CC BY
6
4. Искендеров Р.Р., Лебедев А.Т. Молотковые дробилки: достоинства и недостатки // Вестник АПК Ставрополья. 2015. № 1 (17). С. 27 - 30.
5. Кукаев Х.С., Асманкин Е.М., Ушаков Ю.А. Кинетика измельчаемого материала в процессе его взаимодействия с элементами рабочей камеры дробилки ударного типа // Совершенствование инженерно-технического обеспечения технологических процессов в АПК: матер. междунар. науч.-практич. конф. Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 2021. С. 64.
6. Пат. RU 173 615 B02C 13/13. Дробилка зерна / Е.М. Асманкин, Д.В. Наумов, А.А. Петров, Ю.А. Ушаков, В.Е. Медведев; опубл.: 04.09.2017; Бюл. № 25.
7. Устройство для управления ВПП в дробилках зерна молоткового типа / Д.В. Наумов, В.А. Шахов, А.П. Козловцев [и др.] // Совершенствование инженерно-
технического обеспечения производственных процессов и технологических систем: матер. междунар. науч.-практич. конф. / отв. ред. Ю.А. Ушаков. Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 2017. С. 89 - 93.
8. Кинематические и динамические аспекты взаимодействия ингредиентных частиц с функциональными элементами рабочей камеры измельчителя зернового материала / Е.М. Асманкин, Ю.А. Ушаков, В.А. Шахов [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 3 (65). С. 87 - 89.
9. Анализ функциональной специфики дробильных устройств с боковым расположением выгрузных зон / В.А. Шахов, Ю.А. Ушаков, А.А. Петров [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 4 (72). С. 181 - 185.
Хамза Сартаевич Кукаев, аспирант. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, kxamza@mail.ru
Евгений Михайлович Асманкин, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, aem50@mail.ru
Юрий Андреевич Ушаков, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, 1u6j1a159@mail.ru
Владимир Александрович Шахов, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, shahov-v@yandex.ru
Альфия Фагитовна Абдюкаева, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, alfa2712@mail.ru
Khamza S. Kukayev, postgraduate. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, kxamza@mail.ru
Evgeny M. Asmankin, Doctor of Engineering Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, aem50@mail.ru
Yuriy A. Ushakov, Doctor of Engineering Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, 1u6j1a159@mail.ru
Vladimir A. Shakhov, Doctor of Engineering Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, shahov-v@yandex.ru
Alfiya F. Abdyukaeva, Сandidate of Engineering Sciences, Assistant Professor. Orenburg State Agrarian
University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, alfa2712@mail.ru
-♦-
Научная статья УДК 631.365.22
Анализ и результаты теоретических исследований адаптации солнечного энергокомплекса
Борис Викторович Жеребцов, Александр Константинович Пейль
Государственный аграрный университет Северного Зауралья
Аннотация. В статье рассматриваются результаты расчёта параметров солнечного энергокомплекса. Сформулированы и выделены основные тезисы, позволяющие его эффективное использование в условиях климата юга Тюменской области. В работе рассмотрен энергокомплекс малой мощности, основные характеристики которого позволяют использовать его локально, в производственных организациях средних размеров и на сельскохозяйственных предприятиях. Главным элементом энергокомплекса является генератор с паровой турбиной. Выбор был остановлен на турбоагрегате производства компании ООО «ГК ТУРБОПАР» с номинальной мощностью 250 - 400 кВт. Произведён расчёт параметров энергокомплекса, выведены все количественные и качественные показатели основных элементов системы, выбора материалов и конструкции энергоблока. Исследована эффективность предложенных решений согласно методике. Сделан вывод о высокой технической эффективности проекта и о рациональности использования предложенной системы в условиях климата юга Тюменской области.
Ключевые слова: солнечный энергокомплекс, генератор с паровой турбиной, адаптация, анализ. Для цитирования: Жеребцов Б.В., Пейль А.К. Анализ и результаты теоретических исследований адаптации солнечного энергокомплекса // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 3 (89). С. 166 - 173.
Original article
Analysis and results of theoretical studies of the adaptation of the solar energy complex
Boris V. Zherebtsov, Alexander K. Peil
Northern Trans-Ural State Agricultural University
Abstract: The article discusses the results of calculating the parameters of the solar energy complex. Formulated and highlighted the main theses, allowing its effective use in the climate of the south of the Tyumen region. The paper considers a low-power energy complex, the main characteristics of which make it possible to use it locally, in medium-sized industrial organizations and at agricultural enterprises. The main elements of the power complex is a generator with a steam turbine. The choice was made on a turbine unit manufactured by LLC "GK TURBOPAR" with a rated power of 250 - 400 kW. The parameters of the power complex were calculated, all the quantitative and qualitative indicators of the main elements of the system, the choice of materials and the design of the power unit were derived. The effectiveness of the proposed solutions has been investigated according to the methodology. The conclusion is made about the high technical efficiency of the project and the rationality of using the proposed system in the climate of the south of the Tyumen region.
Keywords: solar power complex, generator with steam turbine, adaptation, analysis.
For citation: Zherebtsov B.V., Peil A.K. Analysis and results of theoretical studies of the adaptation of the solar energy complex. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 89(3): 166 - 173. (In Russ.).
Несмотря на большое внимание, уделяемое во всём мире развитию солнечной электроэнергетики, существует большое количество проблем, связанных с отсутствием алгоритмов выбора структуры систем, данных о значениях количества радиации, рациональных схемных решений по устройствам отбора мощности, размеров солнечных коллекторов, видов жидкого теплоносителя, оптимальных схем работы солнечного поля и всей системы, методик обоснованного выбора параметров электростанций. Одним из приоритетных направлений развития энергетики в XXI в. является широкое использование возобновляемых, практически неисчерпаемых, источников энергии, что позволяет снизить отрицательное влияние энергетики на окружающую среду, сэкономить энергетические ресурсы [1].
Климат юга Тюменской области имеет ряд характерных особенностей и является не самым благоприятным для использования солнечного энергокомплекса в связи с холодной и продолжительной зимой. Однако большое количество солнечных дней заставляет задумываться об адаптации имеющихся солнечных систем, разработанных преимущественно для тёплых стран, к условиям климата юга Тюменской области [2].
Для адаптации солнечного энергокомплекса необходимо сформулировать и выделить основные тезисы, позволяющие его эффективное использование на юге Тюменской области.
1. Применение солнечного трекера для максимально эффективного использования энергии солнца.
2. Выбор оптимальной рабочей жидкости с учётом климатических условий и температурного режима.
3. Выбор оптимальной конструкции теплообменника, а также его дополнительной теплоизоляции для удержания тепла.
4. Разработка технического решения для размещения системы аккумуляции тепловой энергии под землей для исключения негативного воздействия отрицательных температур на теплообменник в зимний период.
Главным элементом энергокомплекса является генератор с паровой турбиной. Расчёт требуемых характеристик всех элементов комплекса следует производить исходя из необходимой мощности генератора и, как следствие, мощности турбины, параметров, необходимых для её функционирования [3].
Материал и методы. Предметный расчёт параметров энергокомплекса следует начинать с выбора турбоагрегата и анализа его характеристик. В данной работе рассматривается энергокомплекс малой мощности (250 - 400 кВт), так как такие характеристики дают возможность использовать его локально, в производственных организациях средних размеров и на сельскохозяйственных предприятиях.
Выбор был остановлен на турбоагрегате производства компании ООО «ГК ТУРБОПАР» с номинальной мощностью 250 - 400 кВт.
Диапазон температур для рабочего тела турбины характеризуется следующим образом: система способна использовать входящее тепло в диапазоне температур от 170 до 435 °С; в качестве рабочего тела выступает насыщенный пар. Необходимо обеспечить уровень потока пара 3000 - 6500 т/час, т.е. 50 - 110 кг/мин. Зная параметры турбоагрегата и требования к входящему пару, необходимо рассчитать параметры теплообменного аппарата и теплоносителя. Начать нужно с определения необходимой площади теплообмена.
Для установившихся процессов и временных единиц уравнение передачи тепла описывается так:
е = (Вт), (1)
где К - коэффициент передачи тепла, Вт/(м2/К); ^ср - средняя разность теплот между носителями тепла, величина может измеряться как в Кельвинах, так и в градусах по Цельсию; ^ - площадь поверхности обмена теплоты, м2.
В свою очередь, проведя необходимые математические преобразования, можно определить поверхность теплообмена, зная количество теплоты, разность теплоты и коэффициент отдачи теплоты [3, 4].
Уравнение описывает процесс отдачи тепла от горячего носителя теплоты холодному с учётом отдачи тепла от горячего носителя теплоты к стенке, проводимости тепла к стенке и отдачи тепла от стенки к более холодному носителю теплоты.
В свою очередь количество теплоты можно определить по формуле:
б = стАТ, (2)
где с - удельная теплоёмкость вещества (табличное значение); т - масса вещества; АТ - разность температур, °С. Зная удельную теплоёмкость пара (56,52 Дж/(кг-К)), определяем количество теплоты, необходимое для его нагрева, при этом температуру до нагрева учитываем приблизительно равную 350 °С (охлаждённый пар до такой температуры в предыдущих циклах). Тогда АТ = 50° С, а б = 56,52 • 6500 • 50 = 18369000 Дж = 5100 Вт.
Выполняя расчёт площади теплообмена для подогревателей и теплообменников, которые используются на тепловых электростанциях, по всем известной формуле для плоской стенки, можно вычислить общий коэффициент отдачи теплоты К:
1
1 К
— + —
«1 К
1
(3)
а,
где а1 и а2 - константы отдачи тепла со стороны подогревающего и подогреваемого теплоносителя, Вт/(м2-К);
5ст - толщина стенки трубки, м (здесь надо учитывать гладкая или оребренная труба); ^ст - константа проводимости материала трубки, Вт/(м-К).
В качестве подогревающего теплоносителя (а^ выбран солевой расплав - тройная нитрит нитратная смесь СС-4 (состав 40 % NN0^ 7 % NN0^ 53 % ^03), её теплопроводность приблизительно равняется 3,9 Вт/(м2-К), конденсирующегося водяного пара - подогреваемого теплоносителя (а2) на линии насыщения при интересующих нас температурах -1500 Вт/(м2-К), толщина стенки определяется при проектировании теплообменника исходя из его эксплуатационных условий. Проанализировав аналогичные теплообменники, принимаем толщину стенки величиной 2 мм, в качестве материала трубки выбираем медь, как самый эффективный из распространённых вариантов при используемых в проекте температурах металл (рис. 1).
Наименование металла нлн сплава Температура. °< 2
0 20 100 200 300 400 500 600
Алюминий 202 - 206 229 272 319 371 422
Алюлшыневые сплавы:
92% А1, Е% Mg 102 106 123 14S - - - -
80% А], 20% Si 158 160 169 174 - - - -
Дюралюминий:
94 - 96% AJ, 3 - 5% Си, 0,5% Mg 159 165 181 194 - - -
Латунь:
90% Си, 10% Za 102 - 117 134 149 166 ISO 195
70% Си. 30% Zn 106 - 109 110 114 116 120 121
61% Си, 33% Za 100 107 113 121 12S 135 151
60% Си. 40% Zil 106 - 120 137 152 169 186 200
Медь (99,9%) 393 - 3B5 37S 371 365 359 354 |
Монель—металл:
29% Си, 67% Ni, 2% Fe - 22.1 24,4 27,6 30 34 - -
Нейзильбер:
62% Си. 15% Ni, 22% Zil - 25.0 31 40 45 49 - -
Ннхром:
90% Ni, 10% Cr 17,1 17,4 19,0 20,9 22,8 24,6 - -
S0% Ni, 20% Cr 12,2 13,6 13,8 15,6 17,2 19,0 - 22,6
Нпхром желе.зпсшн:
61%Ni, 15% Cr. 20% Fe, 4% Md - 11,6 11,9 12,2 12,4 12,7 - 13,1
61%Mi, 16% Cr, 23% Fe 11,9 12,! 13,2 14,6 16,0 17,4 - _
Сталь мягкая 63 - 57 52 46 42 36 31
Рис. 1 - Примеры теплопроводности металлов в зависимости от температуры
168
Для расчёта принимаем значение 371 Вт/(м-К). Таким образом:
* = 1 0,002 1 =4. (4)
-+ —-+-
3,9 371 1500 Определив количество теплоты, коэффициент передачи тепла и разность температур, преобразуем формулу передачи тепла для определения площади теплообмена:
^ Q 5100 „^ 2
F = +-= 26 м2.
Ktср 4 • 50
(5)
P
круга
2nR = 0,31 м;
^трубки = 0,31 ■ 3 = 0,93 м2.
(6) (7)
Тогда четверть теплообменника должна содержать 28 таких трубок, а весь теплообменник -112 трубок соответственно.
Результаты исследования. Рассчитав количество теплоты, необходимое для работы турбины, выбрав рабочую жидкость и параметры теплообменника, аналогичным образом можно рассчитать характеристики и параметры системы аккумуляции тепловой энергии [5].
Зная количество теплоты, необходимое для нагрева жидкости, расходуемой турбиной в час, предлагается предусмотреть резерв теплоты, необходимый для бесперебойной работы системы в течение 24 час.:
бсут = 18369000 • 24 = 440856000 Дж. (8)
Зная необходимое количество теплоты, рассчитываем массу теплоносителя по формуле:
т = , (9)
сМ
где Q - количество теплоты, Дж;
с - удельная теплоёмкость, Дж/(кг-К);
ДТ - разность рабочих температур t2 и
Удельная теплоёмкость СС-4 - 139 Дж/(кг-К). Максимальная температура нагревания солевого расплава обусловлена двумя факторами:
1) нецелесообразностью нагрева выше температуры, необходимой для нормальной работы системы;
2) невозможностью нагрева смеси выше 400 °С с помощью термального масла.
Забегая вперед, отметим, что именно термальное масло будет использоваться для нагрева СС-4.
М = 400 - 170 = 230 °С, (10) тогда масса солевого расплава будет равна:
440856000
т =-= 13800 кг. (11)
139•230
Зная массу необходимого количества вещества, необходимо найти его объём:
(12)
V = —,
Рср '
Так как предложенный нами теплообменник имеет четыре контура, то для эффективного использования данная площадь теплообмена должна соответствовать 1/4 от общей площади теплообмена в теплообменнике. Взяв за основу трубку диаметром 10 см, а высотой 3 м, получим:
где рср - плотность вещества, кг/м3.
Плотность солевого расплава меняется в диапазоне рабочих температур от 1973 кг/м3 до 1681 кг/м3, тогда средняя плотность будет равна (1973 + 1681)/2 = 1827 кг/м3. т, 13800
V =-= 7,6 м3 = 7600 л. (13)
1827
Именно такое количество солевого расплава СС-4 должно находиться в теплообменном аппарате, выполняющем роль аккумулятора тепла.
Для окончательного расчёта его размеров следует сложить данные о необходимой площади теплообмена, вычислив объём занимаемого ей пространства и объём необходимого количества теплоносителя. Трубки теплообменника имеют форму цилиндра, поэтому для нахождения объёма одной трубки необходимо воспользоваться формулой:
V = кг2^ (14)
где г - радиус поперечного сечения цилиндра;
h - высота.
Тогда V = 0,023 м3, умножив на количество трубок в теплообменнике, получим общий объём, равный 2,6 м3.
Сложив полученную величину с объёмом необходимого количества солевого расплава, получим приблизительно 11 м3 с учётом погрешностей, толщины стенки медных трубок и непредвиденных конструктивных изменений.
Проанализировав получившийся объём, путём подбора выявляем приблизительный размер те-плообменного аппарата цилиндрической формы, высотой 3 м, диаметром 2,5 м.
В качестве теплоносителя используется термальное масло Термолан А производства компании ООО НПК «ПОЛИЭСТЕР», обладающее диапазоном рабочих температур от 12 до 400 °С и удельной теплоёмкостью 130 Дж/(кг-К).
Зная количество теплоты, необходимое для поддержания работоспособности системы в течение 24 час. при заданном диапазоне температур, находим коэффициент отдачи теплоты К и затем площадь теплообмена
1
К =
1
а,
ö 1
+ —+ —
а.
(15)
Ч ст 2
где а1 и а2 - константы отдачи тепла со стороны подогревающего и подогреваемого теплоносителя, Вт/(м2-К);
5ст - толщина стенки трубки, м, причём надо учитывать гладкая или оребренная труба); ^ст - константа проводимости материала трубки, Вт/(м-К).
В качестве подогревающего теплоносителя (а^ выбрано термальное масло Термолан А, его теплопроводность приблизительно равна 1,2 Вт/(м2-К); в качестве подогреваемого теплоносителя (а2) - солевой расплав - тройная нитрит нитратная смесь СС-4 (40 % NN02, 7 % NN0^ 53 % KN03)), её теплопроводность приблизительно равняется 3,9 Вт/(м2-К). Толщину стенки, как и в предыдущем примере, принимаем величиной 2 мм. В качестве материала трубки выбираем медь. Для расчёта принимаем значение 371 Вт/(м-К).
Таким образом:
К _-1-= 0 92 (16)
К 1 0,002 1 0,92 ^ 7
— + —-+-
1,2 371 3,9 Для определения разности температур примем среднюю разность теплот между носителями тепла в 100 град. Зная количество теплоты, определив коэффициент передачи тепла и разность температур, преобразуем формулу передачи тепла для определения площади теплообмена:
5100 _ 55,5. (17)
F _-3- + ■
К 0,92-100
сР
Принимая за основу аналогичные предыдущему теплообменнику трубки диаметром 10 см, а высотой 2 м, по формуле вычисляем:
Р
круга
2лД = 0,31 м;
5Г
(18)
Зтрубки = 0,31 • 2 = 0,62 м2 (19)
Тогда для удовлетворения требования необходимой площади теплообмена в данном теплообменном аппарате должно присутствовать 89 таких трубок.
В данном случае нет необходимости в резерве теплоносителя, так как его нагрев будет прекращаться с заходом солнца, а из-за меньшей теплоёмкости, чем у солевого расплава, остывать он будет быстрее. Поэтому его объём не имеет значения, за исключением условия, что он должен быть не меньше объёма солевого расплава, единовременно находящегося в теплообменнике, для покрывания всей площади теплообмена [6 - 8].
Вычислим объём расплава, вмещающегося в теплообменник, по формуле:
V = • 89; (20)
V = 0,023 • 60 = 1,4 м3. (21)
Умножив полученное значение на 2, получим общий объём теплообменника, приблизительно равный 3 м3.
Предлагается установить теплообменный аппарат цилиндрической формы, высотой 2 м и диаметром 1,5 м. Эти размеры позволят вместить необходимый объём жидкостей в теплообменник.
Зная необходимый объём масла в теплообменнике (без учёта находящегося в системе и теплоприемнике солнечного коллектора), вы-
числим его массу, исходя из данных о плотности масла. Средняя плотность масла 1056 кг/м3. Тогда массу находим по формуле:
т = Vpср. (22)
Получим:
т = 1,4 • 1056 = 1478 кг. (23)
В общем виде для расчёта параметров концентратора первоначально необходимо вычислить количество солнечного излучения, принимаемое им. Данный показатель можно рассчитать по формуле:
Нконц = ^конц -Нобщ, (24)
где ^конц - площадь поверхности концентратора, принимаемой излучение, м2; Нобщ - интенсивность солнечного излучения на м2, кВт-ч/м2. Данный показатель можно считать количеством теплоты (0, которое принимает концентратор, для удобства дальнейших вычислений переведя его в Джоули (1 Втч = 3600 Дж).
Поскольку количество теплоты, необходимое для нагрева всей массы солевого расплава, известно, его для удобства нужно разделить на количество теплоты, необходимое в час, с учётом продолжительности солнечного сияния в день.
На рисунке 2 показана продолжительность солнечного сияния по месяцам на юге Тюменской области. Несмотря на то что среднегодовая продолжительность солнечного сияния составляет 11 час. 25 мин., для расчёта параметров концентратора следует ориентироваться на годовой минимум, достигающий в декабре 6 час. 40 мин. Для расчёта количество теплоты в час общее количество теплоты делим на 400 мин. и умножаем на 60 и получаем 66128400 Дж в час.
Зная интенсивность солнечного излучения Нобщ для выбранного региона - 3,5 кВт-ч/м2 = = 12600000 Дж и принимая общее количество солнечного излучения Нконц за количество теплоты, также известное из предыдущих вычислений, преобразуем формулу для вычисления площади поверхности концентратора/концентраторов £юнц:
н
^ _ конц
Н общ
5 _ 440856000 конц _ 12600000
_ 35 м2.
(25)
(26)
Для получения реального числа необходимо обратить внимание на КПД концентратора, указанный в технической документации к нему. Если же концентратор изготовлен самостоятельно, то рассчитать его КПД можно, воспользовавшись различными методиками, приведёнными в научной литературе.
Если взять за основу параболический жёлоб-концентратор с размерами 2^3 м, то для нагрева
данного количества теплоносителя до указанной температуры необходимо 6 концентраторов, что является отличным показателем и предварительно позволяет сделать вывод о рациональности использования системы, хотя бы с точки зрения занимаемой площади [8].
Зная результаты данных вычислений, можно варьировать некоторыми параметрами, подбирая теплоноситель под конкретную задачу, а так же регулируя скорость движения теплоносителя в теплоприемнике.
Исходя из климатических условий Тюменского региона, как описано выше, предлагается внести ряд конструктивных изменений в привычную конструкцию энергокомплекса. В частности, одним из таких изменений является размещение блока системы теплообмена и системы аккумуляции тепловой энергии ниже уровня грунта для минимизации воздействий негативных факторов внешней окружающей среды, а именно отрицательных температур и осадков, способствующих потере тепла из ёмкостей теплообменников.
Размер теплообменного аппарата, выполняющего роль аккумуляции тепловой энергии, составляет 3 м в высоту и 2,5 м в диаметре (цилиндрическая форма). Размер теплообменного аппарата, служащего для подогрева солевого расплава, составляет 2 м в высоту и 1,5 метра в диаметре, аналогично предыдущему он выполнен в форме цилиндра.
Предлагается установить расстояние между теплообменниками 1,5 м, а также 1,5 м от стен с каждой стороны с целью более удобного обслуживания и осмотра и для ещё большей минимизации охлаждения от стен блока. Приблизительно блок будет иметь следующие размеры: длина - 8,5 м и ширина - 5,5 м. Свободное неиспользуемое пространство будет занято насосным
оборудованием, а также системой автоматизации технологического процесса теплообмена.
Высота от верха 3-метрового теплообменника до потолка должна составлять не менее 1 м для выполнения тех же самых целей. В этом случае высота нижней части блока будет составлять 4 м, а верхняя часть теплообменного блока должна быть расположена на глубине от 500 мм ниже уровня грунта, тогда её общее углубление составит 900 мм с учётом высоты отсека [8].
Выше над блоком теплообмена в аналогичном по длине и ширине помещении будет располагаться турбоагрегат, высоту этого помещения целесообразно установить в 4 м, а оставшийся метр засыпать грунтом.
Рассчитав приблизительные размеры энергоблока, следует перейти к выбору материалов. Конструкцию предлагается выполнить из монолита, с армированием стекловолоконной арматурой. Толщина стенки без учёта теплоизоляции должна составлять 40 см, такой толщины предлагается сделать пол и перекрытия с учётом большого веса и нагрузки на конструкцию. В качестве те-пловлагоизоляционного материала используется пенополистирол марки «Экстрол» толщиной 100 мм, с габаритными размерами 1,18^0,58 м.
Проверить эффективность предложенных методов можно, произведя расчёт теплопотерь через стены пол и кровлю здания. Для этого производится расчёт по формуле:
б=—,'
Я (27)
где б - теплопотери, Вт;
S - площадь конструкции, м2; Т - разница температур между внутренним и наружным воздухом, °С; Я - значение теплового сопротивления конструкции, м2-°С/Вт.
2:24:00
Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь
< Продолжительность солнечного сияния — Среднегодовая продолжительность солнечного сияния
Рис. 2 - Продолжительность солнечного сияния в г. Тюмени
1. Теплопотери помещения в зависимости от среднемесячной температуры грунта
Показатель Температура грунта на глубине 500 см, °С
январь февраль март апрель май июнь июль август сентябрь октябрь ноябрь декабрь
Среднемес. температура грунта, °C 7,2 5,8 3,4 2,3 3,4 5,8 7,8 8,6 10,6 9,5 8,4 7,9
Разность температур, °C 32,8 34,2 36,6 37,7 36,6 34,2 32,2 31,4 29,4 30,5 31,6 32,1
Теплопотери Q, Вт 1388,53 1447,80 1549,40 1595,97 1549,40 1447,80 1363,13 1329,27 1244,60 1291,17 1337,73 1358,90
а
01
1800,00 1600,00 1400,00 1200,00 1000,00 800,00 600,00 400,00 200,00 0,00
Январь Февраль Март Апрель
Май
Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь
♦ Теплопотери, Вт -^Н-Среднегодовые теплопотери, Вт Рис. 3 - Теплопотери помещения в зависимости от среднемесячной температуры грунта
Далее рассчитываем разницу между температурой грунта и температурой помещения, принимая температуру внутри помещения 40 °С, что объясняется теплом, отдаваемым теплообменными аппаратами, а также происходящими внутри помещения технологическими процессами. Так как температура грунта в значительной степени меняется в течение года, то расчёт разности температур лучше произвести по месяцам и вывести среднее значение. В таблице 1 представлена среднемесячная разница температур.
После расчётов теплопотерь по месяцам для пола и стен, теплопотери через потолок будут нулевые, так как температурный режим в обоих помещениях будет одинаков. Данные вычислений также приведены в таблице 1 и на рисунке 3.
Среднегодовые потери помещения при выполнении предложенных методов составляют всего 1408,64 Вт-ч. Данный показатель позволяет сделать вывод об очень высокой эффективности предложенных методов и рациональности использования данной конструкции энергокомплекса в сложных климатических условиях.
Исходя из вышеописанных действий сделан вывод о высокой технической эффективности проекта и о рациональности использования предложенной системы в условиях климата юга Тюменской области.
Данные, полученные благодаря расчётам и анализу, создают достаточную базу для технико-экономического обоснования рациональности использования системы.
Литература
1. Абдусаматов Х.И., Богоявленский А.И., Лапо-вок Е.В. Влияние на климат Земли вариаций характеристик атмосферы, определяющих пропускание солнечного и теплового земного излучения // Солнечная и солнечно-земная физика. СПб., 2010. C 9.
2. Амерханов Р.А. Совершенствование методов оценки сельскохозяйственных энергоустановок на основе возобновляемых источников энергии: дис. ... д-ра техн. наук. Краснодар, 2003. 318 с.
3. Ефимов Н.Н., Аль Гези Моафак Касеим Шиа. Оценка производительности и определение характеристик солнечной тепловой электростанции в условиях Ирака // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2015. № 3. С. 45 - 49.
4. Ильин Р.А., Шишкин Н.Д. Комплексная оценка эффективности и создание экспериментальной солнечной водонагревательной установки // Альтернативная энергетика и экология. 2015. № 21. С. 1 - 6.
5. Потявин Д.А. Силовые преобразователи в возобновляемой энергетике . Томск, 2010. C. 30.
6. Комплексное энергоснабжение обособленных объектов от солнечной энергии / Н.И. Стоянов, А.И. Воронин, А.Г. Стоянов [и др.]. Ставрополь: СКФУ, 2014. 96 с.
7. Повышение продуктивности и энергоэффективности животноводческих предприятий за счёт использования системы рециркуляции вентиляционного воздуха с его очисткой и обеззараживанием / В.В. Юркин,
В.В. Волков, Б.В. Жеребцов [и др.] // Вестник Государственного аграрного университета Северного Зауралья. 2013. № 2 (21). С. 87 - 91.
8. Пейль А.К., Жеребцов Б.В., Шахов В.А. Применение солнечного концентратора для получения тепловой
и электрической энергии в условиях климата города Тюмени // Современные научно-практические решения в АПК: сб. ст. II всерос. (национ.) науч.-практич. конф. Тюмень, 2018. С. 317 - 320.
Александр Константинович Пейль, аспирант. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625000, г. Тюмень, ул. Республики, 7, pejl.ak@asp.gausz.ru
Борис Викторович Жеребцов, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625000, г. Тюмень, ул. Республики, 7, zherebcovbv@gausz.ru
Alexander K. Peil, postgraduate. Northern Trans-Ural State Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625003, Russia, pejl.ak@asp.gausz.ru
Boris V. Zherebtsov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Northern Trans-Ural State
Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625003, Russia, zherebcovbv@gausz.ru
-♦-
Научная статья УДК 631.365.22
Адаптация солнечного энергокомплекса с параболическими желобами-концентраторами для эффективного использования в условиях климата юга Тюменской области
Александр Константинович Пейль, Леонид Николаевич Андреев
Государственный аграрный университет Северного Зауралья
Аннотация. Статья посвящена развитию альтернативной энергетики на юге Тюменской области. Данная статья доказывает, что использовать возобновляемые источники энергии можно не только в южных уголках мира, но и в регионах с непростым климатом. Основным условием является рациональный подход к вопросу и адаптация конкретной системы для эффективного использования. Важным аспектом для эффективной работы энергокомплекса является правильный выбор вида, конструкции и размера теплообменника. Основной сложностью в применении теплообменника совместно с концентрирующими солнечными системами является отсутствие возможности контролировать температуру теплоносителя, циркулирующего в желобах-концентраторах. Специфика тюменского климата, неблагоприятный температурный режим делают необходимым внесение конструктивных изменений в привычную конструкцию солнечного энергокомплекса с целью избежания или минимизации воздействий климата на систему и повышения ее эффективности.
Ключевые слова: энергокомплекс, жёлоб-концентратор, теплообменный аппарат, система аккумуляции тепла, турбоагрегат, генератор, адаптация.
Для цитирования: Пейль А.К., Андреев Л.Н. Адаптация солнечного энергокомплекса с параболическими желобами-концентраторами для эффективного использования в условиях климата юга Тюменской области // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 3 (89). С. 173 - 177.
Original article
Adaptation of a solar energy complex with parabolic concentrator troughs for effective use in the climate conditions of the southern Tyumen region
Alexander K. Peil, Leonid N. Andreev
Northern Trans-Ural State Agricultural University
Abstract. The article is devoted to the development of alternative energy in the south of the Tyumen region. This article proves that it is possible to use renewable energy sources not only in the southern corners of the World, but also in regions with a difficult climate. The main condition is a rational approach to the issue and the adaptation of a specific system for effective use. An important aspect for the efficient operation of the energy complex is the correct choice of the type, design and size of the heat exchanger. The main difficulty in using the heat exchanger in conjunction with concentrating solar systems is the inability to control the temperature of the coolant circulating in the concentrator troughs. The specifics of the Tyumen climate, the unfavorable temperature regime, make it necessary to make structural changes to the usual design of the solar energy complex, in order to avoid or minimize the effects of climate on the system and increase its efficiency.
Keywords: power complex, trough-concentrator, heat exchanger, heat accumulation system, turbine unit, generator, adaptation.
