автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Автономная система солнечного отопления и горячего водоснабжения с использованием аккумулирования на основе веществ с фазовым переходом

На правах рукописи

ТИМАКОВА ОЛЬГА ВИКТОРОВНА

АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА СОЛНЕЧНОГО ОТОПЛЕНИЯ И ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АККУМУЛИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ВЕЩЕСТВ С ФАЗОВЫМ

ПЕРЕХОДОМ

Специальность 05.14.04- Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2006

Работа выполнена на кафедре Промышленных теплоэнергетических систем Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Мотулевич Владислав Павлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Алексеев Владимир Антонович

доктор технических наук, профессор Сергиевский Эдуард Дмитриевич

Ведущая организация РАО «ЕЭС России» ОАО «Энергетический

институт им. Г.М. Кржижановского»

Защита диссертации состоится «/£ ? 2006 г. В//:^на заседании

диссертационного совета Д 212.157.10 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: Москва, Красноказарменая ул., д. 17, аудитория Г-406.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан • 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Кулешов Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время все острее встает проблема ограниченности топливных природных ресурсов для целей энергоснабжения. Запасов природных ископаемых хватит по разным подсчетам на 50- 100 лет. Кроме того, усиливается опасность вредного воздействия продуктов сгорания органических топлив на состав атмосферы, приводящая к увеличению в ней С02, вызывающего парниковый эффект. С каждым годом в мире все шире развивается нетрадиционная энергетика с возобновляемыми источниками энергии. Эти источники в принципе могут обеспечить человечество экологически приемлемой энергией в количестве, намного превышающем наши потребности. На сегодняшний день система солнечного отопления, состоящая из ряда элементов, включающих солнечный коллектор, достаточно хорошо изучена. Наиболее слабое место этой системы- это аккумулятор теплоты, а аккумуляторы с использованием теплоты фазового перехода практически не изучены. В настоящей диссертаций основное внимание уделяется исследованию аккумулирующих устройств, которые по своим признакам наиболее приемлемы для использования в системах отопления и горячего водоснабжения. Разумеется, что это не исключает применения результатов исследований при анализе и расчетах подобных систем для других целей, например, кондиционирования. Актуальность темы диссертации определяется целесообразностью применения в теллотехнологических системах аккумуляторов с фазовыми превращениями, недостаточностью изучения процессов переноса теплоты в их объеме, несовершенством методов инженерного расчета таких устройств.

Делю работы было изучение проблем создания теплового аккумулятора на основе фазового перехода и его использования в составе системы теплоснабжения потребителя.

Для достижения указанной цели поставлен ряд научно-технических задач, включающий:

• Выявление общих закономерностей процессов теплообмена при течении теплоносителя через вставки с теплоаккумулирующим материалом внутри;

• Разработка модели, позволяющей описать теплообмен в капсуле содержащей теплоаккумулирующее вещество;

• Апробация модели на имеющихся в литературе опытных данных и полученных в данной работе экспериментальных данных;

• Разработка системы автономного солнечного отопления и горячего водоснабжения на примере конкретного потребителя.

Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Установлены и описаны общие особенности кинетики нагревания и охлаждения аккумуляторов, заполненных сфк^еэдщ^ 0 с

БИБЛИОТЕКА С.-Петербург

ОЭ 200 ¿акт

теплоаккумулирующим веществом, позволяющие рассчитывать режимы работы тепловых аккумуляторов;

2. Выполнен анализ и обобщение информации о переносе теплоты в капсуле, заполненной теплоаккумулирующим материалом внутри при наличии свободной конвекции в условиях плавления и затвердевания теплоаккумулирующего вещества. Доказано, что в случае отсутствия учета влияния свободной конвекции ошибка расчета может быть значительной.

3. Разработана оригинальная система альтернативного теплоснабжения конкретного удаленного потребителя, включающая в себя систему солнечных коллекторов, тепловой аккумулятор и систему отопления и горячего водоснабжения. Это позволяет в случае отсутствия аварийных вариантов, в обычном режиме работы полностью исключить затраты на топливо и вредные выбросы в атмосферу, что выгодно отличает ее от других схем.

Практическая ценность работы определяется тем, что:

1. Разработан и апробирован алгоритм расчета процесса фазового перехода в сферической капсуле с учетом конвекции в жидкой фазе, в результате омывания капсулы потоком теплоносителя;

2. Предложена система теплоснабжения дома с солнечным коллектором, содержащая принципиально новую модель теплового аккумулятора.

На защиту выносятся;

• Математическая модель определения радиуса границы плавления, адаптированная к тепловым солнечным аккумуляторам, позволяющая более точно определить радиус фазового перехода;

• Упрощенный инженерный метод решения задачи Стефана в условиях изучаемого солнечного аккумулятора;

• Схема автономной системы теплоснабжения, исключающей потребление органического топлива.

Достоверность полученных результатов.

Произведено сопоставление результатов расчета по представленной модели процесса фазового перехода в условиях цилиндрической и сферической симметрии с экспериментальными данными. Отклонение расчетных данных от эксперимента не составило более 20%, что укладывается в рамки инженерных расчетов.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на :

• Девятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. 4-5 марта 2003г. Москва Тезисы докладов Том 2. стр. 336-337.

• Научно-практической конференции 17-19 сентября 2003г. «Энерго- и ресурсосбережение как фактор социально-экономического развития

регионов центрального федерального округа» Смоленск 2003г. Материалы докладов том 2 стр.26.

• Десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. 2-3 марта 2004г. Москва Тезисы докладов Том 2. стр. 408-409.

• International conference on «The Integration of the Renewable Energy Systems into the Building Structures» 7-10 July 2005, T.E.I. Patra Conference Center, Greece, pp. 193-198.

• Семинаре школы по гранту Президента РФ «Сложный теплообмен и возобновляемые источники энергии» 2003-2005 г.

• Двенадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. 2-3 марта 2006г. Москва Тезисы докладов Том 2. стр. 485-487.

• Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсосбережение и экологическая безопасность» 29-30 марта 2006г. Смоленск.

Публикации. Основные научные положения и выводы изложены в 7 опубликованных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы, приложений. Текст изложен на 126 страницах, список литературы содержит 91 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели исследования, защищаемые положения, дано описание структуры диссертации. Раскрыта научная новизна результатов и практическая ценность работы.

В первой главе произведен обзор и анализ работ, связанных с принципиальным устройством теплового аккумулятора и численным решением задачи Стефана.

Несмотря на большое количество опубликованных материалов по теме диссертации, приведенный в данном разделе обзорный материал позволяет сделать вывод о недостатках, связанных с осуществлением процесса теплоснабжения удаленных потребителей и решением задач аккумулирования посредством фазового перехода, а именно:

- Нет относительно простой модели, отличающейся доступностью, универсальностью в смысле применения при различных вариантах технического оформления аккумуляторов теплоты.

- В ранее известных работах существуют определенные недостатки, связанные с допущениями отсутствия свободной конвекции в жидкой фазе, что может привести к существенным погрешностям.

- В известных работах недостаточно точно определяется радиус фазового перехода в условиях сферической и цилиндрической симметрии.

- Для решения задачи Стефана вводится ряд громоздких вспомогательных параметров как-то понятие 8 -образной функции, что существенно усложняет процесс расчета.

- Нет методики расчета предложенной модели теплового аккумулятора.

Ликвидации вышеизложенных недостатков и посвящена данная работа, а

именно:

- в работе предложена принципиальная модель теплоаккумулирующего устройства, выполненного в виде емкости, заполненной сферическими частицами с теплоаккумулирующим материалом внутри, процесс теплообмена в которой и требуется рассчитать;

- определены особенности нагревания и охлаждения жидкой фазы;

-разработана методика наиболее точного определения радиуса фазового

превращения;

- предложен более простой механизм решения задачи Стефана, а именно разработана и апробирована экспериментально методика расчета процесса фазового перехода в условиях цилиндрической и сферической симметрии капсул, заполненных теплоаккумулирующим материалом;

- разработана методика расчета процесса теплообмена в объеме теплового аккумулятора при движении омывающего теплоносителя и при его неподвижности;

- на основании разработанной методики проведен расчет оптимальной модели теплоснабжения удаленного потребителя посредствам системы «солнечный коллектор-аккумулятор-потребитель».

Во второй главе представлена математическая модель расчета теплового аккумулятора с шариковым наполнителем.

Аналитическое решение задачи Стефана вызывает большие затруднения из-за нелинейности теплофизических параметров, входящих в уравнение теплопроводности, на границе раздела фаз. Математическая модель задачи Стефана сформулирована следующим образом. Имеются две фазы. В каждой из фаз температура Т удовлетворяет уравнению теплопроводности :

где а- номер пространственной координаты, р- плотность теплоаккумулирующего вещества, кг!мъ ,С- теплоемкость теплоаккумулирующего вещества, Дж1кгК, Т-температура теплоаккумулирующего вещества, К, Л- теплопроводность, Вт/мК, т-время. е.

Для задачи Стефана, при отсутствии распределенных источников и зависимости теплообмена с внешней средой от координаты Ха. для сферической геометрии капсулы задача сводится к решению системы уравнений для каждой из фаз вида:

0)

р(Т)С(Т

дт

где г - радиус капсулы, -м.

с граничными условиями:

а) в центре сферы и на поверхности соответственно: 5 = о; -Л(Г)5 = *(Г-т-01) (3)

ог ог

где К- коэффициент теплоотдачи, Вт/м2К, 7",7'01 - температура поверхности капсулы и температура потока теплоносителя, град.

в) на границе раздела фаз температура равна температуре плавления, тепловые потоки разрывны и их разность равна произведению теплоты фазового перехода на скорость движения границы фаз и плотность.

Коэффициент теплопередачи- К определяется режимом движения теплоносителя относительно насадки.

Задача решается в условиях сферической симметрии и в одномерном случае условие, связывающее тепловые потоки на границе раздела фаз г = г/и), (?7-координата границы фазового перехода) имеет вид:

(4)

где ф- теплота фазового перехода, Дж/м3, а начальное условие: Т(г,е = 0) = Т0, 1-жидкая фаза, 2 -твердая фаза.

Обычно для получения решения дифференциального уравнения (1) на равномерной сетке ( г,-¡И (¡ = 1,..ЛУ) = ]т (/ = 0,..^„>) вводилось понятие эффективной теплоемкости, зависящей от функции Дирака заменяемой 8-образной 8(Т-Т',А) , удовлетворяющая условию нормировки

7 "+д

-Т' ,А)дТ = 1 (5)

Г-4

Данный метод связан с некоторыми проблемами. В качестве 8 -образной необходимо выбирать различные функции, что усложняет расчеты и как следствие увеличивает время расчета. В данной работе предлагается использовать другой способ нахождения эффективной теплоемкости.

В зоне границы раздела фаз выделим «область раздела», в которой будет происходить скачек теплоемкости, обусловленный теплотой плавления (рис 1).

С, зона.плавления

Дж/кгЬ

д< I плавления

после плавления

Т,К

Рис. 1 Качественное изменение удельной теплоемкости по областям Вычисления в этой области производятся по формуле:

где теплота фазового перехода, Дж / кг, 2</е/,- интервал «области раздела», Я1 (отклонение влево и вправо от температуры плавления).

Вне зоны фазового перехода теплоемкость равна теплоемкости жидкой или твердой фазы.

В работе был проведен численный эксперимент для вставки капсул диаметром 2 см., заполненных гидратом окиси бария. Они были уложены во вставку 20x20 штук в кубическом порядке. Рассчитывалось время, за которое температура вставки в центре капсулы станет равной температуре потока теплоносителя. Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что результаты процесса передачи тепла в капсуле слабо зависят от выбранного интервала «области раздела» только в пределах трех градусов, здесь расхождение изменения энтальпии вставки в течение всего процесса и количества тепла отданного/полученного потоком теплоносителя не превышает трех процентов. Дальнейшее увеличение интервала «области раздела» ведет к значительному возрастанию ошибки расчетов, что связано с искажением теплофизических данных теплоаккумулирующего материала. Большее сокращение интервала «области раздела» может привести к значительным ошибкам при существующем шаге изменения радиуса расчета (5-10"4м). Если же уменьшить этот шаг, то время расчета процесса теплоотдачи значительно увеличится. Проведенные расчеты показали, что в дальнейшей работе для проведения прикладных расчетов достаточно принять интервал «области раздела» равный 0,5К.

Получим нелинейное уравнение теплопроводности:

= О

описывающее распределение температуры во всей области 0<=г<=Я.

Предлагается ввести в расчет влияние естественной конвекции в жидкой фазе в капсуле. Для этого на основании теории конвекции в прослойках вводится эквивалентный коэффициент теплопроводности прослойки:

Хж =е, ■ Я, (8)

где ек~/(О • Рг) - коэффициент, учитывающий влияние конвекции.

В твердой фазе коэффициент теплопроводности берется для условий твердой фазы.

Используя интегро-интерполяционный метод, уравнение (2) можно привести к разностной схеме с весами а на равномерной сетке.

г,=/А (/ = 1...ЛГ) /, = ]т (] = 0,.1т) (9)

Для измерения температуры ь го узла сетки разностная схема аппроксимации уравнения (7) имеет вид:

Р(Т)СЭ (у,-у,)=^т

Г.+0.5Й

где У, - У(/,7) - решение разностного уравнения (2.1.11.) аппроксимирующего

дифференциальное уравнение (7) для ¡-го узла сетки на j-oм временном слое, У, = У (г, ] +1) -

решение для ]+1 -го временного слоя, А-указывает на аппроксимацию параметра на сетке разностной схемы.

Более эффективной по сравнению с явной схемой (сг = о ) для решения задачи плавления является чисто неявная схема с а = 1, устойчивая и монотонная при любом соотношении А и г. Уравнение (10) для а = \ имеет вид:

Р(Т)С, (У-У,) = ~ А

",+0.5/Д

(П)

г> )

Заменив некоторые выражения коэффициентами:

А1 = (1-0^к/г,У-ЛЭ1; 5/ = (1 + 0.5а/г,)2 ■ яэ1+1; а = А1 + В1 + —С,р; Я = —С,рУ.,

т т

перейдем к уравнению вида: А1У^ - а¥, + В1УМ = -Л".

Рассмотрим аппроксимацию граничных условий с точностью 0(й2). Аппроксимация потока на поверхности сферы имеет вид:

а =й>, -0.5Аа),'+0(А2), (12)

''71

где® к=г2_1/я,~ (13)

'о ' /1 аг

0.5й (14)

(15)

аг

после преобразований получается:

2 . ЗУ 2. 8У д 2 ЗУ

г ,,А, — = г. Я,--0.5А—г я,— (16)

-Я ' дг ' ' дг дг 1 ' дг

или

з1(г,_,-у,)= -i -тп) (17)

г, ) 2 т

Для центра сферы преобразуем уравнение (2) к виду:

АГя—Ч| = ф-1д—, (18)

дг ^ дг) г дг

гдеФ = -^Гг^тЛ (19)

г дг \ дг )

Раскрывая появившуюся неопределенность из-за граничного условия в центре сферы получаем соотношение:

= (20)

дг) 0 1 + 2

я = Л, - Г,) (21)

к дг' 2(1 + 2) г

Таким образом, дм получения решения дифференциального уравнения (1)

наиболее эффективным является решение методом сеток системы из N-2

уравнений вида (11) с граничными условиями в разностном виде :

а) на поверхности сферы

Ч-оМг (V

с,Ж-У,) + КЩ, -Тт) (22)

г, ) " 2 г

б) в центре сферы

С-РГС-Г.) (23)

о г

и начальными условиями У, (г, у = 0) = Г0. (24)

Проведя математические вычисления, приведем граничные условия виду:

^ = У;_,а2 + рг для центра сферы; УЛ = + для поверхности сферы,

где а2 =—; =-*-

, пС,Р л л[11.«г 0.5А -

бгА.,.,

0'5И-2-С„ру: -щг, -г01)

=---5-•

(1-0

где радиус сферической оболочки, м.

В такой постановке решение может быть получено методом прогонки без итераций, если значение С„ и вычисляются по температурному профилю > го временного слоя (линейный вариант). При этом решение зависит от шага г. Более точное решение дает совмещение метода прогонки с методом итераций для вычисления С„ и А„ на ]+1-ом временном слое, при этом первое приближение С,, и Л3, на 1-ом временном слое определяется по У, на j-oм слое (нелинейный вариант).

До сих пор радиус, на котором происходит плавление определялся по методике, изложенной в известной литературе2. А именно: сфера разбивалась на большое количество сферических оболочек по радиусу с шагом А.

г, = /Л (/ = 1,...Л7) (25)

Далее определялась температура на каждом из радиусов. Определялись два лежащих рядом радиуса, на одном из которых температура выше температуры плавления, а на другом ниже.

Радиус плавления находится по формуле:

(26)

Но такое решение вносит определенную неточность. В работе предлагается находить радиус плавления следующим образом. Можно предположить что тепло передается пошагово от объема к объему, как в случае с плоской стенкой (для плоской стенки методика, описанная выше справедлива). Значит, сферу необходимо разбить на равные по объему части. Полный объем сферы:

гсф - 2» 'сф

Разобьем объем сферы на 2 полых частей.

V = ' 2

Другими словами объем самого маленького заполненного радиуса: Г.-1..,'

Объем любого заполненного радиуса: Изменение радиуса пошагово:

ЕИ

4-ж

(28)

(29)

(30)

(31)

Закон изменения радиуса в зависимости от шага изображен на рисунке 2.

60

ние текущего радиуса к

радиусу сферы, %

20

40 во

номер шага

(32)

Рис. 2 Изменение радиуса в зависимости от шага Функция, описывающая эту зависимость: г, =21,544-^" где х, - номер шага, г, - радиус шага, %.

По предложенной методике были проведены расчеты для вставки сфер омываемых потоком теплоносителя с постоянной температурой. На рисунке для двух методик расчета показано изменение радиуса плавления во времени (Рис 3). На графике пунктирными линиями показаны точки разбиения по радиусу, т.е. с каким шагом программа изменяет радиусы для расчетов.

Рис. 3 Изменение радиуса плавления в зависимости от времени Из графика видно, что для существующей методики продвижение фронта плавления вблизи точек разбиения по радиусу происходит менее плавно по сравнению с предложенной нами методикой, что и отражено в следующей таблице.__

радиус точки разбиения, м изменение радиуса фазового перехода при перескоке через радиус разбиения разница изменения радиуса

предложенная методика, % существующая методика, %

0,00944 4,5 5,2 0,7

0,00833 4,7 5,4 0,7

0,00722 5,2 6,2 1,1

0,00611 5,4 7,3 1,9

0,005 8,3 9,4 1,2

0,00388 10,2 12,8 2,6

0,00277 14,4 19 4,6

0,00166 29 32,3 3,3

0,000555 64,7 95,3 30,6

Рассмотрены два режима теплоотдачи, а именно для подвижного и неподвижного теплоносителя. Вставка состоит из сферических частиц, которые могут быть уложены четырьмя видами насадок: кубическая; октаэдрическая; тетраэдрическая; ромбоэдрическая". В числах Нуссельта и Рейнольдса в качестве характерного размера принят эквивалентный диаметр частиц, рассчитанный по формуле:

где <р- среднее проходное сечение: (р~\-л!6- для кубической; р=1-я73л/2 - для октаэдрической; ¡р = \-к!3^2 - для тетраэдрической; <р=\-я1Ъ-*1ь -для ромбоэдрической засыпок.

Рг удельная площадь поверхности частиц, для сферы ^=6ЛЭ, где Е>- диаметр отдельной сферы.

Средняя скорость потока для числа Рейнольдса рассчитана по формуле: (и ) = и/(р, где и- скорость набегающего потока,

Число Прандтля для теплоносителя зависит от температуры. Коэффициент теплоотдачи рассчитан по эмпирической зависимости Ми = /(Не).

Для определения температуры теплоносителя в аккумуляторе в режиме неподвижного теплоносителя до момента выравнивания температуры насадки рассмотрим следующую задачу.

Градиент температуры теплоносителя, как и в случае режима работы аккумулятора, существует только в направлении одной горизонтальной оси (параллельной направлению движения теплоносителя в режиме работающего аккумулятора).

Уравнение теплопроводности при нестационарном режиме запишется в виде:

с1п(л%га&) + д„=су— (33)

дт

При отсутствии внутренних источников (д>„ = 0) и постоянных физических характеристиках из (33) следует:

= — (34)

дт

Используя метод конечных разностей, получим аналитическое решение задачи нестационарной теплопроводности, заменив дифференциальное уравнение (34) уравнением в конечных разностях, значение температуры в каждой точке среды можно определить из следующего соотношения:

т^п -ТпА+Тп, (35)

'"**' ~ (Дх)2 2

Для удобства расчетов и графических построений целесообразно выбирать промежуток времени из условия:

Дг = М (36)

2а 4 '

Приведенная разностная схема может быть использована для решения как одномерных, так и многомерных задач фазового перехода при граничных условиях 1,2,3 рода.

В третьей главе на основании разработанной методики было проведено исследование процесса плавления и затвердевания в условиях цилиндрической симметрии. Результаты расчета были сопоставлены с ранее проведенными опытами. Для заполнения объема цилиндрических аккумуляторов теплоты (ЦАТ) в исследованиях использовался парафин С25#32 с чистотой 99%. Температура плавления 54,5 °С. В качестве корпуса аккумулятора теплоты была выбрана трубка из нержавеющей стали (/1=16 Вт/мК) с внутренним диаметром 0,03 м и толщиной стенки 0,002 м. Схема экспериментальной установки показана на рис. 4.

1 - потенциометр (КСП-4); 2- мешалка;3- водяной термостат; 4- трубка ЦАТ.

Рис. 4 Схема экспериментальной установки.

Проведен расчет двух режимов в горизонтально расположенном цилиндре. Первый режим- режим плавления парафина первоначально нагретого до температуры 30°С. Температура теплоносителя 60 °С, коэффициент теплоотдачи берется для условий свободной конвекции жидкого теплоносителя (воды) » 100Вт!м1 К. Рассчитано время нагревания поверхности цилиндра до температуры плавления парафина и время достижения температуры плавления в центре цилиндра. Второй режим это кристаллизация парафина в предварительно нагретом цилиндре до 60 "С. Температура охлаждающего потока 30°С, коэффициент теплоотдачи для условий свободной конвекции воздуха 21 Вт! чгК. Рассчитано время достижения температуры в 37°С в центре цилиндра.

Также был проведен расчет двух режимов в вертикально расположенном цилиндре. Первый режим- режим плавления парафина первоначально нагретого до температуры 21 "с. Температура теплоносителя 60"С. Второй режим это кристаллизация парафина в предварительно нагретом цилиндре до 60 V. Температура охлаждающего потока 35 "С. Рассчитано время достижения температуры в 35 °С в центре цилиндра. Ниже приведено сопоставление расчетных и опытных данных в табличном виде таблицы 1-2.

Таблица. 1. Сопоставление опытных и расчетных данных при плавлении парафина._________

Опыт/расчет Температура теплоносителя, "с Начальная температура парафина, °С Время начала плавления, мин Отклоне ние, % Время конца плавлени я, мин Отклоне ние,%

Опыт горизонтальны йцилиндр 60 30 4 0 47 4,2

Расчет горизонтальны й цилиндр 60 30 4 49

Опыт вертикальный цилиндр 60 21 5 20 48 14,5

Расчет вертикальный цилиндр 60 21 4 55

Таблица. 2. Сопоставление опытных и расчетных данных при кристаллизации парафина. __^__

Опыт/расчет Температура теплоносителя, °С Начальная температура парафина, °С Время достижения температуры в центре 37 °С, мин Отклонение, %

Опыт горизонтальный цилиндр 30 60 65 20

Расчет горизонтальный цилиндр 30 60 52

Опыт вертикальный цилиндр 30 60 95 17

Расчет вертикальный цилиндр 30 60 78

К сожалению, опытных данных мало и данные по коэффициентам теплоотдачи недостаточно обоснованны, тем не менее, они не противоречат данным расчета, что позволяет надеяться на применимость разработанной методики для процесса расчета задачи Стефана в условиях цилиндрической симметрии. Расчеты согласуются с экспериментальными данными в пределах погрешности эксперимента.

Кроме сопоставления расчетных данных с ранее проведенными экспериментами других авторов был разработан и проведен теплофизический эксперимент фазового перехода в условиях свободной конвекции. В качестве теплоаккумулирующего вещества была использована дистиллированная вода. В качестве корпуса аккумулятора теплоты были выбраны сферические емкости несильно отличающиеся друг от друга размерами из полимерного соединения радиусом 0,03 м (образец Т1) и 0,027 м (образец Т2). Королек термопары помещался в центре сферической емкости. Расчеты показали, что во всем диапазоне обоих режимов потери тепла по проволоке термопары намного меньше одного процента по сравнению с общим количеством переданной теплоты. Для корпуса капсулы отношение 81Х«\1а, поэтому его термическим сопротивлением в расчетах можно пренебречь. Схема экспериментальной установки для режима плавления показана на рис. 5.

С С с е ч \ \ 5 ^ ■К \ \ 1-!□ □ □ □ □ □ □

1 1 »

1 й^Е-Е-Е-г-Е-: ¡¡¡¡¡1 щ

в 7

1- термометр CENTER 301; 2- термопара к образцу Т1; 3- термопара к образцу Т2; 4- емкость с водой; 5- термостат ЛАБ-ТЖ-ТС-01М; 6- держатель. Рис. 5 Схема экспериментальной установки.

Проведен расчет двух режимов, а именно плавления и кристаллизации в условиях свободной конвекции. Режим кристаллизации проведен на открытом воздухе при полном отсутствии ветра и температуре окружающей среды -20 "С. Для режима плавления в качестве греющего теплоносителя использовалась вода с температурой 25 °С.

Коэффициент теплоотдачи рассчитывался для условий конвекции в неограниченном объеме, так как диаметр опытных образцов был намного меньше габаритов емкостей куда они помещаются. Комплекс вгРг, в случае плавления был более 2-Ю7, а в случае кристаллизации лежал в пределах 5-102 -5-2Ю7. Поэтому для режима плавления5: ЛГ« = ОЛ35(ОгРг)"3,а для режима кристаллизации: Ии = 0.54(СгРг)"4.

Коэффициент теплоотдачи, рассчитанный для условий свободной конвекции 330Вт! ч2К. Первоначальная температура ТАМа -24°С.

Определялось время полного расплава льда. Расхождение с результатами эксперимента составило порядка 17 и 6 % в обоих случаях соответственно.

Для режима кристаллизации в качестве охлаждающей среды использовалась окружающая среда с температурой -20 °С. Коэффициент теплоотдачи, рассчитанный для условий свободной конвекции 1,5Вт!м2К. Первоначальная температура ТАМа 21 "С.

Как и в предыдущем варианте определялось время полной кристаллизации воды. Расхождение с результатами эксперимента составило порядка 13 и 12% в обоих случаях соответственно.

Теплообмен в самой капсуле рассчитывался с учетом свободной конвекции. Расчеты произведенные по формуле 9 показали, что отсутствие учета процесса свободной конвекции в сферической емкости может привести к значительным ошибкам.

Приборная погрешность в эксперименте не превышает 3%.

В четвертой главе разработана модель автономной системы отопления и горячего водоснабжения для удаленного коттеджа. Подобран теплоаккумулирующий материал- гидрат окиси бария. Определена солнечная радиация и подобран коллектор. Произведены тепловой и гидравлический расчеты системы отопления и горячего водоснабжения. Схемное решение теплового аккумулятора представлено на рисунке 6.

1, 5, 9- теплоноситель с коллектора; 4 8, 12- теплоноситель на коллектор; 3, 7, 11-теплоноситель в систему отопления и ГВС; 2, 6, Ю- теплоноситель из системы отопления и ГВС.

Рис. 6 Схема работы теплового аккумулятора

зима

Весь аккумулятор разбит на три части: две летние (суточное аккумулирование) и одну зимнюю (сезонное аккумулирование). Летние части работают переменно: одна заряжается, другая разряжается. Зимняя часть летом заряжается, а зимой разряжается. Таким образом, летом в работе находятся три части аккумулятора одновременно, а зимой лишь одна зимняя. Это сделано для того, чтобы не попасть в момент отрицательных температур при работе солнечного коллектора зимой, кроме того, в холодный период года он работает с низким КПД. Каждая часть летнего аккумулятора рассчитана на покрытие трехсуточной нагрузки, причем коллекторы подобраны таким образом, чтобы вторая часть заряжалась за меньший интервал времени. Возможные три режима работы:

1) Первый летний режим. 1, 4, 6, 7, 9, 12- открыто, остальные закрыты. Заряжается первый летний аккумулятор, второй летний разряжается, зимний заряжается.

2) Второй летний режим. 2, 3, 5, 8, 9, 12- открыто, остальные закрыты. Заряжается второй летний аккумулятор, первый летний разряжается, зимний заряжается.

3) Зимний режим. 10, 11- открыто, остальные закрыты. Зимний аккумулятор разряжается.

В работе было проведено исследование влияния компоновки коллекторов на скорость зарядки теплового аккумулятора. Графические и численные данные однозначно показывают, что коллекторы лучше располагать последовательно.

Для расчета летнего аккумулятора принято, что зарядки аккумулятора хватает на покрытие трехсуточной нагрузки ГВС. Для условий поставленной задачи (г. Новороссийск) необходимо 220 рядов насадки (размером 20 х 20 сферических капсул диаметром 0,02 м). Габариты летнего аккумулятора получаются 0.4 х 0.4 х 4.4 м.

Следующий этап- это расчет зарядки аккумулятора. Проведенные эксперименты показали, что построение всех коллекторов в последовательную цепь может привести к повышению температуры на выходе из коллектора более чем на 100 °С. Это соответствует температуре кипения теплоносителя-воды при атмосферном давлении, чего допускать нельзя. Поэтому решено часть коллекторов поставить параллельно. Таким образом, для наиболее неблагоприятного с точки зрения инсоляции дня разработана схема, в которой две параллельные линии и в каждой линии по девять коллекторов.

В остальное время летнего периода солнечная радиация больше, чем в ноябре, поэтому часть коллекторов целесообразно перевести на зарядку зимнего аккумулятора. Проведя расчеты по среднемесячному значению солнечной радиации с апреля по ноябрь определено схемное решение размещения коллекторов таблица 5.

Неиспользованные «летние» коллекторы могут заряжать зимний аккумулятор.

Таблица 5 Схемное решение солнечных коллекторов в летний период

Месяц Количество линий Количество коллекторов Всего коллекторов

коллекторов в линии

Апрель 2 6 12

Май 2 5 10

Июнь 2 4 8

Июль 2 4 8

Август 2 4 8

Сентябрь 2 5 10

Октябрь 2 6 12

Ноябрь 2 9 18

Определим объем зимнего аккумулятора для нужд отопления и горячего водоснабжения жилого здания на период декабрь- март. Исходя из потребности в тепле в зимний период по периметру дома нужно уложить 700 x 480 капсул. В глубину будет уложено 160 капсул. Таким образом, габаритные размеры аккумулятора составят 14x9.6x3.2 м. Схемное решение для зимних коллекторов невозможно строить по тому же принципу, что и летних. Это связано с тем, что построение большого числа коллекторов в одну линию приведет к резкому повышению температуры на выходе из системы коллекторов (это может привести к закипанию теплоносителя). Поэтому решено все коллектора подключить параллельно (таблица 6).

Таблица 6 Схемное решение солнечных коллекторов для зарядки зимнего

Месяц Количество линий коллекторов Количество коллекторов в линии Всего коллекторов в том числе «летних» коллекторов

Апрель 66 1 66 6

Май 68 1 68 8

Июнь 70 1 70 10

Июль 70 1 70 10

Август 70 1 70 10

Сентябрь 68 1 68 8

Октябрь 66 1 66 6

Ноябрь 60 1 60 0

Общее число коллекторов 78 штук. Общая площадь покрываемая коллекторами 92,12 м2.

Использование в качестве теплового аккумулятора водяной емкости приведет к увеличению размеров аккумулятора. В данном примере при тех же размерах периметра аккумулятора по площади фундамента дома глубина его станет порядка 8,2 метров, что в два с половиной раза превышает глубину теплового аккумулятора на основе плавкого вещества- гидрата окиси бария.

В пятой главе проведены технико-экономические расчеты автономной системы отопления и горячего водоснабжения.

В качестве базового варианта рассмотрен вариант с использованием системы газового отопления и горячего водоснабжения. Удельные приведенные затраты (на единицу вырабатываемой теплоты) в традиционный источник (базовый вариант) и автономную гелиоустановку определяются по следующим выражениям:

3^-^ + bell,+(EH+S)(37) 3a=(EH+S)- — + bcIlt (38)

4

Проведенные расчеты показали, что при начальных параметрах удельные приведенные затраты в традиционном варианте меньше по сравнению с альтернативным. Но с учетом возрастания цены газового топлива или удаленности коттеджа от источника газоснабжения а также снижения затрат на гелиоустановку и тепловой аккумулятор результаты оценки могут оказаться другими. Во всех этих случаях изменятся и удельные приведенные затраты в ту или иную систему. Проведенные расчеты позволяют выявить ряд гипотетически возможных вариантов конкурентоспособности альтернативного варианта по сравнению с базовым. Например, если удаленность от источника газоснабжения составит 40 км, а стоимость топлива возрастет на 20%, то уже при снижении удельных капитальных вложениях в тепловой аккумулятор и гелиоустановку на 20% альтернативный вариант окажется конкурентоспособным.

Кроме того, во всех случаях альтернативного варианта очевидным положительным моментом является экологическое преимущество.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведено исследование процесса фазового перехода насадки солнечного аккумулятора в условиях сферической и цилиндрической симметрии. Введен способ нахождения эффективной теплоемкости в области границы фазового перехода, что приводит к упрощению расчета.

2. Разработана более точная, по сравнению с существующей, методика нахождения радиуса фазового перехода в условиях цилиндрической и сферической симметрии.

3. Уточнена существующая методика процесса фазового перехода в условиях цилиндрической и сферической симметрии путем введения конвективной составляющей в жидкой фазе, что позволило существенно уменьшить погрешность расчетов.

4. Проведено сопоставление полученных расчетных результатов процесса теплопередачи при омывании цилиндра с ранее известными экспериментальными данными, отклонение которых не превышает 20%.

5. Проведено сопоставление полученных расчетных результатов процесса теплопередачи при омывании сферы с проведенным в работе экспериментом, отклонение не превышает 17%.

6. Разработана и рассчитана модель теплового аккумулятора, состоящего из системы сферических капсул, заполненных теплоаккумулирующим веществом.

7. Для предложенного температурного графика 70/50 представляющего практический интерес, выбрано наиболее приемлемое теплоаккумулирующее вещество- гидрат окиси бария, имеющий температуру фазового перехода в рабочем интервале температур, высокую теплоту фазового перехода и относительно невысокую стоимость.

20

№ - 96 17

8. На примере разработанных методик рассчитана система альтернативного теплоснабжения удаленного коттеджа. Показаны случаи, когда эта система будет выгодней традиционного (газового) варианта.

9. Предложенная модель теплового аккумулятора может быть использована не только для целей запаса тепловой энергии. Путем подбора соответствующего аккумулирующего материала и теплоносителя она может быть трансформирована в аккумулятор холода и использоваться для целей кондиционирования.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. О.В.Тимакова, ВЛ.Мотулевич Солнечное отопление отдельных домов //Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. Девятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. 4-5 марта 2003 -Москва 2003.-Том 2. -С. 336-337.

2. О.В.Тимакова Тепловое аккумулирование солнечной энергии для нужд отопления //Энерго- и ресурсосбережение как фактор социально-экономического развития регионов центрального федерального округа: Материалы докладов Научно-практической конференции 17-19 сентября 2003г. -Смоленск, 2003. -Том 2 -С.26.

3. О.В.Тимакова, В.П.Мотулевич Тепловой расчет аккумулятора теплоты с шариковым наполнителем //Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. Десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. 2-3 марта 2004 -Москва 2004 -Том 2. -С. 408-409.

4. В.П.Мотулевич, Н.В.Калинин, А.Н.Ратников, О.В.Тимакова Использование солнечной энергии для теплоснабжения рабочих поселков в отдаленных районах. //Горный журнал, Специальный выпуск. -2004 -С. 112-

5. В.П. Мотулевич О.В. Тимакова Система солнечного аккумулирования энергии для горячего водоснабжения и отопления //Интеграция нетрадиционных энергетических систем в строительные структуры: Материалы докладов Международной конференции 7-10 июля 2005, -Патра, 2005 Греция -С. 193-198.

6. О.В.Тимакова, В.П.Мотулевич Система солнечного отопления и горячего водоснабжения //Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. Двенадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. 2-3 марта 2006. -Москва 2006 -Том 2. -С. 485-487.

7. О.В.Тимакова, В.П.Мотулевич Солнечный аккумулятор тепла для отопления и горячего водоснабжения //Ресурсосбережение и экологическая безопасность: Материалы докладов Всероссийской научно-практической конференции 29-30 марта 2006. -Смоленск 2006 -С. 24-27.

114.

Печ.л (',16_Тираж 100 Заказ

Типография МЭИ, Красноказарменная ул., д. 13

Введение.

Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи

1.1. Обзор работ связанных с принципиальным устройством теплового аккумулятора.

1.2. Обзор работ связанных с численным решением задачи Стефана.

1.3. Постановка задачи.

Глава 2. Математическая модель расчета теплового аккумулятора со сферическим наполнителем

2.1. Разработка математической модели расчета времени плавления и затвердевания аккумулирующего вещества в сферических капсулах.

2.2. Влияние выбранного интервала «области раздела» на расчет процесса передачи тепла.

2.3. Разработка математической модели процесса передачи тепла от теплоносителя вставке теплоаккумулирующего материала для конкретных режимов обтекания

2.3.1. Движущийся теплоноситель.

2.3.2. Неподвижный теплоноситель.

2.4. Методика расчета смесительного узла с учетом работы теплового аккумулятора.

2.5. Выводы по главе 2.

Глава 3. Экспериментальное исследование процесса фазового перехода в условиях цилиндрической и сферической симметрии

3.1. Описание экспериментальной установки и результатов проведения эксперимента и сопоставление их с расчетными данными в условиях цилиндрической симметрии.

3.2. Описание экспериментальной установки и результатов проведения эксперимента и сопоставление их с расчетными данными в условиях сферической симметрии.

3.3. Выводы по главе 3.

Глава 4. Разработка автономной системы отопления и горячего водоснабжения для удаленного коттеджа

4.1. Определение солнечной радиации и подбор коллектора.

4.2. Расчет системы отопления и горячего водоснабжения (ПВС)

4.2.1. Определение потерь тепла через отдельные элементы консрукций.

4.2.2. Расход тепла на нагревание холодного воздуха.

4.2.3. Годовая нагрузка системы отопления.

4.3. Тепловой и гидравлический расчеты системы отопления и горячего водоснабжения в системе использования теплового аккумулятора.

4.4. Разработка и расчет схемы «коллектор- тепловой аккумулятор- потребитель»

4.4.1. Выбор теплоаккумулирующего материала.

4.4.2. Схемное решение теплового аккумулятора.

4.4.3. Схемное решение размещения солнечных коллекторов.

4.4.4. Расчет летнего аккумулятора.

4.4.5. Расчет зимнего аккумулятора.

4.5. Выводы по главе 4.

Глава 5. Технико-экономические расчеты автономной системы отопления и горячего водоснабжения

5.1. Сопоставление автономной системы энергообеспечения с традиционным (газовым) вариантом.

5.2. Выводы по главе 5.

Россия и мир в целом обладает огромными ресурсами возобновляемой энергии. Эти ресурсы во много раз превышают ресурсные возможности ископаемых и невозобновляемых источников энергии на Земле и в России. Первое системное исследование ресурсов нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) в России было произведено по заданию и инициативе Минтопэнерго РФ в 1994 г.

В рамках указанной работы были разработаны также и методологические основы оценки ресурсов НВИЭ с учетом современных особенностей и перспектив развития топливно-энергетического комплекса России. В качестве иллюстрации на рис.1 представлены в графическом виде данные распределения по территории России ресурсов солнечной энергетики. Из представленных данных следует очевидный вывод о больших возможностях использования солнечной энергии в России. 0

Ъ Са-ч

Продолжительность солнечного сияния; f менее 1700 часов в год шаж or 1700 до 2000 часов в год t^^m более 2000 часов в год

Рис. 1 Энергоресурсы России (солнечная энергия).

Основные экономические показатели современных энергоустановок на базе НВИЭ (в отличие от традиционных ТЭС, ГЭС, АЭС и дизельных электростанций) имеют устойчивую тенденцию к постоянному снижению во времени и сегодня уже сопоставимы с аналогичными показателями традиционных видов энергоустановок на невозобновляемом энергетическом топливе. Для многих регионов Земли в зоне от 50° южной широты до 50° северной широты при решении задач отопления зданий, кондиционирования воздуха использование этой энергии является перспективным и обеспечивает заметную экономию органического топлива. В таблице 1 представлены энергетические ресурсы Земли и России.

Вид эиер горе сур сое Земля. т. у jit к Вт • ч Россия

Валооые т. у Jit Технические m.yjn 3<ономичвсли.е m.yjn кВт • ч кВт ■ ч кВт • ч

Новозобнооппсмыо источники энергии

Органическое тол/к'ао (геологические ресурсы) 10,7-10" ею™ — —

32913 -10м 27684-10" - —

Уголь 9,6 ю" Соиситиоовочное толливо-ri от ре б лен не 1,4-10Q

29529 10"

Нефть 0.72-Ю"

2214-10"

Газ (прирэднь Л) 0.36-10"

110710й 4 ЗОБ-109

Ядернсе топливо (уранпторнй) 67.2101г

206707-10'*

Нчтрадиционныо возобновляемые источники энергии

Всего 1.11-10" 182,33 10*" 20 10" 270-10®

3383-1014 560Ю'5 6 10,s 830-10*

Солнечная энергия (в ГОД) 72-10" 2.3-10" 2,3 10" 12,5 10"

221 Ю1* 710,а 7.07 10" 38,4-104

Энергия ветра (а год) 2,1-10" 26-104 2-10° 1010е

6,4 Ю'ь 80 10" 610" 30 10е

Мэлэя гидроэнергетика (а России) (о год) 2.2-10°' 360 10е 125-10й 65 10"

6.76-10"' 1,1-101г ЗВ4 10* 200 10'

Энергия биомассы 2010" 10-10® 53-10* 35-10е в год) 6.15 10,s 30.710" 163-Ю* 107 10э

Н иэко поте н и и а льн ое теп по (в год) - 525-10" 105 ТО* 31.S-10*

1.610" 323-10* . 96 10В

Геотермальная энергия (земная ""Олилина глубиной до 3 км) 11-10" 180 Ю" 20 10" 115-10"

ЗЗвЭ-Ю** 553-Ю'3 353 10*

Теппсвал энергия морем it океанов [в год) 8.62 10**

26 1С'6

Энергия припипов и отливов (в год) ' в.6 10" - -

28 10,S

Энергия вопи (в год) ( 0.37 10" -

1138 10а вся гидроэнергия мира

Таблица 1. Энергетические ресурсы Земли и России, (оценка на уровне 1994 г.)

В настоящее время все острее встает проблема ограниченности топливных природных ресурсов для целей энергоснабжения. Запасов природных ископаемых хватит по разным подсчетам на 50- 100 лет. Кроме того, усиливается опасность вредного воздействия продуктов сгорания органических топлив на состав атмосферы, приводящая к увеличению в ней С02, вызывающего парниковый эффект. С каждым годом в мире все шире развивается нетрадиционная энергетика с возобновляемыми источниками энергии. Эти источники в принципе могут обеспечить человечество экологически приемлемой энергией в количестве, намного превышающем наши потребности. Согласно программе Европейской комиссии, опубликованным в Белой книге, к 2010 году 12% получаемой энергии будут давать возобновляемые источники, из которых 5% связаны с нагревом и кондиционированием /1/. Это обстоятельство становится особенно важным, если учесть, что на эти цели сегодня тратится около 40% добываемого топлива-больше, чем на выработку электроэнергии и транспорт /1/.

Вопрос о использовании солнечной радиации для производства электроэнергии нами не изучается и должен рассматриваться особо /2, 3/. Наиболее простым устройством для получения тепловой энергии от солнца является коллектор, количество которых непрерывно увеличивается /4/. Так, согласно /5/, к концу 2001 года в мире было установлено около 100-106 л/2 коллекторов. Горячее водоснабжение для домов на 1-2 семьи требует 5-6 м2 площади коллекторов, а для обогрева 8-15 м2. В больших зданиях эта цифра может возрасти до 5000 м2161. Непостоянство прихода солнечной радиации и несовпадение по времени ее прихода и потребления приводит к необходимости создания тепловых аккумуляторов /7/. Чаще всего для этих целей используются водяные емкости.

Для небольших краткодействующих аккумуляторов (ночи и пасмурные дни) объем бака составляет 50-70 литров на 1 м2 коллектора. Для сезонных аккумуляторов эта цифра возрастает до 2000 л !м2 161. Размеры, а следовательно, и стоимость таких баков оказываются достаточно большими. Для их снижения можно использовать конструкции, в рабочей части которых тем или иным способом размещаются элементы с веществом, меняющим свое фазовое состояние, что резко повышает эффективную теплоемкость системы.

В настоящей диссертаций основное внимание уделяется исследованию аккумулирующих устройств, которые по своим признакам наиболее приемлемы для использования в системах отопления и горячего водоснабжения. Разумеется, что это не исключает применения результатов исследований при анализе и расчетах подобных систем для других целей, например, кондиционирования.

В качестве объекта исследования нами выбран аккумулятор теплоты, представляющий собой емкость, заполненную в определенном порядке сферами, внутри которых располагается теплоаккумулирующий материал, претерпевающий фазовое превращение, температура фазового перехода которого находится в пределах изменения рабочей температуры системы теплоснабжения. По мере подвода теплоты через стенку сферической частицы происходит нагревание заполняющего ее вещества и при достижении у стенки температуры, равной температуре плавления, начинается фазовое превращение, появляется жидкая фаза, что сопровождается аккумулированием теплоты. Межфазная поверхность перемещается внутрь сферы и в итоге все вещество расплавляется. При охлаждении сферы развитие процесса происходит в обратной последовательности, твердая фаза образуется у стенки и затем во всем объеме сферы, причем аккумулированная теплота выделяется в окружающую среду.

Очевидно, что значительная часть общего цикла «нагревание-охлаждение» происходит при наличии в объеме твердой фазы. Ее количество переменно, причем мера влияния конвекции в жидкой фазе по мере ее образования или исчезновения на теплоперенос изменяется во времени.

Теплоперенос в жидкой фазе, заполняющей пространство между межфазной поверхностью и стенкой корпуса или внутренняя часть объема капсулы, определяются развитием свободной конвекции /8/. Очевидно, что она в рассматриваемом случае развивается в пространстве, изменяющем размеры.

Выбор именно сфер обусловлен рядом их преимуществ, к которым прежде всего следует отнести простоту и технологичность конструкции, возможность компоновки в пучки, вставки а т.п. в целях применения в установках различных размеров и конфигурации.

Актуальность темы диссертации определяется ограниченностью запасов природных ископаемых, целесообразностью применения в теплотехнологических системах аккумуляторов с фазовыми превращениями, недостаточностью изучения процессов переноса теплоты в их объеме, несовершенством методов инженерного расчета таких устройств.

Целью работы было комплексное изучение проблем при использовании аккумулятора с фазовым переходом в составе системы теплоснабжения потребителя.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- установлены общие особенности кинетики нагревания и охлаждения аккумуляторов, заполненных сферическими частицами с теплоаккумулирующим веществом;

- выполнен анализ и обобщение информации о переносе теплоты в объеме аккумуляторов при наличии свободной конвекции в условиях плавления и затвердевания теплоаккумулирующего вещества, выявлено, что в случае отсутствия учета влияния свободной конвекции ошибка расчета может быть значительной;

- произведено сопоставление результатов расчета по предложенной методике процесса фазового перехода в условиях цилиндрической и сферической симметрии с экспериментальными данными, отклонение расчетных данных от эксперимента не составило более 20%, что укладывается в рамки инженерных расчетов; разработана схема системы альтернативного теплоснабжения конкретного удаленного потребителя, это позволяет полностью исключить затраты на топливо и вредные выбросы в атмосферу.

Практическая ценность работы определяется тем, что:

- разработан и опробован алгоритм расчета процесса фазового перехода в сферической капсуле с учетом конвекции в жидкой фазе, в результате омывания капсулы потоком теплоносителя.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на :

1. Девятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. 4-5 марта 2003г. Москва

2. Научно-практической конференции 17-19 сентября 2003г. «Энерго-и ресурсосбережение как фактор социально-экономического развития регионов центрального федерального округа» Смоленск 2003г.

3. Десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. 2-3 марта 2004г. Москва.

4. International conference on «The Integration of the Renewable Energy Systems into the Building Structures» 7-10 July 2005, T.E.I. Patra Conference Center, Greece.

5. Семинаре школы по гранту Президента РФ «Сложный теплообмен и возобновляемые источники энергии» 2003-2005 г.

6. Двенадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. 2-3 марта 2006г. Москва.

7. Всероссийской научно-практической конференции

Ресурсосбережение и экологическая безопасность» 29-30 марта 2006г. Смоленск. Публикации.

1. О.В.Тимакова, ВЛ.Мотулевич Солнечное отопление отдельных домов //Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. Девятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. 4-5 марта 2003 -Москва 2003.-Том 2. -С. 336-337.

2. О.В.Тимакова Тепловое аккумулирование солнечной энергии для нужд отопления //Энерго- и ресурсосбережение как фактор социально-экономического развития регионов центрального федерального округа: Материалы докладов Научно-практической конференции 17-19 сентября 2003г. -Смоленск, 2003. -Том 2 -С.26.

3. О.В.Тимакова, В.П.Мотулевич Тепловой расчет аккумулятора теплоты с шариковым наполнителем //Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. Десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. 2-3 марта 2004 -Москва 2004 -Том 2. -С. 408-409.

4. В.П.Мотулевич, Н.В.Калинин, А.Н.Ратников, О.В.Тимакова Использование солнечной энергии для теплоснабжения рабочих поселков в отдаленных районах. //Горный журнал, Специальный выпуск. -2004 -С. 112114.

5. International conference on «The Integration of the Renewable Energy Systems into the Building Structures» 7-10 July 2005, T.E.I. Patra Conference Center, Greece, -pp. 193-198.

6. О.В.Тимакова, В.П.Мотулевич Система солнечного отопления и горячего водоснабжения //Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. Двенадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. 2-3 марта 2006. -Москва 2006 -Том 2. -С. 485-487.

7. О.В.Тимакова, В.П.Мотулевич Солнечный аккумулятор тепла для отопления и горячего водоснабжения //Ресурсосбережение и экологическая безопасность: Материалы докладов Всероссийской научно-практической конференции 29-30 марта 2006. -Смоленск 2006 -С. 24-27.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы, приложений. Текст изложен на 126 страницах, список литературы содержит 91 наименование.

5.2. Выводы по главе 5

В результате сопоставления традиционной (газовой) системы отопления и горячего водоснабжения с альтернативным (солнечным) вариантом выявлено:

1) Традиционный вариант является более экономически выгодным в условиях сегодняшнего дня, но учитывая ограниченность запасов природных ископаемых данная ситуация может измениться уже через 40-50 лет.

2) Альтернативный вариант с экологической точки зрения является наиболее прогрессивным, так как выбросов продуктов сжигания топлива в атмосферу в нем нет вообще.

3) Для удаленных потребителей от источника газоснабжения на 40 км, в случае возрастания стоимость топлива на 20%, при снижении удельных капитальных вложениях в тепловой аккумулятор и гелиоустановку на 20% альтернативный вариант окажется предпочтительнее.

Заключение

В работе представлено решение актуальной на сегодняшний день задачи связанной с ограниченностью природных ресурсов и возросшими требованиями по охране окружающей среды. Данные решения могут быть полезны уже в настоящее время для достаточно удаленного потребителя тепловой энергии. Ценность работы в условиях роста проблемы загрязненности окружающей среды и удорожания стоимости органических топлив, очевидно, будет расти, так как реализация описанного проекта не связана с выбросами в окружающую среду и может работать с возобновляемыми источниками энергии. По работе в целом можно сделать следующие выводы:

1. В работе проведено исследование процесса фазового перехода в условиях сферической и цилиндрической симметрии. Введен новый способ нахождения эффективной теплоемкости в области границы фазового перехода, что приводит к упрощению расчета.

2. Разработана более точная, по сравнению с существующей, методика нахождения радиуса фазового перехода в условиях цилиндрической и сферической симметрии.

3. Уточнена существующая методика процесса фазового перехода в условиях цилиндрической и сферической симметрии путем введения конвективной составляющей в жидкой фазе, что позволило существенно уменьшить погрешность расчетов.

4. Проведено сопоставление полученных расчетных результатов процесса теплопередачи в цилиндре с ранее известными экспериментальными данными, отклонение которых не превышает 20%.

5. Проведено сопоставление полученных расчетных результатов процесса теплопередачи в сфере с проведенным в работе экспериментом, отклонение не превышает 17%.

6. Разработана и рассчитана модель теплового аккумулятора, состоящего из системы сферических капсул, заполненных теплоаккумулирующим веществом.

7. Для предложенного температурного графика 70/50 представляющего практический интерес, выбрано наиболее приемлемое теплоаккумулирующее вещество- гидрат окиси бария, имеющий температуру фазового перехода в рабочем интервале температур, высокую теплоту фазового перехода и относительно невысокую стоимость.

8. На примере разработанных методик рассчитана система альтернативного теплоснабжения удаленного коттеджа. Показаны случаи, когда эта система будет выгодней традиционного (газового) варианта.

9. Предложенная модель теплового аккумулятора может быть использована не только для целей запаса тепловой энергии. Путем подбора соответствующего аккумулирующего материала и теплоносителя она может быть трансформирована в аккумулятор холода и использоваться для целей кондиционирования.

1.Pilgaard О. Renewable heating and cooling // Renewable Energy World. -2004. V. 7 -№6 -pp. 137-143.

2. Даффи Дж.А., Бекман У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. -М.: Мир, 1977. -420 с.

3. Использование солнечной энергии. /Баум В.А. и др. Ашхабад: Ылым, 1985. -280 с.

4. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. -М.: Энергоатомиздат, 1991. -208 с.

5. Weiss W., Bergmann Y., Faninger G. Solar Heating Worldwide, Markets and contribution to the energy supply. IEA Solar Heating and Cooling Programme. 2004

6. Weiss W. Solar heating systems. Renewable Energy World. 2004 V. 7 №4 -pp. 214-225.

7. Аккумулирование тепловой энергии в водоносных горизонтах. Под ред. В.Р. Котлера. -М.: Энергоатомиздат 1984. -208 с.

8. Теория тепломассообмена /Исаев С.И. и др. Под ред. А.И. Леонтьева. -М.: Высшая школа, 1979. -495 с.

9. Грядунов А.И., Наджафов Р.Х. Комбинированные тепловые аккумуляторы для широкого эксплуатационного интервала температур. Баку 1991. -12 с.

10. Комбинированная солнечно-теплонасосная установка для системы теплоснабжения индивидуальных жилых домов./ Под. ред. Обозов А.Дж., Климов И.С. //Энерг. Строительство. -1994. -№2. -С. 34-37.

11. Валов М.И., Казанджан Б.И. Системы солнечного теплоснабжения. Изд-во МЭИ, 1991.-139с.

12. Берковский Б. М. Кузьминов В. А. Возобновляемые источники энергии на службе человека. -М.: Наука, 1987. -126с.

13. Информационное сообщение №131 (проспекты гелиотехнических установок). Ташкент. Фан, 1975. -55 с.

14. А.В. Лыков. Теория тепопроводности -М.: Наука, 1977. -600 с.

15. Лыков А.В. Тепломассообмен. Справочник. -М.: Энергия, 1978. -479 с.

16. Исаченко В.П. , Сукомел А.С., Осипова В.А. Теплопередача. -М.: Энергоатомиздат, 1981. -417 с.

17. Пехович А. И., Жидких В.М. Расчеты теплового режима твердых тел. — JL: Энергия , 1976. -351 с.

18. Лыков А.В. Теория теплопроводности. -М.: Высшая школа, 1967. -432 с.

19. Сперроу Е.М., Патанкар С.В., Рамадьяни С. Анализ плавления при естественной конвекции в расплаве. //Теплопередача. -М.: Мир, -1977. -№4. -С. 15-20.

20. Сперроу Е.М., Бродент Н.А. Процесс плавления в вертикальной трубе, допускающий свободное расширение среды с фазовыми превращениями //Теплопередача. -М.: Мир, -1982.- №2. -С. 85-92.

21. Сперроу Е.М., Шмидт P.P., Ремси Ж.М. Экспериментальное исследование роли естественной конвекции при расплавлении твердых веществ //Теплопередача.- М.: Мир, -1978. -№2. -С. 97-104.

22. Balhelt A.G., Viskanta R., Leidenfrost W. An experimental investigation of natural convection in the melted vegion around a heated horizontal eylindev. Hi. Fluid Mech.- 1979. -№ 90. -pp. 227-239.

23. Bareiss M., Beer H. Experimental investigation of melting heat transfer with vegard to different geometrical arrangems. //Int. Commun. Heat Mass Transfer. -1984.- №H. pp. 323-333.

24. BART G.C.J., HOOGENDOORN C.J. , SCHAAREMAN P.B.J. A Characteristic Dimensionless Time in Phase Change Problems //J. Sol. Energy Eng. Trans. ASME. -1986. -V. 108, -№4.- pp. 310-315.

25. Sparrow E.M., Schmidt R.R., Ramsey J.W. experiments on the role of natural Convection in the melting solids //J. Heat Transfer. -1978. №100. -pp. 11-16.

26. Рыбин И.В. Отчет. «Разработка мат. модели аккумулирования тепла в плавящемся материале в сферических капсулах» -1984.12. № 02850067500 224/2893.

27. Тихонов А.Н. , Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1977. -735с.

28. Самарский А.А. Теория разностных схем. -М: Наука, 1977. -658 с.

29. Самарский А.А., Моисеенко Б.Д. Экономичная схема сквозного счета для многомерной задачи Стефана. /Журнал вычислительной математики и мат. Физики, -1965, -№5, -С. 816-827.

30. Будак Б.М. , Соловьева А.Б., Успенский Е.Н. Разностный метод со сглаживанием коэффициентов для решения задач Стефана. /Журнал вычислительной математики и мат. Физики, -1965, -№5, -С. 828-840.

31. Никитенко Н.Н. Исследования процессов тепло- и массообмена методом сеток. -Киев, Наукова думка, 1987. -348 с.

32. Болдырев В.М. , Старостенко Н.Н. и В.И. Математическое моделирование теплоаккумулирующей системы фазового перехода с учетом нестационарности процессов теплообмена. Теплообмен и гидродинамика. Красноярск 1983г.

33. Теплообмен при фазовых превращениях :Сборник научных трудов. Под ред. С.С.Кутателадзе Новосибирск 1983. -110 с.

34. Теплопередача в двухфазном потоке. /Под ред. Д. Баттерворса и Г. Хьюнтта. -М.: Энергия 1980. -326 с.

35. А.Д.Полянин. Справочник по точным решениям уравнений тепло и массопереноса. -М.: Энергоатомиздат 1998. -368 с.

36. Госмен А.Д. Численные методы исследования течений вязкой жидкости. -М.: Мир 1972. -324 с.

37. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. -М.: Энергоатомиздат 1984. -152 с.

38. Насконов В.М., Полежаев В.И., Чудов JI.A. Численное моделирование процессов теплой массообмена. -М.: Наука 1984. -288 с.

39. Алексеев. В.А., Верба М.И., Светозарова Г.И. Численное решение нестационарной теплопроводности в теплообменных устройствах при наличии фазового перехода./Изв. вузов, сер. Энергетика. -1970. -№7. -С. 73-80.

40. Ландау Л.Д. Лифшиц Е.М. Статистическая физика -М.: Наука 1964. -568 с.

41. А.А.Жукаускас Конвективный теплообмен в теплообменниках. -М: Наука 1982. -472 с.

42. Сперроу, Сю. Замкнутое аналитическое решение задачи о затвердевании вблизи плоской стенки, охлаждаемой вынужденной конвекцией. /Теплопередача -М.: Мир -1981. -№3. -С. 231-233.

43. Алексеев В. А. Охлаждение радиоэлектронной аппаратуры с использованием плавящихся веществ. -М.: Энергия 1975. -89 с.

44. С.С.Кутателадзе, В.М.Боришанский. Справочник по теплопередаче. -М.: Госэнергоиздат 1959. -414 с.

45. С.С.Кутателадзе Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Справочное пособие. -М.: Энергоатомиздат 1990. -367 с.

46. Матвеев В.М. Приближенный расчет теплопередачи в аккумуляторе тепла солнечной энергоустановки. //Гелиотехника -М.: Мир -1971. -№5. -С. 85-86.

47. Б.Т.Емцев Техническая гидромеханика -М.: Энергоатомиздат 1987. -456 с.

48. Луканин В.Н. Теплотехника. -М.: Высшая школа 1999. -671 с.

49. Абдельмонейм Мохаммед Абдешьразик Тепловые режимы аккумуляторов теплоты с фазовым переходом для гелиосушилок: Диссертация кандидата технических наук-М. 1988 -144 с.

50. Галактионов В.В., Езерский А.П., Жукова И.Н. Исследование процесса плавления при наличии свободной конвекции в расплаве. :Сб. научных трудов -М; МЭИ 1982, -Вып. 560 -С. 27-35.

51. Езерский А.П. Метод решения задач конвекции и теплообмена в областях с изменяющейся по времени формой границ. //ИФЖ, -1985 т 48 -№5. -С.765-771.

52. Сперроу Е.М., Бродберг В. Прцесс плавления в вертикальной трубе, допускающей расширение среды с фазовыми превращениями. //Теплопередача -М.: Мир -1982. -№2 -С. 85-92.

53. С.В.Мищенко. Расчет теплофизических свойств веществ. -Воронеж: Изд-во Воронеж, ун-та, 1991. -207 с.

54. Тепловые свойства веществ. Справочник. -М.: Наука 1979. -215 с.

55. Карслоу, Егер Д. Теплопроводность твердых тел. -М.: Энергоатомиздат. 1964. -488 с.

56. А.Г.Лойцянский. Механика жидкости и газа. -М.: Дрофа 2003. -840 с.

57. Н.М.Беляев, А.А.Рядно Методы теории теплопроводности. -М.: Высшая школа 1982. -631 с.

58. Расчет ресурсов солнечной энергетики. /Под ред. Виссарионова В.И., -МЭИ 1989. -60 с.

59. Харченко Н.В. Теплообмен излучением в гелиосистемах теплоснабжения. -М.: Наука 1985. -254 с.

60. Справочник по климату СССР. Устойчивость и точность. Т1 ТЗ -М.: Стройиздат 1976. -250 с.

61. Справочник по климату СССР. Вып. 25 4.2. Температура воздуха и почвы. -Л.: Гидрометеоиздат, 1966. -312 с.

62. Научно- прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные, Часть 1. Выпуск 13. Солнечнаярадиация и солнечное сияние. -Ленинград: Гидрометеоиздат. 1991. -724 с.

63. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3 Многолетние данные Части 1-6 выпуск 20. -С-Пб.: Гидрометеоиздат. 1993. -717 с.

64. В. Н. Богословский, В. П. Щеглов, Н. Н. Разумов Отопление и вентиляция -М.: Стройиздат 1980. -295 с.

65. Богословский В. Н. Отопление. -М.: Стройиздат, 1991. -736 с.

66. Е.Я.Соколов Теплофикация и тепловые сети. -М.: МЭИ 1999г. -472 с.

67. Строительные нормы и правила. СНиП 2.04.01-85. Внутренний водопровод и канализация зданий. М.: Стройиздат 1986. -57 с.

68. Строительные нормы и правила. СНиП 2-33-75. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. М.: Стройиздат 1976. -97 с.

69. Строительные нормы и правила. СниП II-A.6-72 «Строительная климатология и геофизика» М.: Стройиздат 1973. -86 с.

70. Строительные нормы и правила. СниП 23-01-99 «Строительная климатология» Госстрой России 2000. -97 с.

71. Хлудов А.В. Горячее водоснабжение. -М.: Госстройиздат 1957. -324 с.

72. Староверов И. Г. Внутренние сантехнические устройства. Справочник проектировщика. Часть 1. -М.: Стройиздат 1990. -429 с.

73. Бекман Г., Гили Г. Тепловое аккумулирование энергии. -М.: Мир, 1987. -271 с.

74. Гудков В.И., Чакалев К.Н. Аккумуляция тепловой энергии для солнечных электростанций. //Гелиотехника-М.: Мир -1982. -№5. -С. 27-31.

75. Б.М.Ачилов, В.В.Чугунков. Теплопередача при периодических тепловых воздействиях и температурный режим низкопотенциальных гелиоустановок. -Ташкент 1989. -100 с.

76. Г.Карслоу, Д.Егер. Теплопроводность твердых тел. -М.: Наука 1964. -362 с.

77. Авезов P.P. Хаматов С.О. К определению перепада температур по толще стенки теплоприемника солнечных воздухонагревателей // Гелиотехника. -М. Мир, -1984.- №5. -С. 34-36.

78. Девис А., Шуберт Р. Альтернативные природные источники энергии в строительном проектировании. -М.: Стройиздат, 1982. -187 с.

79. Бекман У.А., Клейн С.А., Даффи Дж.А. Расчеты систем солнечного теплоснабжения. -М.: Энергоатомиздат 1982. -79 с.

80. Харченко Н.В., Никифоров В.А. Системы гелиотеплоснабжения зданий и методика их расчета. -М.: Наука 1984. -220 с.

81. М.М. Кенисари, П.Д. Луид, М.К. Карабаев. Численное моделирование централизованной солнечной системы теплоснабжения с сезонным аккумулятором тепла. //Гелиотехника. -М. Мир -1988. -№2. -С. 47-50.

82. Экспериментальное определение энергоемкости аккумулятора солнечной энергии. /Донской А.А., Баритко Н.В., Евсеева В.А., и др. //Технол. сер. Конструкции и композиционные материалы. -1995. -№3-4 -С. 70-72.

83. М.Я. Поз, Д.Я. Коган Определение времени зарядки баков-аккумуляторов систем гелиотеплоснабжения по различным расчетным модулям. //Гелиотехника -М.: Мир -1986. -№3. -С. 54-57.

84. Б.И. Холлиев, Б.Э. Хайритдинов, В.Д. Ким Определение количества тепла в водяном аккумуляторе солнечной сушильной установки. //Гелиотехника -М.: Мир-1990.-№1 -С. 81-83.

85. Ахмедов Р.Б. Пожарнов В.А. Эффективность включения аккумуляторов тепла в системы солнечных и комбинированных солнечно-топливных электростанций. //Гелиотехника -М.: Мир -1984. -№5. -С. 26-29.

86. М.И. Валов Выбор объема бака-аккумулятора в системе гелиотеплоснабжения. // Гелиотехника М.: Мир 1985 №5 с. 47-50

87. В.М. Чаховский Оценка эффективности использования аккумуляторов тепла на солнечных электростанциях. //Гелиотехника. -М.: Мир -1988. -№2. -С. 43-47.

88. М.И.Валов, Е.Н.Зимин Оценка экономической эффективности систем солнечного теплоснабжения -М.: МЭИ 1988. -48 с.

89. Методические указания к расчетам по курсам «Экономика энергетики и организация, планирование и управление предприятием» (характеристика энергооборудования, показатели топливоэнергоснабжения). -М.: МЭИ 1978. -27 с.

90. Теплоснабжение /Ионин А.А., Хлыбов Б.М., Братенков В.Н. и др. -М.: Стройиздат, 1982. -336 с.