Теплообмен в газопроницаемом материале с теплоаккумулирующими свойствами
Предлагается расчетно-экспериментальное исследование тепломассообмена в газопроницаемом материале при наличии хемосорбции кислорода в порах и фазового перехода применительно к условиям работы твердотельного солнечного аккумулятора. Пропонується розрахунково-експериментальне дослiдження тепломасообмi...
Saved in:
| Published in: | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61133 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Теплообмен в газопроницаемом материале с теплоаккумулирующими свойствами / А.Л. Бурка, А.А. Емельянов, В.А. Синицын // Промышленная теплотехника. — 2008. — Т. 30, № 3. — С. 11-15. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61133 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Бурка, А.Л. Емельянов, А.А. Синицын, В.А. 2014-04-25T18:25:26Z 2014-04-25T18:25:26Z 2008 Теплообмен в газопроницаемом материале с теплоаккумулирующими свойствами / А.Л. Бурка, А.А. Емельянов, В.А. Синицын // Промышленная теплотехника. — 2008. — Т. 30, № 3. — С. 11-15. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61133 536.244 Предлагается расчетно-экспериментальное исследование тепломассообмена в газопроницаемом материале при наличии хемосорбции кислорода в порах и фазового перехода применительно к условиям работы твердотельного солнечного аккумулятора. Пропонується розрахунково-експериментальне дослiдження тепломасообмiну у газопроникному матерiалi при наявностi хемосорбцiї кисню у порах i фазового переходу стосовно до умов роботи твердотiльного сонячного акумулятора. A calculation-experimental investigation of heat and mass transfer in a gas-permeable material with chemical absorption of oxygen in pores and phase transition is proposed for operation conditions of a solid solar accumulator. Работа проводилась при поддержке РФФИ по проекту № 06"08"00361"а. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Тепло- и массообменные процессы Теплообмен в газопроницаемом материале с теплоаккумулирующими свойствами Heat transfer in a gas-permeable material with heat accumulating properties Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Теплообмен в газопроницаемом материале с теплоаккумулирующими свойствами |
| spellingShingle |
Теплообмен в газопроницаемом материале с теплоаккумулирующими свойствами Бурка, А.Л. Емельянов, А.А. Синицын, В.А. Тепло- и массообменные процессы |
| title_short |
Теплообмен в газопроницаемом материале с теплоаккумулирующими свойствами |
| title_full |
Теплообмен в газопроницаемом материале с теплоаккумулирующими свойствами |
| title_fullStr |
Теплообмен в газопроницаемом материале с теплоаккумулирующими свойствами |
| title_full_unstemmed |
Теплообмен в газопроницаемом материале с теплоаккумулирующими свойствами |
| title_sort |
теплообмен в газопроницаемом материале с теплоаккумулирующими свойствами |
| author |
Бурка, А.Л. Емельянов, А.А. Синицын, В.А. |
| author_facet |
Бурка, А.Л. Емельянов, А.А. Синицын, В.А. |
| topic |
Тепло- и массообменные процессы |
| topic_facet |
Тепло- и массообменные процессы |
| publishDate |
2008 |
| language |
Russian |
| container_title |
Промышленная теплотехника |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Heat transfer in a gas-permeable material with heat accumulating properties |
| description |
Предлагается расчетно-экспериментальное исследование тепломассообмена в газопроницаемом материале при наличии хемосорбции кислорода в порах и фазового перехода применительно к условиям работы твердотельного солнечного аккумулятора.
Пропонується розрахунково-експериментальне дослiдження тепломасообмiну у газопроникному матерiалi при наявностi хемосорбцiї кисню у порах i фазового переходу стосовно до умов роботи твердотiльного сонячного акумулятора.
A calculation-experimental investigation of heat and mass transfer in a gas-permeable material with chemical absorption of oxygen in pores and phase transition is proposed for operation conditions of a solid solar accumulator.
|
| issn |
0204-3602 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61133 |
| citation_txt |
Теплообмен в газопроницаемом материале с теплоаккумулирующими свойствами / А.Л. Бурка, А.А. Емельянов, В.А. Синицын // Промышленная теплотехника. — 2008. — Т. 30, № 3. — С. 11-15. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT burkaal teploobmenvgazopronicaemommaterialesteploakkumuliruûŝimisvoistvami AT emelʹânovaa teploobmenvgazopronicaemommaterialesteploakkumuliruûŝimisvoistvami AT sinicynva teploobmenvgazopronicaemommaterialesteploakkumuliruûŝimisvoistvami AT burkaal heattransferinagaspermeablematerialwithheataccumulatingproperties AT emelʹânovaa heattransferinagaspermeablematerialwithheataccumulatingproperties AT sinicynva heattransferinagaspermeablematerialwithheataccumulatingproperties |
| first_indexed |
2025-11-25T23:31:46Z |
| last_indexed |
2025-11-25T23:31:46Z |
| _version_ |
1850582761616703488 |
| fulltext |
парате // Доповіді НАНУ. – 2003. – № 11. – С.
71–76.
3. Басок Б.И., Кравченко Ю.С., Давыденко Б.В.,
Тесля А.И. Течения жидкости в роторно;пульса;
ционном аппарате на стадии его разгона // Про;
мышленная теплотехника. – 2004. – Т.26, № 2. –
С. 31–36.
4. Басок Б.И., Давыденко Б.В., Ободович А.Н.,
Пироженко И.А. Диссипация энергии в активной
зоне роторно;пульсационного аппарата // До;
повіді НАН України. – 2006. – № 12. –
С. 81–87.
5. Басок Б.И., Давыденко Б.В., Ободович А.Н.,
Пироженко И.А. Численное моделирование про;
цесса перемешивания взаиморастворимых жид;
костей в роторно;пульсационном аппарате //
Доповіді НАН України. – 2007. – № 7. –
С.79–86.
Получено 14.04.2008 г.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2008, т. 30, № 3 11
ТЕПЛО� И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Пропонується розрахунково�експе�
риментальне дослiдження тепломасо�
обмiну у газопроникному матерiалi при
наявностi хемосорбцiї кисню у порах i
фазового переходу стосовно до умов
роботи твердотiльного сонячного аку�
мулятора. Подано математичну поста�
новку задачi, яка враховує радiацiйно�
конвективний теплоперенос у матерiалi,
i описано метод її розв’язування . Експе�
риментальнi результати вимірювання
теплоємностi активованих порошкiв ви�
користано при розрахунку тепломасо�
обмiну у газопроникному матерiалi.
Проведено розрахунки нестацiонарного
температурного поля у плоскому шарi
матерiалу з рiзною мiрою його активацiї.
Показано, що пiдвищення мiри активацiї
призводить до пониження темпу нагрiву
й збiльшення кiлькостi акумульованої
теплоти. З’ясовано вплив пористостi
матерiалу на формування температур�
ного поля.
Предлагается расчетно�экспери�
ментальное исследование тепломассо�
обмена в газопроницаемом материале
при наличии хемосорбции кислорода в
порах и фазового перехода примени�
тельно к условиям работы твердотельно�
го солнечного аккумулятора. Представ�
лена постановка задачи, учитывающая
радиационно�конвективный теплопере�
нос в материале и описан метод реше�
ния. Экспериментальные результаты по
измерению теплоемкости активирован�
ных порошков использованы при расчете
тепломассообмена в газопроницаемом
материале. Проведен расчет нестацио�
нарного температурного поля в плоском
слое материала с различной степенью
активации. Показано, что повышение
степени активации приводит к сниже�
нию темпа нагрева и увеличению коли�
чества аккумулированной теплоты. Вы�
яснено влияние пористости материала
на формирование температурного поля.
A calculation�experimental investiga�
tion of heat and mass transfer in a gas�per�
meable material with chemical absorption
of oxygen in pores and phase transition is
proposed for operation conditions of a
solid solar accumulator. The problem
statement with regard for radiation�con�
vective heat transfer in this material is pre�
sented, and the method of solution is
described. Experimental results on meas�
urement of thermal capacity of activated
powders were used in calculations of heat
and mass transfer in a gas�permeable
material. The non�stationary temperature
field was calculated in a flat layer of the
material with different activation degrees. It
is shown that an increase in the degree of
activation decreases the heating rate and
increases the amount of accumulated
heat. The effect of material porosity on
temperature field formation was deter�
mined.
УДК 536.244
БУРКА А.Л.,
ЕМЕЛЬЯНОВ А.А., СИНИЦЫН В.А.
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН
ТЕПЛООБМЕН В ГАЗОПРОНИЦАЕМОМ МАТЕРИАЛЕ
С ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИМИ СВОЙСТВАМИ
сг – теплоемкость газа;
g – расход газа в порах;
Е – плотность потока излучения;
L – длина образца материала;
mV– массовая скорость газовыделения в порах;
N1, N2 – безразмерные коэффициенты теплоотдачи;
Р – пористость;
q – объемная плотность источников тепловыде;
ления;
Т* – характерная температура;
Настоящая работа посвящена численному мо;
делированию тепломассопереноса в газопрони;
цаемых материалах, полученных прессованием
ультрадисперсных порошков. С точки зрения
применения в тепловых аккумуляторах, работа
которых основана на использовании теплоты фа;
зового перехода и хемосорбции, особый интерес
представляют порошки с преобладанием двуоки;
си ванадия. Фазовый переход “металл;диэлектрик”
в этом соединении происходит с выделением или
поглощением значительного количества теплоты
(удельная теплота превращения 0,24 кДж/моль)[1].
Характерными особенностями таких материалов
являются развитая поверхность пор и, как след;
ствие, их высокая газовая реакционная способ;
ность. Ультрадисперсные порошки обладают вы;
сокой активностью к поглощению газов
(адсорбцией) и в первую очередь кислорода. Со;
став и количество адсорбированных порошками
газов определяется в первую очередь природой
материала, дисперсностью и условиями его при;
готовления. Теплообмен в таких средах происхо;
дит при наличии фазового перехода в частицах,
процессов десорбции;адсорбции газа на поверх;
ности пор, а также его хемосорбции с фазами пе;
ременной валентности.
Одной из важных проблем при изучении таких
материалов является выяснение влияния меха;
нической активации поверхности частиц порош;
ка на теплообмен. Структурные изменения с об;
разованием новых капилляров, внутренних
границ раздела фаз и новых фаз переменной ва;
лентности (структур кристаллического сдвига) в
частицах могут быть достигнуты с помощью ме;
ханической активации материала [2].
В работах [3,4] исследовано накопление теп;
лоты, поглощаемой в процессе нагрева дисперс;
ного материала из оксидов ванадия в области
температуры фазового перехода “диэлектрик;
металл” диоксида ванадия и показано, что вели;
чина поглощаемой теплоты такими порошками
при нагреве зависит от массы выделяемого ад;
сорбированного слабосвязанного кислорода.
Рассмотрена постановка задачи, учитывающая
радиационно;конвективный тепломассоперенос
в материале, и описан метод решения. Проведен
расчет нестационарного температурного поля в
газопроницаемом материале для различных зна;
чений массовой скорости газовыделения. Насто;
ящая статья является дальнейшим развитием ис;
следований теплообмена в указанных выше
материалах.
Предлагается следующая постановка зада;
чи. Плоский слой газопроницаемого матери;
ала нагревается внешними источниками из;
лучения и обменивается теплотой конвекции
с окружающей средой. Перенос теплоты в га;
зопроницаемом материале осуществляется
теплопроводностью, излучением и конвекци;
ей. Принимается, что скорость течения газа в
порах достаточно мала, поэтому устанавлива;
ется тепловое равновесие между газом и кар;
касом.
Предполагается существование внутренних
источников теплоты за счет фазового перехода в
объеме частиц и хемосорбции кислорода на по;
верхности пор.
При моделировании радиационного переноса
учитываются процессы поглощения, испускания
и рассеяния на частицах окислов ванадия. Опти;
ческие свойства материала предполагаются зави;
сящими от длины волны. Внешние источники
излучения являются абсолютно черными.
Теплоемкость каркаса предполагается зави;
сящeй от температуры. Решение задачи прово;
дится в приближении сплошной среды с эффек;
тивными теплофизическими и оптическими
свойствами.
Температурные поля и тепловые потоки в слое
материала получаются из решения краевой зада;
чи для уравнения теплопроводности и системы
уравнений переноса излучения.
Уравнение теплопроводности с граничными
условиями в безразмерном виде:
12 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2008, т. 30, № 3
ТЕПЛО� И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
t – время;
x – продольная координата;
ε1, ε2 – степени черноты границ;
– температуры внешних источников
тепловыделения;
χ – объемный коэффициент поглощения;
λ – эффективный коэффициент теплопроводности;
λP – коэффициент теплопроводности газа;
λE – коэффициент теплопроводности частиц;
σ – постоянная Стефана – Больцмана.
* *
1 2
,θ θ
(1)
(2)
(3)
, (4)
где
.
Расход газа в порах рассчитывается из уравне;
ния неразрывности
. (5)
Дивергенция спектральной плотности радиа;
ционного потока определяется из решения
системы интегродифференцальных уравнений
переноса энергии излучения [4] относительно
интенсивностей и имеет вид
.
С помощью функции Грина
,
являющейся решением однородной краевой задачи
;
начально;краевая задача (1) – (4) сводится к не;
линейному интегральному уравнению относи;
тельно безразмерной температуры, которое запи;
сывается в виде
(6)
Здесь
Таким образом, краевая задача (1) – (6) о сов;
местном переносе теплоты теплопроводностью,
конвекцией и радиацией в полупрозрачной газо;
проницаемой среде свелась к нелинейному инте;
гральному уравнению относительно безразмер;
ной температуры , которое на каждом
временном шаге решается итерационным мето;
дом Ньютона – Канторовича [5].
Для нахождения эффективных значений ко;
эффициента теплопроводности газопроницае;
мого материала использована формула
.
Расчеты проводились с использованием вре;
менных зависимостей теплоемкости, представ;
ленных на рис. 1. Эти зависимости получены пу;
тем обработки экспериментальных данных [3].
Прежде всего необходимо отметить наличие ярко
выраженного пика в распределении теплоемкос;
ти во времени в моменты , когда в материале про;
исходит фазовый переход. Как видно, механоак;
(1 )
E P
P P=λ − λ + λ
( , )θ ξ τ
*4 4
1 1 1 1
4 *4 *4
2 2 2 2
( ) ( ) ;
( ) ( ) .
L
W N
L
W N
σ
τ = θ − θ − θ
λ
σ
τ = θ − θ − θ
λ
2
* 0
( , ) ( ); ( ) ( ) ;
z
L E d dz
W z L q F z
T z dz
∂θ ∂ λ
τ = + − θ = − ω
∂τ ∂ λ∫
1 2
1
0
( , ) ( ,0) ( ) ( ,1) ( )
( , ) ( , )
G W G W
W z G z dz
θ ξ τ = ξ τ − ξ τ +
+ τ ξ∫
1 2
0, 0; 0, 1,
G G
N G z N G z
z z
∂ ∂
− = = − = =
∂ ∂
2
2
( ) ( ( )) 0
G G
z z
z z z
∂ ∂λ ∂
λ + − ω =
∂ ∂ ∂
1
(1) ( )
2 1 2
0
(e e )
F F zN N N dz− −Δ = + + ∫
1
( ) (1) ( )
1 2
0
( )
1
( ) (1) ( )
1 2
0
(1 e )(e e ),
;e
( , )
(1 e )(e e ),
;
z
F z F F z
F
F z F F z
z
N dz N dz
z
G z
N dz N dz
z
− − −
ξ
ξ
ξ
− − −
⎧
+ +⎪
⎪
⎪ ≤ ξ⎪ξ = − ⎨λΔ ⎪ + +⎪
⎪
⎪ ≥ ξ⎩
∫ ∫
∫ ∫
1
0
4 2 ( ( , ) ( , )
dE
I I I d
d
+ −
ρν ν ν
⎡ ⎤
= χ π − π ξ μ + ξ μ μ⎢ ⎥ξ ⎣ ⎦
∫
( , ), ( , )I I+ −
ν νξ μ ξ μ
dE
dξ
( )
V
dg
P Lm
d
= θ
ξ
Г
2
* Г
( ) ; ; ;
1
Lgc T x t
P T L c L
ω θ = θ = ξ = τ =
− ρ
0
( ,0) ( )θ ξ = θ ξ
4 *42
2 2 2
( ) ( ), 1;
L
N
ε σ∂θ
− θ − θ = θ − θ ξ =
∂ξ λ
*4 41
1 1 1
( ) ( ), 0;
L
N
ε σ∂θ
− θ − θ = θ − θ ξ =
∂ξ λ
2
*
( ) ( ) ( ),
0 1, 0;
L E
L q
T
∂θ ∂ ∂θ ∂θ ∂
= λ − ω θ − + θ
∂τ ∂ξ ∂ξ ∂ξ ∂ξ
< ξ < τ >
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2008, т. 30, № 3 13
ТЕПЛО� И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
.
тивация материала приводит к уменьшению мак;
симального значения теплоемкости и расшире;
нию во времени пика. При проведении числен;
ных расчетов параметры принимали следующие
значения: λ =1,34 Вт/м·К, L = 0,1м, N1 = N2 = 9,5,
ε1 = ε2 = 1. Шаг по времени Δt принимался рав;
ным одной секунде.
На рис. 2 представлены результаты расчета
температуры в слое для случая нагрева границы
ξ = 0 источником излучения с температурой 400 К
и границы ξ = 1 источником с температурой 330 К.
Из рисунка видно, что рост пористости приводит
к возрастанию температурного уровня в горячей
области слоя и снижению температуры в холод;
ной области в каждый момент времени. Сниже;
ние пористости материала приводит к увеличе;
нию внутреннего тепловыделения за счет
хемосорбции и уменьшению темпа нагрева.
Рис. 3 иллюстрирует влияние переменности
теплоемкости каркаса пористого материала на
14 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2008, т. 30, № 3
ТЕПЛО� И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Рис.1. Динамика теплоемкости в процессе теплообмена:
а – неактивированный материал, б – активированный материал.
a б
Рис. 2. Зависимость распределения температуры
в слое от пористости неактивированного
материала в различные моменты времени:
Р = 0,35; � � � � � Р = 0,25;
1–12 мин; 2–36 мин; θ*
1 = 0,4 , θ*
2= 0,3.
Рис. 3. Влияние теплоемкости материала
на динамику температурного распределения в
слое: неактивированный материал ;
� � � � � активированный материал; 1–12 мин;
2–36 мин; Р = 0,3; θ*
1 = 0,8, θ*
2= 0,4.
температурное распределение в слое в различные
моменты времени На этом рисунке видно, что
механоактивация материала приводит к допол;
нительному разогреву слоя за счет тепловыделе;
ния при релаксации структуры стенок пор.
Выводы
1. Рассмотрена постановка задачи, учитыва;
ющая радиационно;конвективный тепломассо;
перенос в газопроницаемом материале и описан
метод решения. Экспериментальные результаты
по измерению теплоемкости механоактивиро;
ванных порошков использованы при расчете
тепломассообмена в пористом газопроницаемом
материале. Проведен расчет нестационарного
температурного поля в плоском слое материала с
различной степенью механоактивации и выясне;
но влияние пористости и активации на формиро;
вание температурного поля.
2. Результаты, полученные при исследовании
накопления теплоты активированными ультради;
сперсными порошками, могут быть использова;
ны при создании тепловых аккумуляторов.
Работа проводилась при поддержке РФФИ по
проекту № 06"08"00361"а.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бугаев А.А., Захарченя Б.П., Чудновский Ф.А.
Фазовый переход металл;полупроводник и его
применение. – Л.: «Наука», 1979. – 183 с.
2. Полубояров В.А, Коротаева З.А., Андрюш"
кова О.В. Получение ультрамикрогетерогенных
частиц путем механической обработки // Неор;
ганические материалы. – 2001. – Т.37. – № 5. –
С. 592–595.
3. Емельянов А.А., Полубояров В.А., Бур"
ка А.Л., Коротаева З.А., Великанов Е.В., Ла"
пин А.Е., Бан Бонг"Чан. Теплообмен при фа;
зовом переходе и адсорбции;десорбции
кислорода в дисперсном материале // Про;
мышленная теплотехника. – 2006. – Т.28,
№ 1. – С. 22–30.
4. Бурка А.Л., Емельянов А.А., Полубояров В.А.,
Синицын В.А. Возможность применения ультра;
дисперсных порошков для создания тепловых
аккумуляторов//Промышленная теплотехника. –
2007. – Т.38, №5. – С.36–43.
5. Канторович Л.В. О методе Ньютона // Тру;
ды Математического института АН СССР. –
1949. – Т.28. – С. 135–139.
Получено 01.04.2008 г.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2008, т. 30, № 3 15
ТЕПЛО� И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
|