Выбор граничных условий для моделирования температурного поля грунта
Методика определения зависимости, позволяющей прогнозировать температуру грунта в течение года. Учет динамики теплового потока от солнечной радиации и изменения температуры воздуха. Получение зависимостей, характеризующих теплообмен на поверхности грунта.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 30.05.2017 |
| Размер файла | 90,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Выбор граничных условий для моделирования температурного поля грунта
Н.Н. Руденко, И.В. Бондарев
В настоящее время массово выпускаются тепловые насосы (ТН) для обогрева помещений. Ведутся разработки по повышению эффективности ТН [1]. В качестве источника низкопотенциального тепла многими фирмами рекомендуется использовать грунт [2]. Глубина промерзания грунта в южных регионах не достигает даже одного метра, т.е. поверхностный слой имеет положительные температуры весь отопительный период года.
В сравнении с воздухом грунт имеет явные преимущества. Температура грунта на небольшой глубине имеет положительные температуры, в отличии от низких температур воздуха, которые могут достигать -20 оС и ниже. Несомненным достоинством является и более высокая теплоемкость и плотность грунта, в одинаковом объеме в грунте содержится теплоты на несколько порядков больше, нежели в воздухе.
Однако, оценка эффективности грунтовых теплобменников невозможна без моделирования изменения температур в поверхностных слоях. Изучение этих вопросов уделялось при проектировании подземных трубопроводов и теплотрасс. Результаты этих исследований послужили основой для разработки нормативов, в частности для крупных населенных пунктов в [3] представлены изменение температуры грунта на глубине 1,6 м.
Однако, коллекторы тепловых насосов закладываются на разных глубинах. Вопросам моделирования температур в поверхностных слоях посвящено несколько работ [4, 5]. Наибольший интерес представляет работа [6], в которой представлена зависимость, позволяющая прогнозировать температуру грунта в течение года:
(1)
Представленная зависимость использует размерности традиционные для Северной Америки, что затрудняет ее применение. Кидрук М.И. выполнил ее преобразование, для представления исходных данных в системе СИ [7 ].
Даже предварительный анализ полученных зависимостей может выявить ряд проблем по ее использованию. Остается открытым вопрос о выборе исходных данных, в частности непонятным является принятие годовой амплитуды колебания температуры As. Очевидным, что данное значение относится к колебаниям температуры поверхности почвы. Определение этого значение связано с некоторыми проблемами, поэтому некоторые авторы [7] приравнивают температуру поверхности к температуре окружающего воздуха. Если принять максимальные и минимальные значения температуры наружного воздуха, то результаты расчета становятся неадекватными. В частности в работе Кидрука М.И. представлены расчеты для г. Киев. Минимальной температурой принято значение -19 оС, а максимальной +33 оС. В этом случае результаты вычислений дают зону промерзания более трех метров, что не соответствует многолетним наблюдениям в этой местности.
По всей видимости, в данном случае нельзя выполнять такие упрощения. Определить эту величину возможно только при рассмотрении поступления теплоты, как от воздуха, так и от солнечной радиации, т.е. необходимо рассмотреть граничные условия третьего рода.
Температура поверхности почвы может быть определена по следующей зависимости [8]:
температура грунт теплообмен
где - коэффициент теплоотдачи от грунта к воздуху,
?x - толщина поверхностного слоя,
ф2,z - температура грунта ниже поверхностного слоя в предыдущий расчётный интервал времени.
Однако, решение этого уравнения усложняется необходимостью учета динамики как теплового потока от солнечной радиации Qс.р., так и годовому изменению температуры воздуха tв.
Температура воздуха в течение года изменяется в широких пределах, причем стояние экстремальных значений температур носит непродолжительный характер, поэтому аппроксимация этой зависимости виде гармонической функции неизбежно приведет к значительным искажениям действительности. Для подтверждения этого утверждения произведем анализ стояния температур в г. Ростове-на-Дону. В соответствии климатологией [9] стояние температур может быть выражено в виде следующего графика, изображенного на рис. 1.
Рис. 1. Изменение температур в Ростове-на-Дону за год.
Стояние температур хорошо аппроксимируется полиномом четвертого порядка.
Поступление солнечной радиации на горизонтальную поверхность достаточно хорошо изучено и может быть определено для любых широт. В СНиПе «Строительная климатология» представлены данные поступления теплоты для всех месяцев года. Несложно сделать преобразования и с учетом допущения, что средние значения соответствуют середине месяца, определить тепловой поток на поверхность грунта. На рис. 2 представлена кривая солнечной радиации по данным [9] и аппроксимация в виде гармонической функции, которая имеет минимальные отклонения от экспериментальных значений.
Рис. 2. Солнечная радиация на горизонтальную поверхность в г. Ростове н/Д
Аппроксимация выполнена функцией
q=210-130cos(2рD/365), Вт/м2,
где D - порядковый день в году.
Полученные зависимости, характеризующие теплообмен на поверхности грунта, позволяют разработать математическую модель распределения температур адекватную многолетним наблюдениям.
Литература
1. Мазурова О.К., Чебанова Т.О. К оценке эффективности переохлаждения для ряда хладагентов в теплонасосном цикле // Интернет-журнал "Науковедение", № 3, 2013,
2. Kavanaugh P.K. and Rafferty K. Ground-source Heat Pumps -- Design of Geothermal Systems for Commercial and Institutional Buildings // Publishing of American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers, Inc., Atlanta, GA, USA. -- 1997. -- 223 p.
3. Справочник по климату СССР (Л. : Гидрометиоиздат. Вып. 1-34).
4. Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли: Монография. Издательский дом «Граница». - М.: Красная звезда, 2006. 263 с.
5. Федянин В.Я., Карпов М.К. Использование грунтовых теплообменников в системах теплоснабжения. ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК, № 4, 2006, стр. 98-103.
6. RETScreen®International. Ground-source Heat Pump Project Analysis: Chapter // RETScreen®Engineering & Cases Textbook. - Ministry of Natural Sources of Canada, 2005. - 70 p.
7. Кидрук М.И. Моделирование работы грунтового коллектора теплового насоса.
8. Руденко Н.Н., Фурсова И.Н. Моделирование температурного поля в грунте. // «Инженерный вестник Дона», 2013, № 2 (часть 1).
9. СНиП 23-01-99 Строительная климатология.
10. Фурсова И.Н., Терезников Ю.А. Исследование влияния температуры внутреннего воздуха на распределение температуры поверхности тёплого пола // «Инженерный вестник Дона», 2013, № 2 (часть 2).
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Основной закон конвективного теплообмена. Уравнение Ньютона-Рихмана. Коэффициент теплоотдачи. Критерий Нуссельта. Уравнение Фурье-Кирхгофа. Получение критериев подобия. Характеристика температурного поля и гидродинамические характеристики потока.
презентация [209,4 K], добавлен 24.06.2014Общее понятие прямой и рассеянной солнечной радиации и факторы, влияющие на их величину. Значения отношений потоков прямой солнечной радиации на наклонную и горизонтальную поверхности. Способы определения альбедо (отражательной способности поверхности).
реферат [111,5 K], добавлен 05.04.2016Выбор температуры уходящих газов и коэффициента избытка воздуха. Расчет объемов воздуха и продуктов сгорания, а также энтальпии воздуха. Тепловой баланс теплового котла. Расчет теплообменов в топке, в газоходе парового котла. Тепловой расчет экономайзера.
курсовая работа [242,4 K], добавлен 21.10.2014Рассмотрение экспериментальных зависимостей температуры горячего потока от входных параметров. Расчет показателей расхода хладагента и горячего потока и их входной температуры. Определение толщины отложений на внутренней поверхности теплообменника.
лабораторная работа [52,4 K], добавлен 13.06.2019Определение расчетных поверхностей теплообмена и перепадов температур. Расчет суммарного потока теплоты через поверхность бака трансформатора. Определение зависимости изменения температуры воздуха и масла от коэффициента загрузки трансформатора.
курсовая работа [733,9 K], добавлен 19.05.2014Законы распределения плотности тепловыделения. Расчет температурного поля и количества импульсов, излучаемых дуговым плазматроном, необходимого для достижения температуры плавления на поверхности неограниченного тела с учетом охлаждения материала.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 05.03.2015Конвективный теплообмен при вынужденном продольном обтекании плоской поверхности. Теплообмен излучением между газом и твердой поверхностью. Процессы прогрева или охлаждения тел. Процесс нестационарной теплопроводности. Толщина теплового пограничного слоя.
реферат [964,3 K], добавлен 26.11.2012Определение теплопродукции и радиационно-конвективной теплопотери. Расчет теплового потока со всей поверхности тела человека. Топография плотности теплового потока при ходьбе человека в состоянии комфорта. Затраты тепла на нагревание вдыхаемого воздуха.
презентация [350,7 K], добавлен 31.10.2013Механизм процесса теплоотдачи при кипении воды. Зависимость теплового потока от температурного напора (кривая кипения). Описание устройства измерительного участка. Измерение теплового потока и температурного напора. Источники погрешностей эксперимента.
лабораторная работа [163,2 K], добавлен 01.12.2011Определение расчетных параметров наружного и внутреннего воздуха для теплого и холодного периодов. Теплопоступления от искусственного освещения и солнечной радиации. Выбор схемы распределения воздуха в кондиционируемом помещении, подбор калориферов.
курсовая работа [155,4 K], добавлен 19.12.2010Краткая характеристика турбоустановки. Схема движения теплообменивающихся сред. График изменения температур в теплообменнике. Графоаналитическое определение плотности теплового потока в зависимости от температурного напора. Расчет охладителя пара.
курсовая работа [181,6 K], добавлен 28.06.2011Определение возможностей Солнца. Расчет интенсивности солнечной радиации методом коэффициентов. Расчет интенсивности солнечной радиации аналитически. Расчёт потребностей в электроэнергии. Интенсивность падающей солнечной радиации для разных углов наклона.
контрольная работа [212,8 K], добавлен 26.11.2014Определение линейного теплового потока методом последовательных приближений. Определение температуры стенки со стороны воды и температуры между слоями. График изменения температуры при теплопередаче. Число Рейнольдса и Нусельта для газов и воды.
контрольная работа [397,9 K], добавлен 18.03.2013Определение температурного напора при термических процессах и расчет его среднелогарифмического значения. Исследование эффективности оребрения поверхности плоской стенки в зависимости от коэффициента теплопроводности при граничных условиях третьего рода.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 07.03.2010Расчет теплопоступлений от станков, от людей, от солнечной радиации для теплого и холодного периодов года, от искусственного освещения. Тепловые потери через стены и окна в теплый и в холодный периоды года. Построение процессов кондиционирования воздуха.
контрольная работа [116,3 K], добавлен 19.12.2010Контактный и пирометрический методы измерения теплового поля тонких полосковых проводников. Экспериментальное измерение температурного поля и коэффициента теплоотдачи полосковых проводников пирометрическим методом с помощью ИК-термографа SAT-S160.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 22.09.2014Происхождение и общая структура геомагнитного поля. Воздействие потока солнечной плазмы на магнитосферу Земли. Влияние резкого изменения внешнего магнитного поля при магнитной буре или активной геомагнитной зоне на самочувствие и здоровье человека.
реферат [718,1 K], добавлен 04.08.2014Цели, принципы и формула теплообмена. Влияние на него потока и температуры. Схема теплового баланса. Определение разницы температур между холодной и теплой средами. Организация противопотока. Различные типы распределителей и ребер теплообменника.
презентация [2,9 M], добавлен 28.10.2013Размещение инженерных подземных сетей. Подсчет объемов земляных работ. Устройство приямков для монтажа канализации. Присыпка, подбивка и засыпка труб грунтом. Составление технологической схемы потока. Расчет отвала грунта. Комплектование состава отряда.
курсовая работа [425,7 K], добавлен 07.11.2014Приход солнечной радиации на земную поверхность. Пример вычисления суммарной радиации на горизонтальную поверхность, поглощенной и отраженной солнечной радиации по данным значениям альбедо. Вычисление амплитуды колебаний почвы на разных глубинах.
курсовая работа [111,5 K], добавлен 12.05.2015
