CC BY
117
УДК 662.957
Ю. В. Цымбалюк Астраханский государственный технический университет
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ФАЗОПЕРЕХОДНЫХ ТЕПЛОВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ ДЛЯ НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВЫХ ОБЪЕКТОВ
Для автономного теплоснабжения нефтегазопромысловых объектов кроме энергоисточников, использующих топливно-энергетические ресурсы, могут применяться и альтернативные энергоисточники на основе солнечной и ветровой энергии. Однако использование энергоресурсов затруднено неравномерностью их поступления, поэтому целесообразно применение аккумуляторов теплоты с теплоаккумулирующим материалом фазового перехода (ТАМФП) для стабилизации работы систем с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ). Весьма актуальной является разработка методики расчета фазопереходных аккумуляторов. На основе результатов исследований разработана методика расчета основных параметров аккумуляторов различной формы с высокотеплопроводными инклюзивами различной конфигурации [1-5].
Объем теплового аккумулятора с ТАМФП может быть определен в зависимости от коэффициента теплопередачи через стенки теплового аккумулятора, времени разрядки, а также коэффициента формы теплового аккумулятора при различных значениях полезно используемого количества теплоты, получаемого в период разрядки. В качестве примера на рис. 1 изображена номограмма для определения объема теплового аккумулятора в зависимости от значения полезно используемого количества теплоты, получаемого в период разрядки, при различном времени разрядки и термическом сопротивлении тепловой изоляции аккумулятора 1 м2-К/Вт.
0,0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
С?, МДж
Рис. 1. Номограмма для определения объема теплового аккумулятора в зависимости от количества полезно используемой теплоты и времени разрядки
при Я = 1 м2 • К/Вт
Таким образом, объем теплового аккумулятора зависит от количества аккумулируемой теплоты, времени разрядки, теплофизических свойств ТАМФП, термического сопротивления теплоизоляции и других факторов. Наиболее сильное влияние оказывают количество аккумулируемой теплоты и время процесса разрядки.
Для анализа энергетической эффективности тепловых аккумуляторов с ТАМФП может быть использован такой показатель, как энергетический КПД, выражающий соотношение между запасенным и полезно используемым теплом с учетом потерь через ограждающие конструкции:
1___РаТр (/пл + Л/2/2 ~/0~)
_ = У°,33рж (СтМа + ' + ) , (1)
а + ваТз (^пл ~ Л/Г/2 - /о)
Даи V0,33 Рж (стл/Г+Г+Сжл/Г )
где Ра = рг / V,0,67 - коэффициент формы теплового аккумулятора; /пл - температура плавления; тр - время разрядки; тз - время зарядки; А/1 = /пл - /аа и А/2 = /2а - /пл - переохлаждение и перегрев; /0 - температура окружающей среды; Дти - термическое сопротивление теплоизоляции; ст - твердая фаза; сж - жидкая фаза.
В качестве примера на рис. 2 приведены результаты расчета КПД тепловых аккумуляторов по формуле (1) при типичных условиях их эксплуатации: время зарядки - 8 ч, термическое сопротивление теплоизоляции - от 0,1 до 3,0 м2К/Вт.
V, м3
Рис. 2. Зависимость КПД теплового аккумулятора от его объема Уа и термического сопротивления теплоизоляции Ктш, м2 • К/Вт
Тепловые аккумуляторы могут иметь различную форму в зависимости от типа трансформатора возобновляемых источников энергии, места установки аккумулятора теплоты, возможностей изготовления и т. д. Используя соотношения между объемом и геометрическими параметрами, можно определить основные линейные размеры к, ё, I, а теплового аккумулятора.
В качестве примера на рис. 3 приведены зависимости коэффициента формы тепловых аккумуляторов от соотношения основных геометрических размеров.
\
\ /
\ /
/
\ 2 У
ч
А /
ч "X N - 1
''
ч
/
ІЗ
-н
0,1 1,0 Ь1с/ 10,0
Рис. 3. Зависимость коэффициента формы аккумуляторов с плоскими стенками от соотношения основных геометрических размеров:
1 - прямоугольный параллелепипед; 2 - треугольная призма;
3 - четырехугольная пирамида
Очевидно, что для аккумуляторов любой формы, кроме треугольной призмы, минимальное значение коэффициента формы соответствует соотношению основных геометрических параметров равному 1.
Таким образом, анализ энергетической эффективности тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода позволяет сделать следующие выводы.
1. Наиболее сильное влияние на КПД теплового аккумулятора оказывают: объем теплового аккумулятора, время зарядки и разрядки, термическое сопротивление. Так, при увеличении объема теплового аккумулятора от 0,1 до 100 м3 и времени разрядки 4 ч КПД теплового аккумулятора увеличивается от 0,88 до 0,99, а при времени разрядки 48 ч - от 0,36 до 0,93, т. е. в 1,5—2,5 раза. В том же диапазоне объема теплового аккумулятора при термическом сопротивлении теплоизоляции 0,5 м2*К/Вт КПД теплового аккумулятора увеличивается от 0,68 до 0,96, а при термическом сопротивлении 3,0 м2*К/Вт - от 0,94 до 0,99, т. е. в 1,1-1,5 раза.
2. Достаточно сильное влияние оказывает коэффициент формы, зависящий от геометрии и соотношения основных геометрических размеров. Из аккумуляторов цилиндрической формы наиболее эффективными являются аккумуляторы с полусферической крышкой и коническим днищем, из аккумуляторов с плоскими стенками - аккумуляторы пирамидальной формы.
3. Геометрически оптимальным является аккумулятор с минимальным значением коэффициента формы, равным 4,9-5,5, и соотношением основных размеров равным 1.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Шишкин Н. Д., Цымбалюк Ю. В. Исследование процессов плавления и кристаллизации в плоском слое теплоаккумулирующих материалов / Сб. науч. тр. - Астрахань: АИСИ, 2001. - С. 84-91.
2. Шишкин Н. Д., Цымбалюк Ю. В., Смирнова О. А. Исследование процессов фазовых переходов в тепловых аккумуляторах систем теплоснабжения // Изв. жилищно-коммунальной академии. - 2001. - № 4. - С. 43-52.
3. Цымбалюк Ю. В. Исследование динамики процессов плавления и кристаллизации в тепловых аккумуляторах фазового перехода гелиосистем // Возобновляемые источники энергии: Материалы Четвертой Всерос. науч. молод. школы. - М.: Изд-во МГУ, 2003. - С. 62-67.
4. Шишкин Н. Д., Цымбалюк Ю. В. Тепловые аккумуляторы для автономных теплоэнергетических комплексов с возобновляемыми источниками энергии // Возобновляемая энергетика: Проблемы и перспективы: Материалы Междунар. конф. - Махачкала, 2005. - С. 276-281.
5. Шишкин Н. Д., Цымбалюк Ю. В. Исследование параметров теплоносителя на выходе из фазопереходного аккумулятора теплоты // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2005. - № 6. - С. 254-259.
Получено 14.07.2006
CALCULATION TECHNIQUE OF PHASE-TRANSITIONAL THERMAL ACCUMULATORS FOR OIL-GAS OBJECTS
Yu. V. Tsymbalyuk
The calculation technique of main parameters of phase-transitional thermal accumulators of different forms with high heat conduction inclusions is elaborated on the basis of the research. Calculated dependences and nomograms for structural dimension definition and operating conditions of thermal accumulators depending on different conditions of exploitation are shown in the paper. The energetic efficiency is used for the analysis of energetic effect of accumulators. It shows the correlation between the stored and used heat taking into consideration the wastes that pass through walls. The volume of a thermal accumulator, charge and discharge time, and thermal resistance are the factors that have the most intensive influence on the efficiency of a thermal accumulator. When the volume of a thermal accumulator is increased from 0.1 to 100 cubic metres, and discharge time is 48 hours, the efficiency is increased in 1.5-2.5 times. It has been found out that the accumulator with minimum value of shape coefficient equivalent to 4.9-5.5, and with the correlation of basic sizes equivalent to 1.0 is the most optimum.
