Программное обеспечение для исследования внутреннего влаго-теплопереноса в капиллярно-пористых телах Текст научной статьи по специальности «Физика»

К ЗАЩИТЕ ДИССЕРТАЦИ

1

УДК 533.244

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВНУТРЕННЕГО ВЛАГО-ТЕПЛОПЕРЕНОСА В КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ ТЕЛАХ

А.А. ФЕДЯЕВ Братский государственный университет

Выполнено тестирование разработанного программного обеспечения математической модели поверхностного испарения с универсальными граничными условиями как на базе проведенных экспериментальных исследований по влиянию переменной пористости капиллярно-пористых материалов и различных физических свойств испаряемых жидкостей, так и экспериментальных данных других авторов.

Важной задачей при выявлении потенциала энерго- и ресурсосбережения в низкотемпературных теплотехнологических процессах является разработка математических моделей неравномерного тепломассообмена в рабочих камерах аппаратов и элементах оборудования, с конвективным массоотводом при различных физических механизмах теплоподвода и т.д., позволяющих рассчитывать неравномерные и изменяющиеся в пространстве и во времени поля переменных физических величин путем решения известных нелинейных дифференциальных уравнений переноса [1]:

д( д

Ср 0 "я"" = "а~~ дт дх

дш

дт

дш д ( дш

дт дх

ат +ат5

дх

ди >

дх

(1)

(2)

где ат, 1, 5 - соответственно коэффициенты потенциалопроводности, теплопроводности и термоградиентный коэффициент; С, г, £ - удельная теплоемкость, теплота фазового перехода и критерий фазового превращения.

Коэффициенты ат и 5, если направление векторов диффузионных потоков пара и жидкости одинаково, соответственно равны:

ат = ат1 + ат 2

5 =

ат1 51 + ат2 52

ат1 + ат 2

В математической модели поверхностного испарения [2, 3] предложены универсальные граничные условия, в которых учитываются снижение действительной движущей силы внешнего массопереноса за счет изменения поверхностного влагосодержания и интенсивность испарения. Модель поверхностного испарения описывает непрерывно весь процесс сушки как в 1-м, так и во 2-м периоде; как в жестких, так и мягких условиях.

© А.А. Федяев

Проблемы энергетики, 2007, № 7-8

Граничные условия при конвективной сушке капиллярно-пористого тела в форме пластины можно записать в виде:

Ы

±^— а(tw -0+Рр • Дп(^ -ръ)-г(і-^)=0; дх

± ат ро

дш дї

---+ 5—

дх дх,

Р р ■ Д п (Pw Р<Я ) = 0 •

(3)

(4)

Начальные условия:

г (х) = ^ = / (х); ш(х)= ш о = / (х), (5)

где в р, а, р о - соответственно коэффициенты массообмена и теплоотдачи,

начальная плотность; Дп - критерий поверхностного испарения,

определяемый по отношению действительного перепада движущей силы внешнего массопереноса к максимально возможному.

Алгоритм решения нелинейной краевой задачи влаго- и теплопереноса в капиллярно-пористых телах (уравнения 1, 2, 3, 4, 5) реализован программно на языке «Бе1рЫ».

Для разработки методов расчета процессов испарения из капиллярнопористых тел необходимы надежные экспериментальные данные по влиянию пористых материалов с различной структурой (керамика, поролон), физических свойств испаряемых жидкостей (вода, этиловый спирт и ацетон), температуры набегающего потока на интенсивность испарения и величину коэффициентов испарения, так как имеющиеся данные в ряде работ [2, 3, 4, 5] получены в узком диапазоне влияния отмеченных факторов.

Рис. 1. Влияние пористости материала на интенсивность испарения при температуре 100 оС различных жидкостей: 1 - ацетона; 2 - спирта; 3 - воды

По результатам измерения осредненных характеристик определялось несколько параметров, в частности интенсивность испарения, кг/м2-ч, по соотношению:

а

где г - теплота фазового перехода, кДж/кг; їп и їмт - соответственно температура ядра нагретого потока и температура мокрого термометра.

г

Коэффициент теплоотдачи, Вт/м -К, определялся на основании измеренного температурного градиента:

а = -X

(п ^мт )

где X - коэффициент теплопроводности, Вт/м-К; (дМду)М! - градиент

температуры у стенки, К/м.

При этом интенсивность теплообмена, кДж/м2-ч, определяется как

= Чм •г .

При проведении экспериментов разброс опытных данных составил до ± 8 % [6]. Проведенные исследования подтвердили сделанные ранее

предположения о влиянии на локальные коэффициенты отмеченных выше переменных параметров. Наиболее заметное влияние пористость материалов на коэффициент теплоотдачи и интенсивность испарения различных жидкостей оказывает при высоких температурах. Величина теплового потока к поверхности при испарении воды и варьировании пористостью и температурным напором изменяется и по длине капиллярно-пористого материала (рис. 1). Величина коэффициента теплоотдачи (рис. 2) снижается довольно значительно при уменьшении пористости, причем с ростом температурного напора эта разница увеличивается. Так, при уменьшении пористости до П = 0,8, величина а снижается на 20 %, а при П = 0,17 - более чем в два раза.

Рис. 2. Влияние пористости П и температурного фактора А на коэффициент теплоотдачи а

при испарении воды

В исследуемом температурном диапазоне температура мокрого термометра у этилового спирта в среднем на 9-11 оС ниже, чем у воды, а у ацетона, соответственно, на 23-25 оС. Ориентировочно эти пропорции соблюдаются и при изменении коэффициентов теплоотдачи в зависимости от физических свойств исследуемых жидкостей.

Выводы

Для температурных режимов, пористости и коэффициентов влаго- и теплопереноса, и термодинамических характеристик пористых материалов,

использованных при экспериментальном исследовании процессов испарения, выполнено тестирование разработанной программы «Fields». Расчетные кривые по интенсивности испарения воды с пористой поверхности достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными, что позволяет сделать вывод о применимости данной методики расчета при различных граничных условиях к расчету интенсивности процессов испарения капиллярно-пористых структур.

Summary

It has been done testing of developed software of mathematical model of surface evaporation with universal border conditions both on the base of experimental researches to display the influence variable porosity of capillary-porous materials and different physical properties of vaporized liquid and experimental data of other authors.

Литература

1. Лыков А.В. Теория сушки. - М.: Энергия, 1968, -471 с.

2. Смагин В.В. Использование нестационарного энергоподвода для интенсификации процесса сушки плоских материалов: Автореф. дис.... канд. техн. наук. - М., 1984. - 20 с.

3. Бояршинов Б.Ф., Волчков Э.П., Терехов В.И. Конвективный теплообмен при испарении жидкости в газовый поток // Известия СО АН СССР.- Вып. 3. - № 16. - 1985. - 17с.

4. Данилов О.Л., Смагин В.В. Внутренний тепломассоперенос в капиллярно-пористом теле при нестационарных краевых условиях // Тепломассообмен в капиллярно-пористых телах. - Минск, 1984. - Вып. 7, Т.6. -С. 146-149.

5. Лыков А.В. Тепло- и массообмен в процессах испарения // ИФЖ. -1962. - ТУ. - № 11. - С. 12-24.

6. Федяев А.А., Данилов О.Л., Коновальцев С.И. Математическая модель для энергетической оптимизации конвективных сушильных установок. Труды 1-й Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)». В 4 томах. - М.: МГАУ, 2002. - Т.2. - С. 106-109.

Поступила 27.04.2007