Моделювання процесів тепло– і масообміну в теплиці при використанні альтернативних джерел енергії

Тепловий розрахунок тепличного господарства. Розрахунок систем вентиляції та досвічування теплиці. Розробка моделі теплиці та процесів тепло- і масообміну. Система опалення з оребреними трубами з тепловим насосом та вакуумними трубчастими колекторами.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БІОРЕСУРСІВ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ УКРАЇНИ

НАВЧАЛЬНО-НАУКОВИЙ ІНСТИТУТ ЕНЕРГЕТИКИ І АВТОМАТИКИ

УДК 621.22:631.344.8:620.92

Спеціальність 8.100101

“Енергетика сільськогосподарського виробництва”

МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ ТЕПЛО - І МАСООБМІНУ В ТЕПЛИЦІ ПРИ ВИКОРИСТАННІ АЛЬТЕРНАТИВНИХ ДЖЕРЕЛ ЕНЕРГІЇ

АВТОРЕФЕРАТ

випускної роботи на здобуття освітньо-кваліфікаційного рівня “Магістр”

ЯЦЕНКО ОЛЕКСАНДР ВОЛОДИМИРОВИЧ

Київ - 2013

Випускною роботою є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті біоресурсів і природокористування України (Київ, Україна).

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент

Горобець Валерій Григорович,

Національний університет біоресурсів і природокористування України, завідувач кафедри теплоенергетики.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Драганов Борис Харлампійович,

Національний університет біоресурсів і природокористування України, академік Вищої школи АН України;

кандидат технічних наук, доцент

Шеліманова Олена Віталіївна,

Національний університет біоресурсів і природокористування України, доцент кафедри теплоенергетики.

Провідна організація - Національний університет біоресурсів і природокористування України, Кабінет Міністрів України.

Захист відбудеться 09.12.2013 р. на засіданні державної екзаменаційної комісії при ННІ Енергетики і автоматики Національного університету біоресурсів і природокористування України за адресою: 03041, м. Київ, вул. Героїв Оборони, 12.

З роботою можна ознайомитись в бібліотеці Національного університету біоресурсів і природокористування України за адресою: 03041, м. Київ, вул. Героїв Оборони, 15.

Автореферат розіслано 2013 р.

Секретар державної екзаменаційної комісії, кандидат технічних наук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з сучасних проблем у світі є проблема енергозбереження та економії ресурсів. Використання природної енергії пов'язане з двома проблемами. Перша -- запаси відновлюваних джерел енергії вичерпуються, друга -- сучасні способи виробництва енергії завдають непоправної шкоди довкіллю та людині внаслідок шкідливих викидів. Тому необхідно її заощаджувати.

Останнім часом ціни на паливо дуже зросли і тому необхідно шукати нові альтернативні розв'язки цієї задачі.

В даній роботі, в якості об'єкта дослідження, розглядається тепличне господарство для цілорічного використання. Проблемою тепличних господарств, зазвичай, є невиправдано великі затрати на традиційні енергоресурси. Для забезпечення в холодний час року необхідного мікроклімату в спорудах захищеного ґрунту потрібна теплова енергія. Великі теплично овочеві комбінати, одинична площа яких досягає 60 га, а теплове навантаження 350 МВт, є найбільш концентрованими й енергоємними споживачами теплоти в сільськогосподарському виробництві. Річне споживання теплоти в зазначених спорудах складає 290 млн. ГДж, на що витрачається 12 млн. т умовного палива. Зазначимо, що на виробництво в теплицях 1 кг сільськогосподарської продукції витрачається до 5 кг палива. Тому проблема економії енергоресурсів при теплопостачанні споруд захищеного ґрунту шляхом поліпшення систем їхнього обігріву, використання нетрадиційних джерел енергії -- дуже актуальна. Тому для обігріву теплиць пропонується застосування гібридної системи, що складається з сонячних колекторів та теплових насосів. Така система є енергоощадною та екологічною.

У даній магістерській роботі основна увага приділяється моделюванню процесів тепло - та масообміну в тепличному господарстві, та впровадженню альтернативних джерел енергії в нього.

Роботу виконано в НУБіП (Україна, Київ) - теоретична частина та дослідження.

Мета та завдання роботи. Метою роботи є модернізація тепличного господарства з використанням альтернативних джерел енергії та моделювання процесів тепло - і масообміну за допомогою пакету ANSYS Fluent 14.0. Для досягнення поставленої мети потрібно вирішити наступні завдання:

ь Тепловий розрахунок тепличного господарства;

ь Розрахунок системи вентиляції теплиці;

ь Розрахунок системи досвічування;

ь Розрахунок альтернативних джерел енергії;

ь Розробка математичної моделі теплиці та моделювання процесів тепло - і масообміну.

Об'єкт дослідження - тепличне господарство площею 1,25 га.

Предмет дослідження - комплексне вирішення розрахункових та проектних задач по модернізації теплиці.

Методи дослідження - моделювання тепло - та масо обмінних процесів теплиці в середовищі ANSYS Fluent 14.0.

Наукова новизна здобутих результатів:

· розроблено комп'ютерну модель процесів аеродинаміки теплиці;

· розроблено комп'ютерну модель процесів теплопередачі теплиці;

· розроблена система опалення теплиці з оребреними трубами при використанні теплового насосу та вакуумних трубчастих колекторів ;

Наукове значення роботи. Розроблені математичні моделі процесів аеродинаміки та теплопередачі теплиці. Отримані моделі тепло - і масообміну дали змогу отримати реальне поле швидкостей всередині будівлі та локальних значень температури всередині приміщення.

Практичне значення роботи. Розрахована і запропонована комбінована система теплопостачання, яка складається з теплового насосу, геліоколекторів та електрокотла з використанням в системі опалення оребрених труб.

Особистий внесок здобувача. Розроблена комп'ютерна модель процесів тепло - і масо переносу в теплиці. Автором розрахована комбінована система теплопостачання, яка складається з теплового насосу, геліоколекторів та електрокотла, а також система опалення розрахована з оребреними трубами.

Апробація роботи. Результати роботи презентовані на щорічній студентській науковій конференції в НУБіП України у жовтні 2013 року та на міжнародній науково-технічній конференції молодих вчених у листопаді 2013 р.

Структура та об'єм роботи. Робота складається з вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел. Загальний об'єм роботи складає 115 сторінок машинописного тексту, серед яких 49 рисунків. Бібліографія містить 35 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми з урахуванням сучасних проблем енергетики, розглянута проблема великого енергоспоживання теплицями і як варіант вирішення застосування альтернативних джерел енергії, сформульована мета і основні завдання дослідження, викладена наукова новизна, практична цінність і апробація результатів роботи, обговорений особистий внесок здобувача.

У першому розділі проведено аналіз теплице будування в Україні. Наведено загальні відомості про споруди захищеного ґрунту. Приведена характеристика ВП НУБіП України «Навчально-дослідне господарство «Ворзель» та характеристика об'єкту дослідження - тепличного господарства загальною площею 1,25 га.

За результатами проведеного аналізу в цій області сформульовано завдання дослідження.

У другому розділі проведений тепловий розрахунок тепличного господарства. Приведені способи обігріву споруд захищеного грунту та вибрано водяний обігрів з примусовою циркуляцією (рис. 1). Він дозволяє автоматизувати (з метою підтримки в приміщенні необхідних умов мікроклімату) процес виробництва і розподілу теплоти.

Рис. 1. Схема розміщення опалювальних приладів в теплиці:

1 - покрівельний обігрів; 2 - підлотковий обігрів; 3 - підґрунтовий обігрів; 4 - приґрунтовий обігрів; 5 - цокольний обігрів; 6 - торцевий обігрів.

В якості огороджувальних конструкцій взято сотовий полікарбонат 4 мм (рис. 2). Полікарбонат у порівнянні з іншими матеріалами, які застосовуються для скління, володіє більш розширеними характеристиками. Його структура дає значні переваги в теплоізоляції теплиць. Пустотіла форма забезпечує більш високі теплоізоляційні характеристики при менших втратах тепла, ніж в суцільних матеріалів для скління. Ізоляційні властивості листів будуть також сприяти меншому проникненню холоду усередину теплиці.

Рис. 2. Вигляд сотового полікарбонату.

Розраховано теплову потужність системи обігріву теплиці.

теплиця вентиляція насос колектор

 [1]

де - розрахункова потужність системи опалення, Вт;

- коефіцієнт теплопередачі через огородження, Вт/м²??С;

- площа грунту, м^2..

- температури відповідно внутрішнього і зовнішнього повітря, ?С;

- коефіцієнт огородження;

- коефіцієнт інфільтрації.

Для блочної теплиці розрахункова формула [2.3] буде мати наступний вигляд:

д...