Разработка математической модели и методики расчета аккумуляторов теплоты на фазовом переходе Котенко, Элина Владимировна

Введение к работе

Актуальность работы. Развитие систем альтернативного теплоснабжения обуславливает потребность в высокоэффективных аккумуляторах теплоты, наиболее перспективными из которых являются аккумуляторы на фазовом переходе плавление-затвердевание. В связи с этим одной из актуальных научно-технических задач в настоящее время является необходимость разработки методики расчета аккумуляторов данного типа, что может быть сделано на основе адекватной математической модели теплового состояния теп-лоаккумулирующего материала (ТАМа).

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом региональной научно-технической программы "Черноземье", закоор-динированной в Головном Совете "Ренакорд" (г.Воронеж регистрационный номер РК 01.9.40 001640) и программы "Исследование и разработка энергосберегающих технологий в зданиях с помощью аккумуляторов тепла" (Головной Совет "Архитектура и строительство", г. Томск, регистрационный номер РК 01.9.20 013121).

Целью работы являлось создание эффективной методики расчета фазопереходных аккумуляторов теплоты на основе результатов теоретического и экспериментального исследований.

Для достижения указанной цели, были поставлены следующие задачи:

1. Разработка физико-математической модели тепловых режимов фазопереходного аккумулятора, не требующей знания первичных теплофизических свойств рабочего тела, а содержащая лишь режимные и конструктивные параметры аккумулятора, а также эффективные характеристики. - теплоемкость и коэффициент теплопередачи.

2. Анализ феноменологического описания теплопереноса в двухфазном теплоаккумулирующем материале с целью обоснования основных выдвигаемых положений, в частности, наличия однозначной взаимосвязи эффективных характеристик от среднеобъемной температуры ТАМа.

3. Экспериментальная проверка принятой модели, теплового состояния ТАМа как в режиме зарядки, так и разрядки аккумулятора.

4. Разработка методики и алгоритмов расчета теплонакопите-ля на фазовом переходе в процессе подготовки проектировочного расчета натурных объектов.

2 Научная новизна

1. Разработана новая физико-математическая модель процесса
фазового перехода плавление-затвердевание, содержащая режимные
и конструктивные параметры аккумулятора и эффективные характе
ристики.

2. Выполнено теоретическое обоснование наличия однозначной взаимосвязи между используемыми для описания процесса эффективными характеристиками ТАМа и единого интегрального параметра, входящего в модель - среднеобъемной температуры рабочего тела.

3. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение теплового расчета аккумулятора для различных режимов работы.

4. Предложены способы повышения эффективности работы фазо-переходного аккумулятора, в том числе подтвержденные патентом.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель описания теплового состояния аккумуляторов теплоты кожухотрубного типа с теплоаккумулирующим веществом (ТАМом), претерпевающим фазовый переход плавление-затвердевание, состоящая из нестационарного уравнения теплового баланса ТАМа и квазистационарных уравнений теплового баланса и теплопередачи теплообменника аккумулятора.

2. Теоретическое обоснование правомерности основных положений, выдвигаемых для описания процесса теплопереноса в двухфазном ТАМ.

3. Результаты экспериментального исследования процессов зарядки и разрядки фазопереходного аккумулятора, а именно, полученные опытным путем эффективные характеристики рабочего тела (парафин) как функции среднеобъемной температуры ТАМа.

4. Методика и алгоритмы расчета теплового аккумулятора.

5. Способы повышения эффективности фазопереходных аккумуляторов теплоты.

Практическое значение и реализация результатов. Полученные в русле настоящей работы результаты дают возможность:

6. Моделировать тепловое состояние фазопереходного аккумулятора для различных режимов работы.

7. Выполнить проектировочный расчет, т.е. определить конструктивные параметры фазопереходного аккумулятора, а также получить и временные зависимости теплового потока и температур ТАМа и теплоносителя.

8. Провести сравнительный анализ, дающий представление о соотношении параметров (режимных и конструктивных) и возможностей аккумуляторов различного типа.

4. Повысить эффективность работы фаэопереходных аккумуляторов.

5. Применить предложенную методику для расчета аккумуляторов теплоты с использованием в качестве рабочего тела широкого класса фаэопереходных материалов.

Результатом практического применения разработанной методики является технический проект инженерного оборудования индивидуального хилого дома для климатических условий Центрально-Черноземного региона. Проект приобретен научно-внедренческой фирмой "ЭКОРОС" (г.Курск) для использования при строительстве- индивидуального жилья.

Материалы диссертащганой работы используются при чтении курса "Тепломассообмен" на кафедре теплотехники и парад-лики Курского государственного технического университета.

Апробация результатов исследований проводилась на Первой Российской Национальной конференции по теплообмену (г. Москва. 1994 г.), на Четвертом съезде АВОК (г. Москва, 1995 г.), на региональном постоянно действующем семинаре "Процессы теплообмена в энергомашиностроении" (г. Воронеж, 1993 г.), на Юбилейной конференции ученых КГТУ (г. Курск, 1994 г., 1995 г.).

Публикации, по теме диссертации опубликовано 5 научных работ, получен 1 патент.

Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка используемой литературы из 104 наименовании и приложений. Работа изложена на 183 страницах основного машинописного текста, содержит 48 рисунков, 13 таблиц и 5 приложений.