КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 19-79-00308
НазваниеИсследование использования материалов с фазовыми переходами в строительных конструкциях для повышения их тепловой эффективности
РуководительБондарева Надежда Сергеевна, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет", Томская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2019 - 06.2021 |
Конкурс№40 - Конкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-201 - Процессы тепло- и массообмена
Ключевые словаплавление, тепловое сопротивление, естественная конвекция, скрытая энергия плавления, методы конечных разностей
Код ГРНТИ30.17.00
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Развитие технических систем, сетей городских застроек и транспорта приводит к стремительному росту потребления энергии, тепловым загрязнениям и выбросам. Большое количество энергии постоянно тратится на поддержание климата в жилых помещениях и технических строениях. В условиях жаркого климата непрерывно работают кондиционеры и вентиляторы, в холодных регионах большое количество энергии уходит на отопление. В связи с этим в последнее время стремительно развиваются пассивные системы кондиционирования и накопления солнечной энергии в строительных конструкциях. Одним из направлений развития является преобразование тепла и солнечного излучения в скрытую энергию фазовых переходов с использованием таких материалов, как парафины или жирные кислоты. Эти материалы обладают подходящими температурами фазовых переходов из твердого состояния в жидкое, высокой скрытой энергией плавления и при этом химически стабильны . Поглощение и выделение энергии происходит практически при постоянной температуре, что позволяет снижать температурные колебания в системе. Накапливание энергии происходит при превышении температуры плавления и препятствует перегреву конструкции, при дальнейшем снижении внешней температуры начинается процесс кристаллизации с высвобождением скрытой энергии.
Предлагаемый проект направлен на решение ряда задач тепломассопереноса в системах на основе материалов с фазовыми переходами «твердое тело – жидкость», в качестве которых будут рассматриваться нормальные парафины. Парафины имеют высокую скрытую энергию плавления и низкую теплопроводность, не уступающую газобетону и кирпичу (газобетон λ = 0,18 - 0,28 Вт/м∙К, для кирпича λ = 0,56 - 0,95 Вт/м∙К). В данном проекте будут проанализировано влияние геометрических параметров конструкции, объемной доли парафина внутри строительных блоков (на примере внешних стен) на тепломассоперенос при суточных колебаниях и различных годовых значениях внешней температуры и интенсивности солнечного излучения. Будет изучено влияние теплофизических свойств выбранных материалов, в том числе влияние точки плавления на эффективность их использования в различных климатических условиях.
Выбранная тема исследований на данный момент интенсивно развивается за рубежом. Исследования проводятся в условиях климата разных стран, таких как Япония, Китай, США, Индия, Франция и др. и в основном носят экспериментальный характер. Исследование теплопереноса в материалах с изменяемым фазовым состоянием осложнено наличием движущейся границы фазового перехода, которую не всегда можно определить экспериментальным путем. Следует отметить, что физические эксперименты, связанные с фазовыми превращениями с учетом конвективного теплопереноса, являются дорогостоящим и трудоемким методом исследований, а результаты не всегда дают достаточно четкую термодинамическую картину процесса в связи с ограничением количества измеряемых параметров в непрозрачном материале.
Работа над проектом будет сопровождаться разработкой необходимых программных кодов и их реализацией для численного моделирования нестационарных задач плавления. Для выполнения проекта будет приглашен студент третьего курса бакалавриата. По результатам выполнения проекта будет защищена одна бакалаврская работа к концу второго года выполнения проекта.
Ожидаемые результаты
Решение сформулированных задач позволит создать теоретическую базу для более полного исследования конвективного теплопереноса и гидродинамики в областях, заполненных материалами с изменяемым фазовым состоянием с учетом различных внутренних и внешних эффектов, что может быть использовано для проектирования замкнутых конструкций для пассивного температурного контроля внутреннего помещения в различных внешних нестационарных температурных условиях, размеров системы и в зависимости от выбранных материалов. Анализ полученных результатов будет проводиться как с использованием локальных температурных и гидродинамических характеристик (поля скорости, температуры и завихренности, линии тока), так и на основе интегральных параметров (термическое сопротивление конструкции, средний коэффициент теплоотдачи и число Нуссельта на характерных границах в зависимости от времени и внешних условий, максимальные значения функции тока). Выделение корреляционных соотношений для среднего числа Нуссельта в широком диапазоне изменения определяющих параметров таких как теплофизические характеристики среды, интенсивность солнечного излучения и температура поддерживаемой во внутренней части помещения, нестационарный характер процесса позволит получить достаточно простые многофакторные математические соотношения для расчетов, как коэффициента теплообмена, так и некоторых других определяющих параметров.
С практической точки зрения полный анализ особенностей сопряженного теплопереноса в рассматриваемых системах позволит дать количественную и качественную оценку термогидродинамических структур, формирующихся в элементах технологических систем жилых и производственных зданий, солнечных коллекторов. Полученные корреляционные соотношения для среднего безразмерного коэффициента теплообмена будут очень полезны для инженерных расчетов, поскольку будут содержать полную информацию о пространственно-временных изменениях искомых характеристик.
Оригинальные научные статьи будут опубликованы в международных журналах, индексируемых в системах «Сеть науки» и Scopus. Оригинальные научные доклады будут представлены на международных конференциях с целью обнародования новых результатов по следующим темам:
1. Моделирование свободно-конвективного теплопереноса в системах, содержащих материалы с изменяемым фазовым состоянием.
2. Анализ влияния объемной доли парафина на термическое сопротивление конструкции при нестационарных внешних температурных условиях
3. Влияние формы и геометрических параметров системы на процессы теплопереноса с учетом конвекции в расплаве при различных граничных условиях для температуры.
4. Исследование сопряженного теплопереноса в областях, содержащих и материалы с изменяемым фазовым состоянием, под воздействием солнечного излучения и периодических температурных условий на внешней границе.
5. Влияние температуры фазового перехода материалов на эффективность их использования в строительных блоках в различных климатических условиях
6. Использование материалов с изменяемым фазовым состоянием, насыщенных наночастицами, в теплоаккумулирующих системах зданий.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В процессе реализации первого этапа настоящего проекта была разработана новая математическая модель, описывающая нестационарные режимы плавления материала в замкнутых областях при нестационарных граничных условиях, с учетом сопряженной естественной конвекции в преобразованных переменных: функция тока, завихренность и температура. Для описания скрытой энергии плавления материала была энтальпийная формулировка с моделью сглаженного перехода теплофизических параметров и внутренней энергии на межфазной границе. Моделирование гидродинамики осуществлялось в области расплава. Для решения нестационарных сопряженных задач был использован метод конечных разностей.
На основе полученного алгоритма и разработанных программных кодов были получены эволюционные характеристики теплопереноса в зависимости от геометрической конфигурации блока и объемной доли материала с фазовыми переходами. Было показано, что наличие парафиновых вставок значительно увеличивает тепловое сопротивление блока: при небольших размерах блока плавление материала сдерживает повышение температуры до полного расплавления материала. С увеличением размеров блока температура внутри конструкции держится на уровне температуры плавления материала, что значительно сокращает теплообмен со средой помещения. Увеличение размера вставок также способствует повышению теплового сопротивления кирпича. Увеличение объемной доли парафина оказалось более эффективным, что связано с низкой теплопроводностью парафина и уменьшением расстояния между вставками. Показано, что возникновение естественной конвекции в расплаве способствует неравномерному распространению теплового фронта, и при больших размерах парафиновых вставок кирпич прогревается интенсивнее в верхней части, где и наблюдается снижение теплового сопротивления..
В результате проведенных исследований установлены основные особенности процессов плавления и тепломассопереноса в блоке в зависимости от внешних тепловых условий. Проанализирвано влияние изменения амплитуды температурных колебаний и интенсивности теплообмена с окружающей средой. Показано, что увеличение внешних пиковых температур и интенсивности теплообмена с окружающей средой уменьшает время плавления, и следовательно, сокращает время интенсивного поглощения тепла.
Публикации
1. Бондарева Н.С., Шеремет М.А. The influence of external thermal conditions on heat and mass transfer inside PCM embedded brick Applied Thermal Engineering, - (год публикации - 2020)
2. Бондарева Н.С., Шеремет М.А., Жао Ф.И. The Brick Thermal Performance Improvement using Phase Change Materials Journal of Applied and Computational Mechanics, - (год публикации - 2020)
Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В результате реализации второго (заключительного) этапа настоящего проекта были разработаны современные математические модели, описывающие нестационарные режимы плавления и кристаллизации материалов, с учетом сопряженного конвективного тепломассопереноса в расплаве при нестационарных внешних тепловых условиях.
Реализованы математические модели, описывающие нестационарное теплоперенос внутри кирпичных блоков и многослойных блоков с теплоизолирующим материалом, содержащих материалы с изменяемым фазовым состоянием..
Математические модели были сформулированы на основе преобразованных переменных «функция тока – завихренность». Для математического описания механизма фазовых переходов уравнение энергии было сформулировано с использованием функции сглаживания на межфазной границе. Такой подход позволил решать единое уравнение энергии для твердой и жидкой фаз. Для реализации построенных математических моделей были адаптированы численные методы, созданы алгоритмы и программы численного решения сформулированных нестационарных краевых задач. Проведено численное моделирование основных закономерностей гидродинамики и теплопереноса в сформулированных постановках.
В результате моделирования процессов плавления в кирпичном блоке со вставками, заполненными материалом с изменяемым фазовым состоянием, было установлено, что наличие вставок материала способствует поглощению тепла в большем объеме за счет скрытой энергии плавления, что позволяет сдерживать повышение температуры в блоке. Плавление начинается раньше при расположении материала ближе к внешней воздушной среде, что позволяет за длительное время накопить больше энергии. Естественная конвекция в расплаве способствует более интенсивному теплообмену в полости и способствует прогреву верхней части блока. При этом плавление происходит быстрее. Расположение материала с изменяемым фазовым состоянием ближе к среде помещения приводит к снижению тепловых потоков на обеих стенках. Поверхность, граничащая с внешней средой прогревается сильнее, а поверхность, граничащая с внутренней средой незначительно превышает температуру плавления материала.
При суточных перепадах температур от 10 до 30, наибольший эффект был обнаружен для материала с температурой плавления 18 градусов. В результате процессов плавления, при достижении внешней температуры отметки в 30 градусов, температура внутренней поверхности не превысила 20 градусов. Разница между температурами наружной и внутренней стен превысила 8 градусов. Для подбора оптимальной температуры плавления, следует учитывать температуру, поддерживаемую в помещении. Для перепада внешних температур от 10 до 40 и внутренней среды в 25 градусов, температура внутренней стенки не превышала 28 градусов при использовании таких материалов как RT25 с температурой плавления 26,6 градусов и н-октадекана с температурой плавления 28 градусов по Цельсию.
Проведено математическое моделирование процессов тепломассопереноса и плавления в бетонном блоке с внешним слоем теплоизоляционного материала. Проанализировано влияние угла наклона блока на его тепловое сопротивление при различных внешних тепловых условиях. Показано, что возникновение конвективного перемешивания расплава способствует интенсификации теплопереноса в блоке, а именно в верхней его части. При горизонтальном расположении слоев бетона, интенсивность конвективного теплопереноса минимальна, изотермы стратифицируются горизонтально. При угле наклона в 60 и 90 градусов на стенке, граничащей с пространством помещения, наблюдается снижение температуры, разница при разных углах наклона достигает одного градуса.
Публикации
1. Бондарева Н.С., Шеремет М.А. Natural convection melting influence on the thermal resistance of a brick partially filled with phase change material Fluids, - (год публикации - 2021)
2. Бондарева Н.С., Шеремет М.А. Influence of phase change material melting point and its location on heat and mass transfer in a brick Journal of Energy Storage, - (год публикации - 2021)
3. Бондарева Н.С., Шеремет М.А. Influence of the inclination angle on heat transfer inside a concrete block containing a phase change material Journal of Energy Storage, - (год публикации - 2021)
4. Бондарева Н.С. Программа численного моделирования сопряженного теплопереноса внутри кирпичного блока, содержащего материал с изменяемым фазовым состоянием -, 2020666627 (год публикации - )
5. Бондарева Н.С. Программа моделирования процессов плавления парафина внутри блока при нестационарных граничных условиях в зависимости от геометрических параметров области -, 2020666628 (год публикации - )
Возможность практического использования результатов
не указано