МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ГРУППЕ СОВРЕМЕННЫХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Введение 4
ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ
РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ 20
1.1 Моделирование теплопереноса в условиях естественной, вынужденной и смешанной
конвекции в замкнутых полостях с учетом теплообмена с внешней средой 20
1.2 Газовые инфракрасные излучатели в системах отопления 30
1.3 Тепловой режим резервуаров с локальным подогревом топлива для хранения мазута 38
1.4 Современные методы моделирования тепловых режимов хранилищ сжиженного природного
газа 44
1.5 Анализ современного состояния исследования процессов теплообмена в водоемах с
использованием тепловых насосов 53
Выводы по первой главе 57
ГЛАВА 2. ПРОГНОЗ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОДОЕМОВ 59
2.1. Физическая и геометрическая модели 59
2.2. Математическая модель 62
2.3 Тестовые задачи 65
2.4 Численные исследования основных закономерностей смешанной конвекции вязкой
несжимаемой жидкости в водоеме в условиях сопряженного теплообмена 71
2.4.1 Анализ влияния местоположения каналов ввода и вывода жидкости при различных
режимах конвекции на гидродинамику водоема 72
2.4.2 Численный анализ влияния условий теплообмена на внешнем контуре рассматриваемой
области на характеристики процесса теплопереноса 76
2.4.3 Влияние интенсивности теплоотвода на трех границах внешнего контура на смешанную
конвекцию в водоеме-охладителе 78
2.4.4 Влияние внешних условий на свободной поверхности на гидродинамику и тепловой
режим промышленного водоема 81
2.4.5 Анализ влияния процесса испарения на свободной поверхности жидкости на тепловой
режим водоема-охладителя 83
2.5. Математическое моделирование процессов биологического загрязнения технологических водоемов тепловых электрических станций 87
Выводы по второй главе 90
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ЛОКАЛЬНЫХ РАБОЧИХ ЗОНАХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ С ГАЗОВЫМ ИНФРАКРАСНЫМ ИЗЛУЧАТЕЛЕМ 92 3.1. Анализ преимуществ систем обеспечения теплового режима локальных рабочих зон на основе газовых инфракрасных излучателей по сравнению с традиционными конвективными
системами отопления 92
3.1.1 Методика экспериментов 92
3.1.2 Результаты экспериментов 95
3.1.3 Физическая и математическая постановка задачи 99
3.1.4 Численный анализ эффективности использования газовых инфракрасных излучателей при
создании локальных тепловых зон в крупногабаритных помещениях 102
3.2 Теплоперенос в локальной рабочей зоне с работающим излучателем 108
3.3 Анализ применения современных строительных материалов в качестве ограждающих
конструкций 114
3.4. Анализ влияния взаимного расположения инфракрасного излучателя и элементов
оборудования на тепловые режимы производственного помещения 118
3.5. Влияние системы воздухообмена на температурный режим локальной рабочей зоны
крупногабаритного помещения при работе газового инфракрасного излучателя 136
3.6 Методы интенсификации теплообмена в помещении при работе системы воздухообмена и газового инфракрасного излучателя 149
Выводы по третьей главе 159
ГЛАВА 4. ТЕПЛОПЕРЕНОС В РЕЗЕРВУАРЕ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ МАЗУТА НА ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ С ЛОКАЛЬНЫМ ПОДОГРЕВОМ ТОПЛИВА 163
4.1 Теплоперенос в резервуаре - хранилище мазутного топлива с локальным источником
тепловыделения 163
4.2 Влияние месторасположения локального источника тепловыделения на температурный
режим резервуара - хранилища мазута 166
4.3 Численный анализ влияния конфигурации элементов локального источника тепловыделения
на температурный режим резервуара - хранилища мазутного топлива 169
Выводы по четвертой главе 181
ГЛАВА 5 ТЕПЛОПЕРЕНОС В ХРАНИЛИЩАХ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА 184
5.1 Анализ влияния теплопритоков на внешних границах на конвективный теплоперенос в
резервуаре-хранилище сжиженного природного газа 185
5.2 Влияние теплоизоляции одной из границ на тепловой режим хранилища СПГ 190
5.3 Анализ влияния теплоизоляции одной из границ хранилища на тепловой режим СПГ при
различных тепловых потоках через боковые границы 193
5.4 Анализ влияния нарушенной тепловой изоляции на теплоперенос в хранилищах СПГ 195
5.5 Моделирование смешанной конвекции в резервуарах-хранилищах сжиженного природного
газа с участками ввода и вывода массы 205
5.6 Влияние значений теплопритоков на внешних границах резервуаров-хранилищ СПГ на
тепловой режим при наличии участков ввода и вывода газа 210
5.7 Влияние скорости входного потока газа на структуру течения в резервуарах-хранилищах СПГ 215
5.8 Анализ влияния размеров резервуаров СПГ на тепловой режим энергоносителя 221
Выводы по пятой главе 227
ГЛАВА 6. ТЕПЛОПЕРЕНОС В СИСТЕМЕ «ЖИДКОСТЬ -ТЕПЛООБМЕННИК ИСПАРИТЕЛЬ ТЕПЛОВОГО НАСОСА» 229
6.1 Экспериментальное исследование теплонасосной установки с дополнительным источником
тепла в камере испарителя 229
6.1.1 Описание экспериментальной установки 229
6.1.2 Результаты эксперимента 230
6.2 Экспериментальные исследования работы теплонасосной установки в условиях образования
льда испарителя 234
6.2.1 Экспериментальная установка 234
6.2.2 Методика проведения экспериментальных исследований 235
6.2.3 Результаты экспериментальных исследований 236
6.3 Математическое моделирование смешанной конвекции жидкости, окружающей испаритель
теплонасосной установки 240
6.4 Математическое моделирование смешанной конвекции жидкости в водоеме с теплонасосной
установкой при различных условиях теплообмена на свободной поверхности 249
Выводы по шестой главе 257
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 260
Список использованной литературы 263

Купить

Задачи теплотехники, возникающие при развитии технологий промышленности, весьма сложны, разнообразны и многочисленны [1, 2]. Это объясняется широтой комплекса технических проблем, а также сложными, как правило, механизмами теплопереноса процессов, характерных для производства, хранения, транспорта, распределения и использования теплоты.
Масштабы современной теплотехники таковы, что её взаимодействие с окружающей средой имеет не только локальный, но и глобальный характер [1, 3, 4]. При оценке воздействия энергетики на природу, поиске мер ограничения негативных последствий этого воздействия, а также для создания оптимальных по критериям защиты окружающей среды тепловых систем необходим анализ большого числа процессов. Так, например, в теплоэнергетике и атомной энергетике существенное значение имеет прогноз теплового режима водоемов-охладителей, в которые производится сброс теплой воды, прошедшей через конденсаторы турбин. Такой прогноз важен как для оценки теплового загрязнения водной среды, так и оценки температур воды, забираемой на конденсаторы. При прямоточной схеме водоснабжения превышение температуры воды на водозаборе над естественной связано, в основном, с попаданием части отработавшей воды в водозабор, и при малом расстоянии между водосбросом и водозабором обычно слабо зависит от теплоотдачи в атмосферу [5]. При оборотной схеме, реализуемой, в частности, на водохранилищах-охладителях, температура забираемой воды, в основном, определяется теплоотдачей в атмосферу. Чаще всего встречаются промежуточные ситуации, когда вода частично охлаждается за счет теплоотдачи как в атмосферу, так и в грунт [5-7].
Вследствие неизотермичности, как правило, процессов переноса, во-первых, меняются условия движения воды в водоеме т.к. возникает разность плотностей, обусловленная разностью температур воды; во-вторых, возникают задачи прогнозирования температурного режима водоема, определения температуры воды и переноса результатов с модели на натуру при конкретных условиях теплоотдачи во внешнюю среду.
При проектировании водоемов-охладителей ТЭС и АЭС и выборе их технологических параметров возникает необходимость анализа тепловых режимов объектов, представляющих собой полость, заполненную несжимаемой жидкостью при наличии источников ввода и отвода массы, значимых градиентов температур и теплообмена по внешнему контуру полости [1, 5-8]. Для эффективного охлаждения воды, такие водоемы имеют обширную свободную поверхность и небольшую глубину (3...7 м). В таких условиях реализуется режим смешанной конвекции жидкости, осложненный теплоотводом с внешних границ области анализа. Во многих практически значимых случаях этот теплоотвод играет важную роль в формировании теплового режима объекта и течений воды. До последнего времени оценки теплового режима воды в водоёмах-охладителях ТЭС проводились, в основном, с использованием относительно простых моделей [9, 10] в виде систем алгебраических уравнений или обыкновенный дифференциальных уравнений. Моделирование же таких течений с использованием математических моделей в виде систем уравнений в частных производных, описывающих влияние внешней среды на характер течения и температурное поле объекта не проводилось.
В дополнение к вышеизложенному следует подчеркнуть, что средняя температура воды (независимо от времени года) в водоемах - охладителях достигает 25...30 °C [6], как правило. По этим причинам в водоемах-охладителях ТЭС возникают условия, которые в значительной мере определяют их гидробиологическое состояние - с одной стороны ускоряются биологические процессы, с другой - создаются селективные условия для выживания определенных групп организмов [11, 12]. Дисбаланс поступления и выноса органических веществ из водоема- охладителя приводит к усиленному развитию отдельных представителей гидробионтов и зарастанию водной растительностью [11-14]. В экосистеме водоема ежегодно увеличиваются площади зарастания такой растительностью, а также цветения воды представителями синезеленых водорослей. Вследствие вышеперечисленных процессов эффективность таких водоемов-охладителей заметно снижается и возникает объективная необходимость принятия дополнительных мер для борьбы с бактериями и водорослями, а также проведения мероприятий по очистке водоемов, что приводит, как правило, к временной остановке технологического процесса [15]. В то же время интенсивная борьба с бактериями также приводит к экологическому загрязнению окружающей среды.
Для прогноза развития сообществ фитопланктона и бактериальных сообществ водоемов необходимо использование методов математического моделирования тепловых режимов последних. Использование таких методов для анализа пресноводных экосистем получило широкое распространение [7, 16, 17]. Тем не менее, моделей экосистем водохранилищ известно сравнительно немного [14, 16]. Исследования затрудняются тем, что очень часто искусственные водоемы ТЭС представляют собой экосистемы, не достигшие состояния гомеостазиса, находящиеся в стадии развития и подвержены постоянному антропогенному воздействию [7, 14]. В этой ситуации математические модели, позволяющие не только прогнозировать экодинамику водоемов, но и проверять конкретные альтернативные гипотезы относительно принципов функционирования их экосистем, приобретают особую ценность. При разработке математических моделей возникает необходимость анализа комплекса факторов, определяющих условия функционирования водных экосистем и описывающих следующие процессы [14]:
1. Экологические, описывающие биогидрохимические круговороты веществ и энергии в экосистемах.
2. Гидрологические, характеризующие перенос воды, биоты и растворенных веществ в водоемах в зависимости от скорости их поступления с водосбора и процессов внешнего водообмена.
3. Гидродинамические, определяющие структуру потоков и распределения веществ в экосистемах.
4. Антропогенные, задающие нагрузки на водоемы (воздействие на них в результате деятельности ТЭС).
5. Гидрометеорологические, характеризующие условия перемешивания» водных масс и их переноса внутри водоемов в результате природных процессов.
В настоящее время математических моделей такого уровня в России и за рубежом нет.
Многие естественные и искусственные технологические водоемы России обладают достаточными энергетическими ресурсами- их можно использовать, например, в качестве низкопотенциального источника тепла для систем ТНУ в отопительные сезоны (весна, осень, зима). Но такие установки в настоящее время почти не используются на территории Российской Федерации. Одной из причин невостребованности теплонасосных технологий в РФ, возможно, является то, что до настоящего времени не разработана теория, обеспечивающая возможность прогностического моделирования характеристик работы ТНУ в условиях типичных для отопительного сезона низких (отрицательных) температур воздуха над поверхностью водоемов - низкопотенциальных источников теплоты для теплонасосных установок. В последнее время по результатам экспериментальных исследований [18] установлено, что при отрицательных температурах воздуха и, соответственно, низких температур воды в водоеме (например, не более 286 К) происходит обледенение трубок испарителя, погруженных в водоем с непроточной водой. В то же время такие водоемы принято считать наиболее перспективными по целому ряду объективных причин [19-23] для применения теплонасосных установок.
Анализ основных закономерностей процесса образования льда на трубках испарителя в таких водоемах и выявление основных факторов, влияющих на скорость его формирования (а также изменение в этих условиях характеристик работы системы теплонасосной установки) представляет достаточно важную для практики задачу, решение которой позволит не только прогнозировать тепловое состояние элементов ТНУ, но и вырабатывать рекомендации по улучшению энергоэффективности таких систем при их использовании в холодное время года. Экспериментальное изучение всего многообразия возможных вариантов систем «водоем - ТНУ» практически затруднительно. Наиболее реальным является разработка математической модели, обеспечивающей прогноз характеристик работы ТНУ в условиях РФ.
При решении такого рода задач целесообразно учитывать особенности течения жидкости в режиме смешанной конвекции. Известны результаты численного моделирования, сопряженного конвективно-кондуктивного теплопереноса в прямоугольной газовой области при наличии источника тепловыделения [24-27]. Но моделирование конвективных течений в водоемах в условиях сложного теплообмена с окружающей средой, а также притоков и стоков тепла, до настоящего времени не проводилось. Поэтому практически значимым является математическое моделирование смешанной конвекции вязкой несжимаемой жидкости в области с локальным стоком тепла и с источниками ввода и вывода массы с целью выделения условий и характеристик эффективной работы теплонасосных установок.
С учетом растущего интереса к использованию сжиженного природного газа (СПГ) как альтернативного источника энергии в условиях глобального перехода на более чистые источники энергии процессы теплообмена в резервуарах-хранилищах СПГ в последние годы становятся всё более значимыми. Изучение теплопереноса в хранилищах сжиженного природного газа имеет большое значение при моделировании и анализе физических процессов, связанных с получением СПГ, его хранением и транспортировкой [28-30]. В последнее время происходит интенсивное увеличение объемов производства СПГ и, соответственно, растет количество разного рода хранилищ и резервуаров. В связи с достаточно частыми авариями с СПГ возникает проблема охраны окружающей среды. Это приводит к тому, что необходим анализ условий возникновений аварий в хранилищах СПГ. Соответственно, создание методов прогностического моделирования процессов теплопереноса в резервуарах СПГ актуальная задача.
Значимым для понимания физических механизмов переноса массы и энергии в резервуарах прямоугольной формы является анализ влияния положения участков ввода и вывода на характер течения и, соответственно, теплообмена в хранилищах СПГ. Также важным является анализ влияния условий теплообмена на внешних границах области на поля гидродинамических характеристик и температур. В условиях современных энергетических технологий, где эффективное управление тепловыми режимами становится критически важным, исследование этих процессов позволяет оптимизировать эксплуатацию хранилищ и повысить их безопасность.
Задачи смешанной конвекции в резервуарах-хранилищах сжиженного природного газа ранее не решались. Результаты такого исследования необходимы для прогнозирования стратификации жидкости с последующим внезапным перемешиванием (ролловер) и предотвращением аварийной ситуации на таких объектах.
Развитие теплотехники [2] создаёт реальные предпосылки использования, например, для обеспечения теплового режима промышленных объектов, новых технических устройств, систем и технологий [31, 32]. В настоящее время возрастает объективная потребность в установке энергоэффективных автономных систем лучистого отопления (как электрических, так и газовых) в производственных помещениях и общественных зданиях.
Решение задач создания регламентного микроклимата в локальных рабочих зонах производственных помещений и экономии топливно-энергетических ресурсов при использовании газовых инфракрасных излучателей (ГИИ) неразрывно связано с необходимостью изучения процесса сложного теплопереноса в областях с многослойными ограждающими конструкциями, кровлей и габаритным оборудованием.
Относительная малочисленность работ в этом направлении обусловлена тем, что такое исследование, являющееся сложным само по себе, в случае учета большой части факторов, влияющих на формирование температурных полей объекта теплоснабжения, сопряжено с необходимостью преодоления математических трудностей, связанных с решением задач сложного теплопереноса.
До настоящего времени не разработаны методы расчёта систем лучистого отопления на базе современной теории теплопереноса, учитывающие весь комплекс процессов в локальной рабочей зоне. Необходима общая теория, опирающаяся на результаты экспериментальных исследований основных закономерностей теплопереноса в условиях работы
высокотемпературных ГИИ.
Принимая во внимание широкую сферу возможных приложений, задачи разработки новых методов прогнозирования тепловых режимов объектов теплоснабжения с локальными радиационными источниками нагрева с учётом основных значимых факторов является весьма актуальной.
До последнего времени основой методов расчёта тепловых режимов объектов, нагреваемых инфракрасными газовыми излучателями [33-35], были балансные математические модели [36-39]. При этом, как правило, не учитывались неоднородность и нестационарность температурных полей объекта, теплоотвод в ограждающие конструкции [38]. В то же время установлено влияние этих факторов на температурные поля в условиях сопряжённого теплопереноса [40-42]. В современной же литературе слабо представлены результаты моделирования процессов сопряжённого теплопереноса в воздушной среде в производственных помещениях. Известные результаты решения задач свободной конвекции с учетом теплоотвода по внешнему контуру области моделирования [40-43] получены для условий, существенно отличающихся от условий нагрева инфракрасными излучателями. Используемые до настоящего времени подходы к анализу тепловых режимов объектов с системами теплоснабжения на базе ГИИ [38, 44] не учитывают конвекцию и теплоотвод в ограждающие конструкции. При этом возникает вопрос о целесообразности решения задачи конвективного теплопереноса с учетом теплоотвода в ограждающие конструкции. Последнее обусловлено тем, что как правило, локальные рабочие зоны выбираются таким образом, чтобы избежать больших потерь теплоты за счет ее отвода из зоны нагрева, т.е. вблизи вертикальных ограждающих конструкций (стен). Для практики представляет интерес анализ возможности применения моделей сопряженного теплообмена [40] при описании температурных полей объектов с системами отопления на базе ГИИ.
Кроме того, практически значимым является анализ целесообразности моделирования температурных полей в зоне нагрева ГИИ с использованием сложных моделей в виде нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных [45-47].
Общая теория сопряженного теплообмена, разработанная еще авторами [48-50], до настоящего времени не применяется широко при решении типичных задач промышленной теплоэнергетики и тепловой защиты. Во многом это обусловлено, с одной стороны, трудностями численного решения уравнений Навье-Стокса для газов или жидкостей, являющихся теплоносителями (или охладителями) в каких-либо теплотехнических системах. В современной литературе отсутствуют результаты моделирования процессов сопряженного теплообмена, протекающих в воздушной среде в крупногабаритных производственных помещениях. Обоснованный же выбор технологических решений по рациональному нагреву отдельных участков таких помещений (локальных рабочих зон) затруднен без анализа процессов формирования возможно неоднородных и нестационарных температурных полей локальной рабочей зоны. Поэтому необходимо физическое и математическое моделирование процессов теплопереноса в замкнутых прямоугольных областях с радиационными источниками ввода энергии на одной из границ.
Ранее при анализе систем отопления на базе газовых инфракрасных излучателей в основном оценивалась средняя температура в помещении [51] . Влияние каких-либо
характеристик материалов ограждающих конструкций не анализировалось. Но использование материалов с определённой степенью черноты может интенсифицировать или минимизировать теплообмен за счет излучения.
В тоже время есть основания для гипотезы, что расположение любого оборудования должно оказывать влияние на температуру локальной рабочей зоны, так как теплота, поступающая от ГИИ, осуществляет нагрев открытых поверхностей этого оборудования, в результате чего возникают локальные циркуляционные потоки нагретого от этих поверхностей воздуха [52, 53]. Естественная же циркуляция (свободная конвекция воздушных масс) может оказывать достаточно значимое влияние на температурные поля [52, 53]. Термогравитационная конвекция в значительной степени определяет комфортные тепловые условия для рабочей зоны. Но если в этой зоне находится работающий - основной объект теплоснабжения, то на тепловой комфорт последнего может влиять в значимой степени не только мощность источника теплоты - ГИИ. Важную роль играет пространственная ориентация газового инфракрасного обогревателя относительно рабочей зоны, к которой подводится теплота. Температура поверхности одежды работающего в условиях использования газовых инфракрасных обогревателей будет зависеть не только от температуры воздуха в рабочей зоне и интенсивности термогравитационной конвекции. Также при лучистом нагреве важнейшей характеристикой процесса может быть поток лучистой энергии, подводимый непосредственно к поверхности одежды работающего и направление этого потока. При работе ГИИ температуры поверхности одежды могут существенно отличаться от аналогичного значения этой температуры в условиях только конвективного нагрева. Но пока не опубликовано информации о температурных полях поверхности одежды работающего, хотя эти характеристики в условиях не только лучистого, но и конвективного нагрева определяют регламентные требования (условия) к системе подвода теплоты.
Следует отметить, что несмотря на значимость проблемы лучистого отопления, пока нет достоверных экспериментальных данных по температурным полям участков поверхности одежды и тела работающего (открытых и закрытых одеждой) в условиях работы таких систем.
Кроме того, изучены достаточно детально только процессы переноса теплоты при работе систем лучистого нагрева (например, [52-55]) в режиме естественной конвекции. Но использование ГИИ светлого типа, при работе которого в окружающую среду поступают продукты сгорания газа, требует использование системы воздухообмена [56], работа которой приводит к возникновению режима смешанной конвекции. Нагрев же поверхностей теплоотвода обеспечивается главным образом лучистым переносом теплоты [57], источником которого является ГИИ [58]. Помещенное в зону влияния ГИИ оборудование также нагревается и вследствие конвективного теплообмена частично передает теплоту обтекающему его воздуху [52].
Принимая во внимание широкую сферу возможных приложений, задачи разработки новых методов прогнозирования (существенно более детальных) тепловых режимов объектов теплоснабжения с локальными источниками нагрева и охлаждения с учётом основных значимых факторов являются значимыми для многих отраслей промышленности.
На основании анализа перечисленных выше задач теплотехники, а также ряда других (транспорт, хранение, перегрузка мазута на предприятиях энергетики, например) можно сделать вывод, что повышение эффективности работы многих объектов и систем теплотехники возможно только при более детальном анализе температурных полей последних (распределений температур во времени и в пространстве). Решение же задач определения распределенных во времени и в пространстве температур объектов промышленной теплоэнергетики возможно только в результате решений краевых задач математической физики.
Цель диссертационной работы заключается в создании теоретических основ теплопереноса в объектах и системах промышленной теплоэнергетики на базе математических моделей в виде систем уравнений математической физики, обеспечивающих возможность анализа полей температур и других важных характеристик тепловых процессов по пространственным координатам. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи, решение которых иллюстрирует необходимость применения математических моделей в виде систем уравнений математической физики для решения практически значимых теплотехнических задач:
• Математическое моделирование естественной и смешанной конвекции в водоемах- охладителях тепловых и атомных электростанций с локальными источниками тепловыделения в условиях неоднородного теплообмена на внешних границах области решения;
• Установление основных закономерностей процессов сопряженного теплопереноса в областях с локальными источниками энергии и массы в условиях существенной нестационарности в водоемах - охладителях;
• Анализ масштабов влияния теплоотвода на внешних границах водоема на основные характеристики нестационарных процессов переноса массы, импульса и энергии;
• Математическое моделирование сопряженного теплопереноса в локальных рабочих зонах производственных помещений с газовым инфракрасным излучателем и системой воздухообмена;
• Установление основных закономерностей процессов конвективно-кондуктивного
теплопереноса в локальных рабочих зонах промышленных помещений с оборудованием, газовым инфракрасным излучателем и системой воздухообмена;
• Анализ влияния месторасположений оборудования, излучателя, а также системы воздухообмена на тепловой режим в локальной рабочей зоне;
• Определение энергоэффективности и способов её повышения при использовании газовых инфракрасных излучателей для создания регламентных тепловых режимов локальных рабочих зон и сравнение с традиционными конвективными системами отопления;
• Математическое моделирование теплопереноса в резервуарах-хранилищах мазутного топлива с локальным источником тепловыделения;
• Установление основных закономерностей процессов конвективного теплопереноса в закрытом резервуаре мазутного топлива с локальным источником тепловыделения;
• Математическое моделирование теплопереноса в резервуарах-хранилищах сжиженного природного газа с локальными источниками ввода и вывода массы и неоднородного теплообмена на внешних границах;
• Анализ влияния условий теплообмена на внешних границах, интенсивности ввода и вывода массы, а также геометрических параметров резервуаров на характеристики процессов теплопереноса в хранилищах сжиженного природного газа;
• Математическое моделирование конвективного теплообмена в водных системах - низкопотенциальных источников тепла с локальным теплообменником испарителем теплового насоса - локальным стоком тепла в условиях неоднородного теплообмена на внешних границах области решения;
• Анализ влияния мест расположения участков ввода и вывода жидкости и испарителя теплового насоса на гидродинамику и теплообмен в водной системе - источнике низкопотенциального тепла.
• Обоснование эффективности использования математических моделей в виде систем уравнений математической физики для решения задач сопряженного теплопереноса в замкнутых и полуоткрытых областях с распределёнными источниками тепловыделения и учетом кондуктивно-конвективно-радиационного теплообмена в условиях работы систем и устройств промышленной теплотехники.
Научная новизна работы.
1. Сформулированы математические модели и численно решены задачи естественной и смешанной конвекции в областях прямоугольной формы с локальными источниками тепловыделения в условиях неоднородного теплообмена с внешней средой объектов промышленной теплотехники: водоемах-охладителях тепловых электрических станций, крупногабаритных помещениях с локальной рабочей зоной и радиационным источником тепла, резервуарах для хранения мазута, водоемах с испарителем теплонасосной установки, хранилищах сжиженного природного газа.
2. По результатам численного анализа показано влияние неоднородного теплообмена на внешних границах на тепловой режим водоема-охладителя тепловой электрической станции.
3. Установлено по результатам математического моделирования влияние взаимного расположения теплового излучателя и элементов оборудования, их теплофизических характеристик, а также системы воздухообмена на тепловые режимы локальных рабочих зон производственных помещений.
4. Установлены основные закономерности конвективного теплопереноса в резервуарах для хранения мазута с локальным источником тепловыделения.
5. По результатам моделирования нестационарных режимов сопряженной естественной конвекции в низкотемпературных хранилищах сжиженного природного газа при различных условиях теплообмена на внешних границах обоснован пространственный характер распределений температур.
6. На основании анализа влияния мест расположения участков ввода и вывода жидкости на гидродинамику и теплообмен в малогабаритном промежуточном водоеме сточных вод с расположенным в нем испарителем теплового насоса показана целесообразность использования неодномерных моделей теплопереноса для обоснования эффективности работы теплонасосных установок.
В результате проведенных исследований разработаны теоретические положения, совокупность которых можно квалифицировать как научное достижение в области исследования сопряженного конвективно-кондуктивного теплопереноса в системах обеспечения регламентного теплового режима теплоэнергетических и промышленных объектов с локальными источниками энергии в условиях внешнего неоднородного теплообмена. Обоснована эффективность использования разработанных математических моделей в виде систем уравнений математической физики для решения задач теплопереноса во многих типичных объектах промышленной теплотехники.
Теоретическая и практическая значимость работы определяется обоснованием целесообразности описания процессов теплопереноса в условиях работы систем и устройств промышленной теплоэнергетики с использованием математического аппарата в виде систем нелинейных нестационарных уравнений в частных производных. Полученные результаты служат научной основой для решения прикладных задач, связанных с проблемами проектирования как эффективных систем обеспечения тепловых режимов объектов теплотехники, так и оптимальных схем размещения оборудования в них.
Разработан вычислительный комплекс, обеспечивающий решение задач сопряженного теплопереноса в замкнутых и полуоткрытых областях с распределенными источниками тепловыделения и учетом кондуктивно-конвективного и радиационного теплообмена, позволяющий проводить прикладные исследования. Получены 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Исследования выполнялись при поддержке РФФИ № 05-02-98006-р_обь_а «Математическое моделирование процесса теплопереноса в объектах теплоснабжения с учетом взаимодействия с окружающей средой», РНФ 20-19-00226 «Моделирование тепловых режимов объектов теплоснабжения при совместной работе газовых инфракрасных излучателей и приточно-вытяжной вентиляции в условиях интенсивного конвективно-кондуктивного и радиационного теплообмена», грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущей научной школы Российской Федерации НШ-7538.2016.8.
Личный вклад автора. При выполнении работ по теме диссертации автор лично разработал математические модели сопряженных задач теплопереноса в преобразованных переменных, вычислительную методику для реализации этих задач, принимал непосредственное участие в постановке задач, получении, обработке и анализе результатов исследований, подготовке статей и докладов на конференциях. Автор также проводил планирование, подготовку и экспериментальные исследования, статистическую обработку экспериментальных данных, анализ и обобщение теоретических и экспериментальных результатов. Представление изложенных в диссертационной работе и выносимых на защиту результатов, полученных в совместных исследованиях, согласовано с соавторами....
Купить