Modeling mass transfer processes in multicomponent capillary–porous bodies under mixed boundary conditions

Abstract

У роботі представлено фізико-математичну модель конвективного сушіння багатокомпонентного тіла капілярно-пористої структури з урахуванням динаміки волого-перенесення як на макро-, так і на мікрорівнях. Визнаючи вплив локальної структури матеріалу на процеси сушіння, зокрема у фазових перетвореннях, модель інтегрує континуально-термодинамічний підхід, започаткований Я. Бураком, Є. Чаплею та Б. Гайвась. Цей підхід стосується взаємопов’язаних механічних, теплових і дифузійних процесів, що відбуваються в гетерогенних, нерівноважних системах, де припущення про локальну термодинамічну рівновагу дозволяють описувати стан рівноваги за допомогою спряжених фізичних параметрів. Унікальний дворівневий підхід, застосовий при моделюванні, описує обмін вологи між окремим зерном і шаром зерна за граничних умов третього роду, що дозволяє реалістично моделювати процес сушіння шляхом прямого врахування фазових перетворень і впливу капілярної структури матеріалу. Представлена методологія дозволяє одночасно розв’язувати рівняння масопереносу для шару зерна та окремих зерен за змішаних граничних умов, що підтверджується чисельним експериментом. Результати показують чіткі закономірності розподілу вологи в зерновому шарі та всередині окремих зерен із змінами, залежними від швидкості сушильного агента. Новизна цього підходу полягає в одночасному розгляді перенесення вологи в області зернини та в шарі шару, що забезпечує детальну перспективу динаміки вологи. Ця модель має потенційне застосування для оптимізації промислових процесів сушіння капілярно-пористих матеріалів, підвищення ефективності та економічності.In this study, we present a physicomathematical model for convective drying of a multicomponent body of the capillary-porous structure, considering moisture transfer dynamics at both macro and micro levels. Recognizing the impact of the material’s local structure on drying processes, particularly in phase transformations, the model integrates the continuum-thermodynamic approach pioneered by Ya. Burak, Ye. Chaplya, and B. Gayvas. This approach addresses the interrelated mechanical, thermal, and diffusion processes occurring in heterogeneous, nonequilibrium systems, where local thermodynamic equilibrium assumptions allow equilibrium state descriptions by conjugate physical parameters. The unique dual-level approach captures moisture exchange between an individual grain and the grain bed, enabling realistic simulations of the drying process by directly accounting for phase transformations and material structure influences. The presented methodology allows simultaneous solving of mass transfer equations for the grain bed and individual grains, supported by numerical experimentation. The results reveal distinct moisture distribution patterns across the grain bed and within individual grains, with variations influenced by drying agent velocity. The novelty of this approach lies in its simultaneous treatment of grain-scale and bed-scale moisture transfer, providing a detailed perspective on moisture dynamics. This model has potential applications in optimizing industrial drying processes for capillary-porous materials, enhancing efficiency and cost effectiveness.