автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Разработка основ теплотехнических расчетов и методики оценки эффективности подземных теплообменников-аккумулянтов энергии с насадкой при кондиционировании условий в помещениях

ВОРОНЕЖСКИЙ ГО ©'ДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГБ ОД

:> ~ OUT правах рукописи

Мэхамед Бакзр

РАЗРАБОТКА ОСНОВ ТШОТЕШИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ И ЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ подашых ТЕПЛО-ОБКЕННШОВ-АККУМУДЯТОРОВ ЭНЕРГИИ С НАСЩОЯ ПРИ КОНДИЦИОНИРОВАНИИ УСЛОВИЙ В ПОМЕЩЕНИЯХ

Специальность 05.14.05 "Теоретические основы теплотехники'

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронея IS94

Работа выполнена на кефедае теплотехники Кубанского государственного технологического университета.

Научный руководитель : Доктор технических наук,

профессор

Г).Ы. ПРОСЁЛКОВ

Официальные оппоненты: Доктор технических наук,

профессор ШЛЬКУЮВ В.Н.

кандидат технических наук, доцент Агапов Ю.Н.

Ведущая организация: Краснодарская базовая лаборатория

энергосбережения и нетрадиционных возобновляемых источников энергии г.Краснодар

Защита состоится б октября 1994 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета K063.8I.08 в Воронежской государственном техническом университете по адресу: 394026, г.Воронеж, Московский пр.,14, конференц-зал.

С диссертацией ыожно ознакомиться в библиотеке университета. .

Автореферат разослан 49 * сшгддрЯут г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А. Н. ПШИКОВ

кандидат технических наук,

доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В климатических условиях Сирии, где в течение 5 месяцев в году наблюдаются довольно высокие дневные и ниэяие ночные температуры наружного воздуха, создание надлежащего микроклимата в помещениях имеет важное хозяйственное значение и требует неотложного разрешения. Стоимость искусственного охлаждения в системах кондиционирования воздуха высокая, пс тому изыскание дешевых источников и способов холодоснабжеиия вляется одним из основных направлений в развитии технологии кондиционирования условий в помещениях.

Система кондиционирования является одним из крупкейзих потребителей энергии, доля которой для большинства промыз-ленно развитых стран составляет 10 4 20 % от общего расхода энергии традиционного топлива.

Запасы традиционного топлива постепенно истощаются, а количество потребляемой энергии, в частности на сельскохозяйственных фермах, увеличивается. В связи с эт!Ш возрастает необходимость в использовании на сельскохозяйственных предприятиях возобновляемых природных источников энергии. При этом следует учитывать положительные качества климата и правильно вскрыть потенциальные возможности природы, а наиболее рациональными инженерными средствами дополнить и развить эти возможности в желаемом направлении.

В этой связи особую актуальность приобретает разработка теплотехнических основ расчетов и оценки эффективности работы теплообменников-аккумуляторов энергии для теплохоло-доснабжения производственных и сельскохозяйственных помещений.

Перспективным направлением для реализации этой возможности является использование подземных вентиляционных аозяу-хозаборных аккумуляторов энергии (каналов и насадок), которые в дневное время понижают температуру подаваемого в помещение воздуха, а в ночное время сами охлаждаются прохладный наружным воздухом и грунтом.

Диссертационная работа связана с госбюджетной НИР $ 2.11.002 "Разработка новых технологий и технических средств для систем комплексного использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии".

Цель работы заключалась б разработке основ теплотехнических расчетов и методики оценки эффективности подземных теплообменников-аккумуляторов энергии с насадкой при кондиционировании условий в помещениях.

Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:

- разработать математическую модель подземного теплообменника-аккумулятора энергии с насадкой и получить закономерность изменения температуры воздуха в нем;

- экспериментально исследовать тепловые режимы модели подззкной теплоежкумулирущей насадки;

- обосновать' критерии оценки эффективности работы подземных вентиляционных систем.,.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- Предложена формула в безразмерном виде для определения степени охлаждения воздушного потока в вентиляционной подземной теплоаккумулирующей насадке;

- Разработаны методологические основы физического моделирования теплообменник процессов в вентиляционной теплоак-куцулирущей насадке;

- Разработана методика оценки эффективности работы подземных вентиляционных воздухозаборных аккумуляторов, где в качестве критерия оценки эффективности принято отношение количества получаемого холода к затраченной работе на проталкивание воздуха;

физико-математическая модель подземного теплообменника-аккумулятора энергии с насадкой; ::е-тод расчета теплового режима теплообменника-аккумулятора, энергии с насадкой; метод расчета безразмерного перепада температуры тепло-холодоносителя между входом и выходом для общей длины насадки; физическое моделирование тепловых ре-пимов в грунтовом аккумуляторе энергии с насаддой из булнз-ника; критерии эффективности работа подземках вентиляционных систем сбора энергии поверхностных слоев зег-ми и оптимизация конструктивных решений :одземных каналов и насадки.

Практическое значение работы заключается в следущем:

- выявлена и оценена возможность и перспективы применения местных энергетических ресурсов для целей кондиционирования условий в сельскохозяйственных и производственных помещениях;

- предложена математическая зависимость и разработаны инженерные рекомендации по оценке эффективности работа подземных воздухозаборкых аккумуляторов для целей теплохояодо-снабжения помещений;

- даны рекомендации по выбору диаметра элементов насадки на стадии проектирования систем кондиционирования для получения необходимого перепада температуры воздуха ме:хцу входом и выходом в условиях максимальной тепловой нагрузки в помещении.

Результаты выполненных исследований позволяют выбрать более эффективные режимы работы систем кондиционирования.

Апробация работы. Основные результаты работы изложены в тезисах докладов на Всесоюзной научно-практической конференции "Сельскохозяйственная теплоэнергетика" (г.Севастополь 1992 г.); на международной научно-техн.конференции "Проблемы использования солнечной энергии в странах СНГ, Сэ-93, 19-23 окт. 1993 г. г.Сочи; на научных семинарах и заседаниях кафедры теплотехники КубПУ (Краснодар, 1990 -1994 г.).

б

Публикация. Основные положения диссертации изложены в пяти работах, опубликованных в периодических, технических и других специальных изданиях.

Структура и|объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 135 страницах, включающих 86 страниц машинописного текста, 24 рисунка, 5, таблиц и 20 страниц приложений. Библиография включает 95 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показаны актуальность теш исследования, цель и общие задачи работы, приводятся положения, выносящиеся на защиту, раскрывается научная новизна и практическая ценность диссертации.

В первой главе описаны проблема поддержания микроклимата в районах с жарким континентальным климатом и природо-клим&тические условия Сирии, где использование природных источников энергии позволяет покрывать значительную долю потребностей в топливноэнергетических ресурсах. Выполнен анализ способов использования естественных источников "холода" в системах кондиционирования помещений. Анализ способов охлаждения свидетельствует о том, что известные метода в основной обеспечивают поддержание допустимых условий внутреннего климата помещений. Для поддержания оптимальных условий внутреннего климата необходимо использовать естественные источники энергии и развить эти возможности в желаемом направлении. Рассмотрено состояние исследований в области разработки математических моделей теплового режима подземного вентиляционного канала и насадки.

Анализ проведенных исследований сбора энергии поверхностных слоев земли показывает, что снижение температуры движущегося по подземному каналу воздуха происходит при сравнительно большой его длине, потребность в которой растет по мере повышения перелада температуры воздуха на входе и

выходе из канала. В целях сокращения протяженности подземного канала и получения при этом максимально возможного охлаждения воздуха целесообразно строить в нем теплоаккуыулн-рующую насадку из природного булыжного камня для использования холода ночного воздуха как дополнительного источника (стока) энергии.

При этом выявлено, что закономерности изменения температуры геплохолодоносителя в подземной теплоаккуцулирувщей расадке недостаточно изучены. До сих пор не проведено обобщающего комплексного иссле.ования по использованию энтальпии грунта и холода ночного воздуха. Рассматривались только натурные исследования аккумуляции энергии стенками подземного вентиляционного канала.

После обоснования актуальности темы сформулирована цель диссертации. На основании проведенного анализа систеш сбора энергии поверхностных слоев земли и холода ночного воздуха и для достижения намеченной цели были сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приведена физико-кагештическая формулировка задачи теплового режима подземного теплообмеюшка-аккумулятора энергии с насадкой в наиболее общей постановке.

Для упрощения задачи расчета температуры теплохолодоносителя в насадке рассматривается слоевая насадка общей длиной А нас « которая разделена на Н равных элементов толщиной АЬНРс .

Для определения температуры рабочего тела (воздуха) в подземной теплоаккумулирующей насадке составлена система из /V уравнений теплового баланса для насадки и для воздуха.

Многовариантные расчеты по составленной нами программе для численного анализа позволили определить возможный диапазон снижения температуры воздуха в подземной теплоаккумулирующей насадке. Увеличение скорости воздуха в насадке приводит к значительно большему уменьшению перепада температуры воздуха между входом и выходом. Эффект снижения температуры увеличивается при правильном подборе размеров элементов насадки.

Для удобства расчета и в целях сокращения затрат машинного времени получена аналитическая формула для определения безразмерной температуры в виде относительной разности между температурами на входе и выходе:

Ч ¿¿о- ¿нас

BiFo]

£й 1 + &¡~rp % эх

П

rp SÍ/¡; где 4 := —- средняя температура воздуха

^ i. rt- о п

ь в насадке, "С;

=г ——- - число Стантона между слоями насадки;

ÑU « 4E0d/jct0 " число Нуссельта;

fíe - ^ ~ число Рейнольдса;

Рг - - число Драндтля для воздуха;

B¿ -oi'cl/Afiac - число Био дня насадки;

St ~ Нй //?е • Р ^и^0 Стантона для плоской

ст t р ** стенки;

Birp~dcr Ъгр/Лф- число Био для грунта;

.. __f п г /з ' число Нуссельта для

NuCT - c(CT • Ч t0/Jí^ 'С10 плоской стенки;

Е, - порозность насадки, т.е. доля пустот в единице её объема;

Ct0 - поверхность насадки, приходящаяся на единицу ее

объема, м2/«3 ; VK - скорость тепло-холодоносителя в канале, свободном от насадки, м/с;

(£ - диаметр элементов насадки, и; (Ас? - коэффициент теплоотдачи от плоской стенки к

возцуху, ВтЛм2 .К); Ы. - коэффициент теплоотдачи, отнесенной к площади

поверхности частиц в слое, Вт/См^Ю. Если ввести обозначение 'в = Цвх-ЬвШ)/а?-1„яс,<>)

и считать параметры рабочего тела (воздуха) и насадки изменяющимися в пределах часто встречающихся в практических условиях, тогда расчет на Ш'. позволяет получить функциональную взаимосвязь между

еых)/[ £ вх - к НОС,о) и

об'< о,1 , е = е';

в'>6 , 6 = 0,99

(2)

С помощью зависимости (2) легко получить более простое аналитическое выражение для инженерных расчетов перепада температуры воздуха в безразмерном виде:

9 =0,25 ¿п [б & 4м5-[-*(*' £)'

с Со ¿нас (3)

Таким образом, зная начальную температуру и тешгафизи-ческие характеристики элементов насадки, её конструктивные

параметры, можно, используя полученную нами зависимость (3), определить степень охлаждения воздушного потока в вентиляционной подземной насадке в любой комент времени, который в дальнейшем ыожет быть использован для определения энергетических и экономических показателей при оценке конструктивных решений.

В_третьей главе диссертации рассматривается физическое моделирование тепловых режимов б грунтовом аккумуляторе энергии с насадкой из булыжника,выполняются экспериментальные исследования для проверки полученных формул.

Формулы для расчета перепада температуры имеют две части. Одна из них, где определяется перепад температуры в результате теплообмена с окружающим грунтом, изучена многими исследователями. Для подтверждения другой части, определяющей перепад тешературы в насадке, и формулы в целом, разработана физическая кодель и выполнены корректные эксперименты.

Определяющим условием физического моделирования является подобие всех величин, влияющих на тепловой редим. Перед постановкой эксперимента проведен анализ значений определяющих критериев и безразмерных комплексов. Значения безразмерной тешературы 6 колеблятся в пределах от 0 до I, причем 0 увеличивается с увеличением комплекса

£■1 ■ до значений 1,5, где 90 % из исследуемых

" наС л о Ь НОС ^ 1 Г

вариантов находится в пределах 0 < 0£ - <■ — < 1,5 . г <у нас

и увеличивается также с уменьшением комплекса Составлена блок-схема исследований. '

Разработанная экспериментальная установка состоит из канала квадратного сечения, центральная часть которого заполнена булыжником. Для определения температуры элементов насадки в нее помещены спаи термопар в шести сечениях канала. На входе и выходе из насадаи также помещены термопары для определения температуры воздуха. На входе канала уста-нослен электронагреватель. На выходе из канала помещен вен-, тилятор и анемометр. Часть канала с насадкой помещена

ВЬ

симметрично в стальной бак для реализации различных граничных условий на внешней поверхности насадки. Внутренняя полость бака заполнялась различными веществами и материалами.

Температуру насадки, воздуха на входе и выходе из.насадки, температуру воздуха в насадке, температуру окружающей среда и температуру материала во внутренней полости бака измеряли через каждые полчаса. При этом температура внешних слоев материала во внутренней полости бака оставалась постоянной в течение эксперимента.

Для проверки расчетног метода определения степени охлаждения воздушного потока - теплоаккумулирующей насадке при отсутствии влияния грунта представлена общая формула в виде функции ^ ^ ^ ^ ^ < ^

для удобства сопоставления экспериментальных и расчетных данных:

Данные экспериментальных исследований на модели при различных значениях комплексов Ьнас и ^ , р^

¿¿нас

сравнивалась с результатами расчетов по фор?<уле С4).

Установлена хорошая сходимость теоретических и эксре-риментальных данных при малых значениях 0 <&1- 1~е> < о, о

(погрешность не более 5 %); при средних значениях

0,5 <Вс-Ра < 2 погрешность составляет 5 * 25 %. Существенное отклонение экспериментальных и теоретических данных отмечено при больших значениях &1 • Р0 ^ 2. Это объясняется большой разностью температур между тепло-холодоносителем на выходе из насадки и окружающей средой, так как на выходе из насадки, где помещены термопары для измерения температуры воздуха, происходят потери тепла в окружающую среду, а это в эксперименте не учтено.

Нами проанализированы интегральные критериальные

уравнения и подучена надежная обобщенная формула для инженерных расчетов коэффициента теплоотдачи при течении воздуха в канале с насадкой;

Ыа = О, €6- Не°'5*' (5)

где в качестве характерного размера в числах !\1и и принимался эквивалентный диаметр порового канала с19 :

<1 М*.

В четвертой главе доказано, что холодильная нагрузка на систему кондиционирования условий в помещениях при использовании подземных каналов и насадок в климатических условиях Сирии достигает максимальной величины при максимальной температуре окружающей среда ( "2Г = 15 ч), когда теплопри-токи в помещение также максимальные.

Предложен и обоснован показатель эффективности работы подземных вентиляционных теплообменников-аккуцуляторов энергии (каналов и насадок) при кондиционировании условий в помещениях, представляющий собой отношение количества получаемого "холода" к затраченной работе на преодоление аэродинамических сопротивлений канала и насадки и рассчитываемый как отношение перепада температуры наружного воздуха во время максимума тепловой нагрузки, при заданных температурах почвы и наружного воздуха, к перепаду давления.

Разработана методика оценки эффективности работы подземных вентиляционных воздухозаборных теплообменников аккумуляторов энергии, где в качестве критерия оценки эффективности принят комплекс , характеризующий систему в целом, при помощи которой получены формулы для нахождения значения показателя эффективности работы подземных вентиляционных воздухозаборник теплообменников-аккумуляторов энергии и установлена их взаимосвязь со всеми параметрами, влияющими на работу системы. лр С °

Значения комплекса ^ . --— определяются .

АР у

по следующим форцулам: для потока в канале

АР Уз 1 Ьк Ук (б)

для потока в теплоажкумуяирущей насадке

11.. = МЬ^жЛ

+ 0,053 В1'Ро];

сСнас

для потока в подземном канале с насадкой

И СР - Йс0,2* ^нос , Ср{Ь&Анас.о)

йР ' Уо 1-Ео ' Ь нас у*

У * (8)

. {0,05^0,0X5 еп [6

1 со & НОС

Получен важный вывод о том, что эффективность функционирования подземных кагалов и насадах в значительной степени зависит от правильного определения геометрических размеров каналов и насадок, а увеличение эффективности работы системы возможно за счет выбора оптимальных конструктивных параметров канала и насадки, расходных характеристик

воздуха. Оптимизация проводилась по условию максимизации показателя эффективности работы системы *~Р

йР у$

Нами обоснована возможность регулирования запаса "прохлада", накопленной в насадке, с целью передачи ее воздуху, поступающему в кондицируемое помещение во время максимальной тепловой нагрузки. Определен диапазон выбора диаметра элементов насадки, при котором охлаждающая способность теплообменника-аккумулятора энергии с насадкой наилучшая во время максимальной тепловой нагрузки.

ОСНОВНЫЕ вывода И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана физико-математическая модель грунтового теплообменника-аккумулятора энергии с насадкой из природного булыжного камня, как регенеративного теплообменника, учитывающая изменения температуры насадки потокам воздуха, на основе которой создан численный метод расчета степени охлаждения воздушного погона в насадке в любой момент времени.

2. Получена зависимость безразмерного перепада температуры теплохолодоносителя в N слоях одинаковой толщины и на всей дайне насадки, с помощью которой разработана инженерная методика расчета температурного режима потока воздуха через насадку.

3. Исследованы численными методами закономерности изменения температуры тепло-холодрносителя в грунтовой теплообменнике-аккумуляторе энергии с насадкой из природного булыжного камня.

4. На основании разработанной математической модели и теории подобия выполнено моделирование теплообменных процессов грунтового теплообменника-аккумулятора энергии для различных граничных условий.

5. Экспериментально уточнено интегральное критериальное уравнение для расчета коэффициента теплоотдачи в теплоакку-

мулирующей насадке из шаровых тел при вынужденной конвекции воздуха.

6. Предложен и обоснован безразмерный показатель эффективности работы систем грунтовых теплообменников-аккумуляторов энергии при кондиционировании условий в помещениях, представляющий собой отношение количества получаемого "холода"

к затраченной работе на преодоление аэродинамических сопротивлений канала и насадки.

7. Разработана методика оценки эффективности работы

подземных вентиляционных вс духозаборных теплообценников-ак-

кумуляторов энергии, где в качестве критерия оценки принят

комплекс -й— , характеризующий систему в целом. Ей

8. Установлено, что увеличение эффективности работы системы возможно за счет выбора оптимальных конструктивных параметров и расходных характеристик воздуха из условия максимального показателя эффективности работы системы.

9. Определен диапазон выбора диаметра элементов насадки, при котором охлаждающая способность теплообменника-аккумулятора энергии с насадкой из природного булыжного камня наилучшая во время максимальной тепловой нагрузки.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бакир Ы., Просёлков Ю.М. Расчет скорости естественной циркуляции тепло-холодоносителя в системе охлаждения помещения с использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Дел. в ВИНИТИ 18.04.92 г. № 157-158-Хп 92.

2. Бакир М., Просёлков Ю.М. Методика расчета температуры теплоносителя в подземной теплоаккумулирующей насадае. Деп. в ВИНИТИ 12.02.93 г. & 25-Хп 93.

3. Просёлков Ю.М., Бакир И. Эффективность функционирования системы кондиционирования условий в помещениях с использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Тезисы докладов научно-практической конференции "Сельскохозяйственная теплоэнергетика", г.Севастополь 1992 г.

4. Просёлков Ю.М., Бакир Ы., другие. Экологически чистые энерго-технологические процессы. Тезисы докладов научно-тех-нич.конференции "Проблемы использования солнечной энергии в странах СНГ. Сэ-93", 19-23 окт. 1993 г., г.Сочи.

5. Просёлков Ю.М., Бакир М. Автономная подземная тепло-аккумулирующая система. Тезисы докладов научно-технич. конференции "Проблемы использования солнечной энергии в странах СНГ, Сэ-93, 19-23 окт. 1993 г., г.Сочи.