МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦИРКУЛЯЦИИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ С ФАЗОВЫМИ ПЕРЕХОДАМИ В ЗАМКНУТОМ КОНТУРЕ ДЛЯ ОБОГРЕВА ТЕПЛИЦ НА БАЗЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ
DOI 10.12737/2073-0462-2025-20-4-93-99 УДК 536.24
Ключевые слова:
тепловой накопитель энергии, теплоаккумулятор, численное моделирование, SimInTech, тепловая труба, отопление тепличного хозяйства, децентрализованное энергоснабжение.Аннотация
В статье представлено численное моделирование замкнутой системы теплоснабжения для обогрева теплиц на основе тепловой трубы с фазовыми переходами, использующей водяной теплоноситель. Цель исследования – анализ термодинамических параметров в нестационарном режиме с акцентом на время стабилизации, распределение температур и давления при нагреве бака-испарителя. Математическая модель реализована в программном комплексе SimInTech. Бакиспаритель рассматривался как сосредоточенный объем с равномерными параметрами (нульмерная модель), а трубопроводы, как последовательность одномерных участков, в которых температура и давление изменяются вдоль длины. Каждый участок разбивался на сегменты, для которых решались уравнения сохранения массы, импульса и энергии с учетом фазового перехода «вода–пар» и теплообмена с грунтом. Получено, что при рассмотренных режимах естественной циркуляции система выходит на квазистационарное состояние в течение нескольких часов (порядка 2,2-4,3 ч), при этом давление пара в контуре возрастает примерно от 450 до 1500 кПа при увеличении температуры нагрева от 150 до 200°С. Температуры и давления в баке-испарителе и паровой линии практически совпадают (расхождение температур не превышает 1,5–2°С), что указывает на малые потери энергии при переносе тепла в паровой фазе. Показано, что в паровой фазе потери энергии минимальны (расхождение температур ≤ 1,6°C), тогда как в линии возврата происходит снижение на 25–30%. Полученные данные позволили обосновать выбор материалов конструкции и ее толщины в соответствии с температурными диапазонами и пределом прочности и коэффициентом запаса. Практическая значимость заключается в снижении энергозатрат за счет аккумулирования тепла с фазовыми переходами, что особенно актуально для регионов с резкими перепадами температур.
Литература
1. Смирнов П.А., Тихонова А.В. Опытно-аналитическое определение критических температурных точек теплицы // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2022. Т. 17. No 4 (68). С. 98–105. doi: 10.12737/2073-0462-2023-98-105.
2. Photothermal performance of plastic greenhouse embedded with phase change materials in translucent envelopes: A dynamic experimental study / R. Yang, D. Li, M. Arıcı [et al.] // Journal of Energy Storage. 2023. Vol. 58. Article 106375. doi: 10.1016/j.est.2022.106375.
3. Применение веществ с фазовыми переходами для аккумулирования тепловой энергии / А. В. Бараненко, П. А. Кузнецов, В. Ю. Захарова и др. // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. No 6. С. 990–1000. doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-6-990-1000.
4. Recent developments in phase change materials for energy storage applications: A review / H. Nazir, M. Batool, F. J. B. Osorio [et al.] // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019. Vol. 129. P. 491–523. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.09.126.
5. Study on a novel water heat accumulator below the north roof in Chinese solar greenhouse: System design / X. Wan, T. Xia, Y. Li [et al.] // Applied Thermal Engineering. 2023. Vol. 234. Article 121316. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2023.121316.
6. New insights of designing thermal insulation and heat storage of Chinese solar greenhouse in high latitudes and cold regions / L. Xingan, W. Xiaoyang, X. Tianyang [et al.] // Energy. 2021. Vol. 242. Article 122953. doi: 10.1016/j.energy.2021.122953.
7. Benli H., Durmuş A. Performance analysis of a latent heat storage system with phase change material for new designed solar collectors in greenhouse heating // Solar Energy. 2009. Vol. 83. Issue 12. P. 2109–2119. doi: 10.1016/j.solener.2009.07.005.
8. Research progress and performance improvement of phase change heat accumulators / C. Wang, S. Wang, X. Cheng [et al.] // Journal of Energy Storage. 2022. Vol. 56. Part A. Article 105884. doi: 10.1016/j.est.2022.105884.
9. Zinurov V., Nikandrova M., Kharkov V. Assessment of Thermal Storage Technologies in Energy Sector // IEEE Xplore. 2020. P. 68–71. doi: 10.1109/USEC50097.2020.9281236.
10. Оценка процесса переноса энергии в тепловом накопителе с высокотемпературным рабочим телом при его разрядке / А. Н. Чадаев, А. В. Дмитриев, В. Э. Зинуров и др. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2024. Т. 24. No 4. С. 73–85. doi: 10.14529/power240409.
11. Алгоритм расчета многослойной системы теплоизоляции теплового накопителя энергии с высокотемпературным рабочим телом / А. Н. Чадаев, А. В. Дмитриев, В. Э. Зинуров и др. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2024. Т. 26. No 6. С. 166–179. doi: 10.30724/1998-9903-2024-26-6-166-179
1. Smirnov PA, Tikhonova AV. [Experimental and analytical determination of critical temperature points of a greenhouse]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2022; Vol.17. 4 (68). 98-105 p. doi: 10.12737/2073-0462-2023-98-105.
2. Yang R, Li D, Arici M. Photothermal performance of plastic greenhouse embedded with phase change materials in translucent envelopes: A dynamic experimental study. Journal of Energy Storage. 2023; Vol.58. Article 106375. doi: 10.1016/j.est.2022.106375.
3. Baranenko AV, Kuznetsov PA, Zakharova VYu. [Application of substances with phase transitions for thermal energy accumulation]. Nauchno-tekhnicheskiy vestnik informatsionnykh tekhnologii, mekhaniki i optiki. 2018; Vol.18. 6. 990-1000 p. doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-6-990-1000.
4. Nazir H, Batool M, Osorio FJB. Recent developments in phase change materials for energy storage applications: a review. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019; Vol.129. 491-523 p. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.09.126.
5. Wan X, Xia T, Li Y. Study on a novel water heat accumulator below the north roof in Chinese solar greenhouse: system design. Applied Thermal Engineering. 2023; Vol.234. Article 121316. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2023.121316.
6. Xingan L, Xiaoyang W, Tianyang X. New insights of designing thermal insulation and heat storage of Chinese solar greenhouse in high latitudes and cold regions. Energy. 2021; Vol.242. Article 122953. doi: 10.1016/j.energy.2021.122953.
7. Benli H, Durmuş A. Performance analysis of a latent heat storage system with phase change material for new designed solar collectors in greenhouse heating. Solar Energy. 2009; Vol.83. Issue 12. 2109-2119 p. doi: 10.1016/j.solener.2009.07.005.
8. Wang C, Wang S, Cheng X. Research progress and performance improvement of phase change heat accumulators. Journal of Energy Storage. 2022; Vol.56. Part A. Article 105884. doi: 10.1016/j.est.2022.105884.
9. Zinurov V, Nikandrova M, Kharkov V. Assessment of thermal storage technologies in energy sector. IEEE Xplore. 2020; 68-71 p. doi: 10.1109/USEC50097.2020.9281236.
10. Chadaev AN, Dmitriev AV, Zinurov VE. [Evaluation of the energy transfer process in a thermal storage device with a high-temperature working fluid during its discharge]. Vestnik Yuzhno-Uralskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Energetika. 2024; Vol.24. 4. 73-85 p. doi: 10.14529/power240409.
11. Chadaev AN, Dmitriev AV, Zinurov VE. [Algorithm for calculating a multilayer thermal insulation system for a heat storage device with a high-temperature working fluid]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Problemy energetiki. 2024; Vol.26. 6. 166-179 p. doi: 10.30724/1998-9903-2024-26-6-166-179.
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Категории
Лицензия
Copyright (c) 2026 ВЕСТНИК Казанского государственного аграрного университета
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Метаданные научных статей, включая название, аннотацию, сведения об авторах, список литературы, идентификаторы и иные элементы библиографического описания для дальнейшего неограниченного использования, передаются в редакцию с правом их неограниченного использования на условиях открытой лицензии Creative Commons Attribution (CC BY).
