МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕНОСА ПРИ РАБОТЕ ТЕПЛОНАСОСНЫХ СИСТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ

Abstract

Актуальность. Использование теплонасосных установок для отопления вместо традиционных систем, которые получают энергию в процессе сжигания различных видов топлива, имеет ряд экологических и экономических преимуществ. Тепловые насосы могут получать энергию из воздуха, грунта и воды. Их сферы применения разнообразны: горячее водоснабжение и кондиционирование помещений, нагрев и охлаждение воды для различных нужд, сушки/осушения воздуха, производства пара, испарения, дистилляции. При применении природных водоёмов (озёра, пруды, водохранилища) в качестве низкопотенциального источника энергии теплонасосных установок на поверхности трубки испарителя образуется лёд. Важно рассматривать закономерности и характеристики процессов теплообмена между водой и трубкой испарителя при образовании льда на её поверхности. Цель: математическое моделирование нестационарного конвективного теплообмена между водой и трубками испарителя теплонасосных установок в условиях формирования льда на их поверхности. Объект: теплообменник испарителя теплового насоса, погружённый в воду. Методы: численное решение задач конвективного теплообмена в условиях фазового перехода воды методом конечных элементов в среде COMSOL. Результаты. Установлены закономерности нестационарного конвективного теплопереноса вблизи трубок испарителя водяного теплового насоса с температурой, при которой образуется лёд на их поверхности. Показана необходимость учета влияния термогравитационной конвекции в воде на тепловой поток и процесс образования льда на поверхности трубки испарителя теплонасосной установки. Получены зависимости числа Нуссельта от характеристики конвективного теплообмена в воде (чисел Рэлея, Фурье и Стефана). Выявлено, что перепад температур в воде вблизи трубки увеличивался при уменьшении глубины её расположения относительно поверхности водного источника при показателях температур воды выше 277 К. При температурах воды ниже 277 К тепловой поток достигал максимального значения у поверхности трубки, которая находилась глубже.