CC BY
31
где относительно оптимальным кривым является кривая 2, которая описывает более эффективное использование аккумулированного холода при температуре наружного воздуха ^ = 150 С; и грунта
э
гр
1 0С; х2 = 12 м.
График дает наглядную картинку изменения температуры приточного воздуха при движении в одиночном подземном вентиляционном канале во времени, может служить пособием для корректировки параметров наружного воздуха, поступающего в хранилище после прохождения по подземному вентиляционному каналу при условии, что в начальном сечении канала t0= const. Подобные графики могут строиться на объектах с конкретными характеристиками наружного воздуха, окружающего канал массива грунта при данных размерах подземного вентиляционного канала.
Программа-модель, как научный экспериментальный исследуемый объект или средство дает конкретные результаты для различных параметров исследуемого процесса. При необходимости программу-модель можно усовершенствовать.
Изменяя входные параметры исследуемой компьютерной модели можно достичь наиболее эффективных результатов аккумуляции холода, далее с применением системы автоматического управления появится возможность экономичного использования аккумулированного холода в исследуемом объекте.
Заключение
1. Доказано, что процесс теплообмена приточного воздуха, движущегося в подземных вентиляционных каналах, имеет место на протяжении определенного периода изменения температуры наружного воздуха и эксплуатации СВ.
2. Оценены пределы изменения параметров, характеризующие процесс теплообмена движущегося в подземном канале воздуха окружающим канал массивом грунта при £ < 100, t0 = const и зависимости
d ~
Е. В. Стефанов [7] приведены к виду, удобному для расчета.
3. Составлена математическая модель (компьютерная программа), которая на требуемом уровне описывает процессы подогрева и охлаждения грунтового массива и дает возможность в зависимости от входных параметров наружного воздуха получить требуемые научные результаты.
4. Составленную математическую модель можно усовершенствовать с применением новых научных разработок в области математического моделирования и теплофизики и на базе систем элементов автоматики это дает возможность оптимального использования аккумулированного холода в исследуемом объекте.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ван - Хеерден К. Задача о нестационарном тепловом потоке в связи с воздушным охлаждением угольных пластов / К. Ван-Хеерден // Вопросы теплообмена. - М.: Госэнергоиздат, 1959.
2. Калинушкин, М. П. Вентиляторные установки / М. П. Калинушкин. - М: Высшая школа, 1979.
3. Мансуров, А. А. Температура грунта при кондуктивном теплообмене / А. А. Мансуров, Ж. Д. Садыков // Вестник КарГУ. - 2012. - № 3.
4. СНиП 2.04.05-91 *. Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха. - М., 1975.
5. Смухин, П. Н. Курс отопления и вентиляции / П. Н. Смухин, Б. А. Казанцев. - М.,1961.
6. Стефанов Е. В. Вентиляция и кондиционирование воздуха / Е. В. Стефанов. - Л.: ЛВВИСКУ, 1982.
7. Стефанов, Е. В. Результаты исследования неизотермического течения несжимаемой жидкости в подземных каналах и трубах / Е. В. Стефанов // Инженерно-физический журнал. -1966. - XI-4.
8. Шойкулов,А. Математическое моделирование теплообменных процессов при движении воздуха в одиночных подземных вентиляционных каналах / А. Шойкулов, А. Мансуров, Р. Пирова // Проблемы информатики и энергетики РУз. -2006. - № 2-3.
УДК 536.25
Ж. Д. САДЫКОВ, А. К. ТАШАТОВ, В. Д. КИМ, Т. А. ФАЙЗИЕВ, Т. З. ЗИЯЕВ, А. А. МАНСУРОВ
О ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТРАТИФИКАЦИИ ВОЗДУХА В СОЛНЕЧНЫХ СУШИЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ
(Поступила в редакцию 14.07.2015) Рассмотрена температурная и концентрационная We have examined temperature and concentration stratifica-
стратификация воздушной среды в солнечных сушильных tion of air in solar dryers, shown correlation dependence of air установках, приведена корреляционная зависимость изме- temperature change on the height of the drying chamber. On the нения температуры воздуха по высоте сушильной камеры. basis of regression analysis of the average statistical experi-На основе регрессионного анализа среднестатистических mental data, we have obtained coefficients values for the condi-экспериментальных данных, для условий солнечных сушиль- tions of solar dryers. ныхустановок получены значения коэффициентов.
Введение
В низкотемпературных солнечных установках (теплицах, сушилках, опреснителях) практически всегда существует температурная стратификация. В дневное время в период инсоляции, солнечная радиация прогревает внутренние поверхности установки (ограждения, материал сушки и др.).
Анализ источников
Естественной конвекцией тепло передается воздушной среде. Эти процессы в замкнутом объеме конструкции приводят к температурной стратификации воздуха по высоте конструкции. В ночное время стратификация сохраняется, с понижением температуры степень стратификации снижается [2]. Традиционно при исследовании тепло- и массопереноса в процессах сушки в солнечных сушильных установках используется объемная модель, где принимаются средние по объему значения параметров в сушильной камере [4, 6, 7, 8].
Некоторое нарушение стратификации вызывает естественная аэрация и принудительная вентиляция, инфильтрация и эксфильтрация воздуха в конструкции. Естественная конвекция вновь приводит к стабилизации стратификации.
Методы исследования
В ходе исследований применялись следующие методы: экспериментальный, системного подхода, анализа и синтеза.
Основная часть
Условие существования устойчивой стратификации определяется убыванием плотности среды по вертикали:
dp/dh < 0. (1)
Влажный воздух рассматривается как смесь идеальных газов, состоящую из сухого воздуха и перегретого пара (при ненасыщенном воздухе) или насыщенного пара (при насыщенном воздухе). В общем виде плотность влажного воздуха среды является функцией температуры t, давления р и концентрации пара С:
p = p(t,р, С). (1a)
В условиях гелиоустановок барометрическое давление принимается постоянным p=const. Тогда зависимость разности плотностей, определяющих Архимедову выталкивающую силу, от совместного действия переноса тепла и концентрации можно представить в следующем виде:
Ap = Apt + Apc = po ßt (t - th) + po ßc (C - Ch) ; (2)
где po = p(t, C) - выбранная плотность среды, относительно которой определяется выталкивающая сила, ph = p(th, Ch) - рассматриваемая плотность.
В низкотемпературных солнечных установках в процессах переноса, изменение плотности в зависимости от t и C можно принять линейным. Тогда коэффициенты температурного ßt и концентрационного ßc расширения среды определяются следующими выражениями:
ßt р(зГ\,c'ßc p(öc1/ (3)
Для идеальных газов: Из выражений (3) и (3а) получим:
ßt = 1 / Т0 = 1 / 273,15. (3а)
Вп= 1 [Ро-Ру 1~1у . (36)
С-СД ра 273,15,1
Если известны температура, давление и относительная влажность воздуха, плотность воздуха определяется следующими выражениями [3, 5]:
р = РЧ±_ ; т = 273,15+^; ¡л = 28,95 - 10,93 <Р'Рн ; (4)
Я-Т Р
где р - барометрическое давление, Па; ¡л - молекулярная масса влажного воздуха, кг/кмоль; ^=8314 Дж/(кмоль К) - универсальная газовая постоянная; <р - относительная влажность воздуха; рн - давление насыщения пара, Па.
В интервале температур Т = 303-343 К давление насыщения [1]:
рн = 4245,29 ехр[5201,3(1/303-1/7)]. (5)
Влагосодержание воздуха х (г/кг) и концентрация пара С (кг/кг) [1]:
х = 0,622 Р н ; С = х / 1000 . (6)
Р-Ри
В соответствии с формулами (4) и (5), с увеличением температуры при плотность воздуха
падает практически линейно (рис. 1). Таким образом:
дрд = ^гаё р (7)
и Архимедова сила:
- при д^дк = gгad t направлена вверх;
- при д^дк = ^гаё t направлена вниз.
При равных условиях t и р плотность сухого воздуха больше плотности водянного пара. При увеличении влагосодержания плотность воздуха также линейно убывает (рис. 1, 2).
Рис. 2. Изменение плотности воздуха c изменением влагосодержания: р = р(х) при 1 - t=20 oC; 2 - t=35 oC; 3 - t=50 oC; 4 - t=65 oC; 5 - t=80 oC
(7а)
Р и с . 1 . Изменение плотности воздуха c изменением температуры: p=p(t) при 1 - ф=0; 2 - ф=30 %;
3 - ф=50 %; 4 - ф=70 %; 5 - ф=90 %
Аналогично (7) можно записать:
др/дС = -grad р
и Архимедова сила:
- при дС/дк = grad С направлена вверх;
- при дС/дк = -grad С направлена вниз.
Температурный градиент плотности сухого воздуха в интервале t=20-70 оС составляет:
др/Dt = - 0,0034...0,00494 (кг/м3)/К. (8)
Концентрационный градиент плотности влажного воздуха в интервале С=(10-110)/103 кг/кг (х=10-110 г/кг) составляет:
др/дС = - (0,00047...0,01)/103 (кг/м3)/(кг/кг). (8а)
Как видно из (8) и (8а), температурный градиент плотности превышает концентрационный в «10 раз. Поэтому можно принять, что основное изменение плотности влажного воздуха определяется изменением температуры рк=р((). В практических расчетах в формуле (2) можно не учитывать Арс.
Таким образом, для возникновения стратификации достаточно условие:
дг / дк > 0. (9)
Соотношения (1) и (9) являются условиями устойчивости стратификации, в процессах тепло- и массопереноса в низкотемпературных солнечных установках достаточно учитывать только температурную стратификацию. В общем виде теоретически такой подход достаточно полно отражает процессы протекающие в сушильной камере. В реальности материал сушки располагается в несколько слоев на стеллажах-тележках (рис. 3).
2
2,5 м
Й77
3 м
1,5 м ■
Рис. 3. Схема поперечного сечения солнечной сушилки: 1 - сушильная камера-воздухонагреватель, 2 - стеклянное ограждение, 3 - нижние и 4 - верхние вентиляционные форточки, 5 - тележки-стеллажи с материалом сушки
Процессы тепло- и массопереноса происходят только в объеме слоя расположения материала сушки. В промежутках между стеллажами и вне тележки эти процессы отсутствуют, и происходит только стратификационная стабилизация среды. В условиях естественной конвекции стратификация среды оказывает влияние на процессы тепло-и массопереноса в зависимости от расположения слоя мате-
3
риала по вертикали. В свою очередь процессы тепло- и массопереноса влияют на стратификационное расслоение среды. Как показывает опыт эксплуатации солнечных сушильных установок, вертикальная стратификация наиболее выражена и устойчива (рис. 4), нарушение температурной стратификации по длине конструкции практически отсутствует, по ширине - наблюдается в близи ограждений и вентиляционных форточек.
0 1 2 3 4 Ь, м
Рис. 4. Среднестатистическое изменение температуры воздуха в солнечной сушильной установке (август): А - по высоте на расстоянии Ь=3 м; Б - по длине на высоте Н= 1,6 м;
1 - минимальное в 6 часов; 2 - максимальное в 14 часов; а - место расположения тележек-стеллажей
Изменение температуры воздуха по высоте можно представить следующей корреляционной зависимостью:
¡о = *т - х а) ; 4 = ¡о ехрфх И), (10)
где 1а - температура воздуха при Н=0 м; tm - среднемассовая температура воздуха, измеряемая на высоте 1,5-1,7 м; а, Ь - коэффициенты, определяемые экспериментально.
Заключение
На основе регрессионного анализа среднестатистических экспериментальных данных для условий солнечных сушильных установок получены следующие значения коэффициентов:
а = 0,0425 ; Ь = 0,029. (10а)
При многослойной модели сушки для каждого слоя граничные условия будут иметь вид:
- на входе в слой кн = А, : = ехрфх кн);
- на выходе из слоя кк = + ^ = ехрфх Ик),
где Ь; - высота расположения стеллажа с материалом сушки, м; d - высота слоя, средний эквивалентный размер материала сушки, м.
Таким образом, рассмотрена температурная и концентрационная стратификация воздушной среды в солнечных сушильных установках, приведена корреляционная зависимость изменения температуры воздуха по высоте сушильной камеры.
ЛИТЕРАТУРА
1. Богословский, В. Н. Теплофизика аппаратов утилизации тепла систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха / В. Н. Богословский, М. Я. Поз. - М.: Стройиздат. 1983. -317 с.
2. Джалурия, И. Естественная конвекция / И. Джалурия. - М.: Мир,1983. - 399 с.
3. Егиазаров, А. Г. Отопление и вентиляция зданий и сооружений сельскохозяйственных комплексов / А. Г. Егиазаров. - М.: Стройиздат. 1981. - 263 с.
4. Ким, В. Д. Естественно-конвективная сушка плодов в солнечных сушильных установках: практика и теория / В. Д. Ким, Б. Э. Хайриддинов, Б. Ч. Холлиев. - Ташкент: Фан, 1999. -378 с.
5. Крум, Д. Кондиционирование воздуха и вентиляция зданий / Д. Крум - М.: Стройиздат. 1980. - 395 с.
6. Сушильные установки сельскохозяйственного назначения / В. И. Мальтри [и др.]. - М., 1979. - 525 с.
7. Хайриддинов Б. Э. Комбинированные гелиотеплицы- сушилки / Б. Э Хайриддинов, Т. А. Садыков. -Ташкент: Фан. 1992. -184 с.
8. Якубов, Ю. Н. Аккумулирование энергии солнечного излучения / Ю. Н. Якубов. - Ташкент: Фан. 1981.-105 с.
