Розглянуто спільна робота котельної установки на органічному паливі, вітроенергетичної установки і теплового акумулятора. Застосування вітроустановки направлено на зниження навантаження котельні та забезпечення економії органічного палива, а теплового акумулятора - на більш повне використання нерівномірно надходить вітрової енергії. Отримана математична модель теплового акумулятора, що дозволяє проводити обчислювальний експеримент зарядки, розрядки і зберігання теплової енергії.

Анотація наукової статті з енергетики та раціонального природокористування, автор наукової роботи - Бежан Олексій Володимирович, Мінін Валерій Андрійович


MATHEMATICAL MODELING OF HEAT STORAGE IN THE HEATING SYSTEM WIND TURBINES

We consider the joint work of the boiler plant on fossil fuel, wind turbines plant and heat storage. The use of wind turbines aimed at reducing the boiler load and providing savings of fossil fuels, and heat storage the fuller utilization of wind energy unevenly received. A mathematical model of heat storage to allow a computer experiment charging, discharging and storing thermal energy.


Область наук:

  • Енергетика і раціональне природокористування

  • Рік видавництва: 2010


    Журнал: Праці Кольського наукового центру РАН


    Наукова стаття на тему 'Математичне моделювання роботи теплового акумулятора в системі теплопостачання за участю ВЕУ'

    Текст наукової роботи на тему «Математичне моделювання роботи теплового акумулятора в системі теплопостачання за участю ВЕУ»

    ?ПОНОВЛЮВАНІ ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ

    УДК 628.81 + 621.548.9 (470.21)

    А.В.Бежан, В.А.Мінін МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ РОБОТИ ТЕПЛОВОГО акумулятори В СИСТЕМІ ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ ЗА УЧАСТЮ ВЕУ

    анотація

    Розглянуто спільна робота котельної установки на органічному паливі, вітроенергетичної установки і теплового акумулятора. Застосування вітроустановки направлено на зниження навантаження котельні та забезпечення економії органічного палива, а теплового акумулятора - на більш повне використання нерівномірно надходить вітрової енергії. Отримана математична модель теплового акумулятора, що дозволяє проводити обчислювальний експеримент зарядки, розрядки і зберігання теплової енергії.

    Ключові слова:

    вітроенергетична установка, тепловий акумулятор, система теплопостачання

    A.V.Bezhan, V.A.Minin

    MATHEMATICAL MODELING OF HEAT STORAGE IN THE HEATING SYSTEM WIND TURBINES

    Abstract

    We consider the joint work of the boiler plant on fossil fuel, wind turbines plant and heat storage. The use of wind turbines aimed at reducing the boiler load and providing savings of fossil fuels, and heat storage - the fuller utilization of wind energy unevenly received. A mathematical model of heat storage to allow a computer experiment charging, discharging and storing thermal energy.

    Keywords:

    wind turbine, heat storage, heating system

    У районах з підвищеним потенціалом вітру в якості додаткового джерела теплової енергії можуть використовуватися вітроенергетичні установки (ВЕУ). При спільній роботі котельні і ВЕУ частина графіка опалювального навантаження буде покриватися від ВЕУ, а інша - від котельні. У періоди з сильним вітром ВЕУ може в значній мірі або повністю забезпечити потреби в теплі, а іноді навіть створити надлишок енергії. Зате в періоди холодної маловітряна погоди майже все навантаження лягає на котельню [1].

    Ефект від використання енергії вітру на потреби опалення може бути підвищений за рахунок застосування акумулюють пристроїв, які дозволяють не скидати вхолосту з'являються періодично надлишки вітрової енергії, а запасати їх і в потрібний час корисно використовувати. Застосування акумулюють пристроїв підвищує економічність систем «ВЕУ + котельня» за рахунок більш ефективного використання енергії вітру.

    Основні елементи такої системи теплопостачання: будівля

    (Споживач теплової енергії), котельня установка (основне джерело теплової енергії), ВЕУ (додаткове джерело теплової енергії),

    тепловий акумулятор (ємність для накопичення і зберігання теплової енергії у вигляді гарячої води), елеватор (для зниження температури гарячої води та створення необхідного напору в системі опалення).

    Математичний опис теплового акумулятора

    Рухомий в тепловому акумуляторі потік води розглядається як однофазна, однокомпонентна середу. Для неї можна записати рівняння балансів, що базуються на моделі ідеального змішування. Оскільки рівняння балансів включають похідні за часом, то будуються динамічні математичні моделі, які описують нестаціонарні режими руху потоку.

    Модель ідеального змішування відповідає такий гідродинаміки апарату, при якій надходить в нього потік води миттєво розподіляється по всьому його об'єму. Тобто температура води в кожній точці акумулятора і на виході з нього будуть однакові [2].

    Робота теплового акумулятора відбувається наступним чином: захолола вода з температурою Т2 із зворотного трубопроводу системи опалення будівлі надходить в акумулятор в кількості У1. У ньому вона змішується з водою акумулятора, що має температуру ТТА. Після змішування температура води в акумуляторі може знизитися. З іншого боку, якщо в акумулятор встановити нагрівальні пристрої, які живляться від ВЕУ, то вона може і підвищитися за рахунок надходження енергії в періоди активного вітру. З акумулятора вода

    з температурою ТТА і в кількості V1 подається по трубопроводу до котельні, в якій вона при ТТА < Т1 догрівається до розрахункової величини Т1. У разі, якщо ТТА = Т1, то потреба в роботі котельні повністю відпадає, вода відразу ж надійде в систему опалення будівлі, де в елеваторі вона змішається зі зворотним водою. Далі вода повторить свій рух, циркулюючи по системі теплопостачання.

    Кількість теплової енергії, що міститься всередині акумулятора у вигляді нагрітої води, весь час змінюється. Воно залежить від кількості тепла, що надходить в акумулятор від ВЕУ і видаляється з нього, а також від теплових втрат через стінки теплового акумулятора.

    Рівняння теплового балансу, яке описує стан акумулятора, являє собою залежність наступного виду:

    е (УТАСрТТА)

    у ТА р 1АУ = у СТ -V СТ - До Б (Т - Т) + О (1)

    ^ М ^ р ^ М ^ рх ТА ТА ТА V ТА ± в / т '<ВЕУ '' '

    де УТА і ТТА - відповідно обсяг і температура води теплового акумулятора, м3 і ° С; Ср - теплоємність води, кВт-год / м3-град; V1 - витрата води, що надходить і виходить з ТА, м3 / год; Т2 - температура води, що надходить в акумулятор, ° С; До ТА - коефіцієнт тепловіддачі акумулятора, кВт / м2-град; БТА - площа поверхні стінок акумулятора, м2; Тв - внутрішня температура повітря (18-20С для житлових приміщень згідно Сніпу [3]); Про ВЕУ - потужність ВЕУ, кВт.

    Так як обсяг акумулятора УТА і теплоємність води Ср величини постійні, то диференціальне рівняння (1) зводиться до вираження:

    dTTA _ V1 (T2 Tta) До та FTA (ТТА Тв). Q ВЕУ (2)

    -----_------------------------------------ 1 ------- (2)

    dt Vta Vta Cp Vta Cp

    Інтегрування рівняння (2) дає експонентну залежність температури теплового акумулятора від часу при початкових умовах (t = 0)

    T V T Т Q •

    ТА про '1о' ^ '1 в "' ^ ВЕУ про •

    Максимальну розрахункову робочу температуру теплоносія (води) для ТА можна прийняти рівною 95 С. Така температура води відповідає повній зарядці акумулятора, не допускає закипання води і руйнування акумулятора.

    Звернемося до практичного використання отриманих виразів. Розглянемо роботу теплового акумулятора стосовно до будівлі об'ємом 1000 м, розташованому в Мурманську і опалювального від комплексу «котельня + ВЕУ».

    В опалюваних будівлях внаслідок різниці температур між внутрішнім і зовнішнім повітрям постійно відбуваються втрати тепла через огороджувальні конструкції. Система опалення заповнює ці втрати, підтримуючи в приміщеннях температуру, яка визначається санітарними нормами і правилами (БНІП) [3].

    Вибір максимальної встановленої потужності вітроенергетичної установки QMAX, що працює спільно з котельні сумірною потужності

    Q MAX, визначається рівністю:

    QMAX _ Р QMAX _ Р qVздМТв - Тр,), (4)

    де Р - співвідношення потужностей ВЕУ і котельні [4]; q - теплова характеристика будівлі, кВт / м3-град; Узд - обсяг будинку по зовнішньому обміру, м3; ТР0 - розрахункова температура зовнішнього повітря, С (табл.1) [5]; kv коефіцієнт, що враховує збільшення тепловтрат від вітру (рис.1) [4].

    Швидкість вітру, м / с

    Рис.1. Відносне збільшення тепловтрат будівлі від швидкості вітру

    Оптимальне співвідношення потужностей ВЕУ і котельні (параметр Р) визначають, виходячи з техніко-економічної оцінки, використовуючи, наприклад, критерії мінімуму приведених витрат або максимуму прибутку.

    У нашому випадку всі розрахунки будуть проводитися для випадку, коли потужність котельні та ВЕУ рівні (Р = 1). Тоді розрахункова потрібна потужність котельні та

    ВЕУ, певні по середній температурі найхолоднішою п'ятиденки (з урахуванням вітру), складають 35 кВт, при цьому здійснюється якісне регулювання опалювального навантаження згідно з температурним графіком теплової мережі (рис.2).

    Таблиця 1

    Розрахункова температура повітря найбільш холодної п'ятиденки Тр 0, ° С

    (Забезпеченістю 0,98 і 0,92) для деяких населених пунктів

    Мурманської області

    Населений пункт Забезпеченість

    0,98 0,92

    Вайда-Губа -19 -17

    Кандалакша -35 -30

    Ковдор -41 -34

    Краснощелье -35 -32

    Ловозеро -33 -31

    Мончегорськ -34 -30

    Мурманськ -29 -27

    Ніванкюль -38 -36

    Пулозеро -40 -35

    Пялица -28 -25

    Теріберка -23 -21

    Терско-Орловський -24 -22

    Умба -34 -29

    Юкспор -27 -24

    Рис.2. Температурний графік якісного регулювання опалювального навантаження від котельні для г.Мурманска (при розрахункових даних Т [= 150 ° С, Т2 = 70 ° С, Т = 95 ° С) Т1, Т3 і Т2 - температура

    теплоносія відповідно в трубопроводі, що подає теплової мережі, після елеватора і в зворотному трубопроводі

    Результати математичного моделювання теплового акумулятора

    Можна простежити, як змінювалася б картина теплопостачання за участю комплексу «ВЕУ + ТА», якби в початковий момент часу (1 = 0) температура води теплового акумулятора становила ТТА = 20 ° С, а потужність, що видається ВЕУ, змінювалася б згідно з графіком на рис.3, крива 1.

    Мал. 3. Динаміка зміни потужності ВЕУ (1) і графік опалювального навантаження котельні (2)

    Результати розрахунків представлені на рис.4, з якого видно, що частина графіка опалювального навантаження покривається за рахунок ВЕУ, а інша - за рахунок котельні (відповідно області білого і сірого кольору між кривими 1 і 2). Представлений малюнок наочно ілюструє позитивний ефект від застосування комплексу «ВЕУ + ТА». Він виражається в зниженні навантаження котельні та економії (витіснення) органічного палива в розмірі 30-40%.

    і

    про

    .-Г '

    а

    з?

    Н

    Січень Лютий Березень Квітень Травень Червень Липень Сер Вер жовтня Лист грудня

    Рис.4. Добові коливання температури води. У прямому трубопроводі теплової мережі (1) і в зворотному трубопроводі (2); 3 - максимальна температура води в тепловому акумуляторі, відповідна його зарядці

    З рис.3, на якому зображений графік зниження опалювального навантаження котельні (крива 2) за рахунок роботи ВЕУ (крива 1), видно, що періодично потужність ВЕУ виявляється більше потужності котельні. Тобто в окремі

    проміжки часу, коли потужність ВЕУ в надлишку, з'являється можливість для того, щоб нагріти воду теплового акумулятора, а в наступні періоди часу, коли потужність ВЕУ мала, спрацювати накопичену енергію, і тим самим забезпечити додаткову економію (витіснення)

    органічного палива на котельні.

    Неправильне використання акумулятора дозволяє накопичувати, зберігати і корисно використовувати всю енергію, що надходить від ВЕУ, виключити холості скиди надлишків вітрової енергії і згладжувати нерівномірність надходження енергії вітру.

    Зарядка теплового акумулятора

    Цікавим є розглянути зарядку теплового акумулятора, коли всі джерела енергії (котельня і ВЕУ) включені, потужність ВЕУ становить 25 кВт. На рис.5а наведені графіки залежності зростання температури води акумулятора від часу. Щоб при початковій температурі 40С нагріти воду до 95 ° С потрібно 1,5 дня при УТА = 4 м3 (рис.5а, крива 1), а вже при УТА = 14 м3 - близько 5 діб (рис.5а, крива 4).

    На ріс.5б показано, як змінювався б графік температури води теплового акумулятора об'ємом 6 м3 в разі залучення ВЕУ потужністю 5, 10, 15 і 25 кВт і початкової температурі води ТТА = 40 ° С. Природно, що ВЕУ потужністю 25 кВт здатна зарядити тепловий акумулятор швидше (крива 4).

    / = 2? г- -

    мГ 1 я 60 п А frei 40 4 Г j 4 п 60 св а rt 40 з 'v2

    ? - "1 Утл = 6 м3

    н 20 Н "і

    0 20 40 60 а Ї0 100 120 0 12 24 36 48 60 72 Час g Час

    Мал. 5. Криві зарядки теплового акумулятора:

    а - при потужності ВЕУ 25 кВт, криві 1-4 відповідають обсягу теплового акумулятора 4, 6, 10 і 14 м3; б - при потужності ВЕУ 5, 10, 15 і 25 кВт, відповідно криві 1-4

    Розрядка теплового акумулятора

    Розглянемо окремий випадок роботи теплового акумулятора в періоди затишшя, коли енергія, яка надходить від ВЕУ, дорівнює нулю (QВЕУ = 0).

    Залежно від температури зворотної води Т2, що надходить в тепловий акумулятор, можлива різна динаміка його розрядки. Основні вихідні дані залишаються ті ж, що і в попередньому випадку. Результати розрахунків наведені на

    ріс.ба. При початковій температурі води в акумуляторі ТТА = 95 С і постійній температурі води в зворотному трубопроводі Т2 = 40 ° С час на розрядку акумулятора до температури Т2 становить 2,5 доби (при обсязі акумулятора 4 м3), 3 доби (при б м3), близько 5 діб (при 10 м3) і більше 5 діб (при 14 м3).

    100 ^ 80 | -Г м 60 ге А Р а 40 г? 20 100

    ,4 «г5! II • 6 ь * 3

    % Р 80> 4 ю 60 а А & п 40 1 20

    |

    ч 5 =

    - /

    1 Г 2 1 -У "2

    20

    0 20 40 60 80 100 120 0 ^ Час 0 >0 0 0 10 1 Врем 00 1 я

    Мал. 6. Криві розрядки теплового акумулятора:

    а - при відключенні ВЕУ, криві 1-4 відповідають обсягу теплового акумулятора 4, 6, 10 і 14 м3; б - при роботі ВЕУ, криві 1-4 відповідають потужності ВЕУ 0, 5, 10 і 15 кВт

    Оцінимо зміна температури води теплового акумулятора за участю ВЕУ. На рис. бб представлено сімейство кривих, відповідно до потужностей ВЕУ

    0, 5, 10 і 15 кВт. При відсутності джерела теплової енергії Qвеу = 0 зниження

    температури води в акумуляторі матиме більш чітко виражений регресний характер (ріс.бб, крива 1). З графіка видно, що приблизно через 4 доби температура води в акумуляторі опуститься до значення Т2 = 40 ° С.

    висновки

    1. Запропоновано варіант системи теплопостачання, що є спільною роботою котельні з вітроенергетичної установкою і тепловим акумулятором. Таке поєднання традиційного і поновлюваного джерела енергії направлено на підвищення надійності і економічності системи теплопостачання.

    2. Застосування теплового акумулятора може забезпечити більш повне використання надлишків вітрової енергії в випадках, коли потужність ВЕУ перевищує навантаження.

    3. Отримана математична модель водяного акумулятора тепла, що працює в комплексі з вітроенергетичної установкою, що дозволяє проводити обчислювальний експеримент і моделювати процеси зарядки, розрядки і зберігання теплової енергії.

    4. Використання представленої моделі теплового акумулятора дозволило встановити, що застосування комплексу «ВЕУ + ТА» забезпечує зниження навантаження котельні і забезпечує економію (витіснення) органічного палива в розмірі 30-40%.

    література

    1. Мінін В.А., Бежан А.В. Теплопостачання будівель за участю вітроенергетичних установок // Енергозбереження та водопідготовка. - 2009. - № 2. - С. 17-21.

    2. Дворецький С.І., Єгоров А.Ф., Дворецький Д.С. Комп'ютерне моделювання та оптимізація технологічних процесів і обладнання: Учеб. посібник. -Тамбов: Изд-во Тамбо. держ. техн. ун-ту. 2003. - 224 с.

    3. СНиП 41-01-2003 Опалення, вентиляція і кондиціювання. - М .: ГУП ЦПП Держбуду Росії, 2004. - 64 с.

    4. Зубарєв В.В., Мінін В.А., Степанов І.Р. Використання енергії вітру в районах Півночі. - Л .: Наука. 1989. - 208с.

    5. СНиП 23-01-99 * Будівельна кліматологія. - М .: ФГУП ЦПП, 2006. - 70 с.

    Відомості про авторів

    Бежан Олексій Володимирович

    молодший науковий співробітник лабораторії нетрадиційних і відновлюваних

    джерел енергії Центру фізико-технічних проблем енергетики Півночі КНЦ РАН,

    Росія, 184209, Мурманська область, м Апатити, мкр. Академмістечко, д. 21А

    ел.пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Мінін Валерій Андрійович

    завідувач лабораторією нетрадиційних і поновлюваних джерел енергії Центру фізико-технічних проблем енергетики Півночі КНЦ РАН, к.т.н..

    Росія, 184209, Мурманська область, м Апатити, мкр. Академмістечко, д. 21А Ел.пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    УДК 621.548.001.5 (470.21)

    В.А.Мінін ПЕРСПЕКТИВИ ВИКОРИСТАННЯ ЕНЕРГІЇ ВІТРУ ДЛЯ ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ Рудник ЦЕНТРАЛЬНИЙ ВАТ «АПАТИТ»

    анотація

    Розглянуто питання про застосування вітроенергетичних установок (ВЕУ) для економії палива на котельні рудника Центральний, розташованого на плато Расвумчорр на висоті близько 1000 м над рівнем моря. Дан аналіз потенціалу вітрової енергії в районі рудника і передумов її використання на потреби теплопостачання. Розв'язана задача по визначенню оптимальної потужності вітропарку. Представлені пропозиції по розміщенню вітроенергетичних установок на місцевості. Наведено результати техніко-економічної оцінки можливої ​​спільної роботи вітропарку і котельні.

    Ключові слова:

    котельня, теплопостачання рудника, вітропарк


    Ключові слова: Вітроенергетичні установки /ТЕПЛОВОЇ АКУМУЛЯТОР /СИСТЕМА ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ /WIND TURBINE /HEAT STORAGE /HEATING SYSTEM

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити