Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи
1.1. Обзор работ связанных с принципиальным устройством теплового аккумулятора 13
1.2. Обзор работ связанных с численным решением задачи Стефана 17
1.3. Постановка задачи 19
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 21
2.2. Влияние выбранного интервала «области раздела» на расчет процесса передачи тепла 31
2.3. Разработка математической модели процесса передачи тепла от теплоносителя вставке теплоаккумулирующего материала для конкретных режимов обтекания
2.3.1. Движущийся теплоноситель 34
2.3.2. Неподвижный теплоноситель 37
2.4. Методика расчета смесительного узла с учетом работы теплового аккумулятора 38
2.5. Выводы по главе 2 40
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 41
3.2. Описание экспериментальной установки и результатов проведения эксперимента и сопоставление их с расчетными данными в условиях сферической симметрии 48
3.3. Выводы по главе 3 55
Глава 4. Разработка автономной системы отопления и горячего водоснабжения для удаленного коттеджа
4.1. Определение солнечной радиации и подбор коллектора 56
4.2. Расчет системы отопления и горячего водоснабжения (ГВС)
4.2.1. Определение потерь тепла через отдельные элементы консрукций 58
4.2.2. Расход тепла на нагревание холодного воздуха 62
4.2.3. Годовая нагрузка системы отопления 65
4.3. Тепловой и гидравлический расчеты системы отопления и горячего водоснабжения в системе использования теплового аккумулятора 66
4.4. Разработка и расчет схемы «коллектор- тепловой аккумулятор- потребитель»
4.4.1. Выбор теплоаккумулирующего материала 73
4.4.2. Схемное решение теплового аккумулятора 81
4.4.3. Схемное решение размещения солнечных коллекторов 83
4.4.4. Расчет летнего аккумулятора 91
4.4.5. Расчет зимнего аккумулятора 102
4.5. Выводы по главе 4 104
Глава 5. Технико-экономические расчеты автономной системы отопления и горячего водоснабжения
5.1. Сопоставление автономной системы энергообеспечения с традиционным (газовым) вариантом 105
5.2. Выводы по главе 5 112
і
*
Заключение 113
Литература
- Обзор работ связанных с численным решением задачи Стефана
- Разработка математической модели процесса передачи тепла от теплоносителя вставке теплоаккумулирующего материала для конкретных режимов обтекания
- Описание экспериментальной установки и результатов проведения эксперимента и сопоставление их с расчетными данными в условиях сферической симметрии
- Определение потерь тепла через отдельные элементы консрукций
Введение к работе
Россия и мир в целом обладает огромными ресурсами возобновляемой энергии. Эти ресурсы во много раз превышают ресурсные возможности ископаемых и невозобновляемьгх 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.
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.
Вся гидроэнергия М
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-болыпе, 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 100-10 м 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 мг161. 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 /6/. Размеры, а
8 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
10 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
Научно-практической конференции 17-19 сентября 2003г. «Энерго-и ресурсосбережение как фактор социально-экономического развития регионов центрального федерального округа» Смоленск 2003г.
Десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. 2-3 марта 2004г. Москва.
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.
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.
7. Всероссийской научно-практической конференции
«Ресурсосбережение и экологическая безопасность» 29-30 марта 2006г. Смоленск.
Публикации.
О.В.Тимакова, В.П.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.
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 2003 г. -Смоленск, 2003. -Том 2 -С.26.
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.
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. 112-114.
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.
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.
О.В.Тимакова, В.П.Мотулевич Солнечный аккумулятор тепла для отопления и горячего водоснабжения //Ресурсосбережение и экологическая
12 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.
Обзор работ связанных с численным решением задачи Стефана
Задачи, связанные с процессами плавления и затвердевания тел, принято называть задачами Стефана. Существует ограниченное число аналитических решений задачи Стефана, большинство же подобных задач решается численными методами с использованием вычислительной техники. В /14/ приведен ряд приближенных одномерных решений задачи плавления и затвердевания тел простейших форм при различных граничных условиях. Все эти решения получены в предположении, что закон распределения температуры в твердой фазе соответствует стационарному состоянию/15,16,17/. Процесс затвердевания шара радиуса г который заполнен жидкой фазой с температурой Tx{r,t) (Г - температура фазового перехода), определяется движением границы раздела фаз: Я2 ± = фр. 1 (1.2.1.) 2 dt VHX dt v y где rj- координата границы фазового перехода, TJ = f(t) T2(r,t),A2- температура и коэффициент теплопроводности твердой фазы, ф - удельная теплота фазового перехода, рх - плотность жидкой фазы. В начальный момент времени поверхность шара скачком приобретает температуру Т0 Т , которая затем сохраняется постоянной. Распределение температуры в твердой фазе в полом шаре в квазистационарном режиме: T2(r,t) = -R-(S.-l\ + r (1.2.2.) где 7(0 г R В результате интегрирования (1.2.1.) с учетом (1.2.2.) получится уравнение 77 = ДО для шара:
Время полного затвердевания шара tm(rj = 0) _ФР _ (124) т 6Я2(Т -Т0) v Для учета начального перегрева жидкой фазы относительно Т в /18/ вводится поправка: А = 1+«А_(7;_г) (1.2.5.) где Ти- начальная температура жидкой фазы. С учетом этой поправки: (1.2.6.) /_. = l+lA(7 _r) d Cr- L фр2
Все способы решения задачи Стефана достаточно громоздки и требуют введения поправок. Кроме того, не существует полной методики расчета подобных аккумуляторов теплоты. В работе ставится задача разработать наиболее простой для пользователя способ решения задачи Стефана в условиях работы теплового аккумулятора, а именно, когда теплоаккумулирующее вещество, помещенное в сферическую частицу подвержено тепловому воздействию омывающего его потока теплоносителя.
Приведенный в данном разделе обзорный материал, а также информация, содержащаяся в других источниках /19, 20, 21, 22, 23, 24, 25/ , позволяют сделать вывод о недостатках связанных с осуществлением процесса теплоснабжения удаленных потребителей и решением задач аккумулирования посредством фазового перехода, а именно: - Нет относительно простой конструкции, отличающейся доступностью, универсальностью в смысле применения при различных вариантах технического оформления аккумуляторов теплоты. - В ранее известных работах /26/ по расчету фазового перехода в условиях сферической симметрии существуют определенные недостатки, связанные с допущениями отсутствия свободной конвекции в жидкой фазе, что может привести к существенным погрешностям. - В известных работах /26/ неточно определяется радиус фазового перехода в условиях сферической и цилиндрической симметрии. - Для решения задачи Стефана вводится ряд громоздких вспомогательных параметров как-то понятие -образной функции, что существенно усложняет процесс расчета. - Нет методики расчета аккумулятора с изменением фазового состояния теплоаккумулирующего вещества в условиях сферической симметрии.
Ликвидации вышеизложенных недостатков и посвящена данная работа, а именно, должно быть: - 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 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».
Разработка математической модели процесса передачи тепла от теплоносителя вставке теплоаккумулирующего материала для конкретных режимов обтекания
Основными геометрическими характеристиками слоя частиц являются: порозность, т.е. объемная доля пространства, не заполненная твердым компонентом, q \ объемная концентрация твердого компонента ; минимальное проходное сечение у/ ; число шаров между двумя плоскопараллельными, проницаемыми для жидкости, стенками п; расстояние s между центрами шаров по координате у, нормальной к плоскости ограничивающих слой пластин; диаметр сфер D; полная высота слоя Н. В литературе /45/ было рассмотрено четыре типа насадок из сфер (рис 2.3.1.1.): а) кубическая; б) октаэдрическая; в) тетраэдрическая; г) ромбоэдрическая. В числах Нуссельта и Рейнольдса в качестве характерного размера принят эквивалентный диаметр частиц, рассчитанный по формуле: D, = 4 (1- )), где р- среднее проходное сечение: р=1 - п 16 - для кубической; 0 =1-Л73Л/2 - для октаэдрической; Ф=\-я1ъЛ- для тетраэдрической; р=\ - яг/Зл/з -для ромбоэдрической засыпок. Ц- удельная площадь поверхности частиц, для сферы Fl=z6/D, где D- диаметр отдельной сферы. Средняя скорость потока для числа Рейнольдса рассчитана по формуле: (и) = и/ р, где U - скорость набегающего потока, Число Прандтля для теплоносителя зависит от температуры и берется из справочника. Коэффициент теплоотдачи рассчитан исходя из числа Нуссельта при разных значениях чисел Рейнольдса /45,46,47/: Nu, = 0,51 Re? 85 Pr0 33, При Re, = 0,2 -=- 2, Nu, = 0,72 Re 47 Pr0 33, при Re, = 2 30, Nu, = 0,39Re"64 Pr033, при Re, = 30 8 104.
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: div(Xgradt) + qv=cy — (2.3.2.1.) дт
При отсутствии внутренних источников (qr = 0) и постоянных физических характеристиках из (2.3.2.1.) следует: aV2t = — (2.3.2.2.) дт
Используя метод конечных разностей, получим аналитическое решение задачи нестационарной теплопроводности, заменив дифференциальное уравнение (2.3.2.2.) уравнением в конечных разностях, значение температуры в каждой точке среды находится из следующего соотношения: Г„,., =gyP"Ur"""-Т„уТ„ (2.3.2.3.) Для удобства расчетов и графических построений целесообразно выбирать промежуток времени из условия: В системе центрального регулирования по совмещенной нагрузке предусмотрен смесительный узел, который расположен после теплового аккумулятора (рис 2.4.1.). к потребителю 1- коллектор, 2- тепловой аккумулятор, 3,4,5,6,7- задвижки, 8,9- насосы. Рис.2.4.1. Система коллектор-аккумулятор-потребитель.
Теплоноситель из системы теплоснабжения прокачивается насосом и разделяется на два потока. Один идет в тепловой аккумулятор для нагрева, а другой в дренажную линию. Затем эти потоки снова смешиваются и поступают в подающую линию системы отопления и горячего водоснабжения с необходимым расходом и температурой.
Сначала подается минимальный расход через задвижку 5. Рассчитывается температура на выходе из теплового аккумулятора и с этим расходом подмешивается к дренажной линии. Определяется температура смешения /48/: где Т - температура из тепловой сети; Тяьа - температура на выходе из аккумулятора; Gdp - расход через дренажную линию; GOKK- расход через аккумулятор; Gcucm расход в системе отопления и горячего водоснабжения. Температура смешения должна быть равна расчетной температуре в подающем трубопроводе. Если это условие не выполняется, то расход через аккумулятор увеличивается до момента выполнения этого условия.
Анализируя все сказанное выше можно сделать следующие выводы: 1) Разработана математическая модель расчета времени плавления и затвердевания теплоаккумулирующего материала в условиях цилиндрической и сферической симметрии с учетом введения усредненной эффективной теплоемкости на границе раздела фаз. 2) Предложена более точная модель нахождения радиуса фазового перехода по сравнению с линейным вариантом. 3) Выявлено малое влияние интервала «области раздела» на процесс передачи тепла в диапазоне от 0,2 до 3 градусов. 4) Разработана математическая модель процесса передачи тепла от теплоносителя вставке теплоаккумулирующего материала при двух режимах потока теплоносителя. 5) Предложена модель и методика расчета солнечного отопления и горячего водоснабжения с применением солнечного коллектора и теплового аккумулятора.
Описание экспериментальной установки и результатов проведения эксперимента и сопоставление их с расчетными данными в условиях сферической симметрии
Кроме сопоставления расчетных данных с уже проведенными экспериментами был разработан и проведен теплофизический эксперимент фазового перехода в условиях свободной конвекции. В качестве теплоаккумулирующего вещества была использована дистиллированная вода с известными теплофизическими свойствами /53, 54, 55/. В качестве корпуса аккумулятора теплоты были выбраны сферические емкости несильно отличающиеся друг от друга размерами из полимерного соединения радиусом 0,03 м (образец ТІ) 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 много меньше одного процента по сравнению с общим количеством переданной теплоты. Для корпуса капсулы отношение Sf/L«l/a, поэтому его термическим сопротивлением в расчетах можно пренебречь. Схема экспериментальной установки для режима плавления показана на рис.3.2.1 .
Термометр CENTER-ЗОЇ имеет 2 входа для термопар К-типа,Диапазон измерения температур от -200 до 1370 С. Разрешение 0.1 С, погрешность 0.3%, возможность измерения разности температур, удержания результатов, мин/макс значения, усреднение значений, универсальное питание, автовыключение, масса 210 гр. Микропроцессорный погружной термостат-циркулятор ЛАБ-ТЖ-ТС-01М является базовой моделью серии микропроцессорных термостатов ЛАБ. Предназначен для термостатирования ванн с теплоносителем объемом до 50 литров и внешних систем с закрытым или открытым контуром. Поддерживает температуру на заданном уровне с точностью 0,1 С в диапазоне от 20 до 100 С. Имеет цифровой дисплей, отображающий текущую и заданную температуру и систему автоматического отключения при аварийном снижении уровня рабочей жидкости.
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 /43, 56, 57/ так как диаметр опытных образцов был на много меньше габаритов емкостей куда они помещаются. Комплекс GrPr, в случае плавления был более 2-Ю7, а в случае кристаллизации лежал в пределах 5 102 2 107. Поэтому для режима плавления: M = 0.135(GrPr),/3, а для режима кристаллизации: M/ = 0.54(GrPr)"4.
Коэффициент теплоотдачи, рассчитанный для условий свободной конвекции /43/ 330Вт/м2К. Первоначальная температура ТАМа -24С. Сопоставление расчетных данных с экспериментом представлено на рис. 3.2.2.-3.2.3.
Рис. 3.2.9. Сравнение результатов расчета изменения температуры в центре сферической капсулы с учетом и без учета влияния свободной конвекции для образца Т2 в режиме плавления.
Большая ошибка отсутствия учета свободной конвекции в случае плавления насадки объясняется тем, что величина комплекса Or Рг в случае плавления выше из-за большей геометрии прослойки, так как насадка плавится с поверхности. Следовательно, и влияние свободной конвекции в этом случае будет выше.
Приборная погрешность в эксперименте не превышает 1К. Анализируя все сказанное выше можно сделать следующие выводы:
1. Сопоставление расчетных и опытных данных в условиях цилиндрической симметрии показало, что правильность разработанной методики расчета процесса теплоотдачи в условиях цилиндрической симметрии подтверждается опытными данными, взятыми из другого источника. Отклонение расчета времени фазового перехода не превышает 20%.
2. Тепловой поток, отведенный по термопарному проводу, используемому в проводимых экспериментах, можно считать достаточно малым и им пренебречь.
3. Существенно влияние свободной конвекции на результаты расчета теплообмена, их неучет ведет к значительным ошибкам.
4. Предложенная методика расчета процесса теплообмена в условиях сферической симметрии подтверждена опытами, проведенными в работе и расхождение расчета времени фазового перехода не превышает 17%.
Определение потерь тепла через отдельные элементы консрукций
Аккумулирование теплоты обеспечивает преобразование тепловой энергии непостоянного источника, например солнечной радиации, в энергию постоянного источника. Эффективность систем аккумулирования в значительной мере определяется периодичностью их работы, связанной с их теплоемкостью, а также с климатическими факторами, конструкцией и размерами тепловой изоляции, стоимостью применяемых материалов и местных видов топлива.
Существует ряд методов аккумулирования энергии, основанных на применении механических, химических, электрических и других систем, описанных например в /2,73/
Для аккумулирующей среды с использованием теплоты фазового перехода важны следующие свойства: 1) низкая стоимость; 2) высокие энтальпия фазового перехода и плотность; 3) удобная из эксплуатационных условий температура плавления; 4) высокая теплопроводность в твердой и жидкой фазах (хорошие теплообменные свойства), 5) высокая теплоемкость в твердой и жидкой фазах (если используется и изменение внутренней энергии); 6) отсутствие тенденции к расслоению, температурная стабильность; 7) отсутствие возможности переохлаждения при затвердевании и перегрева при плавлении; 8) низкое термическое расширение и незначительное изменение объема при плавлении; 9) слабая химическая активность (это позволяет использовать недорогой материал для изготовления сосудов); 10) безопасность (отсутствие ядовитых паров, а также опасных реакций с рабочей или теплообменной средой).
а) Чистые вещества. Часть (а) табл. 4.4.1.1. содержит свойства чистых веществ. По удельным теплоємкостям жидкой и твердой фаз можно судить о пригодности данной среды для аккумулирования внутренней энергии. Теплопроводность среды определяет теплообмен, особенно во время разрядки. Изменение плотности и химическая активность (агрессивность) определяют конструкцию и материал аккумулятора. В таблице даны также примечания, касающиеся вопросов безопасности. Вода имеет наибольшую теплоемкость. Эффективность аккумуляторов с каменной насадкой составляет на единицу объема 30..40% эффективности водяных аккумуляторов. Однако применение каменной насадки проще, т.к. отпадает необходимость сооружения специальных емкостей для воды, принятие мер, обеспечивающих герметичность системы.
Из перечисленных в таблице веществ (вода/лед, соли и металлы) фторид лития имеет наивысшую теплоту плавления; он также имеет самую высокую стоимость. Почти такая же теплота фазового перехода и подходящая температура плавления гидроокиси лития позволяют использовать это вещество для многих процессов. Однако стоимость ее также высока. Все соли характеризуются низкой теплопроводностью и большим объемным изменением в процессе плавления. Металлы имеют высокую теплопроводность; некоторым из них свойственна высокая плотность энергии.
в) Бинарные системы. При аккумулировании с использованием теплоты фазового перехода бинарные системы могут обладать некоторыми преимуществами, а именно: — точка плавления может оказаться более подходящей; — высокие плотности энергии могут быть достигнуты даже при низких температурах плавления; — дорогостоящие вещества с хорошими теплоаккумулирующими свойствами могут быть использованы в смеси с дешевыми; при этом тепловая емкость остается почти неизменной.
Бинарные системы при их использовании в аккумуляторах должны плавиться и затвердевать аналогично гомогенному чистому веществу.
в) Тройные смеси. Эвтектические смеси могут состоять из трех и более компонентов. В части (в) табл. 4.4.1.1. перечислены смеси хлоридов и карбонатов, имеющие такие же хорошие термические свойства, как и двойные смеси, но отличающиеся более низкой температурой плавления при меньшей стоимости.
Из других источников литературы /55, 74, 75, 76, 77/ найдены другие рабочие вещества табл. 4.4.1.2. и представлены их теплофизические свойства 4.4.1.3.
Однако, широкое применение этих веществ ограничивается пока что недостаточной изученностью таких вопросов, как влияние на из свойства многократных циклов нагревания и охлаждения, коррозионной активностью в отношении к различным конструкционным материалам, стоимостью аккумулирующих устройств.
При использовании материалов, изменяющих фазовое состояние и обладающих поэтому большей аккумулирующей способностью на единицу объема, можно значительно снизить габариты аккумулятора. Наибольшее применение на практике получили для этих целей гидраты солей и парафины /78,79/.
