Выпуск:
2020. Том 6. № 1 (21)Об авторах:
Кишалов Александр Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент кафедры авиационной теплотехники и теплоэнергетики, Уфимский государственный авиационный технический университет; kishalov@ufanet.ruАннотация:
Доля децентрализованной генерации энергии в России с каждым годом растет. Развитию такого сценария способствуют повышенный износ оборудования энергетической системы страны, дефицит энергии и отсутствие централизованного энергообеспечения в ряде регионов и постоянно растущие тарифы. Одним из методов децентрализованного производства энергии является применение энергоустановок малой мощности, основанных на цикле Ренкина с органическим рабочим телом. Для функционирования таких установок необходимо обеспечить охлаждение и конденсацию рабочего тела отводом его тепла в окружающую среду.
В исследовании рассматриваются вопросы проектирования энергоустановки и выполняется расчет системы отвода тепла холодному источнику. Рассматривается конструкция конденсатора, представляющего собой горизонтально расположенный трубопровод, помещенный в грунт. Сезонные колебания температур грунта оказывают влияние на работу такого конденсатора. В связи с этим для обеспечения стабильной работы энергоустановки необходимо количественно оценить влияние годовой динамики температурного состояния грунта на охлаждение и конденсацию теплоносителя.
Исследование температурных полей грунта, трубопровода и рабочего тела, а также длин, потребных для охлаждения и конденсации рабочего тела, произведено в программном пакете численного гидрогазодинамического моделирования ANSYS CFX. Для моделирования движения и конденсации парожидкостной среды выбрана гомогенная модель течения. Также расчеты были проведены в одномерной постановке при помощи инженерной методики.
Разработана и верифицирована методика моделирования сложных процессов теплоотдачи в грунт при помощи численного моделирования. Произведено 12 расчетов, получены распределения степени сухости пара и температур в моделируемой области в зависимости от времени года. Проанализированы функциональные зависимости суммарной длины трубопровода, длин охлаждения и конденсации от температуры грунта. Установлено, что заложенное в качестве начального условия гармоническое изменение температуры грунта определяет схожее изменение длин, необходимых для охлаждения и конденсации рабочего тела.
При помощи данной методики возможно рассчитывать трубопроводы более сложных форм. Полученные распределения температур в поперечных сечениях позволяют установить оптимальные расстояния между осями труб при проектировании конденсатора в виде пучка горизонтальных труб или изогнутого трубопровода.
Ключевые слова:
Список литературы:
Бабенко А. В. Гидравлический расчет двухфазных газожидкостных течений: современный подход / А. В. Бабенко, Л. Б. Корельштейн // Трубопроводная арматура и оборудование (ТПА). 2016. № 2 (83). С. 38-42.
Варгафтик Н. Б. Справочник по теплопроводности жидкостей и газов / Н. Б. Варгафтик и др. М: Энергоатомиздат, 1990. 352 с.
Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н. Б. Варгафтик. М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит-ры, 1963. 708 с.
Волков М. М. Справочник работника газовой промышленности / М. М. Волков, А. Л. Михеев, К. А. Конев. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1989. 286 с.
Ефимов Н. Н. Перспективы развития малой распределенной энергетики / Н. Н. Ефимов, О. С. Попель, В. Н. Балтян // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. 2015. № 1. С. 60-64. DOI: 10.17213/0321-2653-2015-1-60-64
Кишалов А. Е. Математическое моделирование конденсации рабочего тела в системе отдачи тепла холодному источнику энергоустановки малой мощности / А. Е. Кишалов, А. А. Зиннатуллин // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2019. № 23 (5). С. 934-949. DOI: 10.21285/1814-3520-2019-5-934-949
Кишалов А. Е. Термодинамический расчет органического цикла Ренкина для энергоустановок малой мощности с использованием биотоплива / А. Е. Кишалов, Е. А. Зародов // Молодежный вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2017. № 2 (17). С. 183-188.
Крылов В. А. Учет неравномерности температурного поля в геотермальной скважине теплового насоса / В. А. Крылов, В. А. Черноозерский, А. А. Никитин, И. В. Баранов // Вестник Международной академии холода. 2015. № 1 (54). С. 75-80.
Максимов В. И. Особенности использования геотермальной энергии с применением теплонасосных установок в условиях низких температур воздуха / В. И. Максимов, А. Салум // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2019. Том 330. № 2. С. 115-123. DOI: 10.18799/24131830/ 2019/2/113
Промышленное производство в России 2016: статистический сборник. М.: Фед. служба гос. статистики, 2016. 347 с.
Рейтинг регионов по уровню энергодостаточности // Регионы России. РИА Рейтинг. URL: http://vid1.rian.ru/ig/ratings/energodeficit012018.pdf (дата обращения: 24.01.2020).
Россия в цифрах — 2019 г. Производство электроэнергии и теплоэнергии // Фед. служба гос. статистики. URL: https://gks.ru/bgd/regl/b19_11/IssWWW.exe/Stg/d01/16-45.doc (дата обращения: 26.01.2020).
Сучилин А. В. Исследование эффективности грунтового горизонтального теплообменника бытового теплового насоса с помощью Comsol Multiphisics / А. В. Сучилин, А. С. Кочетков, Н. Н. Губанов // Вестник Евразийской науки. 2018. Том 10. № 2. URL: https://esj.today/38SAVN218.html (дата обращения: 20.01.2020).
Сучилин А. В. Исследование эффективности теплообменников вертикальных скважин теплонасосных установок в Comsol Multiphisics / А. В. Сучилин, А. С. Кочетков, Н. Н. Губанов // Вестник Евразийской науки. 2018. Том 10. № 5. URL: https://esj.today/19SAVN518.html (дата обращения: 20.01.2020).
Шеин Е. В. Курс физики почв / Е. В. Шеин. М.: Изд-во Московского государственного университета, 2005. 432 с.
ANSYS CFX-Pre User's Guide // ANSYS Inc. 2011. 368 p. URL: http://read.pudn.com/downloads500/ebook/2077964/cfx_pre.pdf
Awad M. M. Effective property models for homogeneous two-phase flows / M. M. Awad, Y. S. Muzychka // Experimental Thermal and Fluid Science. 2008. Vol. 33. № 1. Pp. 106-113. URL: http://www.engr.mun.ca/muzychka/ETFS2008.pdf (дата обращения: 21.01.2020).
Boxcar Function // Wolfram MathWorld: The Web’s Most Extensive Mathematics Resource. URL: http://mathworld.wolfram.com/BoxcarFunction.html (дата обращения: 23.01.2020).
Crowe C. T. Multiphase Flow Handbook / C. T. Crowe. Boca Raton: Taylor & Francis Group, 2006. 1156 p.
De Lorenzo M. Homogeneous two-phase flow models and accurate steam-water table look-up method for fast transient simulations / M. De Lorenzo, Ph. Lafon, M. Di Matteo, M. Pelanti, J.-M. Seynhaeve, Y. Bartosiewicz // International Journal of Multiphase Flow. 2017. Vol. 95. Pp. 199-219. DOI: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2017.06.001
Lejon M. Wall Condensation Modelling in Convective Flow: Master’s thesis / M. Lejon. Stockholm: School of Industrial Engineering and Management, 2013.
Wörner M. Compact Introduction to the Numerical Modeling of Multiphase Flows / M. Wörner. Karlsruhe: Institut für Reaktorsicherheit, 2003. 38 p.
