Please use this identifier to cite or link to this item: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/53216
Title: Математическое моделирование процессов теплопереноса при работе теплонасосных систем использования геотермальной энергии
Other Titles: Mathematical modeling of heat transfer by operation of geothermal heat pumps
Authors: Максимов, Вячеслав Иванович
Салум, Амер
Maksimov, Vyacheslav Ivanovich
Saloum, Amer
Keywords: термогравитационная конвекция; образование льда; водяной тепловой насос; водяные насосы; тепловые насосы; фазовые переходы; низкопотенциальный источник энергии; низкопотенциальные источники; энергийная концепция бытия; энергия; natural convection; ice formation; water source heat pump; phase change; low-potential heat source
Issue Date: 2019
Publisher: Томский политехнический университет
Citation: Максимов В. И. Математическое моделирование процессов теплопереноса при работе теплонасосных систем использования геотермальной энергии / В. И. Максимов, А. Салум // Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ]. Инжиниринг георесурсов. — 2019. — Т. 330, № 4. — [С. 126-135].
Abstract: Актуальность. Использование теплонасосных установок для отопления вместо традиционных систем, которые получают энергию в процессе сжигания различных видов топлива, имеет ряд экологических и экономических преимуществ. Тепловые насосы могут получать энергию из воздуха, грунта и воды. Их сферы применения разнообразны: горячее водоснабжение и кондиционирование помещений, нагрев и охлаждение воды для различных нужд, сушки/осушения воздуха, производства пара, испарения, дистилляции. При применении природных водоёмов (озёра, пруды, водохранилища) в качестве низкопотенциального источника энергии теплонасосных установок на поверхности трубки испарителя образуется лёд. Важно рассматривать закономерности и характеристики процессов теплообмена между водой и трубкой испарителя при образовании льда на её поверхности. Цель: математическое моделирование нестационарного конвективного теплообмена между водой и трубками испарителя теплонасосных установок в условиях формирования льда на их поверхности. Объект: теплообменник испарителя теплового насоса, погружённый в воду. Методы: численное решение задач конвективного теплообмена в условиях фазового перехода воды методом конечных элементов в среде COMSOL. Результаты. Установлены закономерности нестационарного конвективного теплопереноса вблизи трубок испарителя водяного теплового насоса с температурой, при которой образуется лёд на их поверхности. Показана необходимость учета влияния термогравитационной конвекции в воде на тепловой поток и процесс образования льда на поверхности трубки испарителя теплонасосной установки. Получены зависимости числа Нуссельта от характеристики конвективного теплообмена в воде (чисел Рэлея, Фурье и Стефана). Выявлено, что перепад температур в воде вблизи трубки увеличивался при уменьшении глубины её расположения относительно поверхности водного источника при показателях температур воды выше 277 К. При температурах воды ниже 277 К тепловой поток достигал максимального значения у поверхности трубки, которая находилась глубже.
The relevance. The use of heat pumps to provide heat instead of traditional systems, which get energy from the burning of different fossil fuel kinds, has a number of environmental and economic benefits. Heat pumps can use air, ground, and water as an energy source. They can be used for various applications: hot water supply, air conditioning, heating and cooling water for different uses, air drying/dehumidification, vapor production, evaporation, and distillation. By the use of natural water surface (lakes, ponds, reservoirs) as a low-potential heat source for heat pump, ice can be formed on the evaporator pipe surface. It is important to study the heat exchange characteristics between the water and the evaporator pipe undergoing ice formation on its surface. The main aim of the research is mathematical modeling for non-stationary convective heat exchange between the water and the heat pump evaporator pipes under the conditions of ice formation on their surface. The object of the research is the heat pump evaporator heat exchanger which is surrounded by water. The methods of the research are numerical solutions for convective heat transfer problem under the conditions of the water phase change by the use of the finite element method in COMSOL environment. Results. The authors have established the unsteady convective heat transfer laws near the water source heat pump evaporator pipes with the temperature under water freezing point. In calculations of the heat flux and ice thickness growth rate on the surface of heat pump evaporator pipe, the natural convection in water effect must not be ignored. The authors obtained the dependence of Nusselt number on the natural convection heat exchange characteristics undergoing a phase change (Rayleigh, Fourier and Stefan numbers). It is revealed that the drop rate in water temperature around the pipe increases with the decrease of its depth from the surface of the water source for water temperatures values higher than 277 K. For water temperatures lower than 277 K, the heat flux is maximum around the pipe, which is located deeper.
URI: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/53216
ISSN: 2413-1830
Appears in Collections:Известия ТПУ

Files in This Item:
File SizeFormat 
bulletin_tpu-2019-v330-i4-12.pdf773,54 kBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.