RESEARCH PAPER
The application of node potential method to analyse and design SDHW systems
 
More details
Hide details
1
Katedra Ogrzewnictwa, Wentylacji i Automatyzacji, Wydział Budownictwa i Ochrony Środowiska, Politechnika Lubelska, ul. Nadbystrzycka 40, 20-618 Lublin, Poland
Publication date: 2020-05-27
 
Acta Agroph. 2001, (39)
 
KEYWORDS
ABSTRACT
The publication presents the use of a method called Equivalent Thermal Network used to formulate mathematical model suitable for SDHW system analyses. The method makes the use of a thermal- electric analogy, in particular, the node potential method to formulate a mathematical model suitable for heating system transient performance analyses on the example of a solar thermal system. The Equivalent Thermal Network modelling such system has been composed. The network is constructed as RC circuits and consists of nodes and branches. The assumption assigns one node to each thermal element and thus the branches model the heat transfer between them. Each node has its thermal balance equation and they make up a system of six linear and the first order differential equations relevant to the presented example. Composed algorithms make possible to simulate transients in dependence either on weather conditions or system parameters. The work provides results of simulations performed at different ranges of inputs. The transient analysis adds new aspects to the thermal performance of such systems. Comparisons with measurements taken on a real object, which is a SDHW system, prove the usefulness of the method particularly for East-European climatic conditions focused in the central eastern region of Poland which is supposed to be the second best solar region in the country. The main tool described in the work is a simulation programme composed on the basis ofMathCad2000 algorithms used for the designing, analyses and diagnostics. The algorithms cover four sequences:
1. Data introduction.
2. Computations of heat transfer coefficients.
3. Steady state computations of node temperatures.
4. Transient computations and instant node temperature results.
This tool is versatile and enables simple introduction of new elements and extensions of the network and quasi-spatial graphic presentations of transient results. These simulation algorithms are in Polish as predicted for the target group which are engineers and designers in the region, but also English version is available. Particular thermal resistances are computed in strict accordance to heat transfer through radiation, convection and conductance. The examples of steady state and transient simulation results in all nodes arc presented in figures, which show the simulation of their dependence on external inputs and system features and give the image of how temperatures in nodes change at different solar energy availability and other weather conditions.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Zastosowanie metody potencjałów węzłowych do analizy i projektowania instalacji słonecznych ciepłej wody
analogia termoelektryczna, metoda potencjałów węzłowych, zastępcza sieć cieplna, instalacja słoneczna ciepłej wody użytkowej, metody analizy i projektowania, zastosowanie w budownictwie małoobiektowym i na terenach rolniczych
W pracy przedstawiono zastosowanie analogii termoelektrycznej poprzez wykorzystanie metody potencjałów węzłowych do utworzenia zastępczej sieci cieplnej (zsc) w celu sformułowania matematycznego modelu do analizy słonecznych instalacji ciepłej wody użytkowej. ZSC ma postać obwodu RC i składa się z 6 węzłów symulujących poszczególne elementy instalacji i gałęzi zawierających opory cieplne wymiany ciepła pomiędzy węzłami. dla każdego z węzłów sformułowano równanie bilansu cieplnego, a zatem powstał układ sześciu równań. W celu ich rozwiązania ułożono algorytm symulacyjny przy pomocy pakietu MathCad 7.0 służący naukowo-badawczej analizie termicznej a następnie wykonano pakiet symulacyjny w wersji użytkowej. Wykonano modele i przeprowadzono symulacje dla ustalonego i nieustalonego stanu pracy instalacji, zaprezentowano wyniki przeprowadzonych pomiarów w instalacji doświadczalnej i dokonano analizy porównawczej wyników symulacji z wynikami pomiarów. Potwierdziła ona przydatność modelu i pakietu symulacyjnego również w warunkach klimatycznych regionu Polski środkowo-wschodniej uznanej za region drugi w kraju pod względem dostępności energii promieniowania słonecznego (eps) o dużych możliwościach jej wykorzystania na terenach rolniczych. Pakiet symulacyjny jest głównym narzędziem opisanym w pracy i składa się z następujących sekwencji:
1. Wprowadzenie danych.
2: Obliczenia rezystancji cieplnych.
3. Obliczenia stanu ustalonego.
4. Obliczenia stanu nieustalonego.
Narzędzie to jest uniwersalne i umożliwia dowolne rozszerzanie modelu ZSC o dodatkowe elementy, liczbową i graficzną prezentację wyników, w tym także quasi-przestrzenną prezentację wyników dla stanu przejściowego. Użytkowa wersja programu przeznaczona dla inżynierów projektantów takich systemów jest przyjazna dla użytkownika i jest dostępna także w wersji angielskiej. Algorytmy umożliwiają symulację stanów przejściowych w zależności zarówno od warunków pogodowych jak i wewnętrznych parametrów systemu. Praca prezentuje wyniki symulacji przeprowadzone w różnych zakresach wymuszeń. Analiza stanu niestacjonarnego wskazuje na nowe aspekty pracy termicznych instalacji słonecznych. Poszczególne opory cieplne są obliczane w ścisłej zgodności z zasadami wymiany ciepła odbywającej się na drodze przewodzenia, konwekcji i promieniowania. zaprezentowane przykłady symulacji przedstawiono na wykresach wykazujących zależności względem wymuszeń zewnętrznych i wewnętrznych parametrów układu. Pokazują one m.in. zmienność temperatur w poszczególnych węzłach zależną od różnej dostępności eps i innych warunków pogodowych.
eISSN:2300-6730
ISSN:1234-4125