Проекты

Дискретный теплоаккумулятор, устройство для накопления тепла и передачи его внешнему объекту

Работа призёра конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Прикладная физика» среди работ учащихся 7−9 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГАОУ Школа № 548
Предметы: Физика, Информатика
Классы: 9 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

Изменяя положение, количество и настройку дискретных устройств в составном теплоаккумуляторе, возможно формировать поверхности вторичного тепловыделения (теплопередачи) с необходимой геометрией плотности теплового потока, а также уменьшать колебания температуры теплоносителя по мере охлаждения элементов составного теплоаккумулятора.

Создана программа расчета охлаждения горячего теплоаккумулирующего элемента в форме шара до температуры окружающей среды (распределение температуры по радиусу шара в зависимости от времени). Программа написана на языках Python и С++, позволяет выбрать оптимальный материал для изготовления теплоаккумулирующего элемента с учетом его размера, плотности, теплопроводности и теплоемкости.

Использование данного дискретного теплоаккумулятора позволит изготовить ряд устройств для различных областей применения, например: для коммунальных систем – устройства теплосбережения; для чрезвычайных условий и туризма – устройства обогрева техники и помещений; для медицины – грелки; для военной техники – генераторы ИК-излучения ложных целей; для космической техники – системы терморегулирования космических аппаратов.

Цель

Создать и изготовить предпромышленный образец модели дискретного теплоаккумулятора с механизмом срабатывания, использующим материал с памятью формы.

Задачи

  1. Подвести итоги расчёта модели охлаждения теплоаккумулирующего элемента.
  2. Провести маркетинговое изучение рынка для теплоаккумулятора в области:
  •  медицины
  •  теплосбережения для коммунальных устройств (печей, каминов)
  •  теплосбережения для устройств, используемых в неблагоприятных (походных) условиях
  •  военного применения (ложные цели)
  •  для систем терморегулирования космических аппаратов

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Термопара с измерительным устройством
  • сосуды для холодной и горячей воды
  • составные части теплоаккумулятора (включая привод теплоаккумулятора из материала с памятью формы)
  •  теплоаккумулирующий элемент из песчаника, теплоизоляция

Описание

Авторами разработана и запатентована полезная модель дискретного теплоаккумулятора с механизмом срабатывания, использующим материал с памятью формы. Для оптимального подбора материала сферического теплоаккумулирующего элемента авторами создана программа расчета его охлаждения до температуры окружающей среды (распределение температуры по радиусу шара в зависимости от времени). 

Этапы работ:

  1. Постановка задачи.
  2. Подбор технического решения.
  3. Разработка теоретической модели охлаждения теплоаккумулирующего элемента. Составление компьютерной программы «Охлаждение шара».
  4. Подбор материалов для изготовления полезной модели.
  5. Сборка полезной модели.

Результаты работы/выводы

Полученные результаты подтверждают возможность реализации предпромышленного образца дискретного теплоаккумулятора с заданными температурными параметрами срабатывания в режимах накопления, сохранения и выделения тепла. Кроме того, возможен (с помощью программного продукта) теоретический подбор оптимального материала для изготовления теплоаккумулирующего элемента устройства.

Помимо создания устройства – компактного элемента (дискретного теплоаккумулятора) для составного теплоаккумулятора и патентования его полезной модели с механизмом срабатывания, использующим материал с памятью формы, разработана программа расчета охлаждения до температуры окружающей среды (по радиусу шара в зависимости от времени) нагретого теплоаккумулирующего элемента в форме шара.

Кроме того, получены возможности для дополнительных технических результатов и свойств:

  1. дополнительный технический результат при использовании нескольких данных устройств с различными температурами срабатывания для тепловыделения в составных теплоаккумуляторах может быть выражен:
  • в различной локализации устройств в объеме или на поверхности составного теплоаккумулятора с необходимой геометрией плотности теплового потока;
  • в регулировании интенсивности вторичного теплового потока от теплоаккумулятора в зависимости от температуры окружающей среды (внешнего теплоносителя).
  1. новые свойства, которые позволяет получить создание составных теплоаккумуляторов из данных устройств, заключаются в:
  • возможности формирования плотности тепловых потоков;
  • более эффективной передаче теплоты от составного теплоаккумулятора во времени;
  • возможности настройки тепловыделения в зависимости от температуры окружающей среды (внешнего теплоносителя);
  • дискретизации тепловыделения;
  • миниатюризации настраиваемых теплоаккумулирующих элементов составного теплоаккумулятора.

Перспективы использования результатов работы

Реализованная модель позволяет оценить перспективы дальнейшей разработки основанных на ее применении ряда устройств для различных областей, в частности:

  • коммунальные системы – устройства теплосбережения;
  • чрезвычайные условия и туризм – устройства обогрева техники и помещений;
  • медицина – грелки;
  • оборона – генераторы ИК-излучения для ложных целей;
  • космическая техника – системы терморегулирования космических аппаратов.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Составление компьютерной программы, расчёты для разных видов материалов теплоаккумулирующего элемента, работа в лаборатории МИСиС.

Имеется предварительная договорённость о сотрудничестве с МИФИ (изготовление прототипов привода), МФТИ (изготовление прототипов теплоизолирующих оболочек) в создании прототипов.

Мнение автора о своей работе, проекте «Инженерный класс в московской школе», конференции «Инженеры будущего», пожелания

«Работа имеет потенциал коммерческого развития, необходим ресурс для изготовления прототипов, заказанных индустриальным партнером.»