью qinf _ qinf (0, т) . На величину входного qinf и выходного qmt тепловых потоков металлические пластины ТВЭ 5 реагируют соответствующими изменениями температур. Данные от устройств 5 с помощью хромель-алюмелевых термопар Т0 и Т1 6 передаются через аналого-цифровой преобразователь ICPCON 1-7014 и конвертер ICPCON 1-7520 на энергонезависимую память компьютера.
Рис. 3. Внешний вид и схема экспериментальной установки по определению альбедо сыпучего дисперсного материала: 1 — инфракрасный излучатель; 2 — фрезерный торф; 3 — опытная площадка; 4 — слой теплогидроизоляции; 5 — ТВЭ; 6 — хромель-алюмелевые термопары; 7 — преобразователь плотности теплового потока
Характер изменения температур ТВЭ (рис. 4) позволяет судить о соотношении между входным и выходным дга потоками теплоты, т.е. об альбедо деятельной поверхности материала, %:
A = ^100 =
?inf
100,
где и qгef — потоки теплоты соответственно от источника инфракрасного излучения и исследуемого материала; to и ^ — температуры пластин, обращенных приемными поверхностями соответственно к источнику инфракрасного излучения и исследуемому материалу; т — время.
,00oo°> ûûûû ûoc
0 3° 0o°00°
о . О jr
о о J^iîîÎA >îît—
Время т, с
Рис. 4. Режим нагрева металлических пластин ТВЭ:
- T0; • — T1
Согласно рис. 4 нагрев металлических пластин ТВЭ 5 (см. рис. 3) описывают линейные графики, функции которых имеют вид соответственно, °С:
ТО: ^ = 0,0118т+19,948, Я2 = 0,9164;
(3)
Т1: ^ = 0,0041т + 19,059, Я2 = 0,9405. (4)
Тогда альбедо деятельной поверхности торфа с учетом формул (2)—(4) составит
ВЕСТНИК
5/2012
A =
d (0,0041т + 19,059) dx
d ( 0,0118т+19,948) d т
100 = 0=0041 -100 = 34,7%. 0,0118
Авторы в [5] и [6] свидетельствуют о низкой отражательной способности торфа, равной соответственно 9 и 10.. .15 %. Фрезерный торф в условиях проводимых измерений имел плотное, ровное сложение и относительно невысокую влажность W = 1,2 г/г (при влагоемкости ^тах = 5,0 г/г), что, вероятно, способствовало повышению теплоотражательных свойств его поверхности.
Регистрация преобразователем плотности теплового потока ПТП-0,25 7 (см. рис. 3) измерителя ИПП-2 хода изменения ды = ды (0, т) при известном коэффициенте А дает возможность для расчета по соотношению (1) остальных составляющих теплового баланса на деятельной поверхности торфяной почвы — д1е1 и дга(1 (рис. 5).
Рис. 5. Тепловой баланс фрезерного торфа q: о — прямая радиация qinf; А — радиационный баланс qrad; ◊ — отраженный поток энергии qref
Одним из ключевых результатов решения теплового баланса сыпучего дисперсного материала является нахождение радиационного баланса вещества. Дальнейшие исследования аккумулятивной составляющей qrad позволят достоверно определить граничные условия второго рода (по энергии и массе на границе тела), необходимые при постановке и решении краевой задачи термовлагопереноса. Последнее, в свою очередь, создает возможности для прогнозирования и управления термовлажност-ным режимом материала во времени и по глубине залегания в зависимости от тепловых процессов, происходящих на его деятельной поверхности.
Библиографический список
1. ЧудновскийА.Ф. Физика теплообмена в почве. Л.-М. : Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1948. 220 с.
2. Лыков А.В. Явления переноса в капиллярно-пористых телах. М. : Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1954. 296 с.
3.ХэнксР.Дж.,Ашкрофт Дж.Л. Прикладная физика почв. Температура и влажность почвы : пер. с англ. Л. : Гидрометеоиздат, 1985. 151 с.
4. Шеин Е.В. Курс физики почв. М. : Изд-во МГУ, 2005. 432 с.
5. Антонов В.Я., Малков Л.М., Гамаюнов Н.И. Технология полевой сушки торфа. М. : Недра, 1981. 239 с.
6. Рекультивация выработанных торфяных месторождений (биологический этап) для сельскохозяйственного использования в Центральном экономическом районе РСФСР: рекомендации / Т.С. Коренова, Д.А. Мусекаев, И.Н. Скрынникова и др.; под ред. А.Е. Быковской. М. : Россельхозиздат, 1987. 33 с.
Поступила в редакцию в апреле 2012 г.
Об авторах: Павлов Михаил Васильевич — старший преподаватель кафедры теплогазос-набжения и вентиляции, ФГБОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ВоГТУ»), 160000, г. Вологда, ул. Ленина, д. 15, pavlov_kaftgv@mail.ru;
Карпов Денис Федорович — старший преподаватель кафедры теплогазоснабжения и вентиляции, ФГБОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ВоГТУ»), 160000, г Вологда, ул. Ленина, д. 15, karpov_denis_85@mail.ru;
Синицын Антон Александрович — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры теплогазоснабжения и вентиляции, ФГБОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ВоГТУ»), 160000, г. Вологда, ул. Ленина, д. 15, nee-energo@yandex.ru.
Для цитирования: Павлов М.В., Карпов Д.Ф., Синицын А.А. Экспериментальное исследование теплового баланса сыпучего дисперсного материала на примере фрезерного торфа в условиях инфракрасно-лучистого обогрева // Вестник МГСУ 2012. № 5. С. 114—119.
M.V. Pavlov, D.F. Karpov, A.A. Sinitsyn
EXPERIMENTAL RESEARCH OF THE THERMAL BALANCE OF LOOSE DISPERSE MATERIALS EXEMPLIFIED BY MILLED PEAT EXPOSED TO INFRARED HEATING
Good knowledge of thermal balance is a prerequisite of successful mastering of the processes of heat and water transfer within a body. Given the reflective power of the substance surface under consideration, the analysis of the thermal balance of a loose disperse material was performed. A sample of milled peat served as the loose disperse material exposed to infrared heating. The practical results were compared to those available in the literature.
One of the key results of the experiment represents identification of the radiation balance of the substance. Further research of the heat accumulation capacity grad will make it possible to identify the boundary conditions (energy and mass at the body boundary) required to formulate and solve the boundary problem of thermal and moisture transfer. The latter will make it possible to project and to manage the thermal and moisture mode of materials in terms of timing and depth subject to thermal processes underway on their surface.
Key words: loose disperse material, milled peat, infrared heating, source of infrared radiation, thermal and humidity modes, active surface, thermal and radiating balances, albedo.
References
1. Chudnovsky A.F. Fizika teploobmena vpochve [Physics of Heat Exchange in the Soil]. Leningrad -Moscow, State Publishing House of Theoretical Technical Literature, 1948, 220 p.
2. Lykov A.V. Yavleniya perenosa vkapillyarno-poristykh telakh [Phenomena of Transfer in Capillary-Porous Bodies]. Moscow, State Publishing House of Theoretical Technical Literature, 1954, 296 p.
3. Hanks R.J., Ashcroft G.L. Prikladnaya fizika pochv. Temperatura i vlazhnost'pochvy [Applied Soil Physics. Soil Water and Temperature. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1985, 151 p.
4. Sheyin E.V. Kurs fiziki pochv [Course of Physics of Soils]. Moscow, Moscow State University Publ., 2005, 432 p.
5. Antonov V.Ya., Malkov L.M., Gamayunov N.I. Tekhnologiya polevoy sushki torfa [Technology of Field Dehydration of Peat]. Moscow, Nedra Publ., 1981, 239 p.
6. Korenova T.S., Musekaev D.A., Skrynnikova I.N., edited by A.E. Bykovsky. Rekul'tivatsiya vyrabotannyh torfyanykh mestorozhdeniy (biologicheskiy etap) dlya sel'skohozyaystvennogo ispol'zovaniya v tsentral'nom ekonomicheskom rayone RSFSR [Restoration of Exhausted Peat Deposits (Biological Stage) for Agricultural Use in the Central Economic Region of the Russian Soviet Federal Socialist Republic]. Moscow, Rossel'khozizdat Publ., 1987. 33 p.
About the authors: Pavlov Mikhail Vasil'evich — Senior Lecturer, Department of Heat, Supply and Ventilation, Vologda State Technical University (VoSTU), 15 Lenina st., Vologda, 160000, Russian Federation, pavlov_kaftgv@mail.ru;
Karpov Denis Fedorovich — Senior Lecturer, Department of Heat, Supply and Ventilation, Vologda State Technical University (VoSTU), 15 Lenina st., Vologda, 160000, Russian Federation, karpov_denis_85@mail.ru;
Sinitsyn Anton Alexandrovich — Candidate of Technical Sciences, Associated Professor, Department of Heat, Supply and Ventilation, Vologda State Technical University (VoSTU), 15 Lenina st., Vologda, 160000, Russian Federation, nee-energo@yandex.ru.
For citation: Pavlov M.V., Karpov D.F., Sinitsyn A.A. Eksperimental'noe issledovanie teplovogo balansa sypuchego dispersnogo materiala na primere frezernogo torfa v usloviyakh infrakrasno-luchistogo obogreva [Experimental Research of the Thermal Balance of Loose Disperse Materials Exemplified by Milled Peat Exposed to Infrared Heating]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 5, pp. 114—119.
