CC BY
26
УДК 631
Конструкция и расчет
мини-гелиоаккумулирующей сушильной установки
К. Т. Норкулова, д-р техн. наук, профессор, Ж. Э. Сафаров, канд. техн. наук, Ш. А. Султанова, М. М. Маматкулов
Ташкентский государственный технический университет
Одним, из главных недостатков ВИЭ является непостоянство поступления энергии во времени. Этот пробел можно устранить аккумулированием энергии. В настоящее время одним из перспективных способов аккумулирования энергии служит тепловое аккумулирование с использованием скрытой теплоты фазового перехода оксидов, гидроксидов, кристаллогидратов, органических и неорганических солей, их эвтектических смесей [1].
На практике солнечные сушильные установки (гелиосушилки) распространены в южных широтах, где солнечная энергия имеет большую интенсивность - до 1,5-2,0 кВт/м2.
По сравнению с более южными широтами Республика Узбекистан имеет большое число ясных дней, а для летнего времени характерен сухой воздух с дневной температурой до 40 °С и выше.
Поэтому, возможно использование солнечных лучей для сушки, но данный метод имеет следующие недостатки:
большое количество ультрафиолетовых лучей в спектре облучения;
снижение времени облучения по мере приближения к осени [2-6].
Цель исследования - сушка лекарственных трав с использованием гелиоаккумулирующей сушильной установки и сохранение биологически активных веществ в конечной продукции.
Для перепада давления между верхним и нежним резервуарами достаточно одной атмосферы. Рассмотрим процесс, происходящий в резервуаре 1. Металлические труб-
ки 3 за счет теплоносителя, с учетом потерь, нагрелись на нагревателе 4 и транспортируют тепловую энергию, причем поверхность металлической трубки выше температуры кипения воды, т. е. 1 >120 °С при Р = 2 атм.
^ ' металл 1
При таких условиях образуется пар, так как верхняя часть водяного столба внутри резервуара 1 нагревается за счет тепла металлических трубок 3.
Часть этого тепла, не превращаясь в пар, переходит в тепло воды, нагревает ее до 120 °С (верхняя часть). Поскольку процесс происходит достаточно быстро, то успевает нагреваться только верхний слой воды; конвективный теплообмен в данном случае отсутствует, так как теплопроводность воды достаточно низкая. В результате фазового перехода жидкость-пар каждый метр воды увеличивает свой объем более чем в 800 раз для данных значений давлений, т. е. от 1 до 2 атм. Это способствует подъему воды из резервуара 1 до резервуара 2; заполняя резервуар 2, вода достигает верхнего уровня сифонной трубки, что соответствует точке изгиба сифона.
В момент достижения верхнего уровня воды происходит опрокидывание. Но чтобы вода пошла вниз, т. е. обратно в резервуар 1, необходимо выпустить пар из резервуара 1, что совершается клапаном 6, который связан с плавающим грузом 5. Когда уровень воды в резервуаре 1 снижается до некоторой заданной отметки, струна натягивается за счет тяжести груза 7. Когда груз расслаблен, что соответствует подъему давления в резервуаре 1, клапан за счет этого давления закрывается. Когда вода
поступает из резервуара 2, клапан также выпускает остаточный воздух и пар из резервуара 1, при этом давление снижается до 1 атм.
Далее опять происходит рост температуры верхнего уровня воды, которая затем превращается в пар с давлением 2 атм. Время опрокидывания, т. е. время повторного заполнения резервуара 1, должно быть достаточно мало по сравнению с временем образования объема пара. Это достигается выбором диаметра сифонной трубки. При этом процесс образования пара начинается с момента достижения уровня воды до металлических труб и поэтому снижение и подъем давления происходит всегда.
Эта схема показывает, что подъем воды при испарении, равном 0,01%, достаточен для протекания данного процесса.
В этом режиме происходит испарение воды. Чтобы получить мощность вакуум-насоса, равную 1 м3/ мин, необходимо выкачать соответствующее количество воды из резервуара 1 в резервуар 2.
Проведем следующий расчет. Пусть начальный объем резервуара 1 равен величине V, причем металл трубки внутри резервуара 1 находится на таком уровне, чтобы обеспечить достаточное парообразование, с одной стороны, и максимальную откачку воды из резервуара 1 в резервуар 2, с другой стороны.
Пар, образующийся в верхнем пласте, имеет объем Д^ где энергия фазового перехода равна
<< = ХрД V,
где р - плотность воды; X - коэффициент фазового перехода.
Перед авторами была поставлена задача: не теряя преимущества существующих систем гелиосушилок, устранить имеющиеся недостатки. Для этого, если ниже второго слоя расположить экран черного цвета с большой теплопроводностью, то получим преобразователь оптических волн в инфракрасной области спектра.
Оптические волны, проходя через два прозрачных экрана и перегретый третий экран, создают вторичное инфракрасное облучение. Поскольку первый и второй слои задерживают ИК-волны, то в замкнутом объеме, где находится третий экран, повы-
THE INNOVATIVE EQUIPMENT - A BASIS OF MODERNIZATION OF BRANCH
85,
шается температура воздуха. Отличительной особенностью такой системы является минимизация потерь и устранение прямых оптических облучений на материал облучения.
Ниже представлена следующая схема сушки (рис. 1)
При такой схеме, как показывают опыты, пластина 3 нагревается до 120 °С и начинает излучать как черный материал. Воздушный слой между пластинами 1 и 2 (межэкранный объем) нагревается за счет теплопроводности 2-го слоя и частичного поглощения солнечной радиации, но снижение времени облучения без аккумуляции энергии невозможно.
Слой 5 состоит из материала, который имеет свойства фазового перехода - из твердого в жидкое состояние и обратно. Энергии тепла, получаемая при перегреве слоя 5, после снижения температуры на объекте 4 постепенно освобождает энергию аккумулированного тепла за счет затвердевания. Но такие материалы имеют, как правило, низкую теплопроводность, и это увеличивает время перехода тепла из внутренних слоев к внешним и наоборот. Периодически расположенные вертикальные металлические стержни позволяют увеличить теплопроводность слоя 6. От их количества и поперечного сечения зависит время проведения вышеописанного процесса.
При подъеме температуры выше 60 °С в слоях, включая слой 6, тепло через стержни и наружный слой 6 проходит далее во внутреннюю часть слоя. В результате происходит образование жидкой массы (в частности, парафин переходит в расплавленое состояние).
Накопительная возможность энергии парафина может составить 150 кДж/кг. При толщине слоя 6, равного h, имеем массу m=pV=pSh, где р - плотность парафина.
Его аккумлирующая способность за счет фазового перехода равна
Q* = ] 50 кДж/кг-pS!i
(1)
Б, а плотность энергии падающих солнечных лучей - ц, то через два первых экрана практически проходит энергия с мощностью цБ.
Если коэффициент поглощения черного материала (он близок к единице) к, то энергия, поглощаемая слоем 3, будет равна величине кцБ. Эта энергия расходуется для повышения температуры воздушно-парового слоя между объектом и экраном 2. Она мала по сравнению с поглощаемой энергией черного экрана.
Но, в основном, энергия выделяется в виде ИК-лучей, потому что из-за малой толщины практически отсутствует конвекционная теплопередача, а более высокая температура характерна для верхнего уровня воздушного слоя.
Если время фазового перехода т - время расплавления, то
TblS = Qt+Ql
(3)
Теплоемкостью стержней при фазовом переходе и теплоемкостью массы парафина можно пренебречь или учитывать лишь в первом приближении
{) (2) Если поверхность экранов равна
Эксперименты и теория подтверждают, что при толщине слоя между объектами 2 и 3, равного 10 см, и при толщине материла Н = 3 см, а также при толщине Н = 12 см, величина т равна 25-30 мин; при этом радиация солнечных лучей находится в пределах 1200-1500 кВт/м2^с, что позволяет получить увеличение времени сушки за счет аккумулированной энергии. При необходимости можно увеличить толщину парафина Н, но это невыгодно с экономической точки зрения и усложняет конструкцию.
На основе вышеизложенных экспериментов и теории предлагается два варианта сушки на базе аккумуляции энергии. Это обычная четырехсторонняя конструкция, которая открывается сбоку или сверху (рис. 2).
Лучи солнца обычно имеют наклон, равный примерно 70-80° относительно вертикали. Поэтому, чтобы лучше использовать энергию Солнца, плоский слой нужно расположить под углом наклона, равного 20-38° (рис. 3).
Тогда
ь-и ь
.
А А
Именно экраны 1-3 способствуют переизлучению в виде инфракрасных волн.
Недостатком таких установок является низкая производительность, т. е. они могут быть использованы
лет журналу
Солнечные лучи
I 4 I I I
ИК-лучи
Рис. 1. Схема плоской гелиосушилки:
1, 2 - прозрачные экраны с низкой теплопроводностью;
3 - темный экран с высокой теплопроводностью;
4 - обезвоживаемый объект; 5 - аккумулятор энергий; 6 - проводники тепла - металлические стержни
Рис. 2. Плоская гелиоаккумулирующая установка
для сушки лекарственных трав:
1, 2 - двухслойная стеклянная поверхность;
3 - преобразователь оптического излучения в ИК;
4 - стабилизатор энергии; 5 - лекарственные травы
для малых объемов сырья; кроме того, из-за невысокой температуры черного экрана полученные излучения являются длинноволновыми.
Поэтому имеет смысл использовать экранирование, которое преобразует оптическое и ультрафиолетовое облучение в инфракрасный диапазон. В частности, использование двух экранов-стекол позволяет снижать ультрафиолет, но в оптическом диапазоне они являются прозрачными и в результате облучения происходит
их проникновение в обезвоживаемые объекты. Это приводит к снижению биологической полноценности активности конечной продукции. В качестве технического решения данной проблемы авторы предлагают использовать двойные экраны, причем внутренний экран сверху должен быть покрыт черным материалом.
Таким образом, данная конструкция отличается простотой схемы и относительно низкой себестоимостью, что позволяет применять ее для малых хозяйств и бытовой сферы. Главное ее достоинство - исключение прямых попаданий солнечных лучей на сырье, при этом нагрев происходит в основном за счет ИК-излучения и контактного теплообмена. Оборудование разработано учеными ТашГТУ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вердиев, Н. Н. Некоторые проблемы при использовании возобновляемых источников энергии и пути их решения/ Н. Н. Вердиев [и др.] // Мат-лы II международной конф. «Возобновляемая энергетика: проблемы и перспективы». - Махачкала, 2010. -С. 16-17.
2. Узаков, Г. Н. Влияние интенсивности солнечного излучения на усушку продуктов в плодоовощехранили-щах/ Г. Н. Узаков, А. Б. Вардияшви-ли // Гелиотехника. - 2011. - № 1. -С. 33-38.
3. Рахимов, Р.Х. Радиационная сушка
с использованием керамикосодержа-
щей полимерной пленки/Р. Х. Рахимов [и др.] // Гелиотехника. - 2007. - № 1. -С. 71-74.
4. Искандаров, З. С. Условие эффективности применения регенеративных аккумуляторов тепла в солнечно-топливных сушилках/З. С. Искандаров // Гелиотехника. - 2003. - № 2. -С. 89-92.
5. Норкулова, К. Т. Способ сушки с сохранением биологически активных веществ в составе плодов шиповника/ К. Т. Норкулова, Ж. Э. Сафа-ров, Б. М. Жумаев // Мат-лы VIII Московского международного конгресса «Биотехнология: состояние и перспективы развития». - М., 2015. -С. 435-436.
6. Норкулова, К. Т. О технологической последовательности переработки плодов шиповника / К. Т. Норкулова, Ж. Э. Сафаров // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2014. - № 11. -С. 9-11.
Конструкция и расчет мини-гелиоаккумулирующей сушильной установки
Ключевые слова
аккумуляция; излучение; лекарственные травы; мини-гелиосушилка; сушка; энергия
Реферат
В статье рассмотрены результаты аналитического исследования аккумулирования тепловой энергии в виде энергии расплавления (затвердения) плоского парафинового слоя в качестве одномерной задачи с соответствующими граничными условиями. При решении задачи использовали свойства приведенных уравнений при нагреве до температуры плавления и охлаждения (затвердевания парафина). Задача о границе раздела фазового перехода решена методом подобия для определенных параболических задач. Представлен эффективный способ переизлучения, т. е. получение ИК-лучей. На практике солнечные сушильные установки (гелиосушилки) распространены в южных широтах, где солнечная энергия имеет большую интенсивность - до 1,5-2,0 кВт/м2. Метод использования солнечной энергии имеет следующие недостатки: высокая интенсивность ультрафиолетовых лучей в спектре облучения; снижение облучения по мере приближения к осени. Поэтому имеет смысл использовать экранирование, которое преобразует оптическое и ультрафиолетовое облучение в инфракрасный диапазон. В частности, использование двух экранов - стекол позволяет снижать воздействие, но такие экраны приводят к обезвоживанию объектов ультрафиолета. Для технического решения данной проблемы предложено использование двойных экранов, причем внутренний экран сверху покрыт черным материалом. Приведено оборудование, разработанное учёными ТашГТУ. Таким образом, данная конструкция отличается простотой схемы и относительно низкой себестоимостью, что позволяет применять ее для малых хозяйств и бытовой сферы; это снижает биологическую активность конечной продукции.
Авторы
Норкулова Карима Тухтабаевна, д-р техн. наук, профессор, Сафаров Жасур Эсиргапович, канд. техн. наук, Султанова Шахноза Абдувахитовна, Маматкулов Машъал Махкамович Ташкентский государственный технический университет, 100 077, г. Ташкент, ул. Университетская, д. 2, jasursafarov@mail.ru
Construction and Calculation of the Mini-Helium Battery Dryer
Key words
drying, mini helio dryer, energy accumulation, radiation, medical herbs Abstracts
The article describes the results of an analytical study thermal energy storage in the form of energy melting (curing) for a flat layer of paraffin in the form of one-dimensional problem with the appropriate boundary conditions. When the solution of the division of property used in the above equations in the case of heating until the melting and cooling ie reducing the temperature to harden the wax. A problem of the interface phase transition resolved by similarity to certain parabolic problems. Also shown is an effective way to re-emission, i. e., receiving infrared rays by the optical energy range. In practice, solar dryers (helio dryer) are common in the southern latitudes, where the sun's rays have a greater intensity - up to 1.5-2.0 kWh/m2. Uzbekistan also has more sunny days than the more southern latitudes. Moreover, in the summer there is a relatively high dry air from daytime temperature to 40 0C and above. Therefore, a reason to use sunlight to dry. This method has the following disadvantages: - A large amount of ultraviolet rays in the spectrum of radiation; - Reduction of exposure time as we approach the autumn. So it makes sense to use the screening, which converts the optical and ultraviolet radiation in the infrared range. In particular, the use of two screens - allows to reduce ultraviolet glasses, but they are in the optical range are transparent and irradiation is their penetration into the dewatering objects. This reduces the usefulness of bio and quantitative component of the final product. As the authors proposed a technical solution to this problem is the use of dual screens, the internal screen, the top covered with black material. Given the equipment developed by scientists of Tashkent State Technical University. Thus, this design is simple scheme and relatively low cost, which makes it suitable for small farms and residential areas. Its main advantage - the exclusion of direct sunlight for raw materials, and the heat is mainly due to IR radiation and contact.
Authors
Norkulova Karima Tukhtabaevna, Doctor of Technical Science, Professor, Safarov Zhasur Esirgapovich, Candidate of Technical Science, Sultanova Shakhnoza Abduvakhitovna, Mamatkulov Mashal Makhkamovich
Tashkent State Technical University, 2, Universitetskaya St., Tashkent, Uzbekistan, 100077, jasursafarov@mail.ru
