Повышение эффективности таяния снежно-ледяной массы при комбинированном энергетическом воздействии микроволнового и ультразвукового полей

Проблема утилизации снежно-ледяной массы собранной с поверхности автомобильных дорог и городских улиц в зимний период времени является одной из наиболее приоритетных и актуальных задач городского хозяйства.

Некоторые из существующих установок для утилизации снежно-ледяной массы реализованы на основе применения одного вида воздействия, например, теплоэлектронагревателей [1], нагретой воды [3], сточных вод [4], жидкого или газообразного топлива [5], [6].

Наряду с вышеперечисленными источниками термонагрева, для ускорения процесса таяния, используется дополнительная интенсификация таяния снежно-ледяной массы. Например, в работе [2] осуществляется комбинированное воздействие горячего воздуха и инфракрасных интенсификаторов. В работе [7] в качестве источника тепла применяется нагретая вода, а в качестве дополнительного интенсификатора используется измельчитель-дробилка для предварительного измельчения снежно-ледяной массы. Известно также устройство [8], основанное на воздействии нагретой воды с использованием ультразвуковой интенсификации.

Недостатками снеготаялок [1]-[8] является низкая эффективность обработки при высоких энергозатратах, низкая экологическая безопас-

ность, сложность управления процессом таяния, необходимость использования большого количества воды для теплообмена.

Современные требования использования энергоэффективных и экологически безопасных систем проводят к поиску новых подходов для решения проблемы утилизации снежно-ледяной массы. Одним из наиболее эффективных способов таяния снежно-ледяной массы является энергетическая обработка микроволновым полем.

Микроволновая термообработка, благодаря ряду преимуществ таких, как возможность объемного нагрева при повышении равномерности распределения теплового поля, отсутствие вредных токсических выбросов в окружающую среду, отсутствие необходимости в использовании воды, в качестве теплоносителя, а также управление процессом нагрева дает значительные преимущества, над традиционными методами нагрева.

Работы [9],[10], посвящены математическому и физическому моделированию процесса микроволнового нагрева льда и 0,1 M NaCl в цилиндрических объемах. В работах [11,12], рассматривалось микроволновое таяние твердого слоя (льда) и жидкого слоя воды в волноводах прямоугольного сечения.

Вопросы микроволнового таяния с учетом трех фазовых состояний молекул воды: снега, льда и воды в виде слоев были рассмотрены в работе [13].

Для повышения эффективности процесса таяния снежно-ледяной массы предлагается осуществлять комбинированное энергетическое воздействие микроволнового и ультразвукового полей.

Под действием ультразвуковых колебаний в воде со снегом происходит процесс ультразвуковой кавитации, который позволяет ликвидировать основное термосопротивление между снегом и водой – пограничный слой. При кавитации происходит разрыв непосредственно пограничного слоя, благодаря чему происходит быстрая передача энергии от воды к снегу [8].

Целью настоящей работы является рассмотрение вопросов математического и физического моделирования процесса таяния снежно-ледяной массы под воздействием комбинированных энергетических полей микроволнового и ультразвукового диапазона длин волн.

Задачи исследования:

• 1)    Построение и исследование математической моделей процесса таяния снежно-ледяной массы под воздействием микроволнового поля и ультразвукового кавитирующего воздействия на межфазную границу;

• 2)    Экспериментальная верификация предлагаемых математических моделей.

• 2.    МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ТАЯНИЯ СНЕЖНО-ЛЕДЯНОЙ МАССЫ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ МИКРОВОЛНОВОГО ПОЛЯ

• 2.1.    Математическая модель процесса микроволнового нагрева воды в разных фазовых состояниях

И УЛЬТРАЗВУКОВОГО КАВИТИРУЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МЕЖФАЗНУЮ ГРАНИЦУ

Так как, микроволновый нагрев и ультразвуковая кавитация имеют различную природу влияния на воду в разных фазовых состояниях, что связано отличием частотного диапазона воздействия, то математические модели могут быть разделены и рассматриваться отдельно.

Рассматривается задача нагрева структуры из слоя воды и слоя снежно-ледяной массы находящейся в рабочей камере прямоугольной формы под воздействием электромагнитной волны модой TE 10 и частотой 2,45 ГГц. В исходном состоянии в рабочей камере таяния находится слой снежно-ледяной массы, под которым располагается вода, предварительно налитая до уровня водоотвода. Поэтому, по мере таяния слоя снежно-ледяной массы, образующаяся талая вода не накапливается в рабочей камере таяния, а отводится из нее.

Геометрия задачи представлена на рис. 1.

Допущения.

• 1)    Волна TE 10 , распространяющаяся по камере прямоугольной формы, не зависит от оси Y. Поэтому, электромагнитное поле принимается,

  

  Рис. 1. Геометрия задачи

  
  

как двухмерное, зависящее лишь от осей X, Z.

• 2)    Отсутствует поглощение микроволновой энергии воздухом внутри камеры.

• 3)    Стенки камеры вдоль оси Z являются абсолютно проводящими.

• 4)    Отсутствует влияние емкости образца на электромагнитное поле.

Граничные условия.

• 1)    Абсолютно проводящие стенки. Граничные условия на поверхностях боковых стенок камеры выглядят:

E h - 0, H n - 0 , (1) где n – нормальная и h – тангенциальная компоненты, соответственно.

• 2)    Граничные условия между воздухом и поверхностью исследуемого материала принимают вид:

E h - E h , H h - H h >           (2)

D n - D n , B n - B n ,             (3)

где ‘ обозначение одного из материалов.

• 3)    Поглощающие граничные условия. На нижней стенке камеры выполняются поглощающие условия:

  dE,

  
  

  dE,

  
  

  —y = + ^—y

  
  

  d t         d z

  
  
  
  

• 4)    Волна, излученная от магнетрона, представляется в виде следующих компонент:

  ^Ey ^- E yex. sin

  
  

  ^ x ^ ^sin ( 2 ^ ft ⁾ , V L x J

  
  
  
  

  E

  H -   yex .

  x    Z_H

  
  

sin ^ x sin ( 2 ^ ft ) , V L x )

где E yвх . – входная интенсивность электрического поля, L x – длина камеры вдоль оси X , X H – волновой импеданс.

• 5)    Исследуемый образец изолирован от окружающей среды:

K _A V _ 3 ^ ( R 3   R ⁰ ) _ R ³ - R ₀ ³

^V 3 ^ ( R m ax ^- R 03 )   ^R max ^- R ⁰

^= 0 , д n

6) Условие движения границы таяния. Движение границы между слоем находящимся в твердом состоянии и жидким слоем описывается с помощью формулы Стефана:

д Т тв.

д z

q Nz-X qгр.        ж.

^д z rp .

1 +

[

к xa

где R – средний радиус кавитационного пузырька, R 0 – радиус зародыша, R 0 – максимальное значение радиуса кавитационного пузырька (резонансный радиус), к которому он стремится в фазе разряжения.

При этом среднее во времени волновое сопротивление среды можно записать в виде:

Ркск P с ж кк жж

P^ кл

Рж

^P тв . ^Lme . ^S

тв .

д t

к

Г K

^ж J

Ж

,

дz гр.

где – скорость движения границы таяния, д t

L тв . – скрытая теплота плавления.

• 2.2.    Математическая модель ультразвукового кавитирующего воздействия

2.3.    Анализ задач моделирования

на межфазную границу

При кавитации происходит разрыв межфазной границы между снежно-ледяной массой и водой. Вследствие чего, осуществляется ускорение теплопередачи от источника нагрева – микроволнового электромагнитного поля к снежноледяной среде. Поэтому, необходимо определить оптимальную интенсивность ультразвукового излучения, при которой эффективность кавитационного воздействия будет максимальной при минимальных энергозатратах. При этом, решается задача создания максимального количества кавитационных пузырьков в обрабатываемой среде, способных запасти максимальное количество энергии и взорваться за один период колебания ультразвукового воздействия.

Для создания математической модели были использованы результаты исследований полученных в работе [14] в приложении к задаче кавитационного воздействия на пограничный слой между снежно-ледяной массой и водой.

Параметром, характеризующим эффективность кавитационного воздействия, является индекс кавитации, определяющийся как отношение объема кавитационных пузырьков Д V к объему жидкой среды V .

где c_к – скорость звука в кавитирующей жидкости, c_ж – скорость звука в сплошной жидкости, K – средний индекс кавитации.

В результате математического моделирования микроволнового нагрева воды в разных фазовых состояниях определялось распределение температурного поля в исследуемом образце, а также оценивались показатели энергопотребления, объема и времени таяния.

В результате математического моделирования ультразвукового кавитирующего воздействия на межфазную границу определялась оптимальная интенсивность ультразвукового излучения, при которой эффективность кавитационного воздействия максимальна при минимальных энергозатратах, а также оценивались показатели энергопотребления, объема и времени таяния.

• 3.    ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА КОМБИНИРОВАННОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО

ВОЗДЕЙСТВИЯ МИКРОВОЛНОВОГО НАГРЕВА И УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КАВИТАЦИИ НА ВОДУ В РАЗНЫХ ФАЗОВЫХ СОСТОЯНИЯХ

Экспериментальная верификация предложенных математических моделей таяния снежно-ледяной массы посредством комбинированной энергетической обработки физическими полями микроволнового и ультразвукового диапазонов длин волн проводилась в лабораторных условиях и осуществлялась с помощью специально разработанного лабораторного макета.

На рис. 2. изображена структурная схема ус-

Рис. 2. Структурная схема

Рис. 3. Лабораторный макет

тройства таяния снежно-ледяной массы на основе комбинированной энергетической обработки микроволновым и ультразвуковым полями.

1 – рабочая камера таяния; 2 – волновод; 3 – микроволновый генератор; 4 – блок управления микроволновым генератором; 5 – ультразвуковая колебательная система; 6 – ультразвуковой генератор; 7 – блок управления ультразвуковым генератором; 8 – система водоотвода; 9 – прибор учета активной электроэнергии; 10 – измеритель температуры; 11 – исследуемая среда из различных фаз воды.

На рис. 3. представлен лабораторный макет устройства, который состоит из следующих модулей и блоков:

1 – микроволновая печь LG MS-1947W, включающая микроволновый генератор 2 рабочей частотой 2,45 ГГц и выходной мощностью 700 Вт соединенный через волновод сечением 90 х 45 мм с микроволновой рабочей камерой 3, прямоугольной формы, габаритными размерами 280 х 270 х 210 мм; 4 – ультразвуковой электронный генератор УЗТА-0,2/22-ОМ рабочей частотой 22 кГц с пьезоэлектрической колебательной системой; 5 – система водоотвода; 6 – цифровые измерители температуры Mastech-M89 с термопарами; 7 – прибор учета активной электроэнергии СЭО-1.19.702.

4.    ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Электромагнитные и теплофизические параметры, используемые в вычислениях, приведены в табл. 1.

На рис.4 представлено температурное распределение в исследуемом образце в динамике процесса комбинированного воздействия микроволнового и ультразвукового полей. Видно, что с течением времени воздействия происходит повышение температуры в исследуемых слоях, а также уменьшение толщины снежно-ледяного слоя вследствие отведения талой воды из камеры таяния.

На рис. 5 показана зависимость энергии потребления от объема таяния снежно-ледяной массы. Сравним показатель энергопотребления в режиме комбинированной обработки с режимом микроволнового воздействия. В первом случае, при объеме таяния снежно-ледяной массы (0,006 м³ ) энергопотребление составило 142 Вт·ч, а во втором случае при таком же объеме таяния энергопотребление составило 124 Вт·ч. При этом, время таяния рассматриваемого объема в случае комбинированного воздействия – 345 с, а при микроволновом воздействии – 440 с (рис. 6).

Таким образом, если сравнить энергопотреб-

Таблица 1. Электромагнитные и теплофизические параметры

Параметры	Вода	Снежно-ледяная масса
X , Вт] ( м • K )	0,610	2,14
c p , Дж ( ккг • K )	4200	2100
р , кг/ м 3	1000	550
f , МГц	2450
р , Гн / м	4 л х 10 ^ 7
Е , Ф / М	8,854 х 10 12
E,В/м	7000

Рис. 4. Распределение температурного поля в исследуемом образце в процессе комбинированного воздействия

Рис. 5. Зависимость энергии потребления от объема таяния

ление необходимое для таяния равного объема снежно-ледяной массы (0,006 f ³ ) за равное время таяния (345 с), то в режиме комбинированного воздействия микроволнового и ультразвукового полей требуется энергия – 142 Вт·ч, а при воздействии микроволнового поля – 159 Вт·ч. Эффективность комбинированного воздействия выше на 10,7 %.

5.    ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в данной работе были разработаны математические модели, проведена их физическая верификация и достигнуто повышение эффективности процесса таяния снежно-ледяной массы посредством комбинированной энергетической обработки полями микроволнового и ультразвукового диапазона длин волн на 10,7% по сравнению с применением только микроволнового воздействия при равных объемах таяния и времени обработки.

Рис. 6. Зависимость объема таяния от времени воздействия