Математическое моделирование нестационарного нагрева куриного яйца при вынужденной конвекции

Аннотация

Температурный режим является ключевым фактором, определяющим успешность инкубации яиц сельскохозяйственной птицы. Отклонения от оптимальных параметров приводят к снижению выводимости и ухудшению жизнеспособности птенцов. Несмотря на наличие фундаментальных работ по теплообмену, недостаточно исследовано комплексное влияние гидродинамических и геометрических факторов на нестационарный теплообмен в условиях промышленной инкубации. Цель исследования – количественная оценка влияния скорости воздушного потока и геометрических размеров яйца на динамику его нагрева в инкубаторе. Исследование выполнено методом математического моделирования нестационарного теплообмена. Яйцо аппроксимировано сферическим телом, заполненным водой, с учётом 6 принятых допущений. Решение уравнения теплопроводности Фурье получено с граничными условиями 3-го рода. Параметрический анализ выполнен для диапазона диаметров яйца 37-41 мм и скоростей воздушного потока 0-2 м/с. Расчёт коэффициентов теплоотдачи и числа Био выполнен на основе эмпирических зависимостей. Установлено, что коэффициент конвективной теплоотдачи возрастает с 2,05 до 12,45 Вт/(м²·°C) при увеличении скорости потока от 0 до 2 м/с. Число Био находится в диапазоне 0,13-0,86, что соответствует переходному режиму теплообмена. Время достижения яйцом температуры 35°C варьируется от 45 до 70 мин. в зависимости от диаметра; разница между крайними значениями составляет 35%. Наиболее существенное сокращение времени прогрева (35-40%) достигается при увеличении скорости от 0 до 1,0 м/с. Рекомендуемая скорость воздушного потока для смешанной партии яиц диаметром 37-41 мм составляет 1,0 м/с, что обеспечивает баланс между интенсивностью теплообмена и энергетическими затратами. Полученные количественные зависимости могут быть использованы для инженерного проектирования энергоэффективных инкубационных систем.