Численное исследование процесса конвективного и кондуктивного теплообмена в технологических водоёмах с тепловым насосом
|
Введение 12
Глава 1 Современное состояние моделирования процесса конвективного и кондуктивного теплообмена в технологическом водоёме с тепловым насосом 16
Глава 2 Постановка задачи конвективного и кондуктивного массопереноса при движении несжимаемой вязкой жидкости в прямоугольной замкнутой области 29
2.1 Г еометрическая модель 29
2.2 Математическая модель 30
2.3 Краткое описание используемого численного метода 34
2.4 Решение трёхточечного разностного уравнения второго порядка
методом прогонки 36
2.5 Решение уравнения Пуассона для функции тока 37
2.6 Постановка граничных условий для вектора завихрённости
скорости 39
2.7 Аппроксимация уравнения для вектора завихрённости скорости... 40
2.8 Аппроксимация для уравнения энергии 42
2.9 Тестирование естественной конвекции вязкой несжимаемой
жидкости 44
Глава 3 Численное моделирование естественной конвекции вязкой несжимаемой жидкости в прямоугольной области с холодным источником 47
3.1 Результаты моделирования с одним холодным источником
3.2 Результаты моделирования с двумя холодными источниками 50
3.3 Результаты моделирования с тремя холодными источниками 55
3.4 Результаты моделирования с одним горячим источником
Глава 4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 62
4.1 Предпроектный анализ 62
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 62
4.2 Анализ конкурентных технических решений 63
4.3 FAST - анализ 65
4.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации 68
4.5 Планирование управления научным проектом 70
4.6 План проекта 72
4.7 Бюджет исследования 74
4.8 Оценка экономической эффективности научно -технического
исследования 78
Заключение к главе 4 81
Г лава 5 Социальная ответственность 82
5.1. Производственная безопасность 83
5.1.1 Опасные и вредные факторы 83
5.1.2 Микроклимат 84
5.1.3 Освещённость 86
5.1.4 Расчёт системы искусственного освещения на рабочем месте 86
5.1.5 Шум 88
5.1.6 Психофизиологические факторы 90
5.1.7 Электромагнитные излучения 91
5.1.8 Электрическая безопасность 92
5.2 Экологическая безопасность 93
5.2.1 Общие сведения о влиянии на ОС
5.2.2 Анализ возможного влияния объекта исследования на ОС
5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 95
5.4 Правовые и орзанизационные вопросы обеспечения
безопасности 98
5.4.1 Правовые нормы трудового законодательства 98
5.4.2 Организационные мероприятия при компановке рабочей зоны... 99
5.4.3 Требования к организации рабочих мест 99
Заключение к главе 5 100
Заключение 102
Список используемых источников 103
Приложение А 106
Глава 1 Современное состояние моделирования процесса конвективного и кондуктивного теплообмена в технологическом водоёме с тепловым насосом 16
Глава 2 Постановка задачи конвективного и кондуктивного массопереноса при движении несжимаемой вязкой жидкости в прямоугольной замкнутой области 29
2.1 Г еометрическая модель 29
2.2 Математическая модель 30
2.3 Краткое описание используемого численного метода 34
2.4 Решение трёхточечного разностного уравнения второго порядка
методом прогонки 36
2.5 Решение уравнения Пуассона для функции тока 37
2.6 Постановка граничных условий для вектора завихрённости
скорости 39
2.7 Аппроксимация уравнения для вектора завихрённости скорости... 40
2.8 Аппроксимация для уравнения энергии 42
2.9 Тестирование естественной конвекции вязкой несжимаемой
жидкости 44
Глава 3 Численное моделирование естественной конвекции вязкой несжимаемой жидкости в прямоугольной области с холодным источником 47
3.1 Результаты моделирования с одним холодным источником
3.2 Результаты моделирования с двумя холодными источниками 50
3.3 Результаты моделирования с тремя холодными источниками 55
3.4 Результаты моделирования с одним горячим источником
Глава 4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 62
4.1 Предпроектный анализ 62
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 62
4.2 Анализ конкурентных технических решений 63
4.3 FAST - анализ 65
4.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации 68
4.5 Планирование управления научным проектом 70
4.6 План проекта 72
4.7 Бюджет исследования 74
4.8 Оценка экономической эффективности научно -технического
исследования 78
Заключение к главе 4 81
Г лава 5 Социальная ответственность 82
5.1. Производственная безопасность 83
5.1.1 Опасные и вредные факторы 83
5.1.2 Микроклимат 84
5.1.3 Освещённость 86
5.1.4 Расчёт системы искусственного освещения на рабочем месте 86
5.1.5 Шум 88
5.1.6 Психофизиологические факторы 90
5.1.7 Электромагнитные излучения 91
5.1.8 Электрическая безопасность 92
5.2 Экологическая безопасность 93
5.2.1 Общие сведения о влиянии на ОС
5.2.2 Анализ возможного влияния объекта исследования на ОС
5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 95
5.4 Правовые и орзанизационные вопросы обеспечения
безопасности 98
5.4.1 Правовые нормы трудового законодательства 98
5.4.2 Организационные мероприятия при компановке рабочей зоны... 99
5.4.3 Требования к организации рабочих мест 99
Заключение к главе 5 100
Заключение 102
Список используемых источников 103
Приложение А 106
Актуальность. Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов и уменьшение загрязнения окружающей среды является актуальной проблемой. Применение новых энергосберегающих технологий станет одной из перспективных путей решений этой проблемы. Теплоснабжение и холодоснабжение с помощью тепловых насосов получает всё большее признание в мире.
Цель и задачи исследования. Численное моделирование вязкой несжимаемой жидкости в прямоугольной области с холодным источником с учётом теплоподвода тепла с внешних границ.
Задачи:
1. выбор математической модели конвективного теплообмена в прямоугольной области с холодным источником;
2. выбор метода решения задачи конвективного теплообмена в прямоугольной области с холодным источником;
3. численное моделирование процесса конвективного теплообмена в прямоугольной области;
4. анализ и вывод полученных результатов.
Методологическая основа. При работе над диссертацией использовались научные публикации, посвященные анализу и исследованиям естественной, вынужденной и смешанной конвекции, а также учебная литература по данной тематике.
Информационная база. Поставленная цель достигается в процессе анализа современного состояния отрасли; изучения научной и специальной литературы, WEB-ресурсов; собственных исследований; международной и отечественной практики исследования состояния вопроса.
Новизна исследования и научные результаты. Впервые получено решение задачи естественной конвекции вязкой несжимаемой жидкости в
прямоугольной полости при наличии холодных источников с учётом теплоподвода.
Объектом исследования магистерской диссертации является технологический водоём с тепловым насосом.
Предметом исследования Положения, выносимые на защиту:
1. алгоритм решения задач смешанной конвекции в прямоугольных полостях, состоящих из сред с различными теплофизическими характеристиками, при наличии холодных источников, и с учётом теплоподвода;
2. результаты численного моделирования естественной конвекции жидкости в прямоугольной полости при наличии холодных источников; Практическая значимость. Создан вычислительный комплекс для моделирования естественной конвекции в прямоугольной полости при наличии холодных источников.
Полученные новые численные результаты могут быть использованы для совершенствования методик расчёта тепловых и гидродинамических режимов водоёмов.
В последнее время всё больше внимания уделяется исследованиям антропогенных изменений гидрологических и гидрохимических условий водоёмов, так как последствия этих изменений могут существенно влиять как на сам водоём, так и на окружающую среду. Ущерб такого воздействия на водоём может быть очень значителен, поэтому всё чаще проводятся исследования технологических водоёмов, с целью улучшения их параметров.
Изменения гидрофизических условий водоёма зависят: от типа водоснабжения объекта, системы водоснабжения, географической зоны в которой расположен водоём, а также от параметров охладителя.
Применение новых энергосберегающих технологий станет одной из перспективных путей решений этой проблемы. Теплоснабжение и холодоснабжение с помощью тепловых насосов получает всё большее признание в мире.
В холодное время года температура воды в водоёме достаточно мала, а использование теплового насоса может повлечь за собой полное промерзание водоёма.
Целесообразно проводить численное исследование конвективного теплообмена в технологических водоёмах, а также анализ состояния объекта. Полученные результаты могу способствовать улучшению состояния объекта, поэтому проводится математическое моделирование.
Цель и задачи исследования. Численное моделирование вязкой несжимаемой жидкости в прямоугольной области с холодным источником с учётом теплоподвода тепла с внешних границ.
Задачи:
1. выбор математической модели конвективного теплообмена в прямоугольной области с холодным источником;
2. выбор метода решения задачи конвективного теплообмена в прямоугольной области с холодным источником;
3. численное моделирование процесса конвективного теплообмена в прямоугольной области;
4. анализ и вывод полученных результатов.
Методологическая основа. При работе над диссертацией использовались научные публикации, посвященные анализу и исследованиям естественной, вынужденной и смешанной конвекции, а также учебная литература по данной тематике.
Информационная база. Поставленная цель достигается в процессе анализа современного состояния отрасли; изучения научной и специальной литературы, WEB-ресурсов; собственных исследований; международной и отечественной практики исследования состояния вопроса.
Новизна исследования и научные результаты. Впервые получено решение задачи естественной конвекции вязкой несжимаемой жидкости в
прямоугольной полости при наличии холодных источников с учётом теплоподвода.
Объектом исследования магистерской диссертации является технологический водоём с тепловым насосом.
Предметом исследования Положения, выносимые на защиту:
1. алгоритм решения задач смешанной конвекции в прямоугольных полостях, состоящих из сред с различными теплофизическими характеристиками, при наличии холодных источников, и с учётом теплоподвода;
2. результаты численного моделирования естественной конвекции жидкости в прямоугольной полости при наличии холодных источников; Практическая значимость. Создан вычислительный комплекс для моделирования естественной конвекции в прямоугольной полости при наличии холодных источников.
Полученные новые численные результаты могут быть использованы для совершенствования методик расчёта тепловых и гидродинамических режимов водоёмов.
В последнее время всё больше внимания уделяется исследованиям антропогенных изменений гидрологических и гидрохимических условий водоёмов, так как последствия этих изменений могут существенно влиять как на сам водоём, так и на окружающую среду. Ущерб такого воздействия на водоём может быть очень значителен, поэтому всё чаще проводятся исследования технологических водоёмов, с целью улучшения их параметров.
Изменения гидрофизических условий водоёма зависят: от типа водоснабжения объекта, системы водоснабжения, географической зоны в которой расположен водоём, а также от параметров охладителя.
Применение новых энергосберегающих технологий станет одной из перспективных путей решений этой проблемы. Теплоснабжение и холодоснабжение с помощью тепловых насосов получает всё большее признание в мире.
В холодное время года температура воды в водоёме достаточно мала, а использование теплового насоса может повлечь за собой полное промерзание водоёма.
Целесообразно проводить численное исследование конвективного теплообмена в технологических водоёмах, а также анализ состояния объекта. Полученные результаты могу способствовать улучшению состояния объекта, поэтому проводится математическое моделирование.
Экспертная оценка экономической эффективности составляет 4,1 балл и указывает, что проект может быть полезен с точки зрения научнотехнического эффекта.
В данном разделе работы определены этапы и трудоемкость работ, найдены потенциальные потребители, предоставлен анализ конкурентных и технических решений ресурсоэффективности и энергосбережения, проведён FAST-анализ, составлены план-график и смета затрат. Программный комплекс завершен и готов к использованию.
Согласно сметы затрат расходы на НИР составил С=175283,59. Данный проект является экономически эффективным, несмотря на затраты в четверть миллиона рублей, позволяет спрогнозировать наиболее
эффективное расположение коллекторов в водоёме, для большей экономии энергии. В ходе получения результатов расчета программы заказчики могут иметь представление о целесообразности использовании теплового насоса в конкретном случае. В первой главе диссертации говорится, что при неправильном расположении коллекторов, можно нанести вред окружающей среде и промерзанию водоёмов, что поспособствует дальнейшей поломке теплового насоса. Исходя из этого видно, что затраты на разработку математической модели, позволяющей смоделировать процессы
происходящие внутри водоёма помогут предотвратить поломку и продлить службу установки.
В данном разделе работы определены этапы и трудоемкость работ, найдены потенциальные потребители, предоставлен анализ конкурентных и технических решений ресурсоэффективности и энергосбережения, проведён FAST-анализ, составлены план-график и смета затрат. Программный комплекс завершен и готов к использованию.
Согласно сметы затрат расходы на НИР составил С=175283,59. Данный проект является экономически эффективным, несмотря на затраты в четверть миллиона рублей, позволяет спрогнозировать наиболее
эффективное расположение коллекторов в водоёме, для большей экономии энергии. В ходе получения результатов расчета программы заказчики могут иметь представление о целесообразности использовании теплового насоса в конкретном случае. В первой главе диссертации говорится, что при неправильном расположении коллекторов, можно нанести вред окружающей среде и промерзанию водоёмов, что поспособствует дальнейшей поломке теплового насоса. Исходя из этого видно, что затраты на разработку математической модели, позволяющей смоделировать процессы
происходящие внутри водоёма помогут предотвратить поломку и продлить службу установки.