Przykłady zastosowań oprogramowania Ansys Fluent w inżynierii środowiska

Transkrypt

1 Jakub Dziedzic 1, Stanisław Kandefer 2, Dominik Kryzia 3, Piotr Olczak 4 Politechnika Krakowska, IGSMiE PAN w Krakowie Przykłady zastosowań oprogramowania Ansys Fluent w inżynierii środowiska Wprowadzenie Jednym z głównych wyzwań stawianych inżynierom w XXI wieku jest realizacja założeń doktryny zrównoważonego rozwoju, w tym szczególnie w zakresie ochrony środowiska. W związku z dynamiczną naturą zmian zachodzących w środowisku nie jest trywialnym w sposób holistyczny zauważyć zależności mające wpływ na jego ukształtowanie. Dążąc do ogólnej jakościowej poprawy gospodarki energią, powstało zapotrzebowanie na poszukiwanie innowacyjnych rozwiązań konstrukcyjnych w zakresie urządzeń pro-ekologicznych i optymalizacji ich działania. Dzięki oprogramowaniu pozwalającemu na prowadzenie obliczeń Metodą CFD (Computational Fluid Dynamics) stosowaną w mechanice płynów, przy wykorzystaniu Metod Elementów Skończonych (MES, ang. FEM, Fine-Element Method), podejmuje się próby rozwiązania powyższych zagadnień [1]. Jednym z programów pozwalającym na symulację tych relacji jest pakiet Ansys Fluent. Ta aplikacja umożliwia przeprowadzenie wielokryterialnych, sprzężonych analiz parametrycznych, pozwalając na obliczenie macierzy dowolnej liczbie zmiennych. Oprogramowanie to jest jednym z najbardziej zaawansowanych dostępnych na rynku narzędzi do kompleksowych obliczeń przepływowych. W pracy przedstawiono zagadnienia przepływu energii cieplnej na drodze od Słońca przez kolektor słoneczny do zbiornika ciepłej wody użytkowej (CWU) oraz dystrybucji medium do użytkownika (rys. 1). Głównym celem przeprowadzanych symulacji było przygotowanie kompleksowej informacji o rozprowadzaniu ciepłej wody w domu jednorodzinnym. Analizowane były typowe elementy instalacji cieplnej. Powszechność zastosowania tych elementów w praktyce czyni efekty przedstawionych badań dosyć uniwersalnymi. Przeprowadzone analizy dostarczają informacji nowej jakości, dotyczącej dynamiki przemian fizycznych zachodzących wewnątrz instalacji. Uzyskane wyniki pozwolą na ustalenie zależności poszczególnych parametrów, umożliwiając poprawę jakości sterowania automatyki pomp obiegowych, przybliżając tym samym wyznaczenie optymalnego punku pracy całego układu hydraulicznego. Na podstawie wykonywanych kalkulacji możliwe będzie wskazanie wytycznych w zakresie efektywniejszego wykorzystania pozyskiwanej energii, zmniejszając równocześnie zapotrzebowanie na nią. Szersze zastosowanie uzyskanych wyników może przyczynić się, w skali makro, do zredukowania emisji gazów cieplarnianych. 1 Jakub Dziedzic, mgr. inż. Instytut Inżynierii Cieplnej i Ochrony Powietrza, Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Krakowska 2 Stanisław Kandefer, prof. dr hab. inż., Instytut Inżynierii Cieplnej i Ochrony Powietrza, Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Krakowska 3 Dominik Kryzia, mgr. inż., Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk w Krakowie, kryzia@min-pan.krakow.pl 4 Piotr Olczak, mgr. inż., Instytut Inżynierii Cieplnej i Ochrony Powietrza, Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Krakowska 8821

2 Logistyka nauka a) b) c) Rys. 1. Przykłady zastosowań technologii związanych z cwu; a) rury Heat Pipe, b) zasobnik CWU, c) cyrkulacja CWU, Heat Pipe Solarna rura próżniowa typu Heat Pipe jest jednym z typów urządzeń umożliwiających pozyskiwanie energii słonecznej na cele cieplne. Składa się z dwóch współosiowych rur szklanych (5,7), pomiędzy którymi jest warstwa- próżnia (6). Rozmiary rury zewnętrznej wynikają z konieczności zapewnienia jej wytrzymałości na obciążenie statyczne ciśnieniem zewnętrznym oraz odporności na udary wywołane gradem. Przestrzeń między rurami szklanymi ma rozmiar uniemożliwiający zetknięcie się powierzchni obu rur. Na zewnętrzną warstwę rury wewnętrznej naniesiony jest warstwa absorpcyjna (pochłaniający energię promieniowania słonecznego). W centralnej części rury wewnętrznej znajduje się miedziany ciepłowód (2) wypełniony cieczą o niskiej temperaturze wrzenia i zamarzania. Na drodze transportu ciepła między absorberem a ciepłowodem stosowane są różnego kształtu żebra (4) (najczęściej aluminiowe), pozostałą zaś część objętości wewnętrznej rury szklanej wypełnia powietrze (3). Oddziela się je od atmosfery ziemskiej korkiem filtracyjnym (1), który umożliwia tylko nieznaczne przepływy w trakcie wyrównywania ciśnienia, nie powodując przy tym wyraźnych strat ciepła [2]. Ciepłowód zakończony jest kondensatorem, który jest umiejscowiony w kolektorze zbiorczym i tam przekazuje ciepło do płynu solarnego krążącego w instalacji CWU. Podstawowymi elementami kolektora próżniowego związanymi z pozyskiwaniem energii słonecznej są absorber i ciepłowód transportujący ciepło do instalacji CWU. Rys. 2. Fragment próżniowej rury solarnej Heat Pipe; 1) korek filtracyjny, 2) ciepłowód miedziany, 3) wypełnienie gazowe, 4) żebro aluminiowe, 5) rura szklana zewnętrzna, 6) warstwa- próżnia, 7) rura szklana wewnętrzna wraz z absorberem 8822

3 Ze względów montażowych oraz konstrukcyjnych sąsiadujące rury (komplet Heat Pipe) nie przylegają do siebie, (rys. 1a). Zmniejsza to udział powierzchni absorberów w powierzchni brutto kolektora, ale zapobiega to wzajemnemu zasłanianiu się rur podczas pracy rano i wieczorem. Założenia do modelu obliczeniowego Przy zastosowaniu analiz numerycznych CFD postanowiono przebadać wpływ zastosowanego materiału żebra oraz składu wypełnienia gazowego rury wewnętrznej na straty ciepła od rury solarnej do otoczenia. Należy nadmienić, że im lepsza izolacyjność cieplna warstwy- próżnia oraz im korzystniejsze warunki zewnętrzne (czyli wysoka temperatura zewnętrzna i niska prędkość wiatru) tym zmiany stają się mniej istotne. Przeanalizowano dwa warianty materiału żebra: aluminium {w1} i stop aluminium {w2} (tab. 2). Pominięto wpływ rodzaju pozostałych zastosowanych materiałów konstrukcyjnych wymienionych w tabeli 1 na straty ciepła od rury solarnej do otoczenia. Do obliczeń użyto funkcji Solar Model, wspomagającej obliczenia związane z promieniowaniem słonecznym. Tabela 1. Parametry materiałów niezmiennych w symulacjach Warstwa Materiał Gęstość, kg/m 3 Przewodność cieplna, W/(m K) Rura szklana zewnętrzna i rura szklana wewnętrzna Ciepło właściwe, J/(kg K) szkło Ciepłowód miedziany miedź ,6 381 Próżnia powietrze 0,001 0, Tabela 2. Materiał żebra Warstwa Materiał Gęstość, kg/m 3 Przewodność cieplna, W/(m K) Ciepło właściwe, J/(kg K) Żebro aluminiowe, w1 aluminium ,4 871 Żebro aluminiowe, w2 stop aluminium ,0 871 Skład gazów wypełnienia gazowego rury wewnętrznej (rys. 2) rozpatrywano w wariantach przedstawionych w tab. 3. Wariant Oznaczenie 1 {g1} powietrze Tabela 3. Wypełnienie gazowe Wypełnieni gazowe rury wewnętrznej Inne właściwości zmienne zależne od temperatury (gęstość liczona przybliżeniem boussinesq a) 2 {g2} wodór właściwości zmienne zależne od temperatury 3 {g3} próżnia (niedoskonała) właściwości stałe, przewodność cieplna 0,001 W/(m K) Jako wariant bazowy przyjęto powietrze (stanowiące wypełnienie standardowe); wodór wybrano ze względu na dobre właściwości konwekcyjne, a próżnię na minimalne przewodnictwo i brak konwekcji. Ponadto założono warunki wymiany ciepła: na zewnątrz zewnętrznej rury szklanej konwekcja wymuszona 6,6 W/(m 2 K) do powietrza atmosferycznego o temperaturze 273,15 K, do wewnątrz ciepłowodu miedzianego: współczynnik wnikania ciepła α=2000 W/(m 2 K) do płynu o temperaturze 337 K. Przyjęto izotermiczność w rurze wzdłuż długości. 8823

4 Wyniki Na podstawie wyników z programu Ansys Fluent, dla warunków ustalonych, stwierdzono nieznaczne różnice w zastosowanych wariantach (rys. 3). Zgodnie z przewidywaniami, zastosowanie stopu aluminium o gorszej przewodności cieplnej jako materiału na żebro, powoduje zwiększenie strat do otoczenia niezależnie od rodzaju wypełnienia gazowego. Zamiana wypełnienia gazowego z powietrza na wodór spowodowała zmniejszenie strat do otoczenia. Z kolei odpompowanie powietrza otaczającego żebro (praktycznie brak transportu ciepła przez gaz na drodze konwekcji i przewodzenia) zwiększyło straty do otoczenia. Ponadto wyznaczono rozkład temperatury w profilu poprzecznym Heat Pipe dla wariantu z żebrem z czystego aluminium {w1} i rurą wewnętrzną wypełnioną powietrzem {g1} (rys. 4) [2]. 12 Udział strat do otoczenia, % 8 4 wodór {g2} powietrze {g1} próżnia {g3} {w2} 202,4 {w1} λaluminium, W/(m*K) Rys. 3. Porównanie wariantów: zmienny materiał żebra oraz zmienne wypełnienie gazowe Rys. 4. Rozkład temperatury dla wariantu w1 i g1 Wyniki należy interpretować jako udział strat do otoczenia energii już zaabsorbowanej na absorberze (zewnętrzna część wewnętrznej rury szklanej). O skali strat (wyniki około 11%) decyduje w głównej mierze warstwa- próżnia, jej grubość i przewodność cieplna (zależna od ciśnienia) [3]. Należy nadmienić, że właściwe wykorzystanie najlepszych materiałów powinno wiązać się z odpowiednim wykonaniem powierzchni styku żebra. Muszą one niekiedy pracować w warunkach kilkusetstopniowych zmian temperatury oraz być tak wykonane, aby nie uszkodzić od wewnątrz rury szklanej. Zasobnik solarny Na drodze energii od Słońca po kran kolejnym analizowanym elementem jest zasobnik solarny. Konstrukcję zasobników można analizować w celu maksymalizacji uzysków solarnych (w powiązaniu z efektywnością pozyskiwania energii słonecznej), ale także pod względem dostępności CWU o odpowiedniej ilości i parametrach, kosztów, czy konieczności stosowania dodatkowych źródeł ciepła, itd. 8824

5 Analizę zagadnienia badawczego rozpoczęto od prostego założenia, że im większy zasobnik, tym większe uzyski energii solarnej. Duży zasobnik (oprócz większych kosztów zakupu i wymaganej powierzchni) wykazuje wyższe straty do otoczenia, ale tylko wtedy, gdy jest nagrzany. Rozwiązanie takie jest korzystne, gdy kilka kolejnych dni będzie charakteryzowało duże nasłonecznienie (powyżej 4 kwh/(m 2 dzień)). W przeciwnym razie, mimo najbardziej optymalnej budowy, nie uzyskamy żądanych parametrów temperatury CWU. Na tej podstawie można wywnioskować, że wzrost uzysków solarnych (np. poprzez zwiększenie rozmiarów zasobnika) nie jest dobrym miernikiem efektywności działania systemu. Dążenie do wysokich uzysków wiąże się z wydłużeniem czasu pracy pompy obiegowej o zużyciu energii nieadekwatnym do efektów. Założenia do modelu obliczeniowego Opracowano model obliczeniowy o pomniejszonej skali geometrycznej (około 5 razy) w stosunku do rzeczywistości (rys. 5), ze względu na ograniczenia obliczeniowe spowodowane warunkami licencji naukowobadawczej wersji programu oraz możliwościami sprzętowymi. Wybrano zasobnik z jedną wężownicą dolną. Nie uwzględniano wpływu górnej wężownicy zasobnika zasilanej z innego źródła ciepła (np. z kotła gazowego lub węglowego). Zastosowano przeciwprądowy model przepływu czynników. Na tym etapie symulacji zasobnika nie uwzględniono cyrkulacji CWU. Przeanalizowano warianty z wymuszonym mieszaniem wody w zasobniku i bez mieszania (stratyfikacja naturalna). Przy symulacji mieszania założono, że prędkość wlotu do zasobnika przepompowywanej wody wynosi 1 m/s. W obliczeniach zastosowano przybliżenie liniowe właściwości fizycznych płynu (np. gęstość, ciepło właściwe, współczynnik przewodzenia ciepła) od temperatury. Proces mieszania przybliżono funkcją autorskim skryptem ( User Defined Function ) zakładając, że temperatura wody zimnej (WZ) jest równa temperaturze wody na wylocie z CWU (W_CWU, rys. 5). Rys. 5. Schemat analizowanego zasobnika, W_CWU wylot CWU z zasobnika; WGS wlot wężownica solarna; WDS wylot wężownica solarna; WZ wlot zimna woda; UM układ mieszający z pompą; ZS zasobnik solarny Zauważono, że mieszanie może wpłynąć pozytywnie na uzyski energii słonecznej przy niskiej temperaturze wody w całym zasobniku i przy małych dziennych uzyskach energii. Takie warunki powodują obniżenie chwilowej temperatury absorbera (Tm) (rys. 6). 8825

6 Rys. 6. Sprawności teoretyczne dla natężenia promieniowania G= 1000 W/m 2 Tm-temperatura absorbera; Ta temperatura otoczenia (SunEnergy, 2015). Wprowadzając mieszanie wody w zbiorniku wymuszono jej przepływ, przez co dużo szybciej osiągnięto wzrost temperatury na wylocie CWU (rys. 7. M:t_wylot cwu). Intensyfikuje się także odbieranie ciepła od wężownicy na skutek zwiększenia współczynnika wnikania ciepła na jej zewnętrznej ścianie (rys. 7. M: ściana_zewn). Po pewnym czasie zawrócona z króćca W_CWU (rys. 5) podgrzana woda powoduje utrudniony odbiór ciepła od wężownicy, który w części jest rekompensowany przez zwiększony rotacją współczynnik wnikania ciepła od wężownicy do wody w zasobniku. Rotacja wpływa jednak niekorzystnie, zwiększając straty do otoczenia poprzez wzrost współczynnika wnikania ciepła od wody do ścianki zasobnika. W przypadku stratyfikacji (brak mieszania) podgrzana woda nie wypełnia całej objętości zasobnika, ale temperatura wody w jego górnej części (co prawda znacznie wolniej), osiągnie korzystne wartości. Wyniki analizy zasobnika z mieszaniem lub bez przedstawiono na rys. 7. Rys. 7. Porównanie zasobnika z mieszaniem z prędkością na wlocie 1 m/s (ozn. M) i bez mieszania (ozn. BM) Ocena wpływu mieszania wody w zasobniku na chwilowe sprawności teoretyczne kolektora jest jednym z wielu zagadnień dotyczących akumulacji ciepła w zasobniku. Ma ponadto związek z wieloma aspektami, w tym szczególnie z rzeczywistym poborem wody, nasłonecznieniem i uwarunkowaniami ekonomicznymi. Przedstawione wyniki symulacji są jedynie przykładem możliwości pakietu Ansys Fluent i nie stanowią gotowego uniwersalnego rozwiązania. 8826

7 Problem cyrkulacji CWU Centralny system przygotowywania cwu, pomimo swoich licznych zalet, może powodować utrudnienia, zwłaszcza w dużych domach, gdzie punkty poboru ciepłej wody są znacznie oddalone od miejsca, w którym woda jest podgrzewana. Jeśli przez dłuższy czas w jednym z takich punktów poboru nie korzysta się z ciepłej wody, to część medium, która znajduje się w rurach, wychładza się i po odkręceniu baterii czerpalnej zostanie zrzucona do kanalizacji. Im dłuższy jest odcinek między miejscem przygotowania CWU, a punktem poboru, tym więcej czasu upłynie zanim ogrzana woda dotrze do niego. Aby tego uniknąć, coraz częściej w domach jednorodzinnych instalacja CWU jest wyposażona w układ cyrkulacji obiegowej. Krążenie ciepłej wody w takim obiegu wymusza pompa. Głównym celem wprowadzania wody w ruch wewnątrz instalacji jest oszczędzanie wody i energii cieplnej oraz zapewnienie użytkownikowi medium o komfortowym parametrze termicznym. Wykonane analizy mają na celu ustalenie, czy z termodynamicznego punktu widzenia korzystne jest utrzymywanie wody w ciągłym obiegu, czy też może pozostawianie wody w stanie spoczynku. Uzyskane wyniki charakteryzujące straty energii cieplnej, przedstawiono w formie funkcji zależnej od przyjętych w symulacji parametrów. Mając na celu zbadanie poprawnego stosowania obiegu cyrkulacyjnego, wyznaczono jednostkowy strumień strat ciepła w stanie ustalonego przepływu, dla poszczególnych przypadków. Dla wybranego przypadku przeprowadzono symulację nieustalonej wymiany ciepła stygnącego medium wewnątrz instalacji. Założenia do modelu obliczeniowego W związku z dużym zróżnicowaniem stosowanych instalacji CWU wykonano szereg symulacji, przyjmując różne wartości parametrów charakteryzujących cechy instalacji. W przeprowadzonych obliczeniach założono, że instalacja jest wykonana z rur PP i poprowadzona pod tynkiem po wewnętrznych ścianach budynku. Uwzględnione w obliczeniach numerycznych wartości parametrów, przedstawiono w tabeli 4. Tabela 4. Przyjęte w badaniach symulacyjnych wartości parametrów charakteryzujące cechy instalacji ciepłej wody użytkowej Prędkość przepływu wody m/s Temperatura CWU ºC Średnica rury mm Grubość izolacji mm Temperatura w pomieszczeniu ºC 0, x 2, , x 3, x 4, , Przeprowadzono także symulację strat energii cieplnej dla studzenia się medium (wody) w stanie spoczynku. W zaproponowanym modelu uwzględniono tylko jedną wartość temperatury początkowej wody równą 55 ºC, pozostałe warunki: średnica rury 16x2,7 mm, grubość izolacji 6 mm, temperatura w pomieszczeniu 20 C, współczynnik przewodzenia ciepła dla materiału ściany rury 0,4 W/(m K), dla izolacji 0,035 W/(m K). Wyniki symulacji Uzyskane w procesie symulacji (mającej na celu obliczenie jednostkowego strumienia strat ciepła), 720 kombinacji wariantów sprzężonych, posortowano według: średnicy rury, temperatury wlotowej, grubości izolacji, prędkości przepływu i przedstawiono na rysunkach 8 (wybrane wyniki) i

8 Logistyka nauka Rys. 8. Analiza zmienności jednostkowego strumienia strat ciepła z rury CWU dla temperatury pomieszczeń po obu stronach ściany 20 C. Najmniejsze straty ciepła uzyskano dla średnicy rury 16 mm, grubości izolacji 15 mm i najniższej temperatury wlotowej (40 C) (rys. 8). Natomiast najwyższe jednostkowe straty ciepła otrzymano odpowiednio dla: 25 mm, 6 mm, 55 C (rys. 8). Rys. 9. Analiza zmienności jednostkowego strumienia strat ciepła z rury CWU 8828

9 Do określenia związku o charakterze ilościowym pomiędzy wejściowymi parametrami (z tab. 4), a uzyskanymi w programie Fluent wartościami jednostkowego strumienia strat ciepła dla poszczególnych wariantów, wykorzystano funkcję regresji wielorakiej. Dzięki temu uzyskano zależność, która przyjmuje postać: ql = 0,0201 v + 0,281 tp 0,16 to 446,47 gi + 394,47 gs + 191,96 d-3,236 gdzie: ql jednostkowy strumień strat ciepła, W/m, v prędkość przepływu, m/s, tp temperatura płynu, C, to temperatura w pomieszczeniu, C, gi grubość izolacji, m, gs grubość ścianki rury, m, d średnica rury, m. Dla każdego z 720 wariantów kombinacji wartości parametrów wyznaczono wartość jednostkowego strumienia ciepła w oparciu o powyższy wzór. Otrzymane wyniki naniesiono dla porównania na wyniki uzyskane z symulacji (rys. 9). Jak widać obie krzywe są bardzo do siebie podobne, co potwierdza wysoka wartość współczynnika dopasowania R 2 równa 0,975. Wzór ma znaczenie utylitarne i zostanie wykorzystany w kolejnych pracach badawczych. Na podstawie analizy wyników dla przyjętego zakresu zmienności parametrów stwierdzono, że największy wpływ na wartość strat ciepła mają: grubość izolacji i temperatura wody (rys. 10). Na rysunku 10 przedstawiono graficznie tę zależność dla temperatury pomieszczenia po jednej stronie ściany 20 C, prędkości przepływu wody 1 m/s i średnicy rury 20 mm. Im wyższa temperatura wody i mniejsza grubość izolacji tym występują wyższe straty ciepła do otoczenia. Rys. 10. Jednostkowy strumień strat ciepła w zależności od grubości izolacji i temperatury wody Na rys. 11 przedstawiono wynik z symulacji stygnięcia dla wariantu, który przy prędkości przepływu 0,2 m/s charakteryzował się jednostkowym strumieniem strat ciepła w wysokości: ql = 9,8 W/m. 8829

10 Jednostkowy strumień strat ciepła ql W/m 6,5 5,2 3,9 2,6 1, ql, W/m temperatura cwu, C czas, s temperatura, C Rys. 11. Symulacja stygnięcia CWU Otrzymane wyniki pozwalają użytkownikom instalacji oszacować wielkość strat ciepła przy pracującym lub wyłączonym obiegu cyrkulacji CWU. Aby w pełni zobrazować skalę problemu należy dodatkowo uwzględnić sumę długości przewodów instalacji oraz harmonogram rozbioru wody. Podsumowanie Celem pracy było pokazanie możliwości użycia oprogramowania Ansys Fluent do rozwiązywania zagadnień dotyczących transportu ciepła od Słońca poprzez kolektor, zasobnik i rury do kranu. Zaprezentowano 3 przykłady zastosowania programu w analizie elementów instalacji wykorzystującej energię słoneczną do podgrzewania wody na cele socjalno-bytowe. Analizowano transport ciepła w próżniowym kolektorze solarnym typu Heat Pipe, zjawiska cieplno-przepływowe zachodzące w zasobniku oraz oszacowano straty ciepła w sieci dystrybucyjnej CWU. Wyniki dla każdego z przedstawionych przykładów obliczeniowych są przeznaczone dla różnych typów odbiorców. Pierwszy przykład, dotyczący optymalizacji budowy rury solarnej, odnosi się do etapu projektowania produktu i jest w kompetencjach producenta. W artykule przeanalizowano rury solarne Heat Pipe, które charakteryzują się korzystnymi parametrami użytkowymi, co nie daje dużych możliwości poprawy. Większy potencjał w tym zakresie dają kolektory płaskie, których sprawności bardziej zależą od warunków zewnętrznych. Wyniki uzyskane w ramach analizy drugiego przypadku mogą być pomocne na etapie projektowym instalacji CWU ze wspomaganiem solarnym (weryfikacji doboru zasobnika w instalacji solarnej) oraz mogą być wykorzystane przez producenta na etapie projektowo-konstrukcyjnym zasobnika. Trzeci przykład obliczeniowy dotyczy wyboru wersji instalacji, którą wybiera użytkownik mający indywidualne preferencje w zakresie komfortu cieplnego. Analiza wyników uzyskanych dla przedstawionego przykładu pozwala pomóc projektantowi i użytkownikowi optymalizować warunki pracy instalacji przy założonych kryteriach. Ponadto wzór uzyskany na podstawie otrzymanych wyników można wykorzystać do szybkiego szacowania skali strat ciepła. Możliwość łatwej zmiany przyjętych założeń w zakresie badanych płynów i materiałów daje możliwość rozszerzenia zastosowania modelowania na inne warianty charakteryzujące się podobną konstrukcją problemu, lecz dotyczące innych obszarów zastosowania i innej grupy odbiorców (przemysł). Analiza problemów przy wykorzystaniu oprogramowania Ansys Fluent pozwala wskazać najbardziej atrakcyjne obszary poszukiwania oszczędności energii cieplnej w kontekście realizacji doktryny zrównoważonego rozwoju. 8830

11 Streszczenie Oprogramowanie Ansys Fluent jest stosowane w różnych dziedzinach nauki i techniki. Przedstawiono przykładowe zastosowania tego programu w analizach związanych z mechaniką płynów i wymianą ciepła. Pierwszy przykład dotyczy ustalonego przepływu ciepła w solarnej rurze próżniowej typu Heat Pipe. Przy pomocy Solar Model (funkcja zastosowanego oprogramowania) określono wpływ budowy wnętrza na efektywność pozyskiwania energii słonecznej poprzez szacowanie strat do otoczenia. Drugi przykład dotyczy obliczeń cieplno-przepływowych solarnego zasobnika ciepłej wody użytkowej. Określono wpływ strat do otoczenia, ruchu płynu i zmian temperatury wokół wężownicy solarnej na przekazywanie ciepła z układu solarnego. Wykorzystano skrypty autorski skrypt (User Defined Function ) do obliczeń strat z powierzchni zewnętrznej do otoczenia, zmiany czasu przepływu czynnika oraz symulacji pracy pompy obiegowej, jako bezstratnego transportu ciepła bez uwzględnienia zagadnień mechanicznych.trzeci przykład dotyczy szacowania strat cieplnych z rur instalacji ciepłej wody użytkowej w zależności od średnicy i grubości ścianki rury, grubości izolacji, temperatury wody, prędkości przepływu, temperatury otaczających pomieszczeń. Wykorzystując analizę parametryczną zbadano 720 wariantów obliczeniowych, przy założeniu umiejscowienia polipropylenowych rur wewnątrz budynku. Słowa kluczowe: symulacje numeryczne, CFD, kolektory słoneczne, ciepła woda użytkowa (CWU), zasobnik CWU, cyrkulacja medium, Heat Pipe, cyrkulacja CWU EXAMPLES OF USE ANSYS FLUENT SOFTWARE IN ENVIRONMENTAL ENGINEERING Abstract Ansys Fluent software is used in various fields of science and technology. Publication present examples of use of this software in studies related to fluid mechanics and heat transfer. The first example concerns about steady heat flow in solar vacuum tube Heat Pipe. Solar Model helped to determine the effect of device interiors construction on the effectiveness of solar energy gain by estimating external losses. Second example concerns about thermal calculation of flow from solar panel to hot water tank. Heat losses to the environment were estimated by factors: fluid motion and temperature changes around the solar coil to transfer heat from the solar system. The last example relates to estimating heat loss from hot water installations. The analysis was conducted for complex variables such as diameter and its wall thickness, insulation thickness, liquid temperature, flow rate and ambient temperature of the surrounding. Using parametric analysis 720 cases were calculated. Literatura [1] Chung, Computational Fluid Dynamics, Cambridge University Press, 2002 [2] Kandefer S., Olczak P., Analiza wymiany ciepła w przekroju rury solarnej Heat Pipe w warunkach ustalonych, Logistyka 4/2014. [3] Li Fen Su i in., Low-cost and fast synthesis of nanoporous silica cryogels for thermal insulation applications, Science and Technology of Advanced Materials 13/2012. [4] SunEnergy 2015, Dane techniczne kolektora próżniowego strona internetowa: