Динаміка танення льоду в елементах акумуляторів енергії, систем охолодження та кондиціонування повітря

Abstract

У дисертаційній роботі наведені результати комплексного теоретичного та експериментального дослідження процесів теплообміну і гідродинаміки у воді під час танення льоду при змішаному режимі конвекції з переважаючими ефектами 25 плавучості. Науково обґрунтовано та розроблено методики розрахунку процесів теплообміну з метою отримання напівемпіричних залежностей для розрахунку інтенсивності теплообміну у воді під час танення льоду. Запропоновано використовувати принцип Ле Шательє-Брауна для розроблення загального вигляду розрахункової кореляційної залежності у вигляді суперпозиції механізмів природної та вимушеної конвекції. Розроблені розрахункові залежності для визначення інтенсивності теплообміну під час змішаної турбулентної та перехідної конвекції у замкненій порожнині, що адекватно описують результати експериментального дослідження. Запропонована методика CFD-моделювання, що дозволила верифікувати «Standard k-ε», «Standard k-ω» та «SST k-ω» моделі турбулентності на базі коду ANSYS CFX для чисельного моделювання процесів перенесення відповідно до умов змішаної конвекції води поблизу точки інверсії. Аналіз результатів моделювання засвідчив, що застосування розробленої моделі турбулентного аналога числа Прандтля в «SST k-ω» моделі теплогідродинамічного розрахункового CFD-пакету на базі коду ANSYS CFX дозволила отримати задовільну відповідність результатів розрахунку теплообміну дослідним даним під час розв’язання задачі змішаної конвекції води поблизу точки інверсії в обмеженому просторі. Запропоновано спрощену інженерну методику аналізу термодинамічної ефективності CTES. In the dissertation work the results of complex theoretical and experimental research of processes of heat exchange and hydrodynamics in water during ice melting at the mixed mode of convection with prevailing effects of buoyancy are resulted. Scientifically substantiated and developed methods for calculating heat transfer processes in order to obtain semi-empirical dependences for calculating the intensity of heat transfer in water during ice melting. It is proposed to use the Le Chatelier-Brown principle to develop a general form of the calculated correlation dependence in the form of a superposition of the mechanisms of natural and forced convection. Calculated dependences for determination of heat exchange intensity during mixed turbulent and transient convection in a closed cavity are developed, which adequately describe the results of experimental research. The proposed CFD-modeling technique, which allowed to verify the "Standard k-ε", "Standard k-ω" and "SST k-ω" turbulence models based on the ANSYS CFX code for numerical simulation of transfer processes according to the conditions of mixed water convection near the inversion point. Correction of the turbulent analogue of the Prandtl 26 number without changing the standard model coefficients in the "SST k-ω" model of turbulence allows to obtain an adequate numerical model of heat transfer during mixed convection in water with the predominant effect of buoyancy. Analysis of the simulation results showed that the application of the developed model of turbulent analogue of Prandtl number in "SST k-ω" model of thermohydrodynamic calculated CFD-package based on ANSYS CFX code allowed to obtain satisfactory correspondence of heat exchange calculation results to experimental data. inversion points in a confined space. Namely, during mixed quasi-stationary convection, regardless of the value of Tm * (density inversion parameter), three circulation circuits are observed, the relative size of which is determined by the ratio of forced and free convective components. One circulation circuit is generated by a reversible boundary layer of natural convection near the cooling surface. The other two circulation circuits are generated by a flooded fluid jet around the surface of its symmetry. It should be noted that the symmetry surface of the flooded liquid jet is obviously characterized by a maximum velocity. And since, the values of the liquid velocity extremes correspond to the zero values of shear stresses and, obviously, they are characterized by the minimum values of the value of turbulent kinetic energy. Analysis of TKE profiles can be concluded that its production is determined, first of all, as expected, by the forced convective component of motion. The maximum values of TKE are observed in the area of the flooded liquid jet. Near hard surfaces outside the jet, the value of TKE goes to zero. That is, the processes of transfer under the action of buoyancy forces are realized mainly due to the viscosity mechanism. This means that, as expected, the modes of fluid motion due to the buoyancy forces near solid surfaces are not turbulent, but transitional from laminar to turbulent (transient flow). Also in the work the function of optimization of the managed CTES based on the principle of summation of expenses is developed. An algorithm for taking into account partial load and environmental parameters on the efficiency of CTES equipment has been developed.