Материал: Разработка аккумуляторов теплоты на фазовом переходе для систем теплоснабжения. Умеренков Е.В., Котенко Э.В

Е. В. Умеренков, Э. В. Котенко // Известия Юго-Западного гос. ун-та. - 2012. -

№4-2 (43). - С. 211-216.

7.Умеренков, Е.В. Секционирование кожухотрубного аккумулятора тепла на фазовом переходе как способ повышения его эффективности / Е. В. Умеренков, Э. В. Котенко // Известия Юго-Западного гос. ун-та. Сер.: Техника и технологии. - 2012. - № 2, ч. 2. - С. 39-43.

Публикации в других изданиях

8. Умеренков, Е.В. Решение задачи отвода теплоты от затвердевающего теплоаккумулирующего материала (ТАМа)/ Н. С. Кобелев, Э. В. Котенко, Е. В. Умеренков // Известия Курского гос. техн. ун-та. - 2010. - № 1 (30). - С. 77-80.

Умеренков Евгений Валерьевич

РАЗРАБОТКА АККУМУЛЯТОРОВ ТЕПЛОТЫ НА ФАЗОВОМ ПЕРЕХОДЕ ДЛЯ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 18.12.2012. Формат 60×84 1/16 Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ № ___.

Юго-Западный государственный университет 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, д. 94

На правах рукописи

УМЕРЕНКОВ ЕВГЕНИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА АККУМУЛЯТОРОВ ТЕПЛОТЫ НА ФАЗОВОМ ПЕРЕХОДЕ ДЛЯ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.23.03 – Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курск – 2012

Рис. 5. Принципиальная схема децентрализованного теплоснабжения

саккумулированием теплоты:

1– котел; 4, 5 – аккумуляторы теплоты; 6 – система отопления; 9 – циркуляционный насос; 10 – расходный бакгорячего водоснабжения; 11 – подкачивающий насос;

2′ и 2″, 3′ и 3″, 7′ и 7″, 8, 12, 13′ и 13″, 14′ и 14″, 15 – запорно-регулирующая арматура

ВЫВОДЫ

1.Предложенная на основе ряда физически допустимых упрощающих предпосылок, в том числе о квазистационарности процесса затвердевания, математическая модель теплового режима аккумулятора теплоты на фазовом переходе кожухотрубного типа позволяет отказаться от решения двумерной задачи Стефана и определить относительную массу твёрдой фазы системы в зависимости от времени и выходную температуру теплоносителя.

2.Проведенное экспериментальное исследование подтверждает адекватность предлагаемой модели, что позволяет использовать данную модель для разработки алгоритма и методики теплового расчета аккумуляторов.

3.Предложенная модель использована для разработки алгоритма и методики теплового расчета аккумуляторов теплоты. Суть методики состоит в определении безразмерных параметров (относительного радиуса теплоаккумулирующей ячейки r2 и режимного параметра ω), наличие которых позволяет рассчитать конкретные конструктивные характеристики как отдельной ячейки, так и аккумулятора в целом.

14

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 теплоаккумулирующем 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 фазопереходных 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 фазопереходного 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

3

Помимо изложенного, в четвертой главе диссертации рассмотрен учет переменности расхода охлаждающей жидкости при расчете параметров аккумулятора, что может иметь место, например, при его установке в системе горячего водоснабжения, когда зависимость расхода от времени определяется суточным графиком водопотребления, а также поверочный расчет аккумулятора по условиям зарядки.

Пятая глава диссертации посвящена анализу влияния различных факторов на массогабаритные и стоимостные характеристики аккумуляторов теплоты; рассмотрены варианты их улучшения, что иллюстрируется конкретными расчетными примерами. В частности, показано, что секционирование аккумулятора (рис. 3) (для расчета многоступенчатого аккумулятора уравнение (2) модифицировано для переменной входной температуры теплоносителя t1(τ)) заметно снижает потребную (полезную) массу ТАМа, но малоэффективно в отношении высоты теплоаккумулирующих ячеек. В связи с этим с целью уменьшения вертикальных размеров аккумулятора, а также исключения балластной части ТАМа предлагается конструкция аккумулятора без общего корпуса (рис. 4). При этом каждая ячейка имеет индивидуальный теплоизолированный кожух с внутренним радиусом R2, а применение гнутых вставок позволяет сократить вертикальный габарит ячейки (при сохранении длины).

Рис. 3. К задаче разрядки двухсекционного аккумулятора:

--- – обвязка секций при зарядке АТ

Другой немаловажной проблемой использования аккумулятора является существенное падение выходной температуры t2 на начальном этапе

12

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 «Теплогазоснабжение 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».

Встатьях, 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

5

расчетные (линии) значения θ2(Fo) для двух значений расхода воды (параметра ω) приведены на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость относительной выходной температуры от числа Fo

Как следует из рисунка, можно констатировать очевидное соответствие теоретических и экспериментальных данных. Максимальное различие тех и других не превышает 5–7 процентов, что является более чем удовлетворительным результатом.

Проведенное экспериментальное исследование подтверждает адекватность описанной в главе 2 модели, что позволяет использовать данную модель для разработки методики теплового расчета аккумуляторов теплоты на фазовом переходе кожухотрубного типа, чему и посвящена четвертая глава настоящей работы.

Наиболее типичным вариантом теплового расчета является определение массы ТАМа, поверхности нагрева и соответствующих конструктивных параметров устройства при заданной минимальной температуре теплоносителя на выходе из аккумулятора t2min и желаемом времени разрядки τр ≥ τmin. Известными при этом являются также расход охлаждающей жидкости G, её входная температура t1, а также теплофизические характеристики теплоносителя и теплоаккумулирующего материала, включая температуру фазового перехода Тф. Наличие указанных параметров позволяет определить безразмерные величины Θ2min и Foр, соответствующие окончанию процесса затвердевания ТАМа (минимальная температура теплоносителя, максимальная продолжительность), т.е. mт = 1.

10

диуса R1 ,а остальной объем – расплавленным ТАМом. В начальный момент времени в канал поступает теплоноситель, входная температура которого t1 ниже температуры фазового перехода. Отвод тепла от затвердевающего ТАМа осуществляется только теплоносителем, так как наружная (R = R2) и торцевые поверхности цилиндра теплоизолированы. Термическими сопротивлениями поверхности теплообмена и пристенного слоя теплоносителя пренебрегаем, полагая, что его температура в любой точке по высоте канала равна минимальной (в данном сечении) температуре твердой фазы ТАМа.

Задача, схема которой описана выше, состоит в установлении временного хода температуры теплоносителя на выходе из канала t2(τ). Для её решения используем допущение о квазистационарности теплового состояния ФПАТ. При этом полагаем также:

1. Сечению, в котором радиус твердой фазы равен среднему Rф соот-

ветствуют средние температуры теплоносителя t (по высоте канала) и твёрдой фазы ТАМа, а также средняя линейная плотность теплового потока;

2.Распределение температуры твердой фазы по радиусу в сечении по п. 1 соответствует одномерному и стационарному;

3.Разность температур Тф t интерпретируем как среднелогарифми-

ческий температурный напор; 4. Течение теплоносителя квазистационарное.

Наличие вышеуказанных допущений позволяет установить интересующую нас взаимосвязь переменных Тт и Мт, а также выразить тепловой поток qF через Мт. После ряда преобразований получаем

1 r2 1F(mт ) ,

4 r2 1

где Foт – число Фурье, определяемое по теплофизическим характеристикам твердой фазы:

mт = Mт / М – относительная масса твердой фазы (М – масса цилиндра в твердом состоянии); ω – режимный параметр единичной ячейки аккумулятора:

2 т Н R1 ; c G R2 R1

7

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «ЮгоЗападный государственный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кобелев Николай Сергеевич

Официальные оппоненты: Попов Виктор Михайлович доктор технических наук, профессор, Воронежская государственная лесотехническая академия / кафедра электротехники,

теплотехники и гидравлики, заведующий

Петрикеева Наталья Александровна

кандидат технических наук, доцент Воронежский государственный архитектурно-строительный университет / кафедра теплогазоснабжения и нефтегазового дела, доцент

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

Защита состоится 7 февраля 2013 г. в 1300 час. на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурностроительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октяб-

ря, 84, ауд. 3220; тел. / факс: (473)271-53-21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Автореферат размещен на официальном сайте Минобрнауки РФ и на официальном сайте Воронежского ГАСУ.

Автореферат разослан 19 декабря 2012 г.

4.Разработаны физико-математическая модель и алгоритм расчета теплового режима зарядки аккумулятора теплоты для оценки параметров теплоносителя (расхода и температуры) и определения времени зарядки.

5.Выполнен анализ эффективности аккумулятора теплоты с использованием разработанного расчетного аппарата. Установлено (на конкретном численном примере), что секционирование аккумулятора уменьшает необходимую массу ТАМа на 10-15 %. Предложена конструкция бескорпусного аккумулятора теплоты, что позволило сократить вертикальные размеры аккумулятора за счет использования для теполоаккумулирующих ячеек гнутых вставок. Повышение конечной выходной температуры t2р возможно за счет применения материала с оптимальным значением критерия Коссовича.

6.Определены условия экологической целесообразности применения аккумуляторов теплоты в системах теплопотребления и предложено возможное схемное решение.

Основныерезультаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, входящих в Перечень ВАК

1.Умеренков, Е.В. Моделирование процесса разрядки фазопереходного аккумулятора теплоты кожухотрубного типа / Е. В. Умеренков, Э. В. Котенко // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. - 2011. - № 1 (21). – С. 34-39.

2.Умеренков, Е.В. К расчету характеристик кожухотрубного аккумулятора тепла на фазовом переходе / Н. С. Кобелев, Э. В. Котенко, Е. В. Умеренков // Известия Юго-Западного гос. ун-та. - 2011. - № 5-2 (38). - С. 331334.

3.Умеренков, Е.В. Моделирование режима зарядки аккумулятора теплоты на фазовом переходе/ Е. В. Умеренков, Э. В. Котенко // Известия ЮгоЗападного гос. ун-та. - 2011. - № 5-2 (38). - С. 348-350.

4.Умеренков, Е.В. Моделирование процесса затвердевания теплоаккумулирующего материала / Е. В. Умеренков, Э. В. Котенко // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. - 2012. - № 1 (25). – С. 41-49.

5.Умеренков, Е.В. Методика теплового расчета фазопереходного аккумулятора теплоты кожухотрубного типа / А. М. Крыгина, Э. В. Котенко, Е. В. Умеренков // Жилищное строительство. - 2012. - № 8 - С. 38-41.

6.Умеренков, Е.В. Тепловой расчет кожухотрубного аккумулятора тепла на фазовом переходе на основе квазистационарного приближения /

15