CC BY
2
БОТ: 10.15587/2312-8372.2017.112507
ВПЛИВ ШВИДКОСТ1 ПОТОКУ ПОВ1ТРЯ В1ДНОСНО ОБТЮРАТОРА ТЕРМОСТАТА НА ЕФЕКТИВН1СТЬ 1НДУКОВАНОГО ТЕПЛОМАСООБМ1НУ
Погожих М. I., Пак А. О., Пак А. В., Чеканов М. А.
1. Вступ
Еколопчш проблеми, збшьшення вартост ененергоресуршв зумовлюють суттеву зацiкавленiсть харчових тдприемств до використання енергоефективних технологш та обладнання для переробки харчово! сировини та виробництва продукцп з не! [1]. На сьогодш актуальним е проблема переробки сшьськогосподарсько! сировини i продуктiв з метою зменшення !х втрат [2], збшьшення термшв зберiгання [3], шдвищення якостi харчових продуктiв [4] та !х конкурентоспроможностi [5].
Перспективним напрямом вирiшення цих завдань е використання у виробнищш iндукованих процесiв [6]. Для таких процешв перенесення теплоти, маси, iмпульсу, тощо не вщбуваеться самовiльно, а лише за умови подолання деякого енергетичного активацшного бар'ера [7]. Апарати, створеш на використанш таких процесiв, як правило, характеризуются високою енергоефективнiстю та екологiчнiстю [8].
2. Об'ект досл1дження та його технолоНчний аудит
Одним iз таких щдукованих процесiв е процес, в основi якого лежить ефект щдукованого тепломасообмшу (1нТМО) [9]. Цей ефект е об'ектом дослгдження. До сьогодш даний ефект отримав теоретичний розвиток лише в межах реашзаци процесу сушшня харчово! сировини (сушiння змшаним теплопщводом) [10].
Ефект 1нТМО спостершаеться в термостатi. Температура термостата Тгегтоэгм тдтримуеться постiйною, а його теплоемнють вважаеться нескiнченною. У видiленому об'емi всерединi термостата У^тшм знаходяться рщина об'емом УцЧшс1 i газ об'емом V'ёа5, який е сумiшшю повiтря i пари рiдини. Також у Vtermostat може мiститися нерозчинна або частково розчинна в рщиш суха речовина об'емом Vsolid, яка мае або ш певну структуру. Тиск у термостат Ркт^ш постшний i дорiвнюе атмосферному рю.
1з навколишнiм середовищем термостат сполучаеться через обтюратор, що являе собою отвiр у термостатi, iз розмщеним у ньому капiлярно-пористим тiлом (КПТ), об'ем якого значно менший внутршнього об'ему термостата Vobt<<Vtermostat. Площа поверхш обтюратора значно менша за площу поверхнi термостата Sobt<<Stermostat. Обтюратор обмежуе вiльний доступ газу навколишнього середовища до внутрiшнього об'ему термостата.
Термостат з двома або трьома фазами та обтюратором утворюють систему, яка мае два рiвноважних стани:
- нестшка рiвновага - температура вшх частин динамiчноi системи асимптотично прагне до температури термостата, при цьому практично вщсутнш масообмш з навколишшм середовищем;
- стiйка рiвновага температура всх частин динамiчноi системи дорiвнюе температурi термостата, при цьому рщка фаза всерединi термостата вiдсутня.
Сам ефект 1нТМО полягае у переходi системи вiд нестiйкоi рiвноваги до стшко1', який супроводжуеться розсiюванням теплоти за рахунок переходу рщко1' фази в термостат у газовий стан.
На сьогодш, незважаючи на велику юльюсть експериментальних даних, отриманих для ефекту 1нТМО, залишаеться недостатньо повно описаним фiзичний механiзм низки особливостей його протшання, пояснити якi, виходячи з теоретичних основ, наведених у роботах з його до^дження, неможливо [10]. Розвинення теоретичних основ ефекту 1нТМО обумовлюють перспективнiсть дослiдження, яка полягае у виявленш потенцiалу його використання в рiзних технологiях i технiцi та в ефективному керуванш витратами енергii з отриманням продукцп iз заданими властивостями.
Для виявлення особливостей 1нТМО проводився технологiчний аудит, який мав за мету встановлення впливу швидкосп потоку повiтря, що рухаеться вiдносно обтюратора термостата, на характер цього ефекту. При цьому дослщжувались експериментально отриманi к1нетики температури модельного колощного каптярно-пористого тша (ККПТ) у видтеному внутршньому об'емi термостата пiд час 1нТМО. А також розраховувався тепловий баланс даного ефекту за рiзних значень швидкост повiтря, що рухаеться вiдносно обтюратора термостата.
3. Мета та задачi дослiдження
Мета дослгдження - встановлення меж регулювання енергоефективносп ефекту 1нТМО шляхом виявлення впливу на його характер такого керуючого параметру, як швидксть потоку повiтря, що рухаеться вщносно обтюратора термостата.
Для досягнення поставленоi мети необхiдно:
1. Визначити положення характерних локальних мiнiмумiв та максимумiв на кiнетиках температури ККПТ шд час 1нТМО за рiзних значень дослiджуваного керуючого параметра.
2. Розрахувати енергетичний баланс ефекту 1нТМО за рiзноi швидкостi потоку повпря, що рухаеться вiдносно обтюратора термостата, для виявлення особливостей даного ефекту.
3. Проанаизувати вщмшност мiж кiнетиками теплового потоку, який витрачаеться у внутршньому середовищi термостата, за рiзноi швидкостi потоку повпря, що рухаеться вщносно обтюраторiв.
4. Дослцъня iснуючих р1шень проблеми
Система «оточуюче середовище - внутрiшне середовище термостата», за умови протiкання ефекту 1нТМО, е проточною по вщношенню до маси та теплово!' енергп динамiчною системою [11]. В таких системах можливi процеси самоорганiзацii, як обумовлюють ефективне розсiювання (дисипацiю) теплово1' енергii за рахунок фазових переходiв 1-го роду [12]. Для тако1' системи
видшяють двi групи napaMeTpiB: параметри порядку - внутршт властивостi системи, як визначають масштаб 1нТМО та його кшетику; керуючi параметри -чинники, як дозволяють регулювати потужнiсть ефекту зовшшшми дiями.
В роботi розглядаеться можливiсть керування iнтенсивнiстю ефекту 1нТМО його керуючими параметрами. При цьому iснуючi рiшення даного проблеми можуть бути знайденi, виходячи i3 необхщних i достатнiх умов органiзацiï ефекту 1нТМО. Серед них необхiдно видшити умову, яку повиннi виконувати складовi динамiчноï системи для реалiзацiï 1нТМО: наявнiсть флуктуацiï на границi роздшу мiж внутрiшнiм та зовнiшнiм середовищем. Технiчна реалiзацiя даноï умови забезпечуеться способом створення потоку повiтря, що рухаеться вщносно зовнiшньоï поверхнi обтюратора, та його параметрами. Флуктуацп' концентрацй молекул води внутрiшнього газового середовища створюються механiчними збуреннями, якi можна реалiзувати зовнiшнiм [13] або внутршшм [14] газовим середовищем термостата.
Перший iз способiв створення флуктуацп' мо . бути органiзований шляхом обдування зовнiшньоï по вiдношенню до внутршньо1' частини термостата поверхнi обтюратора. Обдування зовнгшньо!' поверхнi обтюратора потоком повпря проводиться зi швидюстю, за яко!' режим плину повiтря вiдповiдае турбулентному режиму плину. В результат утворення турбулентних збурень бiля поверхнi, що омиваеться потоком повiтря, в потощ виникають пульсацй' швидкосп повiтря [15], перпендикулярш до його напряму. Таю пульсацй', як1 мають стохастичний характер [16], i створюють флуктуацп параметрiв газового середовища термостата в о6^м! обтюратора тд час 1нТМО.
1ншим способом створення флуктуацiй концентрацй' молекул води внутршнього газового середовища в о6^м! обтюратора е збудження мехашчних коливань в даному середовищi. Збудження коливань можливе шляхом генерацп звукових коливань [17] вщповщно1' частоти у суцтьному газовому середовищi всерединi термостата вщповщними пристроями (шфразвуковими [18], ультразвуковими [19], звуковими [20] генераторами тощо).
Однак необхщно вщмпити, що наявшсть потоку повпря вщносно зовшшньо1' поверхш обтюратора необхщна як за першого способу органiзацiï флуктуацй' концентрацiï, так i з. рут^го. Потк повпря, по-перше може створювати за необхщносп флуктуацiю в обтюратор^ По-друге, вш зменшуе дифузшний шар, який утворюеться молекулами рщини у газовому стан через масообмш мш навколишшм середовищем та внутршшм середовищем термостата та який зменшуе гращент концентрацй' молекул води в о6^м! обтюратора. Зменшенню градiенту концентрацй' молекул води в обтюратор1 сприяе зменшення величини щдукованого потоку маси. Таким чином, з точки зору ефективносп 1нТМО, оргашзац1я руху повпря вщносно зовншньо1' поверхш обтюратора е необхщною як за першого способу створення флуктуацй', так i за другого. Виходячи з означеного в робот проводились дослщження з виявлення впливу на характер ефекту 1нТМО одше1' !з характеристик потоку повпря, що рухаеться вщносно обтюратора термостата - його швидкосп.
5. Методи дослщжень
У дослщженш викоpистовyвaвся теpмостaт, внyтpiшнiй видiлений об'eм якого мав фоpмy пapaлелепiпедy (pис. 1) з pозмipaми 95x15x22 мм (тепломасообмшний модуль (TMO-модуль), який обмежye видшений внyтpiшнiй об'eм теpмостaтa). Обтюpaтоpи виконаш на площинi 95x15 мм TMO-модуля. Шиpинa площини обтюpaтоpa, яка граничить з навколишшм сеpедовищем, - 1 мм, довжина - 95 мм.
Вздовж зaзоpiв з обтюpaтоpaми за^плет тpyбки, в яких виконaнi поздовжш пpоpiзi за pозмipaми не менше зaзоpy з обтюpaтоpом. Вони щшьно зaкpiплюються на зовнiшнiй повеpхнi TMO-модуля таким чином, щоб пpоpiзi ствпадали з зaзоpaми. По тpyбкaм pyхaeться повiтpя, яке нaгнiтaeться компpесоpом. Tеpмостaтyвaння здiйснюeться кондуктивним способом вiд двох на^вальних елементiв чеpез площини 22x95 мм. Необхщно вiдмiтити, що натуга на нaгpiвaльних елементах та сила стpyмy чеpез них пiдтpимyються постшними, таким чином можна вважати, що тепловий потж вiд нaгpiвaльних повеpхонь пiдтpимyeться постiйним. Це одна iз пpинципових вiдмiнностей забезпечення IнTMO в данш pоботi вiд попеpеднiх дослщжень [21].
Рис. 1. Схема експеpиментaльноï установки для виявлення впливу швидкост повiтpя, що pyхaeться вiдносно обтюpaтоpa, на хapaктеp ефекту iндyковaного тепломасообмшу: 1 - модуль, який обмежye внyтpiшнiй об'eм теpмостaтa; 2 - канали для потоку повiтpя; 3 - на^вальш елементи
Tеpмостaт щшьно зaповнюeться модельним KKПT. В даному дослiдженнi виpiзaлися шматки y фоpмi пapaлелепiпедiв pозмipом 95x5x22 мм, як pозтaшовyвaлись уздовж зaзоpiв y внyтpiшнiх стiнкaх теpмостaтa, пapaлельно нaгpiвaльним повеpхням. Фyнкцiï обтюpaтоpa виконye частина KKQT, що щiльно пpилягae до зaзоpy.
У шapaх сиpовини pозмiщyвaлися теpмопapи, як показано на pис. 2.
Гiдpодинaмiчний тиск визначали за допомогою тpyбки Пiто, pозмiщеноï в одному iз кaнaлiв, по якому pyхaeться повiтpя. Гiдpодинaмiчний тиск змiнювaвся дис^етно налаштуванням компpесоpa та мав значення, Па: 100; 50; 10. Швидюсть pyхy повiтpя визначали за фоpмyлою:
V =
(1)
3
де рдин - пдродинам1чний тиск повпря, Па; р - густина повпря, кг/м .
Рис. 2. Схема розмщення термопар у внутршнш частинi термостата з рис. 1: 1, 2, 3, 4, 5, 6 - термопари
При цьому швидюсть руху повпря (гiдродинамiчний тиск) вщповщно дорiвнювала, м/с (Па): 13 (100); 9 (50); 4 (10). на^з характеру проткання ефекту 1нТМО та його ефективност проводиться, виходячи з характеру кшетики температури ККПТ та за положенням локальних мiнiмумiв та максимумiв на цих кiнетиках.
6. Результати досл1джень
Кiнетика температури ККПТ тд час ефекту 1нТМО, отримана для швидкост руху (гiдродинамiчного тиску) потоку повпря, що рухаеться вiдносно обтюрат^в, 13 м/с (100 Па), наведена на рис. 3.
О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Рис. 3. Кшетика температури колощного капшярно-пористого тша за швидкост (гiдродинамiчного тиску) потоку повпря, що рухаеться вщносно обтюратора термостата 13 м/с (100 Па): 1, 2, 3, 4, 5, 6 - термопари з рис. 2
Характер кшетик температури модельних ККПТ, отриманих вщ термопар, розташованих в рiзних точках всередиш термостата, - однаковий. Цифрами на рис. 3 позначен номери термопар з рис. 2. Температура ККПТ зростае, досягае певного значення (вщ 0,1 тривалост до 0,15 для рiзних координат), починаючи з якого спостеркаеться зменшення температури. Починаючи з 0,38...0,4 тривалост процесу мае мюце змша нахилу кiнетики температури - зменшення
температури стае бшьш значним. Починаючи з 0,7 тривалост процесу, спостерiгаeться рiзке зменшення температури, яке закiнчуеться мшмумом (0,83 (3), 0,85 (4, 5), 0,87 (2)). Далi температура збшьшуеться i досягае значення температури термостата.
Виходячи з вигляду кшетик температури ККПТ тд час 1нТМО, !х можна роздшити на 5 характерних дiлянок (рис. 4).
_и______и_и_и_1о
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Рис. 4. Перюдизащя кнетики температури та вологовмюту модельного колощного кашлярно-пористого тла тд час щдукованого тепломасообмшу у термостат!
На першш дiлянцi мае мiсце збшьшення температури ККПТ до досягнення нею локального максимуму. Дана дшянка вщповщае нагрiванню матерiалу до визначено! температури та досягненню системою точки бiфуркащi.
На другш та трети длянках температура монотонно зменшуеться. Вiдрiзняються дат делянки кутом нахилу до ош, на якiй вщкладена тривалiсть процесу. На другш та третш длянках зб1льшуеться iнтенсивнiстъ розсiювання теплового потоку, який надходить вщ стнок термостата, на фазовий переход води I роду.
На четвертш дiлянцi температура сировини рiзко зменшуеться та досягае локального мтмуму. Мiнiмум температури вщповщае завершенню ефекту 1нТМО через закшчення в термостатi системно! води, яка бере участь у даному ефекл. ККПТ опиняеться в област проскотчного вологовмiсту, що доводить його кшетика вологовмiсту (рис. 4).
Збiльшення кута нахилу тд час переходу з друго! дiлянки на третю, з третьо! на четверту пояснюеться розвитком потужност розсiяння теплоти дисипативними структурами тд час 1нТМО. Ефект завершуеться за максимально! потужностi розсiяння теплоти дисипативними структурами через закшчення частини води, яка може випаруватися.
На п'ятгй дтянщ температура збшьшуеться та досягае значення температури термостата. Дана дшянка вщповщае на^ванню внутрiшнього середовища термостата, а саме твердо!, рщко! та газово! фаз, до температури термостата.
Кшетики температури ККПТ за двох шших значень швидкостi руху (гiдродинамiчного тиску) потоку повiтря, що рухаеться вщносно обтюраторiв,
тобто - 9 м/с (50 Па) та 4 м/с (10 Па), мають такий же характер. Вщмшност полягають у тривалост друго!, третьо! та четверто! дiлянок, якi вщповщають «запуску», «протшанню» та «закшченню» ефекту 1нТМО. За збiльшення швидкостi обдування довжина дшянок змшюеться наступним чином (табл. 1).
Таблиця 1
Вщносна довжина дшянок юнетики температури шд час шдукованого тепломасообмшу
Швидюсть (гiдродинамiчний тиск), м/с (Па): Довжина дшянки Ат/ттах, с/с
II III IV
4 (10) 0,58 0,12 0,08.0,125
9 (50) 0,5.0,55 0,2 0,12
13 (100) 0,23.0,3 ^ 0,3 0,17
Вiдносна довжина друго! дшянки зменшуеться за збшьшення швидкостi обдування: при збiльшеннi швидкост в 2,25 разу - на 5.. .14 %, при збiльшеннi в 3,35 разу - на 48.60 %.
Вiдносна тривалiсть третьо! дшянки збшьшуеться за змiни швидкостi обдування: при збшьшенш швидкостi в 2,25 разу - на 67 %, при збшьшенш в 3,35 разу - на 150 %.
Вщносна довжина четверто! дшянки за збшьшення швидкост обдування в 2,25 разу змшюеться не суттево, у межах похибки, а за збшьшення в 3,35 разу - на 62 %.
Очевидно змши у вщноснш довжиш друго!, третьо! та четверто! дшянок пов'язаш зi змiною штенсивност розсiювання теплового потоку, який надходить до внутршнього середовища термостата. Даний потш витрачаеться на випаровування системно! води ККПТ та залежить вщ швидкостi руху (гiдродинамiчного тиску) потоку повпря, що рухаеться вiдносно обтюраторiв.
Для виявлення причин такого впливу запишемо енергетичний баланс ефекту 1нТМО у термостатi за даних умов. Одними iз вихiдних даних для розрахунку балансу е кшетики температури стшки термостата (термопара 1 з рис. 2), як фiксувались впродовж експерименту. Кшетика температури стiнки термостата пропорцшна тепловому потоку до внутршнього середовища термостата з визначеним коефщентом.
Кiнетика теплового потоку системи «оточуюче середовище - термостат -внутршне середовище термостата» буде мати вигляд:
(2)
де д1егто.<иа1 - тепловий потiк, що забезпечуеться на^вальними поверхнями термостата, Дж/с; qloss - постшний тепловий потiк у оточуюче середовище, обумовлений тепловою конвекщею з зовшшньо! поверхнi стiнок термостата, як контактують з навколишнiм середовищем, Дж/с; qin - тепловий потiк, який надходить до внутршнього середовища термостата, Дж/с.
Для врахування втрат теплоти вщ зовшшньо! поверхш стшок термостата у оточуюче середовище qioss був проведений експеримент, у якому здшснювалось нагрiвання термостата, заповненого матерiалом з вiдомою постшною теплоемнютю, до рiвноважноi температури. При цьому умови проведення експерименту створювались такими ж, як i шд час 1нТМО в термостатi з вологим ККПТ всерединi.
За результатами експерименту отримано кiнетику температури стшок в процесi нагрiвання, а також кшетику теплового потоку, який надходить до внутршнього середовища термостата, заповненого матерiалом з вiдомою постiйною теплоемнютю. Кiнетика теплового потоку до внутршнього середовища термостата розраховувалась, виходячи iз кiнетики температури матерiалу з вщомою теплоемнiстю, який його заповнював. До^дження проводились за температури оточуючого середовища 20...23 °С.
Отриманi залежностi вiдрiзняються постiйним масштабним коефiцiентом coefscaie. Даний коефiцiент е ефективним коефiцiентом теплообмшу мiж внутрiшньою поверхнею стiнок термостата та його внутршшм видiленим об'емом. Вш залежить вiд площi зовнiшньоi поверхнi стiнок термостата, якi контактують iз оточуючим середовищем, та вщ температури стiнок i температури оточуючого середовища. У розглянутому випадку для рiвноважноi температури термостата 68.71 °С та температури оточуючого середовища 20.23 °С масштабний коефiцiент дорiвнюе - 116 Вт/°С. Таким чином, помноживши кшетику температури стшок термостата на даний масштабний коефщент, можна визначити тепловий потш, який надходить до внутршнього середовища термостата вщ поверхш його стшок:
■I т termostat. side
ML™.' (3)
де Ttermostatside(T) - фушзд яка описуе кшетику температури нагрiвальноi поверхнi.
Тепловий потiк, який надходить до внутршнього середовища термостата, витрачаеться на фазовий переход води (qevapor) та нагрiвання ККПТ (qsolid) i води (qwater) до температури термостата:
Qin Qevapor Qsolid Q water'
при цьому частина теплового потоку, що витрачаеться на фазовий переход системноi води (потш, що розсiюеться) розраховуеться за формулою:
water (Т)
Qevapor с1т ^^
частина теплового потоку, що витрачаеться на нагривання ККПТ до поточжд температури:
Q solid solid ^solid
dT(r)
(6)
nacTHHa TennoBoro n0T0Ky, rn,o BHTpanaeTtca Ha HarpiBaHHa noTOHHoi' Macu Bogu (mwater(r)) Bcepegum TepMocTaTa go noTOHHoi TeMnepaTypu:
ge Csolid, Cwater - TennoeMHicTt cyxux penoBHH Ta Bogu, ^®/(Kr-K); mSoiid - Maca cyxux penoBHH, Kr; mwater(z) - noTOHHa Maca Bogu b TepMocraTi, Kr; r - nuTOMa TennoTa napoyraopeHHa, ^^/Kr.
no6ygyeMo KiHeTHKy TennoBoro noToKy Big chhok TepMocTaTa go noro BHyTpimHtoro cepegoBurn,a Ta KiHeTHKy TennoBoro noToKy, rn,o BmpanaeTtca y BHyTpirnHtoMy cepegoBum,i, aK cyMy noro cKnagoBux, to6to aK cyMy (5), (6) Ta (7). BuxigHHMu gaHHMu npu ^oMy 6ygyTt KiHeTHKa TeMnepaTypu KKnT, KiHeTHKa TeMnepaTypu cTiHoK TepMocTaTa, KiHeTHKa BonoroBMicTy KKnT, TennoeMHicTt Ta Maca cyxux penoBHH, TennoeMHicTt Bogu. noTOHHa Maca Bogu BH3HanaCTtca 3a KmeTHKoro BonoroBMicTy KKnT, aKe 3anoBHwe Bect BHgineHHH BHyTpimmn o6'gm TepMocTaTa. KiHeTHKa TennoBoro noToKy Big cTiHoK TepMocTaTa BH3HanaCTtca 3a ^opMynow (3) aK go6yToK ^yHKujii, rn,o onucye KiHeTHKy TeMnepaTypu noro cTiHoK, Ha MacmTa6HHH Koe$^iern\
Ha puc. 5 BHKopucTarn HacTynHi no3HaneHHa. Uu^pow 1 no3HaneHa KiHeTHKa TennoBoro noToKy Big cTiHoK TepMocTaTa go noro BHyTpimHtoro cepegoBurn,a, po3paxoBaHa 3a ^opMynoro (3). U,H$paMH 2, 3 Ta 4 no3Hanem KiHeTHKH TennoBoro noToKy, akhh BmpanaeTtca Ha HarpiBaHHa cyxux penoBHH Ta Bogu go noTOHHoi TeMnepaTypu, po3paxoBaHi 3a ginaHKaMH BignoBigHo go npoBegeHoi nepiogroa^i' KiHeTHKH TeMnepaTypu MogentHoro KKnT (puc. 4) 3a ^opMynaMH (6) Ta (7). ^^poro 5 no3HaneHa KiHeTHKa TennoBoro noToKy, akhh BmpanaeTtca Ha BunapoByBaHHA Bogu y BHyTpimHtoMy cepegoBurn,i TepMocTaTa. Po3paxyHoK gaHoi KiHeTHKH npoBoguBca y BignoBigHocTi go KiHeTHKH BonoroBMicTy KKnT 3a ^opMynoro (5). KiHeTHKa TennoBoro noToKy, rn,o BmpanaeTtca y BHyTpimHtoMy o6'eMi TepMocTaTa, po3paxoBaHa 3a ^opMynoro (4), no3HaneHa цн$poro 6.
HaBegeHi KiHeTHKH TennoBoro noToKy gna HaonHocri npoHopMoBaHi Ha 3arantHy KintKicTt TennoTH, rn,o Hagmrnna go BHyTpimHtoro cepegoBum,a TepMocTaTa. Heo6xigHo Big3HanHTH, m,o nnom,a nig KmeTHKoro TennoBoro noToKy Big cTiHoK TepMocTaTa nponop^HHa KintKocTi TennoTH, aKa HagxoguTt go noro BHyTpimHtoro cepegoBum,a.
(7)
2.5
2 1.5
1
0.5
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Рис. 5. Кшетика теплового потоку вщ стшок термостата до його внутршнього середовища (1) та кшетика теплового потоку, що витрачаеться внутршшм середовищем термостата (6), отримана розрахунками за складовими (2)-(5), пронормованi на загальну кiлькiсть витрачено! теплоти (
З отриманих результатiв (рис. 5) видно, що теплота, яка надходить вщ стшок термостата до його внутршнього середовища, мае менше значення, шж теплота, яка витрачаеться в ньому. Шд час 1нТМО у внутршньому середовищi термостата теплота витрачаеться на на^вання складових до рiвноважноi температури стiнок та на фазовий перехщ рiдини всерединi термостата до газоподiбного стану. Розрахунки свiдчать про те, що тд час 1нТМО наявний дефiцит теплоти, який складае 25.30 % вiд необхiдноi кшькостг
За першим початком термодинамки, температура будь-яко! системи за умови постшного теплового потоку ззовнi може змшитися або шляхом передавання теплоти до тла з меншою температурою, або шляхом виконання роботи:
вХ] = 80,±8А, (8)
де dU - внутршня енерпя, Дж; д( - кiлькiсть теплоти, передано! систем^ Дж; дЛ - робота, яка виконуеться системою («-») або над системою («+»), Дж.
Встановлено, що теплового потоку вщ стшок термостата недостатньо для вщтворення отримано! кiнетики теплового потоку, який витрачаеться у внутршньому середовищi термостата. Тому слщ вважати, що факт, який спостершаеться, свiдчить про виконання роботи над системою, яка шдукуеться потоком повпря, яке рухаеться вщносно обтюратора термостата. При цьому зовшшня робота потоку повiтря, який рухаеться вщносно зовнiшньоi поверхнi обтюратора термостата, забезпечуе по величинi енергiю активацп ЕЛ ефекту 1нТМО. Роботами з дослщження ефекту 1нТМО, зокрема ЗТП-сушшня [9], показано, що за вщсутноси потоку повiтря, що рухаеться вщносно обтюраторiв, або за швидкостi потоку повпря (гiдродинамiчного тиску) менше визначеного мтмального значення, «запуск», «протiкання» та «завершення» ефекту 1нТМО неможливi.
Таким чином, енерпя активацп ЕА для оргашзацп 1нТМО забезпечуеться вiдповiдною швидюстю (гiдродинамiчним тиском) потоку повiтря, що рухаеться вiдносно обтюратора термостата.
З кшетики теплового потоку, що витрачаеться у внутршньому середовищi термостата, за рiзноi швидкостi (гiдродинамiчного тиску) повпря (рис. 6), пронормовано1' на загальну кiлькiсть витраченоi теплоти Q, видно, що характер залежностей однаковий. При цьому площа пiд кривими, пропорцшна кiлькостi енергii, яка витрачаеться в термостат на тепломасообмiн. Площа тд кривими розраховувалась без урахування на^вання внутрiшнього середовища термостата вiд початково! температури.
I щм
1 2 3 гг
\ тба1, $
О 50 100 150 200 250
Рис. 6. Кнетика теплового потоку, що витрачаеться у внутршньому середовиш! термостата, за рiзноi швидкосп (гiдроrдинамiчного тиску) потоку повггря, що рухаеться вщносно обтюратор1в м/с (Па): 1 - 13 (100); 2 - 9 (50); 3 - 4 (10)
Вщмтност наведених залежностей полягають в значеннях !х амплпуди та ширини локальних максимумiв. Оскiльки в кожному з трьох експерименлв використовувався один i той же термостат, з тим же ККПТ, за однаково! вихiдноi кшькосл системно! води в термостатi, то площа тд кривими повинна бути однаковою. Теплота, яка надходить вщ стiнок термостата - однакова, тому штенсивнють процесу буде визначатись енерпею потоку повiтря, що рухаеться вщносно обтюраторiв. При цьому iнтенсивнiсть 1нТМО за рiзноi швидкостi потоку повпря, що рухаеться вiдносно обтюраторiв, iз дiапазону вiд 4 до 13 м/с вiдрiзняеться в межах 15...20%. Встановлене свiдчить про можливiсть регулювання iнтенсивностi 1нТМО швидкiстю потоку повпря, яке рухаеться вщносно обтюраторiв.
Таким чином, розрахунком теплового потоку, який надходить до внутршнього середовища термостата, та теплового потоку, який розсшеться в ньому, доведено, що ефект 1нТМО не можливий без зовнiшньоi роботи активацii, яка виконуеться потоком повпря, що рухаеться вщносно обтюраторiв. При цьому робота потоку повпря, що рухаеться вщносно
обтюратор!в, e тим керуючим параметром, за допомогою якого оргашзовуеться «запуск» 1нТМО. Дана зовнiшня робота забезпечуе по величин енергiю активацii ефекту 1нТМО. За значень даного керуючого параметру менших EA «запуск» ефекту 1нТМО вiдсутнiй.
7. SWOT-аналiз результатiв дослщження
Strengths. Серед сильних сторiн даного досл!дження слiд вiдмiтити встановлення факту, що енерпя активацп EA ефекту 1нТМО досягаеться кiнетичною енергieю потоку повпря, що рухаеться вщносно обтюраторiв термостата. При цьому робота потоку повпря, що рухаеться вщносно обтюраторiв, е тим керуючим параметром, за допомогою якого оргашзовуеться «запуск» 1нТМО. Встановлене надае можливiсть, по-перше, керувати «запуском» ефекту 1нТМО у вщповщност до поставленоi мети технолопчно1' обробки сировини з використанням даного ефекту. А по-друге, обгрунтовано змшювати штенсивнють протiкання 1нТМО та його ефектившсть варiюванням швидкiстю потоку повiтря вщносно обтюраторiв.
Weaknesses. Слабкою стороною дослщження е те, що встановлення значення енергп активацп EA ефекту 1нТМО у даному випадку можливе лише непрямим способом, тобто за розрахованим енергетичним балансом даного ефекту. Вщзначене мае мiсце через складшсть теоретичного розрахунку величин пульсацш швидкостi повiтря, що виникають бшя поверхнi обтюратора через утворення турбулентних збурень в потоцi повiтря та створюють флуктуацii в об'eмi обтюратора. Пщ час визначення енергii активацп ефекту 1нТМО непрямим способом е iмовiрнiсть виникнення похибок, що тягнуть за собою похибки шженерних розрахунюв апаратiв з використанням 1нТМО, i, як наслiдок, збiльшення енерговитрат на процес тепломасообмшу.
Opportunities. Додатковою можливютю для досягнення мети, поставленоi в робот, е комп'ютерне моделювання турбулентних збурень в потощ повпря бшя поверхш обтюратора з наступним розрахунком середньо!' амплпуди пульсацiй швидкостi повпря та визначенням величини енергп активацп 1нТМО. Така iнформацiя надасть можливють точно враховувати пiд час вибору способу створення флуктуацп в обтюраторi термостата енергетичнi витрати на ефект 1нТМО та особливостi його техшчно!' реалiзацii, що сприятиме пiдвищенню енергоефективност апаратiв з 1нТМО та зменшенню вартостi 1'х виробництва.
Threats. Складносп у впровадженнi отриманих результапв полягають у тому, що пiд час розробки апарапв з 1нТМО та вибору рацюнальних значень такого його керуючого параметру як швидюсть потоку повпря вщносно обтюраторiв, слiд враховувати не тшьки енергоефективнiсть 1нТМО, а ще й витрати пов'язаш iз забезпеченням вiдповiдноi швидкост! потоку повiтря. Маеться на уваз^ що збшьшення штенсивносп ефекту 1нТМО на 15.20 % тягне за собою додатков! каштальш витрати через техшчне ускладнення або збшьшення потужносп пристро1'в для забезпечення вщповщно1' швидкост потоку повпря. Однак доцшьшсть тако!' операцп може бути виправдана техшчним потенщалом пщприемства, на якому впроваджуеться дане дослщження.
8. Висновки
1. Дослщженнями к1нетики температури ККПТ всередит термостата пщ час ефекту 1нТМО встановлено, що на них можна видтити 5 характерних дтянок, що вщповщають р1зним етапам протжання даного ефекту. Встановлено, що тривашсть дтянок, як вщповщають «запуску», «протжанню» та «закшченню» ефекту 1нТМО залежить вщ швидкосп потоку повпря, що рухаеться вщносно обтюратора, та може змшюватись при збтьшент швидкосп вщ 4 до 9 м/с на 5.60 %, а при збтьшент вщ 4 до 13 м/с - на 48.150 %.
2. Розрахунками теплового балансу пщ час 1нТМО встановлено, що за даного ефекту наявний дефщит теплоти в термостат!, який складае 25.30% вщ необхщно1 юлькостт Вщзначено, що даний факт свщчить про виконання роботи над системою, яка щдукуеться потоком повпря, що рухаеться вщносно обтюратора термостата, при цьому зовшшня робота потоку повпря, який рухаеться вщносно обтюратора, забезпечуе по величин енерггю активацп EA ефекту 1нТМО. Доведено, робота потоку повпря, що рухаеться вщносно обтюратора, е тим керуючим параметром, за допомогою якого оргатзовуеться «запуска» 1нТМО.
3. Дослщженнями ктетики потоку теплоти, що витрачаеться всередит термостата, за швидкост потоку повпря вщ 4 до 13 м/с, який рухаеться вщносно обтюратор1в, установлено, що штенсившсть 1нТМО може регулюватися даним керуючим параметром у межах 15...20 %.
Лггература
1. Natsionalnyi plan dii z vidnovliuvanoi enerhetyky na period do 2020 roku [Electronic resource] / State Agency on Energy Efficiency and Energy Saving of Ukraine. - Available at: Ywww/URL: http://saee.gov.ua/sites/default/files/documents/Presentation NAPRES Norw OCT
3 ukr.pdf. - 10.01.2017.
2. Shuvaev, A. V. The transformational model of agriculture and the problems of social, ecological and economic [Text] / A. V. Shuvaev // Economy and entrepreneurship. - 2013. - No. 9. - P. 405-409.
3. Naumov, O. B. Institutional regulation's strategic priorities of the food industry innovative development [Text] / O. B. Naumov, S. S. Stoianova-Koval // The Scientific Papers of the Legislation Institute of the Verkhovna Rada of Ukraine. - 2017. - No. 1. - P. 131-137.
4. Krisanov, D. F. The system guarantees safety and quality of food products in Ukraine: retrospective reform and the level of formation of the European dimension [Text] / D. F. Krisanov // Ekonomic & food security of Ukraine. - 2013. - No. 1. -P. 64-72.
5. Chernelevskyy, L. Features and prospects of international quality standards in the processing industry [Text] / L. Chernelevskyy, N. Kudrenko // Scientific works of National university of food technologies. - 2014. - Vol. 20, No. 4. - P. 30-37.
6. Ng, K. C. Improving Overall Equipment Effectiveness (OEE) through the six sigma methodology in a semiconductor firm: A case study [Text] / K. C. Ng, K. E. Chong, G. G. G. Goh // 2014 IEEE International Conference on Industrial
Engineering and Engineering Management. - IEEE, 2014. - P. 833-837. doi: 10.1109/ieem.2014.7058755
7. Behdin, S. Effectiveness of Laser Application for Periodontal Surgical Therapy: Systematic Review and Meta-Analysis [Text] / S. Behdin, A. Monje, G.-H. Lin, B. Edwards, A. Othman, H.-L. Wang // Journal of Periodontology. - 2015. -Vol. 86, No. 12. - P. 1352-1363. doi:10.1902/jop.2015.150212
8. Danilevicius, P. Laser 3D micro/nanofabrication of polymers for tissue engineering applications [Text] / P. Danilevicius, S. Rekstyte, E. Balciunas, A. Kraniauskas, R. Sirmenis, D. Baltriukiene, V. Bukelskiene, R. Gadonas, V. Sirvydis, A. Piskarskas, M. Malinauskas // Optics & Laser Technology. - 2013. -Vol. 45. - P. 518-524. doi:10.1016/j.optlastec.2012.05.038
9. Pogozhikh, M. The development of an artificial energotechnological process with the induced heat and mass transfer [Text] / M. Pogozhikh, A. Pak // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. - 2017. - Vol. 1, No. 8 (85). - P. 5057. doi:10.15587/1729-4061.2017.91748
10. Pogozhikh, M. I. Hidrotermichna obrobka krup iz vykorystanniam pryntsypiv sushinnia zmishanym teplopidvodom [Text]: Monograph / M. I. Pogozhikh, A. O. Pak, M. V. Zherebkin, A. V. Pak. - Kharkiv: KhDUKhT, 2014. - 170 p.
11. Strogatz, S. Non-linear Dynamics and Chaos: With applications to Physics, Biology, Chemistry, and Engineering [Text] / S. Strogatz. - Westview Press, 2001. -515 p.
12. Ouannas, A. Generalized synchronization of different dimensional chaotic dynamical systems in discrete time [Text] / A. Ouannas, Z. Odibat // Nonlinear Dynamics. - 2015. - Vol. 81, No. 1-2. - P. 765-771. doi:10.1007/s 11071-015-2026-0
13. Chen, Y. Analysis of the influences of gas temperature fluctuation on the soot formation and oxidation [Text] / Y. Chen, J. Zhang // Fuel. - 2013. - Vol. 111. -P. 492-495. doi:10.1016/j.fuel.2013.03.077
14. Gu, X. Experimental study of pressure fluctuation in a gas-solid cyclone separator [Text] / X. Gu, J. Song, Y. Wei // Powder Technology. - 2016. -Vol. 299. - P. 217-225. doi:10.1016/j.powtec.2016.05.028
15. Noskov, A. S. Visualization of air flow in vortex tube using different turbulence models [Text] / A. S. Noskov, V. N. Alekhin, A. V. Khait, N. M. Anoshin // Russian Journal of Construction Science and Technology. - 2015. -No. 1. - P. 43-48.
16. Safaei, M. Numerical modeling of turbulence mixed convection heat transfer in air filled enclosures by finite volume method [Text] / M. Safaei, M. Goodarzi, M. Mohammadi // The International Journal of Multiphysics. - 2011. - Vol. 5, No. 4. - P. 307-324. doi: 10.1260/1750-9548.5.4.307
17. Kentish, S. Applications of Power Ultrasound in Food Processing [Text] / S. Kentish, H. Feng // Annual Review of Food Science and Technology. - 2014. -Vol. 5, No. 1. - P. 263-284. doi: 10.1146/annurev-food-030212-182537
18. Sani, A. M. Ultrasound applications for the preservation, extraction, processing and quality control of food [Text] / A. M. Sani, M. Sardarodiyan // BioTechnology: An Indian Journal. - 2016. - Vol. 12, No. 4. - P. 162-174.
19. Mohammadi, V. Ultrasonic techniques for the milk production industry [Text] / V. Mohammadi, M. Ghasemi-Varnamkhasti, R. Ebrahimi, M. Abbasvali // Measurement. - 2014. - Vol. 58. - P. 93-102. doi:10.1016/j.measurement.2014.08.022
20. Nikonova, A. S. Investigation of the method of reception of liquid fof smoking on the basis acoustically generated aerosol [Text] / A. S. Nikonova, A. A. Ivaney // Scientific journal NRU ITMO. Series «Processes and Food Production Equipment». - 2014. - No. 4. - P. 161-168.
21. Pogozhikh, M. Technical implementation of the equipment using the process of induced heat and mass transfer [Text] / M. Pogozhikh, A. Pak, A. Pak, M. Zherebkin // ScienceRise. - 2017. - Vol. 6. - P. 29-33. - doi:10.15587/2313-8416.2017.1036
