автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Разработка аккумуляторов теплоты на фазовом переходе для систем теплоснабжения

На правах рукописи

005047ооо

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 па соискание ученой степени кандидата технических наук

и ШВ 2013

Курск-2012

005047885

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кобелсв Николай Сергеевич

Официальные оппоненты: Попов Виктор Михайлович

доктор технических наук, профессор, Воронежская государственная лесотехническая академия / кафедра электротехники, теплотехники и гидравлики, заведующий

Петрнкеева 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 13°" час. на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 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 Г АСУ.

Автореферат разослан 19 декабря 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.И. Колосов

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 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 квазистацнонарного 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

параметров теплоносителя (расход и температура) при нагреве и плавлении ТАМа;

- анализ эффективности аккумулятора теплоты на фазовом переходе с использованием разработанного расчетного аппарата.

Научная новизна:

1. 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;

2. 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;

3. 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;

4. Выполнен анализ влияния температуры теплоносителя на входе, продолжительности разрядки и критерия Коссовича на массогабаритные характеристики и стоимость аккумулятора теплоты (на примере парафинового аккумулятора);

5. Выполнена оптимизация массогабаритных характеристик аккумулятора теплоты на фазовом переходе и разработана новая конструкция аккумулятора без общего корпуса с помощью предложенного расчетного аппарата;

6. 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 СО, 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» ЮЗГ'У.

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 теплогютребления 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.

Во введении обосновывается актуальность проблемы, являющейся предметом рассмотрения в представленной работе, формулируются цели и задачи исследования, характеризуется научная новизна, достоверность и практическая значимость полученных результатов, указываются основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первой главе приводится обзор используемых теплоаккумулирую-щих веществ и соединений для различных температурных уровней, различных конструктивных решений аккумуляторов теплоты, анализ основных существующих численных и аналитических моделей расчета процессов тепломассообмена при плавлении-затвердевании, ставятся основные задачи исследования.

Вторая глава посвящена теоретическому описанию процесса затвердевания ТАМа и моделированию состояния аккумулятора теплоты на фазовом переходе.

Если рассмотреть баланс теплосодержания системы «расплав-твердая фаза», то при постоянной (и равной температуре фазового перехода Тф) температуре жидкой фазы можно записать

где - тепловой поток, отводимый от затвердевающего ТАМа; ст, Т, и Мт -удельная теплоемкость, среднеобъемная температура и масса твердой фазы (индекс «т») системы соответственно; г - скрытая теплота фазового перехода; т - время.

Реальные аккумуляторы чаще всего представляют собой кожух отрубные устройства, в которых единичная ячейка рабочего объема (канал для прокачивания теплоносителя и окружающий его теплоаккумулирутощий материал) имеет четко выраженную аксиальную симметрию. В связи с этим соотношение (1) конкретизируется для цилиндрического элемента конечной высоты Н, центральная часть которого занята полым каналом (трубкой) ра-

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

(1)

диуса Я, ,а остальной объем - расплавленным ТАМом. В начальный момент времени в канал поступает теплоноситель, входная температура которого 11 ниже температуры фазового перехода. Отвод тепла от затвердевающего ТАМа осуществляется только теплоносителем, так как наружная (Я = Я2) 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 12(т). Для её решения используем допущение о квазистационарности теплового состояния ФПАТ. При этом полагаем также:

1. Сечению, в котором радиус твердой фазы равен среднему ГЦ соответствуют средние температуры теплоносителя I (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 - Г 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 Цр через Мг. После ряда преобразований получаем

с!Рот _со(г, +1) с!гп 2

1 1-тг(1-Кр)

Ко

2со(г2 -1) тТ(г,2-1)ф(тТ) 1 -ехр[-Ф(шт)] 1 г, +1

(2)

4 г, — 1

Р(тг),

где Рот - число Фурье, определяемое по теплофизическим характеристикам твердой фазы:

Ро.=-

тт = Мт / М - относительная масса твердой фазы (М - масса цилиндра в твердом состоянии); со - режимный параметр единичной ячейки аккумулятора:

2-к-Х ы =-г--г;

r2= R2/ Ri - относительный наружный радиус теплоаккумулирующей ячейки; Ко - критерий Коссовича:

Через Ф(тт) и F(mT) обозначены достаточно объемные функциональные зависимости, полное описание которых в рамках автореферата затруднительно.

Зависимость (2) представляет собой обыкновенное дифференциальное уравнение, которое при G и t, = const допускает разделение переменных и решение в квадратурах (относительно числа Фурье FoT), интегрирование при этом выполняется численно. Уравнение (2) и его решение удовлетворяют предельному переходу: с увеличением радиуса кривизны Rt (при этом г2 стремится к 1) оно трансформируется в аналогичное для двумерной пластины толщиной (R2 - Ri).

Уравнение (2) или его квадратурный аналог (что предпочтительнее, если верхний предел интегрирования известен) позволяют проанализировать значимость влияния различных параметров на интенсивность процесса затвердевания ТАМа. Решение (2), полученное с использованием стандартных процедур пакета Mathcad свидетельствует о том, что с увеличением критерия Коссовича, режимного параметра и относительного радиуса кривизны слоя ТАМа процесс затвердевания «растягивается» во времени. Наибольший эффект роста числа Фурье, что как правило является желаемым результатом, достигается за счет увеличения параметра Ко, т.е. применения теплоаккуму-лирующего материала с более высоким значением удельной теплоты фазового перехода и меньшей удельной теплоемкостью твердой фазы.

Наличие временной зависимости (в неявном виде) относительной доли твердой фазы ТАМа позволяет рассчитать выходную температуру теплоносителя в безразмерной форме.

Предложенная модель разрядки аккумулятора теплоты ввиду достаточно большого количества допущений требует экспериментальной про-

ф li

• (3)

верки, изложению способа и результатов которой посвящена третья глава диссертации.

На установке, принципиальная схема которой показана на рис. 1, проведено экспериментальное исследование процесса охлаждения предварительно расплавленного парафина. Фиксируемыми параметрами являлись температуры охлаждаю идей воды на входе ^ и выходе теплообменной трубки и массовый расход воды С. Поскольку регистрируемые в опытах зависимости указанных температур от времени представляют собой реализации случайных (нестационарных) функций, измерения выполнялись неоднократно с последующим усреднением. Необходимое количество экспериментов определялось по статистической оценке среднеквадратического отклонения.

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки: I - теплоаккумулирующая ячейка; 2 - теплообменная трубка;

3 - расходомерный блок; 4 - П-образный манометр; 5 - термопары;

6 - термостат для холодных спаев; 7 - лабораторный термостат;

8 - электронагреватель; 9 - регулятор напряжения

По усредненным значениям входной и выходной температур рассчитывалась относительная температура 02, а по отсчетам времени - число Фурье. Полученные по экспериментальным данным значения б2 сопоставлялись с теоретическими (для одних и тех же моментов времени Ро), рассчитанными по (2) и (3), применение которых предполагает знание режимного параметра со, расчет которого выполнялся с использованием зафиксированных в опытах расходов воды Є (осредненных за время эксперимента). Опытные (точки) и

расчетные (линии) значения 82(Ро) для двух значений расхода воды (параметра со) приведены на рис. 2.

9;

со=0, >8

Л_4_Л_А- *

ш=0,30

о

о

2

3

Fo

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 t2mm и желаемом времени разрядки ip>Tmin. Известными при этом являются также расход охлаждающей жидкости G, её входная температура t,, а также тегшофизические характеристики теплоносителя и теплоаккумулирующего материала, включая температуру фазового перехода Тф. Наличие указанных параметров позволяет определить безразмерные величины 02т1П и Fop, соответствующие окончанию процесса затвердевания ТАМа (минимальная температура теплоносителя, максимальная продолжительность), т.е. тт = 1.

Тогда соотношения (3) и (2) могут быть интерпретированы как

= ср(г2,со); „ г,* -1 со • Ко г dm

т-Ф(т) «Ьп-—/Р(т)ат = у(4.®)

и образуют систему уравнений относительно г2 и со. Однако использование (4) из-за наличия интегрирования (подынтегральные функции также содержат искомые параметры) затруднительно. Возможный вариант упрощения состоит в аппроксимации у(г2,со) некоторой функцией с аргументами г2 и со в явном виде, что может быть сделано на основе теории планирования эксперимента.

Задача состоит в определении некоторой функции у(г2,со) (по терминологии теории эксперимента - поверхности отклика), расчет по которой дает значения РоР, совпадающие (с достаточной степенью точностью, например 5 %) с результатами расчета по функции у(г2,со). Как правило, такая функция отыскивается в виде полинома 2-ой степени:

Н/=Ь0 + Ь, X, +Ь2 -х2+Ь,2 -X, -х2 + ЬП -х^ +Ъ22 -х2,

содержащего 6 коэффициентов, для определения которых использован центральный композиционный план Бокса, реализуемый в случае двухфакторно-го эксперимента (к = 2) N = 2к+2-к+1 = 9-ю опытами.

Наличие аппроксимирующей зависимости у(г2,со) позволяет решить систему (4), используя стандартный инструментарий МсиИсай. При реализации решения, осуществляемого итерационным методом, необходимо задание начальных приближений неизвестных. Для этого достаточно задать одно из них, например г20, второе автоматически следует из первого уравнения системы (4).

Знание безразмерных параметров со и ь позволяет рассчитать массу ТАМа как в расчете на одну ячейку, так и аккумулятор в целом. При этом следует иметь в виду, что часть теплоаккумулирующего материала является балластом, так как заполняет пустоты между ячейками. Так, при треугольной упаковке, наилучшим образом обеспечивающей симметрию температурных полей ячеек (за исключением периферийных) доля такого балласта составляет -30 % по отношению к полезной массе ТАМа.

©2т,„ =1-ехр

со-К„

(г22-1)1пг2

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 ^(т)) 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 а применение гнутых вставок позволяет сократить вертикальный габарит ячейки (при сохранении длины).

Другой немаловажной проблемой использования аккумулятора является существенное падение выходкой температуры 12 на начальном этапе

Рис. 3. К задаче разрядки двухсекционного аккумулятора'. — - обеягка секций при зарядке АТ

разрядки. В работе оцениваются различные способы выравнивания 12(т), а также влияния на продолжительность процесса охлаждения ТАМа. Показано, что для повышения выходной температуры теплоносителя и снижения затрат на изготовление теплоаккумулирующих ячеек нет необходимости использовать ТАМ с как можно большей удельной теплотой фазового перехода - достаточно обеспечить оптимальное значение критерия Ко.

Рис. 4. Конструкция бескорпусного аккумулятора теплоты: 1 - теплоаккумулирующие ячейки;

2, 3 - нижняя и верхняя сборные камеры (коллектора);

4, 5 - нижняя и верхняя трубные доски; 6 - теплообменная трубка;

7 - корпус; 8 - тепловая изоляция; 9 -ТАМ

В пятой главе также выполнена оценка условий экологической целесообразности установки аккумуляторов теплоты в системах теплоснабжения с источниками теплоты на органическом топливе. Показано, что если с ростом тепловой нагрузки, а следовательно мощности котла, произведение квадрата объемной концентрации СО? в уходящих газах на их массовый расход увеличивается нелинейно, причем указанная зависимость является выпуклой, отключение источника на время использования аккумулированной теплоты даёт положительный экологический эффект, т.е. обеспечивает сокращение выбросов парниковых газов.

В работе предлагается схемное решение по включению аккумулятора теплоты в систему децентрализованного теплоснабжения (рис. 5).

і

— ¡0

"Ь

А

-М НЛ]

Г

Чйз

Рис. 5. Принципиальная схема децентрализованного теплоснабжения с аккумулированием теплоты: 1 - котел: 4, 5 - аккумуляторы теплоты; 6 - система отопления; 9 - циркуляционный

насос; 10 - расходный бак горячего водоснабжения; I 1 - подкачивающий насос; 2' и 2", 3' и 3", 7' и 7". 8, 12, 13' и 13", 14' и 14", 15 - запорно-регулирующая арматура

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 теплоакку-мулирующей ячейки т2 и режимного параметра ш), наличие которых позволяет рассчитать конкретные конструктивные характеристики как отдельной ячейки, так и аккумулятора в целом.

ВЫВОДЫ

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 12р 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.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, входящих в Перечень ВАК

1. Умеренков, Е.В. Моделирование процесса разрядки фазопереход-ного 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 Юго-Западного гос. ун-та. - 2011. - № 5-2 (38). - С. 348-350.

4. Умеренков, Е.В. Моделирование процесса затвердевания теплоак-кумулирующего 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 /

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

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ АККУМУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА.

1.1 Вещества и соединения используемые в качестве теплоаккумулирующего материала (ТАМа).

1.2 Конструкции накопителей теплоты.

1.2.1. Накопители теплоты, реализующие пассивный теплообмен.

1.2.2. Накопители теплоты, реализующие активный теплообмен.

1.3. Математические модели теплового режима накопителей на фазовом переходе плавление - затвердевание.

1.3.1. Описание теплового состояния аккумулятора теплоты.

1.3.2. Упрощенные модели теплового состояния аккумулятора теплоты.

Выводы и задачи исследования

ГЛАВА 2. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА АККУМУЛЯТОРОВ ТЕПЛОТЫ НА ФАЗОВОМ ПЕРЕХОДЕ НА ОСНОВЕ КВАЗИСТАЦИОНАРНОГО ПРИБЛИЖЕНИЯ.

2.1. Исходные положения.

2.2. Взаимосвязь среднеобъемной температуры и теплового потока с массой твердой фазы.

2.3. Определение зависимости массы твёрдой фазы от времени.

2.4. Моделирование процесса затвердевания.

2.5. Расчет выходной температуры теплоносителя.

2.6.0ценка режима зарядки фазопереходного аккумулятора теплоты

ФПАТ).

Выводы ко второй главе.

ГЛАВА 3. СОПОСТАВЛЕНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОЙ МОДЕЛИ ТЕПЛОМАССОБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ АККУМУЛЯТОРА ТЕПЛОТЫ НА ФАЗОВОМ ПЕРЕХОДЕ С ЭКСПЕРИМЕНТОМ.

3.1. Экспериментальная установка и методика измерений.

3.1.1. Размеры теплоаккумулирующего элемента.

3.1.2. Принципиальная схема установки.

3.1.3. Выбор параметров электронагревателя.

3.1.4. Методика проведения эксперимента.

3.2. Тарировка датчиков расхода и температуры, погрешности и планирование измерений.

3.2.1 .Тарировка расходомерного блока.

3.2.2. Тарировка датчиков температуры.

3.2.3. Планирование эксперимента.

3.2.4. Обработка опытных данных.

3.3. Результаты экспериментального исследования и их сопоставление с рассчетными.

Выводы к третьей главе

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА АККУМУЛЯТОРА ТЕПЛОТЫ НА ФАЗОВОМ ПЕРЕХОДЕ НА ОСНОВЕ

ПРЕДЛАГАЕМОЙ МОДЕЛИ.

4.1. Тепловой расчет ФПАТ по условиям разрядки.

4.1.1. Определение поверхности отклика.

4.1.2. Реализация численного эксперимента по определению числа Фурье.

4.1.3. Определение коэффициентов полиномиальной модели.

4.1.4. Алгоритм расчета относительного радиуса теплоаккумулирующей ячейки и режимного параметра.

4.1.5. Определение массы теплоаккумулирующего материала.

4.2. Учет переменности расхода охлаждающей жидкости при расчете параметров ФПАТ.

4.3. Поверочный расчет ФПАТа по условиям зарядки (нагрева ТАМа).

Выводы к четвертой главе.

ГЛАВА5. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФАЗОПЕРЕХОДНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ ТЕПЛОТЫ И СПОСОБОВ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРЕДЛАГАЕМОГО ПОДХОДА.

5.1. Пример теплового расчета ФПАТ.

5.2. Секционирование ФПАТ.

5.2.1. Учет влияния зависимости температуры теплоносителя на входе в ФПАТ при расчете параметров накопителя теплоты.

5.2.2. Расчет двухсекционного ФПАТ.

5.2.3. Результаты расчета ФПАТ.

5.3. Конструкция бескорпусного ФПАТ.

5.4. Влияние различных факторов на выходную температуру теплоносителя.

5.4.1. Расчет параметров аккумулятора по более высокой выходной температуре теплоносителя.

5.4.2. Использование дополнительного бака-аккумулятора.

5.4.3. Сокращение продолжительности разрядки ФПАТ.

5.4.4. Влияние на выходную температуру критерия Коссовича Ко.

5.5. Экологические аспекты использования аккумуляторов теплоты.

Выводы к пятой главе.

Актуальность темы

Использование нетрадиционных источников энергии для целей теплоснабжения жилых, общественных и производственных зданий получило в последнее десятилетие очень мощный импульс, в особенности в странах Европейского союза, где к 2020-му году предполагается снизить выбросы СОг на 20%. Вполне вероятно, что этот рубеж будет перекрыт , так как уже в 2011 году в 27 странах ЕС выбросы парниковых газов по сравнению с 1990 годом, принятым за базовый в рамках Киотского протокола, снизились на 17,5%, в 15 странах с общим уровнем обязательств - на 14,1% . Причем, по данным Европейского агентства по окружающей среде «наиболее значительный вклад в снижение выбросов . внесли домохозяйства и сектор услуг», что свидетельствует о существенной доле в итоговом результате сокращения выбросов от источников энергии систем теплоснабжения.

Действительно, приобретение, установка и эксплуатация нетрадиционных систем энергопотребления, в частности солнечных, в некоторых европейских государствах стали вполне рутинным делом, тем более что стоимость оборудования соизмерима с таковой для традиционных систем. Например, комплект для горячего водоснабжения индивидуального жилого дома, включающий солнечный коллектор площадью 4 м2 с трубками в вакуумированных оболочках, бак-аккумулятор на 300 л и вспомогательное оборудование (насос, арматура и пр.) обойдутся потребителю в 2750 € . При этом можно рассчитывать на субсидию в размере 410 евро - государственная поддержка через федеральное ведомство (речь идет о Германии) по контролю за экспортом (ВАРА).

К сожалению, такая благостная ситуация пока не относится к Российской Федерации, где объекты, оснащенные энергосберегающими и другими «умными» устройствами, до сих пор являются уникальными. Тем не менее, российский рынок постепенно насыщается подобного рода изделиями, которые находят своего потребителя. Скорее всего, это вопрос времени.

Несмотря на достаточно высокий уровень развития техники энергосбережения и использования возобновляемых источников энергии, существует определенный круг проблем, требующих дополнительных изысканий. В частности, практически все солнечные и теплонасосные системы теплоснабжения (теплоотдатчик - грунт, водоемы, наружный воздух) содержат аккумуляторы теплоты. Как правило, это емкость с водой или твердыми элементами естественного или искусственного происхождения (камни, галька и т.п.). Таким образом, из всех возможных вариантов запасания теплоты используется наиболее простой способ - аккумулирование в теплоемкостных массах (по крайней мере, в изделиях , доведенных до потребительского уровня).

В тоже время хорошо известно, что существенно более эффективным, в частности в отношении массогабаритных характеристик устройства, является аккумулирование с использованием скрытой теплоты фазового перехода плавление-затвердевание. Однако его применение в инженерной практике сдерживается рядом сопутствующих отрицательных факторов, преодоление которых составляет предмет достаточно интенсивных исследований, проводимых, как в научных центрах, так и в лабораториях корпораций различных стран.

К настоящему времени апробировано большое количество веществ и соединений в качестве теплоаккумулирующих материалов (ТАМ) для различных температурных уровней, хотя поиски ТАМа, удовлетворяющего всему комплексу требований, продолжаются. Другой не менее значимой, наряду с поисками материалов, является проблема теплопередачи между теплоносителем и рабочим телом. Активный теплообмен, предполагающий их непосредственный контакт более эффективен, однако, реализация такового технически, значительно сложнее и дороже. В настоящее время, наибольшее распространение получили кожухотрубные устройства (пассивный теплообмен).

Проектирование аккумуляторов теплоты (АТ) с требуемыми техническими характеристиками невозможно без соответствующих алгоритмов и методик расчета. В свою очередь, разработка таковых предполагает наличие адекватной модели теплового состояния системы ТАМ — теплоноситель. При этом, как показано в ряде исследований, определяющую роль играет режим разрядки аккумулятора (нагрева теплообменивающейся среды), в силу специфики тепломассообмена в данный период процесса. Речь идет об образовании на поверхности теплообмена (на поверхности теплообменных трубок) слоя затвердевающего ТАМа, обладающего значительным термическим сопротивлением, что приводит к «запиранию» потока тепла, отводимого теплоносителем. Поэтому параметры АТ, определенные для условий разрядки, напрямую связаны с его потребительскими свойствами.

Теоретическое описание проблемы весьма затруднительно, т.к. сводится к многомерной (как минимум двухмерной), нелинейной задаче Стефана, осложненной конвекцией в жидкой фазе. Несмотря на многочисленные попытки аналитического и численного ее решения, полученные результаты и в настоящее время, и в обозримом будущем, малополезны для реального проектирования натурных объектов. В связи с этим, проводятся достаточно интенсивные исследования по разработке математических моделей теплового состояния аккумуляторов теплоты. Основанием для этого служат, как правило, экспериментальные результаты, полученные на модельных установках различного типа. Однако, предложенные в настоящее время модели, обладают рядом ограничений и носят, скорее, оценочный характер (не учитываются нестационарность процессов, зависимость теплофизических характеристик от температуры, требуется достаточно точное их знание и др.).

В соответствии со сказанным необходимо проведение дальнейших исследований по рассматриваемым направлениям и разработка достоверных математических моделей тепловых режимов аккумуляторов теплоты на фазовом переходе, которые, в свою очередь, будут служить основой методик расчета, чему и посвящена настоящая работа. Актуальность ее продиктована потребностью систем альтернативного теплоснабжения в высокоэффективных аккумуляторах теплоты, наиболее перспективными из которых, в настоящее время, являются аккумуляторы на фазовом переходе.

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 параметров теплоносителя (расход и температура) при нагреве и плавлении ТАМа;

- анализ эффективности аккумулятора теплоты на фазовом переходе с использованием разработанного расчетного аппарата.

Научная новизна:

1. 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.

2. 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.

3. Разработаны алгоритм и методика расчета безразмерных параметров аккумулятора (относительного радиуса теплоаккумулирующей ячейки и режимного параметра), знание которых позволяет рассчитать массу теплоаккумулирующего материала и размеры аккумулятора.

4. Выполнен анализ влияния температуры теплоносителя на входе, продолжительности разрядки и критерия Коссовича на массогабаритные характеристики и стоимость аккумулятора теплоты (на примере парафинового аккумулятора).

5. Выполнена оптимизация массогабаритных характеристик аккумулятора теплоты на фазовом переходе и разработана новая конструкция аккумулятора без общего корпуса с помощью предложенного расчетного аппарата.

6. 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 СОг в уходящих газах на их массовый расход увеличивается нелинейно ; 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 математической модели реальному процессу оценивалась сопоставлением расчетных данных с экспериментальными.

Практическая значимость. Разработан новый подход описания теплового состояния аккумулятора теплоты и разработана 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 результаты диссертации докладывались на следующих научно-технических конференциях:

Биосферо-совместимые технологии в развитии регионов», международная научно-техническая конференция , Курск, 2011г.

- «Актуальные вопросы строительной физики - энергосбережение, надежность, экологическая безопасность», IV Академические чтения , посвященные памяти академика Г.Л. Осипова, 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. По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 84 наименований и приложений. Работа изложена на 196 страницах, в текст диссертации включено 47 рисунков, 16 таблиц.

Выводы к пятой главе

1. Применение изложенной в гл.4 методики теплового расчета ФПАТ проиллюстрировано (при заданном постоянном расходе нагреваемого теплоносителя) на конкретном численном примере. В качестве ТАМа принят парафин, используемый для экспериментальной проверки (гл.З). Определены основные конструктивные характеристики - масса ТАМа как для отдельной теплоаккумулирующей ячейки, так и АТ в целом, их размеры, рассчитан временной ход (до состояния полного затвердевания ТАМа) выходной температуры теплоносителя.

2. Предложенный в диссертации подход для описания теплового состояния затвердевающего полого цилиндра конечной длины распространен на случай переменной входной температуры теплоносителя, прокачиваемого через внутреннюю полость цилиндра (теплообменную трубку), что позволило реализовать расчет секционируемого аккумулятора теплоты (температура теплоносителя на входе во вторую и последующие секции (ступени) переменна).

3. Расчет многоступенчатого АТ показывает, что наличие двух секций заметно сокращает (до 10-15%) массу ТАМа, добавление 3-ей уже менее эффективно (плюс 1-2%) и вряд ли целесообразно. Что касается высоты (длины) тма-ячеек, величина которой может достигать десятков и даже сотен метров, то её сокращение путем секционирования аккумулятора сравнительно невелико (3-5%).

4. Улучшить массогабаритные характеристики АТ, в частности избавиться от баластной массы ТАМа (ТАМа, заполняющего пустоты между отдельными ячейками, а также между переферийными ячейками и корпусом аккумулятора) и уменьшить вертикальные размеры аккумулятора за счет использования для тма-ячеек гнутых вставок, т.е выполняя ячейки и,П-образными или в виде вертикальных змеевиков, возможно при отказе от общего корпуса аккумулятора и наличии отдельных теплоизолированных кожухов у каждой тма-ячейки.

5. Расчет температуры теплоносителя на выходе из ФПАТ показывает, что в течение достаточно короткого периода выходная температура t2 претерпевает резкое падение от начальной до значения, незначительно превышающего t2p. Повышение конечной выходной температуры t2p возможно за счет увеличения массы ТАМа и длины ячеек. Что касается применения материала с более высоким значением критерия Коссовича, пропорциональным скрытой теплоте фазового перехода, то, как показали расчеты, существует некоторое оптимальное значение Ко, сверх которого t2p начинает падать. Данный факт весьма важен с практической точки зрения (нет нужды искать ТАМ с как можно большим г!), но требует дополнительной физической интерпретации.

6. Получить теплоноситель с постоянной температурой возможно также путем установки дополнительного бака-аккумулятора, в котором вода, нагретая во ФПАТ скапливается (с температурой более высокой чем t2p, поскольку равна среднеинтегральному значению), а используется (например, для горячего водоснабжения) по окончании периода разрядки фазопереходного аккумулятора, продолжительность которого в этом случае следует по возможности, уменьшить.

7. Вопреки расхожему мнению установка аккумуляторов теплоты в обычных (традиционных) системах теплоснабжения не дает экономии энергоресурсов (и соответствующих затрат), однако при определенных параметрах источника теплоты (для зарядки AT) может обеспечить сокращение выбросов парниковых газов (С02), т.е. экологически целесообразна.

Заключение

Полученные при выполнении представленной работы результаты позволяют сделать следующие общие выводы:

1. Исследования в области аккумулирования тепловой энергии с использованием фазового перехода плавление-затвердевание весьма актуальны, что подтверждается значительным количеством публикаций по данной тематике, а также высокой интенсивностью деятельности в данной области знаний как в научных центрах, так и корпоративных лабораториях. Одним из важнейших направлений исследований является разработка упрощенных достоверных математических моделей тепловых режимов аккумуляторов теплоты на фазовом переходе, которые, в свою очередь, используются в качестве основы инженерных методик расчета, чему и посвящена настоящая работа.

2. Предложенная , на основе ряда физически допустимых упрощающих предпосылок, в том числе о квазистационарности процесса затвердевания, математическая модель охлаждения затвердевающего полого цилиндра ограниченной высоты, позволяет отказаться от решения двумерной задачи Стефана и перейти к отысканию относительной массы твёрдой фазы системы в зависимости от времени, оценить время разрядки накопителя тепла и выходную температуру теплоносителя. Полученные соотношения позволяют анализировать влияние различных факторов на интенсивность процесса затвердевания ТАМа.

3. Проведенное экспериментальное исследование подтверждает адекватность предлагаемой модели теплового режима фазопереходного аккумулятора теплоты кожухотрубного типа, что позволяет использовать данную модель для разработки алгоритма и методики теплового расчета аккумуляторов этого типа.

4. Предложенная и подтвержденная экспериментально физико-математическая модель описания тепломассопереноса в двухфазной (твердое тело - жидкость) среде позволила разработать методику теплового расчета фазопереходного аккумулятора теплоты цилиндрической геометрии. Суть методики состоит в определении безразмерных параметров (относительный радиус тма-ячейки г2 и режимный параметр 5), наличие которых позволяет рассчитать конкретные конструктивные характеристики, в частности, массу теплоаккумулирующего материала как отдельной ячейки, так и аккумулятора в целом.

5. Использование разработанной методики позволяет не только определить параметры устройства, но и выполнить анализ (а при необходимости и оптимизировать) влияние на них различных факторов. В частности, установлено (на конкретном численном примере), что секционирование аккумулятора уменьшает необходимую массу ТАМа достаточно заметно (10-15%), но малоощутимо в отношении высоты (длины) тма-ячеек, значение которой может которой может достигать десятков и даже сотен метров.

6. Улучшить массогабаритные характеристики АТ, в частности сократить вертикальные размеры аккумулятора за счет использования для тма-ячеек гнутых вставок, т.е выполняя ячейки и,П-образными или в виде вертикальных змеевиков, возможно при отказе от общего корпуса аккумулятора и наличии отдельных теплоизолированных кожухов у каждой отдельной ячейки.

7. Повышение конечной выходной температуры t2p возможно за счет увеличения массы ТАМа и длины ячеек, а также применения материала с более высоким значением критерия Коссовича, пропорциональным скрытой теплоте фазового перехода. Но, как показали расчеты, существует некоторое оптимальное значение Ко, сверх которого t2p начинает падать. Данный факт весьма важен с практической точки зрения (нет нужды искать ТАМ с как можно большим г!), но требует дополнительной физической интерпретации.

8. Получить теплоноситель с постоянной температурой возможно также путем установки дополнительного бака-аккумулятора, в котором вода, нагретая во ФПАТ скапливается (с температурой более высокой чем 12р, поскольку равна среднеинтегральному значению), а используется (например, для горячего водоснабжения) по окончании периода разрядки фазопереходного аккумулятора, продолжительность которого в этом случае следует по возможности, уменьшить.

9. Установка аккумуляторов теплоты в системах теплоснабжения при определенных параметрах источника теплоты (для зарядки АТ) может обеспечить сокращение выбросов парниковых газов (С02), т.е. экологически целесообразна. В этой связи предлагается схема установки ФПАТ в тепловом пункте (котельной) традиционной системы теплоснабжения.

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ

Т - температура; т - время;

X - пространственная координата; с, X и р- теплоемкость, теплопроводность и плотность соответственно; М- масса теплоаккумулирующего материала; Р - площадь поверхности теплообмена; V- объем теплоаккумулирующего материала; ТАМ - теплоаккумулирующий материал;

Яр - тепловой поток, отводимый теплоносителем от затвердевающего ТАМа; - удельная энтальпия;

Т- среднеобъемная температура;

Тф - температура фазового перехода; г- скрытая теплота фазового перехода;

С - массовый расход теплоносителя ;

- наружный радиус теплообменного канала; Я2 - наружный радиус теплоаккумулирующей ячейки; М

Нп=-т—о--высота ТАМа при полном его расплавлении (начальная);

7и-(К|-Щ)-рж кр=рж/ рт;

К^ХяДт;

Кс-Сж/сх,

ШТ(Ж)=МТ(Ж)/М - относительная масса твёрдой (жидкой) фазы; г2=К2Я11 относительный наружный радиус тма-ячейки; г-тг^-н-Я! со=--——- — режимныи параметр единичнои ячеики аккумулятора; с-О-^-К]) т • Лт

FoT =-—-—-г? — число Фурье; т ст • Рт • (я2 - ад2 г

Ко =--f-г — критерий Коссовича. ст ' (Тф - к) л

5 = 2VM/c*G*pT-Ri — модифицированный режимный параметр;

Л/ м <ч

FoT - модифицированное число Фурье, связанное с FoT, как FoT = Fox/(r2 -1);

ФПАТ - фазопереходный аккумулятор теплоты; тма-ячейка - теплоаккумулирующая ячейка; индексы «т» и «ж» относятся к твердой и жидкой фазам системы.

1. Аллонкль. P. Исследование теплового аккумулятора со скрытой теплотой в периодическом режиме. Применение к материалу, заключенному в оболочку / Р. Аллонкль//Revue Generale de Thermique. 1983. - T. 22, № 254. - С. 161-167.

2. Андреев, E. И. Расчет тепло- и массообмена в контактных аппаратах / Е. И. Андреев. JL: Энергоатомиздат, 1985. - 192 с.

3. Аэров, М. Э. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем / М. Э. Аэров, О. М. Тодес. JL: Химия, 1968. - 502 с.

4. Аэров, М. Э. Аппараты со стационарным зернистым слоем. Гидравлические и тепловые основы работы / М. Э. Аэров, О. М. Тодес, Д. А. Наринский. JL: Химия, 1979. - 527 с.

5. Богословский, В. Н. Расчет аккумуляторов тепла с фазовым переходом в элементах канонической формы / В. Н. Богословский, Э. JI. Лихтенштейн, P.P. Мана-сыпов // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1985. - № 12. - С. 78-79.

6. Бутузов, В. А. Анализ опыта разработки и эксплуатации гелиоустановок в Краснодарском крае / В. А. Бутузов // Энергетическая эффективность. 2002. - № 34.-С. 54-61.

7. Быстрое, В. П. Теплоаккумуляторы с использованием фазового перехода / В. П. Быстров, А. В. Ливчак // Вопросы экономии теплоэнергетических ресурсов в системах вентиляции и теплоснабжения: сб. науч. трудов. М.: Изд-во ЦНИИ-ЭПИО, 1984. - С. 75-90.

8. Врине, Е. Исследование установки, работающей в периодическом режиме, для аккумулирования тепла скрытой теплотой / Е. Врине // Revue Generale de Thermique. 1983. - T. 22, № 254. - С. 183-188.

9. Двайт, Г. Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы: пер. с англ. / Г. Б. Двайт. 2-е изд., испр. - М.: Наука, Гос. изд. физ-мат. лит., 1966. -228 с.

10. Дихтиевский, О. В. Численное моделирование оптимального теплового аккумулятора на фазовом переходе / О. В. Дихтиевский, Г. В. Конюхов, О. Г. Марты-ненко, И. Ф. Юревич // Инженерно-физический журнал. 1991. - Т. 61, № 5. - С. 749755.

11. Зайдель, А. Н. Погрешности измерений физических величин / А. Н. Зай-дель; отв. ред. Ж. И. Алферов. Л.: Наука, 1985. - 112 с.

12. Заявка 55-272559310 INT.C15 F 24 F 5/00. Теплоаккумулятор / Matsushita Denki Sangyo K.K.; заявитель Matsushita Denki Sangyo K.K. Заявл. 02.07.74; опубл. 19.07.80, № 49-76127. - 3 с.

13. Заявка 2341831, Франция. Теплообменник, аккумулирующий тепло и способ передачи и аккумулирования тепла, поступающего в теплообменник.- Опубл. 21.10.77, №42.

14. Заявка 1578887, Великобритания. Аккумуляторные нагреватели. -Опубл. 1980 г., №4781.

15. Заявка 2461209, Франция. Аккумулятор для аккумулирования тепла и холода. Опубл. 06.03.81, № 10.

16. Заявка 61-272281. Состав, аккумулирующий тепло / Кагэяма Икудзо; заявитель Кагэяма Икудзо. № 60-115111 // РЖ Химия. - 1988. - № 6. - Л72 П.

17. Камимото, Абе Е. Теплообменники в накопителях скрытой тепловой энергии / Абе Е. Камимото, К. Канари // Solar Energy. 1980.- Vol. 24. - P. 581-622.

18. Кафтанова, Ю. В. Специальные функции математической физики / Ю. В. Кафтанова. Харьков: Новое слово, 2009. - 238 с.

19. Кириллов, П. JI. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы) / П. Л. Кириллов, Ю. С. Юрьев, В. П. Бобков; под. общ. ред. П. Л. Кириллова. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 360 с.

20. Кобелев, Н. С. Решение задачи отвода теплоты от затвердевающего теп-лоаккумулирующего материала (ТАМа) / Н. С. Кобелев, Э. В. Котенко, Е. В. Умерен-ков // Известия Курск, гос. техн. ун-та. 2010. - № 1 (30). - С. 77-81.

21. Кобелев, Н. С. К расчету характеристик кожухотрубного аккумуляторатепла на фазовом переходе / Н. С. Кобелев, Э. В. Котенко, Е. В. Умеренков // Известия Курск, гос. техн. ун-та. 2011. - № 5-2 (38). - С. 331-334.

22. Короткое, П. А. Динамические контактные измерения тепловых величин / П. А. Коротков, Г. Е. Лондон. Л.: Машиностроение, 1974. - 224 с.

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

24. Коган, Б. С. Теплоаккумулирующие составы на основе сульфата натрия / Б. С. Коган, К. В. Ткачев, В. М. Шамриков // Сб. тр. ФГУП «УНИХИМ с 03». -2005. № 72. - (http://unichim.ru/back/tmpfile/526994833.pdf). - (01.11.2012).

25. Авалиани, Д. И. Комплексная система из гелиоконцентратора и ветроэлектрической установки для отопления и горячего водоснабжения / Д. И. Авалиани, 3. Т. Габуния // Гелиотехника. 1987. - С. 68-71.

26. Котенко, Э. В. Разработка математической модели и методики расчета аккумуляторов теплоты на фазовом переходе: автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.14.05 / Котенко Элина Владимировна. Курск, 1996. - 15 с.

27. Кутателадзе, С. С. Основы теории теплообмена / С. С. Кутателадзе. Новосибирск, 1970. - 658 с.

28. Левенберг, В. А. Аккумулирование тепла / В. А. Левенберг, М. П. Ткач, В. А. Гольстрем. Киев: Тэхника, 1991. -112 с.

29. Лукашов, Ю. М. Исследование характеристик теплового аккумулятора на фазовом переходе / Ю. М. Лукашов, Б. 3. Токарь, Э. В. Котенко // Теплоэнергетика : межвуз. сб. / Воронеж, политехнич. ин-т. Воронеж: ВПИ, 1993. - С. 100-106.

30. Лукашов, Ю. М. Исследование характеристик теплового аккумулятора на фазовом переходе / Ю. М. Лукашов, Б. 3. Токарь, Э. В. Котенко // Труды 1-й рос. нац. конф. по теплообмену / Московский энергетич. ин-т. М.: Изд-во МЭИ, 1994. -Т. 5.-С. 109-113.

31. Лукашов, Ю. М. К вопросу об эффективной теплоемкости системырасплав-твердая фаза» / Ю. М. Лукашов, Б. 3. Токарь, Э. В. Котенко // Труды юбилейной научной конференции: межвуз. сб. / Курск, гос. техн. ин-т. Курск, 1995. - С. 98-101.

32. Лыков, А. В. Теория теплопроводности / А. В. Лыков. М.: Высш. шк., 1967.-600 с.

33. Лыков, А. В. Теория тепло- и массопереноса / А. В. Лыков, Ю. А. Михайлов. -M.; Л.: Госэнергоиздат, 1963. 535 с.

34. Манасыпов, Р. Р. Математическое и физическое моделирование процессов теплообмена в аккумуляторе фазового перехода / Р. Р. Манасыпов, Э. Л. Лихтенштейн // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1988. - № 8 -С. 88-92.

35. Манасыпов, Р. Р. Тепловой расчет энергоактивного ограждения при фазовых превращениях в теплоаккумулирующем слое / Р. Р. Манасыпов // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1990. - № 7. - С. 63-71.

36. Осипова, В. А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена / В. А. Осипова. Изд. 2-е. - М.: Энергия, 1969. - 392 с.

37. Пат. 2-52178 Япония, МКИ F 24 J 2/04. Теплоаккумулирующая панель для стены здания / Matsushita Denki Sangyo К.К.; заявитель и патентообладетель Matsushita Denki Sangyo K.K. № 712353; заявл. 19.09.76; опубл. 25.05.78.

38. Пат. 4109702 США, МКИ F 28 D 21/00. Аккумулятор энергии и отбор ее в виде тепла. № 712353; заявл. 06.08.76; опубл. 29.08.78.

39. Пат. 4099557 США, МКИ F 28 D 21/00. Аккумулятор тепла. № 453625; заявл. 12.09.88,, опубл. 23.07.90.

40. Пат. 4219075 США. Теплоаккумулирующее устройство. Опубл. 26.08.80, Бюл. № 4, т. 997.

41. Пат. 4249592 США. Высокотемпературное хранение тепла и система восстановления. Опубл. 10.02.81, Бюл. № 2, т. 1003.

42. Пат. 4221259 США. Способ хранения калорий. Опубл. 09.09.80, Бюл. № 2, т. 9982.

43. Пехович, А. И. Расчеты теплового режима твердых тел / А. И. Пехович,

44. B. М. Жидких. Л.: Энергия, 1976. - 127 с.

45. Пономарева, Н. В. Линейная алгебра: линейные преобразования и квадратичные формы: метод, указания: в 2 ч. Ч. 2 / Н. В. Пономарева. Оренбург: ГОУВ-ПО ОГУ, 2002. - 53 с.

46. Романков, П. Г. Теплообменные процессы химической технологии / П. Г. Романков, В. Ф. Фролов. Л.: Химия, 1982. - 288 с.

47. Румшинский, Л. 3. Математическая обработка результатов измерений / Л. 3. Румшинский. М.: Наука, 1971. - 192 с.

48. Славутский, Л. А. Основы регистрации данных и планирования эксперимента: учеб. пособие / Л. А. Славутский. Чебоксары: Изд-во ЧГУ, 2006. - 200 с.

49. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами / под ред. М. Абрамовича, И. Стигана. М.: Наука, 1979. -832 с.

50. Сперроу, Сю. Замкнутое аналитическое решение задачи о затвердевании вблизи плоской стенки, охлаждаемой вынужденной конвекцией / Сю Сперроу // Теплопередача. 1983.- № 3.- С. 231-233.

51. Технология накопления тепловой энергии. Аккумуляция скрытой теплоты / Такэо Одзава и др. // Кикай но кэнюо. 1982. - Т. 34, № 11. - С. 1235-1238.

52. Токарь, Б. 3. Приближенный расчет температуры теплоносителя на выходе из фазопереходного аккумулятора теплоты (режим разрядки) / Б. 3. Токарь, Ю.

53. C. Быковцев, Э. В. Котенко // Труды 2-й рос. нац. конф. по теплообмену / Московский энергетич. ин-т. М.: Изд-во МЭИ, 1998. - Т. 7. - С. 217-220.

54. Умеренков, Е. В. Моделирование процесса разрядки фазопереходного аккумулятора теплоты кожухотрубного типа / Е. В. Умеренков, Э. В. Котенко // Научный вестник Воронеж, гос. арх.-строит. ун-та. Строительство и архитектура. 2011. -№ 1 (21)-С. 34-39.

55. Умеренков, Е. В. Моделирование процесса затвердевания теплоаккуму-лирующего материала / Е. В. Умеренков, Э. В. Котенко // Научный вестник Воронеж, гос. арх.-строит. ун-та. Строительство и архитектура. 2012. - № 1 (25) - С. 41-49.

56. Умеренное, Е. В. Моделирование режима зарядки аккумулятора теплоты на фазовом переходе / Е. В. Умеренков, Э. В. Котенко // Известия Юго-Западного гос. ун-та. 2011. - № 5-2 (38). - С. 348-351.

57. Умеренков, Е. В. Тепловой расчет кожухотрубного аккумулятора тепла на фазовом переходе на основе квазистационарного приближения / Е. В. Умеренков, Э. В. Котенко // Известия Юго-Западного гос. ун-та. 2012. - № 4-2 (43). - С. 211-216.

58. 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.

59. Хартман, К. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов: пер. с нем. / К. Хартман, Э. Лецкий, В. Шефер и др. // Москва: Мир, 1977.-552 с.

60. Цымбалюк, Ю. В. Исследование процессов с фазовыми переходами материалов с пластинчатыми инклюзивами в тепловых аккумуляторах: автореф. дис. . канд. техн. наук: 01.04.14 / Цымбалюк Юлия Валерьевна. Астрахань, 2006 .- 15 с.

61. Шабалина, С. Г. Теплоаккумулирующие свойства природных и синтетических восков / С. Г. Шабалина, Л. В. Боровская // Современные наукоемкие технологии. 2010. - № 4 - С. 98-99.

62. Юринак, Дж. Дж. Определение параметров элементов, аккумулирующих энергию при фазовом переходе, для солнечных отопительных систем на воздушной основе / Дж. Дж. Юринак, С. И. Абдель-Халик // Solar Energy. 1979. - V. 22, № 4. -P. 355-359.

63. Abhat, A. Low Temperature Latent Heat Thermal Energy Storage: Heat Storage Materials / A. Abhat // Solar Energy. 1983. - Vol. 30, № 4. - P. 313-332.

64. Alarlo, Y. Active Heat Exchange System Development for Thermal Energy Storage / Y. Alarlo and R. Haslet // Thermal Energy Storage: Fourth Annual Review Meeting. NASA CP-2125. Washington, D.C.: NASA, 1980. - P. 375-385.

65. Alarlo, Y. Active Heat Exchange System Development for Latent Heat Thermal Energy Storage: Topical report. NASA CR-159726 / Y. Alarlo, R. Kosson, R. Haslett; Grumman Aerospace Corporation. Bethpage, New York, 1980. - 60 p.

66. Bulgrin, R. Thermal Properties Of Organic Latent Cold Storage Materials / R. Bulgrin, R. Naumann, H.-H. Emons, U. Holfter // Journal of Thermal Analysis and Calori-metry. -1991. Vol. 37, № 1. - P. 155-169.

67. Carlsson, B. Heat-Transfer Properties of a Heat-of-Fusion Store Based on CaCl2-6H20 / B. Carlsson, G. Wettermark // Solar Energy. 1980. - Vol. 24, № 3. p. 239247.

68. Birchenall, С. E. Heat Storage in Alloy Transformations: Final Report. NASA CR-165355 / С. E. Birchenall, S. I. Gueceri, D. Farkas, M. B. Labdon, N. Nagas-wami, B. Pregger. NASA, 1981. - 184 p.

69. Ferrara, A. Thermal Energy Storage Heat Exchanger: Molten Salt Heat Exchanger Design for Utility Power Plants: Final Report. NASA CR-135244 / A. Ferarra, G. Yenetchi, R. Haslett, R. Kosson. NASA, 1977. - 216 p.

70. Asselman, G. A. A. Thermal Energy Storage Unit Based On Lithium Fluoride/ G.A.A. Asselman // Energy Conversion. 1974. - Vol. 16. - P. 35-47.

71. Schroder, J. American Society of Mechanical Engineers publ. 1974. - V. I.1. P. 14.

72. Kamlmoto, A. Development of Latent Heat Storage Unit Using Form-Stable High Density Polythelene for Solar Total Energy System / A. Kamlmoto et al. // Int. Soc. Energy Convers. Eng. Conf., 18. New York, Orlando, 1983. - V. 4. - P. 113-119.

73. LeFrois, R.T. Active Heat Exchange System Development for Latent Heat Thermal Energy Storage / R.T. LeFrois // Thermal Energy Storage: Fourth Annual Review Meeting. NASA CP-2125. Washington, D.C.: NASA, 1980. - P. 337-353.

74. LeFrois, R.T. Active Heat Exchange System Development for Latent Heat Thermal Energy Storage. NASA CR-159727 / R.T. LeFrois, A. K. Mathur. NASA, 1980. -227 p.

75. Li Gyong Hui. Исследование декагидрата сульфата натрия как аккумулятора тепла / Li Gyong Hui, Kim Sung Choi, Li Sung Hwan // Chem. and Chem Eng. 1990. -№5. -P. 25-27.

76. Naumann, R. Salzhydrate als Latentwarmes-peic-hermation / R. Naumann, H. H. Emons // Sitzugsberichte der AdW der DDR. 1986. - № 3. - S. 31-44.

77. Chubb, T. A. New Value for Heat-of-Fusion of NaCl, KCl, MgCl2 Eutectic; Corrections to Solchem Papers / T. A. Chubb, J. J. Nemecek, D. E. Simmons // Solar Energy. 1978. - Vol. 21, № 4. - P. 539.