Инсолар

тел: +7(499) 144-06-67
факс: +7(499)144-01-75
E-mail: com@insolar.ru

English version   Русская версия

"Математическая модель пространственного нестационарного теплового режима систем сбора низкопотенциального тепла грунта поверхностных слоев земли"


Васильев Г.П.,
Научный руководитель группы инновационных компаний "ИНСОЛАР",
д.т.н.

Особенности теплового режима систем сбора низкопотенциального тепла грунта как объекта моделирования

В эксплуатационный период массив грунта, находящийся в пределах зоны теплового влияния регистра труб грунтового теплообменника, вследствие сезонного изменения параметров наружного климата, а также под воздействием эксплуатационных нагрузок на систему теплосбора, как правило, подвергается многократному замораживанию и оттаиванию. При этом, естественно, происходит изменение агрегатного состояния влаги, заключенной в порах грунта и находящейся в, общем случае, как в жидкой, так и в твердой и газообразной фазах одновременно.

Таким образом, грунтовый массив системы теплосбора независимо от того, в каком состоянии он находится (в мерзлом или талом), представляет собой сложную трехфазную полидисперсную гетерогенную систему, скелет которой образован огромным количеством твердых частиц разнообразной формы и величины и может быть как жестким, так и подвижным, в зависимости от того, прочно ли связаны между собой частицы, или же они отделены друг от друга веществом в подвижной фазе. Промежутки между твердыми частицами могут быть заполнены минерализованной влагой, газом, паром и льдом, или тем и другим одновременно. Иначе говоря, среда, заполняющая поровое пространство твердого скелета, может находиться в различных агрегатных состояниях.

Моделирование процессов тепломассопереноса, формирующих тепловой режим такой многокомпонентной системы, представляет собой чрезвычайно сложную задачу, поскольку требует учета и математического описания разнообразных механизмов их осуществления: теплопроводности в отдельной частице, теплопередачи от одной частицы к другой при их контакте, молекулярной теплопроводности в среде, заполняющей промежутки между частицами, конвекции пара и влаги, содержащихся в поровом пространстве, и многих других.

Среди факторов, существенно влияющих на формирование теплового режима систем теплосбора и обуславливающих его особенности как объекта моделирования, следует особо выделить тепловое воздействие регистра труб грунтового теплообменника, вызываемое эксплуатационными нагрузками на систему теплосбора. В процессе эксплуатации системы теплосбора отбор тепла из грунтового массива может вызвать значительные изменения хода его температур в годовом цикле по сравнению с аналогичным массивом ненарушенного грунта в естественном состоянии и приводит, как правило, к сложной конфигурации изотермических поверхностей в грунте. Этот момент осложняется еще и тем обстоятельством, что градиенты температуры в толще массива, хотя и невелики, но соизмеримы во всех направлениях, что, в свою очередь, заставляет отказаться от использования линейных или плоских моделей теплового режима и приводит к необходимости построения сложной пространственной математической модели, учитывающей процессы распространения по всем трем координатным осям.

К характерным особенностям теплового режима систем теплосбора как объекта моделирования также следует отнести и так называемую «информативную неопределенность» математических моделей, описывающих подобные процессы, или, иначе говоря, отсутствие достоверной информации о воздействиях на систему окружающей среды (атмосферы и массива грунта, находящихся вне зоны теплового влияния грунтового теплообменника системы теплосбора) и чрезвычайную сложность их аппроксимации....

Таким образом, описанные характерные особенности теплового режима систем теплосбора значительно усложняют задачу построения его математических моделей. В связи с этим, с целью достижения возможности построения математических моделей систем теплосбора, адекватных реальным физическим процессам, был разработан метод математического моделирования теплового режима этих систем, позволяющий в определенной мере преодолеть трудности на пути создания корректных моделей их теплового режима.

Метод математического моделирования теплового режима систем сбора низкопотенциального тепла грунта

В основе предлагаемого метода лежат два основных допущения:

  • Грунтовый массив системы теплосбора рассматривается как квазиоднородное тело, к которому применимо обычное уравнение теплопроводности, с той лишь разницей, что характеристики тепломассопереноса являются «эффективными», что позволяет частично учесть в модели процессы массообмена.
  • Тепловое воздействие регистра труб грунтового теплообменника на температурный режим грунтового массива системы теплосбора аппроксимируется введением в схему модели линейных стоков (источников) тепла бесконечно малого диаметра, размещаемых в местах расположения труб. Это допущение представляется правомерным, поскольку диаметр труб грунтового теплообменника значительно меньше глубины их заложения, вследствие чего градиентом температуры в стенках труб можно пренебречь.

Суть метода состоит в следующем: ....

загрузить полную версию статьи в формате PDF

Все права защищены и охраняются законом. © Группа компаний "ИНСОЛАР" 2002-2017, Москва
Подробнее о соблюдении авторских прав