Динамика теплообмена жидкости в грунтовом прямолинейном одиночном трубном элементе (теплообменнике)

В статье приводятся результаты расчетов одиночного элемента грунтового теплообменника, которые выполнены с помощью моделирования теплофизических процессов в задачах сезонного извлечения теплоты из грунтового массива. Получены зависимости температурных полей от времени закачки теплоты. Установлено, ч...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Промышленная теплотехника
Date:2009
Main Authors: Басок, Б.И., Авраменко, А.А., Рыжков, С.С., Лунина, А.А.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут технічної теплофізики НАН України 2009
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60697
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Динамика теплообмена жидкости в грунтовом прямолинейном одиночном трубном элементе (теплообменнике) / Б.И. Басок, А.А. Aвраменко, С.С. Рыжков, А.А. Лунина // Промышленная теплотехника. — 2009. — Т. 31, № 1. — С. 62-67. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859805556288520192
author Басок, Б.И.
Авраменко, А.А.
Рыжков, С.С.
Лунина, А.А.
author_facet Басок, Б.И.
Авраменко, А.А.
Рыжков, С.С.
Лунина, А.А.
citation_txt Динамика теплообмена жидкости в грунтовом прямолинейном одиночном трубном элементе (теплообменнике) / Б.И. Басок, А.А. Aвраменко, С.С. Рыжков, А.А. Лунина // Промышленная теплотехника. — 2009. — Т. 31, № 1. — С. 62-67. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Промышленная теплотехника
description В статье приводятся результаты расчетов одиночного элемента грунтового теплообменника, которые выполнены с помощью моделирования теплофизических процессов в задачах сезонного извлечения теплоты из грунтового массива. Получены зависимости температурных полей от времени закачки теплоты. Установлено, что максимальный перепад температуры по длине оси канала не более 1,8 К. Распределение температурного поля свидетельствует о возможности применения теплообменников-коллекторов для извлечения природной теплоты грунта. В статті наведено результати розрахунків одиничного елемента ґрунтового теплообмінника, які виконані за допомогою моделювання теплофізичних процесів у задачах сезонного вилучення теплоти з ґрунтового масиву. Отримано залежності температурних полів від часу вилучення теплоти. Встановлено, що максимальний перепад температури по довжині осі каналу не перевищує 1,8 К. Розподіл температурного поля свідчить про можливість застосування теплообмінників-колекторів для вилучення природної теплоти ґрунту. We present the results of calculations of a soil heat exchanger element made by means of modeling of the theromphysical processes in the problems of seasonal heat extraction in a soil massif. The dependence of temperature fields of the time of heat accumulation has been obtained. The maximal temperature drop longwise the channel is less than 1.8 К. The distribution of the temperature field monstrates the probability of applying heat-exchangers – collectors for the extraction of specific natural soil heat.
first_indexed 2025-12-07T15:16:07Z
format Article
fulltext В рамках проекта “Создание эксперименталь; ной теплонасосной установки с термальным грунтовым аккумулятором для автономного теп; лоснабжения” проводится разработка техничес; кого проекта отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования помещения площадью 54 м2 административного корпуса № 1 на территории Института технической теплофизики Нацио; нальной академии наук Украины по ул. Булахов; ского, 2, г. Киев. Одной из основных составляю; щих данного проекта является горизонтальный теплообменник неглубокого заложения (грунто; вой коллектор), с помощью которого реализуется процесс извлечения естественной теплоты грун; та. После извлечения теплоты грунта на основе теплонасосных технологий осуществляется её ис; пользование для теплообеспечения помещений. Применяемый грунтовой коллектор должен обладать развитой поверхностью теплообмена, а также быть технологичным при монтаже и после; дующей эксплуатации. Горизонтальные теплооб; менники (ГТО), в которых в качестве теплоносите; ля используется раствор полипропиленгликоля, изготавливаются из одиночных прямолинейных 62 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 1 НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА В статті наведено результати розра: хунків одиничного елемента ґрунтового теплообмінника, які виконані за допомо: гою моделювання теплофізичних про: цесів у задачах сезонного вилучення теплоти з ґрунтового масиву. Отримано залежності температурних полів від часу вилучення теплоти. Встановлено, що максимальний перепад температури по довжині осі каналу не перевищує 1,8 К. Розподіл температурного поля свідчить про можливість застосування тепло: обмінників:колекторів для вилучення природної теплоти ґрунту. В статье приводятся результаты расче: тов одиночного элемента грунтового теп: лообменника, которые выполнены с по: мощью моделирования теплофизических процессов в задачах сезонного извлече: ния теплоты из грунтового массива. Полу: чены зависимости температурных полей от времени закачки теплоты. Установлено, что максимальный перепад температуры по длине оси канала не более 1,8 К. Рас: пределение температурного поля свиде: тельствует о возможности применения теплообменников:коллекторов для извле: чения природной теплоты грунта. We present the results of calculations of a soil heat exchanger element made by means of modeling of the theromphysical processes in the problems of seasonal heat extraction in a soil massif. The dependence of temperature fields of the time of heat accumulation has been obtained. The maximal temperature drop longwise the channel is less than 1.8 К. The distribution of the temperature field monstrates the probability of applying heat:exchangers – collectors for the extraction of specific natural soil heat. УДК 662.995+662.997+536.242+519.673 БАСОК Б.И., АВРАМЕНКО А.А., РЫЖКОВ С.С., ЛУНИНА А.А. Институт технической теплофизики НАН Украины ДИНАМИКА ТЕПЛООБМЕНА ЖИДКОСТИ В ГРУНТОВОМ ПРЯМОЛИНЕЙНОМ ОДИНОЧНОМ ТРУБНОМ ЭЛЕМЕНТЕ (ТЕПЛООБМЕННИКЕ) а – коэффициент температуропроводности; C – теплоемкость; d – диаметр; G – расход; L – длина; p – давление; R – эффективный радиус; r – радиус; Т – температура; u – скорость по оси Z; w – скорость по оси Y; τ – время; ρ – плотность; λ – коэффициент теплопроводности. Индексы нижние: г – грунт; п – пропиленгликоль (теплоноситель). Сокращения: ГТО – горизонтальный теплообменник; полимерных труб, которые обладают высокой коррозионной стойкостью, и располагаются вблизи зданий на глубине до 2 м. При этом необ; ходимо учитывать, что температура замерзания данной смеси не должна превышать 258 К (во из; бежание замерзания [1]). Определение площади поверхности грунтового массива для установки теплообменника;коллектора зависит от тепло; потребления здания и свойств грунта [1]. Разме; ры земельной площадки, как правило, ограниче; ны. В целях экономии площади и выбора оптимальной конструкции предложен компакт; ный теплообменник в форме горизонтальной 5;и петельной U;образной конструкции с длиной одиночных труб 24 м. Соседние оси труб распо; лагались на расстоянии 0,95 м. Задачи грунтового аккумулирования и извле; чения характеризуются изменяющимися во вре; мени плотностью теплового потока, температу; рой теплоносителя, возникновением регулярных разрывов этих функций при прекращении и во; зобновлении аккумулирования, гидравлической и тепловой инерционностью, обусловленной большой протяженностью тепловых сетей и ма; лой скоростью движения теплоносителя. Расчет теплопроводности прямолинейного одиночного трубного элемента горизонтального теплообменника (элемент ГТО) осуществляется с помощью моделирования теплофизических про; цессов в задачах сезонного аккумулирования теплоты в грунтовом массиве. Результат расчетов позволит исследовать сис; тему ГТО на изменение ее параметров и началь; ных условий; провести расчеты и сопоставить их с результатами эксперимента в реальных услови; ях; проанализировать динамику процесса тепло; обмена в прямолинейном трубном элементе го; ризонтального коллектора. При допустимом совпадении результатов экс; перимента и расчета возможно применение рас; четной методики для более сложной геометрии ГТО. Целью данной работы является расчет процес; сов теплопроводности прямолинейного одиноч; ного трубного элемента горизонтального теплооб; менника с помощью численного моделирования теплофизических процессов в задаче сезонного извлечения теплоты из грунтового массива. Особенность разработанной модели состоит в возможности определения конечного эффектив; ного радиуса R распространения теплоты в рабо; чем канале, что необходимо для инженерных рас; четов при проектировании (методика и результат расчета соответствуют данным работы [2]). Исследования проводились с помощью компьютерного моделирования (пакет Fluent 6.3), что дало возможность изучить теплофизи; ческие процессы грунтового аккумулирования в натурном масштабе. Для расчета реальных про; цессов теплообмена в моделях грунтового акку; мулирования была использована теплофизичес; кая модель, которая содержала уравнения сплошности, движения и теплообмена, а также краевые условия и условия однозначности. В за; дачах длительного сезонного аккумулирования и извлечения теплоты из грунтового массива к урав; нению теплообмена для искомой функции – тем; пературы, задаются граничные условия четвертого рода, которые сводятся к одновременному заданию равенства температур и тепловых потоков на гра; нице раздела – решается задача о теплообмене двух сред (твердое тело – жидкость, соответственно: грунт – раствор полипропиленгликоля), перенос теплоты описывается уравнениями теплообмена. Расчет процесса гидродинамики в жидком теплоносителе (раствор воды и полипропилен; гликоля) можно осуществить с помощью уравне; ния неразрывности (1) и уравнения Навье–Сток; са (2, 3), которые в цилиндрической системе координат имеют вид [3]: ; (1) ; (2) . (3) Для учета неизотермических параметров вы; полнен расчет конвективного теплопереноса с помощью уравнения теплообмена (при теплооб; мене двух сред (жидкость – твердое тело) для каждой среды перенос теплоты описывается сво; им уравнением теплообмена): 2 2 2 2 2 1 1 v u u p u u u u u w r z r r r r r z ⎛ ⎞∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ + = − + + − +⎜ ⎟∂ ∂ ρ ∂ ∂ ∂ ∂⎝ ⎠ 2 2 2 2 1 1 v w w p w w w u w r z z r r r z ⎛ ⎞∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ + = − + + +⎜ ⎟∂ ∂ ρ ∂ ∂ ∂ ∂⎝ ⎠ 0 u u w r r z ∂ ∂ + + = ∂ ∂ ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 1 63 НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА – для жидкой фазы (водный раствор полипро; пиленгликоля): (4) – для твердого тела (стенка трубы, грунт): . (5) В процессе моделирования задавались началь; ные и граничные условия в соответствии с реаль; ными расчетными зависимостями и параметрами в системах аккумулирования теплоты в грунтовом массиве. В расчетах температура грунта задавалась изначально постоянной и равной: Tг = 283; 273; 268 К. В одиночный элемент грунтового коллекто; ра (пластиковая труба с внутренним диаметром d = 0,028 м и длиной L = 24 м) подавался теплоноси; тель, температура которого изменялась в диапазо; не Tп = 275…255 К с расходом G = 0,1·10–3 м3/c. В процессе расчета учитывались теплофизические характеристики грунта (глина с влажным песком: λ = 1,42 Вт/мK; Сг = 1,15 Дж/кг·K; ρ = 1,84·103 кг/м3) [4], водного раствора полипропиленгликоля 39%: ρ = const = 1048 кг/м3, λ = 0,379 Вт/м·K; Сп = 3730 Дж/кг·K) [5] и пластика трубы [6]. В процессе выполнения работы осуществля; лось решение сопряженной задачи в нестацио; нарных условиях. Так как задача осесимметрич; ная, для расчета выбрана двумерная цилиндри; ческая полярная система координат. Расчетная сетка канала строилась в соответствии с геомет; рией рабочего участка экспериментального стен; да (грунтового коллектора) с помощью треуголь; ных, а также прямоугольных сегментов и имела такие размеры: длина 24 м, радиус 1 м. Задача охва; тывала период τ = 180 суток (отопительный сезон). В результате расчетов получены зависимости температурных полей от времени и начальных теплофизических характеристик грунта и тепло; носителя. Формирование температурного поля с эффективным радиусом 1 м определяет зависи; мость эффективности работы системы от на; чальных параметров теплоносителя (рис. 1). Как видно из рис. 1, при перепаде температур ΔT = Tг – Tп = 20 K, эффективный радиус в расчетной области (сетке) достигает значения 1 м, а при ΔT = 10 K – 0,95 м. На рис. 2 представлен температурный профиль в поперечном сечении трубы канала при l = L/2 = 12 м в различные моменты времени при Tг = 283 К; Tп = 273 К и G = 0,1·10–3 м3/c. Как видно из рис. 2, наблюдается снижение температуры по радиусу канала. Так, в течение су; ток при расчете динамики теплообмена жидкос; ти в прямолинейном одиночном трубном элементе грунтового теплообменника;коллектора и радиусе 2 2 2 2 1T T T T a r r r z ⎛ ⎞∂ ∂ ∂ ∂ = + +⎜ ⎟∂τ ∂ ∂ ∂⎝ ⎠ 2 2 2 2 1T T T T T T u w a r z r r r z ⎛ ⎞∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ + + = + +⎜ ⎟∂τ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎝ ⎠ 64 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 1 НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА Рис. 1. Температурное поле в расчетной области (сетке) в момент τ = 180 суток при Tг = 283 К, G = 0,1·10–3 м3/c и различных начальных характеристиках теплоносителя Tп. а б в г грунтового массива r =1 м, температура грунта со; ставила Tг = 283 K, а при r = 0 м – Tг = 274,5 K. С увеличением τ происходит падение температуры в грунте. Так, при τ = 10 суток и радиусе грунто; вого массива 1 м температура грунта составила Tг = 283 K, а при r = 0 м – Tг = 273,5 K. На рис. 3 представлены графики распределения температурного поля в канале по направляющей оси при Tг = 283 К; Tп = 273 К и G = 0,1·10–3 м3/c. Как видно из графика, максимальный перепад температур в грунте при τ = 1 сутки – ΔT1 = 1,8 K. С увеличением продолжительности работы тепло; обменика происходит уменьшение перепада тем; ператур по оси канала: τ = 10 суток – ΔT2 = 0,9 K; τ = 20 суток – ΔT3 = 0,7 K. Минимальный перепад составил ΔT4 = 0,5 K (по истечении 180 суток). ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 1 65 НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА Рис. 2. Моделирование процессов грунтового аккумулирования в осесимметричном канале при Tг = 283 К; Tп = 273 К; G = 0,1·10–3 м3/c. Температурный профиль в поперечном сечении трубы за: 1– 1 сутки; 2 – 3 суток; 3 – 4 суток; 4 – 10 суток; 5 – 20 суток; 6 – 180 суток. Рис. 3. Графики распределения температурного поля по оси канала. 1– 1 сутки; 2 – 10 суток; 3 – 20 суток; 4 – 180 суток. Профили скорости и распределения темпера; турного поля в расчетном канале при Tг = 283 К; Tп = 273 К; G = 0,1·10–3 м3/c представлены на рис. 4, 5. Как видно из рис. 4, скорость у стен; ки канала равна 0. Течение раствора полипро; пиленгликоля в рабочем канале имеет ярко выраженный ламинарный характер. Так, мак; симальное значение скорости u = 0,037 м/с (Re = 508…931). Из графика распределения температурного поля в расчетной трубе видно, что перепад тем; ператур между стенкой трубы и центром течения жидкости не превышает Tп = 0,02 K. Выводы В результате расчета тепловых полей в рабочем канале с помощью моделирования теплофизи; 66 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 1 НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА Рис. 4. Профиль скорости в канале при Tг = 283 К; Tп = 273 К; G = 0,1·10–3 м3/c. Рис. 5. Профиль распределения температурного поля в канале при длине l = L/2 = 12 м; Tг = 283 К; Tп = 273 К; G = 0,1·10–3 м3/c. ческих процессов в задачах длительного сезонно; го аккумулирования теплоты в грунтовом масси; ве определены зависимости и характеристики единичных элементов системы грунтового акку; мулятора. Установлено, что максимальный тем; пературный перепад по длине канала составляет 1,8 К, а распределение температурного поля сви; детельствует об эффективности применения теп; лообменников для отбора теплоты грунта. ЛИТЕРАТУРА 1. Viessmann. Системы тепловых насосов. Инструкция по проектированию. (5829 122;2 GUS 2/2000). 2. Накорчевский А.И. Динамика разрядки теп; лового аккумулятора в неограниченном грунтовом массиве // ИФЖ. – 2005. – Т.78, №6. – С.70 – 77. 3. Теплотехнический справочник. Том 2. Из; дание 2;е, переработанное. – М: “Энергия”, 1976. – 896 с. 4. Басок Б.І., Воробйов Л.Й., Михайлик В.А., Луніна А.О. Теплофізичні властивості природного ґрунту // Пром. теплотехника. – 2008. – Т. 30, № 4. – С. 77 – 85. 5. http://www.hladonositeli.ru – Основные ха; рактеристики 15, 33 и 39%;ных водных растворов полипропиленгликоля. 6. ГОСТ 26996&86. Полипропилен и сополи; меры пропилена. Получено 14.10.2008 г. ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 1 67 НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА Запропоновано раціональну схему енергетичного забезпечення опалення та гарячого водопостачання багатопо: верхового житлового будинку, що про: тягом року використовує енергію, яка сприймається сонячними колекторами, розташованими на цьому домі, та нако: пичується у ґрунтовому акумуляторі, що міститься під частиною будинку. Представлена рациональная схема энергетического обеспечения отопле: ния и горячего водоснабжения много: этажного жилого дома на основе круг: логодичного использования энергии, воспринимаемой солнечными коллек: торами, расположенными на данном доме, и сезонного грунтового аккумуля: тора, размещенного под частью здания. We present a rational scheme of the energy ensuring of heating and hot water: supply of a high:rise dwelling house, which, for a year, uses the energy per: ceived by solar collectors located on this house, and a seasonal soil accumulator, placed under a part of the building. УДК 662.997 НАКОРЧЕВСКИЙ А.И. Институт технической теплофизики НАН Украины СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ТЕПЛОАВТОНОМНОГО ДОМА e – удельная воспринимаемая теплота; q – плотность теплового потока; N – мощность; T – температура; t – время; S – площадь; V – объем; β, η – коэффициенты; τ – интервал времени; Э – эффективность. Индексы: а – аккумулятор; в – вода; вз – воздух; г – горячий; к – конец; мес – месяц; н – начало; ос – основной; от – отопление;
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-60697
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0204-3602
language Russian
last_indexed 2025-12-07T15:16:07Z
publishDate 2009
publisher Інститут технічної теплофізики НАН України
record_format dspace
spelling Басок, Б.И.
Авраменко, А.А.
Рыжков, С.С.
Лунина, А.А.
2014-04-19T07:15:37Z
2014-04-19T07:15:37Z
2009
Динамика теплообмена жидкости в грунтовом прямолинейном одиночном трубном элементе (теплообменнике) / Б.И. Басок, А.А. Aвраменко, С.С. Рыжков, А.А. Лунина // Промышленная теплотехника. — 2009. — Т. 31, № 1. — С. 62-67. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
0204-3602
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60697
662.995+662.997+536.242+519.673
В статье приводятся результаты расчетов одиночного элемента грунтового теплообменника, которые выполнены с помощью моделирования теплофизических процессов в задачах сезонного извлечения теплоты из грунтового массива. Получены зависимости температурных полей от времени закачки теплоты. Установлено, что максимальный перепад температуры по длине оси канала не более 1,8 К. Распределение температурного поля свидетельствует о возможности применения теплообменников-коллекторов для извлечения природной теплоты грунта.
В статті наведено результати розрахунків одиничного елемента ґрунтового теплообмінника, які виконані за допомогою моделювання теплофізичних процесів у задачах сезонного вилучення теплоти з ґрунтового масиву. Отримано залежності температурних полів від часу вилучення теплоти. Встановлено, що максимальний перепад температури по довжині осі каналу не перевищує 1,8 К. Розподіл температурного поля свідчить про можливість застосування теплообмінників-колекторів для вилучення природної теплоти ґрунту.
We present the results of calculations of a soil heat exchanger element made by means of modeling of the theromphysical processes in the problems of seasonal heat extraction in a soil massif. The dependence of temperature fields of the time of heat accumulation has been obtained. The maximal temperature drop longwise the channel is less than 1.8 К. The distribution of the temperature field monstrates the probability of applying heat-exchangers – collectors for the extraction of specific natural soil heat.
ru
Інститут технічної теплофізики НАН України
Промышленная теплотехника
Нетрадиционная энергетика
Динамика теплообмена жидкости в грунтовом прямолинейном одиночном трубном элементе (теплообменнике)
Dynamics of the heat exchange of a liquid in a single soil rectilinear trumpet (heat exchanger)
Article
published earlier
spellingShingle Динамика теплообмена жидкости в грунтовом прямолинейном одиночном трубном элементе (теплообменнике)
Басок, Б.И.
Авраменко, А.А.
Рыжков, С.С.
Лунина, А.А.
Нетрадиционная энергетика
title Динамика теплообмена жидкости в грунтовом прямолинейном одиночном трубном элементе (теплообменнике)
title_alt Dynamics of the heat exchange of a liquid in a single soil rectilinear trumpet (heat exchanger)
title_full Динамика теплообмена жидкости в грунтовом прямолинейном одиночном трубном элементе (теплообменнике)
title_fullStr Динамика теплообмена жидкости в грунтовом прямолинейном одиночном трубном элементе (теплообменнике)
title_full_unstemmed Динамика теплообмена жидкости в грунтовом прямолинейном одиночном трубном элементе (теплообменнике)
title_short Динамика теплообмена жидкости в грунтовом прямолинейном одиночном трубном элементе (теплообменнике)
title_sort динамика теплообмена жидкости в грунтовом прямолинейном одиночном трубном элементе (теплообменнике)
topic Нетрадиционная энергетика
topic_facet Нетрадиционная энергетика
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60697
work_keys_str_mv AT basokbi dinamikateploobmenažidkostivgruntovomprâmolineinomodinočnomtrubnomélementeteploobmennike
AT avramenkoaa dinamikateploobmenažidkostivgruntovomprâmolineinomodinočnomtrubnomélementeteploobmennike
AT ryžkovss dinamikateploobmenažidkostivgruntovomprâmolineinomodinočnomtrubnomélementeteploobmennike
AT luninaaa dinamikateploobmenažidkostivgruntovomprâmolineinomodinočnomtrubnomélementeteploobmennike
AT basokbi dynamicsoftheheatexchangeofaliquidinasinglesoilrectilineartrumpetheatexchanger
AT avramenkoaa dynamicsoftheheatexchangeofaliquidinasinglesoilrectilineartrumpetheatexchanger
AT ryžkovss dynamicsoftheheatexchangeofaliquidinasinglesoilrectilineartrumpetheatexchanger
AT luninaaa dynamicsoftheheatexchangeofaliquidinasinglesoilrectilineartrumpetheatexchanger