Журналов:     Статей:        

Аэрокосмический научный журнал. 2017; 3: 39-52

Система уравнений теплообмена и изменения массы фазы в проточных аккумуляторах теплоты фазового перехода

Россихин Н. А.

https://doi.org/10.24108/aersp.0317.0000068

Аннотация

В статье предложена система дифференциальных уравнений, описывающих процессы в проточных аккумуляторах теплоты фазового перехода (АФП) и поставлена соответствующая краевая задача. При этом используется упрощенная математическая модель со следующими основными допущениями – предполагается одномерность течения теплоносителя, квазистационарность температурных полей, одномерность перемещения границы раздела фаз.

В отличие от других работ, посвященных расчетам проточных АФП, основанных на аналогичных упрощениях, использование в данной статье такого параметра, как удельная масса фазы на единицу длины аккумулятора (на погонный метр длины) в качестве неизвестной (искомой) функции, приводит к записи дифференциальных уравнений универсальной для всех проточных АФП, в которых приемлемы используемые при их выводе упрощения. Конкретные отличия для различных аккумуляторов выражаются в том, что коэффициенты в уравнениях представляют собой разные функции, соответствующие конкретному конструктивному исполнению этих устройств. Отмечены два примера вычисления таких коэффициентов (термических сопротивлений) для конкретных типов аккумуляторов, вычисляемых на основе одномерности и квазистационаности применительно к границе раздела фаз.

Представленная математическая модель в силу своей общности позволяет описать широкий класс проточных аккумуляторов теплоты и на этой основе проводить анализ особенностей процессов зарядки и разрядки, а также осуществлять выбор их оптимальных параметров с целью оптимизации работы энергетической установки в целом. 

Список литературы

1. Sarada Kuravi, Jamie Trahan, D.Yogi Goswami, Rahman M.M., Stefanakos E. K. Thermal energy storage technologies and systems for concentrating solar power plants // Progress in Energy and Combustion Science. 2013. Vol. 39. No. 4. Pp. 285–319. DOI: 10.1016/j.pecs.2013.02.001

2. Грилихес В.А., Матвеев В.М., Полуэктов В.П. Солнечные высокотемпературные источники тепла для космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1975. 247 с.

3. Arkar C., Medved S. Enhanced solar assisted building ventilation system using sphere encapsulated PCM thermal heat storage // 2nd Workshop IEA ECES IA Annex 17: Advanced thermal energy storage techniques – feasibility studies and demonstration projects (Ljubljana, Slovenia, April 3-5, 2002). Ljubljana, 2002.

4. Спэрроу Е.М., Сю С.Ф. Замкнутое аналитическое решение задачи о затвердевании вблизи плоской стенки, охлаждаемой вынужденной конвекцией // Труды Американского общества инженеров-механиков. Сер. С: Теплопередача. 1981. Т. 103. № 3. C. 231–233.

5. Россихин Н.А., Чукаев А.Г. Затвердевание ограниченного плоского слоя материала, омываемого теплоносителем // Естественные и технические науки. 2015. № 11. С. 482–484.

6. Россихин Н.А., Чукаев А.Г. Затвердевание цилиндрического слоя материала, омываемого изнутри теплоносителем // Естественные и технические науки. 2016. № 2. С. 87–89.

7. Россихин Н.А., Чукаев А.Г. Затвердевание цилиндрического слоя материала, омываемого снаружи теплоносителем // Естественные и технические науки. 2016. № 2. С. 90–92.

8. Россихин Н.А. Уравнение изменения массы фазы в аккумуляторе теплоты фазового перехода // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. № 5(17). С. 28. DOI: 10.18698/2308-6033-2013-5-726

9. Россихин Н.А. Особенности расчета аккумуляторов теплоты на фазовых переходах с промежуточным теплоносителем // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. № 5 (17). С. 29. DOI: 10.18698/2308-6033-2013-5-727

10. Зорина И.Г., Россихин Н.А., Чукаев А.Г. Расчет теплообмена и изменения соотношения фаз в протяженных проточных аккумуляторах теплоты с прямоугольными вставками // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн . 2016. № 4. С. 34-47. DOI: 10.7463/0416.0836051

Aerospace Scientific Journal. 2017; 3: 39-52

A System of Equations of Heat Transfer and Changing Phase Mass in Phase Transition Heat Accumulators

Rossikhin N. A.

https://doi.org/10.24108/aersp.0317.0000068

Abstract

The article proposes a system of differential equations describing the processes in the latent phase transition heat accumulators (PTHA) and formulates an appropriate boundary value problem.  Herewith a simplified mathematical model is used with the main assumptions such as one-dimensional flow, quasi-stationary temperature fields and one-dimensional change of phase boundary.

In contrast to other publications associated with calculations of latent PTHA based on the similar simplifications, the article uses such a parameter as a specific mass of phase per unit of the accumulator length (per running meter of length), as the unknown function, thereby providing the universal writing of differential equations for all the latent PTHA where the simplifications used are appropriate in their deriving.

The specific features of different accumulators are that the coefficients in the equations represent different functions that are proper for a specific design of these devices. There are two examples noted to calculate these coefficients (of the thermal resistances) for specific types of accumulators, calculated on the basis of one-dimensionality and quasi-stationarity as applied to the change of phase boundary.

The proposed mathematical model owing to its generality allows to describe a wide class of latent heat accumulators which have the heat transfer fluids, and on this basis analyze the features of the charging and discharging processes as well as to have the opportunity to find the optimal parameters to optimize the unit as a whole.

References

1. Sarada Kuravi, Jamie Trahan, D.Yogi Goswami, Rahman M.M., Stefanakos E. K. Thermal energy storage technologies and systems for concentrating solar power plants // Progress in Energy and Combustion Science. 2013. Vol. 39. No. 4. Pp. 285–319. DOI: 10.1016/j.pecs.2013.02.001

2. Grilikhes V.A., Matveev V.M., Poluektov V.P. Solnechnye vysokotemperaturnye istochniki tepla dlya kosmicheskikh apparatov. M.: Mashinostroenie, 1975. 247 s.

3. Arkar C., Medved S. Enhanced solar assisted building ventilation system using sphere encapsulated PCM thermal heat storage // 2nd Workshop IEA ECES IA Annex 17: Advanced thermal energy storage techniques – feasibility studies and demonstration projects (Ljubljana, Slovenia, April 3-5, 2002). Ljubljana, 2002.

4. Sperrou E.M., Syu S.F. Zamknutoe analiticheskoe reshenie zadachi o zatverdevanii vblizi ploskoi stenki, okhlazhdaemoi vynuzhdennoi konvektsiei // Trudy Amerikanskogo obshchestva inzhenerov-mekhanikov. Ser. S: Teploperedacha. 1981. T. 103. № 3. C. 231–233.

5. Rossikhin N.A., Chukaev A.G. Zatverdevanie ogranichennogo ploskogo sloya materiala, omyvaemogo teplonositelem // Estestvennye i tekhnicheskie nauki. 2015. № 11. S. 482–484.

6. Rossikhin N.A., Chukaev A.G. Zatverdevanie tsilindricheskogo sloya materiala, omyvaemogo iznutri teplonositelem // Estestvennye i tekhnicheskie nauki. 2016. № 2. S. 87–89.

7. Rossikhin N.A., Chukaev A.G. Zatverdevanie tsilindricheskogo sloya materiala, omyvaemogo snaruzhi teplonositelem // Estestvennye i tekhnicheskie nauki. 2016. № 2. S. 90–92.

8. Rossikhin N.A. Uravnenie izmeneniya massy fazy v akkumulyatore teploty fazovogo perekhoda // Inzhenernyi zhurnal: nauka i innovatsii. 2013. № 5(17). S. 28. DOI: 10.18698/2308-6033-2013-5-726

9. Rossikhin N.A. Osobennosti rascheta akkumulyatorov teploty na fazovykh perekhodakh s promezhutochnym teplonositelem // Inzhenernyi zhurnal: nauka i innovatsii. 2013. № 5 (17). S. 29. DOI: 10.18698/2308-6033-2013-5-727

10. Zorina I.G., Rossikhin N.A., Chukaev A.G. Raschet teploobmena i izmeneniya sootnosheniya faz v protyazhennykh protochnykh akkumulyatorakh teploty s pryamougol'nymi vstavkami // Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn . 2016. № 4. S. 34-47. DOI: 10.7463/0416.0836051