Моделирование работы термостабилизатора с распределенным подводом хладагента к внешней поверхности

Об авторах:

Гильманов Александр Янович, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель кафедры моделирования физических процессов и систем, Школа естественных наук, Тюменский государственный университет, Тюмень, Россия; a.y.gilmanov@utmn.ru, https://orcid.org/0000-0002-7115-1629


Ким Андрей Сергеевич, заместитель директора, Альянс, Тюмень, Россия;
3659696@mail.ru, https://orcid.org/0009-0008-3224-5463

Шевелёв Александр Павлович, кандидат физико-математических наук, доцент, профессор кафедры моделирования физических процессов и систем, Школа естественных наук, Тюменский государственный университет, Тюмень, Россия;
a.p.shevelev@utmn.ru, https://orcid.org/0000-0003-0017-4871

Аннотация:

Для предотвращения обрушения зданий и сооружений в условиях криолитозоны из-за протаивания вечномерзлого грунта вследствие тепловой нагрузки от этих объектов необходимо использовать термостабилизаторы. Широкое распространение среди них получили двухфазные пассивные термосифоны, основными преимуществами которых являются высокая степень автономности и отсутствие дополнительных экономических затрат на компрессоры. Для повышения эффективности работы устройства впервые предлагается конструкция с распределенным подводом хладагента к внешней поверхности за счет сегментирования трубы, разделяющей нисходящий и восходящий поток теплоносителя. Определение оптимальных параметров работы такого термостабилиза­тора невозможно без этапа моделирования процессов тепломассопереноса. Всё выше­перечисленное обуславливает цель исследования — расчет распределения температуры в грунте при использовании термостабилизатора с распределенным подводом хладагента к внешней поверхности. Такой расчет проводится с использованием физико-математической модели термостабилизатора с выделением трех связанных задач: 1) описания движения жидкого хладагента по внутренней трубе термосифона под действием гравитационных сил; 2) расчета восходящего потока хладагента в зазоре между внешней трубой термостабилизатора и сегментами разделителя потоков; 3) расчета кондуктивного теплообмена в сис­теме «термостабилизатор — грунт». В основе моделирования лежат подходы неизотермической многофазной механики и теплофизики. Система уравнений для первой задачи решается аналитически, для остальных — численно. Проведен расчет температурного профиля в зазоре между устройством, разделяющим потоки и состоящим из четырех сегментов, и трубой термостабилизатора, а также в грунте на удалении 1 м от поверхности термосифона. Предложенная модель позволяет определить радиальное распределение температуры, согласующееся с практическими данными с точностью 90%. В результате исследования установлено, что использование такого разделяющего устройства позволяет увеличить эффективность снижения температуры грунта на 20%.

Список литературы:

Ананьев В. В. 2015. Моделирование двухфазного термосифона // Решетневские чтения. Том 1. С. 62–65.

Валиева Л. Е. 2016. Математическое моделирование режимов работы двухфазного термосифона в условиях извлечения геотермальной энергии // Высокие технологии в современной науке и технике: сб. науч. тр. V Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов (5–7 декабря 2016 г., Томск, Россия). Томск: STT. С. 486–487.

Глухов С. М., Лёзов А. Д., Шумков Д. Е., Климова В. А., Ташлыков О. Л. 2021. Моделирование системы пассивного отвода тепла от шахты-хранилища исследовательского ядерного реактора ИВВ-2М при помощи термосифонов // Физика. Технологии. Инновации: cб. ст. VIII Междунар. молодеж. науч. конф. (17–21 мая 2021 г., Екатеринбург, Россия) / под ред. В. Ю. Иванова, Д. Р. Байтимирова, Е. Д. Нархова, Д. М. Спиридонова. Екатеринбург: Урал. фед. ун-т. C. 113–122.

Евдокимов В. С., Максименко В. А., Васильев В. К., Третьяков А. В. 2014. Исследование работы сезоннодействующего термостабилизатора грунта // Проблемы региональной энергетики. № 3 (26). С. 74–80.

Ефимов В. М., Васильчук Ю. К., Рожин И. И., Попенко Ф. Е., Степанов А. В. 2017. Моделирование температурного режима грунтовых оснований с сезонноохлаждающими устройствами в условиях криолитозоны Республики Саха (Якутия) // Арктика и Антарктика. № 4. С. 86–97. https://doi.org/10.7256/2453-8922.2017.4.25036

Кислицын А. А. 2002. Основы теплофизики: лекции и семинары. Тюмень: Изд-во Тюмен. гос. ун-та. 152 с.

Красношлыков А. С., Кузнецов Г. В. 2015. Численное моделирование тепловых режимов термосифонов // Интеллектуальные энергосистемы: труды III Международ. молодеж. форума (28 сентября — 2 октября 2015 г., Томск, Россия): в 3 т. Том 1. Томск: Изд-во Томского политехн. ун-та. С. 25–28.

Кузнецов Г. В., Аль-Ани М. А., Шеремет М. А. 2011. Математическое моделирование нестационарных режимов теплопереноса в замкнутом двухфазном цилиндрическом термо­сифоне в условиях конвективного теплообмена с внешней средой // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. № 1 (13). С. 93–104.

Максимов В. И., Нурпейис А. Е. 2019. Математическое моделирование теплопереноса в замкнутом двухфазном термосифоне // Известия высших учебных заведений. Проб­лемы энергетики. Том 21. № 3. С. 3–13. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2019-21-3-3-13

Нигматулин Р. И. 1987. Динамика многофазных сред: в 2 ч. Часть 1. М.: Наука. 464 с.

Пономарёв К. О., Кузнецов Г. В., Феоктистов Д. В., Орлова Е. Г., Максимов В. И. 2020. О механизме теплопереноса в слое теплоносителя на нижней крышке закрытого двухфазного термосифона // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. Том 6. № 1 (21). С. 65–86. https://doi.org/10.21684/2411-7978-2020-6-1-65-86

Савченкова Н. М., Сасин В. Я., Кравцов Д. А., Петриков С. А., Гончаров К. А. 2016. Моделирование процессов теплопереноса в котле-утилизаторе термосифонного типа // Вестник Московского энергетического института. № 5. С. 98–104.

Badache M., Aidoun Z., Eslami-Nejad P., Blessent D. 2019. Ground-coupled natural circulating devices (thermosiphons): A review of modeling, experimental and development studies // Inventions. Vol. 4. No. 1. Article 14. https://doi.org/10.3390/inventions4010014

Cao Y., Li G., Wu G., Chen D., Gao K., Tang L., Jia H., Che F. 2021. Proposal of a new method for controlling the thaw of permafrost around the China–Russia crude oil pipeline and a preliminary study of its ventilation capacity // Water. Vol. 13. No. 20. Article 2908. https://doi.org/10.3390/w13202908

Chen K., Jin M., Li G., Liu Y., Lu J., Zhao Y., Yu Q. 2023. Thermal performance and heat transfer process of an expressway embankment with horizontal-thermosyphons in permafrost regions // Cold Regions Science and Technology. Vol. 212. Article 103887. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2023.103887

Fuso L. S., Cisterna L. H. R., Mantelli M. B. H. 2023. Experimental study of two phase loop thermosyphons for hybrid solar systems // Energy Conversion and Management. Vol. 293. Article 117550. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2023.117550

Liu L., Zhang Q., Zheng H., Meng F. 2024. Experimental study on thermal characteristics of thermosyphon with water condenser and LTES condenser in parallel (TWCLC) // Journal of Energy Storage. Vol. 76. Article 109507. https://doi.org/10.1016/j.est.2023.109507

Machado P. L. O., Pereira T. S., Trindade M. G., Biglia F. M., Santos P. H. D., Tadano Y. S., Siqueira H., Antonini Alves T. 2023. Estimating thermal performance of thermosyphons by artificial neural networks // Alexandria Engineering Journal. Vol. 79. Pp. 93–104. https://doi.org/10.1016/j.aej.2023.08.001

Meng F., Zhang Q., Zou S., Zhu X., Liu L., Chen S. 2024. Operating parameters optimization of a thermosyphon and compressor system used in 5G TBS // Applied Thermal Engineering. Vol. 241. Article 122331. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.122331

Wang F., Li G., Fedorov A., Ma W., Chen D., Wu G., Mu Y., Wang X., Jing H., Zhang Z. 2023. Applicability analysis of thermosyphon for thermally stabilizing pipeline foundation permafrost and its layout optimization // Cold Regions Science and Technology. Vol. 208. Article 103769. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2022.103769

Wu X., Zhang W., Hao W., Ye Z., Xie H., Shi L. 2023. Thermal hydraulic analysis of a novel passive residual heat removal system with loop thermosyphons for the pool-vessel reactor // Nuclear Engineering and Design. Vol. 412. Article 112467. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2023.112467

Yu W., Yi X., Han F., Pei W., Chen L. 2021. Study on the geometric parameters of elbow ventiduct embankment in permafrost regions along the Qinghai-Tibet Engineering Corridor // Cold Regions Science and Technology. Vol. 182. Article 103209. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2020.103209

Zhou Y., Zhang M., Pei W., Wu K., Li G. 2024. Numerical modeling and cooling performance evaluation of a pressure-driven two-phase closed thermosyphon with a long horizontal evaporator // Renewable Energy. Vol. 222. Article 119804. https://doi.org/10.1016/j.renene.2023.119804

Zueter A. F., Newman G., Sasmito A. P. 2021. Numerical study on the cooling characteristics of hybrid thermosyphons: Case study of the Giant Mine, Canada // Cold Regions Science and Technology. Vol. 189. Article 103313. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2021.103313