Study of low-temperature heat accumulation in sensible and latent thermal energy storage systems for greenhouse applications

Abstract

The main objective of this study is to determine the energy efficiency of a sensible heat storage system employing a dense crushed stone bed in a vertical heat exchange channel, as well as a latent heat storage system using a phase change material based on paraffin T3, intended for greenhouse applications. To achieve this objective, several tasks were performed, including analytical and experimental investigation of heat transfer processes in thermal energy storage system elements using a greenhouse model, analysis of the temporal variation of temperature profiles and solar radiation intensity, and a comparative evaluation of the energy efficiency of phase change heat storage materials, represented by modified paraffin, and capacitive heat storage systems, represented by crushed stone. The most significant results demonstrate that the derived analytical relationships for calculating working medium temperatures adequately describe the physical process of heat accumulation when experimental heat transfer coefficients are considered. Heat exchange between the dense crushed stone bed and the water flow occurs with high intensity, with an average heat transfer coefficient of α= 80 W/(m²·K). The emissivity of the surface of paraffin-filled heat storage tubes was determined to be εp = 0.65. The significance of the results lies in defining conditions for efficient application of thermal energy storage systems in greenhouse practice. For thermal stabilization of the internal greenhouse volume, the use of modified paraffin T3 is recommended, as its heat storage efficiency is 7.5–9.3 times higher than that of a dense crushed stone bed.

Scopul principal al acestui studiu este determinarea eficienței energetice a sistemului de acumulare a căldurii sensibile utilizând un strat dens de piatră spartă într-un canal vertical de schimb de căldură, precum și a sistemului de acumulare a căldurii latente utilizând un material cu schimbare de fază pe bază de parafină T3, pentru aplicații în sere. Pentru atingerea acestor obiective au fost realizate următoarele sarcini: studiul analitic și experimental al proceselor de transfer de căldură în elementele sistemelor de acumulare a căldurii utilizând un model de seră; analiza variației în timp a curbelor de temperatură și a intensității radiației solare; precum și evaluarea comparativă a eficienței energetice a materialelor de acumulare a căldurii cu schimbare de fază, exemplificată prin parafină modificată, și a sistemelor capacitive de acumulare a căldurii, exemplificate prin piatra spartă. Cele mai importante rezultate obținute sunt următoarele: dependențele analitice pentru calculul temperaturilor mediilor de lucru descriu în mod adecvat procesul fizic de acumulare a căldurii, ținând cont de datele experimentale privind coeficienții de transfer de căldură; schimbul de căldură dintre stratul dens de piatră spartă și fluxul de apă are loc cu o intensitate ridicată, coeficientul mediu de transfer de căldură fiind α = 80 W/(m²·K); capacitatea de emisie a suprafeței tuburilor de acumulare a căldurii cu parafină este εp = 0.65.Semnificația rezultatelor obținute constă în determinarea condițiilor de utilizare eficientă a sistemelor de acumulare a căldurii pentru exploatațiile de sere. În special, pentru stabilizarea termică a volumului interior al modelului de seră, este recomandată utilizarea parafinei modificate T3, eficiența acumulării căldurii fiind de 7.5–9.3 ori mai mare comparativ cu stratul dens de piatră spartă.

Основной целью работыявляется определение энергетических характеристик работы систем хранения тепла явного типа при использовании плотного слоя щебня в вертикальном теплообменном канале и скрытого тепла при использовании фазопереходного материала на основе парафина Т3для тепличных хозяйств.Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи: определение условийприменимостианалитических зависимостей для расчета локальных температур теплоаккумулирующих материалов; экспериментальное исследование процессов нестационарного теплообмена в элементах теплоаккумулирующих систем на макете теплицы; анализ кривых зависимости температуры рабочих тел и интенсивности солнечного излучения от времени; проведение сравнительной оценки энергетической эффективности применения фазопереходных теплоаккумулирующих материалов на примере модифицированного парафина и емкостных накопителей теплоты в явном виде на примере щебня. Наиболее важными результатами являются:аналитические зависимости для расчета температур рабочих тел адекватно описывают физический процесс аккумуляции теплоты при учете экспериментальных данных по коэффициентам переноса; теплообмен между плотным слоем щебня и потоком воды проходит с высокой интенсивностью, средний коэффициент межкомпонентного теплообмена =80 Вт/(м2К);модифицированный парафин Т3 как фазопереходный материал в 7.5–9.3 раза эффективнее аккумулирует низкопотенциальную теплоту солнечного излучения и воздуха в макете теплицы в сравнении с плотным слоем щебня; степень черноты поверхности аккумулирующих трубок с парафином составляет р=0.65.Значимость полученных результатовзаключается в определении условий эффективного использования теплоаккумулирующих систем для тепличных хозяйств. В частности,для термостабилизации внутреннего объема макета теплицыобосновано применение модифицированного парафина Т3.Проблема гидравлического сопротивления слоя гранулированного материала, используемого в качестве теплообменной насадки в тепловых аккумуляторах явной теплоты, решается вертикальным расположением канала и организацией теплообмена с потоком воды, нагревающейсяот низкопотенциальных источников теплоты.