Теплообменные процессы в охлаждающем пакете с химическими ингредиентами

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕПЛООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ОХЛАЖДАЮЩЕМ ПАКЕТЕ С ХИМИЧЕСКИМИ ИНГРЕДИЕНТАМИ

науч. сотр., Т.А. Лазаренко,

инж. НИИГД «Респиратор»

Во многих отраслях промышленности Украины при производственных процессах, а также в результате ведения аварийно-спасательных работ подразделениями МЧС и ГВГСС возникают экстремальные микроклиматические условия (повышенная температура, влажность, повышенная или пониженная скорость движения воздуха, непригодная для дыхания среда). Так, в настоящее время около 30 % шахт работают в условиях нагревающего микроклимата (температура воздуха превышает 26 °С и достигает 38 °С при влажности до 100 %), а протяженность выемочных полей 1000 м и более - в 38 % шахт. Неблагоприятные микроклиматические условия возникают в металлургической, химической, стекольной, атомной отраслях промышленности, где температура воздуха на отдельных рабочих местах меняется от 40 до 200 °С в летний период, особенно при ремонте плавильных печей. Это приводит к перегреванию организма рабочих, потере здоровья, а иногда и жизни, большим материальным затратам на лечение и выплату регресса.

Одним из наиболее эффективных мероприятий, направленных на предупреждение перегревания работников в этих условиях, является применение средств индивидуальной противотепловой защиты с использованием водоледяной системы охлаждения (жилетов, курток, костюмов), которыми оснащены подразделения ГВГСС и частично МЧС. Для непредвиденных обстоятельств дополнительно подразделения ГВГСС оснащены костюмами экстренного охлаждения пострадавших

при перегревании и механических травмах с водоледяной системой охлаждения [3].

Недостаток применения водоледяной системы охлаждения для оказания помощи пострадавшим при перегревании во многих случаях - необходимость иметь установки для замораживания водяных элементов ОЭ-2, средства для их доставки к месту ведения работ и хранения (теплоизолирующие контейнеры), костюм с транспортной сумкой, что приводит к дополнительным материальным затратам.

Альтернативой ОЭ-2 в этом случае являются пакеты, в которых холод получают в результате эндотермической реакции с поглощением теплоты при смешивании некоторых солей (карбамида, нитрата аммония, хлорида: кальция, аммония, калия и т.д) с водой.

НИИГД «Респиратор» разработал пакет химический охлаждающий (ПХО), в котором после активации температура Т_min раствора резко снижается до 265…263 К (минус 8….10 °С) [4]. При использовании пакета для предотвращения переохлаждения тела пострадавших, с одной стороны, и обеспечения охлаждающего эффекта, с другой стороны, температура Т₀ на его наружной поверхности должна быть в диапазоне от 274 (плюс 1 °С) до 276 К (плюс 3 °С).

Поэтому актуальна задача выбора материала и толщины теплоизолирующей прослойки оболочки пакета (рис. 1), которые обеспечивают температуру на внешней поверхности пакета не ниже указанного положительного уровня.

Рис. 1. Расчетная схема пакета (без верхней и нижней торцевых частей): 1 - внешний слой; 2 - теплоизолирующая прослойка; 3 - внутренний слой оболочки

В связи с этим проведем исследование процессов теплообмена в системе «водно-солевой раствор - теплоизолирующая оболочка - внешняя среда» и определим на базе их результатов толщину и теплопроводность оболочки пакета (степень теплоизоляции раствора), при которой температура поверхности пакета не будет ниже чем 274 К (плюс 1 єС).

В математической формулировке задача заключается в следующем.

Решить уравнение

(1)

с начальным условием

(2)

и граничным условием

, (3)

где Т- температура раствора, К;

ф - время с момента применения пакета, с;

а - температуропроводность раствора, м²/с;

x - пространственная координата, отсчитываемая от геометрической вертикальной оси объема пакета в средине горизонтального сечения пакета, где ожидается наиболее низкая температура (см. рис. 1), м;

л - теплопроводность раствора, ;

k - коэффициент теплопередачи от окружающей среды (тела человека) к раствору через оболочку пакета, Вт/(м²·К);

- температура окружающей среды, К;

- температура внешней поверхности пакета, К;

h - половина поперечного размера пакета, м.

Ввиду симметричной постановки задачи принимаем, что в геометрическом центре объема раствора градиент температуры отсутствует, то есть

. (4)

Процессы теплопередачи через торцевые поверхности пакета, внешний и внутренний слои его оболочки не учитываем, поскольку торцы имеют незначительную, по сравнению с боковой поверхностью, площадь, а слои - малую толщину, которой можно пренебречь. Эти допущения позволят получать расчетные значения температуры на поверхности пакета с определенным запасом надежности.

Коэффициент теплопередачи k, необходимый для вычисления температуры, в соответствии с теорией теплопередачи [1, 2, 6], в принятых допущениях определяем по формуле

, (5)

где - коэффициент теплоотдачи от окружающей среды (тела человека) к внешней поверхности оболочки пакета, Вт/(м²·К);

- толщина прослойки оболочки пакета, м;

- коэффициент теплопроводности материала прослойки, Вт/(м·К).

Из выражения (5) следует, что коэффициент теплопередачи оболочки пакета всегда меньше коэффициента теплоотдачи окружающей среды, поскольку в это выражение входит число Био Bi_т, что характеризует соотношение между интенсивностью теплоотдачи окружающей среды и теплопередачи изолирующей оболочки:

.

Температура на поверхности пакета может быть определена на основании уравнения (3) таким образом. С учетом незначительной толщины оболочки, по сравнению с геометрическими размерами пакета, производная в левой части равна

, (6)

где - температура раствора на внутренней поверхности оболочки пакета, К.

После подстановки формулы (6) в выражение (3) получаем уравнение для определения :

, (7)

где - число, которое характеризует соотношение между интенсивностью теплопередачи через оболочку пакета и раствор.

Поскольку в начальный момент (после активации) должно выполняться условие:, то из уравнения (7) следует, что

. (8)

Следовательно, для соблюдения условия (8) необходимо, чтобы

.

Например, при ; и ; .

В соответствии с формулой (5) это равносильно

или , (9)

где .

Таким образом, теплоизоляция пакета зависит от коэффициента теплоотдачи от окружающей среды (тела человека) к его поверхности ?.

Учитывая, что теплопродуктивность организма человека при средней физической нагрузке равна приблизительно 225 Вт/м² [2], в соответствии с законом теплообмена Ньютона [1, 2, 6]

.

Следовательно, можно оценить значение коэффициента теплообмена между телом человека и поверхностью пакета, который равен 5,921 Вт/(м²·К). На основании условия (9) для этого коэффициента получено, что при толщине прослойки м ее теплопроводность должна быть соответственно не ниже Вт/(м·К).

Однако эти ориентировочные значения получены непосредственно для момента активации пакета и при соприкосновении с телом человека. Фактически пакет находится некоторое время в теплой воздушной подвижной среде и коэффициент теплоотдачи значительно выше. Поэтому для более точного определения необходимой степени теплоизоляции пакета и срока его пригодности необходимо знать динамику температуры раствора в период использования пакета. Решение задачи (1)-(4) с безразмерными переменными

; ;

может быть представлено в виде (решение задачи нагревания выходит в результате вычитания и из единицы [1, 6])

, ; (10)

; (11)

; (12)

, (13)

где ;

- безразмерное значение температуры на поверхности пакета, с учетом того, что в принятых допущениях при незначительной толщине оболочки .

Решение задачи (10)-(13) находят с помощью метода разделения переменных Фурье [1, 6] и оно аналогично приведенному в работе [5]:

, (14)

а поскольку это решение задачи об охлаждении раствора, то в дальнейшем принимаем его температуру

. (15)

Bi в данных исследованиях оценивается по полученным выше значениям Вт/(м²·К) и при м; ; . Согласно формуле (5) вычисляем коэффициент теплопередачи, который равен k = Вт/(м²·К), а затем по выражению (14) .

Результаты расчета относительной температуры раствора по формуле (15) в зависимости от числа Fo при разных Bi приведены на рис. 2.

Рис. 2. Результаты моделирования динамики температуры раствора: 1 - Bi = 0,60; 2 - Bi = 0,45; 3 - Bi = 0,30; 4 - Bi = 0,15

В результате проведенных исследований сформулирована математическая задача определения динамики температуры на поверхности охлаждающего пакета; получены выражения, характеризующие зависимость температуры пакета от начальной температуры и теплопроводностираствора, оболочки пакета и температуры окружающей среды. На основании полученных результатов установлено, что для обеспечения температуры на поверхности пакета, предотвращающей переохлаждение тела пострадавших при перегревании, теплопроводность оболочки пакета должна быть в пределах 0,12…0,25 Вт/(м·К), а толщина (2…4)·10^-3 м.

теплообмен водный солевой переохлаждение

Список литературы

1. Баскаков А.П. Теплотехника / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт. - М.: Энергоиздат, 1982. - 264 с.

2. Дмитриев А.П. Термодинамические процессы в горных выработках / А.П. Дмитриев, С.А. Гончаров. - М.: Недра, 1983. - 312 с.

3. Онасенко А.А. Комплект средств экстренного охлаждения пострадавших при перегревании / А.А. Онасенко, В.А. Вольский,

И.Ф. Марийчук // Уголь Украины. - 2005. - № 3. - С. 32-34.

4. Пашковський П.С. Процеси теплообміну в системі «водно-сольовий розчин - теплоізолююча оболонка - навколишнє середовище» /

П.С. Пашковський, В.О. Положій // Техногенна безпека. Теорія, практика, іновації: зб. тез. міжнар. наук.-практ. конф. - Львів: УкрНДІПБ, 2008. - С. 226-228.

5. Положий В.О. Моделирование теплообменных процессов в контейнере с водоледяными аккумуляторами холода / В.О. Положий,

И.Ф. Марийчук // Горноспасательное дело: сб. науч. тр. / НИИГД. - Донецк, 2008. - Вып. 45. - С. 147-157.

6. Юдаев Б.Н. Теплопередача / Б.Н. Юдаев. - М.: Высшая школа, 1973. - 360 с.

Размещено на Allbest.ru