CC BY
13
УДК 621.472
А. А. МАНСУРОВ, Ж. Д. САДЫКОВ, Г. Г. ХАЛИМОВ, Б. Ч. ХОЛЛИЕВ, Н. С. ХОЛМИРЗАЕВ, К. К. РАХИМОВА
ТЕПЛООБМЕН ПРИ ДВИЖЕНИИ ВОЗДУХА В ПОДЗЕМНОМ ВЕНТИЛЯЦИОННОМ ТРАКТЕ
(Поступила в редакцию 14.07.2015)
В статье рассматриваются вопросы математического The article deals with mathematical modeling of heat trans-
моделирования теплообменных процессов при движении fer processes in the movement of air through the underground
воздуха по подземному вентиляционному каналу. Получены ventilation duct. We have obtained the most reliable results for
наиболее достоверные результаты по исследуемому про- the investigated process and drawn graphics of dependence.
цессу и построены графики зависимости. Составленную Obtained mathematical model can be improved with the use of
математическую модель можно усовершенствовать с new scientific developments in the field of mathematical model-
применением новых научных разработок в области мате- ing and thermal physics, and on the basis of elements of auto-
матического моделирования и теплофизики и на базе сис- mation systems it gives the possibility of the optimal use of ac-
тем элементов автоматики дает возможность опти- cumulated cold in the examined object. мального использования аккумулированного холода в исследуемом объекте.
Введение
Для длительного хранения сельскохозяйственной продукции в хранилищах обычного типа необходимо поддержания определенного температурно-влажностного режима. С разработкой теории охлаждения и кондиционирования воздуха, с изобретением холодильных установок появилась возможность решить этот вопрос. Но применения этого способа хранения требует больших затрат и это отражается на стоимости хранимого сельскохозяйственного продукта, т. е. продукт становится дороже. Что и поставит задачу разрабатывать оптимальных вариантов хранилищ. К таким относятся вариант подземного хранилища [3], относящиеся к так называемым «безмашинным холодильникам», т. е. отсутствует холодильная установка. Охлаждение хранилища осуществляется способом аккумуляции холода в грунтовом массиве, окружающей данное хранилище.
Аккумуляция холода в грунтовом массиве осуществляется двумя способами:
1) аккумуляция холода сквозным проветриванием хранилища («пассивный» метод аккумуляции);
2) аккумуляция холода с применением грунтовых теплообменников («активный» метод аккумуляции).
Эти два метода аккумуляции холода можно произвести в отдельности или одновременно одним
или двумя центробежными вентиляторами.
Анализ источников
Задачей об изменении параметров воздуха при движении в одиночных подземных вентиляционных каналах, т. е. в грунтовых теплообменниках, занимались К. Ван-Хеерден, П. Н. Смухин, Е. В. Стефанов [1, 5, 6], основы технико-экономического расчета изложены в работе [2]. Наиболее важный вклад в решение задач, характеризующих изменение параметров воздуха при движении в одиночных подземных вентиляционных каналах, был сделан Е. В. Стефановым [6, 7]. Им было получено аналитическое решение задачи, когда температура приточного воздуха в начальном сечении канала постоянна или меняется во времени по закону периодической функции, а проведенные экспериментальные исследования позволили получить зависимости, удобные для практической оценки изменения температуры воздуха при движении в одиночных подземных вентиляционных каналах [7] и
х d'
Методы исследования
В ходе исследования применялись расчетно-конструктивный, абстрактно-логический и индексный методы.
Основная часть
При поступлении в канал воздуха с постоянной во времени температурой (стационарный процесс) эта зависимость имеет вид:
t -о -4^-», (1)
Х,Т гр _ y-9-c-S ' v '
t,-0 0 гр
где t - температура воздуха в канале на расстоянии х (м) от начального сечения канала, 0 С;
х,г
в - температура окружающего канал массива грунта,0 C;tn- температура воздуха в начальном сече-
гр U
нии канала,0 С; S — периметр канала, м; F - площадь поперечного сечения канала, л/2: у , с - физические константы воздуха, принимаемые для средней температуры воздуха в канале; х - расстояние от начального сечения канала до рассматриваемого, м; 3 - скорость движения воздуха в канале, м/с; К = цг-а - коэффициент нестационарного теплообмена между движущимся воздухом и массивом
величине относительного расстояния ^ 100 от начального сечения канала до рассматриваемого.
грунта при to = const; а - коэффициент теплоотдачи от движущегося воздуха внутренней поверхности канала и для процесса аккумуляции холода зимой при средних значениях:
-0,054
лл, о0,8 ,-0,2 х а = 4,16-,9 ' -а '
или
„0,8 ,-0,2 х а = 3,58-5 ' -а ■ —
Г 0,054
х
Вт м ■ С
2 0 м -ч- С
и для процесса использования аккумулированного холода весной и летом:
Вт ИЛИ
о0,8 ,-0,2 а = 3,55-5 ' -а
а = 3,05-Я0'8-¿Г0'2
2 0 7W -Ч- С
где ц/ — функция граничных условий, теплофизических и временных характеристик процесса или коэффициент распространения тепла для условий теплообмена воздуха, поступающего в подземный канал при t0= const, который для < юо характеризуется следующим значением:
d
,, с- -0,25 D-0,8 I// = 4,1 ■ Fo ' ■ Bi
Г Л"0'4 х
(2)
где d - диаметр канала, м;
d
относительное расстояние от начального сечения до рассматривае-
- критерий Фурье; а - коэффициент
мого; а-г - критерий подобия граничных условий; а-т
Bi = —У- Fo =-
з 2
0
температуропроводности грунта, м /ч; /• - радиус канала, м; т - время, ч.
Проведенный анализ позволил обозначить область действия зависимостей для учета степени охлаждения (использования аккумулированного холода) и нагревания (аккумуляции холода) приточного воздуха при движении в одиночных подземных вентиляционных каналах, что необходимо для выбора расчетных наружных температур при величине £ < 10о •
а
С целью облегчения практического использования зависимости (1) были рассмотрены возможные пределы изменения входящих величин, и, зная значения коэффициента распространения тепла в окружающем массиве у/ и коэффициент теплоотдачи а, основное выражение (1) было представлено в окончательной форме. Тогда для случая аккумуляции холода зимой, т. е. нагревания приточного на-
ружного воздуха при движении в подземном канале при — < юо выразится зависимостью вида:
ё
в -t гр X
в -t. гр 0
-0,25 -0,8 -0,2 0,65 - 0,4566 • .Fo Bi -Re -Рг ■
x
\dj
0,566
(3)
а процесс использования аккумулированного холода весной и летом, т. е. охлаждения приточного наружного воздуха при движении в одиночном подземном канале при £ < ¡до :
-0,25 -0,8 -0,2 -0,374-Fo Bi -Re
гр
d \0,6
(4)
0 гр
Так как правая часть в (3) и (4) является функцией произведения критериев, то для оценки пределов ее изменения необходимо оценить возможные пределы изменения данных критериев. Выделим в (4) критериальное произведение и обозначим его через 2, тогда:
Л 0,6
где обозначим:
7 „ -0,25 о--0,8 тт -0,2 Z =Fo ' ■ Bi ' • Re
^-0,25 „.-0,8 ¥\= 0
-0,2
у/ = Re
z=4'x
л 0,6
(5)
(6)
(7)
(8)
„,2 °г
М ■ С
d
X
— е
x
t
d
x
= е
x
d
Рассмотрим пределы изменения у/.
=
-0.25
-0.8
(9)
Здесь а, г а, Я - величины заданные, а переменным является г, т. е. время от начала процесса
теплообмена воздуха с окружающим грунтом (ч). Коэффициент температуропроводности а и другие характеристики окружающего канал массива даны в СНиП [4] и справочной литературе. С учетом того, что в реальных условиях почвы и грунты увлажнены, примем среднее значение а =0,0033 м2/ч. Тогда величины критериев будут находиться в пределах:
Р0=(0н-90); В1=(0н-60); у/НО-н 10).
Пределы изменения Z равны соответственно (0 4- 23). Однако, как показывают расчеты, значение Z, равное 10 и более, рассматривать не имеет смысла, так как при Z = 10 величина
-0,374-10 е ' = 0,02о7 .
Нижным пределом значения Z = 0,1, так как при этом Z величина е~ ■ 0,1 _ д ^ ^ чт0 ГОВОрИХ об изменении температуры приточного воздуха на 0,2 -н 0,5 "С.
Характерное время г (ч) заложено в критерии 1<о. Все остальные величины, входящие в показатель степени числа e, представляют собой комплекс теплофизических характеристик взаимодействующих сред - грунта и воздуха. Поэтому для каждого конкретного случая необходимо знать
Использования возможностей математического, компьютерного моделирования является более актуальным для практического изучения данного процесса и дает наиболее точные результаты [8].
На основе компьютерной программы - модели для случая аккумуляции холода зимой, т. е. нагревания приточного наружного воздуха, получены кривые зависимости:
t~в X гр
0 гр
оз ю 40 60 ио 1: Зависимость Получены кривые зависимости:
о 10 20 30 40 50 60 70 80 Зависимость / = / (
90 100
в ^
гр х
9
гр О
= ПРо):
/'"с
с помощью математической модели для случая использования аккумулированного холода весной и летом т. е. охлаждения приточного наружного воздуха.
г.
0,7 -
0,6 -
0,5 -
0,4 -
0,3 -
0,2 -
0,1 -
14 12
10
8 6 4 2
20
50
132
10 30
Зависимость = / ^
80
100
а-г
а-т
0
2
г
0
Зависимость е п'г
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.
