CC BY
1ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ТЕМПЕРАТУРНАЯ СТРАТИФИКАЦИЯ ВОЗДУХА В ГЕЛИОУСТАНОВКАХ Б.Э. Хайриддинов1, С.М. Хужакулов2, И.Л. Неъматов3 Э.М.Мейлиев1
1Каршинский государственный университет 2Каршинский инженерно-экономический институт 3Шахрисабзский военно-академический лицей "Темурбеклар мактаби" https://doi.org/10.5281/zenodo.10216015
Аннотация: В работе рассмотрены вопросы тепломассообмена и процессы температурной стратификации воздуха в замкнутом объёме гелиоустановки. На основе опытных данных, полученных в гелиотеплице, выведена корреляционная зависимость, определяющая изменение температуры воздуха по её высоте.
Ключевые слова: гелиотеплица, конвекция, стратификация, тепло - и массообмен, температура, давление, плотность, влажность воздуха, концентрация, материал сушки.
HEAT AND MASS TRANSFER PROCESSES AND TEMPERATURE STRATIFICATION OF AIR IN SOLAR INSTALLATIONS
Abstract: The work examines the issues of heat and mass transfer and the processes of temperature stratification of air in a closed volume of a solar installation. Based on experimental data obtained in a solar greenhouse, a correlation dependence was derived that determines the change in air temperature along its height.
Keywords: solar greenhouse, convection, stratification, heat and mass transfer, temperature, pressure, density, air humidity, concentration, drying material.
ВВЕДЕНИЕ
Как известно в процессах естественной конвекции в замкнутых объёмах существует тепломассообменные процессы и стратификация среды [1], когда менее плотные слои располагаются над более плотными слоями. В процессах тепло и массопереноса возникает как температурная, так и концентрационная стратификация. Изменение температуры среды приводит к изменению её плотности, более теплый объём поднимается вверх, более холодный - вниз. Концентрационная стратификация обусловлена разностью концентрации среды.
В низкотемпературных солнечных установках (теплицах, сушилках, опреснителях) практически всегда существует температурная стратификация. В дневное время в период инсоляции, солнечная радиация прогревает внутренние поверхности установки (почву, ограждения, растения в теплице, материал сушки в сушилке).
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
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.
Некоторое нарушение стратификации вызывает естественная аэрация и принудительная вентиляция, инфильтрация и эксфильтрация воздуха в конструкции. Естественная конвекция вновь приводит к стабилизации. Условие существования устойчивой стратификации определяется убыванием плотности среды по вертикали:
w,<°. о
Влажный воздуха рассматривается как смесь идеальных газов, состоящая 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 = f(t,p,C). (la)
В условиях гелиоустановок барометрическое давление принимается постоянным p=const. Тогда зависимость разности плотностей, определяющих Архимедову силу выталкиванию, от совместного действия переноса тепла и концентрации можно представить в следующем виде
Ар = Apt + Арс = Pq • р • (t — th) + Pq • • (С — Ch), (2)
где p0=p(t,C) - выбранная плотность среды, относительно которой определяется выталкивающая сила, ph = p(th, Ch) - рассматриваемая плотность.
В низкотемпературных гелиоустановках в процессах переноса, изменение плотности в зависимости от t и С можно принять линейным. Тогда коэффициенты температурного в, и концентрационного вс расширений среды определяются следующими выражениями:
= b = (3)
1 1
Р Р ^dc'p,t
Для идеальных газов = — = —1— (3 a)
Т0 273,15
Из выражений (3) и (За) получим
— (36)
'Ро-Ру
р0 273,15;
Если известны температура, давление и относительная влажность воздуха, плотность воздуха определяется следующими выражениями [2]:
р = Т = 213,15 + г; ^ = 28,95 — 10,93^; (4)
г ЯТ ^ V
где р - барометрическое давление, Па; ц - молекулярная масса влажного воздуха, кг/кмоль; R=8314 Дж/(кмолыК) - универсальная газовая постоянная; ф - относительная влажность воздуха; рн - давление насыщения пара, Па.
В интервале температур Т=303-343 К давление насыщения [3]
рн = 4245,29 ■ ехр [5201,3 -1)]. (5)
Влагосодержание воздуха х (г/кг) и концентрация пара С (кг/кг) [3]
х = 0,622 С=—. (6)
р-рн 1000 4 '
B соответствии с формулами (4) и (5), с увеличением температуры при ф=const
плотность воздуха падает практически линейно (рис.1). Таким образом
^ = —дгай р (7)
и Архимедова сила при ^ = дгай t - направлена вверх;
при = —дгай t - направлена вниз.
При равных условиях t и p плотность сухого воздуха больше плотности водяного пара. При увеличении влагосодержания плотность воздуха также линейно убывает (рис. 1.2). Аналогично (7) можно записать
^ = —дгай р (7а)
и Архимедова сила при ^ = дгайС направлена вверх;
при ^ = —9га^ С - направлена вниз.
Температурный градиент плотности сухого воздуха в интервале 1=20-70 °С составляет:
^ = -0,0034 - 0,00494 (8)
Концентрационный градент плотности влажного воздуха в интервале
С=(10-110)/103 кг/кг (х=10-110 г/кг)
составляет:
9р 0,00047-0,01 /кг\ /кг>
(?Ш (8а)
ЗС 10 3 Чм3/'Чкг>
Как видно из (8) и (8а), температурный градиент плотности превышает концентрационный в 103 раз. Поэтому, можно принять, что основное изменение плотности влажного воздуха определяется изменением температуры рь =р(1). В практических расчетах в формуле (2) можно не учитывать Дре.
Таким образом, для возникновения стратификации достаточно выполнения следующего условия
(9)
Соотношения (1) и (9) являются условиями устойчивости стратификации, в процессах тепло- и массопереноса. В низкотемпературных солнечных установках достаточно учитывать только температурную стратификацию. Традиционно при исследовании тепло- и массопереноса в процессах сушки в солнечных сушильных установках используется объёмная модель, где принимаются средние по объему значения параметров в сушильной камере [4,5]. В общем виде теоретически такой подход достаточно полно отражает процессы, протекающие в сушильной камере.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕВ
Реальности материал сушки располагается в несколько слоев на стеллажах тележках (рис. 3). Процессы тепло- и массопереноса происходят только в объёме 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 материала по вертикали. В свою очередь процессы тепло- и массопереноса влияют на стратификационное расслоение среды.
Как показывает опыт эксплуатации гелиосушилок, вертикальная стратификация наиболее выражена и устойчива (рис. 3,4), нарушение температурной стратификации по длине конструкции практически отсутствует, по ширине нарушение температурной стратификации наблюдается вблизи ограждений и вентиляционных форточек. Для реального описания процессов сушки необходимо иметь модель тепло- И массопереноса, с учетом послойного расположения материала сушки и температурной стратификации среды. Реализация такой модели позволит более достоверно определить условия сушки и адекватность объёмной модели, описания процессов сушки.
ВЫВОДЫ
Изменение температуры воздуха по высоте можно представить следующей корреляционной зависимостью
10 = 1т - (1т^а); 1ь = 10 ехр (b•h) (10)
10 - температура воздуха при Ь=0 м; 1т - среднемассовая температура воздуха, измеряемая на высоте Ь = 1,5 - 1,7 м; а, Ь - коэффициенты, определяемые экспериментально.
На основе регрессионного анализа среднестатистических экспериментальных данных получены следующие значения коэффициентов
а = 0,0425; Ь=0,029 (10а)
Таким образом, при многослойной модели сушки, для каждого слоя граничные условия будут иметь вид:
на входе в слой Ьн = Ь; 1н = 10 ехр(Ь^н);
на выходе из слоя Ьк = Ь+ё; 1к = 10 ехр(Ь^к), (11)
где Ь - высота расположения стеллажа с материалом сушки, м; ё - высота слоя, средний эквивалентный размер материала сушки, м.
Рис.1. Изменение плотности воздуха с изменением температуры: р=р(1) при 1-ф=0; 2-ф=30%; 3-ф=50%; 4-ф=70%; 5-ф=90%.
Рис.2. Изменение плотности воздуха с изменением влагосодержания: р=р(х) при 1-1=20°С; 2-1=35°С; 3-1 = 50°С; 4-1=65°С; 5-1=80°С
Рис.3. Схема поперечного сечения гелиосушилки: сушильная камера-воздухонагреватель, 2- стеклянное ограждение, 3- нижние и 4- верхние вентиляционные форточки, 5- тележки-стеллажи с материалом сушки
Рис.4. Среднестатистическое изменение температуры воздуха в гелиосушильной
установке (август): А- по высоте на расстоянии L=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.
Литература
1. Джалурия И. Естественная конвекция./М.: Мир, 1983, 399 с.
2. Крум Д. Кондиционирование воздуха и вентиляция зданий./М.: Стройиздат, 1980, 395 с.
3. Богословский В.Н., Поз М.Я. Теплофизика аппаратов утилизации тепла систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. /М.: Стройиздат, 1983, 317 с.
4. Ким В.Д., Хайриддинов Б.Э., Холлиев Б.Ч. Естественно - конвективная сушка плодов в солнечных сушильных установках: практика и теория. /Т.: Фан, 1999, 378с.
5. Хайриддинов Б.Э., Халимов Г.Г. Нурматова Д.Ж. Математическая модель взаимосвязанного тепло- и массопереноса при конвективной сушке влажного материала при заданном законе изменения температуры теплоносителя. //Научно -технический журнал ФерПИ, 2018, Том 22, №2, С73-78
