Нестаціонарне теплоперенесення в аеродисперсній системі з щільним шаром гравію в каналі ґрунтового регенератора

Анотація

У статті досліджено просторово-часові особливості формування температурного поля в аеродисперсній системі «повітря — щільний шар гравію», що реалізується в каналі ґрунтового регенератора для теплиць. Аеродисперсні системи з щільними шарами гранул широко застосовуються в теплоенергетичних установках, регенеративних теплообмінниках та сезонних акумуляторах теплоти, проте фізика нестаціонарного теплоперенесення між газовим потоком і нерухомим шаром частинок залишається недостатньо вивченою. Особливу увагу приділено послідовному прогріванню шару вздовж каналу та взаємодії фронту нагрівання з полем температур газової фази, що є характерними рисами поведінки аеродисперсних систем у режимах заряджання тепло-акумулювальних пристроїв.

Метою роботи є аналіз температурного поля в каналі ґрунтового регенератора з щільним шаром гравію як аеродисперсної системи та кількісна оцінка взаємопов’язаного теплоперенесення між газовою і твердою фазами в нестаціонарних умовах. Фізичну модель побудовано у вигляді двокомпонентного квазігомогенного середовища, де газовий потік і щільний гранульований шар розглядаються як взаємодіючі компоненти аеродисперсної системи. Система рівнянь включає рівняння теплопереносу в твердій фазі з урахуванням ефективної теплопровідності та конвективне рівняння для газового потоку з членом міжкомпонентного теплообміну, який описує енергетичну взаємодію дисперсної та газової підсистем. Чисельну реалізацію виконано в середовищі Matlab за допомогою різницевих схем: температуру газу вздовж каналу обчислювали послідовно за координатою, а температуру щільного шару – за неявною схемою у часі.

У розрахунках враховано теплофізичні характеристики шару гравію, типові для регенераторів з щільною гранульованою насадкою: порозність, густина, питома теплоємність, ефективна теплопровідність та питома поверхня частинок. Отримані результати наведено у вигляді двовимірних температурних полів T(x,t) і Tg(x,t), профілів температури шару і газу вздовж каналу для характерних моментів часу, а також кривих зміни температури в окремих перерізах. Показано, що в аеродисперсній системі «повітря – щільний шар гравію» формується виражений фронт нагрівання, який поступово переміщується від вхідної ділянки каналу до виходу в міру охолодження газового потоку та накопичення теплоти гранульованим шаром. Отримані закономірності дозволяють глибше інтерпретувати фізику теплоперенесення в аеродисперсних системах з щільною насадкою та можуть бути використані для оптимізації геометричних і режимних параметрів ґрунтових регенераторів і інших регенеративних теплообмінників із гранульованими шарами.