Content uploaded by Vladimir Demchenko
Author content
All content in this area was uploaded by Vladimir Demchenko on Mar 09, 2020
Content may be subject to copyright.
CFD-МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ ТЕПЛООБМІНУ І
ГІДРОДИНАМІКИ В БАКУ АКУМУЛЯТОРІ ТЕПЛОТИ
Демченко В.Г.1, Баранюк А.В.2*
1Інститут технічної теплофізики НАН України, м. Київ, Україна
2КПІ ім. Ігоря Сікорського, м. Київ, Україна
Проблематика. На сьогодні баки акумулятори теплоти є невід’ємною
частиною схем систем опалення. Однак сучасним конструкціям ємнісних
баків акумуляторів притаманне явище термоклину та висока теплова
інертність. Для мінімізації згаданих недоліків пропонується використати
«теплове ядро», для формування якого слід вибрати речовину з високим
значенням теплоємності.
Мета дослідження. Метою представленого дослідження є моделювання
процесу тепломасопереносу у ємнісному баки-акумулятори із «тепловим
ядром», у вигляді розташованої по центральній оси бінарної труби,
міжтрубний простір якої наповнений парафіном (суміш граничних
вуглеводнів з температурою плавлення — від 45 °С до 65 °С; щільністю -
0,880-0,915 г / см при 15 °C)
Методика реалізації. засобами програмного комплексу Fluent визначено
розподіл температур в баку-акумуляторі теплоти в умовах вільної конвекції.
Далі отримані дані конвертувались в розрахунковий модуль Transient Thermal
програмного комплексу ANSYS, де проводились подальші розрахунки
нестаціонарного розподілу температури «теплового ядра».
Результати дослідження. Визначено, що бак-акумулятор теплоти, ємністю
1400 літрів, який нагрівається одну годину теплоносієм з температурою 115
°С, охолоджується до 50 °С за 4 години. Проведений аналіз гідродинамічної
структури на основі розподілу траєкторій руху вільно-конвективних потоків в
товщі води баку акумулятора, свідчить про необхідність удосконалення
конструкції баку. Визначено, що застосування «теплового ядра» незалежно
від типу парафіну, який застосовується для його формування, сприяє
зменшенню стратифікації температури по висоті баку. Тип парафіну, що
використовується для формування «теплового ядра» не має суттєвого впливу
на час охолодження бака акумулятора теплоти в цілому. Проте, у випадку
використання церезину в якості наповнювача «теплового ядра», середня
температура бака в цілому приблизно на 0,5 °С вища ніж для інших
досліджених типів парафіну. Таким чином, в якості «теплового ядра» слід
застосовувати саме церезин.
Висновки. Результат обчислення неоднорідного температурного поля всіх
елементів використовувався для визначення часу повного охолодження бака-
акумулятора теплоти. Проведене дослідження дозволяє автоматизувати
процес розрахунку баків акумуляторів і провести їх модернізацію для
підвищення ефективності використання.
Ключові слова: вільна конвекція; бак-акумулятор теплоти; стратифікація
температури; теплове ядро; озокерит; петролатум; церезин.
Висновки
За допомогою методів CFD-моделювання визначено, що завдяки
конструктивним особливостям дослідженого бака-акумулятора теплоти в
його центральній частині створюються умови більш інтенсивного
охолодження (нагрівання) потоку. А, на периферії, над і під «тепловим
ядром» виникають застійні зони. Тому теплообмін в цих зонах погіршений.
Показано, що в товщі води бака-акумулятора формується неоднорідне
поле температур. На нашу думку, ця неоднорідність може бути пов’язана як з
нерівномірністю підводу теплоти так і впливом вільно-конвективних потоків,
що виникають в товщі води баку акумулятора внаслідок різниці густини води.
Визначено, що час повного охолодження бака-акумулятора теплоти
становить 4 години. Зазначено, що з всіх досліджених типів парафіну, в якості
«теплового ядра» слід застосовувати церезин.
В перспективі, подальші дослідження можуть бути спрямовані на
модернізацію конструкції бака-акумулятора теплоти з метою визначення умов
створення рівномірного поля температур баку і подовження часу його
охолодження.