Моделювання та ідентифікація теплових процесів у капілярно-пористих тілах

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Закономірності технологічних і хімічних процесів у різних галузях промисловості визначаються тепло- і масопереносом з фазовим перетворенням у капілярно-пористих тілах, дослідження якого має велике науково-прикладне значення. Із цим явищем стикаються при розрахунку характеристик у процесах сушіння харчових продуктів, деревини, при перенесенні рідини в пористій ізоляції та інших технологічних процесах. Значимість проблеми тепломасообміну в капілярно-пористих тілах зросла у зв'язку із застосуванням їх у космічній техніці. Одним з основних шляхів підвищення ефективності систем охолодження енергоустановок і систем терморегулювання літальних апаратів є використання двофазного теплоносія в контурних теплових трубах (КТТ).

Традиційно до складних процесів тепломасообміну в капілярно-пористих структурах (КС), як і до проблеми двофазної течії в пористому середовищі, підходять із позицій припущення про роздільну течію фаз, коли парова й рідинна фази розглядаються як окремі рідини з індивідуальними термодина-мічними і транспортними властивостями та різними швидкостями течії. Через нелінійність, наявну в процесах двофазної течії, точні рішення отримані для невеликого класу задач в одновимірній або двовимірній постановці із залученням великої кількості припущень. У зв'язку з недостатньою точністю рішень, отриманих з використанням зазначених припущень про роздільну течію фаз при дослідженні двофазної течії в КС, актуальним є як формування математичної моделі тепломасообміну в капілярно-пористих тілах, так і розробка методів рішення зазначених задач.

Мета і завдання дослідження. Метою цієї роботи є створення методики розрахунку тепломасообміну при течії двофазного теплоносія у капілярно-пористих структурах різних пристроїв промислового призначення.

Досягнення поставленої мети пов'язане з рішенням таких завдань:

– адаптація математичної моделі змішаної течії двофазного теплоносія до процесів тепломасопереносу з фазовим перетворенням у капілярно-пористих структурах;

– розробка методів розрахунку теплових процесів у капілярно-пористих тілах;

– використання розроблених методів для аналізу процесів, що відбуваються в контурних теплових трубах;

– застосування розроблених методів для аналізу процесів сушіння колоїдних капілярно-пористих матеріалів.

1. Аналіз фізичних процесів у капілярно-пористих структурах, досліджено їх застосування у техніці, зокрема в контурних теплових трубах

Виділено основні проблеми, які виникають при математичному моделюванні процесів тепломасообміну в капілярно-пористих структурах випарника контурної теплової труби під час її експлуатації в системах охолодження високотемпературних поверхонь, і у процесі сушіння капілярно-пористих матеріалів. Проаналізовано математичні моделі, що описують процеси теплопереносу з фазовим перетворенням у капілярно-пористих структурах, розроблені С.Л. Соловйовим, М.Г. Семена, К. Юделом, В.М. Кисейовим.

Їх аналіз показав, що наявні математичні моделі через велику кількість припущень недостатньо точно описують процеси тепломасообміну в КС, а також не дозволяють досліджувати нестаціонарний процес течії двофазного середовища, що має вплив на ефективність роботи як КТТ, так і систем у яких використовуються капілярно-пористі структури.

Аналіз робіт з математичного моделювання процесів тепломасообміну в КС дозволив зробити висновок, що для вирішення проблем, які виникають при роботі випарника контурної теплової труби насамперед необхідно створити адекватну математичну модель процесів у капілярних структурах, обрати ефективні методи та розробити алгоритми, провести на їх основі чисельні дослідження, що дозволять створювати раціональні конструкції.

На підставі проведеного аналізу сформульовано мету дослідження і визначено комплекс завдань, який необхідно вирішити для її досягнення.

2. Математична модель двофазної течії теплоносія у капілярно-пористій структурі, яка була сформована на основі моделі змішаної течії теплоносія С. Беккермана, і отримана шляхом перетворення моделі незалежного руху фаз

Традиційна модель, що передбачає роздільну течію, перетворювалася в модель змішаної течії теплоносія шляхом простих алгебраїчних перетворень на основі третьої умови рівноваги фаз про незмінність кількості речовини при фазовому перетворенні, при цьому

На відміну від моделі С. Беккермана, де моделювалися процеси в КС із низькою теплопровідністю (пісок), сформована математична модель ураховує процес тепловіддачі від каркаса КС до теплоносія.

Математична модель процесу тепломасообміну із фазовим перетворенням у капілярно-пористій структурі представлена такими диференціальними рівняннями: енергії, руху двофазного потоку і теплопровідності каркасу КС.

Значною перевагою запропонованої моделі є те, що вона дозволяє виділити впливи окремих фаз, незважаючи на те, що диференціальні рівняння цієї моделі передбачають лише загальну поведінку суміші. Це досягнуто тим, що в модель введені алгебраїчні співвідношення між характеристиками двофазної суміші і її окремих фаз.

Математична модель тепломасообміну в КС з фазовим переходом може бути застосована для опису процесів, що відбуваються при сушінні будівельних матеріалів, харчових продуктів, для моделювання процесів тепломасообміну в теплових трубах, зокрема в контурних теплових трубах. Вона дозволяє визначати раціональні геометричні характеристики капілярної структури.

3. Дослідження впливу структурних і теплофізичних характеристик пористого середовища на процеси в КС

Був обраний елемент капілярно-пористої структури випарника КТТ з такими розмірами: а = 2 мм, в = 4 мм, h = 5 мм.

Область дослідження розбивалася на трикутні симплекс-елементи з урахуванням необхідності вибору кроку сіткової розбивки та відповідного йому кроку за часом. Велика увага була приділена правильному завданню граничних умов (ГУ), що замикають систему диференціальних рівнянь які відповідали б фізичному змісту задачі. Для цього був виконаний ряд чисельних експериментів, результати яких дали можливість для випарника КТТ прийняти такі граничні умови: на границі 1 (Г1) КС, суміжну з каналом підживлення, задані ГУ 1-го роду. Температура і тиск рідини, що надходить у структуру, дорівнюють температурі й тиску рідини в каналі підживлення: Т=Тр, Р=Рр.

На Г3 «КС - поверхня нагрівання» задається ГУ другого роду: q = const. На Г2 «КС - паровідвідний канал» задано питому масову витрату пари, що видаляється з капілярно-пористої структури.

Для дослідження впливу структурних характеристик пористого матеріалу на ефективність роботи випарника КТТ було проведено чисельні експерименти із застосуванням характеристик металів, виготовлених на основі спресованої стружки, отриманих Л. Гріном, Р. Дувецом, Ю.П. Кукотою, В.М. Слєпцовим, та із спеченого порошку Ni, який застосовувався в експерименті. Як теплоносій використовувався аміак з температурою насичення Тнас=30,28 С при тиску насичення Рнас = 1,17 МПа. Початкові умови задані в такий спосіб: при ф0 = 0 Т0 = 29С, Р0 = 1,1675 МПа.

Що стосується граничних умов, то вони задані таким чином: на Г 1 Р=Рр= 1,1675 МПа, Т=Тр=20 С, на Г 3 для кожного зразка підбирався максимальний тепловий потік, при якому на виході із КС (Г 2) насиченість s = 0, тобто капілярний тиск Рс для цього зразка досягав максимального значення, на Г 2 .

У табл. 1 для КС із різних пористих металів наведено тепловий потік Q, при якому створюється максимальний капілярний напір ?Рmax, коефіцієнт абсолютної проникності капілярної структури К, максимальна швидкість пари umax на виході із КС, отримані в результаті розрахункового дослідження із залученням моделі двофазної течії теплоносія в КС.

Таблиця 1. Результати досліджень процесу тепломасообміну у випарнику КТТ, виконаному з різних пористих металів

Використовуючи дані про потужність теплового джерела, тиску й питомі витрати пари, було розраховано гідравлічні опори всього контуру теплової труби й проведено узгодження капілярного напору ?Р і втрат тиску по всьому контуру КТТ. При цьому враховувалися опори капілярної структури, паровідвідних каналів, паропроводу, конденсатора й конденсатопроводу.

Аналіз отриманих результатів показав, що 2-й метал може передавати тепловий потік на 500 Вт більший, ніж 3-й, і на 330 Вт більший, ніж 4-й. Крім того, другий зразок зі спресованих волокон заліза може передавати більший тепловий потік і генерувати більший капілярний напір у порівнянні з матеріалом зі спеченого порошку нікелю. Отже, він є більш ефективним як матеріал випарника.

Для визначення впливу теплофізичних властивостей пористих металів на теплообмін у КС були досліджені пористі матеріали: мідь із П = 0,352 і = 139 Вт/(м•К); сталь 12Х18Н9Т з П = 0,351 і = 5,36 Вт/(м•К); нікель із П =0,344 і = 26,46 Вт/(м•К)).

Для розрахункового дослідження як теплоносій була прийнята вода з температурою на лінії насичення Тнас=100 оС при тиску Рнас=101,4 кПа.

Розглянутий елемент капілярної структури мав розміри 510 мм.

Висновки

тепломасоперенос фазовий капілярний випарник

У дисертаційній роботі вирішено актуальне науково-практичне завдання моделювання процесів тепломасообміну з фазовим перетворенням у капілярно-пористих тілах.

1. Створено методику розрахунку тепло- і масообміну при течії двофазного теплоносія у капілярно-пористих структурах, яка дозволяє провести розрахунок конструкцій теплових труб різних типів, оптимізувати процеси сушіння деревини та будівельних матеріалів, а також може бути використана для створення раціональних конструкцій різних пристроїв промислового значення, принцип роботи яких засновано на процесах у капілярно-пористих структурах.

2. Уперше сформовано математичну модель тепломасообміну з фазовим перетворенням у капілярно-пористих структурах із високою теплопровідністю, що дозволяє аналізувати течію і теплообмін одно- і двофазного теплоносія у пористих структурах, виявляти області утворення парового шару, що знижують інтенсивність передачі теплоти, проводити покомпонентний аналіз руху фаз теплоносія.

3. Запропоновано метод спільного рішення задач переносу теплоти двофазним теплоносієм і каркасом капілярно-пористої структури, що підвищує точність розрахунку процесів тепло - і масообміну в теплових трубах.

4. На основі аналізу експериментальних даних дослідження роботи контурних теплових труб отримано залежність для інтенсивності теплообміну між каркасом капілярно-пористої структури і теплоносієм.

5. Розроблено алгоритм і відповідний програмний комплекс мовою програмування С++ як для аналізу процесів тепломасообміну в металевих капілярно-пористих структурах теплових труб, так і для моделювання процесів сушіння деревини та інших матеріалів.

6. На основі дослідження впливу структурних характеристик різних за технологією виготовлення пористих металів на ефективність роботи контурної теплової труби визначено металево-волокнистий матеріал (залізо, П=0,327), що забезпечує передачу максимального теплового навантаження при однакових геометричних характеристиках випарника контурної теплової труби.

7. Встановлено, що при теплопровідності матеріалу пористої структури більшої ніж 1 Вт/(мК) необхідно враховувати передачу теплоти по каркасу структури у двофазній зоні.

8. На основі експериментальних даних виконано вдосконалювання моделі тепломасообміну з фазовим перетворенням у капілярно-пористих структурах щодо процесів сушіння деревини.

9. Дано рекомендації з вибору раціональних способів укладання деревини та теплофізичних характеристик сушильного агента при камерному сушінні деревини, що дозволяють підвищити ефективність технологічного процесу на 17 %.

Література

Тарасова В.А. Модель расчета процессов теплообмена и течения в капиллярно-пористой структуре с фазовым переходом / В.А. Тарасова // Электронное моделирование. - 1999. - Т.21, № 4. - С.108-112.

Тарасова В.А. Моделирование тепломассообмена в испарителе двухфазного контура с капиллярным насосом/ В.А. Тарасова // Проблемы машиностроения. - 2000.- Т.3, № 1-2. C. 67-72.

Мацевитый Ю.М. Математическая модель процесса теплообмена в испарителе контурной тепловой трубы/ Ю.М. Мацевитый, В.А. Тарасова // Проблемы машиностроения. - 2002.- Т.5, №3. C. 21-25.

Тарасова В.А. Применение модели нестационарного течения двухфазного теплоносителя через капиллярно-пористую среду для моделирования процесса сушки древесины / В.А. Тарасова // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит.2008.- № 7(53). С. 10-17.

Тарасова В.А. Математическая модель течения двухфазного теплоносителя через капиллярно-пористую структуру испарителя контурной тепловой трубы / В.А. Тарасова // Авиационно-космическая техника и технология.2008. №.4(51). С. 3942.

Мацевитый Ю.М. Математическое моделирование процессов теплообмена в двухфазном контуре с капиллярным насосом/ Ю. М. Мацевитый, В. А. Тарасова // Передовые термические технологии и материалы: I Междун. симп., Кацивели, Крым, Украина, сент. 1997: аннот. доклады. М.: Моск. гос. техн. ун-т им. Н.Э. Баумана, 1997. С. 136.

Размещено на Allbest.ru