УДК 628.81+621.548.9

Математическое описание работы теплового аккумулятора

Центр физико-технических проблем энергетики Севера

Кольского научного центра РАН

E-mail: *****@***ru

Рассмотрена работа теплового аккумулятора (ТА), который является составной частью системы теплоснабжения с участием ветроэнергетической установки (ВЭУ).

Основные элементы такой системы теплоснабжения (рис.1): здание (потребитель тепловой энергии), котельная установка (основной источник тепловой энергии), ВЭУ (дополнительный источник тепловой энергии), тепловой аккумулятор (ёмкость для накопления и хранения тепловой энергии в виде горячей воды), разделитель (дополнительное, вспомогательное оборудование, связывающее работу остальных), элеватор (служит для понижения температуры горячей воды и создания требуемого напора в подсоединяемой системе отопления).

Рис. 1. Структурная схема системы теплоснабжения с участием ВЭУ:

Работа теплового аккумулятора происходит следующим образом: остывшая вода с температурой из обратного трубопровода системы отопления здания поступает в аккумулятор в количестве . В нём она смешивается с водой аккумулятора, имеющего температуру . После смешения температура воды в аккумуляторе может понизиться. С другой стороны, если в аккумулятор установить нагревательные устройства, запитанные от ВЭУ, то она может и повыситься за счёт поступления энергии в периоды активного ветра. Из аккумулятора вода с температурой и в количестве подаётся по трубопроводу к котельной, в которой она при догревается до расчётной величины . В случае, если , то потребность в работе котельной полностью отпадает, вода сразу же поступит в систему отопления здания, где в элеваторе она смешается с обратной водой. Далее вода повторит своё движение, циркулируя по системе теплоснабжения [1].

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Количество тепловой энергии, содержащейся внутри аккумулятора в виде нагретой воды, всё время меняется.

Уравнение теплового баланса, базирующееся на модели идеального смешения и описывающее состояние аккумулятора, представляет собой зависимость следующего вида:

,  (1)

где и - соответственно объём и температура воды теплового аккумулятора, м3 и єС; - теплоемкость воды, кВт·ч/м3·град; - расход воды, м3/ч; - температура воды, поступающая в аккумулятор, єС; – коэффициент теплоотдачи аккумулятора, кВт/м2·град; – площадь поверхности стенок аккумулятора, м2; - внутренняя температура воздуха [2]; - мощность ВЭУ, кВт.

Интегрирование уравнения (1) даёт экспоненциальную зависимость температуры теплового аккумулятора от времени при начальных условиях (t=0) ,, , , представляет собой зависимость следующего вида:

  (3)

Максимальную расчётную рабочую температуру теплоносителя (воды) для ТА можно принять равной 95 ˚С. Такая температура воды соответствует полной зарядке аккумулятора, не допускает закипания воды и разрушения аккумулятора.

Обратимся к практическому использованию полученных выражений. Рассмотрим работу теплового аккумулятора применительно к зданию объёмом 1000 м3, расположенному в Мурманске и отапливаемому от комплекса «котельная + ВЭУ».

1. Зарядка теплового аккумулятора.

Представляет интерес рассмотреть зарядку теплового аккумулятора, когда все источники энергии (котельная и ВЭУ) включены, мощность ВЭУ составляет 25 кВт. На рис. 2а приведены графики зависимости возрастания температуры воды аккумулятора от времени. Чтобы при начальной температуре 40 ˚С нагреть воду до 95 ˚С потребуется 1,5 дня при =4 м3 (рис. 2а, кривая 1), а уже при =14 м3 - около 5 суток (рис. 2а, кривая 5).

Рис. 2. Кривые зарядки теплового аккумулятора

а – при мощности ВЭУ 25 кВт, кривые 1-4 соответствуют объёму теплового аккумулятора 4, 6, 10 и 14 м3; б – при мощности ВЭУ 5, 10, 15 и 25 кВт, соответственно кривые 1-4

На рис 2б показано, как менялся бы график температуры воды теплового аккумулятора объёмом 6 м3 в случае вовлечения ВЭУ мощностью 5, 10, 15 и 25 кВт и начальной температуре воды =40 єС. Естественно, что ВЭУ мощностью 25 кВт способна зарядить тепловой аккумулятор быстрее (кривая 4).

2. Разрядка теплового аккумулятора.

Рассмотрим частный случай работы теплового аккумулятора в периоды затиший, когда энергия, поступающая от ВЭУ, равна нулю (=0).

Рис. 3. Кривые разрядки теплового аккумулятора

а – при отключении ВЭУ, кривые 1-4 соответствуют объёму теплового аккумулятора 4, 6, 10 и 14 м3; б – при работе ВЭУ, кривые 1-4 соответствуют мощности ВЭУ 0, 5, 10 и 15 кВт

В зависимости от температуры обратной воды , поступающей в тепловой аккумулятор, возможна разная динамика его разрядки. Основные исходные данные остаются те же, что и в предыдущем случае. Результаты расчётов приведены на рис. 3а. При начальной температуре воды в аккумуляторе = 95 ˚С и постоянной температуре воды в обратном трубопроводе =40 єС время на разрядку аккумулятора до температуры составляет 2,5 суток (при объеме аккумулятора 4 м3), 3 суток (при 6 м3), около 5 суток (при 10 м3) и более 5 суток (при 14 м3).

Оценим изменение температуры воды теплового аккумулятора при участии ВЭУ. На рис. 3б представлено семейство кривых, соответствующих мощности ВЭУ 0, 5, 10 и 15 кВт. При отсутствии источника тепловой энергии =0 снижение температуры воды в аккумуляторе будет иметь более чётко выраженный убывающий характер (рис. 3б, кривая 1). Из графика видно, что примерно через 4 суток температура воды в аккумуляторе опустится до значения =40 єС.

Получена математическая модель водяного аккумулятора тепла, работающего в комплексе с ветроэнергетической установкой, позволяющая проводить вычислительный эксперимент и моделировать процессы зарядки, разрядки и хранения тепловой энергии.

Литература

1. , Минин моделирование работы теплового аккумулятора в системе теплоснабжения с участием ВЭУ // Труды Кольского научного центра РАН. Серия Энергетика. Выпуск первый. – Апатиты: Изд. Кольского научного центра РАН, 2010. № 1. С. 158-165.

2. СНиП 41-01-2003 Отопление, вентиляция и кондиционирование. – М.: ГУП ЦПП Госстроя России, 2004. 64 с.