МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК НА РЕАКТОР ГЕНЕРАТОРА - АДСОРБЕРА ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Авторы:
1.
Астраханский государственный технический университет
Астраханский государственный технический университет (канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры безопасности жизнедеятельности и инженерной экологии )
Астраханский государственный технический университет (канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры безопасности жизнедеятельности и инженерной экологии )
2.
Астраханский государственный технический университет
3.
Астраханский государственный технический университет
(доктор технических наук, профессор; профессор кафедры безопасности жизнедеятельности и инженерной экологии )
Тип:
Статья
Страницы:
с 148
по 154
Статус:
Опубликован
Получено:
20.04.2013
Одобрено:
20.04.2013
Опубликовано:
25.04.2013
Классификаторы:
УДК 621.576:614.8.084
ББК [31.392.3:31.368]:[35.112:52.81]
ББК [31.392.3:31.368]:[35.112:52.81]
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
генератор-адсорбер, моделирование оптической части, зеркальные концентраторы, математическая модель, тепловые потоки, распределение температурных полей
Аннотация (русский):
Рассматривается моделирование оптической части конструкции генератора-адсорбера. Приведена математическая модель расчета генератора-адсорбера, проанализировано распределение температурных полей и тепловых потоков в поперечном сечении в простой и оребренной конструкции генератора-адсорбера. Проанализированы различные конструктивные решения реактора, повышена эффективность его функционирования в гелиоэнергетической установке.
Рассматривается моделирование оптической части конструкции генератора-адсорбера. Приведена математическая модель расчета генератора-адсорбера, проанализировано распределение температурных полей и тепловых потоков в поперечном сечении в простой и оребренной конструкции генератора-адсорбера. Проанализированы различные конструктивные решения реактора, повышена эффективность его функционирования в гелиоэнергетической установке.
Ключевые слова:
генератор-адсорбер, моделирование оптической части, зеркальные концентраторы, математическая модель, тепловые потоки, распределение температурных полей
генератор-адсорбер, моделирование оптической части, зеркальные концентраторы, математическая модель, тепловые потоки, распределение температурных полей
Гелиоэнергетические холодильные установки адсорбционного типа циклического автономного действия могут устанавливаться на морских буровых установках, стационарных островных и береговых объектах, в портах и терминалах и предназначаются для получения охлажденной питьевой воды, кондиционирования и охлаждения помещений, замораживания и хранения медикаментов и скоропортящейся продукции и других нужд. В гелиоэнергетических адсорбционных холодильных установках генератор-адсорбер сов-мещенного типа [1–4] является одним из важных аппаратов. Основной элемент генератора-адсорбера – реакторы, установленные в гелиоприемное устройство типа «горячий ящик» между зеркальными концентраторами. В реакторы генератора-адсорбера засыпается адсорбент, например активированный уголь. Под действием солнечной энергии днем происходит обогрев наружных поверхностей корпуса реактора, теплота через стенки передается насыщенному аммиаком адсорбенту и с определенной температуры начинается выделение адсорбата из адсорбента, который в виде газообразной фазы сжижается в конденсаторе. Этот период времени работы гелиоэнергетической холодильной установки называется периодом регенерации. При охлаждении сухого адсорбента (активированного угля) в ночной период времени в реакторах начинается поглощение аммиака из испарителя – начинается период зарядки. Работа гелиоэнергетической холодильной установки протекает циклично – так же циклично, как изменяется температура окружающей среды. Эффективность работы гелиоэнергетической холодильной установки циклического действия во многом зависит от работы реакторов генератора-адсорбера. Обзор отечественных и зарубежных литературных источников и исследование собственных конструкций гелиоэнергетических холодильных установок выявил недостатки в работе совмещенных генераторов-адсорберов, состоящих из гелиоприемного устройства типа «горячий ящик», концентрирующих зеркальных элементов, реакторов и некоторых других элементов. Это требует перспективной проработки конструкции именно этого аппарата. Основными недостатками аппарата являются: недостаточное количество теплоты (в отдельные дни) для полного обогрева всей массы насыщенного сорбента в реакторах при суточном освещении солнцем и, как следствие, низкие значения температуры в объеме насыпной массы сорбента; снижение эффективности работы вследствие значительного объема воздуха под прозрачной оболочкой гелиоприемника и большого количества реакторов в одной конструкции генератора-адсорбера; повышение стоимости аппарата в связи с увеличением массогабаритных характеристик. Конструирование оптической части гелиоприемного устройства генератора-абсорбера гелиоэнергетической холодильной установки можно начать с элементов корпуса реактора и зеркал в аппарате. Методики расчета и анализ эффективности оптических характеристик гелиоприемных устройств с плоскими зеркальными концентраторами на различные формы адаптирующих поверхностей были рассмотрены нами в [5–7]. На рис. 1 представлены соотношения оптического моделирования конструкции генератора-адсорбера. В основу моделирования оптической части положено два принципа: первый – угол падения солнечного луча на зеркальную поверхность полностью отражается, и угол падения равен углу отражения луча; второй – вся энергия солнечного луча (прямого и отраженного), падающая на адаптирующую поверхность, целиком поглощается. Гелиоприемное устройство генератора-адсорбера представляет собой удлиненную конструкцию (на рис. 1 представлен профиль конструкции), состоящую из плоских зеркальных поверхностей, имеющих определенный угол раскрытия Θ, град, расположенных симметрично относительно центральной плоскости. Рис. 1. Моделирование оптической части конструкции генератора-адсорбера гелиоэнергетической холодильной установки В симметричной части зеркал устанавливается круглая трубка корпуса реактора с наружным радиусом r, мм. Ширина раскрытия зеркал W, мм. Полная длина конструкции аппарата l, мм. Q и G, мм2, – поверхности зеркал, отражающих солнечные лучи. S, мм2, – поверхность трубки цилиндрического реактора, адаптирующая солнечное излучение. F, мм2, – поверхность металлической подложки, адаптирующей солнечное излучение. На основании анализа концентрической эффективности солнечного облучения круглой поверхности в плоских зеркалах при соотношении W/2·R = 3,5 был выбран угол раскрытия зеркал Θ, град. Длина зеркал Lз рассчитана таким образом, чтобы при перпендикулярном облучении концентраторов (вдоль оси симметрии аппарата) и при однократном отражении лучей от верхней до нижней кромки поверхностей G и Q солнечные лучи полностью попадали на внешнюю поверхность S реактора. При таких условиях и перпендикулярном освещении солнцем цилиндрическая конструкция корпуса реактора будет иметь трехкратное облучение энергией солнечной радиации. Кроме того, нижняя подложка DE с поверхностью F работает как прямое ребро и передает дополнительную теплоту на нижнюю часть реактора при хорошем контакте с корпусом. Тогда основные элементы конструкции аппарата можно выразить через соотношения радиуса реактора R и фиктивного угла раскрытия зеркал Θ. h1 = R·cos (Θ/2) /sin (Θ/2); (1) L0 = R /sin (Θ/2); (2) W/2 = 3,5·R; (3) Lз = (W/2)/sin (Θ/2) – R /sin (Θ/2); (4) H = (L0 + Lз) /cos (Θ/2). (5) На основании оптических параметров моделирования и баланса энергетических потоков разработана теплоэнергетическая модель конструкции генератора-адсорбера гелиоэнергетической холодильной установки, профиль конструкции которого представлен на рис. 2. Конструкция трапецеидальной формы имеет прочный металлический корпус 1 и изоляцию 2 с пяти сторон (торцевые стороны конструкции не показаны), зеркальные отражатели 3, внутренний стальной корпус реактора 4 с активированным углем 5, двухстекольное покрытие 6 со стороны облучения солнцем и металлическую подложку под реактором 7. Рис. 2. Модель генератора-адсорбера гелиоэнергетической холодильной установки: 1 – корпус элемента гелиоприемника; 2 – изоляция корпуса; 3 – плоские зеркальные отражатели; 4 – наружный корпус реактора; 5 – адсорбент (активированный уголь); 6 – двухстекольное покрытие; 7 – металлическая подложка; 8 – крепежные болты На корпус реактора, как видно на модели, подводится теплота в виде потока dq1(τ) – лучистой энергии на видимую поглощающую поверхность площадью π·R·l и отраженной dq2(τ) от зеркал G, Q на поглощающую поверхность площадью 2·π·R·l, в виде потока dq3(τ) – от теплоты, подводимой за счет металлической плоской поверхности подложки. dq1(τ) = [dqпр.к(τ) – dqпр.к(τ)Ат – dq1пр.к(τ)Бт], (6) где dqпр.к(τ) – доля полезной теплоты, проходящей в «горячий ящик» и идущей на обогрев корпуса реактора, Вт; Ат, Бт – соответственно коэффициенты поглощения и отражения солнечной энергии от трубки. dq2(τ) = [dqпр.к(τ) – dqпр.к(τ)Ат – dq1пр.к(τ)Бт]Со, (7) где Со – коэффициент оптической концентрации на поглощающую поверхность, Со = (2·π·R·l )/(2·π·R·l). dq3(τ) = λт·δо·m·dТо(τ) th(m·b), (8) где λт, λo – коэффициент теплопроводности материала трубы и металлической подложки соответственно, Вт/(м· К); δт, δо – толщина трубы и подложки соответственно; R, r – внешний и внутренний радиусы трубы, м; То – температура у основания подложки, К; m = [2·α/(λo·δо)]0,5 – комплекс теплофизических переменных; α – коэффициент теплоотдачи от металлической подложки конвекцией, Вт/(м2·К); b = 2·r – длина ребра, м; th (m·b) = [e(m·b) + e-(mb)]/[e(m·b) – e-(mb)] – функция гиперболического тангенса, число е = 2,7183. Теперь рассмотрим, как и из чего формируются полезная тепловая нагрузка на реактор генератора-адсорбера, равная dq'пол(τ) = dq1(τ) + dq2(τ) + dq3(τ). (9) Величина теплового потока, падающего на остекленную оболочку генератора-адсорбера, выполненного по типу конструкции «горячего ящика», выражается следующим уравнением: (10) где Qпад – мощность полной падающей солнечной энергии на поверхность гелиоприемника за время облучения в течение светового дня, Вт; dqпад (τ) – мощность падающей солнечной энергии за конкретный промежуток времени (τ = 1 ч); l – длина реактора генератора-адсорбера, м; dIд(τ) – мощность потока прямого солнечного излучения, Вт/м2; dId(τ) – мощность потока диффузионной солнечной радиации, Вт/м2; cos i – коэффициент перевода потока солнечной энергии на перпендикулярную к гелиоприемнику поверхность. , (11) где i – угол падения солнечных лучей на перпендикулярную поверхность гелиоприемника, град; φ – угол широты местности, град; μ – угол наклона поверхности гелиоприемника к горизонту земли, град; δ – угол склонения солнца (функция времени года, по астрономическому календарю), град; τ – часовой угол движения солнца, град. Тогда тепловой поток в единицу времени, проходящий через остекленную оболочку в «горячий ящик», будет выражаться уравнением dqпр(τ) = Кпз Кпп [dqпад(τ) – dqпад(τ) А – dqпад(τ) Б – εст· со(Тст(τ)/100)4], (12) где Кпз, Кпп – соответственно коэффициент потери энергии при прохождении потока солнечной радиации от запыленности стекла и коэффициент потери энергии из-за двухстекольного покрытия в конструкции «горячего ящика»; A, Б – соответственно коэффициенты поглощения и отражения солнечной энергии от стекла; εст со (Тст(τ)/100)4 – собственное излучение стекла по формуле Стефана – Больцмана, Вт; εст – степень черноты стекла; со – коэффициент излучения абсолютно черного тела; Тст(τ) – абсолютная температура стекла в единицу времени, К. Количество солнечной энергии, падающей на поверхность трубки корпуса реактора, будет складываться из следующих составляющих: энергия от потока на видимую часть трубки; энергия отраженного потока от плоских зеркальных концентраторов; энергия от нижней подложки под цилиндрическим реактором. Следует учесть, что проходящая в «горячий ящик» солнечная энергия расходуется также на подогрев элементов конструкции генератора-адсорбера (металлические части, изоляционный материал конструкции «горячего ящика», зеркал и т. п.), воздуха в замкнутом объеме и потери через внешние стенки «горячего ящика» (как изолированные поверхности, так и верхнюю остекленную часть) за счет разности значений температуры нагретых элементов аппарата и температуры внешней окружающей среды, причем эти потери сильно зависят от внешних условий: от скорости обдувания внешней поверхности корпуса ветром и направления ветра, от толщины и качества изоляции, от толщины и количества стекол гелиоприемного устройства, от влажности. Энергию на подогрев элементов конструкции генератора-адсорбера можно определить так: dqi (τ)= ∑mi·ci·Δti , (13) где mi – масса соответствующего материала i-го элемента конструкции; сi – теплоемкость материала i-го элемента конструкции; Δti – разность значений температуры i-го элемента конструкции за период между замерами и расчетами тепловых потоков. Энергию на подогрев воздуха в замкнутом объеме гелиоприемника можно определить по следующей формуле: dqсв(τ) = 0,9 (4·V·εв·со/Н·(dТср.в(τ)/100)4, (14) где dqсв(τ) – собственное поглощение энергии воздухом в единицу времени, Вт; V = {12,25·r2× ×[tg (Θ/2)] – π·r2 – r2/[sin (Θ/2)·l] }·l – объем воздуха в замкнутом пространстве «горячего ящика», м3; Н = 3,5·r·tg (Θ/2) – толщина воздушного слоя, м; dТср.в(τ) – средняя абсолютная температура воздуха внутри «горячего ящика» в единицу времени, К; εв – степень поглощения (черноты) воздуха. Определим энергию потерь из «горячего ящика» в окружающее пространство через изолированную поверхность и стекло. Условно считаем, что элемент конструкции гелиоприемника имеет верх площадью W·l, м2, дно площадью Мдна = l·{[3,5·r tg (Θ/2) – r/tg (Θ/2)] π [90 – (Θ/2)]/180}, м2; две боковые стенки общей площадью 2Lз·l, м2; два торца площадью Ттор = 2·[(2·r + 2·δиз)(Н – h1) + + (2,5 r + δиз) 2 (H – h1) + π·r2 (1/2 – Θ/360) – r2] l, м2. Тогда dq’пот(τ) = К’ (Мдна + 2·Lз·l + Ттор) [dТср.в(τ) – dТнар(τ)]; (15) dq”пот(τ) = К”·W·l [dТср.в(τ) – dТнар(τ)], (16) где dq'пот(τ) – потери тепла через изолированные элементы конструкции генератора-адсорбера в единицу времени, Вт; dq”пот(τ) – потери тепла через элемент остекления конструкции «горячего ящика» в единицу времени, Вт; K’, K” – соответственно коэффициенты теплопередачи через элементы изолированной конструкции и стекло, Вт/(м2×К); dТнар(τ) – изменение температуры наружного воздуха в единицу времени, К. К’ = 1/[(1/αв) + (δиз/λиз) + (1/αнар)], К” = 1/[(1/αв) + [(2·δст/λст)+(δв/λв)] + (1/αнар)], где αв, αнар – коэффициенты теплоотдачи от внутренней и наружной поверхности плоской конструкции «горячего ящика» соответственно, Вт/(м2×К); δиз,δст, δв, λиз, λст, λв – соответственно толщины, м, и коэффициенты теплопроводности, Вт/(м·К) изоляции, стекла, воздуха между стеклами; αв = const; αнар – зависит от условий внешней среды и ее можно рассчитать по уравнению [8]. При умеренном и сильном ветре αнар = 0,0296·λнар Reв0,8·Prв0,43·(Prв/Prст)0,25/l’, где λнар – коэффициент теплопроводности наружного воздуха, Вт/(м. К); l’ – параметр конструкции «горячего ящика», обдуваемого ветром, м; Reв·= (ωв·l’)/νв – критерий Рейнольдса; ωв·– скорость ветра, м/с; νв – коэффициент кинематической вязкости наружного воздуха, м2×с; Prв·= νв/ав – критерий Прандтля для воздуха при наружной температуре; Prст – критерий Прандтля для воздуха при температуре наружной поверхности «горячего ящика»; ав – коэффициент температуропроводности воздуха, м2.с. Тогда доля полезного тепла, проходящего в «горячий ящик» и идущего на обогрев корпуса реактора, будет равна: dqпр.к(τ) = dqпр(τ) – dqсв(τ) – dq’пот(τ) – dq”пот(τ) – dqi. (17) При высоких значений температуры наружной стенки трубы следует учитывать собственное излучение ее поверхности, равное: dqст(τ) = 2·π·R·l·εт·со·dТт(τ)/100)4. (18) Тогда суммарное полезное тепло, передаваемое насыщенному адсорбенту, будет равно: dqпол(τ) = dq1(τ) + dq2(τ) + dq2(τ) – dqст(τ). (19) Полное полезное тепло, передаваемое реактору генератора-адсорбера за световой день, с 6 часов утра до 18 часов вечера, будет равно: (20) Для расчета полезных тепловых нагрузок, воспринимаемых реактором генератора-адсорбера гелиоэнергетической холодильной установки, на основании формул (1)–(20) была разработана расчетная программа в программе Mathcad. Расчетные значения полезной тепловой нагрузки по разработанной программе были проверены экспериментально на собранном стенде, представляющем конструкцию генератора-адсорбера. Замеры солнечной радиации определялись по показаниям пиранометра и актинометра, температура поверхностей корпуса реактора, стекол и других элементов – хромель-копелевыми термопарами с цифровым вольтметром, параметры теплоносителей – термометрами. Через корпус конструкции пустого реактора пропускали водоглицериновый раствор. Полезная тепловая нагрузка за контрольный промежуток времени определялась по следующей формуле: dq’пол(τ) = Gж·сж·ρж(Твых – Твх) dτ, где Gж – объемный расход жидкого теплоносителя, м3/с; сж – теплоемкость жидкого теплоносителя, Дж/(кг·К); ρж – плотность жидкого теплоносителя, кг/м3; Твых, Твх·– температура жидкого теплоносителя на входе и выходе в корпус реактора, оС. На рис. 3 представлены графики замеров прямой и диффузионной составляющих солнечной радиации на открытом полигоне в г. Астрахани в июне месяце и расчетные значения тепловых нагрузок по приведенным выше уравнениям на корпус реактора генератора-адсорбера гелиоэнергетической холодильной установки. Здесь же приведены значения полезных тепловых нагрузок по экспериментальным данным теплотехнических замеров. Рис. 3. Графики тепловых нагрузок на реактор генератора-адсорбера в течение светового солнечного дня в июне месяце: 1 – параметры прямой солнечной радиации; 2 – параметры диффузионной солнечной радиации; 3 – расчетные значения тепловых нагрузок; 4 – экспериментальные значения тепловых нагрузок На графиках видно удовлетворительное совпадение расчетных данных с экспериментальными. Полного совпадения не происходит из-за тепловой инерции конструкции гелиоприемного устройства, которая в данной методики не учитывалась. Однако для практических расчетов она большого значения не имеет.
1. Руденко М. Ф. Разработка и исследование эффективности адсорбционной гелиохолодильной установки // Вестн. Междунар. академии холода. – 2003. – № 1. – С. 34–37.
2. Buchter F., Dind P. H., Pons M. An experimental solar-powered absorptive refrigeration tested in Burkina-Faso // Int. J. Refrigeration. – 2003. – 26. – P. 79–86.
3. Thermal conductivities study of new types of compound adsorbents used in solar adsorption refrigeration / Z. Huizhong, Z. Min, L. Jing, Y. Guoding, Z. Zhijun // Energy Convers Manage. – 2009. – Vol. 50. – P. 1244–1248.
4. Boubakri A. A new conception of an adsorptive solar powered ice maker // Renewable Energy. – 2003. – Vol. 28. – P. 831–842.
5. Руденко М. Ф. Эффективность гелиоприемных устройств с концентраторами для систем тепло- и хладоснабжения. – Саратов: Лаборатория нетрадиционной энергетики ОЭП СНЦ РАН, 2001. – 64 с.
6. Ильин А. К., Руденко М. Ф., Коноплева Ю. В. Оценка эффективности концентраторов солнечной энергии // Изв. вузов. Машиностроение. – 2002. – № 9. – С. 33–36.
7. Руденко М. Ф., Туркпенбаева Б. Ж., Чивиленко Ю. В. Теоретические основы проектирования экологически безопасной гелиоэнергетической техники для производства теплоты. – Актау: Изд-во АктГУ им. Ш. Есенова, 2008. – 165 с.
8. Исаченко В. П., Сукомел А. С., Осипова В. А. Теплопередача: учеб. для вузов. – М.: Энергоиздат, 1981. – 416 с.
