Разработка и исследование методов расчета процессов тепломассопереноса в пористых материалах промышленной теплоэнергетики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Шелудченко, Людмила Яковлевна

• Шелудченко, Людмила Яковлевна
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шелудченко, Людмила Яковлевна

СОДЕРЖАНИЕ стр

Введение 3 Глава I. Описание процессов диффузии и самодиффузии в твердых телах, жидкостях и газах.

§ 1. Процессы диффузии в веществе и их описание

§2. Диффузия и самодиффузия в газообразной фазе

§ 3. Диффузия и самодиффузия в жидкой фазе

§ 4. Диффузия и самодиффузия в твердой фазе. 66 Глава II. Релаксационая модель переноса массы.

§ 1. О гиперболических уравнениях переноса

§ 2. Релаксационная модель явлений переноса

§ 3. Релаксационная модель процессов самодиффузии

§ 4. Особенности применения релаксационной модели для

описания процессов переноса в пористых веществах. 110 Глава III. Процессы тепломассообмена в пористых материалах промышленной теплоэнергетики.

§ 1. Формы связи влаги с материалом. 120 § 2. Равновесие влажных материалов во влажном воздухе.

Сорбция и десорбция влаги. 123 § 3. Дифференциальное уравнение переноса влаги в

пористом теле. 13 0 § 4. Экспериментальное исследование коэффициента

диффузии влаги. 133 § 5. Расчет процессов увлажнения пористых материалов

промышленной теплоэнергетики

Выводы

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование методов расчета процессов тепломассопереноса в пористых материалах промышленной теплоэнергетики»

Введение

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,

б

включая 38 рисунков, 20 таблиц. Список литературы содержит 122 наименований отечественных и зарубежных авторов.

Публикации: по теме диссертации было опубликовано 3 статьи.

*

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Шелудченко, Людмила Яковлевна

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шелудченко, Людмила Яковлевна, 1999 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Физические величины. Справочник. / Под ред. Григорьева Н.С., Мейлихова Е.З. -М.: Энергоатомиздат, 1991.

2. Кутателадзе С.С Основы теории теплообмена. М.,1977.

3. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - М.: Наука, 1972. - 720 с.

4. Френкель Я.Н. Собрание избранных трудов. - М.: Изд-во АН СССР, 1959.Т.З.

5. Броуновское движение. / Сб. статей Эйнштейна А. и Смолуховского М. ОНТИ-НКТМ, 1936.

6. Глессон С., Лейдлер К., Эйринг Г. Теория абсолютных скоростей реакций. - М.: Изд-во иностр. лит., 1948.

7. Rahman.A. // Phys. Rev.1964. А 136. 405.

8. Фишер И.З., Юльметьев P.M. // Успехи физических наук.87, 374.1965.

9. Cohen M.N., Turnbul D.Y. Yourn. // Chem. Phys. 1959. 31. 1164.

10. Swalin R.A. // Acta Metallurgica. 1961.2. 379.

11. Swalin R.A. // Acta Metallurgica. 1959. 7. 736.

12. Leak V., Swalin R.A. //Trans. Met. Soc. AYME. 1964. 38. 230. 426.

13. Furth R. // Proc. Camlpreedge Phil. Soc. 1961. 37. 252. 276. 281.

14. Ma C.H., Swalin R.A. //Yourn. Chem. Phys.1962. 36. 3014.

15. Оноприенко Г.И. Диссертация на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук. -Киев.-1966.

16. Walk H.A., Uptegrove W.R. // Acta Metallurgica. 1962. 12. 461.

17. Коледов Л.A. // Физика металлов и металловедение. 1963.15. 260.

18. Физика простых жидкостей. Статистическая теория. Под ред. Т.Темперли, Дж. Роулинсона, Дж. Рембрука. - М.: Мир, 1971.

19. Alder B.Y., Wainwriht Т.Е. // Phys. Rev. Let. 1967.18. 988.

20. Alder B.Y., Wainwriht Т.Е. Phys. Rev. 1970. AL IB.

21. Verlet L. Phys. Rev. 1967. 159. 98.

22. Levesque D., Verlet L. // Phys. Rev. 1970. A2. 2514.

23. SchiffD. //Phys. Rev. 1969.186- 151.

24. Protopapas P., Andersen H.C., Parlee N.A. //Yourn. Chem. Phys. 1973. 59. 15.

25. Rahman A: // Asta Metallurgica/ 1960. 3. 420.

26. Alder B. Y., Yass D .M., Wainwriht Т.Е.// Yourn.Chem.Phys.1970. 53. 3813.

27. Матвеев A.H. Молекулярная физика. M., 1987.

28. Лысов В.И., Петренко П.В., Харьков Е.И. // УКФ. 1974.19. № 10.

29. Ascarelli P., Paskin А. // Phys. Rev. 1967.165, 222.

30. Vadovic C.Y., Colver C.P. //Phil. Mag. 1970. 21. 971.

31. Al.-Chalabi H.A., Mc Laughlin E. // Mol. Phys. 1970. 19. № 5.

32. Фишер И.З. // ЖЭТФ. 1971.61. Вып. 4(10). 1647.

33. Маломуж Н.П., Фишер И.З. Физика жидкого состояния. //Межведомственный научный сборник / Киев. - 1973. - № 1.

34. Фишер И.З., Затовский A.B., Маломуж Н.П. // ЖЭФТ. 1973. 65. Вып. 1(7). 297.

35. Rohlin I., Lodding A., HZ Naturforseh.1962. 17а. 1081.

36. Larsson S.Y., Roxbergh С., Lodding A., // Phisard Shemhiquids. 1972. 3. №3. 137.

37. Murday Y.S. and Cotts R.M., // Y. Chem. Phis. 1968.48. 4938.

38. Ott A., Lodding A. // Z Naturforseh.1965. 20a. 1578.

39. Meyer R.E., Nachtrieb N.H, // Y. Chem Phis. 1955. 23. 1851.

40. Вилсон Д.P. Структура жидких металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1972.

41. Ozeltoland M.W., Swalin RA. // Philos. Mag. 1968.18. 441.

42. Norden A. and Lodding A. // Z Naturforseh. 1967. 22a. 215.

43. Henderson Y., Yand L. // Trans. AYME.1961. 221. 72.

44. Yang L. Degze Y. // Trans. AYEM. 1962. 225. 100.

45. Leak V.Y. and Swalin R.A. // Trans. AYEM. 1964. 230. 426.

46. Lange W., Pippel W., Bendel F. // Y. Phis. Chem. 1959. 421. 238.

47. Nachtriev N.H., Frada E., Wahl С. // Y. Phis. Chem. 1963. 67. 2353.

48. Schonherr M.// Diffusion Data. 1969. 3. 179.

49. Kurlat D., Potard C., Hicter P. // C. R. Acad. Sei. Ser. C.1972. 274-№11. 1009.

50. Yanovici Y., Yanovici L. // Rev. Roum. Chem. 1970.15. 213.

51. Petrisci N., Petrisci M. // Rev. Roum. Chem. 1970.15. 189.

52. Hoffman R. E. // Y. Phis. Chem. 1952. 20. 1567.

53. Nachtriev N. H., Petit Y. // Y. Phis. Chem. 1956. 24. 246.

54. Meyer R. E. // Y. Phis. Chem. 1961. 65. 567.

55. Meger R.E. // Phis. Chem. 1962. 60. 420.

56. Brown E.R. // Trans. Far.Soc.1966. 70.1340.

57. Brown E. R., Tuck B.Y. // Trans. Far. Soc.1964. 60. 1230.

58. Кейс B.M. Конвективный тепло и массообмен. М., 1972.

59. Petit Y., Nachtriev N. H., // Y. Phis. Chem. 1956. 24. 1027.

60. Broome E. R., Walls H. A. // Trans. AYEM. 1969. 245. 739.

61. Павлов П.В., Доброхотов Э.В. // ФТТ. 1970. 12. № 1.

62. Rotman S, Hall L. // Y. Metal. 1956. 8,199.

63. Cordes H., Dode Y. // Z Naturforseh. 1963.18a.

64. Звягинцев A.JI. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. -Киев.-1972.

65. Таблицы физических величин. / Под ред. И.К.Кикоина. М.,1976.

66. Careri Y., Paoletti A., Vicentini М. // Niovo Cimento. 1958.10. 1088.

67. Lodding A. // Z Naturforseh. 1956. Да. 200.

68. Hsich H., Swalin R.A. // Z Naturforseh. 1971. 26a. 328.

69. Foster Y.P., Reynik P. // Metal Trans. 1973. 4. 207.

70. Ma C.H., Swalin R.A. // Y. Chem. Phys. 1962. 36,3014.

71. Davis K. Y., Fryzuk P. // Y. Appl. Phys. 1968. 39. 61.

72. Крюков C.H., Солдатов E.A., Ирков В.И. // Вестник МГУ (химия).-1971.-3.-332.

73. Frenkel J. //Z. Physic. 1926. 35- 652.

74. Jonhson R. P. // Phis. Rev. 1924. 56. 814.

75. Cichocki J. // Phisique et Radium 1938.9. №> 4. 129.

76. Desman S. // Phis. Rev.1922. 20. 113.

77. Болтакс Б.Н. Диффузия в полупроводниках. - М.: Изд-во физ.-мат. литература, 1973. - 421с.

78. Wert С.А., Zener С. // Phys. Rev. 1949. 76. 1169.

79. Wert С.A. Phis. Rev. 1950. 79. № 4. 601.

80. Wert C. A., Appl Y. Phis. 1950. 21. № 11. 1196.

81. Гуров К.П. Основание кинетической теории. - М.: Наука, 1966. -326с.

82.Жирифалько "Статистическая физика твердого тела ".

83.Васильев A.M.,Учебник пособие . М. : Высшая школа. 1980. 272 стр.

84,Охотин A.C., Жмакин Л.И., Иванюк А.П. Модели теплопереноса в конденсированных средах.- М.: Наука, 1990. - 200 с.

85.Шпильраин Э. Э., Якимович К.А., Тоцкий Е.Е. Теплофизи- ческие свойства щелочных металлов. - М.: Изд-во стандартов, 1976. -487с.

86.Регель А.Р., Глазов В.М. Физические свойства электромагнитных расплавов. - М.: Наука, 1980. - 295с.

87.Френкель ЯМ. Кинетическая теория жидкости. - М.: Изд-во АН СССР, 1945.

88.Фишер И.З. Статистическая теория жидкостей. - М.: ГИФМЛ, 1945.

89.Раков А.В. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. - М.: МГУ, 1962.

90.Иванов Е.Н. // ЖЭТФ. - 1960. 45, 1509.

91.Акишев А.Ш. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. -Казань, 1964.

92.Innés К.К., Albright L.F. // Ind. Chem. 1957. 49. 1793.

93. Douglass D.C. //Y. Phys. Chem. 1958. 62,1102.

94. Агишев А.Ш., Самигуллин Ф.М. // Сб. "Труды КТТИ".- 1967. Вып. XXXVI. 219.

95. Gordon A. R. //Ann. N. Y. Acad. Sci. 1945. 46. 285.

96. Панченков Г.М. // ДАН. СССР . 1958. 118.755.

97. Панченков Г.М., Ерченков В.В. // Вестник МГУ. - 1964. L20.

98. Панченков Г.М. // ЖФТ. - 1950. 24. 1390.

99. Rice S. A., Gray P. The Statistical Mechanics of simple liquids. // Acad. Press. N.Y.I965.

100. Вода, движение молекул, структура, межфазные процессы и отклик на внешнее воздействие. // Под ред. В.И. Яшкичева. - М.: Агар, 1996.-76с.

101. Okhotin A.S.,Zhmakin L.I.,. Ivanyuk A.P. Universal temperature dependence of the thermal conductivity and visconsity coefficients. // Int. Sheat Mass Transfer. 1992. V35. N.l 1 .p 3059-3067.

102. Шевякова Е.Ю. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. -Москва. 1994.

103. Лыков А.В. Тепломассообменю -Москва. Энергия. 1971. 351с.

104. Теплоиспользующие установки в текстильной промышленности. Учебное пособие. Под ред. Ганин Е.А.,Корнеев

С. Д.,Корнюхин И.П.,Щербаков В.И. -М. Легкая промышленность, 1989.391с.

105. Суметов А.П. Сушка и увлажнение лубоволокнистых материалов.- М. Легкая индустрия. 1980.336с.

106. Urquhart A.R., Bostock W., Eckersall N. // J. Textile Institute. 1932, v.23 №7,T135- T149.

107. Wiegerink J.G. // J. of Research National Bureau of Standard. 1940, v.24 №6.

108. Корнюхин И.П. //Инженерно-физический журнал. 1979, т. 37 №3

109. Корнюхин И.П., Алексенко A.B. НИзвестия ВУЗов. Технология текстильной промышленности. 1982, №1.

110. Корнюхин И.П., Жмакин Л.И., Козырева Л.И. //Вестник МГТА. 1999

111. Поснов Б.А.,ЖТФ. 1953. T.XXIII р.865

112. Дмитриева И.А. // Текстильная промышленность, 1961, № 1.

113. Кокошиская В:И., Яковлева Л.А. // Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности, 1970, № 2.

114. Мигляченко А.Ф., Орлов В. И., Онищенко В.Ф. // Известия ВУЗов. Технология легкой промышленности, 1974, № 2.

115. Мигляченко А.Ф., Орлов В. И., Онищенко В.Ф. // Известия ВУЗов. Технология легкой промышленности, 1974, № 6.

116. Whelan М.Е., MacHattie L.E., Goodings A.C., Turl L.H. // Textile Research Jounal. 1955, v.25, № 3.

117. Таблицы физических величин: Справочник. Под ред. Кикоина И.К. М.: Атомиздат, 1976.

118. Шустер Г. Детерминированный хаос: Введение. М.: Мир, 1988.

119. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача. М.: Энергия, 1975.

120. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. М.: Химия,

1979.

121. Берд Р., Стюарт В., Лайтфут Е. Явления переноса. М.: Химия,

1974.

122. Корнюхин И.П., Савельев A.A. //Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности, 1991, №5.