Уткин Максим Олегович – аспирант
г. Казань
Maksim O. Utkin
Kazan
Дмитриев Андрей Владимирович – д-р. техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Автоматизация технологических процессов и производств» (АТПП)
г. Казань
Andrey V. Dmitriev
Kazan
Зинуров Вадим Эдуардович – канд. техн. наук, и.о. зав. кафедрой «Инженерная графика» (ИГ)
г. Казань
Vadim E. Zinurov
Kazan
АКТУАЛЬНОСТЬ. Отопление тепличного пространства в зимнее время было и остается одной из самых энергоемких статей затрат при эксплуатации тепличного хозяйства. Комбинирование возобновляемых источников энергии с высокотемпературными тепловыми накопителями позволяет сгладить дисбаланс генерации и потребления, однако данный подход требует верифицированных моделей теплообмена грунта для надежного проектирования подземных систем обогрева. ЦЕЛЬ. Численное моделирование и верификация процессов теплопередачи от трубы, размещенной в грунте, с учетом его влажности, для последующего применения в системах локального обогрева тепличного грунта. МЕТОДЫ. Проведены две серии лабораторных опытов: с высушенным (влажность менее 10%) и увлажненным (влажность около 45%) суглинком. Температуры регистрировались 20 датчиками DS18B20 и тепловизором UTi260B. Создана двумерная модель, построена сеточная модель. Выполнены нестационарные численные расчеты в ANSYS Fluent. В программе решалось уравнение нестационарной теплопроводности методом конечных объемов, учтены реальные теплофизические свойства грунта. РЕЗУЛЬТАТЫ. Средняя относительная погрешность между расчетными и экспериментальными температурами составила менее 6% для высушенного и около 4% для увлажненного грунта, что подтверждает адекватность модели. Увлажненный грунт прогревается на 15-20% быстрее и достигает на 2-3ºC более высоких температур в зоне 2-4 см, что связано с уменьшением термического сопротивления насыщенной поровой структуры. Термограммы показали, что эффективная ширина прогрева одиночной трубы ограничена 1-2 см, ввиду этого необходимо использовать пучок труб или змеевик для равномерного воздействия на корнеобитаемый слой. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Верифицированная модель служит инструментом для оптимизации геометрии трубного контура с учетом влагосодержания почвы.
THE RELEVANCE. Heating of greenhouse spaces during the winter season has been and remains one of the most energy-intensive cost items in greenhouse operation. The integration of renewable energy sources with high-temperature thermal storage systems helps to mitigate the imbalance between energy generation and consumption; however, this approach requires validated ground heat transfer models for the reliable design of subsurface heating systems. THE PURPOSE. To perform numerical modeling and experimental validation of heat transfer from a buried pipe, considering soil moisture content, for subsequent application in localized greenhouse soil heating systems. METHODS. Two series of laboratory experiments were conducted using dried (moisture < 10%) and moistened (moisture ≈ 45%) loamy soil. Soil temperature was monitored using 20 DS18B20 sensors and a UTi260B thermal imager. A two-dimensional computational domain was developed, and a mesh grid was constructed. Transient numerical simulations were performed in ANSYS Fluent. The unsteady-state heat conduction equation was solved using the finite volume method, incorporating actual thermophysical properties of the soil. RESULTS. The average relative deviation between simulated and experimental temperatures was below 6% for dried soil and around 4% for moistened soil, confirming model accuracy. Moistened soil exhibited 15-20% faster heating and achieved 2-3 °C higher temperatures in the 2-4 cm depth range due to reduced thermal resistance in the saturated pore structure. Thermographic imaging showed that the effective heating width of a single pipe was limited to 1-2 cm, indicating the need for a pipe bundle or coil arrangement to ensure uniform heating of the root zone. CONCLUSION. The validated model serves as a tool for optimizing the geometry of subsurface pipe layouts based on soil moisture content.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.