Свободная конвекция в слоях крупнозернистых сыпучих строительных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.03, кандидат технических наук Покотилов, Виктор Владимирович

• Покотилов, Виктор Владимирович
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Покотилов, Виктор Владимирович

ВВЖЕНИЕ.

I. АНАЛИЗ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ В ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ: ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ В СЛОЯХ СЫПУЧИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ.II

1.1. Классификация и структурные характеристики сыпучих строительных материалов.

1.2. Механизм теплообмена в слоях строительных сыпучих материалов.

1.2.1. Теплопроводность и радиационный теплообмен в слоях сыпучих строительных материалов

1.2.2. Анализ исследований конвективной устойчивости жидкости и интенсивности конвективного теплообмена в горизонтальных и вертикальных слоях зернистых срю тем

1.3. Анализ исследований фильтрационных свойств крупнозернистых систем.

1.3.1. Аэродинамическое сопротивление зернистого слоя. Критерии подобия.

1.3.2. Коэффициент проницаемости. Влияние граничного слоя на фильтрационные характеристики засыпки

1.4. Выводы по разделу I и задачи исследования.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПРВДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ И ПАРАМЕТРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ФИЛЬТРАЦИЮ И СВОБОДНУЮ КОНВЕКЦИЮ В СЛОЕ КРУПНОЗЕРНИСТОГО СЫПУЧЕГО

МАТЕРИАЛА.

2.1. Основные законмерности фильтрации для двухслойной модели крупнозернистого материала.

2.2. Влияние граничного слоя на теплообмен при свободной конвекции в слое зернистого материала

2.3. Обоснование основных параметров и критериев, определяющих фильтрацию и свободную конвекцию в слоях крупнозернистых строительных материалов.

2.4. Аэродинамическое сопротивление слоя крупнозернистого сыпучего материала

2.5. Выводы по разделу 2.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТАЦИОНАРНОГО ПРОЦЕССА ФИЛЬТРАЦИИ В СЛОЕ КРУПНОЗЕРНИСТОГО СЫПУЧЕГО СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА.

3.1. Разработка методики экспериментального исследования

3.1.1. Методика экспериментального исследования толщины граничного слоя.

3.1.2. Методика экспериментального исследования проницаемости граничного и среднего слоя засыпки.

3.2. Разработка лабораторных установок для проведения экспериментальных исследований

3.2.1. Лабораторная экспериментальная установка для определения толщины граничного слоя и последовательность проведения эксперимента

3.2.2. Лабораторные экспериментальные установки для определения проницаемости граничного и среднего слоев засыпки и последовательность проведения эксперимента

3.3. Оценка погрешности косвенных измерений

3.4. Основные результаты экспериментального исследования

3.5. Выводы по разделу 3.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ

СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ В ГОРИЗОНТАЛЬНОМ СЛОЕ

КРУПНОЗЕРНИСТОГО СЫПУЧЕГО СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА.

4.1. Методика проведения экспериментального исследования .Ш

4.2. Лабораторная экспериментальная установка для определения коэффициента эффективной теплопроводности крупнозернистого слоя и последовательность проведения эксперимента

4.3. Оценка погрешности косвенных измерений.

4.4. Основные результаты экспериментального исследования

4.5. Выводы по разделу

5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

5.1. Анализ расчетных зависимостей по теплообмену при свободной конвекции в горизонтальных и вертикальных зернистых слоях

5.2. Номограмма для определения эффективного коэффициента теплопроводности горизонтальных и вертикальных слоев сыпучих строительных материалов с учетом свободной конвекции

5.3. Методика теплового расчета теплоизоляции из крупнозернистого сыпучего строительного материала.

5.4. Методика расчета аэродинамических параметров слоя крупнозернистого сыпучего строительного материала.

5.5. Эффективность применения теплоизоляции из крупнозернистых сыпучих строительных материалов для пропарочных камер периодического действия.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Свободная конвекция в слоях крупнозернистых сыпучих строительных материалов»

Решениями ХХУТ съезда КПСС предусматривается ускорение научно-технического прогресса, более интенсивное развитие экономики, более рациональное использование производственного потенциала страны, всемерная экономия всех видов ресурсов /I/. В этой связи намечены определенные мероприятия, направленные на стимулирование экономии топливо-энергетических и сырьевых ресурсов /2,3/.

Эффективность теплоснабжения, как коммунального, так и технологического в значительной степени зависит от теплозащитных свойств ограждающих конструкций зданий и изоляции теплообменных устройств. В качестве теплоизолирующих материалов широкое распространение получили сыпучие строительные материалы. Эксплуатация конструкций с применением этих материалов связана с процессами теплообмена в них, которые определяются совокупностью теплопроводности, радиационного теплообмена и свободной конвекции.

При теплотехнических расчетах принимают во внимание первые два вида теплообмена, не учитывая свободную конвекцию. В то же время в ряде работ отмечается завышение теплопотерь через слои крупнопористой теплоизоляции по сравнению с расчетными, что объясняется наличием свободной конвекции в проницаемом объеме материала /4,5/. В некоторых случаях вследствие этого эффекта конвективный теплообмен количественно соизмерим с другими видами теплообмена /4/.

Свободную конвекцию следует рассматривать и как один из наиболее простых способов интенсификации теплообмена при сушке и нагреве сыпучих материалов /6,7/.

Исследования в области свободной конвекции, получившие развитие только в последние двадцать лет, проводились в основном на модельных системах из шаровых монофракционных частиц и относились к мелкозернистым материалам /8,9/. Реальные крупнозернистые сыпучие строительные материалы значительно отличаются от них по своим теп-лофизическим и структурным характеристикам, что существенным образом определяет теплообмен в таких системах.

Важнейшим фактором, влияющим на параметры конвективного теп -лообмена, является проницаемость сыпучей системы. Исследования в этой области охватывают широкий диапазон видов зернистых систем и режимов фильтрации применительно к процессам движения грунтовых вод. Многочисленные методики расчета процессов фильтрации, предлагаемые в литературе, предполагают обязательное экспериментальное определение констант для каждой реальной системы.

Следует отметить недостаточно полную, а порой и противоречивую трактовку взаимосвязанных характеристик структуры и проницаемости граничного слоя сыпучих систем /10.13/, что объясняется недостаточной изученностью процесса фильтрации в данном слое.Для крупнозернистых систем граничный слой, имеющий повышенную проницаемость, приобретает зачастую определяющее значение в процессах теплообмена и фильтрации.

Поэтому разработка методики учета свободной конвекции при теплообмене в слоях крупнозернистых сыпучих строительных материалов является актуальной задачей на пути экономии и рационального использования тепловой энергии.

Попытка решения этой задачи, предпринятая в данной работе,основана на рассмотрении механизма теплообмена при свободной конвекции и процесса фильтрации в слоях реальных крупнозернистых систем с учетом граничного слоя, моделировании этого процесса, экспериментальном определении характеристик проницаемости и теплообмена для различного вида крупнозернистых сыпучих строительных материалов.

Решение основных задач базируется на работах М.Э.Аэрова, Е.В.Антонишина, Г.Н.Дульнева, С.Бори, В.М.Боришанского, М.П.Власю-ка, Г.З.Гершуни, Н.М.Жаворонкова, В.А.Календарьян, Й.С.Клейна, Д.М.Коллерова, М.А.Комбарну, Л.С.Лейбензона, Т.Масуока, Д.М.Минца, И.Я.Неусихина, В.И.Полежаева и др.

Научную новизну работы составляет следующее.

1. В рамках известного механизма свободной конвекции в однородных слоях разработана методика расчета теплообмена в слоях крупнозернистых сыпучих строительных материалов, учитывающая повышен -ную проницаемость граничного слоя.

2. Получена зависимость для определения распределения фильтрационных потоков в граничном и среднем слоях двухслойной модели крупнозернистого сыпучего строительного материала.

3. Экспериментально подтверждена двухслойная модель зернистого слоя, определены значения предложенного критерия проницаемости для различных крупнозернистых сыпучих строительных материалов.

4. На основании известной теории фильтрации в однородных пористых материалах, с использованием предложенных в данной работе для изучаемых материалов безразмерной проницаемости и модифицированного критерия Рейнольдса, разработана методика расчета аэродинамического сопротивления зернистого слоя.

5. На основании полученных критериальных зависимостей разработана методика расчета свободной конвекции в горизонтальных и вертикальных слоях крупнозернистых сыпучих строительных материалов.

Практическая ценность работы. Разработанная методика расчета свободной конвекции в горизонтальных и вертикальных слоях крупнозернистых сыпучих строительных материалов может быть использована для расчета теплофизических характеристик тепловой изоляции многослойных ограждающих конструкций различных зданий и теплообменных устройств, а также при расчете теплообмена в устройствах для нагрева сыпучих строительных материалов.

Экспериментальные данные по проницаемости строительных засыпок могут применяться при расчетах аэродинамического сопротивления в различных устройствах с зернистым слоем.

Реализация работы. Полученные рекомендации и выводы были использованы при тепловом расчете и конструировании засыпной тепловой изоляции, смонтированной с внутренней стороны ограждающих конструкций тепловых камер периодического действия по производству железобетонных плит ПАТ на заводе ЖБИ г.Молодечно МСС БССР по рекомендациям БПИ. Ожидаемый экономический эффект за счет снижения теплопотребления составляет 15,4 тыс.руб.

Методика теплового расчета засыпной теплоизоляции и данные по проницаемости строительных засыпок были использованы в рекомендациях, разработанных в БПИ, по конвективной сушке и по реконструкции существующей теплоизоляции из керамзитового гравия ограждающих конструкций холодильника. Экономический эффект за счет снижения проектной стоимости работ составил 63,17 тыс.руб.

Результаты работы использованы в СКТБ с ОП БПИ при разработке рабочих чертежей и составлении пояснительной записки установки непрерывного действия УРЗ-I по разогреву крупнозернистых заполнителей бетона при совместном конвективном и контактном подводе теплоты (A.C. № 965933). Установка изготовлена на ОМЗ г.Минска МСС БССР, прошла тепловые испытания на заводе ЖБИ г.Молодечно по методике, разработанной БПИ и ТО завода, и подготовлена к внедрению в технологическую линию обработки заполнителей. При производительности 20 . 30 т/час обеспечивался нагрев материала на 30.40 °С, что соответствует проектным данным.

Методика расчета параметров свободной конвекции и определе-•ния гидравлического сопротивления зернистого слоя была использована при тепловом расчете новой конструкции сушильного барабана для сушки и нагрева каменных материалов для технологической линии по производству асфальтобетонных смесей, выполненном в ЕПИ.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международном семинаре по тепломассообмену в дисперсных системах, Минск, 1976г.; на У1 Всесоюзной конференции по теплофи-зическим свойствам веществ, Минск, 1978г.; на ХХШ межреспубликанской конференции технических вузов республик Прибалтики, Белоруссии и Молдавии, Минск, 1977г.; на IX, X, XI конференциях молодых ученых Прибалтики и Белоруссии по проблемам строительных материалов и конструкций, Минск, Брест, Вильнюс, 1977, 1979, 1981г.г.; на Первой республиканской научно-практической конференции "Повышение эффективности строительства животноводческих и производственных зданий и сооружений", Брест, 1981г.; на республиканской научно-технической конференции "Комплексное использование вторичных энергетических ресурсов в промышленности БССР", Гродно, 1981г.; на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Белорусского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института, Минск, 1974 . 1984г.г.

I. АНАЛИЗ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ В ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ В СЛОЯХ СЫПУЧИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Заключение диссертации по теме «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение», Покотилов, Виктор Владимирович

Данные выводы позволяют сформулировать следующие задачи диссертационной работы:

1. В рамках известных регулярных моделей разработать структурную двухслойную модель слоя засыпки и выявить основные закономерности распределения фильтрационных потоков в граничном и среднем слоях.

2. Применительно к крупнозернистым сыпучим строительным материалам выявить основные критерии подобия, определяющие аэроди -намику зернистого слоя и конвективный теплообмен.

3. Экспериментально определить аэродинамические характеристики для слоя крупнозернистого материала в зависимости от геометрии слоя, вида и состава материала.

4. Экспериментально исследовать теплообмен при свободной конвекции в зернистом слое и разработать методику определения эффек -тивного коэффициента теплопроводности слоя при наличии конвективного теплообмена. э. Разработать методику расчета аэродинамического сопротивления слоя крупнозернистого сыпучего строительного материала.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ И ПАРАМЕТРОВ,ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ФИЛЬТРАЦИЮ И СВОБОДНУЮ КОНВЕКЦИЮ В СЛОЕ КРУПНОЗЕРНИСТОГО СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА

Существующая теория свободно-конвективного теплообмена в слоях зернистого материала базируется на предположении однородности этого материала. Как было показано в 1.3, крупнозернистые сыпучие материалы характеризуются значительным различием фильтрационных параметров для граничного и среднего слоя засыпки. Именно этим объясняется значительное расхождение теоретических и эксперимен -тальных данных по конвективному теплообмену в слоях таких материалов. С этим также связан большой разброс в экспериментальных данных, полученных для засыпок различной толщины и различного фракционного состава.

При исследовании параметров конвективного теплообмена в слое крупнозернистых сыпучих строительных материалов нами была исполь -зована двухслойная модель слоя, развитая в работах /19,35,36/. Эта модель имела успех при исследовании структуры и теплопроводности в пристенной зоне для сыпучих строительных материалов /19,35/. Экспериментально было установлено отношение плотностей среднего и граничного слоев как для модели октаэдрической укладки, так и для реальных сыпучих строительных материалов, которое составило

Рс / « 1.4 при &г =0,5(1. (2.1)

Кроме того, кубическая укладка граничного слоя модели хорошо соответствует реальной структуре засыпок, которые в граничной зоне имеют регулярность, близкую к кубической. Недостатком регулярной эктаэдрической укладки является низкая пористость, значение которой примерно в 1,4 раза меньше пористости реальных систем.

2.1. Основные закономерности фильтрации для двухслойной модели крупнозернистого материала

При разработке физической модели процесса фильтрации в слоях крупнозернистых сыпучих материалов использовался принцип "фиктивного зернистого слоя", предложенный Слихтером /20,21/ и полу -чивший широкое применение. При этом обычно моделируется ячейка дальнего порядка для зернистого слоя с регулярной укладкой монофракционных шаров. Такая модель несет в себе качественные характеристики всего слоя и позволяет дать математическое описание этих характеристик. Как известно, основными характеристиками, определяющими аэродинамику зернистого слоя при линейном режиме, являются пористость и удельная поверзшость частиц. Очевидно, что при разработке двухслойной модели необходимо учесть характеристики среднего и граничного слоя, соответствующие реальным зернистым системам.

Среди регулярных структур для модели среднего слоя более приемлемой является ромбоэдрическая укладка шаров, для которой значения пористости и координационного числа близки к реальным системам (см.1.1). Однако эта модель обладает анизотропностью свойств по ортогональным осям, поэтому не может быть принята в качестве модели зернистого слоя.

Нами положена в основу разрабатываемой двухслойной модели зернистого слоя регулярная октаэдрическая укладка шаров. Чтобы сделать эту структуру более рыхлой, не нарушая взаиморасположения центров шаров, шары выведены из непосредственного контакта между собой, не нарушая соосности структуры. Тогда пористостью можно варьировать, изменяя соответственно расстояние между шарами, а также между игарами и стенкой. Такая модель по основным характеристикам соответствует реальной системе. Толщина граничного слоя этой модели будет меняться в зависимости от задаваемой пористости слоя. Это обстоятельство не должно иметь существенного значения, так- как граница между слоями не определяется точным значением и может быть принята ?г= (0,5 . 0,7) d. для реальных систем (см.1.1).

На основании (2.1) нами получена следующая зависимость между пористостью граничного и среднего слоев /109 . III/:

Пг= 0,29 + 0,7ГПс . (2.2)

Эта зависимость подтверждается экспериментальными исследованиями структуры крупнозернистых строительных засыпок /19,35/, для которых было получено Пс = 0,36; Пр = с максимальным откло -нением - 10 %.

Для определения фильтрационных расходов, точнее, коэффициентов фильтрации и проницаемости, существует множество аналитических зависимостей, пригодных для шаровых засыпок и модифицированных для реальных с помощью экспериментальных коэффициентов. Ноэ -тому наша задача ограничивалась выявлением соотношения между фильтрационными характеристиками граничного и среднего слоев.

Принятая нами двухслойная модель представлена на рис.2.1.Для наглядности она разделена на две части, представляющие ячейки дальнего порядка среднего и граничного слоев.

Для определения отношения скоростей фильтрации 4)= г/^С воспользуемся уравнением Козени-Кармана (1.36). Для линейного режима фильтрации при одномерном движении жидкости вдоль стенки при Д.|Э = idem в граничном и среднем слоях можно принять r/Uc = .

Средний Граничный слои слои

Опенка

Октаэдричеекая - Дубическая укладка

Рис.2.1. Двухслойная модель зернистого материала.

Тогда, на основании геометрических отношений модели, определим соответственно пористость и удельную поверхность среднего и гра -ничного слоев. Для определения удельной поверхности введем поня -тие коэффициента линейного расширения ячейки, который показывает, во сколько раз увеличились размеры ячейки относительно плотной укладки. Он определяется по выражению :

У = 5\1 \Л/ г>М , где у^ - объем ячейки среднего слоя при плотной укладке шаров ( — 0,707 (I5 /20/); \/Ч/— то же, при расстоянии между центрами соседних шаров более 1с1 .

Объем ячейки является суммой объемов, занимаемых шарами и порового пространства \А/п . Для среднего слоя запишем

Объем пор можно выразить через пористость

WS.II = Пс = Пс ( ^гп + > (2'5) откуда и/ „ - Пс ^¿ш

Подставляя (2.6) в выражение (2.4), получим ш=и/ /Лс + И = (2.7) щ "^ашС {.Пс + Ч 6 I пс '

Подставляя значения и ^ в выражение (2.3), получаем

Г = У^Д+О • (2'8)

Решая задачу в приближении к реальным сыпучим материалам, запишем для удельной поверхности частиц среднего слоя

Ч = 30ш<Р " 3" Ф • (2.9)

Выражение для удельной поверхности частиц в граничном слое должно учитывать поверхность границ слоя, тогда отношение всех поверхностей к объему зерен определится

Ф — + г а бФ+шг* и0г Г\АЪ Л ' (2.10)

Подставляя (2.9) в (1.36) получим - "с а1 К56Ф4К&(1-Пе)1 ' (2,т

На основании аналогичных вычислений запишем для граничного слоя п?Д*

К*б(1.57Ф + Т№Пг№

--г—г . (2.12)

На основании вышеизложенного можно получить расчетное выражение для отношения скоростей фильтрации, которое имеет вид : иг 1Пс' М-Пг] 1ШФ+ГЧ

Задаваясь значениями П с » ЧР и используя выражения (2.2) и (2.8) для определения Пр и [ , по уравнению (2.13) можно оценить распределение потоков в зернистом слое.

В отличие от выражения (1.38) полученная зависимость (2.13) позволяет учесть влияние стенок на сопротивление движению потока, задаваясь толщиной граничного слоя ?г = 0,5 с1 .

По выражению (2.13) был проведен расчет для трех значений пористости среднего слоя засыпки Пс =0,30; 0,35; 0,40 для диапазона коэффициента формы частиц Ф £ (1,0. 2,5) /85,16/. Результаты расчета приведены на рис.2.2. Следует отметить усиление влияния граничного слоя с увеличением значений коэффициента формы. Минимальное влияние наблюдается для засыпок из сферических частиц ( Ф -1,0).

Можно предположить, что влияние граничного слоя на общий поток не ограничивается значением Н/(1 < 10 /10/, а имеется практически првг любых значениях Н/с! . Докажем это на следующем примере /112/.

Рассмотрим одномерное течение в зернистом слое толщиной Н , ограниченном параллельными непроницаемыми поверхностями (рис.2.3.а). Выбор расходной характеристики не имеет значения. Примем характеристикой потока коэффициент проницаемости, а характеристикой се -чения слоя - поперечные размеры в долях диаметра частиц. Расчет проводим при значениях Пс =0,35; Ф - 2,0, как более близких к реальным строительным засыпкам /15,85,88/. Тогда можно записать следующие исходные данные расчета ; <1 ,

Рс-(Н-*М&-Н"|1. (2.И) г:

Кг 1Гс 5 4

15

1 < 1 f • . 1 * 2 ^^^ 1 ■ I

1 ц 1 I * коэффициента формы

Рис.2.2. Зависимость числа Ч* от частицы Ф при различной пористости среднего слоя П с

I - ПС = 0,30; . бг< = 0,509 с! ; 2 - Пс ^0,35, 5г! = 0,522(1 ; 3 — П с = 0,40, (¡V = 0,536 с1 . у иг/1Гс = 4,0 (рис-2-2).

Примем = I. Тогда безразмерные расходы в слоях будут равны е>с= *с(и-<0 = и-а, (2.15)

2.16)

Ьо ~ &С + Ьг = и+ 5(1 . (2.17)

По выражениям (2.15 . 2.17) были построены графические зависимости С-\ (НЛО , представленные на рис.2.3.б. Можно отметить , что при Ц /с1 > 10 изменение общего потока 6 о стано -вится практически несущественным, что подтверждается многочисленными экспериментальными исследованиями /ГО,II,17/. Однако оно существует, и общий поток следует принимать как сумму потоков в граничном и среднем слоях.

Аналогичные расчеты, проведенные при других значениях Пс, и ф , имеют только количественные отличия, но функционально идентичны вышеприведенным.

Таким образом, приведенные вычисления приводят к выводу о необходимости учета граничных эффектов при всех значениях Н/с| в расчетах фильтрационных потоков. Однако использование двух характе -ристик и Ж о для расчетов представляет определенные трудности. Поэтому в качестве обобщенной характеристики проницаемости предлагаемся применять среднее значение коэффициента проницаемости /109,110,113/, принимая упрощающее обстоятельство о гомогенности граничного слоя г г /а»

С0 <вс > бг1г0 ///л ч в Ч Ч ч ч ч з: ч Ч ч N б) о

- /

ГЛ

- ^ . Л 8

V» 1

Рис.2.3. Влияние граничного слоя на фильтрационный поток. а - рассчетная схема; б - зависимость относительного расхода от относительной толщины слоя И/й ; I - общий расход Со ; 2 - расход через средний слой Б с ; 3 - расход через граничный слой Сг • где Vq - объем, занимаемый сыпучим материалом:

Vç - объем среднего слоя, границы которого находятся на расстоянии 0,5^ от ограничивающих поверхностей.

Предложенный метод расчета проницаемости слоя крупнозернистого сыпучего материала должен быть проверен экспериментально.

2.2 Влияние граничного слоя на теплообмен при свободной конвекции в слое зернистого материала

Предложенный в разделе 2.1 метод определения проницаемости слоя засыпки позволяет разработать методику обработки имеющихся в литературе экспериментальных данных, учитывающую влияние граничного слоя на теплообмен. Характеристики двухслойной модели слоя крупнозернистого материала можно ввести в определяющий критерий Релея fia экс в виде поправочного коэффициента А .комплексно определяющего параметры d/й , ^ ,П и Г\с . Тогда уточненное значение критерия Релея будет определяться по выражению fta*yT = 8a экс, А - (2.19)

При выводе выражения для коэффициента А нами учитывалось, что коэффициенты проницаемости, полученные авторами при обработке экспериментальных данных (рис.1.6 . 1.9), в некоторой степени уже учитывают анизотропность слоя по его высоте, так как они рассчитаны по измеренной интегральной пористости П исследуемых образцов. Принимая во внимание указанные обстоятельства, расчетное выражение для поправочного коэффициента À можно записать в виде отношения проницаемостей и К .

Для определения коэффициента ¡^экс. воспользуемся формулой Козени-Кармана

Пористость П можно определить, используя трехслойную модель зернистого материала, согласно которой последний состоит из двух граничных и одного среднего слоев. Тогда, на основании выражения (2.2), получаем

П = 0,2,9 Л/Ц + Пс (4- 0Д9 сИ/н) . (2.21)

Подставляя в выражение (2.2Г) значение Пс = 0,36 /19/, получаем зависимость для интегральной пористости трехслойной модели крупнозернистого материала

П = 0,186 А/Н + 0,56 . (2.22)

Для коэффициента проницаемости Ж , на основании выражения (2,Г8), можно записать

Ж= >М/Н + , (2.23)

ГДе \Р Пс о| э\ с —

К 56 Фг и Н-Пе) * (2.24)

Используя выражения (2.20) . (2.24), после преобразований получаем следующую зависимость для поправочного коэффициента ; д (0.1&6 а/И + 0,56) о,и+ ц+0И Й /н ] (о,б4 - оибб а /и)1 (2.25)

Уточнение метода обработки существующих экспериментальных данных по теплообмену при свободной конвекции в зернистом слое проводилось в пределах композиции засыпка-вода. При этом, с целью сни жения влияния регуляризации структуры зернистого слоя вблизи стенок на структуру среднего слоя, отбирались только те эксперименты, которые проводились на слоях со значениями \\ /6 > ГО. Указанным условиям соответствуют экспериментальные данные, приведенные на рис. Г.8 и Х.9 для горизонтальных слоев, а также данные, приведенные на рис.1.10 для вертикальных слоев зернистых материалов.

Исходные данные для расчета коэффициента А , а именно: диаметр частиц, высота слоя, отношение этих значений, приведены в таблице 2.1. Условные обозначения, используемые в табл.2.1, приняты в соответствии с условными обозначениями на рис.1.8, 1.9, 1.10. Результаты расчета поправочного коэффициента А для горизонтального и вертикального слоев приведены в таблице 2.1. Значения величины Н' определялись по выражению (2.13). Значения коэффициента формы были приняты по данным таблицы Г.1.

На рис.2.4а и 2.5а приведены существующие экспериментальные данные, которые явились исходными для уточненного расчета критерия , выполненного по выражению (2.19) с использованием полученных в табл.2.Г значений поправочного коэффициента. Проведенный расчет, результаты которого показаны на рис.2.46 и 2.53, позволил уточнить область, в которой находятся экспериментальные данные, что способствует повышению точности определения корреляционной зависимости параметров свободной конвекции.

Для горизонтального слоя засыпки уточненный расчет позволил снизить разброс экспериментальных данных на 4 . 5 а для вертикального до 6 %.

Приведенные на рис.2.5 для вертикального слоя экспериментальные данные соответствуют отношению 1/Н - 7,5 /82/. Для относительного анализа экспериментальных данных на рис.2.5 нанесены кривые Г и 2, соответствующие отношению 1./Н =4,5 /46/ и Ь/И^ 20 /5/.

Расчет поправочного коэффициента А

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Покотилов, Виктор Владимирович, 1984 год

1. Материалы ХХУ1 съезда КПСС. М.: Издательство политической литературы, I98I. 38с. 2. Об основных направлениях и мерах по повышению эффективности использования топливо-энергетических ресурсов в народном хозяйстве в I98I-I985 годах и на период до 1990 года. Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 2 апреля I98I г. 328.

2. Основные положения по нормированию расхода топлива, тепловой и электрической энергии в народном хозяйстве. Утверждены постановлением Госплана СССР от 17 декабря 1979г. 109.- М.: Атомиздат, 1980. 16с.

3. Бутовский И.Н., Веселовская Е.В., Гидроян А.Г. Влияние конвекции на теплопередачу в подогреваемых снизу полах с керамзитовой засыпкой зданий холодильников. Тр.НИИ строительной физики. Госстрой СССР. М., 1978, J 19/33.- с. 18...24. г- Burns P.J.jGhow L.С,Tien C.L. Int.J.Heat and Mass o. Transfer.1977,V.20, p.919...926. 6. A.C. J 965

4. Устройство для предотвращения смерзаемости сыпучих материалов в емкости. Покотилов В.В., Солдаткин М.Т., Шалак А.Д., Шульман М.З., Шемковяк A.M. Опубл. в Б.И. 1982, J 38.

5. Sullivan H.F., Holland K.G.T., Shewen E.G. Sol.V/orld Forum Proc.Int.Sol.Energy Soc.Congr.,Brighton,23-28 Aug.,1981, V.1, Oxford e.a., 1982, p.753...759.

6. Katto Y. and Masuoka.Int. Journal of Heat and Mass Transfer, 1967, V.10, P.297...309.

7. Gombarnous M. et Bories S. Int.Journal of Heat and Mass

8. Аэров М.Э., Тодес О.М., Наринский Д.А. Аппараты со стационарным зернистым слоем.- Л.: Химия, 1979. 176с.

9. Жаворонков Н.М. Гйдро- и аэродинамика насадок скрубберных и ректификационных колонн.- Химическая промышленность, 1948, J& 9.- с.269...273.

10. Горбис З.Р., Календарьян В.А. Теплообменники с проточными дисперсионными теплоносителями.- М.: Энергия, 1975. 296с.

11. Гальперин И.И., Аэров М.Э., Коган A.M. Гидравлическое сопротивление неподвижного зернистого слоя при больших отношениях диаметра зерна к диаметру трубы.- Химия и технология топлив и масел, 1969, В 3. с.56...61.

12. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов.- М.: Физматгиз, 1962.- 45бс.

13. Неусихин И.Я. Экспериментальное исследование теплообмена в сыпучих строительных материалах.- Ш Ж 1980, т.39, I.с.152...154. Г6. ГОСТ 8268-74 Гравий для строительных работ.- М.: 1979.

14. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем.- Л.: Химия, 1968.- 512с.

15. Лыков А.В. Теоретические основы строительной теплофизики. Минск: Издательство АН БССР, I96I.- 519с.

16. Гарнашевич Г.С. Исследование процесса теплопроводности строительных сыпучих материалов. Автореф.дис....канд.техн.наук.Минск: 1974.- 21с.

17. Боришанский В.М. Сопротивление при движении воздуха через слой шаров. В кн.: Вопросы аэродинавдики и теплопередачи в котёльно-топочных процессах.- М.-Л.: Госэнергоиздат, 1958.- с.290...312.

18. Кравцов М.В. Гидравлика зернистых материалов.- Минск: Наука и техника, 1980.- 168с. 23. ГОСТ 8269-

19. Щебень из естественного камня, гравий и щебень из гравия для строительных работ. Методы испытаний.- М.: 1976.

20. Джон Г. Перри. Справочник инженера-химика, т.1.- Л,: Химия, 1969.- 640с. 25. M.Gombarnous Revue General de Therraique,1970,v.9, Ыо 108,p.1355...1375.

21. Seki Nobiihiro,J.Hideo т "Int. J.Heat and Mass Transfer, 1978,V.21,No 7, p.985...989.

22. Кондратьев B.H. Фильтрация и механическая суффозия в несвязных грунтах.- Крымиздат, 1958.- 75с.

23. Нерпин С В Чудновский А.Ф. Физика почвы.- М.: Наука, 1967.- 584с.

24. Rudraiah Н.,Masuoka Т. Int.д.Eng.Sci.,1982,v.20, No 1,p.27...39.

25. Жаворонков H.M., Аэров М.Э., Умник Н.Н. Гидравлическое сопротивление и плотность упаковки зернистого слоя.- ЖФХ, 1949, т.23,3.- с.342...360. ЗГ. Marivoet J.,Teodoroiu P.,V/ajc S.P. Chemical Eingineering Science, v.29,No 8,-t974, p. 1836.., 1840.

26. Неппеке P.V/., Schlimder E.U. Chemie Ingenieur Technik, 1973, 45,No 5, p.277...284.

27. Kimura M. ,Hono K.,Kaneda T.-Cliem.Eng. (Japan),397,1955.

28. Неусихин И.Я., Гарнашевич Г.С. О влиянии истинной объемной массы засыпок на их измеренный коэффициент теплопроводности.Известия АН БССР. Серия физико-энергетических наук. Минск, 1972, В 4.- с.ИЗ...118.

29. Антонишин Н.В., Лютич Н.В., Парнас Н.Л. О двухзонной модели теплообмена между поверхностью и слоем дисперсного материала.В кн.: Тепло- и массоперенос в процессах термообработки дисперсных материалов.- Минск, 1974.- 3...8.

30. Миснар А. Теплопроводность твердых тел, жидкостей, газов и их композиций.- М.: Мир, 1968.- 464с.

31. Васильев Л.Л., Танаева А. Теплофизические свойства пористых материалов.- Минск: Наука и техника, 1972.- 26Вс.

32. Владимиров А.П., Брайнина Е.Ю. Выгрузка и подогрев нерудных строительных материалов в зимних условиях.- М.: Стройиздат, 1967.- 186с.

33. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов.- Л.: Энергия, 1974.- 264с.

34. Неусихин И.Я. Номограмма для определения эффективного коэффициента теплопроводности сыпучей системы.- В кн.: Строительство и эксплуатация автомобильных дорог и мостов, 1980.- с.167...171.

35. Неусихин И.Я., Павловский Б.Г. О лучистой составляющей эффективного коэффициента теплопроводности строительных сыпучих материалов.- В кн.: Производство, устройство и применение теплоизо36. Рибавдо, Торранс. Свободная конвекция в пористой среде: эффекты границ среды, изменения проницаемости и тепловых граничных условий.- Труды Амер.об-ва инж.-мех. Серия Теплопередача, 1974, I.- 42...50.

37. Чжань, Айви, Бэрри. Естественная конвекция в замкнутой прямоугольной полости, заполненной пористым материалом.- Труды Амер.об-ва инж.-мех. Серия Теплопередача, 1970, !Ь I.- с.23...30.

38. Золотарев П.П. Условия возникновения тепловой конвекции в пористом пласте.- Инженерный журнал, 1965, т.5,2.- с.236...238.

39. Власюк М.П., Полежаев Б.И. Естественная конвекция и перенос тепла в проницаемых пористых материалах.- Институт прикладной математики АН СССР, препринт 77, М., Г975.- 78с.

40. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости.- М.: Наука, 1972.- 392с.

41. Weber J.E, Joujmal of Heat and Mass Transfer, 1974i V.17,p.241...248.

42. Caltagirone International Journal of Heat and Mass Transfer, 1976,v.19,p.815...820.

43. Власюк М.П., Полежаев В.И. Исследование переноса тепла при естественной конвекции в проницаемых пористых материалах.В кн.: Тепло- и массоперенос, Минск, 1972,т.1,ч.2.- с.42...48.

44. Hoist Р.П.,Aziz К. Int.Journal of Heat and Mass Transfer 1972,v.15,p.73...90.

45. Combarnous M. Revue Generale de Thermique,1970, 108, p.1335...1355.

46. Bories S.A. et Combarnous M.A. J.Fluid Mech.,1973, 57(1),p.63...79. 54. Ray-Shing V/u, K.G.Cheng and A.Craggs Numerical Heat Transfer,1979,v.2,p.303...318. 55. II.Seki,S.Fukusako and J.Ariake Warme imd Stoffubertragung.Thermo- and Fluid Dynamics,1980,v.13,No 1-2,p.61..71 56. D.W.Ruth AJAA Paper.1980,6 pp. 57. J.Betbeder et P.Jolas Int.J.Heat and Mass Transfer. 1972,V.15,No 4,p.721...732. 58. S.Bories Revue Generale de Thermique,1970,v.9,No 108, p.1377...1399.

47. Клейн И.О. Естественная конвекция в пористых средах. Исследов.по спец.задачам гидродинам. Материалы совещания секц.физ. Моск.о-ва испыт. природы по гидродинам. М.: 1982.- с.13...17.

48. Клейн И С Полежаев В.И. Конвективный теплообмен в проницаемых пористых средах.- Институт пробл.механики АН СССР, препринт Л Ш М., 1978.- 66с.

49. Straus Joe М.,Schubert Gerald J.Fluid Mech,,1979, v.91,No 1,p.155...165.

50. Комбарну M.A., Брюн E.A. Тепловая конвекция в пористой среде.- В кн.: Тепло- и массоперенос, Минск, 1972, т.9, ч.2,С.Г41...162.

51. Buretta R.J.,Berman A.S. Transactions of the ASICE, Journal of Applied Mechanics,1976,June,p.249...253.

52. Клейн И.С. Расчет переноса тепла естественной конвекцией в вертикальном слое крупнодисперсного материала при нелинейном за53. Гассер, Казими. Возникновение конвекции в пористой среде с внутренними тепловыделениями.- Труды Амер.об-ва инж.-мех. Серия Теплопередача, 1974, 2.- C.5I...57.

54. Коллинз Р. Течения жидкостей через пористые материалы.М.: Мир, 1964.- 350с.

55. Шейдеггер А.Э. Физика течения жидкостей через пористые среды.- М.: Гостоптехиздат, I960.- 246с. gg.Somerton C.Y/. ,McDnough J.M. ,Catton J. Heat Transfer, 1982,Proc. 17th Int.Conf. ,Munclien, s.6-10,1982, v. 2-Wasliington 1982,p.347...350. 6.

56. Хирата M., Нйшиваки H., Ито M., Мияшита X. Теплообмен через вертикальный слой с относительно низким соотношением высоты к толщине.- В кн.: Тепло- и массообмен. Минск, 1968, т.9.с.127...143. YO.Rudraiah N.,Balachandra Rao S.-Appl.Sci.Res.,1982,39, No 1,p.21...43.

57. Колесников Л.К., Любимов Д.В. О конвективной неустойчивости жидкости в наклонном слое пористой среды.- Ж-л прикладной механики и технической физики, 1973, 3.- с.127...131.

58. Лыков А.В. Тепломассообмен (Справочник).-.М.: Энергия, I97I.- 560с.

59. Кокорев Л.С. и др. Естественная конвекция в волокнистой теплоизоляции.- Теплофизика высоких температур, 1980, т.18, 2.с. 341...346.

60. Лосон, Ян Вэнь-Жэй. Тепловая устойчивость бинарной газовой смеси в пористой среде.- Труды Амер.об-ва инж.-мех.Серия

61. Walch Jean-Poul,Dulieu Bernard. Comptes Rendus Hebdomadaires des Seances de IAcad.des Sci.,1979|AB 289,lIol6, B. 321...323

62. Mckibbin R.,0Sullivan M.J.-J.Fluid Mech.,1981, v.111, p.141...173. 77. Mc Kibbin R.jOSullivan M.J.-Journal of Fluid Mechanics. 1980, 96,No 2,p.375...393.

63. Kaneko T.,Montadi M.P, and Aziz K.-Int.Journal of Heat and Mass Transfer,1974,v.17,p.485...496. 79. M.Klarsfeld.-Revue General de Thermique,1970,v.9,No 108, p.1403...1423.

64. Inaba H.,Seki H.-Int.Journal Heat and Mass Transfer,1981, v.24,Ho 11,p.1854...1857. 81. V/eber J.E.-Int.J.Heat and Mass Transfer, 1975,v. 18, P.569...573.

65. Schneider K.J,-XI International Congress of Refrigeration, paper 11...4 Munick,1963.

66. Аравин В.И., Нумеров Н. Теория движения жидкостей и газов в недеформируемой пористой среде.- М., 1953.- 616с. 84. J.W.Elder J.Fluid Mech.-1967, 27,p.29...48.

67. Ицкович С М Крупнопористый бетон (технология и свойства). М.: Стройиздат, 1977.- 117с.

68. Masuoka T.-Trans,JSME 37,1971,p.90...96.

69. Schubert G.,Straus J.-J. Flui Mech.,1982,v.121,p.301... 313.

70. Straus J.M.-J.Fluid Mech.,1974,v.64,No 1,p.51.

71. Берд Б., Стьюарт В., Лайтфут Е. Явления переноса.- М.: Химия, 1974.- б;88с. 90. J.W.Elder-J.Pluid Mech,,196?.,v.27,p.29...48,

72. Аэров М.Э., Умник Н.Н. Явления свободной конвекции в зернистом слое.- Ж.Т.Ф., I95I,T.2I,II.- с.73...79.

73. Хикокс, Гартлинг. Численное исследование свободной конвекции в пористом горизонтальном слое при различной температуре его концевых сечений.- Труды Амер. об-ва инж.-мех. Серия Теплопередача, 1981,т.Г03, 4.

74. Авдуевский B.C., Калашник В.Н., Копяткевич P.M. Исследование теплоотдачи при естественной конвекции в газонаполненных пористых средах при больших давлениях.- В сб. Тепломассообмен У, Минск, 1976,т.I, Ч.2.- с.219...226.

75. Аравин В.И., Носова О.Н. Натурные исследования фильтрации Л.: Энергия, 1969.- 256с.

76. Коллеров Д.К. Гидродинамика перовой среды.- Химическая промышленность, 1959, 2.- с.163...169.

77. Бернштейн Р С Померанцев В.В., Шагалова Л. Обобщенный метод расчета аэродинамического сопротивления загруженных сечений. В кн.: Вопросы аэродинамики и теплопередачи в котельно-топочных процессах.- М.-Л.: Госэнергоиздат, 1958.- с.267...289.

78. Великанов М.А. Движение подземных вод в крупнозернистых грунтах.- Известия АН СССР, 0ТН,1945, 7-8.- с.638...647.

79. Акельев В.Д. Исследование зависимости воздухопроницаемости керамзитобетона от его влагосодержания. Автореф.дис....канд. техн.наук.- Минск, 1968.- 20с. 99. Лев Е.С. Фильтрация через слой сыпучего тела (Состояние

80. Керим-Заде Э.К. Свойства сплошных сред при турбулентной фильтрации.- В кн.: Материалы Всесоюзного совещания в Минске 7-10 октября 1969г. Устойчивость фильтрующих откосов.- Минск, 1969,с.198...223.

81. Дегтярев Б.М., Коринченко И.В. Исследование водопроницаемости пористых бетонов с различными структурными характеристиками.Труды координационных совещаний по гидротехнике. Вып.

82. Фильтрация воды через бетон, бетонные конструкции и сооружения.- Л.: Энергия, I97I.- с,45...51.

83. Жиленков В.Н. Некоторые результаты лабораторных исследований фильтрационно-суффозных свойств каменно-песчаной среды.Труды координационных совещаний по гидротехнике. Вып.XXI.- М.-Л.: Энергия, 1965.- с.213...228.

84. Павчич М.П., Балыков Б.И. Методы определения коэффициента фильтрации грунтов.- Л.: Энергия, 1976.- 115с.

85. Богоявленский Р.Г. Гидродинамика и теплообмен в высокотемпературных ядерных реакторах с шаровыми твэлами.- М.: Атомиздат, 1978.- 112с.

86. Добровольский К.И. Теоретические основания полевых методов исследования грунтов на водопроницаемость.- Тифлис, 1932.- 84с.

87. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления.- М.: Недра, Г982.- 224с.

88. Минц Д.М., Шуберт А. Гидравлика зернистых материалов.М.: Изд-во МКХ РСФСР, 1955.- Ш с

89. Календарьян В.А., Корнараки В.В. Теплообмен и сушка в движущемся плотном слое.- Киев, Одесса: Вища школа, 1982.- 160с.

90. Неусихин И.Я., Левин А.Х., Красик Б.М., Ворончук А.И. Исследование проницаемости граничного и среднего слоев строительных засыпок.- В кн.: Тезисы докладов ХХШ межреспубликанской научной конференции технических вузов республик Прибалтики, Белоруссии и Молдавии.- Минск, 1977.- с.46. Н О Неусихин И.Я., Покотилов В.В. О факторе проницаемости при оценке влияния свободной конвекции на теплообмен в слое сыпучей системы.- Ш Ж 1978, т.34, i 4.- с.739...740.

91. Покотилов В.В. Влияние граничного слоя строительных засыпок при исследовании свободной конвекции в них.- В кн.: Особенности процессов тепломассопереноса.- Минск, ИТМО им.Лыкова, АН БССР, 1979.- с.135...137.

92. Gupta V.P.,Joseph D.H.-J.Pluid Mech.,1973,v.57,F. p.491...514.

93. Thirby R.-J.Fluid Mech. ,1970,v.44,p.673.

94. Волков Д.П. Проницаемость пористых материалов.- ШЖ, 1981,т.39, i 3.- с.421...427. a

95. Неусихин И.Я., Покотилов В.В. Исследование теплообмена при свободной конвекции в слоях сыпучих строительных материалов.В кн.: Тезисы докладов У1 Всесоюзной конференции по теплофизическим свойствам веществ.- Минск, 1978.- с.35.

96. Покотилов В.В. Интенсификация нагрева сыпучих строительных материалов при естественной конвекции.- В кн.: Тезисы докладов XI конференции молодых ученых и специалистов Прибалтики и БССР по проблемам строительных материалов и конструкций.- ВНИИ теплоизоляция, Вильнюс, I98I.- с.142.

97. Солдаткин М.Т., Шалак А.Д., Покотилов В.В., Станецкая И.И, Орлович А.И. Опыт совершенствования тепловой обработки изделий сборного железобетона на заводах Минсельстроя БССР с целью сокращения расходов тепла.- В кн.: Тезисы докладов на расширенном заседании секции "Тепло- и массообмен в процессах твердения материалов на основе вяжущих веществ", Краснодар, 1983.- с.59...61.

98. Полубаринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод.М.: ГИТТЛ, 1952.- 673с.

99. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы.М.: Энергия, 1978.- 704с.

100. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента.- М.: Наука, I97I.- 192с.

101. Основополагающие стандарты в области метрологического обеспечения.- М.: Изд-во стандартов, I98I.- 271с.

102. Невский Б.А. Справочная книга по монографии.- М.-Л.: Гостехиздат, I95I.- 376с.

103. Блох Л.С. Практическая монография.- М.: Высшая школа, I97I.- 328с.

104. Михеев М.А., РЛихеева И.М. Основы теплопередачи.- М.: Энергия, 1973.- 320с.

105. Хованский Г.С. Основы монографии.- М.: Наука, 1976.351с.

106. Цимринг Ш.Е. Специальные функции; Программы для микрокалькулятора "Электроника БЗ-21".- М.: Радио и связь, 1983.- 120с. 132. ОН 542-

107. Инструкция по проектированию тепловой изоляции оборудования и трубопроводов промыишенных предприятий.- М.: Стройиздат, 1983.- 71с.

108. Руководство по технико-экономической оценке способов формования бетонных и железобетонных изделий.- М.: Г978.- 176с.

109. Руководство по определению экономической эффективности использования новой техники, изобретений и рационализаторских предложений в производстве строительных конструкций и деталей из сборного железобетона.- М.: Стройиздат, 1981.- 208с.