Введение к работе
Актуальность работы. Применение нетрадиционных источников энергии для целей теплоснабжения жилых, общественных и производственных зданий обусловливает потребность в эффективных аккумуляторах теплоты, наиболее перспективными из которых являются аккумуляторы, в которых используется эффект фазовых переходов плавления и затвердевания. В связи с такой потребностью одной из актуальных научно-технических задач в настоящее время следует считать разработку алгоритмов и методик расчета аккумуляторов указанного типа, что может быть выполнено на основе адекватной математической модели тепломассопереноса в теплоаккумулирую- щем материале (ТАМе).
Теоретическое описание проблемы весьма затруднительно, т.к. сводится к многомерной нелинейной задаче Стефана, осложненной конвекцией в жидкой фазе. Несмотря на многочисленные попытки аналитического и численного её решения, полученные результаты (см. работы А. А. Самарского, Э. М. Карташова, О. Н. Шабловского и др.) и в настоящее время, и в обозримом будущем малополезны для реального проектирования натурных объектов. В связи с этим проводятся достаточно интенсивные исследования по разработке упрощенных математических моделей теплового состояния фазо- переходных аккумуляторов теплоты как в научных центрах, так и лабораториях корпораций различных стран. Однако предложенные в настоящее время модели обладают рядом ограничений и носят оценочный характер, в связи с чем необходимо проведение дальнейших исследований по рассматриваемым направлениям.
Цель работы - разработка аккумуляторов теплоты на фазовом переходе, используемых в системах теплоснабжения зданий и сооружений.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
разработка физико-математической модели теплового режима разрядки фазопереходного аккумулятора на основе квазистационарного приближения двумерной задачи движения границы фазового перехода при затвердевании в полом цилиндре конечной длины;
опытная проверка предлагаемой модели для процесса разрядки фа- зопереходного аккумулятора путем измерения температуры теплоносителя на выходе экспериментальной теплоаккумулирующей ячейки (рабочее тело - парафин) и сравнения с расчетными данными;
разработка на основе сформулированной и подтвержденной экспериментально модели алгоритма и методики расчета безразмерных параметров теплонакопителя на фазовом переходе, позволяющих реализацию проектировочного расчета натурных объектов;
разработка физико-математической модели и алгоритма расчета теплового режима зарядки фазопереходного аккумулятора для оценки параметров теплоносителя (расход и температура) при нагреве и плавлении ТАМа;
- анализ эффективности аккумулятора теплоты на фазовом переходе с использованием разработанного расчетного аппарата.
Научная новизна:
-
-
Разработана новая физико-математическая модель разрядки аккумулятора теплоты, состоящая из нестационарного уравнения баланса теплосодержания (энтальпии) ТАМа и квазистационарных уравнений теплового баланса и теплопередачи теплоаккумулирующей ячейки в виде полого цилиндра конечной длины и содержащая безразмерные критерии и переменные. Модель позволяет определить относительную массу твёрдой фазы ТАМа в зависимости от времени, оценить время разрядки аккумулятора теплоты и выходную температуру теплоносителя;
-
Разработана новая физико-математическая модель зарядки аккумулятора теплоты, основанная на квазистационарности поля температур жидкой фазы. Отвод теплоты нерасплавленной частью ТАМа учитывается решением задачи о нагреве полого цилиндра при постоянной температуре на неподвижной внутренней поверхности. Модель позволяет определить время зарядки аккумулятора, спроектированного по условиям разрядки и выполнить его поверочный расчет;
-
Разработаны алгоритм и методика расчета безразмерных параметров аккумулятора (относительного радиуса теплоаккумулирующей ячейки и режимного параметра), знание которых позволяет рассчитать массу теплоакку- мулирующего материала и размеры аккумулятора;
-
Выполнен анализ влияния температуры теплоносителя на входе, продолжительности разрядки и критерия Коссовича на массогабаритные характеристики и стоимость аккумулятора теплоты (на примере парафинового аккумулятора);
-
Выполнена оптимизация массогабаритных характеристик аккумулятора теплоты на фазовом переходе и разработана новая конструкция аккумулятора без общего корпуса с помощью предложенного расчетного аппарата;
-
Установлено, что применение аккумуляторов теплоты в системах теплоснабжения обеспечивает сокращение выбросов парниковых газов при работе источников тепла (на органическом топливе), у которых при изменении тепловой нагрузки произведение квадрата объемной концентрации СО2 в уходящих газах на их массовый расход увеличивается нелинейно, причем указанная зависимость является выпуклой; предложено решение по включению аккумулятора теплоты в схему децентрализованной системы теплоснабжения.
Достоверность результатов. Теоретическая часть работы базируется на фундаментальных законах тепломассообмена и общепринятых методах феноменологической теории теплопроводности. Адекватность математиче- ской модели реальному процессу оценивалась сопоставлением расчетных данных с экспериментальными.
Практическая значимость. Разработаны новый подход описания теплового состояния аккумулятора теплоты и инженерная методика расчета реальных устройств, что позволяет эффективнее решать вопросы практической реализации энерго- и ресурсосберегающих технологий. Разработанная методика инженерно-проектировочного расчета аккумуляторов теплоты используется в дипломном проектировании студентов кафедры «Теплогазо- снабжение и вентиляция» ЮЗГУ.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Биосферосовместимые технологии в развитии регионов» (Курск, 2011 г.), на IV академических чтениях, посвященных памяти академика Г. Л. Осипова, «Актуальные вопросы строительной физики - энергосбережение, надежность, экологическая безопасность» (Москва, 2012 г.).
На защиту выносятся:
математическая модель описания теплового состояния аккумуляторов теплоты кожухотрубного типа с теплоаккумулирующим веществом, претерпевающим фазовый переход «плавление-затвердевание»;
полученные опытным путем значения температуры теплоносителя на выходе из теплоаккумулирующей ячейки, заполненной парафином, и их сравнение с результатами расчета по предлагаемой модели;
алгоритм и методика расчета аккумулятора теплоты;
результаты анализа эффективности аккумулятора теплоты и возможных способов её повышения с помощью разработанного расчетного аппарата;
конструкция бескорпусного аккумулятора теплоты;
условия экологической целесообразности применения аккумуляторов теплоты в системах теплопотребления и возможное схемное решения.
Публикации. Основные результаты работы были опубликованы в 8 научных статьях общим объёмом 41 страница. Семь работ опубликованы в изданиях, включённых в перечень ВАК ведущих рецензируемых журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации: «Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура», «Известия Юго-Западного государственного университета», «Жилищное строительство».
В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работах [1, 2, 4] предложена математическая модель разрядки аккумулятора тепла и выделены основные факторы, определяющие длительность процесса и поведение температуры теплоносителя на выходе из аккумулятора; в работе [3] предложена математическая модель процесса зарядки аккумулятора; в работах [5-6] предложены
алгоритм и методика расчета аккумулятора; в работе [7] предложен способ повышения эффективности аккумулятора, позволяющий снизить его массо- габаритные характеристики.Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 84 наименований и приложений. Работа изложена на 196 страницах основного машинописного текста, содержит 47 рисунков и 16 таблиц.
Похожие диссертации на Разработка аккумуляторов теплоты на фазовом переходе для систем теплоснабжения
-
