CC BY
17
ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2013. № 4 (17)
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
УДК 697.972
Е.В. Тарасова, А.С. Штым
ТАРАСОВА ЕЛЕНА ВЛАДИМИРОВНА - соискатель, старший преподаватель кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: lotos.t.e@mail.ru
ШТЫМ АЛЛА СИЛЬВЕСТРОВНА - кандидат технических наук, профессор кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: shtym_alla@mail.ru
ПРОГРАММА РАСЧЕТА ПОСТУПЛЕНИЯ ТЕПЛОТЫ
В АККУМУЛЯТОРЫ ЕСТЕСТВЕННОГО ХОЛОДА С УЧЕТОМ
ТЕПЛОВОЙ ИНЕРЦИИ В ИХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЯХ
ПРИ СУТОЧНЫХ КОЛЕБАНИЯХ ТЕМПЕРАТУРЫ НАРУЖНОГО ВОЗДУХА
Представлен разработанный авторами статьи алгоритм программы и методика расчета теплопоступлений в холодохранилища любой конфигурации и местоположения. С помощью созданной авторами программы становится возможным оптимальный выбор теплоизоляционного материала для холодохранилища, выполнен расчет теплопоступлений в холодохра-нилище опытно-промышленной установки, произведено сравнение расчетных значений теплопоступлений с экспериментальными данными.
Ключевые слова: аккумуляция холода, кондиционирование, холодохранилище, естественный источник холода.
Programme for calculating heat input in the natural cold storage with consideration for the thermal inertia of the building envelopes and daily fluctuations in the ambient temperature. Elena V. Tarasova, aspirant, Alla S. Shtym, PhD, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Vladivostok.
The paper presents an algorithm programme and computation method for heat input into cold storages of any configuration and location. Through the use of the authors' programme it has become possible to make and optimum choice of a heat insulation material for cold storages. The programme suggests computations for heat input into pilot cold storages and it offers a comparison between the calculated values of heat input and the experimental data.
Key words: accumulation of cold, air conditioning, cold storage, natural source of cold.
© Тарасова Е.В., Штым А.С., 2013
Процесс поступления теплоты в аккумуляторы естественного холода с учетом тепловой инерции в их ограждающих конструкциях был рассмотрен нами в [5]. Тепловая инерция возникает при колебаниях температуры наружной поверхности ограждений холодохранили-ща в течение суток, которые, в свою очередь, являются следствием колебания суточных температур наружного воздуха и воздействия солнечной радиации на наружные поверхности ограждений холодохранилища.
С помощью математического описания процесса, представленного в статье [5], мы предприняли попытку расчета изменения температуры стенки внутри холодохранилища с учетом тепловой инерции в ограждающих конструкциях холодохранилища. При этом принимается следующее: температура наружного воздуха берется осреднённой за месяц; колебания температуры на наружной поверхности холодохранилища возникают только от воздействия солнечной радиации.
Результаты расчета по методике, представленной в [5], не согласуются с экспериментальными данными суточных изменений температуры на внутренней поверхности стенки холодохранилища, так как основное влияние на изменение данной температуры оказывают колебания температуры наружного воздуха (рис. 1).
Такое несоответствие теоретических данных и экспериментальных расчетов неизбежно приведет к неточностям расчета. Например, при анализе результатов расчета по методике, представленной в [5], выяснилось, что при любом изменении теплоемкости слоя теплоизоляции в холодохранилище результаты расчета изменяются незначительно. Это подтверждает необходимость комплексного учета воздействия солнечной радиации и колебания суточных температур наружного воздуха на наружные поверхности ограждений холодохранилища.
а)
б)
Рис. 1. Изменение температуры на внутренней поверхности ограждающей конструкции опытно-промышленной установки охлаждения воздуха: а - экспериментальное, б - расчетное, согласно [5]
Цель данной работы - представить наши дальнейшие теоретические исследования влияния солнечной радиации, суточных колебаний температур и тепловой инерции ограждающих конструкций на поступления теплоты в холодохранилища, а также авторские методику и программу расчета поступления теплоты в аккумуляторы естественного холода с учетом выявленных недостатков ранее представленной методики [5].
Изменение температуры в ограждающей конструкции холодохранилища является процессом нестационарного теплообмена. Стенка хранилища представляет собой многослойную конструкцию, основным слоем которой выступает теплоизоляция. Как правило, теплоизоляция покрыта защитным слоем, который имеет сравнительно малую толщину и мало влияет на теплоизоляционные свойства стенки. Принято упрощение: расчетным слоем для нестационарного теплообмена взят только слой теплоизоляции. Стенка теплоизоляции имеет конечные размеры, но длина и ширина ее во много раз превышают толщину, поэтому для расчета принята модель неограниченной пластины (рис. 2).
Приток теплоты ( дтп ) через стенку холодохранилища является нестационарным и зависит от изменений температуры наружного воздуха (?нар ) и интенсивности солнечной радиации ( I ), которые изменяются гармонически (рис. 3).
_и г
/нлр. л/Х у 1 бнпаб к Л* -- о
"и
0 1 X
X__X,
Рис. 2. Распределение температуры в сечении ограждения
\ х 1р
/ \
\ 6 12 ¡3 1 \ \ 'тр. 1 1
день ночь / 2
2к часа
Рис. 3. Изменение температуры наружного воздуха и интенсивности солнечной радиации в течение суток
Температура внутри холодохранилища (teH ) принята постоянной, равной, согласно
экспериментальным данным, +1 °С.
Температура внутренних поверхностей ограждающих конструкций холодохранилища
в темное время суток (teH пов ) изменяется под воздействием температуры наружного воздуха,
в светлое время суток (teH пов ) на ее изменение дополнительно оказывает влияние солнечная радиация.
Температура наружного воздуха в течение суток определяется среднесуточной величиной tcHPap и амплитудой изменения At [1]:
2п
T
max „ „ гр
где ZHap - время суток с максимальной наружной температурой, ч; T - количество часов в
сутках (24 ч); z - текущий час суток.
Интенсивность солнечной радиации в течение светлого периода суток:
Hp.= A, cos—(zmр - z), (1)
2п
=^+а °osT~(z max - z), (2)
где А - амплитуда изменения солнечной радиации, Вт/м2, ¡Р - интенсивность солнечной
'р
радиации в 6 или в 18 ч (при условии зенита солнца в 12 ч), Вт/м2, определяется по формуле:
i = i,
p
Ч ■ [^П + ■ ■ ооъ(щ -фк)].
При поглощении солнечной радиации происходит нагрев наружной поверхности ограждающих конструкций холодохранилища на величину At. , это воздействие выражено
'р
через условную температуру наружного воздуха:
' р ■£■ к3
усл нар.
ан (3)
где £ - коэффициент поглощения солнечной радиации материалом наружной поверхности ограждающей конструкции; кз - коэффициент затенения ограждающей конструкции.
Для решения задачи нестационарного теплообмена через ограждающие конструкции холодохранилища использован метод конечных разностей [2, 6].
При теплопередаче через стенку задача нестационарной теплопроводности является одномерной, уравнение, которым описывается этот процесс [2]:
Ы д ^ (4)
— = а—-. (4)
дт дх
Так как температура t(X, т) является функцией двух переменных, выбрана прямоугольная сетка. Весь интервал измерения х от 0 до I разбит на одинаковые интервалы 8Х, а отрезок расчетного времени - на равномерные интервалы 8Т.
Дифференциальное уравнение (4) в конечно-разностной форме относительно будущей температуры в рассматриваемой точке запишется следующим образом [2]:
где m - порядковый номер интервала 8Х; k - порядковый номер интервала 8т; и (Т2 -остаточные члены, учитывающие переход от производных функций к разностным отношениям.
Устойчивость выражения (5) обеспечивается при условии:
Для обеспечения точности расчета порядка 0(8Т2,8Х4) интервалы 8т и 8Х заданы из
Согласно описанной математической модели составлена программа расчета теплопо-ступлений в холодохранилища на основе Microsoft Visual Basic. В программе, задавшись начальными данными, можно рассчитать теплопоступления в холодохранилище любой конфигурации и местоположения. Например, в приложенной программе используются данные для опытно-промышленной установки. Алгоритм программы приведен на рис. 4.
По разработанной программе произведен расчет теплопоступлений в холодохранили-ще опытно-промышленной установки для охлаждения офисного помещения. Схема и описание принципа работы установки подробно приведены в [4, 5].
Холодохранилище опытно-промышленной установки имеет форму прямоугольной призмы: пять поверхностей, соприкасающихся с наружным воздухом, и дно. Количество аккумулированного льда - 2430 кг, что эквивалентно 809,19 МДж - энергии, необходимой для осуществления фазового перехода лед-вода.
На основании конкретных климатических данных района постройки холодохранили-ща, приведенных в табл. 1, определены теплопоступления в холодохранилище (табл. 2).
Расхождение расчетных данных теплопоступлений в холодохранилище с учетом и без учета тепловой инерции к концу сентября составляет 8,5%. Влияние тепловой инерции изменяется в зависимости от толщины и материала расчетного слоя. Например, если в качестве материала наружной стены принять кирпич, то, при условии сохранения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций экспериментальной установки, ее толщина увеличится в несколько раз. Увеличение массивности ограждающей конструкции ведет к возрастанию тепловой инерции, и с учетом этого на 25% снижаются теплопоступления в холодохранилище на конец сентября.
С помощью созданной программы становится возможным оптимальный выбор теплоизоляционного материала для холодохранилища.
х
8 -1 ] m *+( <2-zô
\5x )
(5)
условия (aô ) / 8X2 < 1/6. Временной интервал 8T принят равным 60 с, интервал 8х - 0,019 м.
Рис. 4. Алгоритм программы расчета теплопоступлений в холодохранилища
Таблица 1
Климатические данные района [3]
Месяц Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь
ан, Вт/(моС) 23 23 30,95 30,95 30,95 30,95 30,95
Наружная температура воздуха, оС -2,4 4,8 9,9 13,8 18,5 21 16,8
Амплитуда изменения температуры наружного воздуха, оС 7,6 7,7 8,0 6,9 5,5 5,6 6,8
Продолжительность светового дня, ч 10 12 14 14 14 12 12
Число дней в месяце 31 30 31 30 31 31 30
Таблица 2
Теплопоступления в холодохранилище
Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь
1 87,68 219,59 343,29 480,23 543,54 423,48
2 87,68 307,28 650,57 1130,81 1674,35 2097,83
3 106,69 386,36 770,44 1308,54 1845,62 2255,93
Примечание: 1 - помесячные теплопоступления с учетом тепловой инерции, МДж; 2 - суммарные теплопоступления с учетом тепловой инерции, МДж; 3 - суммарные теплопоступления без учета тепловой инерции, МДж
Рисунок 5 представляет результаты расчета и экспериментальные данные изменения температуры в мае на наружной поверхности ограждающей конструкции холодохра-нилища. На этой поверхности установлены датчики температур Т9, Т1 и Т8. Экспериментальные данные приведены для 11, 22 и 23 мая. Остальные значения экспериментальных данных находятся в той же области диаграммы, но не приведены, чтобы не загромождать рисунок.
Данные рис. 5 показывают, что теоретический и экспериментальный диапазон температур на наружной поверхности ограждающей конструкции холодохранилища совпадает, но имеется расхождение в зависимости от чисел месяца. Отклонение значений температур, определённых по программе, отличается от полученных в ходе эксперимента из-за изменения температуры наружного воздуха в течение суток и в целом - месяца.
В 2011 г. на опытно-промышленной установке проводился натурный эксперимент, задачей которого было исследование аккумуляционных свойств льдохранилища, при этом установка работала в режиме хранения. Согласно экспериментальным данным, до 10 июля температура в холодохранилище была равна 1оС, к этому времени растаяло 90% аккумулированного льда. С 10 июля температура внутри холодохранилища стала повышаться, а талая вода - нагреваться.
При расчете теплопоступлений без учета суточных колебаний температуры на поверхности ограждающих конструкций суммарные теплопоступления составят 770,44 МДж в период с 1 апреля по 1 июля, в соответствии с этим должно растаять 95,21% запасённого льда, что не соответствует действительности, так как окончание таяния льда было зафиксировано 15 июля. Согласно расчету теплопоступлений по разработанной методике,
с учетом тепловой инерции ограждающих конструкций холодохранилища, окончание таяния льда должно наступить 13 июля, что хорошо согласуется с результатами эксперимента.
Рис. 5. Изменение температуры в мае на наружной поверхности ограждающей конструкции холодохранилища опытно-промышленной установки охлаждения воздуха
Таким образом, подтверждается правомерность предложенной методики расчета, разработанной на основе представленной математической модели для расчета теплопо-ступлений в холодохранилище.
Составлена программа расчета теплопоступлений в холодохранилища любой конфигурации и местоположения на основе Microsoft Visual Basic. С помощью созданной программы становится возможным оптимальный выбор теплоизоляционного материала для холодохранилища. Произведенный расчет теплопоступлений в холодохранилище опытно-промышленной установки в разработанной программе показал, что расчетные значения теплопоступлений совпадают с экспериментальными данными.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Богословский В.Н., Кокорин О.Я., Петров Л.В. Кондиционирование воздуха и холодоснаб-жение. М.: Стройиздат, 1985. 367 с.
2. Исаченко В.П. Осипова В.А., Сукомэл А.С. Теплопередача: изд. 3-е. М.: Энергия, 1975. 488 с.
3. СНиП 23-01-99* Строительная климатология: с изменениями от 24 декабря 2002. М.: Госстрой России, 2003.
4. Тарасова Е.В., Штым А.С., Кузьменко А.С. Опыт применения естественного льда для холо-доснабжения // Вестн. Иркут. гос. техн. ун-та. 2012. № 3. С. 70-76.
5. Тарасова Е.В. Штым А.С. Поступление теплоты в сезонные аккумуляторы естественного холода с учетом тепловой инерции ограждающих конструкций при поглощении солнечной радиации // Науч. обозрение. 2012. № 6. С. 114-121.
6. Ши Д. Численные методы в задачах теплообмена: пер. с англ. Е.И. Зино, В.Л. Грязнова / под ред. В.И. Полежаева. М.: Мир, 1988. 544 с.
REFERENCES
1. Bogoslovskiy V.N., Kokorin O.Ja., Petrov I.V., Air-conditioning and refrigeration. M., Strojizdat, 1985, 367 p. [Bogoslovskiy V.N., Kokorin O. Ja., Petrov l.V. Kondicionirovanie vozduha i holodosnabgenie. M.: Strojizdat, 1985, 367 s.].
2. Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomèl A.S., Heat transfer, ed. 3. M., Energia, 1975, 488 p. [Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomèl A.S.Teploperedacha: izd. 3-e. M.: Energia, 1975. 488 s.]
3. SNiP 23-01-99* Building climatology, amended of December 24, 2002. M., Gosstroi, Russia, 2003. [SNiP 23-01-99* Stroitelnaya climatologiya: s izmeneniyami ot 24 Decabrya, 2002. M.: Gosstroi, Russia, 2003].
4. Tarasova E.V., Shtym A.S., Kuzmenko A.S., Experience of natural ice for refrigeration, Vestnik of Irkutsk State. Tech. Un-ty, 2012;3: 70-76. [Tarasova E.V., Shtym A.S., Kuzmenko A.S. Opyt primeneniya estestvennogo l'da dlya holodosnabgeniya // Vestnik of Irkutsk State. Tech. un-ta. 2012. N 3. S. 70-76].
5. Tarasova E.V. Shtym A.S., Supply heat in the seasonal natural cold batteries with the thermal inertia of the enclosures in the absorption of solar radiation, Scientific Rev. 2012;6: 114-121. [Tarasova E.V. Shtym A.S. Postuplenie teploty v sezonnye akkumulyatory estestvennogo holoda s uchetom teplovoy inercii ogragdauschih konstrukcyi pri pogloshenii solnechnoy radiacii // Nauchnoe obozrenie. 2012. N 6. S. 114-121].
6. Shi D., Numerical methods in heat transfer, tr. E.I. Zino, V.L. Hraznova, ed. V.I. Polezhayev. M., Mir, 1988. 544 p. [Shi D. Chislennye metody v zadachah teploobmena per. s angliskogo E.I. Zino, V.L. Hraznova / pod red. V.I. Polezhayeva. M.: Mir, 1988. 544 s].
