CC BY
85
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №11-3/2016 ISSN 2410-700Х_
УДК 621.574.013-932.2
Р.А. Ильин
к.т.н., доцент, заведующий кафедры Теплоэнергетики Института Морских технологий, Энергетики и транспорта Астраханского Государственного Технического Университета
г. Астрахань, Российская Федерация А.А. Ермачков студент 1 курса магистратуры Института Морских технологий, Энергетики и транспорта Астраханского Государственного Технического Университета
г. Астрахань, Российская Федерация
РАЗРАБОТКА ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРА
Аннотация
Выполнен анализ и оценка мировой литературы в области разработок гелиоэнергетических термотрансформаторов. Выбрана наиболее перспективная по своей конструкции установка и произведен ее дальнейший расчет гелиоприемной части генератора-абсорбера. Было получено значение коэффициента полезного действия и проведено экономическое обоснование гелиоэнергетического термотрансформатора. Уточнены уравнения реакций рабочих комплексных соединений, участвующих в реакциях работы абсорбционного термотрансформатора в генераторе-абсорбере. Проведены теоретические и экспериментальные замеры температур обогреваемой поверхности реактора в плоских зеркальных концентраторах. Приведены графики экспериментальных исследований температур нагреваемой поверхности в течении суток, изменение тепловых потоков солнечной энергии на гелиоприемник в течение дня.
Ключевые слова
Гелиоэнергетический термотрансформатор, солнечный холодильник, абсорбционный гелиохолодильник
Возрастающее потребление энергии в мире, ухудшение экологии окружающей среды, угроза глобального потепления, ограниченность и дороговизна имеющихся природных ресурсов, таких как газ, нефть, уголь заставляет прибегнуть к необходимому поиску новых источников энергии. В настоящее время актуальной проблемой является использование возобновляемых источников энергии, таких как: солнечная и геотермальная энергия, энергия ветра и биомассы, а также других нетрадиционных источников.
В работе рассматривается вопрос разработки гелиоэнергетического термотрансформатора для получения теплоты и холода, работающего от энергии солнечной радиации [1-5].
Создание гелиоэнергетических термотрансформаторов сорбционного типа циклического действия для бытовых нужд в системах производства (замораживание и охлаждение), хранения, кондиционирования и отопления является одним из способов экономии традиционных энергоносителей и сохранения экологической чистоты окружающей среды.
Проведен анализ и обзор патентной и научно-исследовательской литературы по исследованию и разработке гелиоэнергетического термотрансформатора.
Целью работы являлось получение теплофизических параметров генератора-абсорбера гелиоэнергетического термотрансформатора, работающего в летний период в Астраханской области. Данная цель была достигнута следующим образом: уточнение уравнения реакций рабочих комплексных соединений, участвующих в реакциях работы генератора-абсорбера абсорбционного термотрансформатора, изучение термодинамических процессов, протекающих в гелиоэнергетическом термотрансформаторе «сухой» абсорбции, проведение экспериментальных замеров температур обогреваемой поверхности реактора в плоских зеркальных концентраторах, холодильной камеры, испарителя, проведение замеров падающей солнечной радиации.
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №11-3/2016 ISSN 2410-700Х_
Гелиоэнергетический термотрансформатор периодического действия (рис.1) имеет в своей конструкции 4 основные части: генератор-абсорбер (солнечный коллектор), конденсатор, ресивер и испаритель, который находится непосредственно в охлаждающей камере.
период зарядки период регенерации
Рисунок 1 - Принцип работы гелиоэнергетического термотрансформатора: 1-генератор-абсорбер; 2-конденсатор, 3-ресивер, 4-обратный клапан, 5-регулирующий вентиль, 6-реактор, 7-охлаждающая камера, 8-испаритель, 9-ванна с водой или льдом.
Принцип работы гелиоэнергетического термотрансформатора абсорбционного типа довольно прост. Гелиоэнергетическая установка работает в две фазы: фаза зарядки - абсорбция хладагента при охлаждении абсорбера ночью, сопровождаемая охлаждением испарителя; фаза регенерации - десорбция хладагента при обогреве генератора солнцем, сопровождаемая сжижением хладагента в конденсаторе [2]. Рабочей парой в исследовании является хлористый кальций и аммиак.
Вовремя 1-ой фазы к генератору подводится теплота, при этом давление повышается и при достижении определенной температуры, примерно 100-110°С, начинается выделение из абсорбентов паров хладагента. Время разогрева - около 3 часов. В зависимости от характера химического соединения выпаривание идет ступенями, строго соответствуя определенным температурным интервалам. Пары хладагента поступают в конденсатор, конденсируясь стекают в ресивер, заполняя одновременно и змеевик. Десорбция хладагента длится 7-8 ч.
Вторая фаза начинается после прекращения подвода теплоты к генератору - период испарения-поглощения. Генератор, который в это время становится абсорбером, охлаждается, в системе падают температура и давление. При этом хладагент в испарителе начинает кипеть при низком давлении, с одновременным производством холода. Образующиеся при кипении пары хладагента поступают в генератор-абсорбер, где начинают поглощаться сорбентом. Хладагент совершает обратный путь по тем же трубопроводам: испаряясь в испарителе, пары через ресивер и конденсатор поступают в абсорбер до тех пор, пока не испарится весь хладагент. После испарения всего хладагента в испарители, цикл считается завершенным и может начинаться снова. Время абсорбции хладагента 9-11 ч.
Основные научные идеи, заложенные при разработке гелиоэнергетического термотрансформатора заключаются в выборе наиболее перспективной по своей конструкции установки и дальнейшем расчете эффективности гелиоприемной части генератора-абсорбера, экономическом обоснование гелиоэнергетического термотрансформатора, в проведение экспериментальных испытаний на открытом полигоне города Астрахани элементов гелиоэнергетического термотрансформатора и получение новых технических результатов.
Был проведен анализ и сопоставление рабочих пар с помощью критериев работы гелиоэнергетических холодильных установок и уточнены уравнения реакций образования комплексных соединений солей и хладагентов в термодинамических процессах «сухой» абсорбции/десорбции (1)-(3).
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №11-3/2016 ISSN 2410-700Х_
СаСЬ + 2NH3 ^ абсорбция/десорбция ^CaCh-2NH3 + А/реак (1)
диаммиакат
СаСЬ • 2NH3 + 2 • NH3 ^ абсорбция/десорбция ^СаСЬ • 4NH3 + А/реак (2)
тетроаммиакат
СаCЬ•4NHз + 4NH3 ^ абсорбция/десорбция ^СаСЬ- 8NH3 + А/реак (3)
октоаммиакат
^ абсорбция, образование комплексных соединений (выделение теплоты в окружающую среду, при пониженной температуре, ночью).
• десорбция, распад комплексных соединений (поглощение теплоты от солнца при повышенной температуре днём).
Парами рабочих веществ, необходимых для работы гелиоэнергетических термотрансформаторов «сухой» абсорбции, на основе аммиака и солей щелочноземельных металлов являются: аммиак - хлористый кальций (NH3/CaCh); аммиак - хлористый стронций (NH3/SrCh); аммиак - хлористый барий (NH3/BaCh). Наиболее распространенными и ходовыми считаются пары: аммиак - хлористый кальций и аммиак -хлористый стронций [1]. Однако, в качестве соли был выбран хлористый кальций, т.к. является дешевым по отношению к хлористому стронцию.
Теоретический цикл работы гелиоэнергетического термотрансформатора «сухой» абсорбции можно представить в диаграмме Клапейрона (lnP - (-1/Т)). Данная диаграмма позволяет наглядно представить и проанализировать теплофизические процессы, происходящие в установке. Теоретический термодинамический цикл работы сорбционного гелиотермотрансформатора, работающего с использованием рабочей пары аммиак - хлористый кальций ^Ш/СаСЬ) представлен на рис.2 [5].
Рисунок 2 - Термодинамический цикл работы гелиоэнергетического холодильника на рабочей паре СаСЬ
АБ -процесс изостерического нагрева октоаммиаката хлорида кальция СаQ2•8NHз;
БВ(БГ; БК) - процесс десорбции хладагента из аммиаката соли при постоянном давлении, протекающий до образования тетроаммиаката СаQ2•4NHз или до образования диаммиаката СаCh•2NHз или до образования чистой соли СаСЬ, в зависимости от температуры нагрева;
ВЕ(ГД; КМ) - процесс изостерического охлаждения комплексных соединений;
МА(ДА;ЕА) - процесс «сухой» абсорбции в абсорбере;
З - процесс конденсации в конденсаторе;
Ж - процесс кипения в испарителе;
ЗЖ - процесс дросселирования хладагента.
Благодаря экспериментальной установке, были проведены замеры солнечной радиации и температур в различных точках генератора-абсорбера, холодильной камеры и испарителя.
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №11-3/2016 ISSN 2410-700Х_
На основании проведенных экспериментальных исследований предлагаются графики показаний солнечной радиации в течение дня, графики зависимости измеряемых температур в различных точках генератора, графики зависимости усреднённых измеряемых температур гелиоустановки в г. Астрахани
(рис.3).
120
08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 24:00 02:00 04:00 06:00 08:00
время, ч
Рисунок 3 - Графики зависимости усреднённых измеряемых температур гелиоустановки в г. Астрахани: 1 - поверхности генератора-абсорбера; 2 - наружного воздуха; 3 - в холодильной камере; 4 - в испарителе.
Также были получены следующие результаты испытаний термотрансформатора, которые показали положительный эффект его работы: максимальная температура нагрева в генераторе днём и = 118,8 °С; максимальная температура абсорбера ночью tа = 64,8 °С; минимальная температура охлаждения в испарителе ночью Ь = -12,4 °С; время абсорбции 9-11 ч; время десорбции 7-8 ч; минимальное давление в аппарате при воздушном охлаждении конденсатора ночью равно 0,25 МПа, днём максимальное значение примерно 25 МПа; изменение массы в ресивере 0,03-3 кг. Получены результаты измерений температуры, давления и расхода жидкого холодильного агента, подтверждающие работоспособность установки.
Полученные значения температуры реактора в различных точках, а также падающая солнечная радиация и отводимое тепло из нагревательных элементов позволили провести расчет эффективности гелиоэнергетического термотрансформатора и получить значение коэффициента полезного действия данного устройства и составили:
• полная солнечная радиация, падающая на поверхность - @пад = 616,3 ^
• значение холодопроизводительности - = 100 Вт
• значение КПД - пТ = 16 %
Суммарные затраты на приобретенное оборудование (с учетом монтажных, транспортно-заготовительных, проектно-изыскательских работ), руб.:
Зоб Зоб + Зпр + Зтр + 3Ха + См.р. + Стзр + Зпир = 11974 (руб.), где
Зоб - стоимость оборудования, руб; Зпр - стоимость приборов автоматики, измерительных и электроприборов, руб; Зтр - стоимость трубопроводов и арматуры, руб; Зха - стоимость холодильного агента и соли, руб.; См.р. - стоимость монтажных работ, руб.; Стзр - стоимость транспортно-заготовительных расходов, руб.; Зпир - затраты на проектно-изыскательские работы, руб.
В перспективе планируется разработка гелиоэнергетического термотрансформатора улучшенной конструкции, имеющую малую материалоемкость, лучшие энергетические характеристики и значения низких температур. Поиск, анализ и применение оптимальных конструктивных параметров плоских зеркальных концентраторов, селективных покрытий гелиоприемной части гелиоэнергетического
Ъ
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №11-3/2016 ISSN 2410-700Х_
термотрансформатора для повышения температуры реактора и, следовательно, улучшение десорбции аммиака, а также поиск новых сорбентов и рабочих веществ.
Указанные достоинства, а также простота в изготовлении и эксплуатации делают такие термотрансформаторы вполне конкурентоспособными по сравнению с компрессионными термотрансформаторными агрегатами. Данный гелиоэнергетический термотрансформатор может использоваться для охлаждения, замораживания, получение льда, аккумулирования холода в регионах с высокой активностью солнца и местностях, удаленных от центрального электроснабжения (жилые помещения, островные хозяйства, пастбища скотоводов, рыбоводные хозяйства, места временного пребывания людей). Также установка проста в эксплуатации, имеет низкую стоимость, экологическую безопасность и мобильность (небольшой размер позволяет транспортировать установку на легковом автомобиле).
Список использованной литературы:
1. М. Ф. Руденко, Ю. В. Чивиленко. Гелиоэнергетические термотрансформаторы «сухой» абсорбции циклического действия: монография/ М.Ф.Руденко, Ю.В. Шипулина; Астрахан. гос. техн. ун-т. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2013. - 172 с.
2. Ю. В. Чивиленко, Б. Ж. Туркпенбаева, М. Ф. Руденко, В. М. Федотов. Повышение эффективности гелиоэнергетических холодильных установок сорбционного типа // ВЕСТНИК АГТУ - 2008 - № 2 (43) - С. 126-131
3. Р. А. Ильин, Н. Д. Шишкин. Комплексная оценка эффективности и создание экспериментальной солнечной водонагревательной установки // Альтернативная энергетика и экология - 2015 - №21(185) - С. 14-19
4. Г. Б. Багдуев, Д. М. Чалаев. Солнечное охлаждение // Известия ДГПУ - №2 - 2008 - С. 1-8
5. М. Ф. Руденко, Ю. В. Шипулина. Моделирование термодинамического цикла работы адсорбционного гелиоэнергетического термотрансформатора// ВЕСТНИК АГТУ. Сер.: Морская техника и технология - 2011 - № 3 - С. 136-140
© Ильин Р.А., Ермачков А.А., 2016
УДК 697
Л. М. Имамова
Бакалавр 4 курса Факультета трубопроводного транспорта ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
г.Уфа, Российская Федерация Р. М. Сайтов
Бакалавр 4 курса Факультета трубопроводного транспорта ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
г.Уфа, Российская Федерация
О ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ЗАМЕНЫ РЕДУКЦИОННО-ОХЛАДИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ТУРБИНОЙ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПАРА
Аннотация
В статье рассмотрен способ повышения энергетической эффективности систем пароснабжения -замена редукционно - охладительной установки на паровую турбину. Представлен расчет показателей работы системы до и после мероприятия. Выполнено технико-экономическое обоснование применения паровой турбины.
Ключевые слова
Редукционно - охладительная установка, турбина, энергосбережение
