CC BY
24составляет меньше 400С. Поскольку для металлических ТХР температурное поле на самой ЛПВ, в зависимости расстоянии от его центра (от диаметра ТХР) меняется незначительно, то для этого типа ТХР этот вопрос не рассмотрен. Для кварцевого ТХР, как видно из рис. 5 и рис.7, температура вблизи ЛВП ТХР меяется несушественно (15-20% от своего максимального значения), а по мере отдаления от ЛВП ТХР, происходит резкое снижение температуры, что может отрицательно влиять на работы такого типа ТХР.
Список литературы
1. Саламов О.М., Гашимов А.М., Алиев Ф.Ф. Перспективы использования солнечной энергии в Азербайджане //Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» 2013. № 8. С.64-78.
2. Salamov O.M., Mammadov F.F., Samadova U.F. Prospects of wind energy application in Azerbaijan. //«ISJAEE». 2010. №1. P.132-144.
3. Рзаев П.Ф. Гелиоэнергоаккумулирующие установки: Автореф. дис....докт. техн. наук. Ашхабад, 1985.
4. Эфендиева Н.Г. Физико-химические процессы гелиогазификации сельскохозяйственных отходов: Автореф. дис. канд. физ.-хим. наук. Баку, 1991.
5. Саламов О.М., Султанова К.Д., Гарибов А.А. Солнечная установка для газификации биомассы и органических отходов. Патент Азербайджанской Республики № I 2012 0093, Баку, 11.01.2012.
6. Саламов О.М., Мамедов Ф.Ф., Самедова У.Ф. Математическая модель для определения энергетических параметров параболического концентратора с плоским гелиоприемником. Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология», Москва, 2008, № 7, s.s. 66-74.
7. О.М.Саламов, Ф.Ф.Алиев. Перспективы получения альтернативного топлива из различных видов биомассы и органических отходов в Азербайджане. Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (^АЕЕ), 2019, 01-03, с.25-41.
8. Электронный ресурс: Termalinfo.ru.
РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СОЛНЕЧНОЙ УСТАНОВКИ С ПАРАБОЛИЧЕСКИМ КОНЦЕНТРАТОРОМ ДЛЯ ГАЗИФИКАЦИИ БИОМАССЫ И ТВЕРДЫХ
ОТХОДОВ
Саламов О.М.
Институт Радиационных Проблем НАНАзербайджана, Ведущий научный сотрудник, Доктор философии по физики, доцент
Алиев Ф.Ф.
Международная Экоэнегетическая Академия, Вице-президент МЕА, Доктор философии по техническим наукам
CALCULATION OF THE HEAT BALANCE OF A HIGH-TEMPERATURE SOLAR INSTALLATION WITH PARABOLIC HUB FOR GASIFICATION OF BIOMASS AND SOLID WASTE
Salamov O.
Institute of Radiation Problems of NAS of Azerbaijan, Leading Researcher, Doctor of Philosophy in Physics, Associate Professor
Aliyev F.
International Eco-Energy Academy, MEA Vice President, Doctor of Philosophy in Engineering
Аннотация
В работе приводятся результаты расчета теплового баланса высокотемпературной солнечной установки (ВТСУ) с параполическим концентратором (ПК), предназначенной для газификации биомассы (БМ) растительного происхожения, а также различных видов органических отходов (ОО). В табличной форме даются результаты, полученных из проводимых расчетов.
Abstract
The paper presents the results of calculating the heat balance of a high-temperature solar installation (HTSI) with a parapolic concentrator (PC) designed for gasification of biomass (BM) of plant origin, as well as different types of organic waste (OW). The results obtained from the calculations are given in tabular form.
Ключевые слова: солнечная радиация, параболический концентратор, кварцевое стекло, термочимический реактор, лучевоспринимающая поверхность, тепловой поток, тепловые потери, температура, биомасса, органические отходы, смеси горючих газов.
Keywords: solar radiation, parabolic concentrator, quartz glass, thermochemistry reactor, radiation surface, heat flux, heat loss, temperature, biomass, organic waste, combustible gas mixture.
Введение
В настоящее время во всем мире, в основном, для получения как электрической, так и тепловой энергии, используются традиционные виды топлива (твердые, газообразные и жидкие), которые имеют ограниченные запасы. Кроме того, на сегодняшний день, как в других странах мира, так и в Азербайджане, в сельской местности в качестве топлива используется древесина, запасы которой также, при незапланированном использовании, могут быть исчерпаны. Кроме того, использование традиционных видов топлива приводит к ряду экологических последствий [1]. Например, при использовании традиционных видов топлива атмосфера загрязняется парниковыми газами (СО2, СН4, N20, Б-газы и т.д.), а также другими ядовитыми газами (N0^ 802 и т.д.), что приводит к повышению средней температуры околоземной атмосферы, за счет чего часто во многих странах мира происходят разнообразные катаклизмы. Как было указано выше, традиционные виды топлива используются как в теплоэлектрических станциях, с целью выработки электрической энергии, так и в централизованных системах теплоснабжения и горячего водоснабжения, в основном городского населения (жилые массивы), а также различных государственных предприятий (фабрики, заводы, фермерские хозяйства, больницы, пансионаты, туристические объекты, военные предприятии, школы, детские сады, объекты общественного питания, рестораны, кафе и.т.д.). Кроме того, некоторые виды традиционного топлива используются также в качестве сырья для получения других видов продукта. Так, например, из метана путем паровой конверсии получают экологически чистое и стратегическое альтернативное топливо - водород,. Большой интерес представляет получение новых альтернативных видов топлива из неисчерпаемых видов сырья. В этом аспекте, как с
энергетической, так и с экологической точки зрения более перспективным считается получения альтернативного топлива из БМ и ОО, в виде горючей смеси газов (ГСГ). Однако, для осуществления процесса превращения БМ и ОО на ГСГ требуется значительная тепловая энергия. В существующих промышленных термохимических реакторах (ТХР) для этой цели используются около 40% исходного сырья, в процессе горения которых также образуются вышеуказанные парниковые газы. Это приводит значительному снижению общей эффективности ТХР. Поэтому, начиная с 80-х годов в лаборатории «Преобразование возобновляемых видов энергии» Института Радиационных Проблем НАН Азербайджана ведутся научно-исследовательские работы по получению ГСГ в составе Н2+СО+СН4, путем пиролиза и газификации различных видов БМ растительного происхождения, с использованием ВТСУ с ПК [2-4]. Были созданы различные виды ТХР, которые прошли натурные испытания в климатических условиях Апшеронского полуострова, в частности, г. Баку.
Азербайджан по ресурсам солнечной энергии является одной из ведущих стран мира. Территория Азербайджана по режиму распределения ресурсов солнечной энергии разделена на четыре зоны: А, Б, С и Д. Причем, радиационный режим Д относится только лишь к Нахичеванской Автономной Республики, а режимы А, Б и С - к основной территории Азербайджана. Апшеронский полуостров, в том числе г. Баку входит в зону С. В табл.1 приведены данные по солнечному кадастру, в частности годовые ходы изменения числа часов солнечного сияния и энергия солнечной радиации, поступающей на 1 м2 в горизонтальной и наклонной плоскостях, в условиях г.Баку [5-кадастр].
Таблица 1
Годовые ходы изменения числа часов солнечного сияния (Т) и энергия солнечной радиации, поступающей на 1 м2 горизонтальной (Ег) и наклонной (Ен) плоскостях, в климатических условиях
Параметры Месяцы Годовые
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
T, час 101 98 158 201 309 359 363 354 250 198 117 94 2602
Er, кВт ч/м2 60,0 78,7 118,7 158,2 193,9 229,0 229,0 211,9 170,9 102,1 66,3 54,7 1673
Ен, кВтч/м2 81,0 98,4 136,5 159,8 174,5 201,5 199,2 205,5 200,0 147,0 112,0 94,6 1810
Как видно из таблицы 1, для климатических условий г, Баку, входящий в зону С, по ресурсам солнечной энергии, использования ВТСУ с ПК для получения ГСГ из различных видов БМ и ОО, вполне целесообразно, а в регионах, входящих в зоны А и Б применение солнечной энергии для указанной цели, более эффективно, так как эти зоны по ресурсам солнечной энергии опережают зону С и Д. Несмотря на это, во всех четырех зонах можно использовать солнечную энергию, особенно для производства электрической энергии, с использованием полупроводниковых
фотоэлектрических преобразователей, и тепловой энергии, с применением различных видов солнечных коллекторов (плоских, трубчатых).
Учитывая актуальность использования солнечной энергии для производства ГСГ из
различных видов БМ и ОО, путем газификации , ниже приводится методика расчета теплового баланса ТХР ВТСУ с ПК.
1. Теплотехнический расчет ПК ВТСУ как источника тепловой энергии
Для проведения расчета СВТУ с ПК приняты следующие исходные данные:
а) метереологические данные для условии г. Баку:
- количество часов солнечного сияния - свыше 2500 часов / год (см. Табл.);
- максимальное значение прямой солнечной радиации, падающей пенпердикулярно на
поверхность ПК - Е0 = 3600 к Дж/м2 час =1,0
кВтчас/м2;
- количество рабочих дней в году - п = 150-180 дней;
- максимальная расчетная скорость ветра - V = 25 м/сек;
б) конструктивные и оптические характеристики ПК:
- диаметр ПК - = 1,5 м;
- коэффициент интегрального отражения -
Япк = 0,8;
- фокальное расстояние - / = 0,637 см;
- половина угла раскрвтия ПК - в = 600.
в) теплотехнические параметры: -предел,достижимой температуры - Тмакс =
30000С;
- максимальная тепловая нагрузка в зоне солнечного диска (в зоне фокального пятна) -(65-90) 106 кДж/м2час;
- диаметр круга, на фокальной плоскости, (диаметр солнечного диска) на который сконцентрируются отраженные от поверхности ПК
[ - dr
10 мм.
солнечные лучи -
Геометрическая форма ПК образуется за счет вращения параболоида, описываемого формулой: ¥пк = 2 Р ■ х, (1)
где: Р=2/ - двойное фокусное расстояние.
Фокальное расстояние ПК определяется из выражения:
^=^--\_ , (2)
У 4 tgв/2
где: и - радиус угла охавта ПК в одну сторону
(и = и/2 = 600).
Кривая распределения энергии в фокальной плоскости ПК описивается формулой:
E _ 13,75 • 103 ERnK sin2 в И2 exp
- 3,286
1 + cose'
(3)
2
r
где: Г - радиус солнечного диска на фокальной плоскости ПК (Г = ёсд/2); И - коэффициент
геометрического совершенсва ПК, доля единицы.
После вставления численных значений соответствующих параметров, в формуле (3) получим:
Е = 83,5 ■ \06 ехр [- \\,88 ■ \04 ■ г2 ] кДж/м2час Мощность отражаемого от ПК потока солнечных лучей определяется из формулы:
Q = Е0ЕшКпк = 5090 кДж/час = 1,415 кВт Принимая коэффициент лучеиспускания ^ =1, коэффициент поглашения - А = 0,5 и
минимальную температуру в солнечном диске tмuн = 20000С, определяем необходимую нагрузку:
A E„„=a
п мин
\4 / \ 4
мин | . E _I ^MUH I "
100 I ' мин_ A I 100 J =
4,6106 кДж/м2час В центральной точке солнечного диска (фокус ПК) температура составляет t макс=
\004jАп Емакс/&■£ = 30000С. При этом, тепловая нагрузка в зоне солнечного диска (в зоне фокального пятна) составляет Емакс = 65,71106 кДж/м2час, что согласуется с исходными данными.
Средняя равновесная температура для рабочей части солнечного диска равна:
t _
ср
t +1
мин макс
2000+30000 _ 2500» С
2 2 Соотношение минимального и максимального значения тепловых нагрузок в области солнечного диска составляет:
E
f_ мин
^ _ E„
= 0,07
макс
Тогда относительное количество
используемой тепловой нагрузки составит Т = \-£ = 0,93 Теперь можно определить радиус изображения на фокальной плоскости ПК, куда поступают 93% энергия солнечных лучей, отраженных от его поверхности:
Г
изобр
1
4343 \
lg
1
1 -ц
= 5,5 мм
Таким образом, диаметр круга, в котором получается температура выше 20000С равен ~ 11 мм с общей мощностью 1,415 кВт.
На рис. 1 представлены кривые изменения тепловой энергии (теплового потока) на фокальном изображении (солнечный диск) на фокальной плоскости ПК, в зависимости от радиуса изображения для значений геометрического совершенства ПК И =4 (кривая 1) и И =2 (кривая 2), соответственно.
кДж/м2-час
Гизобр , мм ---► Гизобр, мм
Рис.1. Кривые распределения тепловой энергии на фокальном изображении (солнечный диск) на фокальной плоскости ПК в зависимости от радиуса изображения: кривые 1 и 2 для значения геометрического совершенства ПК - Н =4 и Н =2, соответственно
2. Анализ факторов, влияющих на тепловой баланс ВТСУ с ПК, для получения ГСГ из БМ и ОО
Для составления теплового баланса ТХР, в первую очередь надо знать материальный баланс процесса. Так как на тепловой баланс влияют многие факторы, например, веса, температуры, агрегатные состояния и химические составы всех участвующих в процессе материалов. Тепловой баланс показывает, сколько энергии потребляют полезные эндотермические процессы, сколько тепла передается путем теплообмена, как велик запас тепла в полученной ГСГ, сколько теплоты теряется вследствии неполноты сгорания топлива, вследствии перегрева полученных продуктов и несовершенства тепловой изоляции.
Анализируя тепловой баланс, можно отыскать причины низкой эффективности и статьи где может быть достигнута экономия, можно оценить качество тепловой изоляции и установить где изменением режима или конструкции установки можно получить наибольший экономический эффект, повысить коэффициент полезного действия и обеспечить высокое качество продукции. Составлению теплового баланса предшествует подробное выяснение распределения материалов в изучаемом процессе.
Подсчет всех поступающих материалов и всех образующихся продуктов ведется в форме материального баланса. В материальном балансе суммы весов всех поступивщих материалов в ТХР, приравниваются сумме весов образоаващихся
основных и побочных продуктов и отходов. При составлении материального баланса требуется обычно не только знать общие весовые количества, но также и химический состав всех материалов, загрузку, выгрузку, количество отходов и потерь, так, чтобы можно было составить баланс по любому элементу и любой составной части участвующих в поцессе материалов.
Ниже приведен расчет теплового и материального балансов. Процесса газификации твердого топлива, в том числе, БМ и ОО, при температуре ~ 10000С, с использованием ВТСУ с ПК.
Для составления материального баланса процесса газификации, состав полученной ГСГ принимался на основании литературных данных и экспериментальных результатов [3,6,7].
Из принятого процентного состава полученной ГГС (49% СО, 49% Н2,1,5% СО2 и 0,5% N2), следует, что из 1 кг С принятого за базис (нами приводятся также результаты расчета, для случая, когда за базис берется 100 кг С), учитывающего спесифику внешнего подвода тепла за счет солнечной энергии на реакцию образования СО расходуются 0,954 кг С, а далее реакцию образования СО2 расходуется 0,046 кг С.
Далее, по реакциям был
С+Н2<О*> СО+Н2 и С+2Н2О —СО2+2Н2 найден расход и получение компонентов.
Данные проведенных расчетов приведены в табл. 2.
Данные о материальном балансе ВТСУ с ПК для получения ГСГ из БМ и ОО
Таблица 2
Входящие компоненты На 1 кг С На 100 кг С Выходящие компоненты % вес На 1 кг С На 100 кг С
С 1,0 100,0 CO 85,8 2,226 222,6
Н2О 1,569 156,9 CO2 6,5 0,1687 26,87
Н2Онепр. 0,43 43,0 H2 6,7 0,1743 17,43
N2 0,257 2,57 N2 1,0 0,0257 2,57
Данные, приведенные в табл.2 в дальнейшем были использованы при проведении расчетов теплового баланса ВТСУ.
Как видно из данных по материальному балансу, значительная часть водяного пара (Н2Онепр.) выходит из ситемы и уносит с собой тепловую энергию, как конвективные тедовые потери. Необходимо отметить, что в отличие от промышленных установок для газификации БМ, у которых в качестве источника тепла (топлива) используется часть исходного сыръя, в данном случае энергия полностью обеспечивается извне, за счет ПК. Эта энергия составляет более 40%, в обшемтепловом балансе процесса газификации.
3. Методика расчета теплового баланса ТХР ВТСУ с ПК, предназначенного для получения ГГС.
На практике в ТХР, нагреваемого с использованием ПК, создается определенный температурный режим, обеспечивающий наиболее высокую интенсивность разложения исходного сырья. В зависимости от тепловых эффектов, протекающих в ТХР реакций и оптимального значения температуры, к ТХР тепло как подводят со стороны внешнего источника тепла (в данном случае со стороны ПК), так и отводят (тепло, уносимое ГСГ, вышедшей из ТХР, тепловые потери в виде теплового излучения из лучевоспринимающей поверхности ТХР), либо сохраняют на уровне, при которой поддерживается необходимый температурный режим для проведения процесса разложения БМ или ОО на ГСГ. Таким образом, выбор оптимального теплового режима и разработка метода поддержания этого режима имеет большое практическое значение при проведении расчета теплового баланса ТХР.
В данном случае теплоэнергетические расчеты проводятся для сферического ТХР, с внутрениим и
наружным диаметрами йвн = 100 мм и й = 140
мм, соответственно (вместо с теплоизоляцонным покрытием), изготовленный из кварцевого стекла, нижняя сторона расположенная на фокальной плоскости (ФП) ПК которого, снабжена прозрачным окном, для поступления сконцентрированных солнечных лучей. В качестве сыря предусмотрено исползование любого типа равномерно нагретого углеродосодержащего твердого топлива (каменный уголь, измельченные и прессованные древесные отходы, а также другие виды БМ растительного происхождения), в виде цилиндра, с диаметром 40 мм и высотой 100 мм,
которое рапологается в вертикальном направлении, в центре ТХР. Так как ТХР с нижней стороны снабжен прозрачным окном, то
сконцентрированные солнечные лучи из этого окна непосредственно поступают на нижнюю часть сыръя, расположенного внутри его. Поэтому, в данном случае основание ТХР играет только лишь роли "прозрачного окна", а не лучевоспринимаюшей поверхности, как у металлических ТХР [1] и поскольку солнечные лучи, отраженные от ПК, проходя через "прозрачного" окна, непосредственно поступают на нижнюю плоскость исходного сыръя (БМ), в виде цилиндра, то эта часть его играет роли гелиоприемника. Для придерживания БМ, во внутренном пространстве ТХР, в вертикальном направлениии, используется держатель из кварцевой трубки, диаметром 8-10 мм., которая с верхней стороны прикреплена на пробку, играющую роль крышки для ТХР, а с нижней - к тигелю, выполненному в виде стакана. На рисунке 2. представлена конструктивная схема сферического кварцевого ТХР испльзуемого в ВТСУ с ПК за образец.
Как видно из рис.1, несмотря на то, что на поверхности гелиоприемника температура сотавляет свыше 10000С, из-за низкого значения теплопроводности кварцевого стекла, всего на нескольких см расстоянии от него, т.е. в нижней части боковой стенки ТХР температура падает до уровня 300-450°С. Кроме того, на теплоизоляционном покрытии, в средней части температура сотавляет 120-1500С, а в наружной части падает до 70-950С и все эти данные относятся к нижней части ТХР. На горловине ТХР температура падает до температуры окружающей среды. Поэтому на всех участках, кроме нижней части ТХР теплопотерями в виде теплового излучения можно пренебречь.
Расчеты проводятся для двух значений интенсивности солнечной радиации (ИСР): максимального - 1000 и минимального (для ПК) -500 Вт/м2, которые были приняты как основные параметры, наблюдаемые в климатических условиях Азербайджана [8].
За основное уравнение принималось уравнение баланса поступающей и уходящей тепловых энергий:
Qn = Qy, (4)
где: Qи и , соответственно поступающая и уходящая тепорвые энергии.
Рис.2. Конструктивная схема сферического кварцевого ТХР испльзуемого в ВТСУ с ПК за
образца:
1- стеклянный корпус ТХР; 2- теплоизоляция; 3- пробка для закрытия горлышку ТХР; 4- трубка для подачи водяного пара; 5- патрубок для выхода ГСГ; 6- держатель из кварцевого стекла; 7- размельченая и прессованная БМ или ОО; 8-тигель для поддержания гелиоприемника (исходного сыръя); 9- ПК; 10- дозатор с поплавковым регулятором; 11- испаритель для подготовки водяного пара; 12- пробки для герметического закрытия верхней части трубки дозатора и испарителя; 13- патрубок для подачи холодной воды в дозатор; 14- поплавок
Поступающая тепловая энергия состоит из двух составляющих: энергия солнечного излучения 01 и внутренняя энергия нагреваемых реагентов
02:
0п = 01 + 02, (5)
При этом, внутренняя энергия реагентов определяется из выражения:
02 =Етг ■ Ъ , (6)
где: т и , соответственно масса I и
энтальпия I компонента исходного сыръя.
Из таблицы термодинамических величин [9,10] определено, что при 300С величина 02 составляет 2,5%, от её значение при 10000С, в спавнении с величиной 01 ещё меньше. По этой причине, в дальнейшем величиной 0 можно
пренебречь.
Баланс тепловой энергии, для ТХР можно описывать в следующим виде:
0БТЭ = 03 + 04 + 05 + 06 + 07 , (7)
где: 03 - энергия, расходуемая на проведение химических реакции; 04 - энергия уносимая продуктами реакции; 05 и 06 - соответственно тепловые потоки (потери) через стенки ТХР и держателя; 07 - теплопотери в виде теплового
излучения через "окно".
В данном случае осуществляется конверсионный способ превращения угля или же другого вида углеродосодержащего исходного
сырья (биомассы), в ГСГ в присутствии, в качестве окислителя, водяного пара:
Н2О + С = СО + Н2, (8)
При этом, энергия расходуемая на проведение
химических реакции 03 определяется из следующего выражения:
03 = т0Р , (9)
где: т - расход водяного пара; // - доля прореагировавщегося водяного пара, которая может быть определена из соотношения:
Л= 02/ 03
Целью расчетов является также определение температурных режимов ТХР, нижней части БМ, играющей роли гелиоприемника, расположенная в непосредственной близости ЛВП ТХР и выхода целевых продуктов, при заданных мощностях и различных расходах реагентов для нахождения максимального выхода ГСГ.
Исходя из общих соображений можно было ожидать, что при данной мощности, поступающей в ТХР, и затратах на проведение химической реакции, температура ТХР и нижней части БМ, находящаяся в его реакционной зоне (вблизи ЛВП), установится на уровне обеспечивающем отток оставшейся мощности в окружающее пространство.
Необходимо отметить, что значительная часть солнечного излучения, достигшего до ЛВП, в том числе, в нижнюю часть исходного сыръя, играющего роль гелиоприемника, отражается обратно, а остальная часть преобразуется в тепло. От гелиоприемника тепло уходит как излучением, так и теплопроводностью и конвекцией. При этом,
теплопотери в виде теплового излучения через "окно" определяется из выражения:
,4
Q7 £ г£0С
Т
г
Т
100,
—
0
100
ff C0S ^Г • COS^0 • dSГ • dS0 ' ' л r
(10)
где: ег и £0 - степени черноты, ^ и Т0 -температуры, а dSг и dS0 - элементарные площади гелиоприемника и «окна», соответственно; (г -угол, под которым dS0 виден из dSг; (р0 - угол, под которым dSг виден из dS0; г - расстояние между dS0 и dSг; С - коэффициент излучения
абсолютного черного тела (С = 5,67 Вт/м2К4).
Для проведения дальнейших расчетов
принимаем: ег = 0,82; е0 = 1.
Qm
c • Sr
1 Sr
— + —
'■г S1
Как видно, в уравнении (10) подынтегральное выражение не зависит от температуры. После его вычисления и постановки постоянных, получим
упрощенную выражению для определения Q7 :
Q7 _1,3 •Ю-
T^ 100,
—
Tl 100
(11)
Энергия теплового излучения от гелиоприемника на внутреннюю поверхность ТХР может быть определена из выражения [9]:
-1
V£1
TL 100
TL 100
(12)
где: ^ и е - соответственно, площадь и степень черноты внутренней поверхности стенки ТХР, Т -температура внутренней поверхности ТХР; ^ - эффективная площадь активной (нижней) части гелиоприемника (ЛВП).
Подставляя численные значения
соответствующих коэффициентов и площадей для определения величину Qríí, получаем следующую упрощенную уравнению:
Qm _1,58 -10-
Тт
100
—
Tl 100
Qk _ S экв •% \Тг -т )
8
где:
: S
К
где: А - коэффициент теплопроводности
прослойки; Gг и Рг, соответственно критерий Грасгофа и Прандтля;
(13)
Конвективные теплопотери можно определить с использованием формулы:
(14)
-эквивалентная
Gr _
ß gd3
v
•Tr -Т,); Pr _v
(16)
где: ¡3 - коэффициент объемного расширения; V - коэффициент кинематической вязкости; а -коэффициент температуропроводности; d -характерный драмер (диаметр ТХР или же гелиоприемника); g - ускорение свободного падения.
Проведя оценки конвективного теплообмена,
определяем, что для данного случая
пр '
- эквивалентная поверхность, которая
равна S экв
теплопроводность; 8 - толщина прослойки.
Эквивалентная теплопроводность определятся из выражения:
\0,3
принимая, что тепло через прослойку в основном передается излучением и теплопроводностью, можно определяять тепловой поток через прослойку из выражения:
Аср -{Тг -Т\)
qт =
1 1
(17)
где:
dr и
d.
соответственно диаметр
Аэкв = 0,\05 А ■ (Ог ■ Рг)0,3, (15) гелиоприемника и внутренний диаметр ТХР; Аср -
ср
средняя теплопроводность прослойки.
Таким образом, конечное выражение теплового потока через прослойку имеет вид:
4
U"0
4
4
3
4
4
1
4
4
и
Qt =
Г тт
1,58 -10
т
—
-2 V
100) v 100,
тг - т)
■+23,3 А
ср
•{Тг -т\)
(18)
4
4
Тепловой поток через стенку ТХР может быть найден из следующего уравнения:
2-Лср ■(Т1 -Т 2) 05 =-¡р \ г), (19)
где: - наружный диаметры ТХР, Т2 -температура наружной поверхности ТХР.
С учетом абсолютной температуры Т^ и ТТХр внутренней и наружной поверхностей ТХР,
соответственно, получим:
(гл ТХР т ТХР )
__\ вн нар '
5 =
1
1
(
1 _ 1
dn
\
+
1
(20)
• d2
а1 ' ¿1 2Лср ^ ^ „ 2 )
где: ах и а2 - коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхностей ТХР, соответственно.
Л, Вт/м - °С 2,5
2,0 1,5 1,0
Учитывая линейную зависимость,
теплопроводности от температуры Л = Л0 + аТ, и
подставляя численные значения некоторых параметров, получим квадратное уравнение, связывающее температуры внутренней и наружной поверхностей ТХР и тепловой поток через его стенку:
^ =-136+7(136 + )2 + 4,14-10 - 05, (21)
От внешней стенки ТХР тепловой поток уходит тепловым излучением, вынужденной конвекцией и теплопроводностью. Как видно из рис. 3 теплопроводность кварцевого стекла даже при температурах свыше 10000С невысокая, а температура на внешней стенке ТХР на 10-11 раза меньше этого значения (см. рис.2). Поэтому, в данном случае для кварцевого ТХР, тепловые потоки (в том числе тепловые потери) от внешней стенки ТХР можно пренебречь.
0,5
-400
0
400
800 1200
Т ,0С
Рис. 3. Графическая зависимость теплопроводности кварцевого стекла от
температуры
Тогда получим:
,4"
Q5 =«2 S2 {T2 -Tb )+£2CS2 -
с T л4 г T л
■*- О ИР
V100 )
пр
V1°°)
(22)
где:
T И Т.
пр •
температуры окружающего
воздуха и окружающих предметов (принимаем
Т =Т ).
в ир-7
Так как гелиоприемник имеющий цилиндрическую форму (уголь или измельченная и прессованная БМ) находится концентрически, внутри ТХР, то для нахождения а2 мы не можем воспользоваться табличными данными, ввиду того,
что в данном случае основную роль играет вынужденная конвекция.
Принимая скорость ветра 8 м/с и произведя необходимые преобразования в формуле (22) получим уравнение для расчета температуры наружной поверхности ТХР, вблизи его основания, при температуре окружающей среды 298 К.
/ гг, \4
Qs =- 762,8 + 3,98T + 0,298
TL 100
(23)
При оценке теплопотерь, через держатель гелиоприемника, учтено, что теплоотдача держателя только на её торцевой поверхности отлична от нуля. Тогда при диаметре 0,5 см, длине 20 см и X = 10 Вт/м0С, для разности температур, держателя
ы=
между торцами
06 = 3-10 3 Аг. При
количество
теплопотерь
ы, получим: 10000С общее через держатель
составляет 3 Вт/(м2град) или 10,8 кДж/м2град и, следовательно ими можно пренебречь. На рисунке 4 представлены графические зависимости параметров (количества общей смеси исходного материала с водой - т , углерода - тс
водяного пара -т.
и
выхода ГСГ- VH со)
полученных из первого этапа проведения теплового расчета по определению материального баланса ВТСУ с ПК
тсм , mc > mH2a > Ю-3кг/час; VHi+со, 10-3м3/час
450 400
350
300
250
200
150
100
50
0
о — тсм (1000 Вт/м2)
□ — тс (1000 Вт/м2)
д — mH2O (1000 Вт/м2)
X — VH2+CO (1000 Вт/м2)
ж — тсм (500 Вт/м2)
о - тс (500 Вт/м2)
+ — mHO (500 Вт/м2)
- - V
650 750 850 950 1050 1150 1250 1350
T 0C
1ГП ' C
H2+CO
(500 Вт/м2
Рис.4. Графические зависимости параметров (количества общей смеси исходного материала с водой - тсм, углерода - тс, водяного пара - тн^0 и выхода ГСГ - Ун +со ), полученных из первого этапа теплового расчета по определению материального баланса ВТСУ с ПК
Из представленных графиков видно, что как для максимального (1000 Вт/м2), так и для минимального (500 Вт/м2) значений энергии солнечной радиации, в зависимости от увеличения температуры на лучевоспринимающей части гелиоприемника, т.е. в области реакционной камеры ТХР, располженной вблизи его ЛВП, выход
ГСГ V
H-, +CO
сначала быстро растет и достигает
максимума и затем падает.
При этом, для обоих значений энергии солнечной радиации максимальный выход горючей смесм газов наблюдается при температуре 900-950°С Для энергии солнечной радиации 500 Вт/м2, дальнейший рост температуры приводит к значительному снижению выхода ГСГ. Это обусловлено тем, что во-первых, при малых значениях солнечной радиации и больших температурах, тепловые потери, на общий тепловой баланс ТХР влияет намного сильнее, чем при малых температурах. Во-вторых, поскольку в данном случае рассматривается ТХР, который изготовлен из прозрачного кварца, то со временем его нижняя часть, расположенная вблизи реакционной камеры ТХР, за счет образующиеся,
при термохимическом разложениии БМ или же ОО, сажи, а также смещанного с водяным паром мелких частей (пылеобразного) угля теряет свою прозрачность, а это отрицательно влияет на дальнейшее поступление концентрированных солнечных лучей на активную поверхность гелиоприемника и приводит к значительному снижению выхода ГСГ. На этот процес значительно влияет также продолжительность разложения одинакового количества БМ, что также зависит от общей температуры процесса, так как при малых температурах и одинаковом количестве поступления водяного пара, происходит не полное разложение. Поэтому, чем больше продолжаются процессы разложения исходного сыръя, при малых температурах, тем меньше становится к.п.д. процесса и выход горючего газа. За счет тепловых потерь происходит также смещение максимума выхода ГСГ в сторону меньших температур, по отношению к максимуму равновесной кривой реакции водяных паров с углеродосодержащим топливом (угля), в том числе раздробленной БМ, растительного происхождения, чего можно уменьшить с применением качественной тепловой изоляции.
Полностью ликвидировать падающий участок, снижением теплопотерь через стенку ТХР, не возможно, так как при этом остаются теплопотери, связанные с уносом теплоты, продуктами разложения исходного сырья.
С учетом вышеуказанных уравнений, а также уравнения (8) был рассчитан тепловой баланс процесса газификации твердого топлива , в том числе БМ и ОО, с использованием солнечной энергии.
Для составления окончательного теплового баланса процесса газификации, следует использовать энергии следующих компонентов: тепловая энергия компонентов у входа в ТХР, при
температуре 200С - 0в2х° С, тепловые расходы на
образования компонентов СО и СО2 - ,
суммарная тепловая энергия выходящих из ТХР
^г ^>1000°с
и
компонентов при температуре 10000С - О доля тепловой энергии поступающей из ПК на гелиоприемник - Ы^пк, которые описываются по формулам:
62°0С _ 0С , ОН2О , ОН2Опепр. ,
вх °вх °вх °вх °вх
0р = 0Р
,СО + QCÜ2
QlOOVC = QCO + QC02 + qH2 + QN2 + Q r
^вых
\ ых + 0Р _ ~ Овх =
Результаты расчетов теплового баланса процессов газификации твердого топлива, в том числе БМ и ОО, с примененем солнечной энергии приведены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты расчетов теплового баланса процессов газификации твердого топлива в том числе БМ и ОО в
Компоненты теплового баланса QC° QCO QC z-увх Q Н2О Qвх /0Н 20нещ> Qвх Qn2 ^вх Q C0 z-yвых Q CO2 Qвых Q Н2 ¿-увых QN2 вых \Н20непр Qвых
Количество тепловой энергии 9350,0 42,0 40,0 131,6 36,0 1,3 2100,0 176,4 2436,0 25,0 1806,0
Таким образом, из табл.3 получаем, что А^пк = 15716,5 кДж.
Отсюда, учитывая, что мощность ПК с диаметром 1,5 м, сотавляет 5090 кДж/час, можно определять к.п.д. ВТСУ, в целом, который составляет:
щ = • 100 = 5090 • 100 = 32,4% Щпк 1 57 1 6,5
Максимальное значение полезно
используемой части тепловой энергии составляет около 40%. В данном случае отличия общего к.п.д. ВТСУ от указанной величины связано с тепловыми потерями в области теплоприемной части гелиоприемника, в виде теплового излучения, а также конвективными тепорвыми потерями, возникающими за счет высокой температуры выходяшей ГСГ из реакционной камеры ТХР.
Анализируя поученные из расчета материального и теплового балансов ВТСУ с ПК, результаты, можно прийти к выводу, что, в целом, использование солнечной энергии для указанной цели весьма выгодна.
Список литературы
1. О.М.Саламов, Ф.Ф.Алиев. Перспективы получения аоьтернативного топлива из различных мидов биомассы и отходов м Азербайджане. Международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология", 2019, № 01-03, с.25-41.
2. Рзаев П.Ф. Гелиоэнергоаккумулирующие установки: Автореф. дис....докт. техн. наук. Ашхабад, 1985.
3. Эфендиева Н.Г. Физико-химические процессы гелиогазификации сельскохозяйственных отходов: Автореф. дис. канд. физ.-хим. наук. Баку, 1991.
4. Саламов О.М., Султанова К.Д., Гарибов А.А. Солнечная установка для газификации биомассы и органических отходов. Патент Азербайджанской Республики № i 2012 0093, Баку, 11.01.2012.
5. Саламов О.М., Гашимов А.М., Алиев Ф.Ф. Перспективы использования солнечной энергии в Азербайджане //Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» 2013. № 8. С.64-78.
6. Салманова Ф.А., Мустафаева Р.М., Саламов О.М. и др. Кинетика взаимодействия древесного угля с водяным паром в гелиореакторе. Colloquium-journal, Technical science, №2(54), 2020, c.14-17.
7. Ольгин А.А. Разработки технология получения синтез газа из смеси тяжелых нефтяных остатков и биомассы. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Астрахань, 2019, 147 с.
8. Mammadov F.F., Samadova U.F., Salamov O.M. Experimental resalts of using a parabolic trough solar collector for thermal treatment of crude oil. Journal of Energy in Southern Africa, vol. 19, No 1, February, 2008, s.s. 70-76.
9. Амелин А.Т., Зубова И.Г., Зайцев В.Н. Химические реакторы. М: Химия, 1973, 98 с
10. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомель А.С. Теплопередача. М: Энергия, 1978, 476 с.
