Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Экспериментальное исследование теплофизических свойств текстильных и полимерных материалов для радиационно- конвективных теплообменников 15
1.1. Теплоемкость и коэффициент теплопроводности текстильных материалов 15
1.1.1. Теплоемкость 15
1.1.2. Коэффициент теплопроводности 22
1.2. Теплофизические свойства углеродных волокон 31
1.3. Оптические характеристики полимерных пленок 45
ГЛАВА 2. Экспериментальное исследование процессов в радиационно-конвективных теплообменниках из полимерных и текстильных материалов 49
2.1. Конструкции теплообменников 49
2.2. Процессы теплообмена в емкостных радиационно- конвективных теплообменниках 53
2.3. Процессы теплообмена в проточных радиационно- конвективных теплообменниках 62
2.4. Процессы теплообмена в воздушных радиационно-конвективных теплообменниках 72
ГЛАВА 3. Математическое моделирование радиационно-конвективных теплообменников из полимерных и текстильных материалов 80
3.1. Оптические характеристики прозрачной стенки каналов воздушных теплообменников 80
3.2. Предельная температура нагрева воздуха в теплообменнике 90
3.3. Изменение температуры воздуха по длине канала теплообменника 105
3.4. Емкостные теплообменники для нагрева воды 113
3.5. Проточные теплообменники для нагрева воды 125
ГЛАВА 4. Релаксационные модели процессов переноса в веществе 129
4.1. Методы описания явлений переноса в газах и конденсированных средах 129
4.2. Релаксационная модель координационных сфер для описания теплопроводности твердых тел и жидкостей 139
4.3. Универсальная релаксационная модель переноса тепла .. 157
4.4. Релаксационная модель переноса импульса и массы 163
4.5. Описание турбулентных аналогов коэффициентов переноса 170
ГЛАВА 5. Методы расчета процессов тепломассообмена в тонких пористых телах 177
5.1. Анализ методов расчета процессов тепломассообмена в теплотехнологических установках текстильной промышленности 177
5.2. Сорбционное равновесие текстильных материалов во влажном воздухе 190
5.3. Тепломассообмен при постоянных параметрах влажного воздуха 203
5.4. Тепломассообмен при прямотоке и противотоке 233
ГЛАВА 6. Теплотехнический расчет и анализ эффективности многосекционных тепломассообменных установок 262
6.1. Распределение присосов воздуха по отдельным секциям тепломассообменных установок 262
6.2. Тепловые и материальные балансы секций 270
6.3. Расчет процессов тепломассообмена в секциях 283
6.4. Анализ результатов расчета тепломассообмена
в многосекционной установке 291
Основные результаты и выводы 314
Литература
- Коэффициент теплопроводности
- Процессы теплообмена в проточных радиационно- конвективных теплообменниках
- Изменение температуры воздуха по длине канала теплообменника
- Универсальная релаксационная модель переноса тепла
Введение к работе
Концепция устойчивого развития России в XXI веке предполагает укрепление энергетической безопасности страны, т.е. защищенности ее граждан, общества и государства от угроз дефицита топливно-энергетических ресурсов и нарушения стабильности в энергоснабжении [1]. Однако, в настоящее время в российской энергетике все еще сохраняются негативные с точки зрения энергетической безопасности тенденции, которые при неблагоприятных условиях могут привести к энергетическому кризису в стране, ограничивающему ее экономическое и социальное развитие. Мероприятия по сглаживанию данной ситуации сформулированы в энергетической стратегии России [2]; в частности, в этом документе предлагается повысить уровень разнообразия ресурсов, привлекаемых для энергоснабжения, и проводить эффективную энергосберегающую политику.
В развитых странах основным потребителем энергии является промышленность. В промышленной теплоэнергетике России накопились многочисленные проблемы, к которым относятся ускоряющийся износ теплоэнергетического оборудования, низкая энергетическая эффективность технологических процессов, а также ослабление инновационной и инвестиционной деятельности. Для их преодоления необходимо техническое перевооружение теплового хозяйства, направленное на развитие перспективных систем теплоснабжения и энергосбережение у теплоёмких промышленных и массовых коммунально-бытовых потребителей. Известно, что хорошо организованное энергосбережение может дать эффект, соизмеримый с тем, который дает модернизация систем производства и распределения энергии, при с)тдественно меньших затратах.
Анализ показывает, что на первом этапе реализации энергосберегающих программ преимущественно внедряются организационно-технические мероприятия, не требующие крупных капиталовложений. Однако, к настоящему времени это направление практически себя исчерпало, и на втором этапе должны разрабатываться и внедряться новые энергосберегающие технологии и обо-
рудование. Одно из направлений совершенствования систем теплоснабжения предполагает использование в их составе экономически и экологически эффективных возобновляемых источников энергии и, в первую очередь, солнечной энергии. В условиях России на видимую перспективу (до 2015-2020 гг.) такие источники вряд ли обеспечат более 3-5% теплопотребления, хотя технические возможности их использования значительно превосходят эти величины. Поэтому возобновляемые источники энергии следует рассматривать не как альтернативу традиционным решениям, а как фактор повышения качества, надежности, безопасности, экологичности и общей экономичности теплоснабжения в динамике его развития и совершенствования. Ясно, что приоритетными для этих источников являются районы и объекты, не охваченные централизованным теплоснабжением. Но это не исключает целесообразности их использования и в централизованных системах, например, для предварительного или летнего нагрева теплоносителя при независимой схеме присоединения потребителей.
Среди широкого спектра технологий использования солнечной энергии наиболее технически подготовлена к внедрению технология получения низкопотенциальной теплоты для отопления, горячего водоснабжения, а также теплоснабжения некоторых низкотемпературных технологических процессов в промышленности и сельском хозяйстве. Системы солнечного теплоснабжения получили достаточно широкое распространение во многих странах мира с благоприятными климатическими условиями. В России вследствие более сурового климата и относительной дешевизны органического топлива масштабы их внедрения пока относительно невелики. В [3-5] показано, что в настоящее время системы солнечного теплоснабжения уже конкурентоспособны с тепловыми источниками на органическом топливе в южных районах Дальнего Востока, на Северном Кавказе и в Нижнем Поволжье (где их срок окупаемости не превышает 10-15 лет). В случае введения экологического налога на выбросы диоксида углерода они могут оказаться эффективными для производства низкопотенциальной теплоты на значительной части территории России с годовым приходом солнечной радиации более 1000 кВтч/м2. При этом солнечные теплогене-
раторы целесообразно использовать в гибридных энергокомплексах, обеспечивающих дублирование их мощности, а также перераспределение выработанной энергии между потребителями, либо ее аккумулирование.
Основной проблемой на пути широкого использования солнечного теплоснабжения является отсутствие в нашей стране недорогих, достаточно эффективных и простых в эксплуатации радиационно-конвективных теплообменников (солнечных коллекторов), предназначенных для нагрева теплоносителей за счет солнечной энергии. Подготовленные к серийному производству образцы отечественных коллекторов характеризуются удельной стоимостью 100-250 долл./м2 и имеют ограниченный спрос из-за недостатка финансовых средств у потенциальных потребителей. Анализ [4] показывает, что существенного снижения стоимости коллекторов можно добиться лишь за счет применения в них неметаллических материалов. В этой связи большие перспективы имеет разработка эластичных конструкций радиационно - конвективных теплообменников из полимерных и текстильных материалов с приемлемыми технико - экономическими характеристиками. Она должна сопровождаться необходимыми экспериментальными исследованиями и развитием инженерных методов расчета и оптимизации таких теплообменников, работающих как в аккл'муляционном, так и в проточном режимах.
Энергосбережение в промышленности определяется типом и техническим уровнем используемых в ней технологических процессов. Современная текстильная промышленность является одним из крупных потребителей тепловой энергии. В зависимости от вида тканей и типа волокон на отделочных предприятиях текстильных производств могут осуществляться такие сопровождающиеся большим потреблением тепла операции как беление, заваривание, крашение, промывка, запаривание, мерсеризация, карбонизация, зреление, с\тлка, термообработка с целью улучшения эксплуатационных характеристик материалов или придания им специальных свойств. Перечисленные выше технологические операции за исключением первых четырех протекают в паровоздушных средах с различными концентрациями водяного пара и сопровождаются совместно
протекающими процессами конвективного тепло- и массообмена. Возможности экономии энергии могут скрываться в самых тонких особенностях вышеупомянутых технологий. Поэтому необходимы исследования закономерностей теп-ломассообменных процессов в отделочном оборудовании, анализ его энергетической эффективности, а также разработка новых методов расчета и математического моделирования теплоиспользующих машин и аппаратов.
Последнее подразумевает и развитие новых подходов к описанию явлений переноса теплоты, импульса и массы в веществе. Наилучшие перспективы в этом плане имеют статистические модели переноса, с помощью которых можно получить универсальные температурные зависимости коэффициентов теплопроводности, вязкости и диффузии для конструкционных материалов, теплоносителей и рабочих тел современного оборудования промышленной теплоэнергетики. Их использование позволяет существенно повысить точность математического моделирования теплоэнергетических установок в условиях сильной неизотермичности. Кроме того, эти модели имеют и большой самостоятельный интерес для фундаментальной науки, т.к. позволяют прогнозировать поведение коэффициентов переноса вещества (при экстремальных температурах, при фазовых переходах, в турбулентных потоках и т.д.).
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В настоящее время проблема рационального использования тепловой энергии в промышленности и коммунальном хозяйстве приобретает особую остроту для национальной экономики. Для ее решения необходим комплексный подход, позволяющий оптимизировать потребление топливно-энергетических ресурсов. В рамках такого подхода наиболее перспективными для реализации являются два направления, которые и намечено рассмотреть: - первое связано с использованием в системах низкопотенциального теплоснабжения возобновляемого энергоресурса - солнечной энергии, а второе базируется на повышении энергетической эффективности традиционных тепловых технологий.
Расширение использования солнечной энергии для теплоснабжения предполагает разработку эффективных и недорогих радиационно-конвективных те-
плообменников на базе неметаллических, в частности, полимерных и текстильных материалов. В свою очередь это требует экспериментального и теоретического исследования теплофизических и терморадиационных характеристик таких материалов, а также математического моделирования и опытного изучения процессов в этих теплообменниках на лабораторных и натурных установках.
Во многих современных теплоиспользующих технологиях предусмотрена обработка промышленной продукции в паровоздушных средах, которая сопровождается совместно протекающими процессами конвективного тепло- и мас-сообмена. Исследования на промышленных установках с целью их режимной оптимизации или реконструкция таких установок для поиска оптимальных конструкторских решений весьма дороги, а возможности создания уменьшенных моделей, отражающих характеристики реальных установок, проблематичны. В этих условиях наиболее дешевым и гибким представляется анализ работы теп-лотехнологических установок при помощи методов математического моделирования. Для реализации такого подхода необходима разработка надежных математических моделей, наиболее полно отражающих характеристики процессов, протекающих в теплоэнергетическом оборудовании, включая и математические модели, описывающие явления переноса теплоты, импульса и массы в веществе.
Тематика работы соответствует планам научно-исследовательских работ кафедры «Промышленная теплоэнергетика» МГТУ им. А.Н.Косыгина и определена научно-техническими договорами с предприятиями, заданиями Министерства науки и технологий и Министерства образования РФ, грантами Российского фонда фундаментальных исследований №№ 94-0204897; 95-02-03923а; 97-02-16708.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование процессов тепломассопереноса в теп-лообменных и теплотехнологических установках промышленной теплоэнергетики, а также совершенствование методов инженерного расчета и оптимизации перспективного теплоэнергетического оборудования, обеспечивающего эконо-
мию энергоресурсов и защиту окружающей среды. В связи с этим в диссертации были поставлены следующие основные задачи:
Экспериментальное исследование теплофизических свойств полимерных и текстильных материалов для радиационно-конвективных теплоооменных аппаратов, а также режимов работы и характеристик этих теплообменников, предназначенных для подогрева воды и воздуха в низкопотенциалъных системах солнечного теплоснабжения.
Разработка математических моделей процессов теплообмена с учетом переноса излучения в радиационно-конвективных теплообменниках из неметаллических материалов, позволяющих проводить инженерные расчеты и оптимизацию параметров таких теплообменников.
Разработка статистических моделей переноса теплоты, импульса и массы, а также универсальных температурных зависимостей для коэффициентов теплопроводности, вязкости и диффузии в разных агрегатных состояниях вещества.
Создание замкнутых методов расчета промышленных теплотехнологических установок и моделирование с их помощью процессов тепломассообмена в этих установках, включая и поиск на основе математических моделей конструктивных и режимных решений, повышающих экономичность оборудования.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующем:
Разработаны математические модели процессов теплообмена с учетом поглощения солнечного излучения в емкостных и проточных радиационно - конвективных теплообменниках из неметаллических материалов для систем солнечного теплоснабжения, позволяющие проводить расчеты и оптимизацию их характеристик.
Опытным путем найдены теплофизические характеристики ряда полимерных и текстильных материалов, определяющие эффективность эластичных теплообменников.
Экспериментально исследованы закономерности процессов теплообмена в радиационно-конвективных теплообменниках, изготовленных из этих материалов и предназначенных для нагрева воды и воздуха.
Разработана принципиально новая релаксационная модель теплопроводности вещества, базирующаяся на статистическом подходе к описанию этого явления и представлениях о волновом характере переноса теплоты со звуковой скоростью, причем индивидуальные особенности веществ учитываются с помощью параметров рассеяния основных носителей теплоты. Эта модель позволила впервые решить вопрос о максимальном и минимальном значениях коэффициента теплопроводности вещества.
Разработана универсальная релаксационная модель процессов переноса, позволившая с единых позиций описать перенос в веществе не только теплоты, но также импульса и массы. Это позволило получить универсальные физически обоснованные температурные зависимости для коэффициентов теплопроводности, вязкости и диффузии в различных агрегатных состояниях вещества.
Предложен теоретически обоснованный подход, позволивший описать сорб-ционное равновесие текстильных материалов во всей гигроскопической области в широком интервале изменения температур.
Предложен метод расчета тепломассообмена в процессах термовлажностной обработки тонких пористых материалов, основанный на использовании замкнутой системы дифференциальных уравнений, описывающей изменение параметров материала и влажного воздуха на всем протяжении технологического процесса в режимах прямо- и противотока. С его помощью исследовано влияние режимных параметров на скорость протекания и экономичность процессов термообработки тонких текстильных материалов.
8) Предложен и обоснован метод теплотехнического расчета многосекционной
машины для термообработки тканей, основными чертами которого являются:
учет распределения присосов по длине канала, моделирующего теплоисполь-зуюшую установку, основанный на использовании конформных отображений;
включение в тепловой расчет тепловых и материальных балансов как отдельных секций с учетом присосов и перетоков влажного воздуха между ними, так и машины в целом;
использование для расчета машины замкнутой системы дифференциальных и
алгебраических уравнений, что, в отличие от известных подходов, не требует привлечения предварительной информации о ходе процесса и не связано с произвольным выбором каких-либо режимных параметров установки. 9) Математическое моделирование теплотехнологического процесса на основе разработанного метода расчета многосекционной установки позволило:
впервые найти изменение по длине установки комплекса режимных параметров, таких как скорость сушки, температура влажного материала и влажного воздуха, относительная влажность и влагосодержание воздуха, а также распределение тепловых нагрузок и нагрузок по испаренной влаге по секциям для разных вариантов расположения точек сброса воздуха;
определить наиболее экономичный вариант расположения мест сброса отработавшего воздуха из установки.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ.
Предложены конструкции эластичных радиационно-конвективных теплообменников из полимерных и текстильных материалов для систем низкопотенциального солнечного теплоснабжения, отличающиеся удовлетворительными теплотехническими характеристиками, компактностью, транспортабельностью и дешевизной. Разработаны методы их теплового расчета и оптимизации, позволяющие проектировать такие теплообменники. В 1987-1989 гг. они были внедрены на Бухарском и Алма-Атинском хлопчатобумажных комбинатах Мин-легпрома СССР, где использовались для горячего водоснабжения пионерских лагерей и баз отдыха.
Создан комплекс экспериментальных установок и проведены исследования теплотехнических характеристик эластичных радиационно-конвективных теплообменников в лабораторных и натурных условиях, в ходе которых изучены закономерности поглощения солнечного излучения, особенности процессов теплообмена и теплофизические свойства материалов, используемых для изготовления этих устройств.
Получены уравнения, описывающие универсальные температурные зависимости коэффициентов переноса в конструкционных материалах и теплоносите-
лях, разработанные на основе релаксационной модели явлений переноса. Эти уравнения рекомендованы к использованию при расчете и моделировании процессов тепломассообмена в промышленном теплоэнергетическом оборудовании.
Разработан метод математического моделирования тепломассообменных процессов в промышленных установках для термовлажностной обработки материалов в режимах прямо- и противотока. Его можно использовать при проектировании технологического оборудования с оценкой влияния режимных параметров на относительную эффективность указанных процессов. Для реальных установок рекомендуется процесс обработки материалов в противоточном режиме благодаря меньшей продолжительности и меньшим затратам теплоты по сравнению с прямоточным.
Разработан метод расчета многосекционных теплотехнологических аппаратов для обработки текстильных материалов; он рекомендуется для проектирования широкого круга теплоэнергетических установок со встроенными калориферами с целью оптимизации их режимных и конструктивных характеристик.
Результаты проведенных исследований внедрены в учебный процесс, используются в лекционных курсах, в учебно-методических пособиях, а также при курсовом и дипломном проектировании в МГТУ им. А.Н.Косыгина. Они использованы и при подготовке методических указаний по экономии тепловой энергии на предприятиях текстильной промышленности, разработанных по заданию концерна «Ростекстиль» в 1994 г. для инженеров - промтеплоэнергети-ков отрасли.
ОБОСНОВАННОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ. ВЫВОДОВ И РЕКО-МКНДАТ^ИИ содержащихся в диссертации, обусловлена использованием современных методов исследования, тщательным анализом возможных погрешностей измерений. Достоверность теоретических результатов диссертации обеспечена использованием в качестве исходных предпосылок законов сохранения, корректными модельными представлениями исследуемых процессов, а также удовлетворительным совпадением расчетных и экспериментальных дан-
ных, полученных, в частности, и при испытаниях моделируемого оборудования в производственных условиях.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались на 2-й межотраслевой научно-технической конференции «Углеродные и другие жаростойкие электропроводные волокна, композиционные материалы и их применение в народном хозяйстве» (Мытищи, 1991 г.), на 10-й международной конференции по теплообмену (Брайтон, Великобритания, 1994 г.), на 2-м, 3-м, 4-м и 5-м Минских международных форумах по тепломассообмену (Минск, Республика Беларусь. 1992, 1996, 2000 и 2004 гг.), на Всероссийских научно-технических конференциях «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-99, Текстилъ-2001, Текстиль-2002, Москва), на 2-й и 3-й международных научно-технических конференциях «Энергосбережение в сельском хозяйстве» (Москва, 2000 и 2003 гг.). на 7-м международном симпозиуме «Инженерия биоагротехнических систем» (Плоцк, Польская республика, 2001 г.), на 1-й международной конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии» (Москва, 2002 г.), на 3-й международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники» (Киев, Украина, 2003 г.), а также на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава МГТУ имени А.Н. Косыгина.
ПУБШІКАЦИИ. Основные результаты исследований, выполненных в рамках настоящей диссертации, опубликованы в 50 работах в отечественных и зарубежных научных журналах и сборниках, в число этих публикаций входят 5 монографий.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения. 6 глав, выводов и библиографического списка используемой литературы из 212 наименований. Она содержит 331 страниц}' текста, включая 155 рисунков и 11 таблиц.
Коэффициент теплопроводности
Известно, что структура ткани достаточно сложна; в общем случае ее можно рассматривать как анизотропное, ортотропное тело, свойства которого в направлении нормали к поверхности, а также в направлениях основы и утка различны [13.14]. В реальных условиях толщина ткани существенно меньше ее длины и ширины, а вектор теплового потока обычно направлен перпендикулярно поверхности; поэтому перенос теплоты обычно описывают в одномерном приближении, привлекая лишь нормальную составляющую коэффициента теплопроводности. Принимая эту простейшую модель ткани в виде сплошной однородной оболочки, все же необходимо учитывать тот факт, что ее структура является пористой, а поверхность не является плоской. Кроме того, тепловой поток через ткань может включать и радиационную составляющую (не более 2-3% при температурах близких к комнатным [15]), причем основной вклад в перенос излучения принадлежит сквозным порам между нитями.
Известны попытки теоретического расчета коэффициента теплопроводности тканей на основе их модельных представлений [16, 17], но они требуют данных по теплопроводности нитей и волокон, которые зачастую отсутствуют, и, безусловно, нуждаются в экспериментальной проверке. Таким образом, основным источником информации о теплопроводности текстильных материалов остается эксперимент. В опытах по измерению теплопроводности кондуктив-ную и лучистую составляющие теплового потока разделить невозможно. Поэтому коэффициент теплопроводности тканей следует рассматривать как некоторую усредненную или эффективную величин} , учитывающую и структурную неоднородность объекта, и совместный радиационно-кондуктивный теплопере-нос.
Анализ литературы показывает, что экспериментальные данные различных авторов имеют значительные расхождения. Так, по данным [18-23] коэффициент теплопроводности воздушно-сухих тканей изменяется в пределах 0,035 -0,067 Вт м К в зависимости от их структуры, состава и отделки. В то же время в справочнике [24] приводятся значения Л в диапазоне 0,089-0,096 Вт м К: близкие величины теплопроводности получены и в других работах: в [25] для хлопчатобумажных тканей Л = 0,093-0,098 Вт м К, а в [26] она составила 0,109 и 0,101 5/?? м К, соответственно, для хлопчатобумажных и капроновых тканей. Отметим, что эти данные получены разными методами: - нестационарным методом регулярного режима [18-23] и стационарным методом плоского слоя [25, 26] (в частности, его модификацией с симметричным относительно нагревателя расположением образцов [25, 27]). По-видимому, этим и объясняются столь существенные расхождения в результатах измерений.
Для экспериментального определения теплопроводности тканей, используемых в радиационно-конвективных теплообменниках, следует выбрать надежный и в то же время достаточно простой метод. Классические стационарные методы плоского или цилиндрического слоя [28,29] сложны и трудоемки, т.к. требуют использования системы охранных нагревателей. Поэтому предпочтение было отдано нестационарному методу регулярного режима, к достоинствам которого можно отнести: 1) достаточную теоретическую обоснованность; 2) относительную простоту эксперимента; 3) независимость результатов опыта от начального теплового состояния образца и расположения в нем датчиков температуры; 4) приемлемую для практики точность измерений.
Теория метода регулярного режима [30-32] базируется на представлении решения дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности тела в виде сходящегося экспоненциального ряда, в котором при достаточно большом времени г от момента начала процесса можно пренебречь всеми членами, кроме первого, имеющего вид Аехр(-тт). Параметр «77;», который зависит от размеров тела, его теплофизических свойств и коэффициента теплоотдачи (при граничных условиях 3 рода), называют темпом охлаждения. Его определяют экспериментально, дифференцируя зависимость от времени избыточной (т.е. отсчитанной от температуры окружающей среды) температуры тела 9 в координатах In 9 = /(г). По величине темпа охлаждения рассчитывают тепло физические характеристики. Метод исходит из предположений о постоянстве теплоемкости и теплопроводности тела (в пределах изменения 3), о линейном характере температурного поля в нем, а также о независимости коэффиииента теплоотдачи от избыточной температуры.
Устройства, использовавшиеся для измерения теплопроводности текстильных материалов при температурах близких к комнатным методом регулярного режима показаны на рис. 1-2.
Основными элементами X - калориметра (рис. 1 -2а) являются массивные медные блоки 3 и 6. В нижнем блоке на трех металлических иглах 4 установлен медный сердечник 2, имеющий форму диска диаметром 40 и высотой 66 мм. В нем расположены электронагреватель и рабочий спай медь-константановой дифференциальной термопары 5. Промежуток между сердечником и блоком тщательно теплоизолирован пенопластом 1. Образцы ткани 8 в форме круга диаметром 50 мм расположены между сердечником и верхним блоком; для фиксации толщины исследуемых пакетов тканей используются три микрометрических винта 7 с ценой деления 0.01 мм. Вторичными измерительными при борами служат универсальный цифровой вольтметр В7-18 и электронно-счетный частотомер Ф5137.
Процессы теплообмена в проточных радиационно- конвективных теплообменниках
Во всех опытных образцах проточных теплообменников верхняя стенка изготавливалась из прозрачной полиэтиленовой пленки, т.к. это обеспечивало наиболее эффективное поглощение излучения слоем воды (см. 2.2). Исследования их характеристик проводились как в натурных (в летний период), так и в лабораторных условиях. В последнем случае для создания лучистого потока необходим стенд-имитатор солнечного излучения. Обычно для этих целей используется система прожекторов [79, 80] с мощными дуговыми лампами (ксеноновими типа ДКсШРБ или ртутными типа ДРИ), спектр излучения которых достаточно близок к солнечному [81]. Аналогичный подход был реализован и в настоящей работе. 700 мм 700 мм
На рис. 2-9 приведена схема этого стенда. Он состоял из 8 параболических прожекторов (1) ПЗИ-700 с дуговыми металлогалогенными лампами (2) ДРИ-700, которые были смонтированы в два ряда на стене лаборатории и сфокусированы на горизонтальную плоскость экспериментального стенда. Шарнирные соединения позволяли производить индивидуальную юстировку прожекторов. Каждая лампа имела индивидуальный блок питания (3) и управления (4), которые служили для подачи поджигающего импульса и плавного регулирования мощности источников света. По данным [80] цветовая температура ламп излучателя составляет 4200А", что приводит к отличию их спектра от солнечного в инфракрасной области. Корректировка спектра в [80] проводилась с помощью стеклянного экрана; в данной работе для этого служили защитные стекла в корпусах прожекторов, избирательно поглощавшие избыточное инфракрасное излучение. Измерения интенсивности излучения с помощью пиранометра М-80 показали, что в рабочей зоне лабораторного стенда размером 1 х 1,5 м плот ность лучистого потока доходила до 500 Вт лґ, а его неравномерность не превышала 12%. Методика экспериментального исследования тепловых характеристик ра-диашюнно-конвективных теплообменников регламентирована отечественными и зарубежными стандартами [82-84]. Для ее реализации был создан лабораторный стенд, схема которого показана на рис. 2-10.
Жидкость из термостата 5 с встроенными нагревателем 7 и холодильником 6 подавалась насосом 8 в бак постоянного уровня 2, откуда поступала в исследуемый теплообменник 1, расположенный горизонтально. Температура теплоносителя измерялась хромель-копелевыми термопарными датчиками 9, установленными во входной и выходной смесительных камерах 4. Расход воды контролировался поплавковым ротаметром 3. а плотность лучистого потока в плоскости теплообменника - пиранометром М-80. Лабораторный стенд позволял проводить испытания теплообменников в проточном режиме при движении теплоносителя по замкнутому или по разомкнутому контуру, а также в режиме аккумулирования теплоты. Во время экспериментов дополнительно измерялись температуры полимерных стенок теплообменника и пленки, закрывавшей его корпус. Показания термопарных датчиков и пиранометра регистрировались самопишущим потенциометром КСП-4.
Все опыты проводились при 4-х значениях входной температлры теплоносителя (в диапазоне от 15 до 40С), а его удельный расход изменялся от 10 до 50 л лґчас. Продолжительность каждого опыта составляла 30 минут. В течение этого периода одновременно регистрировались плотность лучистого потока l[h температлры воды на входе /' и выходе /" из теплообменника, температлры его полимерных стенок и окружающего воздуха /», а также расход жидкости G. На основании этих данных рассчитывался мгновенный КПД теплообменника с поверхностью нагрева F GcJr-t') 7] (2.11) IF Для описания экспериментальных результатов привлекалось уравнение Уиллера-Хоттеля-Блисса [84] в форме n = F'Tj0-FVL0^1' + 1')~1o= А- В -Г (2.12) где UL - коэффициент потерь теплообменника, щ - его оптический КПД, F' - термическая эффективность поглощающей панели, а Г* - приведенная температура. Видно, что (2.12) устанавливает линейную связь КПД и приведенной температуры при условии, что UL является постоянной величиной. В соответствии с действующим стандартом комплексы ,4 = F'rjQ и В = F'UL являются основными характеристиками радиационно-конвективного теплообменника. Их значения находились в процессе обработки опытных данных методом наименьших квадратов. Отметим, что параметр F' можно рассматривать как отношение двух коэффициентов теплопередачи: «нагреваемая жидкость - наружный воздух» и «стенка панели - наружный воздух» [84]; для теплообменников с прозрачной верхней стенкой, в которых был реализован принцип объемного поглощения излучения теплоносителем значения F' были довольно высокими и по нашим оценкам составляли 0,95-0,97.
Изменение температуры воздуха по длине канала теплообменника
Среднее значение температуры воздуха в канале, полученное в расчетах, равно 12С, что при температуре окружающего воздуха в 20С, соответствует температуре на выходе из канала 32С. Эта величина заметно ниже максимального значения выходной температуры, полученной в опытах (см. главу 2). Объясняется такое расхождение тем, что в описанной в начале параграфа и принятой в расчетах идешшзированной модели потери теплоты в окружающую среду максимальны именно в той области, где в реальной системе располагается теплоизолирующий слой. Это обстоятельство, естественно, приводит к занижению предельного значения температуры нагрева воздуха в канале рукавного теплообменника. Для получения более точных оценок величины этой температуры, необходимо проведение отдельных исследований теплообмена в воздушной полости, ограниченной стенками соседних канатов, соединяющими их перемычками и теплоизоляционным слоем под каналами. Развитые здесь методы расчета теплообмена в канатах теплообменников будут полезны и в этом случае.
Изменение температуры воздуха по длине каната теплообменника. Было рассчитано температурное поле в канате рукавного теплообменника при ламинарном режиме течения жидкости, когда величину коэффициента теплопроводности с хорошей точностью можно было считать постоянной величиной. При турбулентном режиме течения коэффициент турбулентного переноса теплоты, строго говоря, уже нельзя считать постоянным. Однако, следует ожидать, что обнаруженные качественные закономерности сохранятся и при турбулентном режиме течения при более интенсивном переносе теплоты через жидкость в канате. Это подтверждается и результатами, полученными ниже.
Приведенные в главе 2 опытные данные показывают, что максимум температуры на выходе из канала теплообменника в зависимости от расхода воздуха достигается в области чисел Рейнольдса, близких к критическому, т. е. в области перехода от ламинарного режима течения к турбулентному. Методы расчета теплообмена в этой области практически не разработаны и получить достаточно строгое решение задачи, подобное представленному в 3.2, не представляется возможным. Поэтому хтя выяснения причин появления максимума температуры ограничимся анализом упрощенной полуэмпирической модели явления,
Поглощенный в теплообменнике поток излучения плотностью q можно подразделить на две части - одна ( ?,) передается воздуху в канате, а вторая (qe) отводится в окружающую среду, так что Я = Я,+Яе = Zj{Tw - Т) + ае(Т„. - Т0) где at,ae- коэффициенты теплоотдачи к воздуху внутри и снаружи канала; Т0, Т, Тм. - соответственно, температуры наружного воздуха, воздуха в канале и стенки каната. Из этого уравнения определяется величина температурного напора TV0=Z±? где Э = Т- То (3.47) а(+ае
Дифференциатьное уравнение, описывающее прогрев воздуха в канале, можно получить на основе теплового батанса для элементарного участка поверхности: количество теплоты, подведенное за счет теплоотдачи от стенки к воздуху расходуется на его нагрев al(Tw T)dF=GcpdT (3.48) где ср - удельная массовая изобарная теплоемкость воздуха; G - массовый расход воздуха в канаїе. Уравнение (3.48) преобразуется с учетом (3.47) к виду 1 а, Gcp а І + а (q - aeS)7rDdx = d$ (3.49) где D - диаметр канала; х - осевая координата. Выражая величию»- массового расхода через скорость воздуха ч и диаметр канала п2 JUS G - /ж 4 преобразуем дифференциальное уравнение (3.49) к виду ._S_dy= d$ (3.50) где X = х/ D - безразмерная осевая координата; К = 4/{рср).
Для описания теплоотдачи в ламинарной, переходной и турбулентной областях можно привлечь коэффициент перемежаемости /, который характеризует долю времени, в течение которого в канале существует турбулентный режим [96]. С использованием приведенных в [96] опытных данных Ротта и Колза была получена интерполяционная формула для коэффициента перемежаемости в виде у = 1 - ехр - 341,6-Х-ехр ґ 7,19Ы0Л Re2 Зависимость, определяемая этой формулой, графически представлена на рис. 3-13 и 3-14.
При известном значении коэффициента перемежаемости величину коэффициента теплоотдачи в ламинарной, переходной и турбулентной областях приближенно можно представить как
Нетрудно заметить, что при малых числах Рейнольдса величина / — 0 и Gj — ал, а при больших - / — 1 и а} - ат. В предыдлтцем параграфе было отмечено, что длина начального "частка термической стабилизации значительно меньше обшей длины канала. Это позволяет принять коэффициент теплоотдачи на ламинарном участке равным его стабилизированному значению [90-92]. На турбулентном \-частке коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле Михеева [90-92].
Универсальная релаксационная модель переноса тепла
В соответствии с представлениями современной физики явления переноса в веществе могут быть исследованы и описаны с помощью феноменологического и статистического методов [99]. Первый из них базируется на установленных опытным путем общих феноменологических законах переноса, связывающих макроскопические параметры вещества, а роль конкретной среды учитывается только коэффициентами пропорциональности в этих законах (коэффициентами переноса), которые также определяются экспериментально. Как известно, среда в рамках феноменологического подхода считается сплошной, а ее физические свойства не зависят от размеров рассматриваемой области.
Другой метод исследования основан на изучении внутреннего строения вещества и определении его макроскопических характеристик по заданным микроскопическим свойствам среды. Он является более общим, позволяет строго обосновать феноменологические соотношения, а также теоретически определить входящие в них коэффициенты переноса вещества. Рассмотрим некоторые результаты статистического описания процессов переноса. Явления переноса в газах.
Известно, что статистическое описание газа ос тцествляется с помощью функции распределения молекул в их фазовом пространстве. Основным уравнением кинетической теории газов, определяющим фхикцию распределения молекул по скоростям, является интегро-дифференциальное уравнение Больцмана. полненное в предположении парных столкновений [100-105]. В случае неравновесных процессов в газе данное уравнение приобретает реальный смысл лишь после установления вида интеграла столкновений, входящего в его правую часть. Отметим, что для грубых оценок этого интеграла часто используется понятие длины свободного пробега молекул. Если средняя длина свободного пробега молекул в газе мала по сравнению с макроскопическими размерами системы, то газ ведет себя как сплошная среда. В этом случае из уравнения Больцмана могут быть получены гидродинамические уравнения переноса и соотношения для векторов потоков массы, импульса и тепла, через которые выражаются соответствующие коэффициенты переноса.
Молекулярно-кинетическая теория не может дать детального описания процессов столкновения, поэтому закон взаимодействия молекул всегда вводится как предположение, а его пригодность устанавливается сравнением результатов расчета процессов переноса с экспериментальными данными. Ввиду сложности законов взаимодействия молекул газа (особенно многоатомных) столкновительный член в уравнении Больцмана для конкретных газов не может быть даже записан в точном виде. Но и при простых моделях межмолекулярного взаимодействия (модель твердых сфер, потенциал Леннард-Джонса и др.) сложность математической структуры кинетического уравнения не позволяет найти его точное аналитическое решение. В связи с этим в кинетической теории газов важную роль приобретают приближенные методы решения кинетического уравнения Больцмана.
Применительно к одноатомным газам удовлетворительные результаты дает использование метода Чепмена-Энскога [103-105], когда решение уравнения Больцмана ищется с помощью разложения функции распределения в ряд по малому параметру возмущения. Однако, проведение конкретных расчетов коэффициентов переноса сдерживается отсутствием надежной информации о сечениях рассеяния для упругих и неупругих столкновений молекул. Квантово-механические методы расчета таких сечений находятся в настоящее время лишь в стадии развития, и число полученных результатов ограничено. Расчетные формулы для коэффициентов теплопроводности, вязкости и самодиффузии в одноатомных газах в первом приближении метода Чепмена-Энскога можно найти в литературе [103-105]. В этих формулах коэффициенты переноса выражены через интегралы Чепмена-Каулинга и не зависят от давления газа, что является следствием \чета только парных столкновений частиц.
Для многоатомных газов в расчетные формулы вводится поправка Эйкена [101. 102]. которая считывает вклад вращательных и колебательных степеней свободы молекул. Совпадение расчетных результатов первого приближения и экспериментальных данных по коэффициентам переноса в газах вполне удовлетворительно, хотя для многоатомных газов оно несколько хуже, чем для одноатомных. Переход к высшим приближениям метода Чепмена-Энскога сопровождается большими вычислительными трудностями и в практических расчетах не используется.
Описание процессов переноса в плотных газах требует учета не только парных, но и тройных молекулярных столкновений. В этом случае в правой части кинетического уравнения будут присутствовать два интеграла столкновений [104. 105], описывающие парные и тройные взаимодействия частиц. Вводя дальнейшие поправки в кинетическое уравнение, можно учесть четверные столкновения и т.д. При этом коэффициенты переноса представляются аналитически в виде вириальных разложений по степеням плотности газа [100]; тем самым проявляется их зависимость от давления. Однако, при осуществлении такого подхода возникают принципиальные трудности. Они связаны с тем, что интегралы столкновений, определяемые взаимодействиями четырех и большего числа частиц, оказываются расходящимися. Это показывает, что столкновения четырех частиц уже нельзя рассматривать независимо от более сложных взаимодействий: - нужно принимать во внимание коллективные взаимодействия молекул и учитывать влияние кинетических флуктуации ф\-нкции распределения на процессы молекулярных столкновений в газе. Аналитические зависимости для коэффициентов переноса в плотных газах получены и приведены в литературе [100], однако, их практическое использование в настоящее время затруднительно.
