Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЯ УСТРОЙСТВА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫМ РЕЖИМОМ ПОМЕЩЕНИЙ ТЕПЛОТОЙ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА ВОДЫ

Кузьмин Г.П. 1 Куваев В.А. 1
1 Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН
Для управления температурным режимом помещений в зимнее время расходуется огромное количество теплоты, получаемой из различных источников энергии, в том числе из возобновляемых. Производство тепловой энергии в большинстве случаев сопровождается тем или иным нарушением состояния окружающей среды. Одним из перспективных возобновляемых источников энергии, в наибольшей степени удовлетворяющих экологическим требованиям, является теплота фазового перехода воды. Аккумулирование в воде при таянии льда относительно большого количества энергии в теплое время года и выделение ее при замерзании воды в холодное время года создают возможность использования теплоты фазовых переходов воды для обогрева помещений в холодное время года до высоких отрицательных температур, близких к 0 °С. В статье указаны основные уникальные свойства воды, от которых зависят эффективность и технология ее использования. Приведена технология накопления и использования тепла для обогрева помещений в холодное время года. Приведены приближенные зависимости потерь тепла из опытного помещения и параметров обогревателя, основанного на использовании теплоты фазовых переходов воды. Представлены результаты расчетов параметров обогревателя опытного помещения, испытания которого были проведены в суровых климатических условиях г. Якутска. Приведены основные результаты испытания опытного объекта, подтвердившие практическую возможность и целесообразность использования теплоты фазовых переходов воды для обогрева ряда видов производственных помещений. Установлена необходимость некоторого уточнения расчетов параметров водяного аккумулятора тепла.
вода
лед
температура
теплота фазового перехода
аккумулятор
помещение
теплопередача
объем
площадь
1. Шишелова Т.И., Толстой М.Ю. Современное состояние науки о воде. Проблемы и перспективы // Научное обозрение. Реферативный журнал. 2016. № 4. С. 61–80.
2. Юмаев Н.Р. Экологические аспекты применения возобновляемых источников энергии // Современные тенденции технических наук: материалы VI Междунар. науч. конф. (г. Казань, май 2018 г.). Казань: Молодой ученый, 2018. С. 16–21.
3. Бараненко А.В., Кузнецов П.А., Захарова В.Ю., Цой А.П. Применение веществ с фазовыми переходами для аккумулирования тепловой энергии // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. № 6. С. 990–1000. DOI: 10.17586/2226-1494-2018-18-6-990-1000.
4. Кузьмин Г.П. Новые технологии использования теплоты фазовых переходов воды // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2017. № 5–2. С. 217–221.
5. Кузьмин Г.П., Куваев В.А. Вода как аккумулятор солнечной энергии // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2019. № 9. С. 80–84.
6. Патент № 2617579 Российская Федерация. МПК «Устройство для поддержания околонулевой температуры в закрытых помещениях» Кузьмин Г.П., заявитель и патентообладатель Учреждение РАН – Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН (RU). Опубл. 25.04.2017.
7. Сафаров М.Г. Про воду. Уфа: Гилем, Башкирская энциклопедия, 2014. 152 с.
8. Ехнович А.С. Краткий справочник по физике. 2-е изд., перераб. и доп. М.: «Высшая школа», 1976. 288 с.
9. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. 3-е изд. М.: Энергия, 1975. 488 с.
10. Малявина Е.Г. Теплопотери зданий: справочное пособие. М.: АВОК-ПРЕСС, 2007. 144 с.

Большая часть территории России характеризуется холодным климатом, где в зимнее время на отопление жилых и производственных помещений затрачивается огромное количество тепловой энергии, получаемой из различных источников с различной степенью влияния на окружающую среду [1, 2]. В качестве возобновляемого источника энергии, оказывающего минимальное воздействие на окружающую среду, в работе рассматривается возможность использования теплоты фазового перехода воды [3–5]. Технология обогрева помещений в зимнее время теплотой фазового перехода воды до высоких отрицательных температур состоит в аккумулировании водой теплоты, затрачиваемой на плавление льда в летнее время под действием солнечной радиации, и использовании теплоты, выделяемой в процессе замерзания воды в зимнее время [6].

Цель работы – показать практическую возможность и эффективность использования теплоты фазового перехода воды для обогрева на большей части территории России, включая арктические ее районы.

Материалы и методы исследования

1. Свойства воды как возобновляемого источника тепла

Вода является уникальным веществом, изменяющим свои свойства в зависимости от температуры и давления [7]. При изменениях температуры и давления вода может находиться, как известно, в твердом, жидком и газообразном состояниях. При земных давлениях и температурах она, в отличие от других веществ, может одновременно находиться во всех трех состояниях. В данной работе рассматривается возможность использования для обогрева помещений теплоты, выделяемой при кристаллизации воды. Поэтому кратко приведем изменения свойств воды при переходах ее из твердого состояния в жидкое и обратно. При этих фазовых переходах воды выделяется или поглощается одинаковое относительно большое количество теплоты, равное 335 кДж/кг, что значительно больше теплоты фазовых переходов многих других веществ. Так, например, теплота плавления парафина в 2,3 раза, стали в 4,0 раза меньше теплоты плавления льда, а температура плавления их равна соответственно 54 и 1300–1500 °С [8]. Эти данные показывают возможность практического использования теплоты, выделяемой водой при замерзании. Существенными особенностями воды являются скачкообразные изменения теплопроводности и плотности ее при переходах лед – вода – лед и особый характер изменения плотности при изменении температуры. Коэффициент теплопроводности чистого льда равен около 2,22, а воды – около 0,57 Вт/(м К). Плотность льда составляет около 0,9 г/см3, воды при 0 °С – 1 г/см3 , что приводит к плавучести льда. Расширение воды при замерзании в сосудах вызывает деформации и разрушения их. При повышении температуры от 0 до 4 °С плотность воды возрастает, а при дальнейшем повышении температуры снижается. Поэтому конвективное перемешивание воды имеет сложный характер. Эти особенности воды должны учитываться при разработке технологии аккумулирования и использования теплоты фазовых переходов воды.

2. Расчетные зависимости определения параметров помещения и водяных аккумуляторов тепла

Потери тепла из помещения за холодный период года зависят от климатических условий места расположения объекта, размеров и термического сопротивления стен ограждающих конструкций и заданной температуры помещения, а также потерь на технологические процессы и определяются суммой потерь через перекрытие Qп, стены Qc, полы Qпол помещения, открытые ворота при воздухообмене с наружным воздухом Qв и на технологические процессы Qт:

Q = Qп + Qc + Qпол + Qв + Qт. (1)

Составляющие суммарных потерь тепла из опытного помещения (гаража) приближенно определим по следующим зависимостям [9]:

Qп = kkпSп(t2 – t1)(τ – τ0); (2)

Qс = kkсSс(t2 – t1)(τ – τ0); (3)

missing image file; (4)

missing image file (5)

missing image file, (6)

где k, kп, kc, kпол и kа – коэффициенты перевода метрической системы в систему СИ и теплопередачи через ограждающие конструкции помещения и ледяную стенку водяных аккумуляторов тепла; na и nрд – количество автомобилей в гараже и зимних рабочих дней; Sп, Sc, Sпол и Sа – площади теплообменной поверхности перекрытия, стен, полов помещения и водяных аккумуляторов тепла, определяемые вследствие большой толщины стен, в отличие от рекомендаций [10], по внутренним размерам; t1, t2, t3 и t4 – средние за холодный период года температуры наружного воздуха, помещения, воды в аккумуляторе и грунта в основании помещения; τ и τ0 – продолжительность периодов с отрицательной температурой наружного воздуха и открытого положения ворот помещения; cв, ck, cд и cс – удельные теплоемкости воздуха и материалов корпуса, двигателя и салона автомобиля в кДж /(кг К); ρв – плотность воздуха в помещении; Vв – объем воздуха в помещении; mk, mд и mс – средняя масса корпуса, двигателя и салона автомобиля; tд и tс – температуры двигателя и салона в момент въезда автомобиля в гараж.

Входящие в (2)–(6) параметры приближенно можно выразить зависимостями:

– коэффициенты теплопередачи через плоские поверхности ограждающих конструкций помещения [8] с учетом скорости движения воздуха:

missing image file, (7)

где missing image file Вт / (м2К) – коэффициент теплоотдачи на i-й внутренней поверхности стенки; v1i – скорость движения воздуха на i-й внутренней поверхности стенки в м/с; missing image file Вт / (м2К) – коэффициент теплоотдачи на i-й наружной поверхности стенки; v2i – скорость движения воздуха на i-й наружной поверхности стенки в м/с; δi и λi – толщина и коэффициент теплопроводности i-го слоя – перекрытия и стены помещения 1–3, полов 4–6;

– количество рабочих дней в период отрицательных температур наружного воздуха:

missing image file5, (8)

где nпр – количество праздничных дней в период отрицательных температур наружного воздуха;

– продолжительность открытого состояния ворот в период отрицательных температур наружного воздуха:

τ0 = 2nanpдτв, (9)

где τв – продолжительность разового открытия ворот;

– объем воздуха в помещении, принимаемый без учета объема воды в аккумуляторах равным:

Vв = (b – 2δс)(l – 2δс)(h – δс – δп). (10)

Суммарное количество притока тепла из аккумулятора в помещение в холодный период года:

missing image file.(11)

Из равенств (1) и (11) находим:

окончательное выражение потерь тепла из помещения,

missing image file (12)

и зависимость расчетной площади цилиндрического аккумулятора,

missing image file.(13)

Необходимое количество воды в аккумуляторах для обогрева помещения в течение всего холодного периода года определяется по формуле

V = Q / Qф , (14)

где Qф – объемная теплота фазового перехода воды.

Коэффициент теплопередачи через боковую поверхность приведенного цилиндрического аккумулятора определяется зависимостью [8]:

missing image file, (15)

где а1 – коэффициент теплоотдачи поверхности льда в воде; missing image file – коэффициент теплоотдачи на поверхности аккумулятора в помещении; v2 – скорость движения воздуха вдоль наружной поверхности аккумулятора; λл – коэффициент теплопроводности льда; missing image file – средний за зиму диаметр льда в аккумуляторе; missing image file – диаметр аккумулятора.

Результаты исследования и их обсуждение

В опытном помещении (гараже) установлены водяные аккумуляторы тепла прямоугольной формы в количестве 8 шт. Расчет притока тепла в помещение выполнен по приведенным зависимостям цилиндрического аккумулятора (11), (13) и (15).

Ширина прямоугольного аккумулятора должна быть

missing image file. (16)

В формуле (16) приближенно missing image file – максимальная толщина льда на стенках аккумулятора в конце зимнего периода.

Толщина слоя воды в прямоугольном аккумуляторе определяется зависимостью

missing image file. (17)

В табл. 1–3 приведены величины для расчетов потерь тепла из опытного помещения и параметров водяных аккумуляторов тепла.

Результаты расчетов приведены в табл. 4.

Из табл. 4 видно, что при принятой одинаковой удельной передаче тепла через перекрытие и стены одноэтажных помещений потери тепла через стены максимальны вследствие большей их площади. Небольшие потери тепла в основание помещения обусловлены незначительным перепадом температур воздуха в помещении и грунта в основании. Относительно высокие потери тепла через открытые ворота при выезде и въезде автомобилей, очевидно, будут уменьшаться при увеличении размеров помещения в связи с уменьшением степени воздухообмена. При въезде в гараж легковых автомобилей приток тепла от нагретых двигателя и салона превышает потери тепла на нагрев охлажденного кузова автомобилей.

Таблица 1

Расчетные климатические данные на опытной площадке в г. Якутске [7]

τ, ч

t,°C

v2, м/с

5016

-22,1

1,2

Таблица 2

Параметры опытного помещения

м

b

l

h

δс

δ1

δ2

δ3

δ4

δ5

δ6

9,0

12,0

3,5

0,35

0,30

0,001

0,008

0,20

0,10

10,0

ВТ/(м·К)

°С

м/с

 

λ1

λ2

λ3

λ4

λ5

λ6

t2

t4

v2

 

0,043

0,16

0,038

1,55

0,043

2,0

-2

-3

1,2

 

Таблица 3

Заданные параметры водяных аккумуляторов

V, м3

n, шт

ba

la

λл

v1

44,5

8

1,5

22,0

2,32

0,2

Таблица 4

Результаты расчетов параметров и величин потерь тепла из помещения и параметров водяных аккумуляторов тепла

k

kп = kc,

kпол

nрд

τ0

 

Вт/(м2К)

шт

сут

ч

м3

3,61

0,134

0,134

3,37

2

142

28,4

263

Qn

Qc

Qm

Q = Qa

Qпол

Sn

Sc

кДж

м3

4552203

5436045

-102229

14896774

226532

3901566

94

112

Sпол

S0

V

ha

 

м2

м3

м

94

125,4

44,5

1,35

missing image file

Графики изменения температуры воздуха в период испытания опытного объекта в 2018–2019 гг. 1 – температура воздуха в помещении; 2 – температура наружного воздуха; 3 – средняя многолетняя температура наружного воздуха; 4 – измеренная температура наружного воздуха в период испытания объекта

На рисунке представлены графики температуры наружного воздуха и опытного гаража в зимние месяцы в г. Якутске. Результаты эксперимента подтверждают практическую возможность использования теплоты фазовых переходов воды для обогрева помещений даже в очень суровых климатических условиях.

Из рисунка следует некоторое несоответствие расчетной и экспериментальной температур воздуха помещения. В начале зимы экспериментальные температуры соответствовали расчетной температуре, равной -2 °С. В период существенного падения температуры наружного воздуха в январе произошло понижение температуры помещения в течение месяца примерно до -6 °С, и она оставалась на этом уровне, несмотря на повышение температуры наружного воздуха, почти до конца эксперимента. Это можно объяснить уменьшением площади поверхности теплообмена льда с водой в аккумуляторах, что в расчетах не учитывалось.

Заключение

Проведенные испытания опытного помещения в субарктической зоне показали практическую возможность широкого применения технологии использования теплоты фазовых переходов воды для управления температурным режимом различных видов производственных помещений. Понижение температуры воздуха в помещении во второй половине зимы, когда температура наружного воздуха повышается, вызвано уменьшением теплообменной поверхности льда в аккумуляторах и соответствующим снижением теплопередачи в помещение. Поддержание температуры помещения в течение всего холодного периода года в пределах заданного значения может быть достигнуто некоторым увеличением количества воды в аккумуляторах.


Библиографическая ссылка

Кузьмин Г.П., Куваев В.А. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЯ УСТРОЙСТВА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫМ РЕЖИМОМ ПОМЕЩЕНИЙ ТЕПЛОТОЙ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА ВОДЫ // Успехи современного естествознания. – 2022. – № 8. – С. 127-132;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37878 (дата обращения: 18.06.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674