<div>
	Восстановление нестационарного теплового потока от аккумулятора тепловой энергии путем решения обратной задачи теплопроводности</div>

Пилипенко Николай Васильевич, Колодийчук Павел Андреевич, Захарова Виктория Юрьевна
, Файзуллин Рафаэль Олегович

doi:10.17586/2226-1494-2024-24-3-505-512

2024 , ТОМ 24, НОМЕР 3 ( май-июнь )

ISSN 2226-1494 (print), ISSN 2500-0373 (online)

Меню

Публикации

Главный редактор

НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор

Партнеры

doi: 10.17586/2226-1494-2024-24-3-505-512

УДК 536.6

Восстановление нестационарного теплового потока от аккумулятора тепловой энергии путем решения обратной задачи теплопроводности

Пилипенко Н.В., Колодийчук П.А., Захарова В.Ю., Файзуллин Р.О.

Читать статью полностью

Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:

Пилипенко Н.В., Колодийчук П.А., Захарова В.Ю., Файзуллин Р.О. Восстановление нестационарного теплового потока от аккумулятора тепловой энергии путем решения обратной задачи теплопроводности // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2024. Т. 24, № 3. С. 505–512. doi: 10.17586/2226-1494-2024-24-3-505-512

Аннотация

Введение. Рассмотрена задача восстановления нестационарного теплового потока от хладоносителя к теплоаккумулирующему веществу отдельного элемента теплового аккумулятора. Решение задачи позволяет избежать ошибок, связанных с усреднением теплового потока по всем аккумуляторным элементам, и предоставляет возможность находить оптимальные размеры и состав наполнителя для каждого элемента аккумулятора. Задача особенно актуальна для каскадных аккумуляторов, где одновременно применяются элементы с различными наполнителями. Метод. Проведено сравнение двух методов решения задачи. Первый метод основан на численном моделировании процесса разрядки аккумулятора тепловой энергии с использованием программного пакета Computational Fluid Dynamics. Второй метод, представленный в настоящей работе, основан на параметрической идентификации дифференциально-разностной модели переноса тепла с решением обратной задачи теплопроводности совместно со сквозным счетом. Предлагаемый метод позволяет сглаживать скачкообразно изменяющиеся теплофизические характеристики и учитывать подвижную границу раздела фаз вещества. Основные результаты. Метод решения обратной задачи теплопроводности дает возможность существенно уменьшить время восстановления нестационарных граничных условий теплообмена для всего аккумулятора. В результате снижаются требования к вычислительным ресурсам при проектировании и оптимизации аккумулятора за счет облегчения экспериментального перебора. Впервые рассмотрено и предложено применение метода параметрической идентификации и сквозного счета при решении задачи Стефана. Обсуждение. Полученные результаты могут быть использованы для вычисления теплового потока от отдельного элемента аккумулятора тепловой энергии.

Ключевые слова: аккумулирование тепловой энергии, математическое моделирование, восстановление теплового потока, обратная задача теплопроводности, нелинейный фильтр Калмана

Благодарности. Исследование выполнено при поддержке Университета ИТМО в рамках проекта «Повышение эффективности энергетических систем путем использования аккумуляторов тепловой энергии» (№ 620150).

Список литературы

Sorrell S. Reducing energy demand: A review of issues, challenges and approaches // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. V. 47. P. 74–82. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.03.002
Rahman A., Farrok O., Haque M.M. Environmental impact of renewable energy source based electrical power plants: Solar, wind, hydroelectric, biomass, geothermal, tidal, ocean, and osmotic // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2022. V. 161. P. 112279. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112279
Cirocco L., Pudney P., Riahi S., Liddle R., Semsarilar H., Hudson J., Bruno F. Thermal energy storage for industrial thermal loads and electricity demand side management // Energy Conversion and Management. 2022. V. 270. P. 116190. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.116190
Vakilaltojjar S.M., Saman W. Analysis and modelling of a phase change storage system for air conditioning applications // Applied Thermal Engineering. 2001. V. 21. N 3. P. 249–263. https://doi.org/10.1016/S1359-4311(00)00037-5
DNV GL. Energy Transition Outlook 2020 (A global and regional forecast to 2050). DNV GLAS Publications, 2020. P. 44–46.
Nada S., Alshaer W., Saleh R. Experimental investigation of PCM transient performance in free cooling of the fresh air of air conditioning systems // Journal of Building Engineering. 2020. V. 29. P. 101153. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2019.101153
Jin X., Wu F., Xu T., Huang G., Wu H., Zhou X., Wang D., Liu Y., Lai A.C. Experimental investigation of the novel melting point modified Phase–Change material for heat pump latent heat thermal energy storage application // Energy. 2021. V. 216. P. 119191. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.119191
Kasibhatla R.R., Brüggemann D. Coupled conjugate heat transfer model for melting of PCM in cylindrical capsules // Applied Thermal Engineering. 2021. V. 184. P. 116301. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.116301
Arkar C., Medved S. Influence of accuracy of thermal property data of a phase change material on the result of a numerical model of a packed bed latent heat storage with spheres // Thermochimica Acta. 2005. V. 438. N 1–2. P. 192–201. https://doi.org/10.1016/j.tca.2005.08.032
Cho K., Choi S.H. Thermal characteristics of paraffin in a spherical capsule during freezing and melting processes // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2000. V. 43. N 17. P. 3183–3196. https://doi.org/10.1016/S0017-9310(99)00329-4
Benmansour A., Hamdan M.A., Bengeuddach A. Experimental and numerical investigation of solid particles thermal energy storage unit // Applied Thermal Engineering. 2006. V. 26. N 5–6. P. 513–518. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2005.07.014
Bédécarrats J.P., Strub F., Falcon B., Dumas J.P. Phase–change thermal energy storage using spherical capsules: performance of a test plant // International Journal of Refrigeration. 1996. V. 19. N 3. P. 187–196. https://doi.org/10.1016/0140-7007(95)00080-1
Захарова В.Ю., Файзуллин Р.О., Бараненко А.В., Кузнецов П.А. Методика расчета аккумуляторов холода с веществами с фазовым переходом // Вестник Международной академии холода. 2021. № 2(79). С. 13–20. https://doi.org/10.17586/1606-4313-2021-20-2-13-20
Mao Q., Cao W. Effect of variable capsule size on energy storage performances in a high-temperature three-layered packed bed system // Energy. 2023. V. 273. P. 127166. https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.127166
Gao L., Dong L., Liu Z., Gegentana, Che D., Sun B. Thermal performance analysis and multi-objective optimization of thermal energy storage unit with cascaded packed bed in a solar heating system // Applied Thermal Engineering. 2023. V. 219. P. 119416. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.119416
Батурин О.В., Морозов И.И., Рабкесов И.В. Изучение гидрогазодинамических течений с помощью универсального программного комплекса Fluent: учебное пособие. Самара: СГАУ, 2007. 128 с.
Павловский В.А., Никущенко Д.В. Вычислительная гидродинамика. Теоретические основы: учебное пособие. СПб.: Издательство «Лань», 2018. 368 с.
Деменок С.Л., Медведев В.В., Сивуха С.М. Гидродинамика и теплообмен в шаровых укладках: монография. СПб.: Страта, 2012. 192 с.
Кузнецов П.А. Повышение эффективности систем кондиционирования воздуха на основе аккумулирования низкотемпературной энергии: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб.: Университет ИТМО, 2021 [Электронный ресурс]. URL: https://dissovet.itmo.ru/dissertation/?number=461692, свободный. Яз. рус. (дата обращения: 17.02.2024).
Захарова В.Ю., Файзуллин Р.О., Бараненко А.В., Калимжанов Д. Численные и экспериментальные исследования фазовых переходов муравьиной кислоты как теплоаккумулирующего вещества // X Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 27-29 октября 2021 г.): материалы конференции. 2021. С. 176–181.
Patanka S. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. Washington, DC: CRC Press, 1980. 214 p. https://doi.org/10.1201/9781482234213
Priyanshu G., Dutta A., Verma V., Thangamani I. Enthalpy porosity method for CFD simulation of natural convection phenomenon for phase change problems in the molten pool and its importance during melting of solids // Proc. of the COMSOL Conference in Bangalore, 2013.
Пилипенко Н.В. Неопределенность восстановления нестационарного теплового потока путем параметрической идентификации дифференциально-разностных моделей теплопереноса // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2017. Т. 60. № 7. С. 664–671. https://doi.org/10.17586/0021-3454-2017-60-7-664-671
Самарский А.А., Моисеенко Б.Д. Экономичная схема сквозного счета для многомерной задачи Стефана // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1965. Т. 5. № 5. С. 816–827.
Пилипенко Н.В., Заричняк Ю.П., Иванов В.А., Халявин А.М. Параметрическая идентификация дифференциально-разностных моделей теплопереноса в одномерных телах на основе алгоритмов фильтра Калмана // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2020. Т. 20. № 4. С. 584–588. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2020-20-4-584-588
Кириллов К.В., Пилипенко Н.В. Алгоритмы программ для решения прямых и обратных задач теплопроводности при использовании дифференциально-разностных моделей // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2010. № 5(69). С. 106–109.
Пилипенко Н.В., Колодийчук П.А., Заричняк Ю.П. Дифференциально-разностная модель теплопереноса в твердых телах с использованием метода параметрической идентификации // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2022. Т. 22. № 6. С. 1237–1240. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2022-22-6-1237-1240
Курбатова Г.И. О расчете оледенения поверхностей в морской воде // Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2018. Т. 14. № 3. С. 186–199. https://doi.org/10.21638/11702/spbu10.2018.301
Дружинин П.В., Коричев А.А., Косенков И.А., Юрчик Е.Ю. Математическая модель процесса разрядки теплового аккумулятора фазового перехода // Технико-технологические проблемы сервиса. 2009. № 4(10). С. 17–22.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License