Моделювання течії і теплообміну в баку-акумуляторі теплоти

Abstract

Робота присвячена дослідженню резервуарів для зберігання теплової енергії. В ній запропоновано використання «термічного ядра» для мінімізації ефектів термічної стратифікації та високої теплової інерції. Термічний сердечник складається з бінарної трубки, розміщеної вздовж центральної осі резервуара, заповненої парафіновою сумішшю з температурою плавлення від 45 до 65°С і щільністю від 0,880 до 0,915г/см³ при 15°С . У дослідженні використовувався програмний пакет Fluent для моделювання розподілу температури в резервуарі в умовах вільної конвекції, а потім дані перетворені в модуль «Transient Thermal» пакету програмного забезпечення ANSYS для подальших розрахунків нестаціонарного розподілу температури в тепловому ядрі. Дослідження показало, що 1400-літровий накопичувач теплової енергії, нагрітий протягом 1 години теплоносієм при 115°С , охолоджується до 50°С за 4 години. У ході дослідження також виявлено необхідність удосконалення конструкції резервуара на основі аналізу гідродинамічної структури течії в резервуарі, про що свідчить траєкторний розподіл вільних конвективних потоків. Автори прийшли до висновку, що використання теплового сердечника, незалежно від типу парафіну, який використовується для його формування, сприяє зменшенню стратифікації температури за висотою в резервуарі, та що тип використовуваного парафіну не має істотного впливу на загальне охолодження резервуара. Однак використання церезину, як наповнювача для теплового ядра, призводить до трохи вищої середньої температури в баку. За результатами дослідження було визначено час повного охолодження резервуара за неоднорідним температурним полем усіх елементів резервуара.

The article deals with the research of thermal energy storage tanks. It is proposed to use a «thermal core» to minimize the effects of thermal stratification and high thermal inertia. The thermal core consists of a binary tube placed along the central axis of the tank, filled with a paraffin mixture with a melting point of 45 to 65°С and a density of 0,880 to 0,915g/cm³ at 15°С. In the study the Fluent software package was used to model the temperature distribution in the tank under free convection conditions, the data was then converted to the Transient Thermal module of the ANSYS software package for further calculations of the unsteady temperature distribution in the thermal core. The study showed that a 1400-liter thermal energy storage device, heated for 1 hour by a heat-transfer fluid at 115°С , cools down to 50°С in 4 hours. The research also revealed the need to improve the tank design based on the analysis of the hydrodynamic structure of the flow in the tank, as evidenced by the trajectory distribution of free convective flows. The authors concluded that the use of a heat core, regardless of the type of paraffin used to form it, helps to reduce temperature stratification by height in the tank and that the type of paraffin used has no significant effect on the overall cooling of the tank. However, using ceresin as a core filler results in a slightly higher average tank temperature. Based on the results of the study, the time of complete cooling of the tank was determined by the non-uniform temperature field of all elements of the tank.