Разработка и исследование методов расчета процессов тепломассопереноса в пористых материалах промышленной теплоэнергетики

Изучение процессов тепломассообмена в пористых материалах на полимерной и минеральной основе актуальна для многих областей техники.

В первую очередь речь идет о промышленной теплоэнергетике и строительной теплофизике, где указанные материалы широко используются в качестве тепловой изоляции энергетических установок, магистральных теплопроводов, жилых и производственных помещений и других объектов. Теплофизические характеристики пористых тел (прежде всего, теплопроводность и теплоемкость), как известно, во многом определяются их влажностью. Поэтому исследования кинетики увлажнения пористых веществ промышленной теплоэнергетики в условиях атмосферного воздуха представляет значительный практический интерес.

Следует отметить, что эти проблемы актуальны и для ряда других отраслей промышленности. Прежде всего, речь идет о текстильном производстве, отдельные технологические процессы которого предусматривают воздействие на ткани паровой или паровоздушной среды. Известно, что текстильные материалы используются при изготовлении одежды, воздушных фильтров и других устройств, эксплуатационные характеристики которых также зависят от степени увлажнения пористого материала.

Увлажнение пористых тел в области гигроскопических влагосодержаний определяется процессами сорбции и диффузии водяных паров. Физический механизм переноса влаги во влажном материале существенно зависит от его влагосодержания. При неполном насыщении пористого тела водой последняя может переноситься в виде пара в газовой фазе и сорбированной жидкостью. При невысоком влагосодержании с преобладанием осмотического механизма удержания влаги его молекулы могут мигрировать по материалу за счет диффузии.

Отметим, что при совместном тепломассообмене влага может перемещаться благодаря наличию градиента температуры. Что касается переноса теплоты во влажном материале, то он может осуществляться теплопроводностью твердой матрицы, а также сорбированной жидкостью. Кроме того, теплота может переноситься с потоками массы, обусловленными молекулярной диффузией.

Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что процессы тепломассообмена в пористых материалах промышленной теплоэнергетики во многом определяется диффузионным механизмом. Однако, особенности этого механизма исследованы недостаточно, что затрудняет возможности расчета и математического моделирования процессов тепломассопереноса в пористых веществах.

Цель и задачи работы.

Целью данной диссертации является изучение диффузионного механизма тепломассопереноса в пористых материалах промышленной теплоэнергетики и, в частности, исследование кинетики их увлажнения в гигроскопической области влагосодержаний.

Для реализации этой цели в работе предстояло решить следующие задачи:

1. Провести анализ механизмов диффузии в различных агрегатных состояниях вещества и разработать на его основе принципиально новую релаксационную модель переноса массы.

2. Получить с помощью этой модели универсальную температурную зависимость для коэффициентов диффузии. Рассчитать параметры рассеяния в релаксационной модели для широкого класса веществ и описать их аналитически.

3. Разработать методику, создать экспериментальную установку и провести экспериментальные исследования по определению коэффициентов диффузии водяных паров в пористых материалах промышленной теплоэнергетики в практически важном температурном диапазоне.

4. Разработать математическую модель, описывающую процессы переноса тепла и массы в пористом теле, которая базируется на дифференциальных уравнениях теплопроводности и диффузии и замыкается уравнением изотермы сорбции.

Тем самым данная модель не требует привлечения эмпирической информации о ходе расчитываемого процесса.

5. Провести с привлечением данной модели компьютерное моделирование кинетики увлажнения ряда пористых материалов промышленной теплоэнергетики.

Методика проведения исследований.

Работа содержит теоретически, экспериментальные исследования, проведенные современными математическими и инструментальными методами.

Теоретические исследования базировались на современных методах статистической физики и теоретической теплофизики. Опыты по изучению коэффициента диффузии водяных паров в пористых материалах проводились с использованием современной экспериментальной техники.

Моделирование и обработка данных проводились по разработанной автором программам.

Научная новизна работы состоит в разработке принципиально новой релаксационной модели переноса массы в веществе, которая с единых позиций описывает диффузию в твердой, жидкой и газообразной средах. Предложена методика экспериментального исследования коэффициентов диффузии водяных паров в пористых материалах промышленной теплоэнергетики. С ее помощью на экспериментальной установке исследована диффузия водяных паров в тканях.

Разработана и обоснована математическая модель кинетики увлажнения пористых материалов промышленной теплоэнергетики.

Достоверность результатов работы подтверждается тщательным анализом методики измерения, исключением систематических погрешностей. Математические модели, разработанные в диссертации, строго обоснованы и аргументированы в рамках принятых автором допущений. В ходе работы над диссертацией теоретические положения и выводы многократно уточнялись.

Практическая ценность работы состоит в обосновании универсальной релаксационной модели диффузионного переноса массы в веществе, разработки методики и экспериментальной установки для изучения диффузии водяных паров пористых материалов, создании строгой математической модели процессов тепломассопереноса в пористом теле.

Результаты работы исспользованы в учебном процессе и при подготовке практических пособий для студентов.

Апробация работы: Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава МГТА имени А. Н. Косыгина, проходивших в 1996;1998 годах.

Объем работы: диссертация содержит введение, три главы, выводы, изложена на 181 странице машинописного текста,.

выводы.

1. Проведен анализ методов описания и моделей процессов самодиффузии в твердых телах, газах и жидкостях, на основе которого сформулирована принципиально новая релаксационная модель диффузии в веществе. Эта модель с единых позиций описывает процессы переноса теплоты, импульса и массы и объясняет конечную скорость этих процессов в различных материалах. В основе релаксационной модели лежат фундаментальные представления о волновом механизме явлений переноса, которые в сочетании со статистическим подходом к проблеме позволили получить количественные соотношения для кинетических коэффициентов.

2. На основе релаксационной модели получены универсальные температурные зависимости для коэффициентов самодиффузии в веществе. На основании обширных экспериментальных данных по самодиффузии рассчитаны и табулированы времена релаксации процессов переноса массы и параметры рассеяния в зависимости от температуры. Расчеты проведены для широкого класса веществ как в твердом, так и в жидком и газообразном состояниях. Обоснован физический смысл параметров рассеяния в релаксационной модели.

3. Поскольку одной из основных характеристик вещества, которая используется в релаксационной модели переноса, является скорость звука, в работе предложена модель, описывающая зависимость скорости звука в пористых материалах промышленной теплоэнергетики от их объёмной пористости. Эта модель базируется на дифференциальных уравнениях термодинамики и удовлетворительно согласуется с экспериментальными результатами.

4. Подробно рассмотрены процессы сорбции влаги пористыми материалами промышленной теплоэнергетики как на полимерной, так и на минеральной основе, а также особенности их математического описания. Поскольку процессы сорбции в пористом теле определяются, главным образом, диффузией влаги в них, в работе предпринято экспериментальное исследование коэффициента диффузии водяных паров в пористых материалах. С этой целью была разработана оригинальная методика измерений, полностью исключающая влияние на результаты конвективного влагопереноса, и создана экспериментальная установка. На этой установке проведены измерения коэффициентов диффузии водяных паров в образцах тканей двух артикулов, проанализирована погрешность измерений.

5. Разработана математическая модель, описывающая процессы тепломассообмена в пористых материалах промышленной теплоэнергетики. Модель включает дифференциальные уравнения энергии, диффузии влаги, уравнения для описания теплофизических свойств влажного воздуха и замыкается с помощью уравнения изотермы сорбции. Такой подход позволил отказаться от привлечения дополнительной эмпирической информации об особенностях протекания рассчитываемых процессов в пористых телах. С помощью этой модели была рассчитана кинетика изотермического увлажнения ряда пористых теплоизоляционных материалов промышленной теплоэнергетики, а также некоторых текстильных материалов.