Динамическая модель накопителя тепловой энергии - polpoz.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Автоматизированный тепловой пункт рис 1 55.11kb.
Количество тепловой энергии в веществе нельзя определить, наблюдая... 1 67.18kb.
О балансах потребления топлива, производства и 1 60.03kb.
3 Динамическая модель бизнеса производственной компании Царьков В. 1 207.95kb.
Реальные возможности выработки тепловой энергии солнечными коллекторами... 1 61.79kb.
1. Указать климатические параметры (если нет фактической температуры-по... 1 11.95kb.
Показатели подлежащие раскрытию в сфере теплоснабжения и сфере оказания... 1 44.61kb.
Товарищество собственников жилья «меридиан» инн 6161047280 кпп 616101001 1 22.03kb.
Нужен ли нам теплосчетчик? Конечно, нужен 1 95.78kb.
Излучение мобильного телефона. Защитные карточки. Общая информация 1 195.8kb.
Раскрытие информации в сфере теплоснабжения и сфере оказания услуг... 1 219.88kb.
Фундаменты ленточного типа 1 38.53kb.
1. На доске выписаны n последовательных натуральных чисел 1 46.11kb.

Динамическая модель накопителя тепловой энергии - страница №1/1

ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НАКОПИТЕЛЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ


Иванин О.А.

Объединенный институт высоких температур РАН, Москва
Введение

Неравномерные графики и несогласованность энергетических нагрузок потребителей значительно снижают эффективность генерирующих установок малой энергетики. Дополнительные проблемы регулирования создают когенерационные установки, характеризующиеся жесткой взаимосвязью производства электроэнергии и тепла, и установки на ВИЭ. Введение в схему энергетического комплекса накопителей тепловой и электрической энергии позволяет во многом решить эти проблемы.

Сегодня общая тенденция в энергетике  внедрение «умных» технологий, активно-адаптивных сетей (Smart Grid) [1]. Усложнение энергокомплексов малой энергетики, эксплуатация разнотипных источников энергии в составе распределенной сети приводят к необходимости создания интеллектуальных систем управления (ИСУ) подобными комплексами [2]. Основа ИСУ  интеллектуальное ядро: комплекс математических моделей элементов энергокомплекса, оптимизационных алгоритмов и программ, определяющих режимы работы аппаратной части системы управления [2]. При этом необходимое требование к программным модулям – минимально возможное время счета.

В работе представлены математические модели осесимметричного вертикального жидкостного бака-аккумулятора, реализованные в программных кодах в среде программирования Delphi 6. Проведено сравнение результатов расчетов с результатами испытаний бака-аккумулятора в составе стендовой модели АЭК.



Двумерная модель (автор  д.ф.-м.н. И.Л. Майков)

Турбулентное течение несжимаемой вязкой жидкости с постоянными свойствами в поле силы тяжести описывается уравнениями Навье-Стокса в цилиндрической системе координат с симметрией по углу. При описании турбулентности потока наряду с обычной вязкостью вводится турбулентная вязкость в рамках k- – модели [3] (k –энергия турбулентных пульсаций, – скорость диссипации энергии турбулентных пульсаций). Для связи турбулентных коэффициентов переноса с полями скоростей и температуры используется обобщенная гипотеза Прандтля-Колмогорова [3]. Турбулентные коэффициенты переноса вводятся как коэффициенты пропорциональности между соответствующим корреляционным турбулентным членом и градиентами средней скорости потока и средней энтальпии.

На стенке используется условие прилипания. Для определения пульсационных характеристик течения вблизи стенок применяется метод пристеночных функций [3, 4].

Зонная модель

Объем бака разбивается по высоте на n зон, в каждой из которых перемешивание жидкости считается мгновенным [5]. Каждая зона характеризуется средней температурой , где i – порядковый номер зоны. Число зон отражает интенсивность перемешивания жидкости в объеме бака (чем больше n, тем ниже интенсивность перемешивания). Теплоемкость воды cp принимается постоянной. Поскольку теплоаккумулирующая способность конструкционных материалов бака почти на два порядка меньше теплоаккумулирующей способности объема жидкости, в расчетах она не учитывается.

Тепловой баланс i-той зоны можно записать следующим образом [5]

, (1)

где dQi – тепловая энергия, полученная (отданная) i-той зоной за малый промежуток времени dt; – массовый расход жидкости через бак; – потери тепла через тепловую изоляцию i-той зоны. Комплекс определяет изменение энтальпии жидкости в i-той зоне за счет смешения с массой Gdt, перемещаемой в зону i за время dt, с учетом того, что такой же объем вытесняется в зону i+1. Потери через теплоизоляцию рассчитываются как



(2)

где Si –площадь внутренней поверхности i-той зоны; – температура окружающего воздуха; R – термическое сопротивление стенок и теплоизоляции бака [6].

За промежуток времени dt температура жидкости в i-той зоне изменится на величину dТi, которая может быть рассчитана, если известно dQi

, (3)

где Vб –объем бака.



Сравнение моделей

Двумерная модель гораздо точнее описывает процессы зарядки и разрядки, протекающие в баке-аккумуляторе, а величины, входящие в ее уравнения могут быть однозначно определены из технических характеристик бака, физических свойств жидкости и внешних условий. Зонная модель включает в себя параметр n – число зон разбиения бака, который должен определяться индивидуально для каждого режима, т.е. модель требует верификации. С другой стороны, зонная модель гораздо проще в реализации, требует меньше машинных ресурсов для расчета и, следовательно, лучше подходит для применения в интеллектуальных САУ. Поскольку двумерная модель лучше отражает процессы, протекающие в баке, для ее верификации требуется значительно меньшее количество экспериментов. Поэтому было принято решение провести экспериментальную верификацию двумерной модели, и с ее помощью рассчитать необходимые для верификации зонной модели многочисленные кривые зарядки и разрядки.



Стендовые испытания

Стендовые испытания вертикального бака-аккумулятора CAS-1000 компании Wirbel (Германия) объемом 1000 л проводились на комплексном испытательном стенде ОИВТ РАН [7]. Схема экспериментального участка представлена на рис. 1.



Рис. 1. Схема экспериментального участка

Вода в сетевом контуре нагревается в теплоутилизационном блоке (1) стендовой газопоршневой мини-ТЭЦ АГ-315 (ГПУ) номинальной тепловой мощности 450 кВт [8] и циркулирует в контуре под действием циркуляционного насоса (2). Температура воды в баке-аккумуляторе (3) и после узла смешения регулируется с помощью трехпозиционного клапана (4), управляемого контроллером ТРМ-148 компании ОВЕН (6) по закону ПИД-регулирования по сигналу термометров сопротивления (5). Вода из бака-аккумулятора смешивается с водой основного контура и поступает в имитатор тепловой нагрузки (10), мощность которого регулируется частотным преобразователем (9). Контроллер и частотный преобразователь через конверторы интерфейсов RS485/USB (7) соединены с персональным компьютером (8).

Эксперимент проводился в 3 этапа:



  1. Запуск стенда и прогрев циркуляционного контура;

  2. Зарядка бака-аккумулятора;

  3. Разрядка бака-аккумулятора.

В процессе зарядки и разрядки теплового аккумулятора температура и расход воды на входе в бак поддерживались на постоянном уровне.

Результаты расчетов и экспериментов

Сравнение результатов расчетов по двумерной модели и результатов экспериментов представлено на рис. 2, 3.




а



б


Рис. 2. Зависимость температуры воды на выходе из бака-аккумулятора от времени: кривые – расчет по двумерной модели; точки – эксперимент.

Расход сетевой воды 10 т/ч: а – режим зарядки; б – режим разрядки




а



б


Рис. 3. Зависимость температуры воды на выходе из бака-аккумулятора от времени: кривые – расчет по двумерной модели; точки – эксперимент.

Расход сетевой воды 4 т/ч: а – режим зарядки; б – режим разрядки






Динамика процессов зарядки и разрядки бака-аккумулятора за счет влияния конвекции имеет качественное различие. При зарядке бака, когда горячая вода поступает в нижнюю часть бака, за счет разности плотностей перемешивание жидкости идет более интенсивно, чем в процессе разрядки.

Приведенные данные показывают качественное и вполне удовлетворительное количественное согласие результатов расчетов и экспериментов. Тем самым для верификации зонной модели могут быть использованы результаты расчетов по двумерной модели.

Выбор числа зон позволяет описать качественное поведение процессов зарядки и разрядки бака. При n = 1 (1 зона) перемешивание воды в баке происходит мгновенно по всему объему. С увеличением числа зон разбиения интенсивность перемешивания снижается и при n→∞ перемешивание отсутствует. В момент времени t=Vбρ/G температура воды на выходе из бака скачком меняется с начальной температуры на температуру воды, поступающей в бак («модель поршня»).

Сравнение результатов расчетов температуры воды на выходе из бака приведено на рис. 4.




а



б


Рис. 4. Сравнение результатов расчетов по двумерной (сплошные кривые ) и зонной

(пунктирные кривые) моделям: а – зарядка (n=1), б – разрядка (n=150).

Расход сетевой воды: 1 – 10 т/ч, 2 – 7 т/ч, 3 – 5 т/ч, 4 – 3 т/ч


Кривые на рис. 4 свидетельствуют о том, что зонная модель вполне удовлетворительно описывает процесс зарядки при n=1, что в какой-то степени подтверждает рекомендации работы [5], и процесс разрядки при n=150.

Выводы и рекомендации

Интенсивность процессов перемешивания и соответствующая динамика изменения температуры жидкости в процессах зарядки/разрядки бака-аккумулятора определяются несколькими факторами, часть из которых для конкретного аккумулятора постоянна (геометрия бака, соотношение диаметров бака и подводящих и отводящих труб, рабочая жидкость), а часть – расход жидкости, начальная температура жидкости в баке и температура жидкости, подаваемой в бак, в конкретной системе может изменяться в широких пределах. Как правило, для вертикальных цилиндрических баков-аккумуляторов различного объема выполняется условие геометрического подобия: соотношение площади подводящих и отводящих труб и площади поперечного сечения бака 0,003 – 0,004 и отношение диаметра бака к его высоте 0,4 – 0,5. Кроме того, в реальной системе теплоснабжения имеется определенное соответствие между объемом бака и расходом теплоносителя.

Для расчета баков-аккумуляторов, для которых не выполняются условия геометрического подобия или используется другой теплоноситель, можно предложить следующий алгоритм расчета. Вначале по двумерной модели рассчитываются динамические температурные кривые при заданной геометрии бака, свойствах рабочей жидкости во всем диапазоне предполагаемого изменения расхода рабочей жидкости. На следующем шаге расчетным путем подбирается число зон, при котором температурные кривые соответствуют рассчитанным по двумерной модели с требуемой точностью.
Заключение

Методика расчета на основе простейшей зонной модели позволяет вполне адекватно описать динамику процессов зарядки/разрядки бака-аккумулятора и может быть использована для инженерных расчетов и при разработке моделей и алгоритмов оптимизации автономных энергетических комплексов малой энергетики и интеллектуальных систем управления подобными комплексами.



Автор выражает признательность научным руководителям д.т.н. Директору Л.Б. и д.ф.м.-н. Майкову И.Л. за помощь и внимание к работе.

Литература


  1. Директор Л.Б., Зайченко В.М., Майков И.Л. Метод оптимизации нестандартных схем энергокомплексов с когенерационными энергетическими установками // Изв. РАН. Энергетика. 2010. № 6. С. 104-114.

  2. Директор Л.Б., Зайченко В.М., Майков И.Л. Интеллектуальные системы управления автономными энергетическими комплексами в составе локальных распределительных сетей малой энергетики // Изв. РАН. Энергетика. 2012. № 1. С. 38-49.

  3. Launder B.E., Spalding D.B. Mathematical models of turbulence. Academic. London, 1972. –169 р.

  4. Wilcox D.C. Turbulence Modeling for CFD. Griffin Printing, Glendale, California, 1995. –460 p.

  5. Дж. А. Даффи, У.А. Бекман. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. Пер. с английского. –М.: Изд-во «Мир», 1977. –420 c.

  6. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. –М.: Изд-во «Энергоатомиздат», 1990. –393 с.

  7. Директор Л.Б., Зайченко В.М., Марков А.В., Суслов В.А. Результаты стендовых испытаний газопоршневой мини-ТЭЦ на базе двигателя ЯМЗ 240 // Теплоэнергетика. 2008. №11. С. 42-44.

  8. Джулий А.В., Директор Л.Б., Зайченко В.М., Марков А.В. Теплоутилизационный блок мини-ТЭЦ на базе ДВС // Теплоэнергетика. 2010. №1. С. 61-65.