2

1

Как показали результаты этапа 2 (2021 год) и подтвердили результаты на данном этапе 3, допущение о пренебрежении термическим сопротивлением между гранулами адсорбента и газовым потоком, т.е. допущение о равновесном теплообмене между твердым пористым телом и газовым потоком, не приводит к существенным погрешностям и является обоснованным в двумерных моделях и трехмерной модели в программном пакете ANSYS Fluent. Это объясняется крайне развитой поверхностью гранул размером до 1.5 мм (и преимущественно до 1 мм), образующих исследуемые моноблоки. В задачах с более крупными гранулами требуется отдельное исследование обоснованности данного допущения. Поэтому критериальные уравнения теплообмена были определены только для одномерной модели. Структура данного уравнения была заложена еще по результатам исследований, проведенных на этапе 2.

3

Погрешность одномерной модели с разработанным критериальным уравнением (с подобранными коэффициентами в уравнении под марку и структуру адсорбента) составила в различных экспериментах от 2.7 до 4.3 К (ошибка прогнозной температуры относительно реальной в определенном сечении) при доверительной вероятности 95% в процессах с общим изменением температуры не менее чем на 40 градусов. Т.е. если ориентироваться на относительное изменение температуры, то ошибка составляла около 6-11%. Это хорошее соответствие значений с учетом того, что одномерные модели разрабатывались для решения сугубо прикладных задач. Трехмерная модель, несмотря на большое количество учитываемых факторов, что должно приводить к повышению точности прогнозирования, в пределе по сумме ошибок каждого допущения модели может приводить к суммарной погрешности до 25%. Однако за счет разнонаправленности вкладов погрешностей при проведении расчетов итоговая погрешность описания эксперимента существенно ниже – на уровне 5-10% (при этом некоторые допущения могут значительно исказить результаты).

В циркуляционных системах качество прогнозов выше (в целом, из-за более интенсивного перемешивания), но только в случае правильно подобранных коэффициентов сопротивления слоя и проницаемости, что ограничивает прикладное использование модели в отсутствие подобных данных. Погрешность в этом случае составляет обычно не более 2 К в простых структурах (с продольным отверстием) и 4 К в более сложной «торцевой» структуре из тонких моноблоков.

4

Были разработаны эмпирические модели терморегуляции адсорберов разной степени сложности.

5

6

Был проведен «контрольный» эксперимент с наиболее изученной структурой в форме цилиндрического моноблока с центральным отверстием. Эксперимент заключался в проведении изобарного процесса охлаждения от температуры 23.4 С до температуры минус 32 С за счет потока охлажденного газа до температур минус 36-38 С (температура немного поднялась в процессе эксперимента) при давлении 3.5 МПа (плюс-минус 0.05 МПа). Отличием от базовой структуры был другой наружный диаметр моноблоков (39.5-40.0 мм вместо 79-79.5 мм), вставляемых в специальную втулку-вытеснитель, занимающую часть пространства в адсорбере. Также отличались: диаметр центрального отверстия (5 мм вместо 4 и 7 мм), длина образца – 303 мм (вместо 500-550 мм в других экспериментах). Эксперимент показал адекватное соответствие математическим моделям (и одномерной, и трехмерной в программном комплексе ANSYS Fluent) при условии, что моноблоки из адсорбента AR-1 изготавливались по той же технологии, что и в предыдущих экспериментах.

Были сформированы рекомендации по применению разработанных математических моделей с размерностью от 0 до 3, а также упрощенной графической модели, удобной для решения прикладных задач.

7

8

Результаты проведенных исследований были опубликованы в журнале «Nanomaterials» (Q1) в режиме открытого доступа (Open Access) а также в журналах «Heat and Mass Transfer» (Q2), «Adsorption» (Q2), «Nanobiotechnology Reports» («Российские нанотехнологии», ранее «Nanotechnologies in Russia», Q4). Все упомянутые журналы индексируются Scopus и Web of Science (WoS). Также за авторством аспиранта МГТУ им. Н.Э. Баумана Шелякина И.Д., участника научного коллектива проекта, была опубликована статья в журнале РИНЦ и ВАК «Холодильная техника». Результаты были представлены в 3 докладах на 3 конференциях, включая 2 международные конференции.

Пример применения трехмерной модели

Были получены поля распределения температур для различных геометрий адсорбционного аккумулятора в момент достижения давления 50 бар в процессе терморегулируемой заправки. Наличие оребрения позволяет увеличить емкость аккумулирования на 6.6% для случая с перпендикулярным расположением ребер и на 12.2% для случая с продольным их расположением. Различие в приросте емкости аккумулирования для случаев с перпендикулярным и продольным оребрением объясняется отличием площади контакта основания ребра и трубки теплообменного аппарата (11 раз для продольных по отношению к перпендикулярным) – малоэффективный отвод теплоты с периферии перпендикулярных ребер к ТОА.