ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ТЕМПЕРАТУРНАЯ СТРАТИФИКАЦИЯ ВОЗДУХА В ГЕЛИОУСТАНОВКАХ

Ishda gelioqurilmaning yopiq hajmida issiqlik-massa almashinuvi masalalari va havoning harorat stratifikatsiyasi jarayonlari ko‘rib chiqilgan. Gelioissiqxonada olingan tajriba ma‘lumotlari asosida havo haroratining balandlik bo‘yicha o‘zgarishini aniqlovchi korrelyatsion bog‘liqlik keltirib chiqarilgan.

ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ТЕМПЕРАТУРНАЯ СТРАТИФИКАЦИЯ ВОЗДУХА В ГЕЛИОУСТАНОВКАХ Б.Э. Хайриддинов1, С.М. Хужакулов2, И.Л. Неъматов3 Э.М.Мейлиев1 Каршинский государственный университет Каршинский инженерно-экономический институт Шахрисабзский военно-академический лицей “Темурбеклар мактаби” https://doi.org/10.5281/zenodo.10216015 Аннотация: В работе рассмотрены вопросы тепломассообмена и процессы температурной стратификации воздуха в замкнутом объёме гелиоустановки. На основе опытных данных, полученных в гелиотеплице, выведена корреляционная зависимость, определяющая изменение температуры воздуха по её высоте. Ключевые слова: гелиотеплица, конвекция, стратификация, тепло- и массообмен, температура, давление, плотность, влажность воздуха, концентрация, материал сушки.

HEAT AND MASS TRANSFER PROCESSES AND TEMPERATURE STRATIFICATION OF AIR IN SOLAR INSTALLATIONS Abstract: The work examines the issues of heat and mass transfer and the processes of temperature stratification of air in a closed volume of a solar installation. Based on experimental data obtained in a solar greenhouse, a correlation dependence was derived that determines the change in air temperature along its height. Keywords: solar greenhouse, convection, stratification, heat and mass transfer, temperature, pressure, density, air humidity, concentration, drying material.

ВВЕДЕНИЕ Как известно в процессах естественной конвекции в замкнутых объёмах существует тепломассообменные процессы и стратификация среды [1], когда менее плотные слои располагаются над более плотными слоями. В процессах тепло и массопереноса возникает как температурная, так и концентрационная стратификация. Изменение температуры среды приводит к изменению её плотности, более теплый объём поднимается вверх, более холодный – вниз. Концентрационная стратификация обусловлена разностью концентрации среды. В низкотемпературных солнечных установках (теплицах, сушилках, опреснителях) практически всегда существует температурная стратификация. В дневное время в период инсоляции, солнечная радиация прогревает внутренние поверхности установки (почву, ограждения, растения в теплице, материал сушки в сушилке). МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Естественной конвекцией тепло передается воздушной среде. Эти процессы в замкнутом объеме конструкции приводят к температурной стратификации воздуха по высоте конструкции. В ночное время стратификация сохраняется, с понижением температуры степень стратификации снижается. Некоторое нарушение стратификации вызывает естественная аэрация и принудительная вентиляция, инфильтрация и эксфильтрация воздуха в конструкции. Естественная конвекция вновь приводит к стабилизации. Условие существования устойчивой стратификации определяется убыванием плотности среды по вертикали:

𝜕𝜌 < 0. (1) 𝜕ℎ Влажный воздуха рассматривается как смесь идеальных газов, состоящая из сухого воздуха и перегретого пара (при ненасыщенном воздухе) или насыщенного пара (при насыщенном воздухе). В общем виде плотность влажного воздуха среды является функцией температуры t, давления р и концентрации пара С: 𝜌 = 𝑓(𝑡, 𝑝, 𝐶 ). (1a) В условиях гелиоустановок барометрическое давление принимается постоянным p=const. Тогда зависимость разности плотностей, определяющих Архимедову силу выталкиванию, от совместного действия переноса тепла и концентрации можно представить в следующем виде ∆𝜌 = ∆𝜌𝑡 + ∆𝜌𝐶 = 𝜌0 ∙ 𝛽 ∙ (𝑡 − 𝑡ℎ ) + 𝜌0 ∙ 𝛽𝐶 ∙ (𝐶 − 𝐶ℎ ), (2) где 𝜌0 = 𝜌(𝑡, 𝐶) – выбранная плотность среды, относительно которой определяется выталкивающая сила, 𝜌ℎ = 𝜌(𝑡ℎ , 𝐶ℎ ) – рассматриваемая плотность. В низкотемпературных гелиоустановках в процессах переноса, изменение плотности в зависимости от t и С можно принять линейным. Тогда коэффициенты температурного β, и концентрационного βC расширений среды определяются следующими выражениями: 1 𝜕𝜌 1 𝜕𝜌 𝛽𝑡 = − 𝜌 ∙ ( 𝜕𝑡 ) ; 𝛽𝐶 = − 𝜌 ∙ (𝜕𝐶 ) . (3) 𝑝,𝐶 𝑝,𝑡 1 1 Для идеальных газов 𝛽𝑡 = 𝑇 = 273,15 (3a) Из выражений (3) и (За) получим 1 𝜌 −𝜌 𝑡−𝑡 𝛽𝐶 = 𝐶−𝐶 ∙ ( 0𝜌 𝑦 − 273,15 𝑦 ). (3б) 𝑦 0

Если известны температура, давление и относительная влажность воздуха, плотность воздуха определяется следующими выражениями [2]: 𝑝∙𝜇 𝜑∙𝑝 𝜌 = 𝑅∙𝑇 ; 𝑇 = 273,15 + 𝑡; 𝜇 = 28,95 − 10,93 𝑝 н ; (4) где р – барометрическое давление, Па; μ – молекулярная масса влажного воздуха, кг/кмоль; R=8314 Дж/(кмоль·К) – универсальная газовая постоянная; φ – относительная влажность воздуха; рн – давление насыщения пара, Па. В интервале температур Т=303-343 К давление насыщения [3] 1 1 𝑝ℎ = 4245,29 ∙ 𝑒𝑥𝑝 [5201,3 (303 − 𝑇 )]. (5) Влагосодержание воздуха х (г/кг) и концентрация пара С (кг/кг) [3] 𝑝ℎ 𝑥 𝑥 = 0,622 ∙ 𝑝−𝑝 ; С = 1000. (6) н B соответствии с формулами (4) и (5), с увеличением температуры при φ=const плотность воздуха падает практически линейно (рис.1). Таким образом 𝜕𝜌 = −𝑔𝑟𝑎𝑑 𝜌 (7) 𝜕𝑡 𝜕𝜌 и Архимедова сила при 𝜕𝑡 = 𝑔𝑟𝑎𝑑 𝑡 – направлена вверх; 𝜕𝜌 при 𝜕𝑡 = −𝑔𝑟𝑎𝑑 𝑡 – направлена вниз. При равных условиях t и p плотность сухого воздуха больше плотности водяного пара. При увеличении влагосодержания плотность воздуха также линейно убывает (рис. 1.2). Аналогично (7) можно записать 𝜕𝜌 = −𝑔𝑟𝑎𝑑 𝜌 (7а) 𝜕𝐶

𝜕𝐶 и Архимедова сила при 𝜕ℎ = 𝑔𝑟𝑎𝑑𝐶 направлена вверх; 𝜕𝐶 при 𝜕ℎ = −𝑔𝑟𝑎𝑑 𝐶 – направлена вниз.

Температурный градиент плотности сухого воздуха в интервале t=20-70 °С составляет: 𝜕𝜌 кг = −0,0034 − 0,00494 м3 ∙К. (8) 𝜕𝑡 Концентрационный градент плотности влажного воздуха в интервале С=(10-110)/103 кг/кг (х=10-110 г/кг) составляет: 𝜕𝜌 0,00047−0,01 кг кг =− (м3 ) , (кг) (8а) 𝜕С 10 3 Как видно из (8) и (8а), температурный градиент плотности превышает концентрационный в 103 раз. Поэтому, можно принять, что основное изменение плотности влажного воздуха определяется изменением температуры ρh =ρ(t). В практических расчетах в формуле (2) можно не учитывать Δρc.

Таким образом, для возникновения стратификации достаточно выполнения следующего условия 𝜕𝜌 >0 (9) 𝜕ℎ Соотношения (1) и (9) являются условиями устойчивости стратификации, в процессах тепло- и массопереноса. В низкотемпературных солнечных установках достаточно учитывать только температурную стратификацию. Традиционно при исследовании тепло- и массопереноса в процессах сушки в солнечных сушильных установках используется объёмная модель, где принимаются средние по объему значения параметров в сушильной камере [4,5]. В общем виде теоретически такой подход достаточно полно отражает процессы, протекающие в сушильной камере.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕВ Реальности материал сушки располагается в несколько слоев на стеллажах тележках (рис. 3). Процессы тепло- и массопереноса происходят только в объёме слоя расположения материала сушки. В промежутках между стеллажами и вне тележки эти процессы отсутствуют, и происходит только стратификационная стабилизация среды. В условиях естественной конвекции стратификация среды оказывает влияние на процессы тепло- и массопереноса в зависимости от расположения слоя материала по вертикали. В свою очередь процессы тепло- и массопереноса влияют на стратификационное расслоение среды.

Как показывает опыт эксплуатации гелиосушилок, вертикальная стратификация наиболее выражена и устойчива (рис. 3,4), нарушение температурной стратификации по длине конструкции практически отсутствует, по ширине нарушение температурной стратификации наблюдается вблизи ограждений и вентиляционных форточек. Для реального описания процессов сушки необходимо иметь модель тепло- И массопереноса, с учетом послойного расположения материала сушки и температурной стратификации среды. Реализация такой модели позволит более достоверно определить условия сушки и адекватность объёмной модели, описания процессов сушки.

ВЫВОДЫ Изменение температуры воздуха по высоте можно представить следующей корреляционной зависимостью t0 = tm – (tm·a); th = t0 exp (b·h) (10) t0 - температура воздуха при h=0 м; tm - среднемассовая температура воздуха, измеряемая на высоте h = 1,5 – 1,7 м; а, b - коэффициенты, определяемые экспериментально. Ha основе регрессионного анализа среднестатистических экспериментальных данных получены следующие значения коэффициентов а = 0,0425; b=0,029 (10а) Таким образом, при многослойной модели сушки, для каждого слоя граничные условия будут иметь вид: на входе в слой hн = hi; tн = t0 exp(b·hн); на выходе из слоя hk = hi+d; tk = t0 exp(b·hk), (11) где hi – высота расположения стеллажа с материалом сушки, м; d – высота слоя, средний эквивалентный размер материала сушки, м.

Рис.1. Изменение плотности воздуха с изменением температуры: ρ=ρ(t) при 1-φ=0; 2-φ=30%; 3-φ=50%; 4-φ=70%; 5-φ=90%.

Рис.2. Изменение плотности воздуха с изменением влагосодержания: ρ=ρ(x) при 1-t=20°С; 2-t=35°С; 3-t = 50°С; 4-t=65°C; 5-t=80°С

Рис.3. Схема поперечного сечения гелиосушилки: сушильная камеравоздухонагреватель, 2- стеклянное ограждение, 3- нижние и 4- верхние вентиляционные форточки, 5- тележки-стеллажи с материалом сушки

Рис.4. Среднестатистическое изменение температуры воздуха в гелиосушильной установке (август): А- по высоте на расстоянии L=3 м; Б- по длине на высоте Н = 1,6 м; 1- Минимальное в 6 часов; 2- максимальное в 14 часов; а - место расположения тележекстеллажей.