陳　威　葉　勇　上海海事大學(xué)商船學(xué)院

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多孔介質(zhì)粒徑對(duì)建筑結(jié)構(gòu)熱質(zhì)傳遞的影響

陳威葉勇上海海事大學(xué)商船學(xué)院

摘要：汲液式多孔層置于建筑結(jié)構(gòu)中，通過(guò)多孔材料的主動(dòng)吸水、被動(dòng)蒸發(fā)產(chǎn)生制冷效果,減少了外界的動(dòng)力消耗。應(yīng)用描述非飽和多孔介質(zhì)熱質(zhì)遷移的數(shù)學(xué)模型，在不同環(huán)境參數(shù)下,分析了床層粒徑對(duì)多孔床內(nèi)部非飽和場(chǎng)量的影響；以含濕砂石多孔床層為對(duì)象，實(shí)驗(yàn)研究了不同粒徑床層熱濕遷移環(huán)境因子特性。數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)相符合，所獲的結(jié)果可為含濕多孔填料床制冷性能的開(kāi)發(fā)和利用提供一定的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：多孔介質(zhì)；熱濕遷移；粒徑；環(huán)境因子

Key words: Porous Medium, Heat and Mass Transfer, Particle Size, Environmental Factor

Fund Item: National Natural Science Fund Project: ‘Research on Wet Porous Evaporation Cooling Wall Layer Heat Transfer and Interface Migration Mechanism’ （51276107）, Shanghai Education Commission Innovation Science Research Topic（14ZZ142）, Transportation Ministry Application Basic Project（2013319810150）

含濕多孔填料床安裝于建筑物墻體結(jié)構(gòu),通過(guò)床層內(nèi)水分的不斷蒸發(fā)帶走室內(nèi)熱量，無(wú)需消耗電能, 只要補(bǔ)充一定量的水分, 既節(jié)省了能源又起到一定的空調(diào)作用,具有廣泛的應(yīng)用前景, 特別是在我國(guó)廣大的華北、西北農(nóng)村地區(qū),具有更好的推廣價(jià)值。

沙土多孔層內(nèi)熱濕遷移可以分為水氣遷移和熱遷移。在含濕多孔層中，水按照其形態(tài)可以分為吸附水、毛細(xì)水和重力水。沙土顆粒具有較大的表面積，因此吸附力很強(qiáng)，周圍的水蒸汽分子將被吸附在其表面。當(dāng)沙土中水分含量超過(guò)吸附水極限，沙土顆粒將吸附周圍的液態(tài)水分子，并逐漸形成具有遷移特性的連續(xù)水膜；超過(guò)膜態(tài)水臨界值，水分將填充在沙土顆粒間的空隙中，形成毛細(xì)水；若水分繼續(xù)增加，最終將形成重力水，即水分移動(dòng)由重力控制[1-2]。沙土多孔層中氣體主要由水蒸汽和空氣組成，氣體的擴(kuò)散遵循表面擴(kuò)散、連續(xù)擴(kuò)散、克努森擴(kuò)散、何粘性流。對(duì)于沙土內(nèi)的熱遷移主要考慮熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、相變換熱等3種形式。

本文應(yīng)用描述非飽和多孔介質(zhì)熱質(zhì)遷移的數(shù)學(xué)模型，在不同環(huán)境參數(shù)下,分析了床層粒徑對(duì)多孔床內(nèi)部非飽和場(chǎng)量的影響；以含濕砂石多孔床層為對(duì)象，實(shí)驗(yàn)研究了不同粒徑床層熱濕遷移環(huán)境因子特性；并將數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較。

1　汲液式含濕多孔層結(jié)構(gòu)

圖1為本文研究的圓柱形細(xì)沙床,圓柱形容器高為250 mm,半徑為90 mm。細(xì)沙床容器為聚乙烯塑料,容器上部與環(huán)境直接接觸,底部開(kāi)有排水槽,外部使用保溫棉進(jìn)行保溫。容器內(nèi)放置潤(rùn)濕并壓實(shí)的細(xì)沙,使用該裝置對(duì)細(xì)沙床保溫并且底部供水。

圖1　圓柱形細(xì)沙床的實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所使用細(xì)沙顆粒直徑為0～1 mm。分別取0.5～1 mm，0.2～0.5 mm，0～0.2 mm粒徑的細(xì)沙，孔隙率分別為0.40，0.38，0.37。

2　含濕多孔層熱質(zhì)特性的試驗(yàn)研究

本實(shí)驗(yàn)測(cè)量在自然環(huán)境下細(xì)沙內(nèi)部濕熱遷移的狀況，測(cè)量了細(xì)沙的顆粒直徑、細(xì)沙在容器內(nèi)的孔隙率，及在不同粒徑下細(xì)沙內(nèi)部溫濕遷移。取量程 0～100%和精度±1%的水分測(cè)試儀，范圍為-100～220 ℃和精度為0.5 ℃的T型熱電偶，以及量程5%～98% RH和精度0.1% RH相對(duì)濕度儀，測(cè)量含濕多孔層和環(huán)境溫濕度。

在室外環(huán)境條件下，將砂石充分潤(rùn)濕后置于如圖1所示圓柱形容器中。分別測(cè)試距底部3.5cm、7.5 cm、11.5 cm等3處含濕多孔層的濕度和溫度。每次實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間約為4 d，實(shí)驗(yàn)從7月16日持續(xù)至8月5日，在此期間不間斷的監(jiān)測(cè)環(huán)境相對(duì)濕度、各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度、各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水分含量。

3　含濕多孔介質(zhì)層熱質(zhì)遷移數(shù)學(xué)模型

針對(duì)本實(shí)驗(yàn)含濕多孔介質(zhì)層，沿豎直方向建立描述其熱濕遷移過(guò)程的一維數(shù)學(xué)模型。假設(shè):（1）多孔介質(zhì)由各向同性且均勻的顆粒組成，固體骨架不會(huì)變形；（2）多孔介質(zhì)孔隙內(nèi)的氣體為連續(xù)氣體；（3）多孔介質(zhì)孔隙內(nèi)各相局部達(dá)到熱力學(xué)平衡。

在濕潤(rùn)的多孔介質(zhì)材料中液相飽和度s，為多孔介質(zhì)孔隙內(nèi)液體所占體積與孔隙總體積的比值?？紫秲?nèi)僅有液相的區(qū)域時(shí)飽和度s≡1，孔隙內(nèi)僅有氣相時(shí)飽和度s≡0，在氣液兩相區(qū)域內(nèi)0＜s ＜1。在所汽液兩相區(qū)域內(nèi)，如在高度為z時(shí)，在這個(gè)位置汽液質(zhì)量守恒為[3]：

（1）連續(xù)性方程

（2）動(dòng)量方程

式中ρ、u、p分別為密度,達(dá)西速度和壓力；下標(biāo)l、v 分別表示液體和氣體；m.表示相變速率；κ為多孔介質(zhì)材料的滲透率；κrl、κrv分別表示液相和氣相的相對(duì)滲透率，可分別由式（5）和式（6）確定。

在氣液兩相區(qū)域，溫度和蒸汽飽和壓力存在以下關(guān)系：

式中a，b均為常數(shù)，T為溫度。

毛細(xì)壓力可以表示為[3]：

根據(jù)Leverett公式[3]可知，在氣液兩相區(qū)域內(nèi)，毛細(xì)壓力可以表示為：

式中σ表示液相的表面張力，ε表示多孔介質(zhì)材料的孔隙率。

在氣液兩相區(qū)內(nèi)假設(shè)氣體的壓力符合理想氣體定律：

式中R和M分別表示為通用氣體常數(shù)和液相物質(zhì)的摩爾質(zhì)量。

由式（7）和式（11）可得蒸汽密度是隨著蒸汽溫度變化：

（3）能量方程：

式中，下標(biāo)s表示固相；c，γ分別表示比熱容和汽化潛熱。

由含濕多孔層表面的熱平衡和濕遷移分析，得出系統(tǒng)的各邊界條件。

（1）含濕多孔介質(zhì)外表面：

（2）含濕多孔介質(zhì)底部：

式中，hm，ho分別表示含濕多孔介質(zhì)層外表面蒸汽傳質(zhì)系數(shù)和室外空氣對(duì)流傳熱系數(shù)；Tao，Tsky分別表示室外環(huán)境氣溫和天空輻射；Gsun，Vwind分別表示太陽(yáng)輻射和室外風(fēng)速；ρvs，分別表示含濕多孔層外表面水蒸氣密度和室外空氣中飽和水蒸汽密度；φ室外空氣相對(duì)濕度；ZL多孔介質(zhì)層厚度；α，η，σ分別表示多孔介質(zhì)外表對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率、黑度和波耳茲曼常數(shù)。

（4）氣象條件：

4　結(jié)果與討論

4.1粒徑對(duì)多孔介質(zhì)內(nèi)含水率影響數(shù)值分析

圖2～圖3為孔隙率為0.389，深度為12 cm時(shí)，不同顆粒直徑時(shí)含水量隨時(shí)間變化的曲線。從圖中可以顆粒直徑越大含水量越低，且幅值變化越大，這是因?yàn)樵诳紫堵室欢〞r(shí)滲透率與顆粒直徑的平方成正比關(guān)系，可得毛細(xì)力與顆粒直徑成反比關(guān)系，顆粒直徑越大，毛細(xì)力越小。含水率與毛細(xì)力、重力、阻力以及蒸發(fā)量相關(guān)，所以當(dāng)蒸發(fā)量隨時(shí)間變化時(shí)，顆粒直徑較大的多孔介質(zhì)的含水率隨時(shí)間變化幅度較大。

圖2　細(xì)沙顆粒直徑對(duì)多孔介質(zhì)含水率的影響

圖3　孔隙率對(duì)多孔介質(zhì)含水率的影響

4.2粒徑對(duì)多孔介質(zhì)內(nèi)含水率影響實(shí)驗(yàn)分析

粒徑為0.5～1.0 mm時(shí)，該組實(shí)驗(yàn)是從7月16日17:00開(kāi)始測(cè)量，持續(xù)到7月20日18:00。粒徑為0.2～0.5 mm時(shí)，該組實(shí)驗(yàn)是從7月26日7:00開(kāi)始測(cè)量，持續(xù)到7月30日8:00。粒徑為0～0.5 mm時(shí)，該組實(shí)驗(yàn)是從7月31日13:00開(kāi)始測(cè)量，持續(xù)到8月4日19:00。

圖4表示距細(xì)沙床頂部11.5 cm、7.5 cm和3.5 cm深處沙土內(nèi)部含水量隨時(shí)間的變化曲線。從圖4可知不同粒徑時(shí)，測(cè)點(diǎn)越深，水分含量越大。砂石含濕多孔床內(nèi)各觀測(cè)點(diǎn)水分白天下降，晚上回升到初始含量。多孔介質(zhì)內(nèi)部含水率呈周期性變化。這是由于在白天蒸發(fā)量較大時(shí)含水率下降，晚上蒸發(fā)量較小時(shí)含水率上升。

從圖4比較可得，砂石含濕多孔床顆粒直徑影響著細(xì)沙床內(nèi)含水率的變化。顆粒直徑越小含水率變化的幅度越大。顆粒直徑越小，最終液位會(huì)上升到一個(gè)較高的位置。砂石含濕多孔床的孔隙率影響著細(xì)沙床內(nèi)含水率的變化?？紫堵试叫『首兓仍酱?。這是由于顆粒直徑越小，毛細(xì)力越大，毛細(xì)抽吸作用越明顯，因此液位上升較高。

4.3粒徑對(duì)多孔介質(zhì)內(nèi)溫度影響實(shí)驗(yàn)分析

圖5表示距細(xì)沙床頂部11.5 cm、7.5 cm和3.5cm深處沙土內(nèi)部含水量隨時(shí)間的變化曲線。從圖5可知實(shí)驗(yàn)設(shè)置測(cè)量點(diǎn)均檢測(cè)到溫度隨環(huán)境變化明顯，隨著環(huán)境溫度變化的趨勢(shì)而變化?？梢钥闯鰷y(cè)點(diǎn)越上，溫度變化幅度越大，這是由于上方測(cè)點(diǎn)更靠近大氣環(huán)境，更受環(huán)境影響，因此波動(dòng)越大。

圖4　不同粒徑的測(cè)點(diǎn)水分

圖5　不同粒徑的測(cè)點(diǎn)溫度

從圖5比較可得，砂石含濕多孔床顆粒直徑影響著細(xì)沙床內(nèi)溫度的變化。隨著孔隙率的減小，溫度波動(dòng)幅度就越小大。因其孔隙率較小，導(dǎo)熱系數(shù)就大。導(dǎo)熱系數(shù)越大，溫度升的就越快，導(dǎo)熱系數(shù)低的，升溫就比較慢，降溫也是如此。

4.4環(huán)境溫濕度

圖6　不同粒徑時(shí)的環(huán)境溫濕度

圖6表示為環(huán)境溫濕度隨時(shí)間的變化情況。境溫度達(dá)到最大值時(shí)處于11:00至13:00之間。圖6可以看出環(huán)境溫度與細(xì)沙床內(nèi)每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)處溫度的峰值均不是同時(shí)達(dá)到，這是因?yàn)樵诎滋炖锛?xì)沙內(nèi)熱量傳遞中，導(dǎo)熱是其重要因素。實(shí)驗(yàn)期間白天時(shí)相對(duì)濕度比夜晚時(shí)相對(duì)濕度要小。由于外部環(huán)境周期性變化，在白天太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，環(huán)境溫度都比夜晚大，而環(huán)境濕度又相對(duì)較小，從而使得白天時(shí)細(xì)沙床表面水分的蒸發(fā)量比晚上大。

5　結(jié)語(yǔ)

以裝有砂石的圓柱形容器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究了保溫供水情況下，不同粒徑砂石床內(nèi)部水分和溫度變化可見(jiàn)：砂石含濕多孔床內(nèi)各觀測(cè)點(diǎn)水分白天下降，晚上回升到初始含量。多孔介質(zhì)內(nèi)部含水率呈周期性變化。在白天蒸發(fā)量較大時(shí)含水率下降，晚上蒸發(fā)量較小時(shí)含水率上升。砂石含濕多孔床顆粒直徑影響著細(xì)沙床內(nèi)含水率的變化。顆粒直徑越小含水率變化的幅度越大。顆粒直徑越小，最終液位會(huì)上升到一個(gè)較高的位置。砂石含濕多孔床的孔隙率影響著細(xì)沙床內(nèi)含水率的變化?？紫堵试叫『首兓仍酱蟆?/p>

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Porous Medium Particle Size’s
Impact on Building Structure Heat and Mass Transfer

Chen Wei, Ye Yong
Shanghai Maritime University Merchant Marine Academy

Abstract:Liquid sucking type porous medium is located inside building structure to produce cooling effect and reduce outside power consumption through porous medium materials’ active water sucking and passive evaporation. The article applies and describes mathematical model of unsaturated porous medium heat and mass transfer under different environment parameters. It analyzes bed size’s impact on porous bed internal unsaturated field. Based on wet sand porous bed as object, experimental has study on different bed particle size heat and mass transfer environmental factors characteristics. Numerical analysis are consistent with experiment result. It puts forward guidance and reference to cooling performance development and utilization of wet porous packed bed.

DOI:10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.02.004

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“含濕多孔蒸發(fā)制冷墻體分層傳熱及界面遷移機(jī)理研究”（51276107）；上海市教委創(chuàng)新科研課題（14ZZ142）；交通部應(yīng)用基礎(chǔ)項(xiàng)目（2013319810150）資助