CC BY
49
Ахадов Ж. З., Абдурахманов А. А.
4. ЭНЕРГЕТИКА ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЙ И АВТОМАТИКА
4.1. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЕМНИКОВ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ СОЛНЕЧНЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
УСТАНОВОК
Ахадов Жобир Замирович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник. Институт Материаловедения НПО «Физика-Солнце» Академия Наук Республики Узбекистан; Международный институт Солнечной энергии, e-mail: ahadovj@mail.ru
Абдурахманов Абдужаббар Абдурахманович, д-р техн. наук, зав. лаборатории Большие Солнечные Установки. Институт Материаловедения НПО «Физика-Солнце» Академия Наук Республики Узбекистан, e-mail: aabdujabbar46@mail. ru
Аннотация: В работе приведены расчеты режима кипения воды, нагрева и перегрева водяного пара в фокальной зоне Большой Солнечной Печи (БСП) и определен оптимальный расход воды. Приведены экспериментальные результаты температуры пара в фокусе БСП в зависимости от мощности концентрированного солнечного потока.
Ключевые слова: кипения воды, солнечная энергия, концентрация солнечных лучей, паровой котел, перегретый пар.
4.1. DEVELOPMENT AND RESEARCH OF STEAM GENERATORS RECEIVERS OF SOLAR HEAT POWER INSTALLATIONS
Akhadov Jobir Zamirovich, PhD, Senior research of the Institute of Material Sciences, SPA «Physics-Sun» Academy of Science of Uzbekistan; International Solar Energy Institute, e-mail: ahadovj@mail.ru
Abdurahmanov Abdujabbar Abdurakhmanovich, Professor, Head of Laboratory of Big Solar Furnace Institute of Material Sciences, SPA «Physics-Sun» Academy of Science of Uzbekistan, e-mail: aabdujab-bar46@mail.ru
Abstract: The paper presents the water boiling mode calculations, heat and steam heat in the focal zone of the Big Solar Furnace (BSP) and determined the optimal water flow. Experimental results of steam temperature on BSS focus depending on the power of concentrated solar flux.
Index terms: water boiling, solar energy, the concentration of sunlight, steam boiler, superheated steam.
В общем случае солнечный приемник парогенератор выполняет те же функции, что и обычный парогенератор [1]. Однако в солнечных парогенераторах имеем меньшие возможности по выбору геометрии лучевоспринимающих поверхностях и в связи с этим, имеем ограничения на конструктивные решения приемников [2-3]. Дело в том, что приемники солнечных установок являются принципиально открытыми, имеют входное отверстие для подвода концентрированного солнечного потока, которое является источником теплопотерь.
Ранее вопросы расчета солнечных парогенераторов для концентраторов непосредственного слежения практически не рассматривались. В литературе имеются сведения, что такой котел был создан для концентратора диаметром 10м (Ташкент), однако ни характеристик, ни методики её расчета в литературе не имеется. В настоящее время имеется достаточно много газовых приемников для двигателей Стирлинга, однако здесь также нет данных по расчету геометрии приемника с точки зрения обеспечения требуемых плотностей на лучевоспринимающих (ЛП) поверхностях. Можно отметить, что в литературе имеются сведения о проблемах работы приемников для нагрева газа. В частности, в [1] было предложено введение дополнительной поверхности (двойная сетка) перед ЛП для равномеризации потоков.
Для одновременного получения электрической и тепловой энергии, а также водорода в фокальной зоне БСП необходимо определить соответствие площади участка тепловой стабилизации потока и площади участка гидродинамической стабилизации потока. В общем случае задачей расчета приемника-парогенератора является определение следующих параметров:
1. Определение площади поверхности испарителя - БИ.
2. Определение площади поверхности пароперегревателя - Бп.
3. Выбор параметров нагревательных труб: - диаметр D, толщина стенок s, длина L для испарителя и пароперегревателя.
4. Производительность котла по пару - П, [ кг/с].
5. Геометрия поверхности нагрева и её расположение
Исходными данными для расчета солнечных установок являются:
1. Мощность источника - Ф
2. Диаметр пятна изображения в фокальной плоскости -
3. Средняя плотность потока - Еср
4. Рабочее давление пара - РР
Прежде чем переходить к анализу задачи, уточним некоторые термины и определения, используемые в парогенераторах.
Кипением называется процесс интенсивного парообразования, происходящего во всем объеме жидкости, находящейся при температуре насыщения или несколько перегретой относительно температуры насыщения, с образованием паровых пузырей [4]. Таким образом, для возникновения процесса кипения необходимо выполнение двух условий [4]:
- наличие перегрева жидкости относительно температуры насыщения;
- наличие центров парообразования.
Температура насыщения - температура, при которой начинается кипение. Температура насыщения, как известно, зависит от давления. Так например, при температуре насыщения 2000С давление насыщения составляет около 1.55 МПа (15.5 атм). Если рабочее давление в системе 10 атм., то минимальная температура нагрева, при которой может начаться процесс кипения, составит около 1800С [5].
Различают два основных режима кипения: пузырьковое и пленочное. Таким образом, в исходных данных на расчет должно быть задано рабочее давление пара, которое определяет температуру воды в испарительной части и общем, определяет температуру стенок испарителя. При достаточном отводе образуемого при кипении пара плотность потока, подаваемого на стенки испарителя, может меняться в широких пределах и ограничивается только так называемым кризисом кипения, который находится на уровне 500 Вт/см2 [6]. Рассмотрим основные этапы расчета.
Этап расчета. Определяется расчетная производительность котла по пару - ПП, [ кг/с]:
ПП = Ф*Пк /Ь, (2.14)
где % - кпд котла, И - энтальпия пара,[кДж/кг] , включающая теплоту парообразования г и энтальпию воды - ЬГ, нагретую до температуры насыщения.
Рассмотрим вариант, когда температура пара равна температуре насыщения ^ = 1800С, % = 0.5, р =10атм и Ф и 500кВт. Из /С , 126/ ЬГ = 2777.1кДж/кг, или
ПП = Ф*щ /Ь" = 500*0.5/2777.1 = 0.09 кг/с (2.15)
Соответственно, таким же будет и расход питательной воды. Для такого расхода, в первом приближении, задавшись внутренним диаметром питательной трубы - (0 , можно определить скорость движения в ней воды <в0, или
< = 4*Пп/(Рв *71*<Зо2), (2.16)
где рВ - плотность воды и рП - плотность пара. При t = 1800С рВ = 1000 кг/м3 и рП = 5кг/м3.
При (0 = 50мм получим, что скорость движения питательной воды равна
Простейшая схема задачи - нагрев воды в трубе (см. рис.1) с наружным диаметром DН и внутренним диаметром DВ при постоянных на стенке трубы плотности потока дС или температуре ТС . Задача сводится к определению длины I трубы, откуда определим и площадь поверхности нагрева.
О)0 = 4 *ПП/ (p*n*d02) = 4*0.09/
(2.17)
/(1000 *3.1416*2500 *10) = 0.0458 м/с а скорость движения пара <вП = 9.1м/с.
Скорость движения пара, в принципе, при сохранении рабочего давления может быть увеличена путем её дополнительного нагрева в пароперегревателе. При этом увеличение скорости в первом приближении пропорционально отношению температур Т/ТН , или ^+273)/^Н + 273). Так при повышении температуры пара с 180 до 3500С увеличение скорости составит (350+273)/(180+273) = 623/453 = 1.37.
Оценим площадь поверхности теплообмена (без пароперегревателя).
Рис.1. Схема трубчатого нагревателя.
Коэффициент конвективной теплоотдачи 1\1и от стенок трубы к воде (газу, пару), изменяется по длине трубы и в пределе, на некоторой длине становится близкой к некоторой постоянной величине 1\1и<х> . Длина трубы за которой теплообмен стабилизируется сравнима с длинами участков тепловой 1т и гидродинамической 1Г стабилизации потока, равными согласно [5]:
¡т = 1т* Не*бЭ (2.18)
¡Г = 1-Г* Не*Рг*бЭ , (2.19)
где 1_т и 1_Г - индивидуальные для каналов разной формы поперечного сечения постоянные (для трубы 1_т = 0.065 и 1_Г = 0.07); Ке - число Рейнольдса (Ке = <в*(Э^, где V - кинематическая вязкость теплоносителя), и Рг - число Прандтля теплоносителя и (Э - эквивалентный диаметр трубы ( для круглой трубы (Э = DВ). В нашем случае теплоноситель -вода и <в = 0.0458 м/с, (Э = 50мм = 0.05м. При средней температуре воды в трубе ТЖ = 1000С Рг = 1.75, а V = 0.295*10-6[м/с] ( при ТЖ = 2000С Рг = 0.93, V = 0.158*10-6[м/с] ). Отсюда следует, что в первом случае Ке = 0.0458*5*10-2/ 0.295*10-6 = 7762, т.е. режим течения будет ближе к турбулентному, или
1т = 1_т* Ке*(Э = 0.065*7762*0.05 = 25.2м
1Г = 1_Г* Ке*Рг*( = 0.07*7762*1.72*0.05 = 46.7м.
Соответственно, площадь участка тепловой стабилизации потока будет равна 4м2 , а площадь участка гидродинамической стабилизации потока 7.33м2.
Отсюда следует, что, во-первых, движение теплоносителя в котле будет нестабилизированным, и, во-вторых, водонагреватель в виде одиночной трубы неприемлем, т.е. во-донагревающая часть котла должна представлять систему параллельных труб с такой же или меньшей скоростью движения воды. Необходимо отметить, что отсюда так же следует, что в котле, в общем случае должны быть три участка. Первый - нагрев воды до температуры насыщения, второй - для интенсивного кипения воды, и третий участок - пароперегреватель. С точки зрения теплообмена наиболее сложным является второй участок, где имеем двухфазный поток (пар и вода). Методы расчета теплообмена в двухфазном потоке базируются на опытных данных, справедливых для исследованной области, например методика Миропольского и др., справедливая при условиях:
D = 11.7 - 34.3мм, Кеч = 5*103 - 1*105 (Кеч = яЬ/(гц'), где д - плотность теплового потока на стенке, Ь - капиллярная постоянная, г - теплота парообразования, ц' - динамическая вязкость жидкости; д/(р' <в0 г') = 1.7* 10-2 ^1*102 и р/рКр = 0.02 ^0.44.
В связи с указанным, прежде, чем перейти к расчету теплообмена в двухфазном потоке, проведем оценки необходимой плотности потока и отсюда, в первом приближении, общей лучевоспринимающей поверхности котла.
Ахадов Ж. З., Абдурахманов А. А.
Так плотности потоков д на стенках промышленных паровых котлов, также в общем радиационных, составляют от 30 до 250 Вт/см2 (например, плотность потока в черном факеле при температуре пламени Т=1600К составит д = ст*Т4 = 43.7 Вт/см2, а при Т=2273К д = 151.3 Вт/см2.)
Для таких уровней плотностей потоков от 30 до 150 Вт/см2 площадь лучевоспринимающей поверхности котла БЛП при падающей мощности Рс 500 кВт должна будет находится в пределах
$лП = Рс/Я = 500кВт/(30+150)*104 = (1.7 +0.33), [м2] (2.20) Пусть БЛП = 1м2, что соответствует д = 50 Вт/см2. Определим длину трубы для принятого выше её внутреннего диаметра D = 50мм. Считая, что толщина стенки трубы составляет 2 мм и она облучается с одной стороны, имеем L = 2БЛП / л*@+ 2s) = 2*1/(3.1416*(50 +4)*10-3 = 11.8м. Однако, расчеты показывают, что при полученной для D=50мм скорости питательной воды <в0 = 0.0458м/с, принятая плотность потока д = 50Вт/см2 велика - температура нагрева стенок трубы будет превышать 400-500°С. Вообще желательно, исходя из допустимой температуры нагрева трубы из обычной стали (естественно, что она должна выдерживать рабочее давление в системе, которое может составить порядка 11-15атм.), либо надо применять жаростойкий материал с максимально возможными температурами нагрева, до 600-700°С. При этом имеем возможности подачи плотностей потоков до 500Вт/см2.
Уменьшения температуры нагрева стенок трубы можно добиться различными способами, например, уменьшая диаметр трубы и за счет этого увеличивая скорость теплоносителя (суммарный массовый расход воды для заданной мощности Ф = 500 кВт при этом должен оставаться постоянным).
При этом необходимо учитывать, что участок подогрева воды будет намного меньше участка получения и перегрева пара (теплоотдача к пару намного меньше, чем теплоотдача к воде, хотя за счет большей скорости пара (почти в 20 раз больше, чем воды) эти различия в теплоотдаче могут оказаться несущественными, но даже при одинаковой теплоотдаче, очевидно площадь поверхности кипения и перегрева будет, как минимум в 20 раз больше поверхности участка нагрева воды. Отсюда следует, что реальный путь обеспечения заданных параметров нагрева - это четкое разделение участков испарения и перегрева. При этом на участке испарения необходима система с минимально возможными диаметрами трубок.
Соотношение между площадями испарения воды и площадью перегрева пара должно составлять не менее 1/20. (Эта величина важна только с точки зрения выделения участков, в которых условия теплообмена существенно различаются). Дело в том, что реально имеется три участка -кипения воды, смешанный участок (пароводяная смесь) и третий из паровоздушной смеси. Обычно первый и второй участки относят к испарительной части, однако, как видно из расчета парогенератора, необходимо учитывать и промежуточный участок.
На основе полученных результатов расчета был разработан паровой котел для получения перегретого водяного пара в фокусе БСП (см. рис.2). Полученный перегретый пар используется для выработка электрической и тепловой энергии и водорода.
б)
Рис.2. Фотография комбинированная установка в фокусе БСП: а) передний вид парового котла; б) задний вид парового котла-1; система мембраны для получения водорода-2; система накапливания перегретого пара-3; турбина-генератор для получения электричество-4.
Предварительные эксперименты показали, что испаритель воды желательно выполнять в виде цельной цилиндрической трубы диаметром 100мм, а пароперегреватель - в виде одиночной спирали из трубы с наружным диаметром 40 мм из стали марки БМ100п40. Спираль образовывала полостной приемник с формой, близкой к части сферы. Диаметр выходного отверстия такого приемника составил D=1600 мм. Количество витков спирального пароперегревателя составило 12, в центральной его части располагался общий приемник пара, также в виде цилиндрической трубы - Dn=100 мм. С целью повышения стойкости к высоким световым ударам сердцевина (диаметром 200 мм) лицевой поверхности покрыта сталью электрофорезом толщиной 5мм (предел прочности стали алч=0.8-1 ГПа). Угол раскрытия приёмника составлял около 100 градусов. Для дополнительного повышения температур перегретого пара разработали и установили паропе-регревательная система.
На выходе из общего пароперегревателя (общего сборника пара), находящегося возле оси, устанавливалась селективная мембрана, которая являлась катализатором и одновременно выделяла водород из паровой смеси.
Работа макета происходит следующим образом. Вода из сети с помощью насоса при давлений в диапазоне 3-12 атм, в зависимости от интенсивности солнечной радиации, подаётся на испаритель. При солнечной радиации 800 Вт/м2, к концентратору направляются 18-28 гелиостатов. В это время в фокусе БСП достигается плотность 240-400 Вт/см2. Средняя скорость подачи холодной воды составляет 7-8 л/мин.
Выводы:
Расчеты и эксперименты приемников парогенераторов солнечных теплоэнергетических установок показали, что в фокусе БСП в зависимости от мощности концентрированного солнечного потока можно довести температуру пара вплоть до 7000С при давлении 12 атм. (учитывая применяемый металл). При этом также замечена зависимость параметров пара от времени выдержки потока.
Экспериментально получено, что при солнечной радиации 800 Вт/м2, к концентратору направляются 18-28 гелиостатов. В это время в фокусе БСП достигается плотность 240-400 Вт/см2. Средняя скорость подачи холодной воды составляет 7-8 л/мин.
Список литературы:
1. Захидов Р.А., Абдурахманов А., Клычев Ш.И. Оптимизация радиационных характеристик высокотемпературных приемников концентрированного солнечного излучения. Сб. Исп. Солнца и других источников лучистой энергии в материаловедении. - Киев: Наукова думка, 1983. -С. 24-30.
2. Абдурахманов А.А., Клычев Ш.И., Ахадов Ж.З., Маматкосимов М.А. Методика расчетно-экспериментальной оценки характеристик ЗКС.// Гелиотехника, 2005. -№1. -С.62-66.
3. Абдурахманов А.А., Ахадов Ж.З., Маматкосимов М.А.Расчетно-теоретическое определение распределения энергии в фокальной плоскости Большой Солнечной Печи. // Гелиотехника, -2005. -№4. -С.38-44.
4. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. -М: Энергия, 1975. -С.486.
5. Спэрроу Э.М., Сесс РД. Теплообмен излучением. -М: «Энергия», -1977. -С. 294.
6. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Под общ. ред. Панова В.А., Л. -М: Машиностроение, 1980, 742с.
РЕЦЕНЗИЯ
на статью Ж.З. Ахадова, А.А. Абдурахманова «Исследование и разработка приемников парогенераторов солнечных теплоэнергетических установок»
В статье приведены результаты расчеты режима кипения воды, нагрева и перегрева водяного пара в фокальной зоне Большой Солнечной Печи (БСП) для получения электрической и тепловой энергии, а также водорода. Приведены экспериментальные результаты среднего расхода воды и достигаемой температуры пара в фокусе БСП в зависимости от мощности концентрированного солнечного потока.
Для оценки производительности и для определения оптимального расхода воды были определены площади поверхности испарителя - SИ и поверхности пароперегревателя - Sn. Определены соотношения между площадями испарения воды и площадью перегрева пара и производительности котла по пару - ПП.
На основе полученных результатов расчета был разработан паровой котел для получения перегретого водяного пара в фокусе БСП. Полученный перегретый пар используется для одновременной выработки электрической и тепловой энергии и водорода.
Расчеты и эксперименты приемников парогенераторов солнечных теплоэнергетических установок показали, что в фокусе БСП в зависимости от мощности концентрированного солнечного потока можно довести температуру пара вплоть до 7000С при давлении 12 атм. (учитывая применяемый металл). При этом также замечена зависимость параметров пара от времени выдержки потока.
Экспериментально получено, что при солнечной радиации 800 Вт/м2, к концентратору направляются 18-28 гелиостатов. В это время в фокусе БСП достигается плотность 240-400 Вт/см2. Средняя скорость подачи холодной воды составляет 7-8 л/мин.
Работа выполнена на высоком научно-техническом уровне и может быть опубликована в журнале «Computational nanotechnology».
Рецензент
д-р техн. наук
Рахимов Р.Х.
