Мукмінов І. І. Інтенсифікація процесів переносу теплоти та маси в щільних шарах гранульованого матеріалу

Робота націлена на створення теоретико-практичних умов ефективного використання щільного шару гранульованого матеріалу в якості насадки в складі регенеративного теплообмінного апарату для накопичення в явній формі теплоти низького потенціалу. Для отримання необхідних науково-практичних даних в роботі сформульовано та вирішено ряд завдань. На підставі аналізу сучасних досягнень в сфері досліджень визначені раціональні області використання теплових акумуляторів з гранульованими (сипкими) матеріалами та основні фізичні і геометричні параметри, що впливають на інтенсивність теплообміну між щільним шаром та наскрізним потоком газу. Складено математичну модель взаємопов'язаного міжкомпонентного тепло- і масопереносу в щільному нерухомому шарі, згідно з якою шар складається з двох квазiгомогенних компонентів – газового та твердого. Модель включає рівняння теплопереносу в газовому компоненті, рівняння теплопереносу на твердому компоненті та рівняння масопереносу в газовому компоненті. З метою отримання розрахункової залежності для температур складена математична модель теплообміну в теплоізольованому каналі за заданої температури газу на вході. Рішення математичної моделі передбачало розробку методу визначення коренів характеристичного рівняння та оцінка впливу чисел Bio за графіко-аналітичним методом. Проведена верифікація математичної моделі, яка довела, що вона відповідає фізичній картині процесу нестаціонарного нагрівання та вірно відображує вплив основних параметрів процесу (щільність, коефіціенту міжкомпонентного теплообміну, порізність, час нагрівання) на зміну температури шару матеріалу. Розрахункові дані задовільно корелюються з експериментальними, отриманими в подібних умовах. Для уточнення розрахунку слід мати у своєму розпорядженні точні дані щодо теплофізичних характеристик матеріалу, його порозністі та значення питомої поверхні частинок. Для розширення теоретичних уявлень та отримання рекомендацій щодо інтенсифікації процесу теплообміну в щільній насадці проведено конструювання ґрунтового регенератора для теплиці, виготовлена пілотна установка та проведені дослідження в натурних умовах. За результатами аналізу розподілу температур в гранульованій насадці при нагріванні наскрізним потоком повітря визначено, що шари матеріалу в каналі послідовно поглинають теплоту наскрізного потоку повітря, причому завдяки теплоємності обраного матеріалу попередні шари інтенсивно поглинають теплоту, що викликає істотне зниження інтенсивності процесу в наступних шарах. З часом температура всіх шарів збільшується, проте теплової рівноваги не спостерігалося. Спостерігається зменшення різниці між температурами на межах каналу. Аналіз кривих температур показує, що в процесі нагрівання щільного шару матеріалу не спостерігається стрибкоподібних зон зміни температур, що підтверджує адекватність розробленої математичної моделі. Для відповіді на питання, як розподілені в часі перша і друга стадії нагріву частинки, проведені додаткові дослідження нагрівання одиночної частки в каналі. Це важливо при оцінці впливу теплопровідності в твердому матеріалі на розподіл температурного поля і оптимізації розмірів частинок. Експерименти показали, що рух температурних кривих за часом для поверхні та центру частки повторює один одного, тобто закон зміни температури для всіх точок однаковий і перший період нагрівання надзвичайно малий. Таким чином, в теплових розрахунках можна використовувати рівняння для другої стадії, для якої характерний однаковий закон зміни температури у всіх точках матеріалу. Окремим важливим питанням було дослідження аеродинамічного опору шару матеріалу. За результатами аналізу аеродинамічних досліджень визначено, що рівняння Ергуна з прийнятною точністю описує експериментальні дані для розрахунку залежності втрат тиску від довжини каналу. Для можливості виконання теплових конструкторських розрахунків ґрунтового регенератора розроблена методика, що дозволяє за заданими геометричними характеристиками теплиці, середнього потоку сонячного випромінювання, показника поглинання теплового потоку сонячної радіації ґрунтом, середньої температури навколишнього середовища, виду гранульованого матеріалу та інших вхідних даних визначити об’єм теплообмінної ділянки, масу завантаження, кількість теплоти, що акумульована гранульованою насадкою, та оцінити тривалість періоду охолодження з урахуванням втрат в періоді паузи. Результати впровадження ґрунтового регенератора і методики його теплового розрахунку було підтверджено довідкою про впровадження в ТОВ "Науково-виробниче підприємство АГРОФЕРМТЕХНІКА".