Результаты исследования тепломассопереноса в условиях слабой аэродинамической связи при пульсирующем режиме вентиляции

Введение. Тепловыделение — неотъемлемая часть металлургического производства. Избыточное тепловыделение вызывает перегрев оборудования, сопровождающийся последующими авариями, приводящими к выходу из строя производственного оборудования, травмам работников и большим финансовым потерям. Борьба с избыточным теплом в металлургии осуществляется следующими методами:

1. Прямое охлаждение: охлаждение металла в контакте с теплоотводными стержнями.
2. Охлаждение водой: использование воды для охлаждения металла.
3. Газовое охлаждение: использование газов для охлаждения металла, что гарантирует высокую интенсивность снижения температуры [1].
4. Криогенное охлаждение: применение сверхохлажденных жидких газов для термической обработки металлических материалов [2].
5. Индукционное охлаждение: создание внутреннего охлаждения с применением переменного магнитного поля.

Для металлургических цехов характерно значительное выделение тепла на различных этапах производства металла, таких как нагрев, плавление, формовка и литье [3]. Помимо этого, высокие температуры сопровождаются выбросами пыли и газов, что приводит к повышенной концентрации вредных веществ в воздухе. Это усложняет условия труда работников и требует использования специальной защиты, а также соблюдения требований охраны труда и промышленной безопасности [4]. При работе в металлургических цехах существует также риск возникновения пожаров, взрывов, получения серьезных термических травм [5].

Недостаточное охлаждение технологических установок, таких как зоны с большим количеством силовых кабелей или трансформаторные подстанции местного значения, часто становится причиной избыточного тепловыделения и накопления тепла, что может привести к отказам оборудования [6]. Поэтому очень важно внимательно наблюдать за температурным режимом на каждом этапе технологического процесса, тем самым обеспечивая стабильное и корректное температурное состояние производственных установок и электрооборудования [7]. Необходимо регулярно производить техническое обслуживание и ремонт оборудования, а также вести мониторинг уровня теплового излучения в цехах, чтобы своевременно реагировать на возможные проблемы и разрабатывать меры для их устранения и недопущения [8]. Несмотря на все имеющиеся методы охлаждения аварийные и нестандартные ситуации и травматизм¹ в металлургическом производстве остаются насущной проблемой, хотя в последние десять лет наблюдается динамика их снижения [9].

Анализ существующих статистических данных по аварийности и травматизму за последние десять лет в горно-металлургической отрасли, а также оценка применяемых методов охлаждения показывают необходимость разработки более продуктивных мер для снижения теплового излучения и обеспечения бесперебойной работы оборудования [10]. В связи с этим авторами был разработан и смоделирован процесс тепломассопереноса с использованием метода пульсирующего движения воздуха, который достаточно хорошо повышает теплообмен при слабой аэродинамической связи [11]. Целью данного исследования является изучение влияния пульсирующего режима движения воздуха на температурные показатели воздушной среды в условиях малых скоростей движения и затрудненной аэрологической проницаемости при наличии общей вентиляции в помещении. В статье изложены результаты физического моделирования тепломассопереноса в условиях слабой аэродинамики.

Материалы и методы. Эксперименты по теплопереносу проводились на базе физической модели (рис. 1) со следующими характеристиками [12]:

• объем вентилируемого пространства — 1 м³;
• относительная влажность воздуха — от 26 до 28 %;
• температура воздуха — 21–23 °C [13].

На рис. 1 изображена конструкция, имитирующая вентилируемое помещение, в виде куба с длиной сторон в 1 метр. В центральной части данного объема размещено устройство, «Пульсатор» (рис. 2 а, 5). Ниже приведены его характеристики:

– длина устройства «Пульсатор» — 0,57 м;

– диаметр — 0,1 м;

– скорость вращения вентилятора в установке «Пульсатор» — около 180 об/мин;

– расход воздуха в устройстве «Пульсатор» — 0,007 м³/с;

– скорость потока общеобменной вентиляции — 2,2 м/с [14].

При планировании эксперимента были установлены минимальные и достаточные требования к его проведению [15]. Точность измерений:

– время — в минутах;

– температура — 0,1 °С;

– расстояние — 1 см;

– импульс давления — 1 Гц.

Схема лабораторной установки показана на рис. 2. Генератор воздушного потока (рис. 2 а, 1) общеобменной вентиляции, имитирующий процесс искусственной вентиляции в помещении, размещен с левой стороны внизу лабораторной модели (в середине). Расстояние по высоте от основания лабораторной установки — 7 см. Выходное отверстие ниши (рис. 2 а, 2), имитирующей зону затрудненной аэрологической проницаемости, размещено на основании лабораторной установки в центре, а сама конструкция ниши упирается в заднюю стенку куба. Размеры ниши имеют следующие параметры:

– высота — 0,1 м;

– длина — 0,5 м;

– ширина проема — 0,12 м;

– толщина стенок — 0,012 м;

– материал стенок — сосна.

В дальней от входа части ниши на расстоянии 0,45 м размещен источник тепла (рис. 2 б, 3). Источником тепла являлась лампа накаливания мощностью 25 Вт. При экспериментах изучались два вида теплопереноса: радиационное и конвективное. Схема размещения оборудования при проведении эксперимента показана на рис. 2.

Эксперимент по изучению процессов тепломассопереноса производился с фиксированием значений температуры датчиком, располагающимся на полу ниши, на расстоянии 0,15, 0,25 и 0,35 м (рис. 2 б). Буквы, выделенные красным, характеризуют положение датчика температуры при проведении эксперимента. Эксперимент проводился как при стационарном (без применения пульсатора) воздухообмене, так и с применением режима пульсирующей вентиляции. На каждом отрезке было зафиксировано 70 значений температуры в течение 60 минут. В соответствии с программой эксперимента, как было сказано ранее, ниша размещалась на основании лабораторной установки, датчик, измеряющий температуру, размещался в точках измерения А, Б и В (рис. 2 б). Измерения производились в нижней части ниши (у пола).

Второй этап изысканий по оценке влияния пульсирующего режима движения воздуха заключался в применении экрана, который рассеивал прямую тепловую радиацию. Данный экран был расположен между источниками тепла и точками измерения температуры. Экран был установлен стационарно в одном месте при всех измерениях. Размеры экрана — 0,1 х 0,1 м. Материал экрана — белая пластмасса толщиной 0,001 м. Периодически в процессе нагрева включался «Пульсатор», например, на 18-й минуте эксперимента. Было отмечено, что работа «Пульсатора» приводила к уменьшению роста температуры в нише в каждой точке измерений. Измерения выполнялись на основании той же методики.

В целом было установлено, что на момент включения «Пульсатора» рост температуры в нише был в 1,5 раза меньше, чем при выключенном устройстве. В дальнейшем для масштабирования процесса турбулентного теплопереноса в натуральных условиях будут использоваться критерии подобия.

Результаты исследования. На основе проведенных экспериментов были построены графики зависимости изменения температуры от времени. На рис. 3 представлены результаты этих измерений. Значения абсолютной и относительной погрешностей составили 4,45 °С и 8 % соответственно. График с синей линией демонстрирует изменения температуры при использовании экрана, а график с зеленой линией отображает изменения температуры (в интервале с 18-й по 30-ю минуту данного этапа эксперимента) при включенном режиме пульсирующего движения воздуха с установленным пластиковым экраном.

После проведения экспериментов были рассчитаны относительные приращения температуры в каждой точке проведения измерений стационарного (на графике отмечен синим цветом) и пульсирующего режимов для их сравнения. После расчета приращений при разных режимах были получены зависимости. На рис. 4 приведен график зависимости коэффициента приращения температуры от времени с применением экрана.

Рис. 4. Графики зависимости относительного приращения температуры от времени на расстоянии 35 см от источника излучения с применением экрана

Далее данные приращения были распределены по режимам и временным диапазонам. На рис. 5 представлены графики зависимости усредненных значений относительного приращения температуры (t_i\t₀) от времени при стационарном и пульсирующем режимах для всего объема ниши.

Согласно данным этого графика, температура в первые 15 мин. проведения эксперимента повышалась менее интенсивно с применением метода пульсирующей вентиляции и имела стабильный незначительный рост. В условиях стационарного режима исследуемого процесса отмечалась максимальная интенсивность роста температуры.

Сравнение изменений температуры в интервалах с 1 по 15 мин. и с 16 по 32 мин. показывает, что в течение первого интервала эффективность пульсирующего режима рост температуры ниже (рис. 6). Далее характеристики имели одинаковые значения (рис. 7).

На рис. 8 представлены значения угловых коэффициентов, показывающих степень эффективности пульсирующего режима в сравнении со стационарным, на разных временных интервалах. В интервале с 1 по 15 мин. угловой коэффициент выше у стационарного режима в 3,8 раза, по сравнению с пульсирующим, что свидетельствует о большей интенсивности тепломассопереноса. В следующем интервале (16–32 мин.) данный эффект теряется.

Обсуждение и заключение. Полученные зависимости относительного прироста температуры при работе пульсатора и без него от времени позволили наглядно сравнить процессы роста температуры и получить значения угловых коэффициентов при этих двух режимах. Коэффициенты показывают: пульсирующий режим позволяет снижать рост температуры в 3,8 раза в первые 15 мин. на всех измеряемых точках ниши, что доказывает эффективность влияния предлагаемого метода. В последующий временной интервал во всех случаях была зафиксирована стабилизация температурных показателей, температура в нише без пульсатора и с включением пульсатора увеличивалась незначительно.

Эффективность пульсаций наблюдалась на расстоянии не менее чем трех диаметров (L = 3d) ниши в данных условиях. Было установлено, что при каждом включении пульсатора наблюдалась устойчивая картина роста турбулентного теплопереноса. Таким образом, можно утверждать, что данный метод может быть использован для управления тепловой нагрузкой на различном оборудовании и ряде технологических процессов.

Проведенные эксперименты дали возможность получить первичную информацию об эффективности воздействия описанного выше метода на тепломассоперенос, в дальнейшем работа будет продолжена, и эксперименты будут направлены на получение и анализ размерных и безразмерных характеристик турбулентного тепломассопереноса.