Оценка и анализ тепловых параметров твердых теплоаккумулирующих элементов в режиме заряда и отдачи тепла электрического теплового аккумулятора - Статья
Исследование нестационарного теплового режима теплоаккумулирующего элемента электрического теплового аккумулятора. Анализ динамики нагрева и остывания теплоаккумулирующего элемента. Оценка и сравнение тепловой эффективности теплоаккумулирующих элементов.
Аннотация к работе
Проведено расчетное исследование нестационарного теплового режима теплоаккумулирующего элемента электрического теплового аккумулятора (ЭТА) предложенной конструкции. Выполнена оценка и сравнение тепловой эффективности теплоаккумулирующих элементов предложенной конструкции с элементами стандартной конструкции.Следует проанализировать динамику нагрева и охлаждения теплоаккумулирующего элемента при снижении величины теплового потока qтэн с поверхности трубчатых электронагревателей (ТЭН) и оценить теплоотдачу стенки воздушного канала теплоаккумулирующего элемента предложенной конструкции для выбранного диапазона скоростей движения воздушного потока. На основе проведенного математического моделирования нестационарных теплообменных процессов в теплоаккумулирующих элементах с различной формой и количеством воздушных каналов при условии равенства площади поперечного сечения данных каналов выбрана более рациональная схема теплоаккумулирующего элемента ЭТА с двумя каналами круглого сечения [2]. Проведем расчетное исследование теплового режима теплоаккумулирующего элемента предложенной конструкции из магнезита в течение 48 часов для 3 случаев, когда скорость воздушного потока ? в канале равна 2; 2,5 и 3 м/с, а также при условии ограничения температуры теплоаккумулирующего элемента в конце периода заряда до 650 ?С. Полученные результаты математического моделирования теплообменных процессов в теплоаккумулирующем элементе предложенной конструкции при заданных условиях в течение периода заряда и отдачи тепла приведены на рис. Анализ полученных значений тепловых параметров на основе проведенного математического моделирования тепловых режимов теплоаккумулирующего элемента предложенной конструкции и сопоставления их с аналогичными тепловыми параметрами, полученными для теплоаккумулирующего элемента стандартной конструкции, позволяет сделать вывод о тепловой эффективности предложенной конструкции теплоаккумулирующего элемента.
Введение
Приоритетными задачами для энергетики Украины на сегодняшний день являются: снижение уровня энергоемкости производства, повышение энергоэффективности систем по выработке тепловой и электрической энергии, замещение природного газа другими видами энергоресурсов, в том числе полученными из альтернативных источников энергии, а также повышение эффективности использования тепловой энергии потребителями. В Государственной целевой экономической программе энергоэффективности на 2010-2015 гг. рекомендовано внедрение электрического теплоаккумуляционного отопления в бюджетной сфере (детсады, школы, ВУЗЫ и т.д.) и в административных зданиях, как один из эффективных вариантов решения проблемы повышения эффективности систем теплоснабжения потребителей. Для широкого внедрения систем теплоаккумуляционного отопления необходимо исследование тепловых процессов, протекающие в электрическом тепловом аккумуляторе (ЭТА) в режиме заряда и отдачи тепла с последующей выдачей рекомендаций по выбору теплоаккумулирующего материала, расчету геометрических и тепловых параметров ЭТА.
1 Постановка задачи исследования
В работах [1, 2] приведены расчетные исследования температурного поля стандартного теплоаккумулирующего элемента ЭТА. В [1] проанализирована динамика изменения температуры теплоаккумулирующего элемента при двух режимах работы ЭТА и выбран более рациональный режим. Проведена оценка экономических и энергетических затрат при использовании систем отопления с ЭТА и электрическими отопительными приборами конвективного типа. В [2] предложен вариант изменения схемы движения воздушного потока по каналам ЭТА и усовершенствования конструкции теплоаккумулирующего элемента. Выполнен расчет тепловых параметров нагреваемого воздуха при постоянной скорости движения воздушного потока для каждой из предложенных схем теплоаккумулирующего элемента и выбрана более рациональная схема.
В приведенных работах не в полной мере рассмотрены тепловые процессы, протекающие в теплоаккумулирующих элементах предложенной конструкции в режиме заряда и отдачи тепла ЭТА.
ЕНЕРГЕТИЧНІ ТА ТЕПЛОТЕХНІЧНІ ПРОЦЕСИ Й УСТАТКУВАННЯ
Следует проанализировать динамику нагрева и охлаждения теплоаккумулирующего элемента при снижении величины теплового потока qтэн с поверхности трубчатых электронагревателей (ТЭН) и оценить теплоотдачу стенки воздушного канала теплоаккумулирующего элемента предложенной конструкции для выбранного диапазона скоростей движения воздушного потока.
Целью данной работы является оценка теплового потенциала ЭТА при работе с теплоаккумулирующими элементами предложенной конструкции, а также сопоставление полученных результатов с тепловыми параметрами ЭТА при его работе со стандартными теплоаккумулирующими элементами.
2 Оценка тепловой эффективности твердых теплоаккумулирующих элементов выбранной конструкции
На основе проведенного математического моделирования нестационарных теплообменных процессов в теплоаккумулирующих элементах с различной формой и количеством воздушных каналов при условии равенства площади поперечного сечения данных каналов выбрана более рациональная схема теплоаккумулирующего элемента ЭТА с двумя каналами круглого сечения [2]. Схема движения воздушного потока по каналам теплоаккумулирующих элементов и горизонтальное сечение теплоаккумулирующего элемента представлены на рис. 1.
а б
Рис. 1 - Схема движения воздушного потока по каналам теплоаккумулирующего элемента а и схема теплоаккумулирующего элемента предложенной конструкции б
Проведем расчетное исследование теплового режима теплоаккумулирующего элемента предложенной конструкции из магнезита в течение 48 часов для 3 случаев, когда скорость воздушного потока ? в канале равна 2; 2,5 и 3 м/с, а также при условии ограничения температуры теплоаккумулирующего элемента в конце периода заряда до 650 ?С. Подробное описание математической модели, задания начальных и граничных условий и причины ограничения максимальной температуры в период заряда ЭТА также приведены в [2]. Полученные результаты математического моделирования теплообменных процессов в теплоаккумулирующем элементе предложенной конструкции при заданных условиях в течение периода заряда и отдачи тепла приведены на рис. 2.
ЕНЕРГЕТИЧНІ ТА ТЕПЛОТЕХНІЧНІ ПРОЦЕСИ Й УСТАТКУВАННЯ
Q , Вт
Тж1, °С
800 700 600
500
Тск, °С
400 1
300 2
200 3 100
0
140
120
100
80 1
60 3
40 2 20
0
1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45
Время ?, ч
7 8 9 1011121314151617181920212223
Время ?, ч
100
90
80
70
T с1, °С
60
50
40
30
0 2 4 6 а
1
3 2
8 10 12 14 16 18 20 22 б 1200
1000 3
1100
800
900
700 trial
500 1 2
400
300
200
100
0
7 9 11 13 15 17 19 21 23
Время ?, ч в
Время ?, ч г
Рис. 2 - Тепловые параметры ЭТА при его работе с теплоаккумулирующими элементами предложенной конструкции: а - изменение температуры ТСК на стенке канала теплоаккумулирующего элемента;
б - изменение температуры нагреваемого воздуха Тж1 на выходе из теплоаккумулирующих элементов в режиме отдачи тепла; в - изменение температуры Тс1 на наружной поверхности теплоизоляции теплоаккумулирующих элементов); г - тепловой поток Q от стенки канала теплоаккумулирующего элемента к потоку нагреваемого воздуха в режиме отдачи тепла: 1 - при ? = 2 м/с; 2 - при ? = 2,5 м/с; 3 - при ? = 3 м/с
Диапазон скоростей ? выбран исходя из ограничения уровня шума в помещениях жилых и общественных зданий [3] и ограничения скорости воздуха в рабочей зоне [4]. Установлено также, что при снижении скорости воздушного потока в канале до 1,5 м/с и ниже наблюдается ламинарный вязкостно-гравитационный режим течения жидкости при котором коэффициент теплоотдачи ?к в течение периода отдачи тепла ЭТА меняется незначительно и составляет 6,6-6,8 Вт/(м2·°С). Расчет нестационарного температурного поля проводился с учетом изменения температуры нагреваемого воздуха Тж1 по высоте канала, изменения теплофизических свойств теплоаккумулирующего материала в зависимости от температуры, а также был учтен конвективный и лучистый теплообмен с окружающей средой при расчете температуры T 1 на наружной поверхности теплоизоляции теплоаккумулирующих элементов. Аналогичные расчеты при ? = 2-3 м/с были проведены и для теплоаккумулирующего элемента стандартной конструкции. В работе [2] также были проведены подобные расчетные исследования теплового режима рассматриваемых теплоаккумулирующих элементов, но только при скорости воздушного потока в канале ? = 3 м/с. Также не было учтено изменение теплофизических свойств теплоаккумулирующего материала в зависимости от температуры. Таким образом, полученные значения тепловых c
ЕНЕРГЕТИЧНІ ТА ТЕПЛОТЕХНІЧНІ ПРОЦЕСИ Й УСТАТКУВАННЯ параметров ТСК , Тж1, T 1 и Q более точно отображают тепловые процессы, протекающие в теплоаккумулирующих элементах в режиме заряда и отдачи тепла ЭТА. 3 Анализ и сравнение динамики нагрева и остывания рассматриваемых c теплоаккумулирующих элементов
Анализ полученных значений тепловых параметров на основе проведенного математического моделирования тепловых режимов теплоаккумулирующего элемента предложенной конструкции и сопоставления их с аналогичными тепловыми параметрами, полученными для теплоаккумулирующего элемента стандартной конструкции, позволяет сделать вывод о тепловой эффективности предложенной конструкции теплоаккумулирующего элемента. Так, температура стенки воздушного канала теплоаккумулирующего элемента ТСК в конце периода отдачи тепла (рис. 2а) при ? = 3 м/с и суммарная величина Q за период отдачи тепла (рис. 2г) в 2,2 раза выше, чем аналогичные значения рассматриваемых параметров для теплоаккумулирующего элемента стандартной конструкции (ТСК равны 100 и 45 °С, суммарное значение Q 8343 и 3821 Вт соответственно). Такое соотношение полученных тепловых параметров прослеживается и при ? = 2-2,5 м/с. Полученные результаты достигаются благодаря изменению схемы движения воздуха по каналам теплоаккумулирующих элементов, изменению расположения и формы воздушных каналов (рис. 1) при условии обеспечения эквивалентности общей площади поперечного сечения воздушных каналов и объема сравниваемых теплоаккумулирующих элементов. Предложенные изменения позволяют увеличить расход нагреваемого воздуха Gвозд соответственно увеличив значения Q в период отдачи тепла ЭТА, а также получить более высокую температуру ТСК в конце периода отдачи тепла, что дает возможность достичь максимальной температуры в конце периода заряда ЭТА (примерно 650 °С) при уменьшении теплового потока с поверхности ТЭН на 30 % за такой же промежуток времени по сравнению с вариантом, когда происходит нагрев теплоаккумулирующего элемента стандартной конструкции. Таким образом, использование предложенной конструкции теплоаккумулирующих элементов в ЭТА позволит снизить мощность ТЭН и соответственно сократить потребление электроэнергии.
Полученные коэффициенты теплоотдачи ?к от стенки канала рассматриваемого теплоаккумулирующего элемента к потоку нагреваемого воздуха в период отдачи тепла представлены на рис. 3.
18 3 ?к, Вт/(м2•°С)
16 2
14 1 12
10
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Время ?, ч
Рис. 3 - Изменение коэффициента теплоотдачи ?к в периода отдачи тепла: 1 - при ? = 2 м/с; 2 - при ? = 2,5 м/с; 3 - при ? = 3 м/с
Аналогичные значения величины ?к , полученные для теплоаккумулирующего элемента стандартной конструкции, ниже на (7-10) %. Различие между полученными
ЕНЕРГЕТИЧНІ ТА ТЕПЛОТЕХНІЧНІ ПРОЦЕСИ Й УСТАТКУВАННЯ величинами обусловлено влиянием геометрического размера воздушного канала ?к ~ d?0,2 и коэффициентом ?l , учитывающим изменение среднего ?к по высоте канала [5]. Коэффициент теплоотдачи ?к в течение периода отдачи тепла (рис. 3) меняется незначительно и для расчетов его можно принять постоянным. Таким образом, можно утверждать, что в данном случае имеет место регулярный тепловой экв режим II рода (квазистационарный).
На основе анализа распределения температуры ТСК в течение периода заряда и отдачи тепла ЭТА были предложены математические зависимости, которые с достаточной точностью описывают рассматриваемые тепловые процессы в теплоаккумулирующем элементе. Погрешность при расчете температуры ТСК в период заряда и отдачи тепла ЭТА составила (3-5) %.
? где Тск ?- температура стенки канала теплоаккумулирующего элемента в момент времени ? (конечная), °С; Тск ?? 1 - то же в момент времени ? - 1 (начальная), °С;
F n к к
? m ? с1? V - темп охлаждения, с-1; ?к - коэффициент теплоотдачи от стенки канала в период отдачи тепла (охлаждения), Вт/(м2·°С); F - площадь поверхности воздушного канала, м2; n - количество каналов на участке полуширины теплоаккумулирующего
1 к элемента (см. рис. 4); c - теплоемкость аккумулирующего материала, Дж/(кг·°С); ?1 - плотность аккумулирующего материала, кг/м3; V - объем теплоаккумулирующего элемента, м3; ?1 - теплопроводность аккумулирующего материала, Вт/(м·?С); ? - полуширина теплоаккумулирующего элемента, м; ?o и ?н - соответственно 1 продолжительность охлаждения и нагрева, с;
Рис. 4 - Схема теплоаккумулирующего элемента для расчета температуры ТСК в течение периода заряда и отдачи тепла по формулам (1) и (2): ? - полуширина теплоаккумулирующего материала, м; 2? - полная ширина, м
2 qтэн ? Sтэн - тепловой поток с поверхности ТЭН, Вт/м2; I - сила тока, проходящая через ТЭН, I
R
А; R - сопротивление ТЭН, Ом; Sтэн - площадь поверхности ТЭН, м2; (0,92-0,94) - коэффициент, учитывающий долю тепловой энергии от общего ее количества накопленной за период заряда (нагрева), которая приходится на тепловые потери. Оценка эффективности применения аккумулирующего материала магнезита представлена в [6]. Были получены тепловые параметры теплоаккумулирующего элемента в режиме заряда и отдачи тепла для 3-х вариантов
ЕНЕРГЕТИЧНІ ТА ТЕПЛОТЕХНІЧНІ ПРОЦЕСИ Й УСТАТКУВАННЯ аккумулирующего материала. Аккумулирующую способность материала b, Вт·с0,5/(м2·?С) можно вычислить по формуле [7] b ? ?1с ?1 . (3)
1
Результаты расчетных исследований и выводы: 1) Получены тепловые параметры теплоаккумулирующего элемента предложенной конструкции для выбранного диапазона скоростей движения воздуха по каналам. 2) Проведено сравнение полученных результатов с аналогичными параметрами для теплоаккумулирующего элемента стандартной конструкции и сделан вывод о тепловой и экономической эффективности выбранной схемы элемента ЭТА. 3) На основе анализа динамики нагрева и остывания теплоаккумулирующего элемента предложены математические зависимости, описывающие температурный режим при нагреве и остывании. 4) Оценена эффективность аккумулирования тепла.
Список литературы: 1. Хименко, А. В. Исследование режимов работы электрического теплового аккумулятора [Текст] / А. В. Хименко, В. А. Тарасова // Інтегровані технології та енергозбереження. - 2013. - № 2. - С. 136-139. - ISSN 2078-5364. 2. Выбор рациональных геометрических параметров элемента электрического теплового аккумулятора [Текст] / В. А. Тарасова, А. В. Хименко // Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Енергетичні та теплотехнічні процеси й устаткування. - Х.: НТУ «ХПІ», 2013. - № 13(987). - С. 110-115. - Бібліогр.: 8 назв. - ISSN 2078-774Х. 3. САНПИН 3077-84. Санитарные нормы допустимого шума в помещениях жилых и общественных зданий и на территории жилой застройки. - Введ. 03.08.1984. - М.: Министерство здравоохранения СССР. Главное санитарно-эпидемиологическое управление, 1984. - 7 с. 4. СНИП 2.04.05-91*У Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха [Текст]. - Введ. 21.01.1994; переиздан 27.06.1996 с изм. № 1 и 20.12.2000 с изм. № 2. - М.: ГП ЦПП Минстрой России, 1994. - 66 с. 5. Михеев, М. А. Основы теплопередачи [Текст] / М. А. Михеев, И. М. Михеева. - 2-е изд. перераб. - М.: Энергия, 1977. - 344 с. 6. Хименко, А. В. Эффективность применения теплоаккумулирующих материалов в электрических тепловых аккумуляторах [Текст] / А. В. Хименко // Стратегия качества в промышленности и образовании: тез. докл. IX Международной научно-практической конференции, Болгария, 31 мая - 7 июня. - Варна, 2013. - С. 219-223. 7. Промышленные печи [Текст]: справ. руководство для расчетов и проектирования / Е.И. Казанцев. - 2-е изд. доп. и перераб. - М.: Металлургия, 1975. - 368 с.
Bibliography (transliterated): 1. Himenko, A. V., and V. A. Tarasova. "Issledovanie rezhimov raboty jelektricheskogo teplovogo akkumuljatora." Integrovani tehnologії ta energozberezhennja 2 (2013): 136-139. ISSN 2078-5364. Print. 2. Tarasova, V. A., and A. V. Himenko. "Vybor racional"nyh geometricheskih parametrov jelementa jelektricheskogo teplovogo akkumuljatora." Visnyk NTU "HPI". Serija: Energetychni ta teplotehnichni procesy j ustatkuvannja. No. 13 (987). Kharkiv: NTU "HPI", 2013. 110-115. ISSN 2078-774X. Print. 3. SANPIN 3077-84. Sanitarnye normy dopustimogo shuma v pomeshhenijah zhilyh i obshhestvennyh zdanij i na territorii zhiloj zastrojki. Moscow: Ministerstvo zdravoohranenija SSSR. Glavnoe sanitarno-jepidemiologicheskoe upravlenie, 1984. Print. 4. SNIP 2.04.05-91*U. Otoplenie, ventiljacija i kondicionirovanie vozduha. Moscow: GP CPP Minstroj Rossii, 1994. Print. 5. Miheev, M. A., and I. M. Miheeva. Osnovy teploperedachi. Moscow: Jenergija, 1977. Print. 6. Himenko, A. V. "Jeffektivnost" primenenija teploakkumulirujushhih materialov v jelektricheskih teplovyh akkumuljatorah." Strategija kachestva v promyshlennosti i obrazovanii: tez. dokl. IX Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii Bulgaria. 31 May - 7 June. - Varna, 2013: 219-223. Print. 7. Kazancev, E. I. Promyshlennye pechi: sprav. rukovodstvo dlja raschetov i proektirovanija. Moscow: Metallurgija, 1975. Print.