Динамическая модель накопителя тепловой энергии РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Объединенный институт высоких температур РАН Иванин О.А. Научный руководитель д.т.н. Директор Л.Б.

Проблемы энергетических комплексов малой энергетики, решаемые при установке бака-аккумулятора тепла (БА): Неравномерные графики нагрузок потребителей. Жесткая связь между выработкой тепловой и электрической энергии когенерационными установками. Зависимость мощности установок, использующих энергию ветра и солнца, от внешних условий. Для выбора оптимальной структуры энергетического комплекса и реализации интеллектуальной системы управления необходима информация о динамических характеристиках элементов энергокомплекса. Т.е. необходима динамическая математическая модель и соответствующая программа расчета динамики объекта с минимально возможным временем счета. Постановка задачи

Этапы решения задачи Разработка двумерной модели БА Экспериментальная верификация двумерной модели Разработка одномерной зонной модели БА Верификация зонной модели с помощью двумерной модели Разработка рекомендаций по применению зонной модели

Двумерная модель БА ТТурбулентное течение несжимаемой вязкой жидкости в поле силы тяжести описывается уравнениями Навье-Стокса в цилиндрической системе координат с симметрией по углу: Ууравнение неразрывности: Ууравнения движения: Ууравнение энергии:

Одномерная зонная модель БА Объем бака разбивается по высоте на n зон, в каждой из которых перемешивание жидкости считается мгновенным. Каждая зона характеризуется средней температурой Т i, где i – порядковый номер зоны. Число зон отражает интенсивность перемешивания. Тепловой баланс i-той зоны: Потери через изоляцию: Изменение температуры в i-той зоне:

Сравнение моделей Двумерная модель: Все величины, входящие в уравнения модели, однозначно определяются характеристиками аккумулятора и свойствами жидкости. Модель вполне адекватно описывает физические процессы, происходящие в баке во время зарядки и разрядки. Модель сложна в реализации. Большое время счета. Зонная модель: Включает параметр n – число зон разбиения, который должен определяться индивидуально для каждого режима. Модель описывает процессы зарядки/разрядки в упрощенной форме. Модель проста в реализации. Малое время счета.

Стендовая модель автономного энергетического комплекса (ОИВТ РАН) АГ-200 кВт (ЯМЗ-240) АГ1-315 кВт (ЯМЗ-8401) Общий вид испытательного стендаТехнологическая схема стенда Основные технические характеристики стенда: Суммарная электрическая мощность ГПУ: 500 кВт. Суммарная тепловая мощность ГПУ: 650 кВт. Максимальный расход теплоносителя в контуре: 15 т/ч. Емкость установленного бака-аккумулятора: 1 м³. Реализована синхронизация с внешней электрической сетью.

Сравнение результатов расчетов по двумерной модели с результатами экспериментов Зарядка Разрядка Расход воды G = 10 т/ч. Эксперимент проводился на вертикальном осесимметричном баке CAS Точки - эксперимент, кривые - расчет

Зарядка Разрядка Расход воды G = 4 т/ч. Сравнение результатов расчетов по двумерной модели с результатами экспериментов

Верификация зонной модели Зарядка Разрядка Сравнение результатов расчетов по двумерной (сплошные кривые ) и зонной (пунктирные кривые) моделям. Расход сетевой воды: 1 – 10 т/ч, 2 – 7 т/ч, 3 – 5 т/ч, 4 – 3 т/ч. Кривые свидетельствуют о том, что зонная модель вполне удовлетворительно описывает процесс зарядки при n=1 и процесс разрядки при n=150. n=1n=150

Выводы и рекомендации Зонная модель с использованием рекомендуемых значений n применима при условии геометрического подобия бака-аккумулятора баку, для которого производился расчет (выполняется для большинства вертикальных БА), и использовании воды в качестве теплоносителя. В случае, если условия геометрического подобия и соответствия теплоносителя не выполняются, можно произвести расчет температурных кривых по двумерной модели, а затем подобрать число зон разбиения, при котором будет обеспечена требуемая точность расчета по зонной модели. Разработанная зонная модель может быть использована при построении математических моделей и алгоритмов оптимизации автономных энергетических комплексов малой энергетики и в интеллектуальных системах управления подобными комплексами. Иванин Олег Александрович

Спасибо за внимание!