Комбинирование и эффективное использование источников тепловой энергии в автономных теплоэнергетических комплексах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

ШИШКИН Николай Дмитриевич

КОМБИНИРОВАНИЕ И ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В АВТОНОМНЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ (включая возобновляемые источники)

Специальность: 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Астрахань - 2004

Работа выполнена в Астраханском государственном техническом университете (кафедра теплоэнергетики) и в Астраханском инженерно-строительном институте (кафедра теплогазоснабжения и вентиляции)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ Ильин А. К.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Алхасов А. Б.

доктор технических наук,

Селиванов Н. В.

доктор технических наук,

Руденко М. Ф.

Ведущая организация: Кубанский государственный аграрный университет

Защита диссертации состоится " Ю " декабря 2004 г. в /0 час. 50 мин. на заседании диссертационного совета Д.07.001.03 при Астраханском государственном техническом университете (АГТУ) по адресу: 414025, г. Астрахань, ул. Татищева 16, АГТУ, ауд. 5.308.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

С. В. Виноградов

гооБ-ч

¿/36/

92 Я 5~<?3

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационной работы. В настоящее время в мире потребляется огромное количество первичной энергии (15 млрд ту. т. в год), в том числе в России 1,5 млрд. т у. т. в год, причем около 40 % этой энергии используется в системах теплоснабжения. Запасы топливных энергоресурсов (природного газа, нефти, угля) ограничены. После энергетического кризиса 1970-х годов большие надежды стали возлагаться на низкопотенциальные, в том числе, на возобновляемые источники энергии (ВИЭ), а также вторичные энергоресурсы (ВЭР).

В 1994 году Минэнерго Российской Федерации была разработана концепция использования возможностей малой и нетрадиционной энергетики. Руководствуясь главной целью энергетической стратегии по эффективному использованию энергоресурсов для повышения эффективности производства и жизненного уровня населения, была сформулирована задача существенного увеличения доли низкопотенциальных источников и ВИЭ в энергобалансе России. Эта задача особенно актуальна для объектов, удаленных от централизованных систем теплоснабжения, т. е. в автономных теплоэнергетических комплексах (АТК) в сельской местности, в пустынных, горных и северных регионах страны.

Однако эффективное использование различных источников энергии в АТК связано с большими трудностями, в том числе и потому, что слабо разработаны методы оценки их теплотехнической эффективности и оптимального комбинирования. Кроме того, применение ВИЭ в АТК сдерживается рядом факторов, к числу которых относятся недостаточно высокие показатели эффективности преобразования и аккумулирования ВИЭ, а также высокие удельные капитальные затраты на трансформаторы и аккумуляторы ВИЭ.

Таким образом, актуальность диссертационной работы определяется современным состоянием развития энергетики и связанной с этим необходимостью решения проблемы комбинирования и эффективного использования источников тепловой энергии, в том числе с применением ВИЭ в АТК для широкого круга автономных потребителей.

Основная идея работы - разработка научных и практических основ создания оптимальных с энергетической, термодинамической и экономической точек зрения вариантов АТК на основе методологии теплотехнической оценки эффективности АТК с различными источниками тепловой энергии и использования высокоэффективных типов трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ.

Объект исследования - теплоэнергетические технологии и источники тепловой энергии, используемые в автономных теплоэнергетических комплексах, включая ВИЭ.

Цель работы - разработка теплотехнических основ комбинирования и эффективного использования различных источников тепловой энергии, в том числе с применением ВИЭ, в автономных теплоэнергетических комплексах для широкого круга потребителей.

Задачи исследования. Данная цель достигнута решением следующих основных задач исследования:

- разработка новых единых подходов и методов оценки энергетической эффективности комбинирования различных источников тегога в АТК, имеющих сложную структуру;

- разработка методологии оценки термодинамической эффективности комбинирования различных энергоисточников, включая ВИЭ, в зависимости от структуры энергокомплексов, вида энергоисточников и их вклада в общий эксергетический баланс АТК;

- теоретические и экспериментальные исследования преобразования ВИЭ в тепловую энергию и разработка на их основе новых высокоэффективных типов трансформаторов ВИЭ;

- теоретические и экспериментальные исследования теплоаккумулирующих материалов фазового перехода и разработка на их основе оптимальных вариантов тепловых аккумуляторов для АТК с ВИЭ;

- разработка новых подходов к оптимизации вариантов АТК на основе анализа и синтеза многообразия комбинированных схемных решений с использованием различных источников энергии;

- практические рекомендации по применению итгочников энергии, включая ВИЭ, для многих типов потребителей, удаленных от централизованных систем энергоснабжения.

Научная новизна выполненной работы заключается:

- в разработке методологии оценки АТК, получении расчетных формул для энергетического КПД АТК и энергетической оптимизации комбинирования различных источников теплоты;

- в разработке новые подходов и методик оценки термодинамической эффективности отдельных установок и комбинированных схем АТК с использованием различных источников теплоты, в качестве критерия термодинамической оценки эффективности использования эксергии теплоты в АТК введен эксергетический КПД АТК;

- в теоретическом обосновании новых высокоэффективных типов трансформаторов ВИЭ на основе анализа гидродинамики и теплообмена при трансформации различных возобновляемых видов энергии в теплоты;

- в получении критериальных уравнений для расчета и оптимизации основных параметров тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода;

- в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении эффективности применения высокотеплопроводных металлических инклюзивов, позволяющих интенсифицировать теплообмен и в десятки раз сократить время зарядки и разрядки тепловых аккумуляторов;

- в создании специальных методик и алгоритмов теплотехнического расчета оригинальных типов трансформаторов ВИЭ (гелиоустановок гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами, механических ветротеплогенераторов, биоэнергетических установок с использованием ВИЭ для подогрева биомассы) и тепловых аккумуляторов с теплоак-кумулирующими материалами фазового перехода для АТК;

- в разработке концепции поиска оптимальных для множества типов потребителей вариантов АТК в виде ступенчатой схемы оптимизации, включающей 5 этапов, таких как анализ исходных данных, структурно-морфологическая, энергетическая, термодинамическая и технико-экономическая оптимизация.

Достоверность научных положений и полученных в работе результатов основана на корректности постановки задач исследования и принятых упрощающих допущений; подтверждается использованием физически обоснованных магматических моделей и удовлетворительным соответствием результатов математического моделирования и аналитических расчетов с данными, полученными при проведении экспериментов на опытных конструкциях установок в лабораторных и производственных условиях, как автором, так и другими исследователями, а также достаточно широкой публикацией результатов и их обсуждением на конференциях, семинарах и симпозиумах.

Личный вклад автора состоит в том, что в работу включены только собственные результаты, полученные автором: методология оценки энергетической и термодинамической эффективности АТК, теоретические, экспериментальные исследования и разработки высокоэффективных типов трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ, метод поиска оптимальных вариантов АТК, проходящего в 5 этапов, таких, как анализ исходных данных, структурно-морфологическая, энергетическая, термодинамическая и технико-экономическая оптимизация.

Практическая значимость работы обусловлена тем, что разработанные теоретические и практические положения обеспечивают теплотехнические основы совершенствования трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ, а также оптимального комбинирования различных источников энергии в АТК путем внедрения и реализации:

- новых технических решений и разработок в области трансформации, аккумулирования и агрегирования ВИЭ в теплоэнергетике, жилищно-коммунальном и сельском хозяйстве;

- методик расчета оптимальных параметров трансформаторов солнечной, ветровой энергии и тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода с высокотеплопроводными инклюзивами при их проектировании и эксплуатации;

- ступенчатой схемы оптимизации, включающей 5 этапов, таких как анализ исходных данных, структурно-морфологическая, энергетическая, термодинамическая и технико-экономическая оптимизация, позволяющей разработать оптимальный для любого конкретного потребителя вариант АТК;

- практических рекомендаций и технических предложений по АТК с ВИЭ для широкого класса потребителей, удаленных от централизованных систем энергоснабжения.

В целом, использование результатов работы и рекомендаций автора на стадии технико-экономических обоснований, технических предложений, проектных разработок и практического применения повысит конкурентоспособность и экономическую эффективность АТК с ВИЭ, существенно улучшит социально-экономическую обстановку в энергодефицитных районах и экологическую обстановку на объектах, к которым предъявляются повышенные экологические требования.

Практическое использование результатов, полученных автором:

- предложенные технологии и устройства по использованию ВИЭ, защищенные патентами, включены в региональную программу «Энергосбережение в Астраханской области в 1999-2005 годах»;

- разработана техническая документация на гелиоустановки гравитационного типа, механические теплогенераторы, тепловые аккумуляторы с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода, в том числе и в форме дипломных проектов принятых для внедрения для автономного теплоснабжения малоэтажных зданий, фермерских хозяйств и домов усадебного типа;

- изготовлены и внедрены гелиоустановки гравитационного типа на Астраханском хозрасчетном участке Спецтеплицмонтажстроя г. Астрахани, в крестьянском хозяйстве «Хуторок» Приволжского района, на личном подворье в Харабалинском районе и ряде других объектов в Астраханской области;

- разработка автономных систем инженерного обеспечения с применением ВИЭ рекомендована Ассоциацией крестьянских фермерских хозяйств, дня внедрения в хозяйствах Астраханской области, удаленных от централизованных систем энергоснабжения.

- основные результаты исследований и разработок автора, использовались в ряде монографий и учебных пособий других авторов;

- по материалам диссертации в Астраханском инженерно-строительном институте ведутся несколько спецкурсов: "Использование возобновляемых источников энергии в тепло-генерирующих установках", " Использование возобновляемых источников энергии в системах теплогазоснабжения" и "Создание энергоэкономичных комплексов систем теплогазо-снабжения и вентиляции" для студентов специальности "Теплогазоснабжение и вентиляция", часть материалов автора использованы в Астраханском государственном техническом университете при изучении дисциплин "Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии" для студентов специальности "Промышленная теплоэнергетика", а также дисциплины "Гидроустановки и возобновляемые источники энергии" для студентов специальности "Рациональное использование водных ресурсов";

- спецкурс «Применение нетрадиционных возобновляемых источников энергии в сельской местности» по материалам диссертации включен в состав учебной программы обучения работников государственной власти и местного самоуправления, согласно распоряжения главы администрации Астраханской области № 914-р от 16.06.95 года.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях профессорско-преподавательского состава Астраханского инженерно-строительного института, Астраханского государственного технического университета, Региональных, Всероссийских и Международных семинарах, конференциях и симпозиумах: Региональной научно-технической конференции (РГСУ, Ростов-на-Дону, 1996), Международной научно-практической конференции: Энергосбережение, экономика, экология (РГСУ, Ростов-на-Дону, 1996), Областной научно-практической конференции «Астрахань вчера, сегодня и завтра» (Астрахань, 1997), Областной научно-практической конференции «Энерго-

сбережение - 2000» (Астрахань, 1999), Международной научно-практической конференции «Экономика, экология и общество России на пороге 21-ого столетия» (С.-Петербург, 1999), I к II Международных научно-практических конференциях «Проблемы инженерного обеспечения и экологии городов» (Пенза, 1999, 2000), I и II Всероссийских научно-технических конференциях «Энергосбережение на рубеже веков» (Москва, 1999, 2000), Международной научно-практической конференции «Почва, жизнь, благосостояние» (Пенза, 2000), Международном экологическом симпозиуме «Перспективные информационные технологии и проблема управления рисками на пороге нового тысячелетия» (С.-Петербург, 2000), II, III и IV Всероссийских научных молодежных школах «Возобновляемые источники энергии» (Москва, 2000,2001,2003), Международной выставке-семинаре «Возобновляемые источники энергии» (Москва, 2001), Международном каучно-техьгическом семинаре «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии в XXI столетию) (Сочи, 2001), Всероссийском семинаре «Нетрадиционная и возобновляемая энергетика» (Астрахань, 2001), I Международном конгрессе "Энергоэффективная техника и технология" (С.-Петербург, 2002), Международной научно-практической конференции "Геополитика и прикаспийский регион: взгляд в XXI век" (Астрахань, 2002), Международной научно-технической конференции "Новые эффективные технологии в строительстве" (С.-Петербург, 2004), XIV Ежегодном Международном конгрессе "Новые высокие технологии газовой, нефтяой промышленности, энергетики и связи" (Астрахань, 2004).

Работа выполнена в рамках приоритетных направлений фундаментальных исследований РАН, включена в план НИР Отдела энергетики Поволжья Саратовского научного центра РАН (тема 2.1.4), в план Института энергетики АГТУ и в Государственную научно-техническую программу "Энергоэффективная экономика".

Работа проводилась по планам госбюджетных и хоздоговорных НИР Астраханского инженерно-строительного института (кафедра теплогазоснабжения и вентиляции), Астраханского научного центра Жилищно-коммунальной академии, Астраханского научного центра Академии технологических наук РФ и Астраханского научного центра Муниципальной академии. Результаты работы включены в региональную Программу энергосбережения Астраханской облает на период 2001-2005 гг.

Исследования выполнялась также в рамках Международной программы "Global security and stable development" ("Глобальная безопасность и устойчивое развитие") по индивидуальному исследовательскому проекту "Small ecologically clean complexes with renewable energy sources" ("Малые JKOJKH ически чистые комплексы с возобновляемыми источниками энергии") при поддержке Фонда Джона Д. и Кэтрин Т. Макартуров (США, Чикаго, Иллинойс, 1998-1999 гг.).

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:

- методология оценки и энергетической оптимизации комплексного использования различных источников энергии и формулы для расчета энергетического КПД АТК, зависящего от КПД отдельных трансформаторов, аккумуляторов и энергопроводов, коэффициентов, учитывающих вклад каждого из источников тепла;

- новые подходы и методики оценки термодинамической эффективности, как отдельных установок, так и комбинированных схем для АТК с использованием различных источников энергии, в качестве критерия термодинамической оценки эффективности использования эксергии теплоты впервые применен эксергетический КПД АТК;

- обоснование новых высокоэффективных типов гелиоустановок гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами, механических ветротеплогенераторов для прямого преобразования энергии ветра в теплоту, биогазовых установок с использованием ВИЭ для подогрева биомассы и решение теоретических и практических задач по их разработке;

- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение эффективности применения высокотеплопроводных металлических инклюзивов различной формы, позволяющих интенсифицировать теплообмен и в десятки раз сократить время зарядки и разрядки тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода;

- методика определения энергетического КПД в зависимости от теплотехнических характеристик, конструктивных и технологических параметров биореакторов на основе анализа тепловых процессов в биоэнергетических установках;

- методики и алгоритмы расчета оригинальных типов трансформаторов ВИЭ и тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода, которые могут быть использованы при проектирования и эксплуатации этих трансформаторов и аккумуляторов в АТК;

- схемные решения комбинирования новых типов гелиоустановок, ветротеачогенерато-ров, биоэнергетических установок и тепловых аккумуляторов;

- концепция поиска оптимального для любого конкретного потребителя варианта АТК в виде пятиступенчатой схемы оптимизации, включающей анализ исходных данных, структурно-морфологическую, энергетическую, термодинамическую и технико-экономическую оптимизацию.

Работу можно квалифицировать, как комплекс научно-обоснованных технических и технологических решений по проблеме совершенствования и комбинирования различных источников энергии в автономных теплоэнергетических комплексах с использованием возобновляемых источников энергии, внедрение которых может внести значительный вклад в развитие и повышение эффективности теплоэнергетической отрасли в сфере автономной энергетики.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 70 работ, в том числе 7 статей в изданиях по рекомендуемому списку ВАК, 2 монографии, 19 статей в авторитетных научных изданиях, 4 патента Российской Федерации на изобретение.

Структура и объем работы: введение, 8 глав, заключение, список литературы из 360 наименований и приложения. Общий объем диссертационной работы 30$ страниц, включая 29 таблиц и 78 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Список сокращений

ЛТК - автономный теплоэнергетический коиидекплекс;

БН - биогазовый нагреватель;

БГУ - биогазовая установка;

БЭУ - биоэнергетическая установка;

ВВПЛ - ветродвигатель с вертикальными полуцилиндрическими лопастями;

ВИ - высокотешюпроводный инклюзив;

ВИЭ - возобновляемые источники энергии;

ВЛНА - ветродвигатель с лопастным направляющим аппаратом,

ВЭР - вторичные энергоресурсы;

ВЭУ - ветроэнергетическая установка;

ГН - газовый нагреватель;

ГТТМГ - гелиоустановка гравитационного типа с многоступенчатым гелиоколлектором;

ИНТ - источники ншкопотенциальной теплоты;

КСЭ - коллектор солнечной энергии;

МВТГ - механический ветротепяогенератор;

МТ - механически теплогенератор;

НПК - неселективный плоский коллектор;

НПК-1 - неселективный плоский коллектор с одинарным остеклением;

НПК -2 — неселективный плоский коллектор с двойным остеклением;

СГВ - система горячего водоснабжения;

СН - солнечный нагреватель;

СО - система отопления;

ТАМФП - теплоаккумулирующий материал фазового перехода;

ТА - тепловой аккумулятор;

ТН - тепловой насос;

ТЭН - тсплоэлепронагреватель;

ТЭР - топливно-энергетические ресурсы;

УТ - утилизатор теплоты.

СТРУКТУРА РАБОТЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОНОМНЫХ ТЕПЛОЭНЬРГЕТИЧЬСКИХ КОМПЛЕКСАХ.

1 1 Запасы и потребление энергоресурсов

1 2 Особенности использования различных источников энергии.

1 3 Комбинирование возобновляемых источников энергии.

1 4 Варианты согласования энергоустановок с потребителями.

1 5 Эффективность теплоэнергетических установок с различными источниками энергии.

1 6 Классификация АТК.

1 7 Основные задачи и методы исследования теплотехнических характеристик трансформаторов и аккумуляторов возобновляемых источников энергии и •пеппоэпергетчческиг комплексов на их основе

Глава 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ТРАНСФОРМАЦИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ВИДОВ ЭНЕРГИИ

2 1 Задачи исследования гидродинамики и теплообмена при трансформации возобновляемых видов энергии

2 2 Исследование гидродинамики и теплообмена в гелиоустановках гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами.

2 2 1 Анализ гидродинамики и теплообмена в гелиоустановках гравитационного тина с многоступенчатыми гелиоколлекторами

2 2 2 Экспериментальные исследования теплообмена в коллекторах солнечной энергии

2 3 Анализ теплотехнической эффективности применения пассивной системы солнечного отопления с использованием дополнительных энергосберегающих устройств

2 4 Исследование гидродинамики и теплообмена при прямом превращении механической энергии и теплоту в механических теплогенераторах.

2 4 1 Аналитические исследования гидродинамики и теплообмена при прямом превращении механической энергии и теплоту в механических теплогенераторах

2 4 2 Экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена я механическом теплогенераторе

2 5 Иилкдования аэродинамиких и энергетических параметров ветродвигателей с вертикальными полуцилиндрическими лопастями

2 5 1 Аналитические и численные исследования аэродинамических и энергетических параметров ветродвигателей с вертикальными полуцилиндрическими лопастями

2 5 2 Экспериментальные исследования аэродинамики и энергетических параметров ветродвигателей с вертикальными полуцилиндрическими лопастями.

2 6 Исследование энергетической эффективности ветродвигателей с лопастными направляющими аппаратами

2 6 1 Анализ энергетической эффективности ветродвигателей с лопастными направляющими аппаратами.

2 6 2 Экспериментальные исследования энергетической правляющими аппаратами.

2 7 Исследование энергетической эффективности биоэнергетических установок.

2 7 1 Анализ тепловых процессов в биоэнергетических установках.

2 72 Экспериментальные исследования метаногенеза в зависимости от теплотехнических характеристик биоэнергетических установок.

Выводы по главе 2

Глава 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В ТЕПЛОВЫХ АККУМУЛЯТОРАХ

С ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИМИ МАТЕРИАЛАМИ ФАЗОВОГО ГОРЕХОДА

3 1 Задачи исследования теплообмена при плавлении и затвердевании теплоаккумулирующих материалов фазового перехода.

3 2 Исследования теплофизических свойств теплоаккумулирующих материалах фазового перехода

3 2 1 Анализ теплофизических свойств теплоаккумулирующих материалов фазового перехода.

3 2 2 Экспериментальные исследования теплофизических свойств битумо-парафиновых смесей, предлагае -мых для использования в качестве теплпэккумунирующих материалах фазового перехода.

3 3 Исследование теплообмена при плавлении и затвердевании теплоаккумулирующих материалов фазового перехода

3 3 1 Аналитические исследования теплообмена при плавлении и затвердевании слоев теплоаккумулирую-щих материалов фазового перехода плоской, цилиндрической и шаровой формы

3 3 2 Экспериментальные исследования теплообмена при плавлении и затвердевании слоев теплоаккумули-рующих материалов фазового перехода различной формы.

3 4 Обобщение исследований теплообмена в слоях теплоаккумулирующего материала фазового перехода

3 4 1 Вывод критериальных уравнений, обобщающих исследования теплообмена в слоях теплоаккумули-рующего материала фазового перехода

3.4.2. Обобщение экспериментальных данных по исследованию теплообмена в слоях тешюакхумулирую-щего материала фазового перехода и сопоставление с расчетными зависимостями.

3.5. Исследование интенсификации теплообмена при применении высокотеплопроводных инклюзивов.

3.5.1. Форма высокотеплопроводных инклюзивов.

3.5.2. Математическое моделирование тепловых процессов в слоях теплоаккумулирующнх материалов фазовых переходов с высокотешюпроводными инклюзивами пластинчатой формы.

3.5.3. Анализ интенсификации теплообмена при применении инклюзивов различной формы.

3.5.4. Обобщение экспериментальных данных по интенсификации теплообмена при применении инклюзивов различной формы.

3.5. Анализ энергетической эффективности тепловых аккумуляторов теплоаккумулирующих материалов фазовых переходов.

Выводы по главе 3.

Глава 4. МЕТОДИКИ И АЛГОРИТМЫ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ ТРАНСФОРМАТОРОВ

И АККУМУЛЯТОРОВ ТЕПЛА, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ.

4.1. Задачи создания методик и алгоритмов теплотехнических расчетов трансформаторов и аккумуляторов тепла, использующих возобновляемые источники энергии.

4.2. Методики и алгоритмы расчета гелиоустановок гравитационного типа.

4.3. Метод дополнительной нулевой энергии для расчета основных параметров пассивной системы солнечного отопления.

4.4. Методика расчета параметров механических ветротеплогенераторов.

4.5. Методика расчета и оптимизация теплотехнических параметров биоэнергетических установок.

4 6. Методика расчета и оптимизация параметров тепловых аккумуляторов.

Выводы по главе 4.

Глава 5. КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОНОМНЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ.

5.1. Задачи анализа структуры и энергетической эффективности АТК.

5.2. Структурно-морфологический анализ АТК.

5.3. Оценка эффективности элементов АТК.

5.4. Энергетическая эффективность АТК.

5.5. Структурно-функциональных модели АТК.

5 6. Анализ потоков энергии в АТК.

Выводы по главе 5.

Глава 6. АНАЛИЗ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОНОМНЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ. 6.1. Задачи термодинамического анализа АТК.

6 2. Основы анализа термодинамической эффективности энергоустановок в АТК

6.3. Термодинамическая эффективность АТК с несколькими источниками энергии.

6.4. Основные результаты анализа термодинамической эффективности АТК.

6.5. Обобщение p£3y?TLTüго?» CUvITSlIТЗрЭДДЩШ&ППССХСЙ ЭффСКТИВНОСТт! Н рСКОНСНДаЦКН НО КйЫиЛКЙрикЛ-

шоо различных источников тепла в АТК. Выводы по главе 6.

Глава 7. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ АВТОНОМНЫХ

ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ.

7.1. Задачи анализа технико-экономических показателей АТК с возобновляемыми источниками энергии.

7.2. Анализ технико-экономических показателей трансформаторов и аккумуляторов с возобновляемыми источниками энергии.

7.3. Методика расчета технико-экономических показателей АТК с возобновляемыми источниками энергии.

7.4. Экономико-экологическая оценка и оптимизация АТК с возобновляемыми источниками энергии. Выводы по главе 7.

Глава 8. РЕКОМЕНДАЦИИ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК.

8.1. Схемные решения комбинирования новых типов трансформаторов и аккумуляторов возобновляемых источников энергии.

8 2. Метод оптимизации АТК с топливными энергоресурсами, возобновляемыми источниками энергии и вторичными энергоресурсами.

8 3. Практическое использование результатов исследований. Выводы по главе 8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЯ.

Во введении показана актуальность проблемы, научная новизна, практическая значимость работы, использование результатов исследований и разработок, а также приведены основные положения и результаты, выносимые на защиту.

Общая характеристика источников энергии в автономных теплоэнергетических комплексах.

Оценка запасов и динамики потребления энергоресурсов показывают, что обеспеченность нефтью оценивается в 50-75 лет, газом в 60-70 лет. Поэтому таким важным представляется использование альтернативных источников энергии (ВИЭ и ВЭР и др.). Сопоставление величины общих мировых ресурсов ТЭР и ежегодного поступления ВИЭ показывает, что использование лишь 1-2 % потенциала ВИЭ позволит полностью удовлетворить энергетические потребности человечества Сопоставление потенциала различных ВИЭ показывает на доминирующую роль солнечной энергии, доля которой достигает 89,0 %. Именно солнечная энергия во многих, особенно в южных регионах, представляется наиболее эффективной для преобразования в тепловую энергию Другим весьма эффективным ВИЭ является энергия ветра Третьим наиболее широко используемым ВИЭ может стать биогаз, получаемый из органических отходов (навоз, растительные остатки, осадки сточных вод и др). Сравнение характеристик энергоустановок, использующих ВИЭ и ТЭР и ВЭР показывает основные преимущества ВИЭ по сравнению с ТЭР (табл.1) (выделено жирным шрифтом), к числу основных из которых относятся: повсеместность местонахождения, неисчерпаемость, бесплатность, экономичность малых систем, самообеспеченность источниками энергии и экологическая чистота. ВИЭ. При использовании в небольших энергоустановках и в АТК они будут более предпочтительными с энергетической, экономической и экологической точек зрения.

Таблица 1.

Сравнение характеристик энергокомплексов, использующих ВИЭ, ТЭР и ВЭР

№ Характеристика Виды используемых энергорссурсов

энергосистемы ВИЭ ТЭР ВЭР

Особенности источников энергии

1 Местонахождение Окружающая природная среда Сосредоточенные место* рождения Энерготехнологическое оборудование

2 Начальная интенсивность Низкая с плотностью не более 1 кВт/м2 Высокая интенсивность до 100 кВт/и * и ЬЬЕис Средняя с плотностью порядка 1-10 кВт/м2

3 Время истощения Бесконечное (5*6 млрд. лет) Конечное (80-100 лет) Неопределенно долгое

Характеристики энергосистем

4 Стабильность мощности Низкая Высокая Высшая

5 Аккумулирование энергии Потребность в аккумуляторах Нет потребности в аккумуляторах энергия Как правило, не требуются аккумуляторы энергии

6 Ограничения для использования Особенности местных условий Без ограничений Праттически повсеместно

7 Размеры Небольшие системы экономичны Более экономичны крупные системы Более экономичны крупные системы

8 Вляние на окружающую среду Обычно небольшое в небольших установках Окружающая среда загрязняется Окружающая среда не загрязняется

Особенности применения энергосистем

9 Области применения ЖКХ, сельское хозяйство, промысловые объекты Теплоэнергетика, промышленность, ЖКХ транспорт, сельское хозяйство Промышленность, транспорт, ЖКХ сельское хозяйство, промысловые объекты

10 Автономность Самообеспечены источниками энергии Зависят от поставок топлива Самообеслечеяы источниками энергия

Вопросы энергетическойэффективностиэнергоустановок и ихкомбинацийрассматривались в работах Андреева Л.П., Авдрющенко А.И., Бродянского В.М., Девиса С, Елист-ратова В.В., Костенко Г.Н., Степанова B.C., Руденко М.Ф. и др. В этих работах количественная оценка энергетической эффективности принималась на основе множества коэффициентов, таких как, коэффициент использования топлива Т]1ГГ, энергетический КПД г}, коэффициент полезного использования ВЭР г}т1эр и др. Наименее изученным представляется

вопрос с определением КПД источников тепла, использующих ВИЗ и энергокомплексов на их основе. Для оценки эффективности биогазовой установки (БГУ) даже не используется понятие энергетического КПД Это делает весьма затруднительным анализ энергетической эффективности различных вариантов БГУ, а тем более, невозможным оценить их энергетическую эффективность по сравнению с другими энергоустановками АТК, использующими ВИЭДЭРиВЭР.

Вопросами преобразования и термодинамически эффективного использования ТЭР и ВИЗ для тепло- и электроснабжения занимались Алхасов А.Б., Амерханов РА., Ахмедов Р.Б., Шпильрайт Э.Э., Васильев Ю.С., Драганов Б.Х., Дэвис А., Девинс Д., Ильин А.К., Ковалев О.П., Коробков В А, Лушников О.Г., Новгородский Е.Е., Твайделл Дж., Хрисанов Н И. многие другие отечественные и зарубежные исследователи. В работах этих авторов подчеркивается необходимость наряду с энергетической эффективностью процессов преобразования энергии в источниках тепла учитывать их термодинамическую эффективность с использованием эксергетического КПД if, а также технико-экономическую эффективность преобразования различных видов энергии в теплоту.

Сравнениеэнергетической,термодинамической иэкономическойэффективности преобразования ВИЗ и ТЭР в тепловую иэлектрическуюэнергию (которая в ряде случаев может быть использована для отопления и горячего водоснабжения) приведено в табл. 2.

Таблица 2.

Наивысшие показатели энергетической, термодинамической и экономической эффективности современных энергоустановок, использующих ТЭР и ВИЭ для получения тепловой и электрической энергии______

Тип энергоустановки 7 V Кщ 1'кВт Cr, S/ГДж Суэ

&/ГДж | 4/кВтч

Испояьзукпцие ТЭР

Котельная 0,95 0,30 26 3,4

Индивидуальный теплогенератор 0,90 0,2* 49 3,2

Газовый водонагреватель 0,85 0,26 47 3.0

Дязельэлспростанция* 0,45 0,45 300 19,6 7.0

Использующие ВИЭ

Фотоэлектрическая станция* 0,30 03 6000 55.5 20,0

Гелиоустановка для системы отопления 0,50 1240 12,8

Гелиоустановка для системы горячего водоснабжения 0,52 *• 800 5,5

Ветроэнергетическая установка* 0,40 0,40 1200 11,1 4.0

Биоэнергетическая установка ** ** 1100 3,4

Примечании: * - получаемая энергия используется для алехтро- и теплоснабжения;

" - данные отсутствуют

Энергетические КПД энергоустановок, использующих ЪКЭцвиз, как правило, почти в 2 раза ниже, чем г\Т3Г Однако эксергетические КПД ряда трансформаторов ВИЭ Ц%а (фотоэлектрических станций и ВЭУ) имеют практически те, же значения, что и для большинства источников тепла, использующих ТЭР 77о>- Следует отметить, что в литературе отсутствуют данные по величине энергетического КПД БЭУ, данные по эксергстическим КПД гелиоустановок для систем отопления и горячего водоснабжения, а также БГУ и БЭУ. Удельные капитальные вложения в источники тепловой энергии, использующие ВИЭ Ху/ в среднем в

20 раз превышают эти показатели для источников тепловой энергии, использующих ГЭРЛ^, что обусловлено меньшим значением плотности потока энергии. Себестоимость получаемой тепловой энергии при использовании ВИЭ С^3 выше в среднем в 2,3 раза, чем от источников тепла, использующих ТЭР . Себестоимость получаемой электроэнергии при использовании ТЭР и ВИЭ Сзначительно выше (в среднем соответственно в 6,1 и 1,5 раза), чем себестоимость получаемой тепловой энергии С^г'в,а. Поэтому представляется нецелесообразным непосредственное использование электроэнергии, получаемой за счет ТЭР и ВИЭ для нужд теплоснабжения. Таким образом, в целом, термодинамическая эффективность современных энергоустановок на основе ВИЭ не ниже, а в ряде случаев даже выше, чем у энергоустановок использующих ТЭР, поэтому с термодинамической точки зрения использование ВИЭ вполне целесообразно. Однако, необходимо совершенствование трансформаторов ВИЭ, направленное на повышение их энергетического КПД, сокращение удельных капитальных вложений и себестоимости получаемой тепловой энергии. Для объективной оценки эффективности БГУ и БЭУ в составе энергокомплексов целесообразно определить их энергетическую и термодинамическую эффективность.

Необходимость аккумулирования энергии в АТКс ЕЮ связана с неравномерностью поступления возобновляемых видов энергии и неравномерностью потребления тепловой и электрической. Вопросами аккумулирования ВИЭ занимались многие отечественные и зарубежные исследователи: Быстрое В.П., Девис А., Елистратов В.В., Зегерс П., Ливчак А.В., Манчини Н.А., Матвеев В.М., Уэйр А., Холтон Д К. и др. Применительно к ВИЭ в АТК могут быть использованы тепловые аккумуляторы (ТА). Для аккумулирования тепловой энергии могут быть применены емкостные и фазопереходные ТА. Применение теплоаккумули-рующих материалов фазового перехода (ТАМФП) обеспечивает значительно большую объемную плотность аккумулируемой энергии и позволяет существенно уменьшить их массу и объем. Именно они при наличии достаточно дешевых ТАМФП, смогут найти наиболее широкое применение в АТК с ВИЭ. Однако зарядка и разрядка таких аккумуляторов при низком коэффициенте теплопроводности ТАМФП будет иметь недопустимо большую продолжительность. Поэтому целесообразно исследовать процессы плавления и затвердевания и определить пути интенсификации теплообмена для сокращения времени зарядки и разрядки ТА с ТАМФП.

Классификация АТК с ВИЭ показывает, что многообразие вариантов АТК с ВИЭ, а также ВЭР и ИНТ, используемых в качестве дополнительных источников тепловой энергии, компенсирующих временный недостаток поступления ВИЭ или уменьшающих, а в ряде случаев и ликвидирующих дисбаланс между пиковым энергопотреблением и выработкой энергии, делает весьма сложным поиск оптимального варианта АТК. Для его создания необходимо решить ряд достаточно сложных научно-исследовательских задач, к основным из которых можно отнести: исследование морфологии и структурно-функциональных моделей АТК с ВИЭ; энергетический и эксергетический анализ АТК с ВИЭ; экологическая и технико-экономическая оптимизация АТК с ВИЭ.

На основе комплексного анализа проблемы комбинирования и эффективного использования источников тепловой энергии в АТК, включая ВИЭ сформулированы основная идея, цель и задачи исследования в рамках этой проблемы. Основной идеей работы является создание оптимальныхсэнергетической, термодинамической и экономической точекзрения вариантов АТК на основе разработки методологии теплотехнической оценки эффективности АТК с различными источниками тепла, включая трансформаторы ВИЭ, а также использования оригинальных высокоэффективных типов трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ. Целью работы являетсяразработка теплотехническихосновкомбинирования и эффективного использования различныхисточников тепловойэнергии, в том числе с применением ВИЭ, вАТКдля широкого круга потребителей. Эта цель достигается решением двух основных групп задач исследования (выделено курсивом на рис. 1).

ПРОБЛЕМА

Комбинирование и эффективное использование источников тепловой энергии в автономны! теплоэнергетических комплект, включая возобновляемые источники ГРУППЫ ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

Виды первичных энер- Исследование н совершенствование ис- Исследование эффективности комби-

горесурсов точников тепловой энергии нирования источников тепловой

в АТК

Тошшвно-эвергегическне ресурсы (ТЭР) Оценка запасов, динамики потребления и характеристик установок. Оценка термодинамической эффективности установок. Разработка новых единых подходов к оценке энергетической эффективности комбинирования источников тепла $ АТК: -структурно-морфологический анализ; • энергетический анализ; анализ структурно-функцио нальных моделей и энергопотоков на основе теории графов. Разработка методов оценки термодинамической эффективности комбинирования источников тепловой энергии: - анализ эффективности использования эксергии теплоты в вариантах АТК с несколькими источниками теплоты; обобщение результатов оценки термодинамической эффективности А ТК. Технико-экономичес-кий анализ АТК. Эколого-экономячес-кая оценка АТК.

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) Оценка ресурсов и характеристик установок. Исследование гидродинамики и теплообмена при трансформации солнечной энергии в тепловую в плоских гелиокояяекторах многоступенчатых гелиоустановок. Исследование гидродинамики и теплообмена при прямом превраи^ении механической энергии в тепловую в механических теплогенераторах. Исследование азродинамиких и энергетических характеристик ветродвигателей с вертикальными полуцияиндрическими лопастями и лопастными направляющими аппаратами. Анализ энергетической и термодинамической эффективности гелиоустановок, ветротеплогене-роторов и биоэнергетических установок. Исследование теплообмена в тепловых аккумуляторах при плавлении и застывании теплоаккуму-пирующих материалов фазового перехода (ГАМФП) с высокотеплопроводными инклюзиваии (ВИ)

Вторичные энергоресурсы (ВЭР) Оценка ресурсов, температурных потенциалов и характеристик установок Оценка термодинамической эффективности

Рис. 1. Схема направлений исследований при решения поставленной (фоблемы

К первой группе задач относятся исследования различных источников тепловой энергии, использующих ТЭР, ВИЭ и ВИЭ. Основное внимание уделено исследованиям гидродинамики и теплообмена при трансформации различных ВИЭ (солнечной энергии, ветровой энергии и органических отходов) в тепловую энергию, а также исследования теплообмена при плавлении и затвердевании ТАМФП и влияния высокотеплопроводных инклюзивов (ВИ) на интенсификацию теплообмена. Решение этих задач позволяет разработать новые высокоэффективные типы трансформаторов ВИЭ: гелиоустановки гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоголлекторами, механические теплогенераторы с приводов от ветродвигателей с вертикальными полуцилиндрическими лопастями, ветродвигателей с лопастными направляющими аппаратами, биоэнергетические установки с оптимальными теплотехническими параметрами, а также тепловые аккумуляторы с ТАМФП и ВИ.

Ко «торт группе задач отнесены исследования АТК на основе комбинирования трансформаторов и аккумуляторов теплоты, включающих разработку новых единых подходов и методов оценки энергетической и термодинамической эффективности комбинирования различных источников тепла, в том числе новых типов трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ. Это позволяет разработать наиболее рациональные с энергетической и термодинамической точек зрения варианты АТК с ВИЭ.

Определенное внимание уделено также разработке методик и алгоритмов теплотехнических расчетов трансформаторов и аккумуляторов тепла, использующих ВИЭ, а также технико-экономическому анализу и эколого-экошмической оценке АЖ

Теоретические и экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена при трансформации солнечной энергии в тепловую энергию.

Значительный вклад в разработкутеоретических основ преобразования солнечной энергии в тепловую энергию в гелиоустановках циркуляционного пата и в коллекторах солнечной энергии (КСЭ) внесли ученые: Амерханов Р. А., Байрамов Р. Б, Бекман У., Бутузов В. А, Даффи Д., Драганов Б. X, Клейн С, Ильин А. К., Руденко М. Ф., Садыков Б. С, Скребков Д. С, Твайделл Дяс, Уэйр А, Ушакова А Д, Яксубаев К Д и др.

В основу математической модели процесса нагрева теплоносителя, в отличие от известных работ с трубчатыми элементами, положена расчетная схема, для плоского штампованного элемента. Ось х направлена вдоль потока теплоносителя и имеет начало на входе в элемент КСЭ. Количество тепла, получаемое за счет солнечной энергии и поглощаемое теплоносителем при перемещении его на расстоянии dx вдоль элемента коллектора солнечной энергии (КСЭ) шириной В затрачивается на повышение его температуры / на величину dt и компенсацию тешюпотерь, т. е.

сМЛ = 1к11а-кКГЗЦ-1в)В<Ьс

(1)

где М- массовый расход теплоносителя в КСЭ; с- удельная и теплоемкость теплоносителя; 1К-' плотность потока солнечного излучения; г]0-эффективный оптический КПД КСЭ, к^-у-эффективный коэффициенттеплопотерь КСЭ; /в- температура наружного воздуха

Решение дифференциального уравнения (1) позволило получить зависимость распределения температур театоносителя вдоль каналов элементов КСЭ и формулу для определения среднеинтеграль-ной температуры теплоносителя

=1/Нв и А1ц=1к^в -температурные напоры в начале и конце КО площадью Я).

Значение может отличаться от среднеарифметической температуры теплоносителя на 15-22 %, что очень важно при расчете предложенного автором нового

типа с многоступенчатыми КСЭ. В них подогрев теплоносителя до требуемой конечной температуры осуществляется за однократное протекание теплоносителя через ступени КСЭ из различных, в том числе более простых и дешевых элементов, чем элементы с двойным остеклением (НПК-2 и СПК-2). Экспериментальное исследование изменения температуры теплоносителя вдоль каналов КСЭ на лабораторной гелиоустановке (рис.2) подтвердило полученную аналитически формулу (1), расхождение не превышает погрешности измерения температур 2-5 % (рисЗ).

Впервые аналитически исследованы гидравлические характеристики КСЭ с учетом изменения температуры ¡1 вдоль канала и кинематической вязкости V теплоносителя от температуры и получена формула для определения линейных потерь напора НЦ в КСЭ:

где »^-кинематическая вязкость при температуре /0; /?-температурный коэффициент вязкости; р-гсготностьтеплоносителя при ^ Б,, Ц -диаметр и длина каналов I -го элемента КСЭ, максимальная плотность потока солнечной радиации.

Полученные формулы (2)-{4) могут быть использованы при расчетах ПТМГ.

Исследование гидродинамики и теплообмена при прямом превращении механической энергии и теплоту в механических теплогенераторах.

Вопросами прямого преобразования ветровой энергию в тепловую занимался ряд таких исследователей и разработчиков, как Артамонов А. С, Волков А В., Ильин А. К, Рыжков С. С, Рыжкова Т. С. и др.

В отличие от известных работ по сухому трению, трению в слоях маловязкой жидкости при турбулентном режиме, автором были проведены аналитические и экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена при превращении механической энергии в теплоту за счет трения слоев высоковязкой жидкости при вращательном течении Куэтга (рис. 4).

Выделение тепла за счет сил трения в этом случае описывается дифференциальным уравнением

42

_ 2я- А.е'1" "» ' Я тг гЧг

(5)

(а + Ь)а

а процесс подогрева высоковязкой жидкости в механическом теплогенераторе (МТ) балансовым дифференциальным уравнением

¿дтг<1т=свжРажПгггМ+ктгЭР1Г<1г (6)

где; динамическая вязкость при температуре разность между температу-

рами высоковязкой жидкости и теплоносителя; высота корпуса теплогенератора;

С8Ж, реж - удельная теплоемкость и плотность высоковязкой жидкости; , Fjj. - объем и площадь поверхности МТ; т- время процесса

Решение уравнений (5), (6) позволило получить формулу для определения мощности МТ в зависимости от его диаметра, разности температур и частоты вращения дисков:

О = Л "тг^гг ш .. --/»» & 1 BOO (a + b)a '

и зависимость между температурами t, tBX и временем процесса подогрева 1+ехр(-£г)^ г г+с2 . 1-ехр(-£гГ

где riff - частота вращения вала и дисков; А, В.С.Е- теплотехнические параметры:

«4PU, с=н±

1800 (а + Ь) а yHj]

(7)

(8)

4 ч „ ^AßC-A^+C1 • + ——), t=-

D„

В

Экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена на лабораторной экспериментальной установке (рис. 5) подтвердили адекватность математической модели для ламинарного течения между дисками и позволили получить формулу для определения относительной толшины погоаничного слоя высоковязкой жидкости (Ъис. 6)

8тгг=АНе-°» , (9)

где Де = игр рю !(ц е''") - критерий Рейнольдса; = д-% £>;г/240 - средняя ско-

рость высоковязкои жидкости между подвижными и неподвижными дисками.

в i IB1

Д 11=1400 ■ в*2200 eW*| • о-2Ш<6/ш

Рис. 6. Зависимости относительной толщины пограничного слоя от критерия Рейнольдса

1,0 »-

Рис. 7. Зависимость мощности МТ от температуры высоковязкой жидкости

Эксперименты подтвердили также зависимость мощности от относительной избыточной температуры жидкости Q — в! 0илх И частоты вращения дисков и (рис.7) и зависимость (8) между температурами tx, t^ и временем процесса подогрева.

Исследования аэродннамиких и энергетических параметров ветродвигателей.

Значительный вклад в разработку теоретических основ превращения энергии ветрового потока в механическую и электрическую энергию внесли ученые: Абрамовский Е.Р.,Вашкевич К.П., Галась М.И., Городько СВ., Дэвис А., Дымковец Ю.П. Кажинский Б.Б., Костюков В.И., Ляхтер В.М.,, Милитеев А.Н., неграш А.С., Перминов Э.М., Плотников Д.В., Рензо Д., Салафф С, Самсонов В.В., Свиридов Н.В., Темплин РДж., Харитонов В.П., Хольм ОА., Хоффман Л., Шполянский Ю.Б., Шуберт Р., Ярас Л. и др. В их работах рассматривались быстроходные ветродвигатели аксиального и ортогонального типа, имеющие коэффи-циентмощности (энергетический КПД) не более 0,40-0,45.

Для привода МТ автором предлагается использовать тихоходный ветродвигатель с вер ти-кальными полуцилиндрическими лопастями (ВВШ1), работа которого осуществляется при

меньших скоростях ветра V =2-4 м /с, а пусковой момент значительно больше, чем у других типов ветродвигателей На основе исследований автора с использованием аэродинамической трубы получены формулы для определения ряда параметров ВВПЛ, необходимых для расчета механического ветротсплогенератора (МВТГ).

Известно, что механический КПД паровых и газовых турбин достигает 0,85-0,92. Поэтому вполне рациональным с точки зрения повышения энергетического КПД ВЭУ использовать в них ветродвигатели с лопастными направляющими аппаратами. На основе теории паровых и газовых турбин выполнен анализ скоростей и внутренних потерь в элементах одно- и двухступенчатых ветродвигателей с лопастными направляющими аппаратами (ВЛНА) и получены расчетные зависимости для определения КПД

Ц/) +■ (1-Х1) ф у/А,В2+ ё/ И , (10)

I- {2-(ф у?)+ Sf/hsinß]+[2-(<ff-i y/tfAiBj+fl-jf) фу?AiB,A2Bi+ %'<f?f!A:'B1'+Ai'B2l+ö<p/hsin$A,B2 A,' Bj} Aj,

(И)

где: <р, коэффициенты скорости направляющих, рабочих и выпрямляющих лопаток; 5-средний зазор между рабочими лопатками корпусом; к - средняя высота рабочих лопаток; Д, р2 - угол выхода потока из рабочих лопаток первой и второй ступеней; (X/, (Хг - угол входа потока в рабочие лопатки первой и второй ступеней; 2- коэффициент быстроходности

2= и/Сг, А,=1-2са5 аЯ+г2; Ат=1-2со5 а{&1\В1=1-2со$; Вг1-2са г2

Экспериментальные исследования ВЛНА в аэродинамической трубе диаметром 0,5м (рис. 8) подтвердили увеличение значения КПД 1,5-1,8раза по сравнению со значениями КПД аксиальных и ортогональных ВЭУ (рис. 9) и полученные расчетные зависимости для определения КПД ВЛНА. Этот тип ветродвигателя, также может применяться для привода МТ, что позволит существенно повысить эффективность преобразования энергии ветра в тепловую энергию.

Исследование энергетической эффективности биоэнергетических установок.

Исследованию получения биогаза из органических отходов и эффективности работы биогазовых установок (БГУ) посвящены работы многих исследователей, таких, как: Аксенов Ю И., Амерханов РА, Аоки Н., Аубарт К, Булли Ф., Виестур У.Э., Глазовой А.В., Гульков

A.Н., Грет В., Дубровский B.C., Жилина Т.Н., Зысин Л.В., Кавасе М, Кордоньер П., Коррал Дж.Л., Мунгер X., Мурзин СИ., Ножевникова А.Н., Петерсеп В., Пожарнов ВА., Пуляев

B.Ф., Панцхава Е.С., Селигер X., Синяк Ю.В., Чан С, Холл Д., Хаус Дж., Шульц X. и др. Ря-

дом авторов рассмотрены вопросы трансформации энергии в БГУ, определены затраты тепловой энергии на подогрев биомассы и механической энергии на ее перемешивание. Однако до настоящего времени не решен вопрос об энергетической эффективности БГУ, а также БГУ в сочетании с теплогенератором, составляющих биоэнергетическую установку (БЭУ). Поэтому целесообразно провести исследование выхода биогаза в зависимости в зависимости от основных параметров процесса анаэробного сбраживания и получить расчетную зависимость для определения энергетической эффективности БГУ в зависимости от ее основных конструктивных и эксплуатационных параметров.

На лабораторной установке (рис. 10) автором выполнен комплекс исследований по получению биогаза из различных видов органических отходов при различных температурах. Результаты экспериментов по относительному суммарному объему биогаза, выделяемого в процессе сбраживания в зависимости от относительного времени процесса и относительному выходу биогаза в зависимости от температуры процесса, по данным лабораторных исследований и данным других авторов, полученных в лабораторных и производственных условиях, приведены на рис. 11,12.

Удельный выход биогаза V (рис. 12) аппроксимирован эмпирической зависимостью

v = v„ (1,10-Ю'^2-0,20), (12)

где уп - выход биогаза при температуре (=33 °С.

Из графика видно, что при увеличении температуры процесса от 15 до 55 "С V увеличивается в 6 рев, что свидетельствует о целесообразности повышения температуры процесса при достаточно эффективной теплоизоляции биореактора

На основе анализа тепловых процессов в БГУ и результатов исследования выхода биогаза автором получено общее уравнение энергетического баланса химически связанной в сухом органическом веществе энергии Есов, затрачиваемой на собственные нуязды теплоты теплоты экзотермических биохимических реакций химически связанной

энергии биогаза Е, химически связанной энергии остатка биомассы Ек и теплопотерь через ограадающие поверхности биореактора О,:

Есов + 2* еся+ /Д Мсов — Е + Qтп. (13)

и впервые получена полуэмпирическая формула для определения энергетического КПД БГУ, выражающего соотношение медяу химически связанной энергии товарного биогаза (Е — О*юг) Л химически связанной в сухом органическом веществе энергии Есов.

где Ж, У, Б- содержание жиров, углеводов и белков в сухом органическом веществе; СНА -содержание метана в биогазе; В, 3 - содержание влаги и золы в биомассе; а- коэффициент, учитывающий степень заполнения биореактора; с, р - удельная теплоемкость и плотность биомассы; rfrw - КПД газового водонагревателя; (в - температура наружного воздуха; Тц -продолжительность цикла сбраживания; Я», (V, • • коэффициенттеплопроводностиитолщина теплоизоляции; Д- коэфициентформы; Уц- объем биореактора.

КПД БГУ зависит от состава исходного сырья, удельного выхода биогаза, продолжительности процесса сбраживания и теплотехнических параметров: КПД газового водонагревателя, используемого для подогрева биомассы, термического сопротивления теплоизоляции биореактора, температуры процесса, температуры наружного воздуха и объема биореактора. Формула (17) для может быть использована при проектировании БГУ и при анализе энергетической и термодинамической эффективности БЭУ в составе АТК с ВИЭ.

Исследования теплообмена в тепловых аккумуляторах с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода и высокотеплопроводными инклюзивами.

Большой вклад в развитие исследований по аккумулированию тепловой энергии внесли работы Абхата А., Апариси P.P., Аутонити Г., Быстова В. П., Гринберга Е.А., Дихтиевского О.В., Ковылянского Я.А , Колесникова Б.П., Ливчака А.В., Любова Б.Я., Матвеева В.М., Твайделла Дж, Токаря Б 3, Уэйра А В. и др. В последние годы начали применяться тепловые аккумуляторы (ТА) с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода (ТАМФП) более компактные, чем наиболее распространенные жидкостные.

Известно также достаточно много работ таких авторов, как Горбанева ЕА., Гринберг Е.А, Дилигенский Н. В., Ефимов А. П., Лифшиц М.Ю, Селиванов Н.В., Чекмарева О ML, и др. в которых рассматриваются решения задачи нестационарной теплопроводности с фазовым переходом применительно к различным технологическим процессам. Однако, в настоя-щеевремя отсутствуют комплексные исследования процессов, реализуемыхв ТА иучиты-вающих геометрию слоев ТАМФП, конвективный характер теплообмена в жидкой фазе и влияние высокотеплопроводных инклюзивов (ВИ) на интенсивность теплообмена.

Лнататетофшшеааасвойств 1ШДОЯ,потаял,«готибсшеетдодящми магсриалами.таТА

гелиосистем и АТК с ВЮ являются технические парафины, гашлякгаиенапэетьтеггоноситель до температуры 50-55"С. Для шдогрева теплоносителя до более высоких температур порядка 60-95"С, натри-мер, при использовании в системах отопления, автором предлагается использовал, бтумо-гарафиновые смеси (БПС). Экспериментальные исследования основных тегаофизичеааа свойств БПС в заисимоси от содержания парафина (77) и бтума (Б) позволили получил, эмпирические формулы для определения температуры ¡рп иудельюйтеплогы фазового переходаг

/фп^а006917-1,1711+ ¡05, Г" ¡67+ 0,23П, (15)

в соответствии с которыми с уменьшением пиетет с 58 до 115 °С, агумо1ытепмс189до167кД|кЛ[г.

Процессы фазовых переходов в плоском, цилиндрическом и шаровом слоях ТАМФП в ТА могут бьпь описаны дифференциальнымиуравнениями вида

г п л - и а> н г » ;Iй"1 я1 г * - I

<1т

1 <&

а

¿Т

(16)

гдер;, Л,-тотноси и тегтехгровддность новой фазы; Лс1<1т, <№.¡¡¡<11, <ИКш1й%-скоростьпродви-женияновой фазы в плоским, цилиндрическом и шаровом слое; Л11сЫ, Лх1<Ши, ЛХ!<В1Ш -гради-енгтсмператур в новой фазе в плоском, цилиндрическом и шаровом слоях.

в плоском, цилиндрическом и

шаровом слоях с учетом квазикондуктивного характера теплообмена позволило получить формулы для расчета толщины S новой фазы, времени ее образования 7 и плотности теплового потока q в плоском, цилиндрическом и шаровом слоях ТАМФП

где - температурный напор;

¥ап>¥ши геометрические коэффициенты,зависящие ототносительнойтол-щины цилиндрического и шарового слоев Дд ¡ЯЦ1 чАш

Экспериментальные данные го толщине и времени плавления и затвердевания слоев ТАМФП, полученные на лабораторных экспериментальных установках (рис. 13) удовлетворительно согласуются с аналитическими зависимостями, расхождение с доверительной вероятностью 0,95 не превышает 20% (рис.14).

На основе формул (17)-(19) получены зависимости для критерия Фурье Fo, отражающего динамику продвижения границы раздела фаз, и критерия Померанцева Ро, характеризующего интенсивность теплообмена за счет внутренних источников теплоты фазовых переходов

Ро= ОКо^ОРг]™, Ро = С, Ки" Ро" (Сг Рг)0125 (20)

гае Ci,dm,n, к -числовые коэффициенты и показатели степени.

Квазикондуктивный характер теплообмена при плавлении и застывании учитывался эффективным коэффициента тсшБфЮИнАра; 0,18<СгРг^, входящим в июффициент температуро-

проюдносли жидкой фщыЭксперимешальньЕ значения критериев Fo и Росопвсуюкя с их значениями, рассчитанными по формулам (20) (рис. 15,16), расхождение с доверительной вероятностью 0,95 не превышает 20 %.. Таким образом, формулы (20) могут бьпъ использованы для расчета теплотехнических характеристик тепловых аккумуляторов с ТАМФП при их применении в АТК с В Ю.

а) в плоском слое; б)в цилиндрическом слое; в) в шаровом слое: 1) - корпус установки; 2) • сосуд для плавления (затвердевания); 3) патрубок для охлаждающей жидкости, 4)-жидкостной термометр; 5) -термопары; 6) коммугарующес устройство; 7) цифровой вольтметр; 8) мешалка; 9) ТЭН; 10) формообразующее тою, ТАМ - тсплоакжумулирующий матер нал (парафин, ВПС); В - вода; ОВ - охлаждающая вода

») б) file. 14. Зависимость толщины плоского слоя расплавившегося (а) и застывшего (и) ТАМФП ох ьремсгн s температурного напора: П - парафин; ПА - парафин с ВИ

л р|

t n/l 1

□ / i к/ вЛ

о У И /в □ t

—v/ -3 о - J -■ - <. - к - 5 - • - 6 Г

ri

I/ i1

р— ■ 1

V 2 3 1 567В9Ю 2 3 4 5 К„ Рис. 15 Динамика процесса плавление и застывания теплоаквумулврующего материала фазового перехода

; 5 к.

Рис. 16. Теплообмен в процессе плавления и застывания тештсаккумулирующего материала фазового перехода

I - плоский слой ТАМФП; 2 - цилиндрический слой ТАМФП, 3 - шаровой слон ТАМФП; 4 - плоский слой ТАМФП с ВИ; 5 - цилиндрический спой ТАМФП с ВИ; 6 - шаровой слой ТАМФП с ВИ

Исследованапередачатеплачерезплоскиеортогональноориентированные пластинчатые ВНМя-тематическая моделжвашлшвюнарных гцюирссов фазовых переходов в слоях ТАМФП с пластинчагы-ми ВИ описывалась швейным дифференщшьным ураежнием

где;;? - избыточная температура; х - координата; «-параметр, зависящий от геометрических {5П, 8) и теплофизических (\п, Л) характеристик инклюзива и слоя ТАМФП. Приближенное решение уравнения (21) при д = 5а, = 0,25Ь,&<1 = Д< позволило получить формулу для расчета теплового потока в ТАМФП при наличии пластинчатого ВИ

8 А, ХП 5п АТ2

ь-зП

(22)

где 1П,ЬП -длина и ширина пластинчатого инклюзива

Обобщение результатов анализа на ВИ отличной от пластин формы позволило получить критериальную зависимость для коэффициента эффективности инклюзива, учитывающего увеличение теплового потока в зависимости от критерия Фурье для инклюзива Роя, критерия Косовича Ко и симплексов, выражающих соотношения мевду теплофизическими свойствами сИ / С, рИ / р и геометрическими параметрами 5И / 5, <Рц = ГИ / Рл ВИ и ТАМФП

Кж=1и<р„Ро:?Ко

,-0,59 / Си \0.50 { Ри \0,М Г^И \C.JO

' (^Г

с

I ^ г и у

(7-У ь„

(23)

Экспериментальные данные по КЗИ (рис. 17) согласуются с полученной расчетной зависимостью (23), расховдение с доверительной вероятностью 0,90 не превышает 25 %.

Таким, образом, при наличии ВИ тепловой поток увеличивается в десятки раз, а время процессов зарядки и разрядки в десятки раз, что делает теплотехнические параметры ТА с ТАМФП вполне приемлемыми для практического применения в АТК с ВИЗ. Полученные зависимости (22) и (23) могут быть использованы при расчете параметров аккумуляторов с ТАМФП с высокотеплопроводными инклюзивами различной формы.

Методики и алгоритмы теплотехнических расчетов трансформаторов и аккумуляторов тепла, использующих возобновляемые источники энергии.

Для практического использования результатов исследования гидродинамики и теплообмена при трансформации ВИЭ, а также тепловых аккумуляторов с ТЛМФП созданы специальные методики и алгоритмы расчетов их параметров.

Разработаны методика и алгоритм теплового расчета ГТТМГ, позволяющие определить теплотехнические параметры ГТТМГ: начальные и конечные температуры tHl и /й в каждой из ступеней КСЭ, площади каждой из ступеней F, тештовую мощность Q^ и КПД КСЭ. Расчеты показали, что основная часть площади - 65-70 % приходится на элемент НПК, значительно меньшая - 20-25 % на НПК-1, и еще меньшая - 10-15 % площади на НПК-2, т. е. в • ГТТМГ могут быть в основном использованы более дешевые элементы, чем в установках циркуляционного типа

Разработана методика и алгоритм расчета основных теплотехнических и конструктивных параметров МВТГ: выработка тепловой энергии, температура теплоносителя, энергетический КПД, диаметр корпуса теплогенератора, диаметр ветродвигателя и др.

Получена формула для расчета энергетического КПД БЭУ, состоящей из биореактора с КПД газгольдера с КПД соединяющих газопроводов с КПД и биогазового нагревателя с КПД Т]т. С учетом формулы (14) и известной эмпирической зависимости для среднемесячной температуры воздуха t) КПД БЭУ может быть определен по формуле

77™ ---(0^884 СИ, v„ (U0-10-V- 0,20) - (24)

юу 0,3% Ж + 0,180У + 0,266 Б 3 '

10® / 0,95 ß т„Х„ я(п-1) \ .

----([аер + " ](/-[/„„ +Аsin4 ']))-U}xIrin,■

р(Ю0-ВХт-3)\ 12

Наибольшее влияние на КПД БЭУ оказывают температура процесса t, термическое сопротивление теплоизоляции биореактора R^, температура наружного воздуха t„a побьем биореактора Vs.. Повышение температуры процесса с 33 до 55 °С увеличивает среднего-довой^лэу в 4,2-4,4раза, увеличение VB с I до 1000м1 повышает^гэу в 1,5-2,Зраза за счет уменьшения удельных теплопотерь. Теплопотери могут быть уменьшены при повышении Rf,,, что особенно важно для небольших БЭУ, в которых увеличение Л/и с 0,5 м2-V/Bm до 3,0м2Х:/Вт увеличивает Ябэу в 2,4 раза

Разработана методика определения теплотехнических параметров: толщины слоя ТАМФП, плотности теплового потока, коэффициента эффективности использования высокотеплопроводных инклюзивов и энергетического КПД теплового аккумулятора КПД в наибольшей степени зависит от термического сопротивления теплоизоляции R-щ и объема VA. При повышении Rm с 0,5 mi-K/Bm до 2, 5 м^К/Вт при равных прочих условиях КПД повышается с 0,73 до 0,95, а при повышении VA с 0,05м3 до 50 н? - повышается с 0,80до 0,98.

Анализ структуры и энергетической эффективности автономных теплоэнергетических комплексов.

Анализструктуры, энергетическойэффективности и оптимизация энергокомплексов рассматривались в работах Алхасова А.Б., Амерханова Р. А., Авдрющенко А. И., Бродян-ского JL П., Елистратова В. В., Костенко Г. Н., Лушникова О.Г., Новгородского Е. Е., Ру-денко М. Ф., Степанова В. С, Твайделла Дж., Уэйра А, Литовского Е.И. и др. Морфология ТЭР, ВЭР и ИНТ с ТН достаточно хорошо разработана в работах многих из этих авторов, чего нельзя сказать о морфологии трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ. Изученные для ряда простейших комбинированных систем (гелиоустановка-ВЭУ-тепловой аккумулятор; гелиоустановка-ТНУ-сезонный аккумулятор тепла и др.) методы математического модели-рованиянепозволяютразработатьэнергетически оптимальный вариант комбинированно-

го схемного решения для многих типов АТКсрядом источников тепла, объединенных в достаточно сложные структуры.

Авторомразработанаморфология основныхэлементовАТКсВИЭ: гелиоколлекторов, ветродвигателей, биореакторов и аккумуляторов, позволяющая осуществить предварительный выбор элементов АТК с ВИЭ. Многообразие трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ дает возможность создания множества вариантов структурно-морфологических моделей (СММ) АТК с ВИЭ. Проанализировано 9 типичных вариантов АТК с ВИЭ и ВЭР и выявлены области применения, преимущества и недостатки каждого из вариантов.

Дана сравнительнаяоценкаэнергетическогоКПДпополученным автором формулам для трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ и известным формулам для утилизаторов тепла (табч 3). КПД ряда оригинальных агрегатов, таких так ВЛНА, БЭУ с применением для подогрева ВЭУ, значительно выше, чем у известных аналогов.

Энергетический анализвариантовсовместного использования ВИЭ, ТЭРиВЭРдля автономного теплоснабжения показал, что применение наряду с ГТТМГ ВЭУ позволяет в 3 раза сократить потребление природного газа, а применение ТНУ с приводом от ВЭУ позволит не только обеспечить объект тепловой энергией, но и получить дополнительно электроэнергию, которую можно использовать для электроснабжения.

Предложены формулы для расчета энергетического КПД АТК цАТК, зависящего от КПД трансформаторов, аккумуляторов и энергопроводов г/,, коэффициентов, учитывающих вклад каждого из источников (видов) энергии у/, '■

_ _ _ (I* „АПС „.«К Плт = 1т Па Чэ

чГ = 2>ЛГ,

0-4 Ы

Е1

2Х

Ел

«-1 Е=

(25)

(26) (27)

Расчеты по формулам (25)-(27) показали, что >}(<?• при wuimm в АТК ВИЗ и ВЭР не ниже, чем при использовании ТЭР За счет применения ВЭР г\т может повыситься на 20-30 %.

На основе теории графов применительно к структурно-функциональным моделям (СФМ) АТК с ВИЗ (рис. 18), состоящим из узлов, ребер и замкнутых контуров по которым циркулируют ВЭР,разработанаметодика и алгоритмрасчетаэнергетически оптимального распределения потоков энергии в узлах и на участках СФМ АТК (рис. 19) По полученным значениям эффективных потоков энергии (E, *), +1 определяются действительные потокиэнергии в наиболеерациональных(оптимальныхсэнергетической точкизрения) вариантах, соответствующих максимальным значениям энергетического КПД АТК с ВИЭ

а) б) в)

Рис 18 Графы структурно-функциональных моделей АТК с ВИЭ графы энергопотокоь а) разветвленный; б) кольцевой; в) кольцевой с ответвлением

Рис 19 Алгоритм расчета оптимального распределения энергопотоков ъ АТК

Анализ термодинамической эффективности автономных теплоэнергетических комплексов с топливными энергоресурсами и возобновляемыми источниками энергии.

Одним из наиболее эффективных средств термодинамического анализа энергетических установок и их комбинаций являются эксергетический и эксергоэкономические методы, в развитие которых большой вклад внесли работы ряда отечественных и зарубежных авторов: Амерханова РА., Андреева Л.П., АхернаДж., Бродянского В.М, Грассманна П., Ильина А.К., Костенко Г.Н., Новгородского Е.Е., Ранта 3., Степанова B.C., Ранта 3, Царгута Дж., Этснера Н., Ямаучи С, Литовского Е.И. и др.

Автором разработанв1 новые подходы иметодики оценки термодинамической эффек* тивности новых ранее неисследованных объектов - отдельный установок использующих ВИЭ и комбинированных схем АТК с использованием ТЭР, ВИЭ, ВЭР, ИНТ с ТН и тепловых аккумуляторов.

В качествеединого критерия оценки термодинамическойэффективности источников теплоты автором предлагается использовать эксергетическийКПДисточника теплоты (энергоустановки). Энергетический КПД источника теплоты использующего любые виды энергоресурсов (ТЭР, ВИЭ, ВЭР), состоящего в общем случае из трансформатора энергии, аккумулятора энергии и энергопровода, может быть определен по формуле

где - температурный фактор (эксергетическая температура) энергоустановок, определяемый по формуле

Т -Т

1 w А п

вIV =

■рШХ _-п ГЗ 1п

(29)

где

Тэу - абсолютные температуры теплоносителя на выходе из энергоустанок;

Т^ - максимальные температуры рабочего тела в тансформаторе энергии;

Т0- абсолютная температура окружающей среды.

Конкретный вид формулы для определения г]"у различных видов источников теплоты получен с учетом зависимостей энергетического КПД различных трансформаторов энергии, тепловых аккумуляторов и энергопроводов от их конструктивных и эксплуатационных параметров. Абсолютная температура теплоносителея и, соответственно, эксергетическая температура зависит от типа энергоустановки или трансформатора энергии. На основе зависимости (28) получены формулы для определения эксергетического КПД ряда источников тепла, использующих ТЭР и ВИЭ, таких как газовые нагреватели (ГН), солнечные нагреватели (СН), механические ветротеплогенераторы (ВТ) и биогазовые нагреватели БЭУ (БН):

Леэ у

Чт-ЧгяЧпЧтвгн'

Vat = ilo —f~(Tat ~ то)]/1тлЧэава

и

VBT ~ ЦвмЧтлЧэп&вт >

0,396Ж + 0Д80У+0,266 Б 106

{0,3884Ctf4v,3(l,10-10~V -0,20)-

/>(100-В)(100-3)

0,95 Р тцЯИ

VVi8u

+ )-\,5)tlrrlrn0m,

(30)

где $т, ,вЯТ, 9Ш •' эксергетические температуры (температурные факторы) соответственно ГН, СН, ВТ, БН, определяемые соотношением абсолютных температур теплоносителя на выходе из источников тепла максимальной температуры рабочего тела или

теплоносителя в этом источнике тепла Т"^.Г^.Г^.Г^и абсолютной температурой ок-

Гп ' Сгг ® ВТ ' БН

ружающей среды То

Т -Т

* г** * п

вги

уМАХ __ гр ' ГН ' п

Qru =

Т -Т

'сн 1 о

■ГШХ

1 SC3 * о

грМАХ ^ ji

Л _ " БН ж О £ЭУ ~~ у* МАХ _ гр * at * п

(31)

Результаты оценки эксергетического КПД газового нагревателя, биогазового нагревателя БЭУ (рис. 20), гелиоустановок с различными типами КСЭ (рис. 21), МВТГ с различными типами ветродвигателей по формулам (30) позволяют заключить следующее.

1гнлэу

0.50

40 50 «О 70 80 90 п,т Рис. 20. Зависимость эксергетического КПД газового водонагревателя и биоэнергетической установки от температуры воды на выходе: 1 УЛ-УВ'Ы, 7]вгу=0,30,

3-1б = 55 "С. Чпу-0,45,4 -1Б-55 '„ 1)^-0,64

Рис. 2! Зависимость энергетического н экссргеткческого КПД солнечного водонагревателя от температуры воды на выходе: 1 - НПК-2; 2 - СНК-2; 3 -НПК-2; 4 - СНК-2

Экссргетический КПД газового нагревателя с ростом температуры на выходе из него сп 40 до 90 С увеличивается с 0,09 до 0,19, поэтому наиболее эффективно использовать топливный источник тепла в АТК при максимально возможных температурах теплоносителя. Эк-сергетический КПД БЭУ с ростом температуры на выходе из нее от 40 до 90 "С увеличивается с 0,03-0,08 до 0,07-0,18. Наиболее эффективно использовать БЭУ в АТК при максимально возможных температурах теплоносителя, объемах биореактора и термических сопротивлениях теплоизоляции. В этом случае достигаются максимально возможные значения 1бэу~ лишь на 21% меньшие, чем эксергетического КПД газового нагревателя. Во всем

диапазоне температур 40-90 С экссргетический КПД солнечного нагревателя в 1,5-2,3 раза больше эксергетического КПД газового нагревателя, что свидетельствует о более высокой термодинамической эффективности гелиоустановок по сравнению с топливными источниками тепла С увеличением температуры теплоносителя от 40 до 90 С при росте КПД ветродвигателей от 0,20 до 0,80 эксергетический КПД МВТГ увеличивается с 0,06-0,23 до 0,13-0,53. Эксергетический КПД МВТГ с приводом от ветродвигателя с лопастным направляющим аппаратом (77= 0,80) в 2,4-2,6 раза больше эксергетического КПД газового нагревателя и в 1,1-1,6 раза больше, чем солнечного нагревателя, что свидетельствует о наиболее высокой термодинамической эффективности этого типа ветротеплогенераторов по сравнению со всеми рассмотренными источниками тепла.

Таким образом, с увеличением температуры воды на выходе из различных источников тепла их эксергетический КПД увеличивается в 1,6 -2,4 раза. Эксергетический КПД механических теплогенераторов в 2,4-2,6раза, а эксергетический КПД солнечных нагрева гелей в 1,5-2,3 раза больше эксергетического КПД газового нагревателя, что, в целом, свидетельствует о более высокой термодинамической эффективности энергоустановок, использующих ВИЭ по сравнению с источниками тепла, использующими ТЭР.

Для оценки термодинамической эффективности АТК с несколькими источниками энергии автором введен эксергетический КПД АТК Т]"т, показывающий эффективность использования эксергии теплоты и выражающий соотношение между суммарной эксергией теплоты поступающей потребителям и эксергией теплоты источников. Обобщенная структур-

но-расчетная схема АТК с одним топливным источником тепла (ИТ), л низкопотенциальными источниками тепла (НИТ) и двумя потребителями (TE и Ц) приведена на рис. 22.

Рис 22 Обобщенная структурно-расчетная схема АТК с двумя потребителями,

топливным источником тепла и п низкопотенциальными источниками тепла

Для этой схемы эксергетический КПД различных вариантов АТК может быть определен по предлагаемой формуле

я и

(®7г 1т + X РЛп, I + [С - а)1т Чт + Ц^М^/» ПТ-.-. ----:--, (32)

i-i

где Я --доля теплоты, получаемой оттопливного источника теплоты первым потребителем, 1-а - доля теплоты, получаемой от топливного источника теплоты вторым потребителем; r¡t- • энергетический КДЦ топливного источникатеплоты^/п, fyn' - коэффициенты,учитыва-ющие теплопотери в теплопроводах, соединяющих топливный источник теплоты с первым и вторым потребителями (энергетические КДЦ теплопроводов); t¡ir,i,iJo,i - коэффициенты, учитывающие теплопотери в теплопроводах, соединяющих низкопотенциальные источники теплоты с первым и вторым потребителями (энергетические КДЦ теплопроводов),

отношение тепловой производительности каждого 1-го и / - го низкопотенциального энергоисточника, подающего тепло соответственно первому и второму потребителю к тепловой производительности топливного источника теплоты; 6П1, впг эксергетические температуры первого и второго потребителейтеплоты; • максимальная эксергетическая температура топливного источника тепла (газового нагревателя); 01,в1- эксергетические температуры низкопотенциальных источников теплоты, подающих тепло первому и второму потребителям тепловой энергии.

Выполнена оценка энергетического КПД для 30-ти вариантов комбинирования от двух до пяти источников теплоты в АТК (табл. 4).

Таблица 4

Варианты комбинирования нескольких источников теплоты в АТК

Обозначения Топливные и вторичные энергоисточники Возобновляемые источники энергии

вариантов ГН УТ ТН БН СН ВТ

2 энергонсточвика

1-2 ГН УТ

1-3 ГН ТН

1-5 ГН СН

1-6 ГН ВТ

2-4 УТ БН

3-4 ТН БН

4-5 БН СН

4-6 БН ВТ

3 энергоисточннка

1-2-3 ГН УТ ТН

1-2-5 ГН УТ СН

1-2-6 ГН УТ ВТ

1-3-5 ГН ТН СН

1-3-6 ГН ТН ВТ

1-5-6 га СН ВТ

2-3-4 УТ ТН БН

2-4-5 УТ БН СН

2-4-6 УТ БН ВТ

3-4-5 ТН БН СН

3-4-6 ТН БН ВТ

4-5-6 БН СН ВТ

4 энергоисточника

1-2-3-5 ГН УТ ТН СН

1-2-3-6 ПН УТ ТН ВТ

1-2-5-6 ГН УТ СН ВТ

1-3-5-6 ГН ТН СН ВТ

2-3-4-5 ТН БН СН

2-3-4-6 ТН БН ВТ

2-4-5-6 БН СН ВТ

3-4-5-6 ТН БН СН ВТ

5 энергоисточников

1-2-3-5-6 ГН УТ ТН СН ВТ

2-3-4-5-6 УТ ТН БН СН ВТ

Для использования ТЭР в АТК могут быть применены газовые водонагреватели (ТВ), для использования вторичных энергоресурсов (ВЭР) - утилизаторы тепла (УТ) сточных вод и вентиляционных выбросов, для использования ВЙЭ - солнечные нагреватели (С11), ветро-тегаюгенераторы (ВТ) и биогазовые нагреватели (БН) биоэнергетических установок, а также тепловые насосы (ТН), использующие природные и техногенные источники низкопотенци-альнои теплоты. В качестве потребителей тепловой энергии принимаются системы отопления (СО) и системы горячего водоснабжения (СГВ).

Для сопоставления эксергетического КПД различных вариантов АТК расчеты производились при ряде постоянных параметров: доля теплоты, получаемой от топливного источника теплоты первым и вторым потребителями а=1-а= 0,5, энергетические К11Д газовых и биогазовых нагревателей )//я= 7п?= 0,85, энергетические КПД всех теплопроводов 1]а-0,90, абсолютная температура окружающей среды То -281 К, энергетические КПД тепловых аккумуляторов

Эксергетические температуры теплоносителя, поступающего потребителям и максимальные эксергетические температуры дымовых газов и теплоносителя в УТ определялись по формулам

где7С0, Тсп>, Tj^g, Т^Ц*, T^f - абсолютные температуры теплоносителя на входе в СО, в

СГВ и в неявном виде в СГВ, максимальная абсолютная температура дымовых газов в газовом нагревателе и теплоносителя в УТ, расчетах принимались Тсо -313-363 К, Ten-313-

363К, Т*~298К ТУ* =2000 К, Т"

=303 к.

'ста гя ¿ми 1\, 1П

Анализ эксергетического КПД АТК по каждому из 30-ти вариантов комбинирования производился по группам вариантов АТК с двумя, тремя, четырьмя и пятью источниками теплоты. В качестве примера на рис. 25 приведены структурные схемы АГК с 2-ш источниками теплоты. В них наряду с топливными энергоисточниками (ГН, УТ, ТН) используются низкопотенциальные источники (БН, СН и ВТ). Общая формуладля расчета эксергетического КПД АТК (32) для вариантов 1-2 (ГН-УТ), 1-3 (ГН-ТН), 1-5 (ГН-СН), 1-6 (ГН-ВТ), 2-4 (УТ-БН), 3-4 (БН-ТН), 4-5 (БН-СН), 4-6 (БН-ВТ) принимает вид:

_« _ О"?тЛпРт +Рут1Т»1„ХЪ

П-2 ~ рШК о „'МХ

°т Руг уг

„« _ (<*ЛтУп, + РпЧтЛпУОсо +{1-<Х)Лт71т6сп>

"м--в-'

(34)

(35)

/л ШЛ' . о лии

ш + Рси°си

„ _ {аУгяУт + PtrWmWo + (1 -«КтУдА,

'и л«« , о ашх

ат РST ВТ

_ aW„Ao + О - + РугПшУпАт

лШХ о лШ °еи ~Рут°УТ

_ (<XWm + РшПтлЛп, Wco + 0 -

Л1

О,

Рт

_ аЦтПЛо + К1 - <*УПп,Пй7 + РснПтП и \встъ

1 auvc J. Я a^i '

°вк + PcH°ai

(аЧыУт +Р*гг1тлЛПг)9со+0--а)Пгнг1„Ап,

(36)

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

где Руг, Рт, Рсн, ¡$т - соотношение тепловых про изводительностей между УТ, ТН, СН,

ВТ и ГН или БН; рщ -коэффициентпреобразования теплотыТН; вт-эксергетическая температура теплоносителя на выходе из теплового насоса.

Г) 3)

Рис 23. Струюурные схемы АТК с двумя источниками энергии

а) вариант 1-2; 6) вариант 1-3; в) вариант 1-5; г) вариант 1-6; д) вариант 2-4; е) вариант 3-4; ж) вариант 4-5; з) вариант 4-6

Знак (-) в знаменателе формул (34), (38) учитывает, что теплота в утилизатор поступает не извне, а из самой системы, в данном случае из сточных вод от СГВ. В качестве примера на рис. 24 приведены результаты расчета эксергетического КПД 8-ми вариантов структурных схем АТК с использованием двух источников энергии по формулам (34)-(41). Их анализ позволяет сделать следующие выводы.

Применение ВИЭ и ВЭР в АТК повышает эксергетический КПД АТК до 0,24-0,27, т. е. делает его на 20-30 % больше по сравнению с АТК использующими ТЭР, сокращает потери эксергии на 5-10 % и уменьшает расход топлива в 1,3-1,7 раза. Теоретическая температура горения биогаза не опускается ниже 1800К При этом эксергетическая температура БЫ ОБН -вщ (расхождение не превышает 12 %).

Результаты расчета эксергетического КПД АТК в вариантах АТК с БН при прочих равных условиях практически не отличаются от ранее полученных значений для вариантов АТК с ГН (расхождение не более 2 % и находится в пределах погрешности расчетов), т. е. использование БН вместо ГН практически не отражается на величине эксергетического КПД АТК. С ростом температуры теплоносителя на выходе из ТН от 45 V до 60 VЛ снижается с 5,8 до 4,0, а при дальнейшем повышении т до 95 "С ЦуИ снижается до 2,6. Для эффективной работы АТК, целесообразно осуществлять подогрев теплоносителя на выходе из ТН до температуры не более 60 °С и повышать долю вклада ТН в энергобаланс АТК.

В вариашах комбинирования источников тепла ГН-УТ (БН-УГ) с ростом соотношения тепловых производительностей УТиГН (УТ и БН ) от 0 до 0,6 эксергетический КПД АТК в диапозоне температур Тсо = Теп =313-363 К увеличивается с 0,14 до 0,24. Это свидетельствует о существенном сокращение затрат эксергии топлива и физического расхода топлива при использовании в АТК УТ в качестве низкопотенциального источника тепла.

В вариантах комбинирования источников ГН-ТН (БН-ТН) при увеличении /?Гг7 от 0,2 до 0,6 и повышении /да от 45 °С ДО 95 "С эксергетический КПД АТК увеличивается в 2,3 раза. Для эффективной работы этого варианта АТК целесообразно осуществлять подогрев до температуры т не более 60 "С (например, применив напольную систему отопления) и повышать долю вклада ТН в энергобалас АТК.

В вариантах АТК с использованием ГН и СН ( БН и СН) при повышении (1СЯ от О до 0,6 при Га/= 318-368К эксергетический КПД АТК увеличивается с 0,12до 0,27. Это свидетельствует о значительном сокращение потерь эксергии топлива при использовании в АТК в качестве низкопотенциального источника тепла СН. В варианте ГН-ВТ (БН-ВТ) при росте соотношения тепловых производительностей Д,г от 0до 0,6 в диапазоне изменения температур Твт = 318-368К эксергетический КПД АТК увеличивается в 2,3 раза, что показывает на значительное его повышение и существенное сокращение потерь эксергии и физического расхода топлива при использовании в АТК в качестве дополнительного источника энергии такого ВИЭ, как энергия ветра.

В 12-ти вариантах с использования трех типов энергоисточников, 8-ми вариантах с четырьмя типами энергоисточников и 2-х вариантах с пятью типами энергоисточников основные закономерности те же, что и в АТК с двумя типами энергоисточников. Так, например, при совместном применении ГН, МТ и ГУ в диапозоне температур на выходе из энергоустановок с 45до 95 "Сэксергетический КПД АТК увеличится с 0,34до 0,42, а при совместном использовании ГН, ГУ и ТН в диапозоне температур 30-60°С эксергетический КПД АТК увеличится до 0,48-0,56. При росте температуры теплоносителя на выходе из ТН с 45 до 95°С эксергетический КПД АТКувеличивается с 0,11-0,17до 0,27-0,44, однако при этом коэффициент преобразования тешкиы ТН снижается с 9,1 до 2,6. Поэтому представляется целесообразным применять ТН в диапозоне температур на выходе из ТН 30-60 "С, например, в системах напольного отопления зданий. Использование БЭУ практически не отражается на эксергетическом КПД АТК, т. к. снижение теоретической температуры горения с 2000-2100К для природного газа до 1800-1900К для биогаза, приводит к повышению КПД лишь на 1-2 % В целом при увеличении количества низкопотенциальных источников теплоты и их доли в энергобалансе АТК эксергетический КПД ЛТК существенно возрастает и может достичь значений в 2-4 раза превышающих значения 0,17 для автономной системы теплоснабжения с ГН. Это свидетельствует о существенном сокращеше затрат эксергии и физического расхода топлива.

Проведенный анализ 30-ти вариантов схем АТК с топливными и низкопотенциальными источниками энергии (ВИЭ и ВЭР) позволяет сравнить комбинированные схемы по величине эксергетического КПД АТК. На рис. 25 приведена диаграмма, наглядно представляющая зависимость максимальной величины эксергетического КПД от структуры АТК с ВИЭ.

Наименее эффективным представляется вариант АТК с одним топливным источником энергии (ГН или БН), которому соответствует значение эксергетического КПД 0,20 при максимальных температурах Наиболее эффективным представляется варианты

1-2-3-5 (ГН-ТН-СН-ВТ) и 2-34-5 (БН-ТН-СН-ВТ), имеющие значения Ц^ ~ 0,36 в 1,8 раза превышающие значение эксергетического КПД АТК с топливным источником теплоты. Эти варианты при равных прочих значениях параметров отличаются наибольшими значениями суммарного коэффициента которому соответствует коэффициент замещения общей нагрузки АТК за счет ВИЭ и ВЭР у/тп = р /(I + )= 0,55. Таким образом, термодинамически наиболее эффективны АТК с ВИЭ и ВЭР. Предпочтение следует отдавать вариантам с тремя-пятью источниками энергии (ВИЭ и ВЭР).

В рассмотренных вариантах ВТ и ТН применялись для получения тепла, используемого в системах отопления, а СН и УТСВ в системах горячего водоснабжения. Однако возможны и другие варианты, в которых, например, ВТ и ТН могут применены наряду с СН и УТСВ в системах горячего водоснабжения, а СН и УТСВ наряду с ВТ и ТН для получения теплоты, подаваемой в системы отопления. Однако, общие закономерности, качественные и количественные оценки буцут практически теми, же, что и для 30-ти рассмотренных вариантов комбинированных схем АТК.

Технико-экономический анализ н оптимизация АТК с ВИЭ.

Термодинамически наиболее эффективные варианты АТК с ВИЭ требуют их дальнейшей технико-экономической оптимизации для поиска оптимального для данного потребителя варианта АТК, соответствующего минимальным приведенным годовым затратам. Поэтому автором выполнен технико-экономический анализ и оптимизация энергоустановок, использующих ВИЭ и АТК на их основе.

Рассмотрены основные факторы от которых зависят технико-экономических (ТЭП) гелиоустановок, ВЭУ и БГУ: капитальные вложения, приведенные годовые затраты, срок окупаемости и себестоимость получаемой тепловой энергии. Разработана методика оценки ТЭП гелиоустановок различных типов в зависимости от конструктивных особенностей и материалов, применяемых при их изготовлении. Применение многоступенчатых гелиоколлекгоров и тепловых аккумуляторов с ТАМФП позволяет на 47-52 %, т е. практически в 2раза уменьшить затраты на гелиоустановки в целом. Себестоимость тепловой энергии, получаемой за счет солнечной в ПТМГ в 2 раза меньше себестоимости тепловой энергии, получаемой от газовых водонагревателей.

Получены формулы для расчета' уцельных затрат на 1 кВт установленной мощности и на Iм площади ротора, удельных затрат на 1 кВт ч получаемой тепловой энергии и срока окупаемости ВЭУ. Применение ВВПЛ для привода МТГ позволяют в 1,3 раза сократить себестоимость тепловой энергии, получаемой из ветровой, а применение ВЛНА позволяет уменьшить себестоимость тепловой и электрической энергии получаемой из ветровой в 1,8-1,9раза. Полученные зависимости использованы для расчета ТЭП ВЭУ для АТК с ВИЭ.

Получены формулы для расчета ТЭП БЭУ: капитальных затрат, эксплуатационных затрат, себестоимости получаемого биогаза и оптимальной толщины теплоизоляции биореактора. При применении для подогрева биомассы ВИЭ себестоимость получаемого биогаза снижается до Ся-= 0,006-0,024 $/м3 для БЭУ средней и большой мощности, сравнявшись с ценой природного газа на внутреннем рынке Цпг= 0,014-0,024 $/м3. С учетом получения дополнительной прибыли за счет продажи получаемых органических удобрений и значений капитальных затрат на строительство и эксплуатацию газовых сетей в отдаленных сельских районах использование БЭУ не только большой и средней, но и малой мощности может быть экономически оправданным уже в настоящее время для многих типов потребителей, а также в АТК с ВИЭ.

Получена формула для определения оптимальной толщины слоя теплоизоляции биореактора, соответствующей минимуму удельных затрат на получение биогаза. Оптимальная

толщина теплоизоляции 8Л биореакторов уменьшается пропорционально объему биореактора УБъ степени - 0,17. При термофильном режиме она на 40-50% больше, чем при мезо-фильном, что связано с большими тешюпотерями при более высокой температуре биомассы. Относительно более высокие значения 8Л имеют место в БЭУ малой мощности с периодической загрузкой органических веществ в биореактор

На основе полученных автором формул разработана методика расчета технико-экономических показателей АТК с ВИЭ. Сопоставление ТЭП нескольких вариантов АТК с ВИЭ позволяет выбрать оптимальный вариант с миниматьными суммарными годовыми затратами, меньшими, чем в АТК с ТЭР. Оптимальные варианты АТК с предлагаемыми автором высокоэффективными трансформаторами и аккумуляторами ВИЭ но технико-экономическими показателями конкурентоспособны с централизованными и автономными системами энергоснабжения, использующими ТЭР. Их применение вполне эффективно в настоящее время и станет еще более эффективным в ближайшие несколько лет, учитывая тенденцию постоянного роста цен на ТЭР. Учет дополнительной экономии за счет снижения ущерба окружающей среде улучшает ТЭП АТК с ВИЭ. Их применение становится еще более экономически эффективным.

Рекомендации и практическое применение результатов исследований.

Разработаны схемные решения комбинирования новых более эффективных типов трансформаторов ВИЭ и тепловых аккумуляторов для их применения в АТК. Предложены варианты компоновки ГТТМГ: с котельными, оборудованными рекуперативными теплообменниками, контактными водонагревателями, в сочетании с ВЭУ, в сочетании с ВЭУ и тепловыми насосами. Приведены варианты применения МВТГ совместно с ГТТМГ, ТН и утилиза гором тепла сточных вод, позволяющие полностью удовлетворить потребности в тепловой энергии без применения ТЭР.

Для повышения эффективности работы БЭУ в составе АТК за счет повышения выхода товарного биогаза для подогрева биомассы в биореакторах предложено использовать гелиоустановки, МВТГ и ТН с приводом от ВЭУ. Применение гелиоустановки для подогрева биомассы в метантенке позволяет в 1,5-2,0 раза уменьшить потребление биогаза на собственные нужды и соответственно увеличить выход товарного биогаза в 1,3-2,0 раза. При использовании ВЭУ потребление биогаза на собственные нужды сократится до 0 и выход биогаза может быть увеличен в 1,5-2,2 раза. При применении источников низкопотенциального тепла и ТНУ мощность ВЭУ может быть уменьшена в 2,3-3,7 раза, а выход товарного биогазаувеличен в 1,7-2,5раза.

Выполненные автором исследования и разработки высокоэффективных трансформаторов ВИЭ и тепловых аккумуляторов, структурно-морфологический, энергетический и термодинамический анализ достаточно сложных АТК с использованием различных источников теплоты, а также технико-экономический анализ АТК с ВИЭ позволили разработать метод оптимизации АТК, исходя из многообразия возможностей использования различных источников энергии, с учетом природно-климатических условий, наличия энергоресурсов, режима потребления тепловой энергии и т. д. Этот метод включает 5 этапов и 18 стадий (рис. 26).

На первом этапе выполняется анализ исходных данных, далее следуют этапы структурно-морфологической, энергетической и термодинамической оптимизации. Из первоначально очень большого количества вариантов на каждом этапе производится селекция наиболее эффективных со структурной, энергетической, экологической и термодинамической точек зрения вариантов АТК, на порядок, сокращающая количество рассматриваемых на последующем этапе вариантов. На завершающем этапе технико-экономической оптимизации из нескольких (3-5) вариантов выбирается один оптимальный вариант, соответствующий минимальным годовым приведенным затратам на реализацию АТК и минимальной себестоимости тепловой энергии получаемой за счет возобновляемых и других видов энергии.

1 Анализ исходных данных

2 Струетурно-морфологи-ческая-оптимизация

3 Энергетическая оптимизация

4 Термодинамическая оптимизация

11 Формулировка целевых установок 1 2 Анализ источников энергии

13 Анализ систем потребления тепла

14 Формулировка основных требовании

21 Разработка структурно-функциональных моделей

22 Выбор оптимальных структур

2 3 Морфологический анализ и синтез

2 4 Выбор оптимальных структурно-морфочогических моделей

3 1 Составление энергетических балансов 32 Оценка экочогическои чистоты

3 3 Оценка энергетического КПД

3 4 Выбор энергетически оптимальных вариантов

41 Оценка эксергетического КПД источников теплоты

42 Оценка энергетического КПДАТК

4 3 Выбор термодинамически оптимальных вариантов АТК

5 Технико-экономическая оптимизация

51 Построение экономической модели 5 2 Уточнение показателей с учетом экочогических факторов 5 3 Выбор оптимального варианта

Рис 26 Этапы и стадии оптимизации АТК

Практическое испочьзование разработанных автором теплотехнических основ совершенствования и комбинирования различных источников энергии в АТК, результатов теоретических и экспериментальных исследований, разработанных методик и алгоритмов заключается в следующем

- разработана техническая документация на ряд трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ и АТК с ВИЭ, в том числе и в форме дипломных проектов, рекомендованных для внедрения,

- изготовлены и внедрены гелиоустановки гравитационного типа на Астраханском хозрасчетном участке Спецтеплицмонтажстроя г Астрахани, на личном подворье в Харабалин-ский районе и ряде дру гих объектов в Астраханский обтасти,

- система автономного инженерного обеспечения фермерских хозяйств с использованием ВИЭ рассмотрена и одобрена Ассоциацией крестьянских (фермерских) хозяйств и рекомендована к внедрению в фермерских хозяйствах Астраханской области,

- предложенные автором установки по использованию ВИЭ защищены патентами на изобретения (патенты № 2124680, 2228503, 2229026, 2230933) и включены в региональную программу «Энергосбережение в Астраханской области в 1999-2005 годах»,

- тема «Применение нетрадиционных возобновляемых источников энергии в сельской местности» по материалам исследований и разработок автора включена в состав учебной программы обучения работников государственной власти и местного самоуправления,

- результаты исследований и разработок автора, опубликованные в монографии автора, использовались в ряде монографий и учебных пособий других авторов,

- по материалам диссертации и монографии читаются несколько спецкурсов для студентов специальности "Теплогазоснабжение и вентиляция" (в АИСИ) и "Промышленная теплоэнергетика" и "Рациональное использование водных ресурсов" (в АГТУ),

- основные положения разработанной автором теории энергетической, технико-экономической и экологической оптимизации АТК вошли в отчеты по индивидуальному исследовательскому проекту "Small ecologically clean complexes with renewable energy sources" по гранту Фонда Джона Д и Кэтрин Т Макартуров (США, Чикаго, Иллинойс, 1998-1999 гг) в рамках Международной программы "Глобальная безопасность и устойчивое развитие"

В заключении приводятся основные результаты диссертационной работы, определяющие ее научную новизну и практическую значимость.

1. Сформулирована проблема оптимизации АТК для потребителей, удаленных от централизованных систем энергоснабжения и необходимые для ее решения приоритетные задачи совершенствования трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ, разработки методологии оценки их эффективности и оптимального комбинирования источников теплоты.

2. Теоретически и экспериментально исследованы особенности теплообмена и гидродинамики в высокоэффективных гелиоустановках и ветротеплогенераторах. Получены зависимости для расчета и оптимизации их теплотехнических параметров. Выполнен анализ тепловых процессов в БЭУ и впервые получена формула для определения их энергетического КПД в зависимости от параметров процесса. Доказана эффективность применения БЭУ при термофильном режиме при достаточно эффективной теплоизоляции биореактора.

3. На основе теоретических и экспериментальных исследований процессов плавления и затвердевания в плоском, цилиндрическом и шаровом слоях с учетом квазикондуктивного характера теплообмена впервые получены критериальные уравнения для расчета параметров тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена эффективность применения высокотеплопроводных инклюзивов различной формы, позволяющих интенсифицировать теплообмен и в десятки раз сократить время зарядки и разрядки тепловых аккумуляторов.

4. Разработана методология оценки энергетической эффективности источников теплоты и АТК с использованием различных видов энергоресурсов. Оценка энергетического КПД установок, использующих ВИЭ, ВЭР и ТЭР показала, что КПД ряда оригинальных установок выше, чем у известных аналогов и достигает значений 0,6-0,9, характерных для наиболее совершенных трансформаторов ТЭР. Получены формулы для расчета энергетического КПД АТК, зависящего от КПД трансформаторов, аккумуляторов, энергопроводов. Показано, что применение ВЭР наряду с ВИЭ позволяет на20-30 % повысить энергетический КПД АТК.

5. Разработаны методики оценки термодинамической эффективности отдельных установок и комбинированных схем АТК. В качестве единого критерия оценки термодинамической эффективности комбинирования энергоисточников и потребигелей теплоты впервые применен эксергетический КПД АТК. Анализ 30-ти вариантов АТК с двумя-пятью источниками теплоты и двумя потребителями, использующими различные виды энергоресурсов, показал, что наиболее эффективными представляются варианты АТК с ВИЭ, имеющие этот К11Д в 2-4раза больший, чем в АТК с ТЭР.

6. Впервые получены формулы для оценки технико-экономических показателей трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ в зависимости от их тепловых, конструктивных и эксплуатационных характеристик. Расчеты показали на снижение в 1,5-2раза себестоимости получения тепловой энергии с помощью оригинальных типов гелиоустановок, ветротешюге-нераторов и биоэнергетических установок. АТК с предлагаемыми высокоэффективными трансформаторами и аккумуляторами ВИЭ по технико-экономическим показателям конкурентоспособны с автономными системами энергоснабжения, использующими ТЭР.

7. Предложен метод поиска оптимального для любого конкретного потребителя варианта АТК в виде алгоритма из 5 этапов и 18 стадий. Из первоначально большого количества вариантов на каждом этапе производится селекция наиболее эффективных со структурной, энергетической, экологической и термодинамической точек зрения вариантов АТК, на порядок, сокращающая количество рассматриваемых в последующем вариантов. На завершающем этапе определяется оптимальный вариант с минимальными годовыми приведенными затратами и минимальной себестоимостью получаемой тепловой энергии.

8. Полученные результаты обеспечивают комбинирование и эффективное использование источников тепловой энергии в АТК путем внедрения и реализации: оригинальных технических решений в области трансформации, аккумулирования и комбинирования ВИЭ; методик теплотехнического расчета трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ; схемных решений и практических рекомендаций для различных типов потребителей.

Основные положения диссертации изложены в опубликованных работах:

Публикации в периодических научных я няучпо-техиических изданиях, в которых рекомендуется публикация основных результатов докторских диссертаций (по решению ВАК Минобразования России)

1. Шишкин Н.Д., Шамсутдинов Т.Ф. Комплексно-ступенчатое использование тепла // Энергосбережение и водоподготовка. 1997. № 2. С. 46-49.

2. Шишкин Н Д Экологически чистые источники энергии в системах автономного водо- и теплоснабжения // Энергоснабжение и водоподготовка. 1997. №3. С.71-73.

3. Шишкин Н. Д. Энергетические балансы малых энергоэкономичных комплексов с возобновляемыми нсточ киками энергии // Энергосбережение и водоподготовка. 2000. № 3. С. 29-31.

4. Шишкин Н.Д Анализ процессов теплоообмена в тепловых аккумуляторах фазового перехода // Вестник Воронежского ГТУ. Серия Энергетика. 2003. Вып. 7 3. С. 158-160.

5. Шишкин Н.Д., Бирюлин И.Б., Сакджи-Горяева И.П Теплогенератор для биореактора // Заявки РФ на изобретения. 2004, № 3. С. 273.

6. Бирюлин И.Б., Гостюнин Ю.Б., Шишкин Н.Д. Теплогенератор гидравлический // Патенты РФ на изобретения. 2004. № 13 С. 525.

7. Шишкин Н. Д., Бирюлин И.Б., Середина Ю.В., Климов А.В. Теплогенератор электрогидравлический // Патенты РФ га изобретения. 2004, № 14. С. 362.

Отдельные издании

8. Шишкин Н.Д Оценка ресурсов возобновляемых источников энергии Астраханской области, перспективы и концепция их использования. Препринт. Саратов: ОЭП СНЦ РАН. Лаборатория нетрадиционной энергетики, 2000. 31 с.

9. Шишкин Н.Д Малые энергоэкономичные комплексы с возобновляемыми источниками энергии / Монография. 2000. М: Готика 236 с.

10 Ильин А-К., Шишкин Н.Д. Автономные теплоэнергетические комплексы (структура, характеристики, эффективность). Ростов-на-Дону: Южный научный центр РАН, 2004. 107 с.

Публикации в ведущих научных изданиях

11. Шишкин Н.Д, Шамсудинов Т.Ф. Применение блочных и крыпшых котельных для децентрализованного теплоснабжения // Известия Жилищно-коммунальной академии (ЖКА). 1997. № 4. С. 98-102. -

12. Шишкин Н.Д. Автономные комбинированные биоустройства для очистки сточных вод // Известия ЖКА. 1997. № 4. С. 103-105.

13. Шишкин Н Д Оценка ресурсов возобновляемых источников энергии Астраханской области // Известия ЖКА. 1997. №4. С. 106-112.

14. Шишкин Н.Д. Системы автономного тепло- и электроснабжения фермерского хозяйства с использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии // Известия Академии промышленной экологии (АПЭ). 1997. № 1.С. 81-84.

15. Шишкин Н Д. Система водо- и теплоснабжения с возобновляемыми источниками энергии // Известия ЖКА 1998. № 1. С. 49-52.

16. Шишкин Н.Д Структурно - функциональные модели малых экологически чистых комплексов с возобновляемыми источниками энергии// Известия АПЭ 1999. № 3. С. 61-64.

17. Шишкин Н.Д. Основные направления энергосбережения в системах теплоснабжения жилых н производственных зданий в Астраханской области // Известия ЖКА. 2000. № 4. С. 20-26.

18. Шишкин Н.Д, Муканов Р.В., Климов А.А. Исследование гидродинамики механических теплогенераторов для систем автономного теплоснабжения // Известия ЖКА. 2000. № 4. С. 27-33.

19. Шишкин Н.Д., Просвирина КС. .Оценка эффективности применения тегаюнаносных установок в системах теплоснабжения Астраханской области // Известия ЖКА. 2000. № 4. С. 49-54.

20. Шишкин Н. Д., Шатохина И.В. Метод нулевой дополнительной энергии дли расчета параметров пассивных систем солнечного отопления зданий // Известия ЖКА. 2000. № 4. С. 55-60.

21. Шишкин Н.Д, Тихонива СВ., Кенжегалиев В Н. Технико-экономическая модель оптимального функционирования малого энергоэкономичного комплекса с использованиием возобновляемых источников энергии // Известия ЖКА. 2000. № 4. С. 86-92.

22. Шишкин Н.Д Анализ энергетической эффективнпсти малых энергоэкояомичных комплексов с возобновляемыми источниками энергии и вторичными энергоресурсами // Энергосбережение в Поволжье. НТЖ. Ульяновск. 2000. Вып.З. С. 4647.

23. Шишкин Н.Д, Шатохина И.В. Исследование климатологических факторов при строительстве энергоактивных зданий // Известия ЖКА. 2001. № 4. С. 26-30.

24. Шишкин Н.Д, Герман О.А. Исследование распределения температур в элементах плоских коллекторов солнечной энергии // Известия ЖКА. 2001. № 4. С. 30-37.

25. Шишкин Н.Д, Королева А.А., Камышева Л.А. Расчет системы утилизации тепла вентилируемого ограждения здания // Известия ЖКА. 2001. № 4. С. 37-43.

26. Шишкин Н.Д, Середина Ю.В., Смирнова О.В. Исследование процессов фазовых переходов в тепловых аккумуляторах систем теплоснабжения // Известия ЖКА. 2001. X 4. С. 43-52.

27 Шишкин Н Д. Концепция создания малых энергоэкономичных комплексов на основе использования возобновляемых источников энергии / С6 науч трудов СНЦ РАН Совершенствование энергетических систем и комлексов Саратов Изд-во Сарат ун-та. 2000 С 63-67

28 Шишкин НД Исследование процессов теплообмена в тепловых аккумуляторах фазового перехода / Сб научтр СНЦРАН Проблемы совершенствовании топливно-энергетического комплекса Выя 1 Общенаучные вопросы Саратов Изд-во Сарат ун-та 2001 С 140-146

29 Шишкин Н Д Анализ энергетической эффективности в оптимизация основных параметров биоэнергетических установок / Сб науч тр СНЦРАН Проблемы совершенствования топливно-энергетичесгого комплекса Вып.2 Саратов Изд-во Сарат ун-та. 2002 С 158-164

Материалы Международных и Российских конференций

30 Шишкин Н Д Оптимизация структурно- функциональных моделей малых энергоэкономячных систем и комплексов для индивидуального строительства. / Матер Междунар ваучн-практ конф Экономика, экология и общество на пороге 21-го столетия С-Пб Изд-во С-Пб ГТУ 1999 С 164-165

31 Шишкин НД Методика оценки экологической чистоты автономных энергокомплексов с использовании ем различных типов источников энергии/Матер Межд. экол Симпоз Перспективные информационные технологии и проблемы управления рисками на пороге нового тысячелетия С-Пб МАНЭБ 2000 С 95-99

32 Шишкин Н.Д. Оптимизация малых энергоэкономичных комплексов на основе альтернативных источников энергии / Матер П Межа, науч -техн. конф Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов Пенза. ПГАСА. 2000 С 75-78

33 Шишкин Н Д Автономные системы водоснабжения я очистки сточных вод фермерских хозяйств с возобновляемыми источниками энергии / Матер Вссросс конф Почва, жизнь, благосостояние Пенза. ПГАСА. 2000 С 357-360

34 Шатохина И.В, Шишкин Н Д. Расчет параметров пассивных систем солнечного отопления зданий истодом нулевой дополнительной энергии / Матер Второй Всеросс науч. молод, школы Возобновляемые источники энергии. М МГУ 2000 С 61-66

35 Шишкин Н Д Использование возобновляемых источников энергии в автономных энергетических комплексах / Малер Межд. науч -техн. семин. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии в XXI столетии. Сочк РИО СГУТиКД 2001 С 139-143

36 Шишкин Н Д Перспективы применения возобновляемых источников энергии в автономных энергетических комплексах в Прикаспийском регионе / Матер Мели науч-прак конф Геополитика Прикасиия Взгляд в XXI век. Астрахань 2002 С 48-50

37 Просвирина И С, Шишкин Н .Д Использование нткопотенциального тепла грунта для тепло - и хладо-снабжения зданий / Матер Третьей Всерос научн. молод школы Возобновляемые источники энергии М Изд-во МГУ 2001 С 67-70

38 Шишкин Н. Д Перспективы использования возобновляемых источников энергии в автономных энерго-

комплексах в Южных регионах России / Матер Первого Межд. контр Энергоэффективная техника и технологии. С -Пб С Пб СКК 2002 С 54-57

39 Середина Ю В, Шишкин Н Д ИАлсдивлою динамики процессов плавления и криссталлизаиин в тепловых аккумуляторах фазового перехода гелиосистем / Матер Четвертой Всерос научн молод школы Возобновляемые источники энергии М. Изд-во МГУ 2003 С 62-67

40 Шишкин Н Д Анализ термодинамической эффективности автономных систем теплоснабжения с низкопотенциальными источниками энергии / Матер Межд, конф С -Пб С -Пб ГАСУ 2004 С

41 Шишкин Н Д, Ильин А.К Энергетическая эффективность комбинирования теплоэнергетических установок и возобновляемых источников энергии / Проблемы развития централизованного теплоснабжения Матер Межд. конф Т 2 Самара СГТУ, 2004 С 244-247

Тезисы докладов Международных • Российских конференций

42 Шишкин Н Д Автономное водоснабжение и очистка сточных вод с использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии/ Тезисы докл Межд науч -прак. конф Ростов-на-Дону Изд-во РГСУ 1997 С 37-38

43 Шишкин НД Программа энергосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве Астраханской области в 1999-2005гг / Тезисы докл. Всерис науч.техн. конф * Энергосбережение на рубеже веков М Изд-во МЭИ 1999 С 32-33

44 Шишкин Н Д Ресурсы возобновляемых источников и перспектива их использования в Астраханской области/ Тезисы докладов Второй Всерос конф Энергосбережение в регионах России 2000 М Изд-во МЭИ С 16-17

Другие издания

45 Шишкин НД Система автономного энергоснабжения /Астрахань ЦНТИ. 1994 ИЛ М8 116-94 4 с

46 Шишкин НД Система автономного водоснабжения / Астрахань ЦНТИ 1994 ИЛ №117-94 4 с

47 Шишкин НД Гелиоустановка/Астрахань ЦНТИ 1995 ИЛ № 106-95 4 с

48 Шишкин Н Д. Система автономного водоснабжения, очистки и использования сточных вод фермерского хозяйства / Очистка природных и сточных вод Межвуз сб науч тр Ростов н/Д РГАС, 1997 С 75-78

49 Шишкин Н Д Прибор для анализа бинарных газовых смесей / Астрахань ЦНТИ. 1997 ИЛ № 34-97 4 с

50 Шишкин Н Д Система автономного энергоснабжения / Астрахань ЦНТИ 1997 ИЛ № 16-97 4 с

»21840

51. Шишига Н.Д. Система автономного водоснабжения /Астрахань: ЦНТИ. 1997. ИЛ № 17-97.4 с.

52. Шишкин Н. Д. Замкнутая аэродинамическая труба / Астрахань: ЦНТИ. 1997. ИЛ № 35-97. 4 с.

53. Шишкин Н.Д. Анализ энергетической эффективности малых энергоэконоиичпых комплексов с возобновляемыми источниками энергии и вторичными энергоресурсами / Астрахань: АГТУ Информационный бюллетень. Энергосбережение. 1999. № 2. СЮ-12.

54. Шишкин Н.Д. Программа энергосбережения в жилищно-коммунальной хозяйстве Астраханской области в 1999-2005 1г. /Энергосбережение. Информационный бюллетень. Вып. 3. Астрахань: АГТУ. 1999. С. 12-13.

55. Шишкин Н.Д., Шумейкин И.А. Методика расчета гелиоустановок проточного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами / Сб. науч. трудов. Астрахань: АИСИ. 1999. С. 48-53.

56. Шишкин Н.Д. Преобразователи возобновляемых источников энергии для систем воде-, тепло- и электроснабжения / Информационный листок. Астрахань: АИСИ. 1999.4 с.

57. Шишкин Н.Д., Муканов Р.В. Исследование параметров ветроагрегатов с вертикальными полуцилиндрическими лопастями / Сб. трудов. Астрахань: АИСИ. 2000. С. 34-40.

58. Шишкин Н Д., Середина Ю В. Система горячего водоснабжения с контактным водонагревателем, гелиоустановкой, ветротегоюгенератором и утилизатором тепла сточных вод / Сб. тр. Астрахань: АИСИ. 2000. С.45-50.

59. Шишкин Н.Д, МилованцсвО.В. .Исследование теплофизическнх свойств теплоаккумулирующих материалов фазового перехода // Сб. науч. трудов. Астрахань: АИСИ. 2001. С 63-71.

60. Шишкин Н Д. Анализ технико-экономических характеристик биоэнергетических установок и оптимизация толщины слоя теплоизоляции биореакторов //Сб. науч. трудов. Астрахань: АИСИ. 2001. С. 71-78.

61. Шишкин Н.Д., Тихонова СВ. Исследование теплообмена в лабораторной биогазовой установке / Сб. науч. трудов. Астрахань: АИСИ. 2001. С.78-84.

62. Шишкин Н.Д., Середина Ю.В. Исследование процессов плавления и кристаллизации в плоском слое теп-лоаккумуляруюших материалов / Сб. науч. трудов. Астрахань: АИСИ. 2001. С. 84-91.

63. Шишкин Н. Д Преобразователи возобновляемых источников энергии для систем водо-, тепло- и электроснабжения / Информационный листок. Астрахань: АИСИ. 2001. 4 с.

64. Шишкин Н Д., БирюлинИ.Б., Середина Ю.В. Оценка фактического потребления энергоресурсов и разработка рекомендаций по энергосберегающим мероприятиям в системах теплоснабжения на 10 объектах в

г. Астрахани / Передовые технологии и новые строительные материалы. Астрахань: АИСИ. 2003. С. 32-36.

65. Шишкин Н.Д., Просвирина И.С. Характер изменения температуры грунта на глубине заложения грунтового теплообменника/Матер, науч. конф. Ресурсосбережение в стоитсльстве. Астрахань: АИСИ. 2003. С. 7-10.

66. Шишкин Н. Д. Особенности сквозного проектирования по специальности "Теплогазоснабжение и вентиляция" / Региональные проблемы образования по архитектурно-строительной специальности. Матер, науч. конф. Астрахань: АИСИ. 2003. С. 10-15.

Изобретения

67. Патент РФ №2124680 Шишкин Н.Д. Гелиоустановка. Описание изобретения. М..РАПТЗ. 1999.4 с.

68. Патент РФ № 2228503. Бирюяин И.Б., Гостюнин Ю.В., Шишкин Н.Д. Теплогенератор гидравлический. Описаниеизобретения. М.:РАПТЗ. 2004. 8с.

69. Патент РФ № 2229066. Шишкин Н.Д, Бирюлин И.Б., Середина Ю.В., Климов А В Теплсгеттератпл электрогидравлический. Описание изобретения. М..РАПТЗ. 2004.6 с.

70. Патент РФ № 2230933. Шишкин Н.Д., Бирюлин И.Б, Саяджи-Горяева И.П. Теплогенератор для биореактора. Описание изобретения. М.:РАПТЗ. 2004.10с.

Шишкин Николай Дмитриевич

КОМБИНИРОВАНИЕ И ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В АВТОНОМНЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ (включая возобновляемые источники)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано к печати 18.10.2004. Формат 60x84/16. Уч издл. 2,2. Шраж 100 экз.

2005-

21361

414025, Астрахань. Типография АГТУ. Заказ 744

СПИСОК СОКРАЩЕНИИ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОНОМНЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ.

1.1. Запасы и потребление энергоресурсов.

1.2. Особенности использования различных источников энергии.

1.3. Комбинирование возобновляемых источников энергии.

1.4. Варианты согласования энергоустановок с потребителями.

1.5. Эффективность теплоэнергетических установок с различными источниками энергии.

1.6. Классификация АТК.

1.7. Основные задачи и методы исследования теплотехнических характеристик трансформаторов и аккумуляторов возобновляемых источников энергии и теплоэнергетических комплексов на их основе.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА

ПРИ ТРАНСФОРМАЦИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ВИДОВ ЭНЕРГИИ.

2.1. Задачи исследования гидродинамики и теплообмена при трансформации возобновляемых видов энергии.

2.2. Исследование теплообмена и гидродинамики в гелиоустановках гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами.

2.2.1. Анализ теплообмена и гидродинамики в гелиоустановках гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами.

2.2.2. Экспериментальные исследования теплообмена в коллекторах солнечной энергии.

2.3. Анализ теплотехнической эффективности применения пассивной системы солнечного отопления с использованием дополнительных энергосберегающих устройств.

2.4. Исследование гидродинамики и теплообмена при прямом превращении механической энергии и теплоту в механических теплогенераторах.

2.4.1. Аналитические исследования гидродинамики и теплообмена при прямом превращении механической энергии и теплоту в механических теплогенераторах.

2.4.2. Экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена в механическом теплогенераторе.

2.5. Исследования аэродинамических и энергетических параметров ветродвигателей с вертикальными полуцилиндрическими лопастями.

2.5.1. Аналитические и численные исследования аэродинамических и энергетических параметров ветродвигателей с вертикальными полуцилиндрическими лопастями.

2.5.2. Экспериментальные исследования аэродинамических и энергетических параметров ветродвигателей с вертикальными полуцилиндрическими лопастями.

2.6. Исследование энергетической эффективности ветродвигателей с лопастными направляющими аппаратами.

2.6.1. Анализ энергетической эффективности ветродвигателей с лопастными направляющими аппаратами.

2.6.2. Экспериментальные исследования энергетической эффективности ветродвигателей с лопастными направляющими аппаратами.

2.7. Исследование энергетической эффективности биоэнергетических установок.

2.7.1. Анализ тепловых процессов в биоэнергетических установках.

2.7.2. Экспериментальные исследования метаногенеза в зависимости от теплотехнических характеристик биоэнергетических установок.

Выводы по главе 2.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В ТЕПЛОВЫХ АККУМУЛЯТОРАХ С ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИМИ МАТЕРИАЛАМИ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА.

3.1. Задачи исследования теплообмена при плавлении и затвердевании тепло-аккумулирующих материалов фазового перехода.

3.2. Исследование теплофизических свойств теплоаккумулирующих материалах фазового перехода.

3.2.1. Анализ теплофизических свойств теплоаккумулирующих материалов фазового перехода.

3.2.2. Экспериментальные исследования теплофизических свойств битумо-парафиновых смесей, предлагаемых для использования в качестве теплоаккумули-рующих материалах фазового перехода.

3.3. Исследование теплообмена при плавлении и затвердевании теплоаккуму-лирующих материалов фазового перехода.

3.3.1. Аналитические исследования теплообмена при плавлении и затвердевании слоев теплоаккумулирующих материалов фазового перехода плоской, цилиндрической и шаровой формы.

3.3.2. Экспериментальные исследования теплообмена при плавлении и затвердевании слоев теплоаккумулирующих материалов фазового перехода различной формы.

3.4. Обобщение исследований теплообмена в слоях теплоаккумулирующего материала фазового перехода.

3.4.1. Вывод критериальных уравнений, обобщающих исследования теплообмена в слоях теплоаккумулирующего материала фазового перехода. 3.4.2. Обобщение экспериментальных данных по исследованию теплообмена в слоях теплоаккумулирующего материала фазового перехода и сопоставление с расчетными зависимостями.

3.5. Исследование интенсификации теплообмена при применении высокотеплопроводных инклюзивов.

3.5.1. Форма высокотеплопроводных инклюзивов.

3.5.2. Математическое моделирование тепловых процессов в слоях теплоаккумулирующих материалов фазовых переходов с высокотеплопроводными инклюзивами пластинчатой формы.

3.5.3. Анализ интенсификации теплообмена при применении инклюзивов различной формы.

3.5.4. Обобщение экспериментальных данных по интенсификации теплообмена при применении инклюзивов различной формы.

3.6. Анализ энергетической эффективности тепловых аккумуляторов теплоаккумулирующих материалов фазовых переходов.

Выводы по главе 3.

Глава 4. МЕТОДИКИ И АЛГОРИТМЫ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ ТРАНСФОРМАТОРОВ И АККУМУЛЯТОРОВ ТЕПЛА, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ.

4.1. Задачи создания методик и алгоритмов теплотехнических расчетов трансформаторов и аккумуляторов тепла, использующих возобновляемые источники энергии.

4.2. Методики и алгоритмы расчета гелиоустановок гравитационного типа.

4.3. Метод дополнительной нулевой энергии для расчета основных параметров пассивной системы солнечного отопления.

4.4. Методика расчета параметров механических ветротеплогенераторов.

4.5. Методика расчета и оптимизация теплотехнических параметров биоэнергетических установок.

4.6. Методика расчета и оптимизация параметров тепловых аккумуляторов. 142 Выводы по главе 4.

Глава 5. КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОНОМНЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

КОМПЛЕКСОВ.

5.1. Задачи анализа структуры и энергетической эффективности АТК.

5.2. Структурно-морфологический анализ АТК.

5.3. Оценка эффективности элементов АТК.

5.4. Энергетическая эффективность АТК.

5.5. Структурно-функциональных модели АТК.

5.6. Анализ потоков энергии в АТК.

Выводы по главе 5.

Глава 6. АНАЛИЗ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ . АВТОНОМНЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ.

6.1. Задачи термодинамического анализа АТК.

6.2. Основы анализа термодинамической эффективности энергоустановок в АТК.

6.3. Термодинамическая эффективность АТК с несколькими источниками энергии.

6.4. Основные результаты анализа термодинамической эффективности

6.5. Обобщение результатов оценки термодинамической эффективности и рекомендации по комбинированию различных источников тепла в АТК.

Выводы по главе 6.

Глава 7. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ АВТОНОМНЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ.

7.1. Задачи анализа технико-экономических показателей АТК с возобновляемыми источниками энергии.

7.2. Анализ технико-экономических показателей трансформаторов и аккумуляторов с возобновляемыми источниками энергии.

7.3. Методика расчета технико-экономических показателей АТК с возобновляемыми источниками энергии.

7.4. Экономико-экологическая оценка и оптимизация АТК с возобновляемыми источниками энергии.

Выводы по главе 7.

Глава 8. РЕКОМЕНДАЦИИ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ^ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК.

8.1. Схемные решения комбинирования новых типов трансформаторов и аккумуляторов возобновляемых видов в энергии.

8.2. Метод оптимизации АТК с топливными энергоресурсами, возобновляемыми источниками энергии и вторичными энергоресурсами.

8.3. Практическое использование результатов исследований.

Выводы по главе 8.

В настоящее время в мире потребляется огромное количество первичной энергии (15 млрд. т у. т. в год), в том числе в России 1,5 млрд. т у. т. в год, причем около 40 % этой энергии используется в системах теплоснабжения. Запасы топливных энергоресурсов (природного газа, нефти, угля) ограничены. После энергетического кризиса 1970-х годов большие надежды стали возлагаться на низкопотенциальные, в том числе, на возобновляемые источники энергии (ВИЭ), а также вторичные энергоресурсы (ВЭР).

В 1994 году Минэнерго Российской Федерации была разработана концепция использования возможностей малой и нетрадиционной энергетики. Руководствуясь главной целью энергетической стратегии по эффективному использованию энергоресурсов для повышения эффективности производства и жизненного уровня населения, была сформулирована задача существенного увеличения доли низкопотенциальных источников и ВИЭ в энергобалансе России. Эта задача особенно актуальна для объектов, удаленных от централизованных систем теплоснабжения, т. е. в автономных теплоэнергетических комплексах (АТК) в сельской местности, в пустынных, горных и северных регионах страны.

Однако эффективное использование различных источников энергии в АТК связано с большими трудностями, в том числе и потому, что слабо разработаны методы оценки их теплотехнической эффективности и оптимального комбинирования. Кроме того, применение ВИЭ в АТК сдерживается рядом факторов, к числу которых относятся недостаточно высокие показатели эффективности преобразования и аккумулирования ВИЭ, а также высокие удельные капитальные затраты на трансформаторы и аккумуляторы ВИЭ.

Таким образом, актуальность диссертационной работы определяется современным состоянием развития энергетики и связанной с этим необходимостью решения проблемы комбинирования и эффективного использования источников тепловой энергии, в том числе с применением ВИЭ в АТК для широкого круга автономных потребителей.

Основная идея работы состоит в разработке научных и практических основ создания оптимальных с энергетической, термодинамической и экономической точек зрения вариантов АТК на основе методологии теплотехнической оценки эффективности АТК с различными источниками тепловой энергии и использования высокоэффективных типов трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ.

Объектом исследования являются теплоэнергетические технологии и источники тепловой энергии, используемые в автономных теплоэнергетических комплексах, включая ВИЭ.

Целью работы является разработка теплотехнических основ комбинирования и эффективного использования различных источников тепловой энергии, в том числе с применением ВИЭ, в автономных теплоэнергетических комплексах для широкого круга потребителей.

Данная цель достигнута решением следующих основных задач исследования:

- разработка новых единых подходов и методов оценки энергетической эффективности комбинирования различных источников тепла в АТК, имеющих сложную структуру;

- разработка методологии оценки термодинамической эффективности комбинирования различных энергоисточников, включая ВИЭ, в зависимости от структуры энергокомплексов, вида энергоисточников и их вклада в общий эксергетиче-ский баланс АТК;

- теоретические и экспериментальные исследования преобразования ВИЭ в тепловую энергию и разработка на их основе новых высокоэффективных типов трансформаторов ВИЭ;

- теоретические и экспериментальные исследования теплоаккумулирующих материалов фазового перехода и разработка на их основе оптимальных вариантов тепловых аккумуляторов для АТК с ВИЭ;

- разработка новых подходов к оптимизации вариантов АТК на основе анализа и синтеза многообразия комбинированных схемных решений с использованием различных источников энергии;

- практические рекомендации по применению источников энергии, включая ВИЭ, для многих типов потребителей, удаленных от централизованных систем энергоснабжения.

Научная новизна выполненной диссертационной работы заключается:

- в разработке методологии оценки АТК, получении расчетных формул для энергетического КПД АТК и энергетической оптимизации комбинирования различных источников теплоты;

- в разработке новые подходов и методик оценки термодинамической эффективности отдельных установок и комбинированных схем АТК с использованием различных источников теплоты, в качестве критерия термодинамической оценки эффективности использования эксергии теплоты в АТК введен эксергетический КПД АТК;

- в теоретическом обосновании новых высокоэффективных типов трансформаторов ВИЭ на основе анализа гидродинамики и теплообмена при трансформации различных возобновляемых видов энергии в теплоты;

- в получении критериальных уравнений для расчета и оптимизации основных параметров тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода;

- в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении эффективности применения высокотеплопроводных металлических инклюзивов, позволяющих интенсифицировать теплообмен и в десятки раз сократить время зарядки и разрядки тепловых аккумуляторов;

- в создании специальных методик и алгоритмов теплотехнического расчета оригинальных типов трансформаторов ВИЭ (гелиоустановок гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами, механических ветротеплогенераторов, биоэнергетических установок с использованием ВИЭ для подогрева биомассы) и тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода для АТК;

- в разработке концепции поиска оптимальных для множества типов потребителей вариантов АТК в виде ступенчатой схемы оптимизации, включающей 5 этапов, таких как анализ исходных данных, структурно-морфологическая, энергетическая, термодинамическая и технико-экономическая оптимизация.

Достоверность научных положений и полученных в работе результатов основана на корректности постановки задач исследования и принятых упрощающих допущений; подтверждается использованием физически обоснованных математических моделей и удовлетворительным соответствием результатов математического моделирования и аналитических расчетов с данными, полученными при проведении экспериментов на опытных конструкциях установок в лабораторных и производственных условиях, как автором, так и другими исследователями, а также достаточно широкой публикацией результатов и их обсуждением на конференциях, семинарах и симпозиумах.

Личный вклад автора состоит в том, что в работу включены только собственные результаты, полученные автором: методология оценки энергетической и термодинамической эффективности АТК, теоретические, экспериментальные исследования и разработки высокоэффективных типов трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ, метод поиска оптимальных вариантов АТК, проходящего в 5 этапов: анализ исходных данных, структурно-морфологическая, энергетическая, термодинамическая и технико-экономическая оптимизация.

Практическая значимость работы обусловлена тем, что разработанные теоретические и практические положения обеспечивают теплотехнические основы совершенствования трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ, а также оптимального комбинирования различных источников энергии в АТК путем внедрения и реализации:

- новых технических решений и разработок в области трансформации, аккумулирования и агрегирования ВИЭ в теплоэнергетике, жилищно-коммунальном и сельском хозяйстве;

- методик расчета оптимальных параметров трансформаторов солнечной, ветровой энергии и тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода с высокотеплопроводными инклюзивами при их проектировании и эксплуатации;

- ступенчатой схемы оптимизации, включающей 5 этапов, таких как анализ исходных данных, структурно-морфологическая, энергетическая, термодинамическая и технико-экономическая оптимизация, позволяющей разработать оптимальный для любого конкретного потребителя вариант АТК;

- практических рекомендаций и технических предложений по АТК с ВИЭ для широкого класса потребителей, удаленных от централизованных систем энергоснабжения.

В целом, использование результатов работы и рекомендаций автора на стадии технико-экономических обоснований, технических предложений, проектных разработок и практического применения повысит конкурентоспособность и экономическую эффективность АТК с ВИЭ, существенно улучшит социально-экономическую обстановку в энергодефицитных районах и экологическую обстановку в регионах и на объектах, к которым предъявляются повышенные экологические требования.

Практическое использование результатов, полученных автором:

- предложенные технологии и устройства по использованию ВИЭ, защищенные патентами, включены в региональную программу «Энергосбережение в Астраханской области в 1999-2005 годах»;

- разработана техническая документация на гелиоустановки гравитационного типа, механические теплогенераторы, тепловые аккумуляторы с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода, в том числе и в форме дипломных проектов принятых для внедрения для автономного теплоснабжения малоэтажных зданий, фермерских хозяйств и домов усадебного типа;

- изготовлены и внедрены гелиоустановки гравитационного типа на Астраханском хозрасчетном участке Спецтеплицмонтажстроя г. Астрахани, в крестьянском хозяйстве «Хуторок» Приволжского района, на личном подворье в Харабалинском районе и ряде других объектов в Астраханской области;

- разработка автономных систем инженерного обеспечения с применением ВИЭ рекомендована Ассоциацией крестьянских и фермерских хозяйств, для внедрения в хозяйствах Астраханской области, удаленных от централизованных систем энергоснабжения.

- основные результаты исследований и разработок автора, использовались в ряде монографий и учебных пособий других авторов;

- по материалам диссертации в Астраханском инженерно-строительном институте ведутся несколько спецкурсов: "Использование возобновляемых источников энергии в теплогенерирующих установках", " Использование возобновляемых источников энергии в системах теплогазоснабжения" и "Создание энергоэкономичных комплексов систем теплогазоснабжения и вентиляции" для студентов специальности "Теплогазоснабжение и вентиляция", часть материалов автора использованы в Астраханском государственном техническом университете при изучении дисциплин "Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии" для студентов специальности "Промышленная теплоэнергетика", а также дисциплины "Гидроустановки и возобновляемые источники энергии" для студентов специальности "Рациональное использование водных ресурсов";

- спецкурс «Применение нетрадиционных возобновляемых источников энергии в сельской местности» по материалам диссертации включен в состав учебной программы обучения работников государственной власти и местного самоуправления, согласно распоряжению главы администрации Астраханской области № 914-р от 16.06.95 года.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях профессорско-преподавательского состава Астраханского инженерно-строительного института, Астраханского государственного технического университета, Региональных, Всероссийских и Международных семинарах, конференциях и симпозиумах: Региональной научно-технической конференции (РГСУ, Ростов-на-Дону, 1996), Международной научно-практической конференции

Энергосбережение, экономика, экология" (РГСУ, Ростов-на-Дону, 1996), Областной научно-практической конференции «Астрахань вчера, сегодня и завтра» (Астрахань, 1997), Областной научно-практической конференции «Энергосбережение -2000» (Астрахань, 1999), Международной научно-практической конференции «Экономика, экология и общество России на пороге 21-ого столетия» (С.-Петербург, 1999), I и II Международных научно-практических конференциях «Проблемы инженерного обеспечения и экологии городов» (Пенза, 1999, 2000), I и II Всероссийских научно-технических конференциях «Энергосбережение на рубеже веков» (Москва, 1999, 2000), Международной научно-практической конференции «Почва, жизнь, благосостояние» (Пенза, 2000), Международном экологическом симпозиуме «Перспективные информационные технологии и проблема управления рисками на пороге нового тысячелетия» (С.-Петербург, 2000), II, III и IV Всероссийских научных молодежных школах «Возобновляемые источники энергии» (Москва, 2000, 2001, 2003), Международной выставке-семинаре «Возобновляемые источники энергии» (Москва, 2001), Международном научно-техническом семинаре «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии в XXI столетии» (Сочи, 2001), Всероссийском семинаре «Нетрадиционная и возобновляемая энергетика» (Астрахань, 2001), I Международном конгрессе "Энергоэффективная техника и технология" (С.-Петербург, 2002), Международной научно-практической конференции "Геополитика и прикаспийский регион: взгляд в XXI век" (Астрахань, 2002), Международной научно-технической конференции "Новые эффективные технологии в строительстве" (С.-Петербург, 2004), XIV Ежегодном Международном конгрессе "Новые высокие технологии газовой, нефтяой промышленности, энергетики и связи" (Астрахань, 2004).

Работа выполнена в рамках приоритетных направлений фундаментальных исследований РАН, включена в план НИР Отдела энергетики Поволжья Саратовского научного центра РАН (тема 2.1.4), в план Института энергетики АГТУ и в Государственную научно-техническую программу "Энергоэффективная экономика".

Работа проводилась по планам госбюджетных и хоздоговорных НИР Астраханского инженерно-строительного института (кафедра теплогазоснабжения и вентиляции), Астраханского научного центра Жилищно-коммунальной академии, Астраханского научного центра Академии технологических наук РФ и Астраханского научного центра Муниципальной академии. Результаты работы включены в региональную Программу энергосбережения Астраханской области на период 20012005 гг.

Исследования выполнялась также в рамках Международной программы "Global security and stable development" ("Глобальная безопасность и устойчивое развитие") по индивидуальному исследовательскому проекту "Small ecologically clean complexes with renewable energy sources" ("Малые экологически чистые комплексы с возобновляемыми источниками энергии") при поддержке Фонда Джона Д. и Кэтрин Т. Макартуров (США, Чикаго, Иллинойс, 1998-1999 гг.).

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:

- методология оценки и энергетической оптимизации комплексного использования различных источников энергии и формулы для расчета энергетического КПД АТК, зависящего от КПД отдельных трансформаторов, аккумуляторов и энергопроводов, коэффициентов, учитывающих вклад каждого из источников тепла;

- новые подходы и методики оценки термодинамической эффективности, как отдельных установок, так и комбинированных схем для АТК с использованием различных источников энергии, в качестве критерия термодинамической оценки эффективности использования эксергии теплоты впервые применен эксергетиче-ский КПД АТК;

- обоснование новых высокоэффективных типов гелиоустановок гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами, механических ветротеплоге-нераторов для прямого преобразования энергии ветра в теплоту, биогазовых установок с использованием ВИЭ для подогрева биомассы и решение теоретических и практических задач по их разработке;

- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение эффективности применения высокотеплопроводных металлических инклюзивов различной формы, позволяющих интенсифицировать теплообмен и сократить время зарядки и разрядки тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода;

- методика определения энергетического КПД в зависимости от теплотехнических характеристик, конструктивных и технологических параметров биореакторов на основе анализа тепловых процессов в биоэнергетических установках;

- методики и алгоритмы расчета оригинальных типов трансформаторов ВИЭ и тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода, которые могут быть использованы при проектирования и эксплуатации этих трансформаторов и аккумуляторов в АТК;

- схемные решения комбинирования новых типов гелиоустановок, ветротепло-генераторов, биоэнергетических установок и тепловых аккумуляторов;

- концепция поиска оптимального для любого конкретного потребителя варианта АТК в виде пятиступенчатой схемы оптимизации, включающей анализ исходных данных, структурно-морфологическую, энергетическую, термодинамическую и технико-экономическую оптимизацию.

Работу можно квалифицировать, как комплекс научно-обоснованных технических и технологических решений по проблеме совершенствования и комбинирования различных источников энергии в автономных теплоэнергетических комплексах с использованием возобновляемых источников энергии, внедрение которых может внести значительный вклад в развитие и повышение эффективности теплоэнергетической отрасли в сфере автономной энергетики.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 70 работ, в том числе 7 статей в изданиях по рекомендуемому списку ВАК, 2 монографии, 19 статей в авторитетных научных изданиях, 4 патента Российской Федерации на изобретение.

Структура и объем работы: введение, 8 глав, заключение, список литературы из 360 наименований и приложения. Общий объем диссертационной работы 308 страниц, включая 29 таблиц и 78 рисунков.

Автор приносит благодарность заведующему кафедрой теплоэнергетики Астраханского государственного технического университета, доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки и техники РФ А. К. Ильину за формирование общего мировоззрения на проблемы использования возобновляемых источников энергии и их комбинирования с другими источниками энергии в автономных теплоэнергетических комплексах, коллективам кафедры теплогазоснаб-жения и вентиляции и кафедры теплоэнергетики за помощь в проведении экспериментов, за замечания и советы при обсуждении диссертации на научных семинарах и конференциях.

Автор выражает признательность Фонду Джона Д. и Кэтрин Т. Макартуров (США, Иллинойс, Чикаго), при поддержке которого в рамках Программы по глобальной безопасности и устойчивому развитию был реализован индивидуальный исследовательский проект "Малые экологически чистые комплексы с возобновляемыми источниками энергии", послуживший импульсом к созданию методов энергетической и экологической оптимизации АТК.

6. Основные результаты исследований и разработок автора, опубликованные в монографии автора [228], использовались в ряде монографий и учебных пособий других авторов [12, 13, 91]. В автореферате докторской диссертации Амерханова P.A.

14] отмечается значительный вклад автора в совершенствование методов оценки систем, использующих возобновляемые источники энергии.

7. По материалам диссертации и монографий автора [8, 90, 228] подготовлены и читаются несколько спецкурсов: "Использование возобновляемых источников энергии в теплогенерирующих установках", " Использование возобновляемых источников энергии в системах теплогазоснабжения" и "Создание энергоэкономичных комплексов систем теплогазоснабжения и вентиляции" для студентов специальности "Тепло-газоснабжение и вентиляция" в Астраханском инженерно-строительном институте, спецкурсов "Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии" для студентов специальности "Промышленная теплоэнергетика", "Гидроустановки и возобновляемые источники энергии" для студентов специальности "Рациональное использование водных ресурсов" в Астраханском государственном техническом университете и в ряде других вузов РФ (Ростовский государственный строительный университет, Кубанский государственный аграрный университет и др.).

8. В рамках сквозного проектирования систем теплогазоснабжения и вентиляции [238] по материалам монографии [228], обобщающей основные результаты диссертации под руководством автора студентами Астраханского инженерно-строительного университета разработаны десятки дипломных проектов систем теплогазоснабжения и АТК с применением ВИЭ, рекомендованных к внедрению Государственной аттестационной комиссией по специальности 2907 "Теплогазоснабжение и вентиляция".

9. Основные положения разработанной автором диссертации теории энергетически и экологически оптимального комбинирования трансформаторов энергии в АТК вошли в отчеты по индивидуальному исследовательскому проекту "Малые экологически чистые комплексы с возобновляемыми источниками энергии" по гранту Фонда Джона Д. и Кэтрин Т. Макартуров (США, Чикаго, Иллинойс, 1998-1999 гг.) в рамках Международной программы "Глобальная безопасность и устойчивое развитие".

1. Рассмотрены схемные решения комбинирования новых более эффективных типов трансформаторов ВИЭ (ГГТМГ, МВТГ, ВЛНА и др.) и аккумуляторов на основе ТАМФП с высокотеплопроводными инклюзивами. Разработаны варианты конструкции ГГТМГ, агрегированными с различными типами тепловых аккумуляторов, с индивидуальными теплогенераторами, котельными и ВЭУ, используемыми в качестве дополнительного источника энергии. Предложены варианты применения МВТГ совместно с ГГТМГ, теплонасосной установкой и утилизатором тепла сточных вод, позволяющие полностью удовлетворить потребности в тепловой энергии без применения ТЭР. Разработаны оригинальные варианты использования ВИЭ для подогрева биомассы в реакторе БЭУ с помощью гелиоустановок, ВЭУ и тепловых насосов с приводом от ВЭУ, применение которых позволяет увеличить выход товарного биогаза в 1,3-2,5 раза.

2. Предложен метод поиска оптимального для любого конкретного потребителя варианта АТК с комбинированием трансформаторов и аккумуляторов энергии в виде ступенчатой схемы оптимизации, включающей 5 этапов и 17 стадий. На первом этапе выполняется анализ исходных данных, далее следуют этапы структурной, энергетической и термодинамической оптимизации. Из первоначально очень большого количества вариантов на каждом этапе производится селекция наиболее эффективных со структурной, энергетической, экологической и термодинамической точек зрения вариантов АТК, на порядок, сокращающая количество рассматриваемых в последующем вариантов. На завершающем этапе технико-экономической оптимизации из нескольких (3-5) вариантов выбирается оптимальный вариант, соответствующий минимальным годовым затратам в АТК.

3. Предложенные автором высокоэффективньЬ трансформаторы ВИЭ, тепловые аккумуляторы и АТК на их основе защищены патентами, апробированы в лабораторных и производственных условиях. Разработана техническая документация, в том числе и в форме технических предложений и проектов по автономному теплоснабжению жилых зданий, домов усадебного типа и фермерских хозяйств.

4. Практическое использование разработанных автором теплотехнических основ совершенствования и комбинирования различных источников энергии в АТК с использованием ВИЭ, результатов теоретических и экспериментальных исследований, разработанных методик и алгоритмов заключается в следующем:

- разработана техническая документация на ряд трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ и АТК с ВИЭ, в том числе и в форме дипломных проектов принятых и рекомендованных для внедрения и информационных листков;

- изготовлены и внедрены гелиоустановки гравитационного типа на Астраханском хозрасчетном участке Спецтеплицмонтажстроя г. Астрахани, в крестьянском хозяйстве «Хуторок» Приволжского района, на личном подворье в Харабалинском районе и ряде других объектов в Астраханской области;

- система автономного инженерного обеспечения фермерских хозяйств с использованием ВИЭ рассмотрена и одобрена Ассоциацией крестьянских (фермерских) хозяйств и сельскохозяйственных кооперативов и рекомендована к внедрению в фермерских хозяйствах Астраханской области;

- предложенные автором установки по использованию ВИЭ защищены патентами на изобретения (№ 2124680, № 2228503, № 2229066, № 2230933) и включены в региональную программу «Энергосбережение в Астраханской области в 19992005 годах»;

- тема «Применение нетрадиционных возобновляемых источников энергии в сельской местности» по материалам исследований и разработок автора включена в состав учебной программы обучения работников государственной власти и местного самоуправления;

- результаты исследований и разработок автора, опубликованные в монографии автора, использовались в ряде монографий и учебных пособий других авторов;

- по материалам диссертации и монографии подготовлены и читаются несколько спецкурсов для студентов специальности "Теплогазоснабжение и вентиляция" в Астраханском инженерно-строительном институте и студентов специальностей "Промышленная теплоэнергетика" и "Рациональное использование водных ресурсов" в Астраханском государственном техническом университете;

- основные положения разработанной автором теории энергетически и экологически оптимального комбинирования трансформаторов энергии в АТК вошли в отчеты по индивидуальному исследовательскому проекту "Small ecologically clean complexes with renewable energy sources" по гранту Фонда Джона Д. и Кэтрин Т. Макартуров (США, Чикаго, Иллинойс, 1998-1999 гг.) в рамках Международной программы "Глобальная безопасность и устойчивое развитие".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Сформулирована оригинальная проблема оптимизации автономного теплоэнергетического комплекса (АТК) с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для любого конкретного потребителя и необходимые для ее решения приоритетные задачи совершенствования трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ, разработки методологии оценки их эффективности, а также оптимального комбинирования различных источников тепла в АТК. Более конкретно задачи и методы исследования теплотехнических характеристик трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ и АТК на их основе сформулированы в главе 1.

2. Теоретически и экспериментально исследованы особенности теплообмена в элементах многоступенчатых коллекторов солнечной энергии и в механических теплогенераторах с приводом от ветродвигателей при прямом превращении механической энергии в теплоту. Выполнен анализ тепловых процессов в биоэнергетических установках и впервые получена формула для определения их энергетического КПД в зависимости от их теплотехнических характеристик, конструктивных и технологических параметров.

3. Получены критериальные уравнения для расчета основных параметров тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена эффективность применения высокотеплопроводных инклюзивов различной формы, позволяющих интенсифицировать теплообмен, многократно повышая плотность теплового потока и сокращая время зарядки и разрядки тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода.

4. Созданы специальные методики и алгоритмы расчетов оригинальных типов трансформаторов ВИЭ и тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода, которые могут быть использованы при проектирования и эксплуатации этих трансформаторов и аккумуляторов в АТК. Выполнена оптимизация тепловых параметров биоэнергетических установок и тепловых аккумуляторов.

5. Разработана методология оценки и энергетической оптимизации комплексного использования различных источников энергии и получены формулы для расчета энергетического КПД АТК, зависящего от КПД отдельных трансформаторов, аккумуляторов и энергопроводов, и коэффициентов, учитывающих вклад каждого из источников тепловой энергии.

6. Разработаны новые подходы и методики оценки термодинамической эффективности, как отдельных установок, так и комбинированных схем для АТК с использованием различных источников энергии. В качестве единого критерия термодинамической эффективности комбинирования источников теплоты применен эксергетический КПД АТК. Показано, что термодинамически наиболее эффективными представляются варианты АТК с ВИЭ, имеющие этот коэффициент в 2-4 раз больше, чем в АТК с ТЭР.

7. Впервые получены формулы для оценки технико-экономических показателей трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ и АТК на их основе в зависимости от их тепловых, конструктивных и эксплуатационных характеристик. Расчеты по этим формулам показывают существенное снижение себестоимости получения тепловой энергии с помощью предложенных автором оригинальных типов гелиоустановок, ветротеплогенераторов и биоэнергетических установок.

8. Предложен метод поиска оптимального для любого конкретного потребителя варианта АТК в виде алгоритма, состоящего из 5 этапов, таких как анализ исходных данных, структурная, энергетическая, термодинамическая и технико-экономическая оптимизация. Из первоначально очень большого количества вариантов на каждом из этапов производится селекция наиболее эффективных, сокращающая количество рассматриваемых в последующем вариантов, причем на завершающем этапе технико-экономической оптимизации из нескольких наиболее термодинамически эффективных вариантов выбирается оптимальный вариант, соответствующий минимальным годовым приведенным затратам.

9. Полученные результаты обеспечивают совершенствование и комбинирование различных источников энергии в АТК путем внедрения и реализации: оригинальных технических решений в области трансформации, аккумулирования и агрегирования ВИЭ; новых методик теплотехнического расчета параметров трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ; схемных решений и практических рекомендаций для многих типов потребителей, удаленных от централизованных систем энергоснабжения. Это повысит эффективность АТК с ВИЭ и улучшит социально-экономическую обстановку в энергодефицитных районах и на объектах, к которым предъявляются повышенные экологические требования.

10. Более конкретные выводы по результатам исследований и разработок в рамках сформулированной проблемы приведены в конце глав 2, 3, 5, 6 и 7, а рекомендации по их практическому применению даны в главах 4 и 8.

1. Абрамовский Е.Р., Городько C.B., Свиридов Н.В. Аэродинамика ветродвигателей Днепропетровск: Изд-во ДГУ. 1987. 220 с.

2. Аксенов Ю.И., Мурзин С.И. Биоэнергетические установки: Экономический и экологический эффект. / Мелиор. и вод. хоз-во, 1995. № 1. С. 31-32.

3. Активные системы преобразования солнечной энергии / Использование солнечной энергии в народном хозяйстве: ОИ / ВНИИТАГ. М.: 1989. № 1. С. 4-29.

4. Акуленко Н.В. Технологии использования биомассы. / Энергия будущего века, 1996. №З.С. 6-7.

5. Алхасов А.Б. Экономическое прогнозирование некоторых тенденций развития геотермального производства / Альтернативы развития природоэксплуатирующих отраслей. М.: ВНИИСИ. 1988. № 12. С. 88-92.

6. Амерханов P.A., Бессараб A.C., Драганов Б.Х. и др. Теплоэнергетические установки и системы сельского хозяйства / Под ред. Б.Х. Драганова. М.: Колос-Пресс, 2002. 423 с.

7. Амерханов P.A. Вопросы оптимизации технических систем // Изв. вузов. Сев.-Кавк. Регион. Техн. науки. 2002. № 2. С. 77-79.

8. Амерханов P.A. К вопросу об эксергоэкономическом анализе и оптимизации технических систем //Безопасность, экология, энергосбережение: Материалы науч.-техн. семинара (Гизель-Дере, 2001), Ростов-н/Д. 2001. Вып.З. С. 102-108.

9. Амерханов P.A. Оптимизация сельскохозяйственных энергетических установок с использованием возобновляемых видов энергии. М.: КолосС, 2003. 532 с.

10. Амерханов P.A., Драганов Б.Х. Проектирование систем теплоснабжения сельского хозяйства / Под ред Б.Х. Драганова. Краснодар: Изд-во КубГАУ. 2001. 199 с.

11. Амерханов P.A. Совершенствование методов оценки сельскохозяйственных установок на основе возобновляемых источников энергии: Автореф. дис. .док-ра техн. наук. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2004. 40 с.

12. Андрющенко А.И. Методика расчета эксергетической эффективности технологических процессоа и производств. Саратов: СПИ, 1989. 36 с.

13. Андрющенко А.И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок. 3-е изд. М.: Высшая школа, 1985. 320 с.

14. Андрющенко А.И. Проблемы развития энергетики России / Проблемы повышения эффективности и надежности систем теплоэнергоснабжения. Саратов: СГТУ, 1999. С. 3-6.

15. Андрющенко А.И. Термодинамические расчеты оптимальных параметров тепловых электростанций. М.: Высш. шк., 1963. 228 с.

16. Артамонов A.C. Ветроэлектростанции и ветротепловые установки. Астрахань: НПО Каспий. 1997. Юс.

17. Атдаев Д.И., Ильин А.К. Эксергетический анализ схем геотермального теплоснабжения / "Инновации в науке и обраховании". Материалы Росс. конф. Калининград: КГТУ, 2003. С. 28-31.

18. Байрамов Р.Б., Ушакова А.Д. Солнечные водонагревательные установки. Ашхабад: Ылым, 1987. 168 с.

19. Баранников Н.М., Аронов Е.В. Расчет установок и теплообменников для утилизации вторичных энергетических ресурсов. Красноярск: Изд-во КГТУ, 1992. 362 с.

20. Безруких П.П., Безруких П.П. Состояние и тенденции развития ветроэнергетики мира // Электрические станции, 1998, № 10. С. 58-64.

21. Безруких П.П., Стребков Д.С. Проблемы рынка малой энергетики //Тезисы докл. Межд. науч.-прак. конф. Малая энергетика-2002,2002-. С. 110-112.

22. Бекман У., Клейн С., Даффи Д. Расчет систем солнечного теплоснабжения. М.: Энергия. 1982. 128 с.

23. Беляев Л.С., Филиппов С.П. Изучение долгосрочных тенденций в развитии мировой энергетики // Изв. РАН. Энергетика. 1996. № 3. С. 10-21.

24. Бирюлин И.Б., Гостюнин Ю.В., Шишкин Н.Д. Теплогенератор гидравлический. Описание изобретения к патенту РФ. М.: РАПТЗ. 2004. 8 с.

25. Богословский В.Н. Три аспекта создания здания с эффективным использованием энергии //АВОК. 1998. №3. С. 34-41.

26. Богуславский Л.Д. Снижение расхода энергии при работе систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. М.: Стройиздат, 1982. 192 с.

27. Бойлс Д. Биоэнергия: технология, термодинамика, издержки. / Пер. с англ. М.Ф. Пуш-карева; Под ред. Е.А. Бирюковой. М.: Агропромиздат, 1987. 152 с.

28. Богуславский Л.Д. Снижение расхода энергии при работе систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. М.: Стройиздат, 1982. 192 с.

29. Бретшнайдер Б., Курфюрст И. Охрана воздушного бассейна от загрязнений: технология и контроль. Пер. с англ./ Под ред. А.Ф. Туболкина. Л.: Химия, 1989. 288 с.

30. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа. М.: Энергия, 1973.296 с.

31. Бродянский В.М., Фраштер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения. М.: Энергоатомиздат, 1988. 288 с.

32. Бродянский В.М., Сорин М.В. Принципы определения КПД технических систем преобразования энергии и вещества // Изв. Вузов. Энергетика. 1985. № 1. С. 60-65.

33. Булгаков С.Н. Энергоэффективные строительные системы и технологии. АВОК, 1999, № 2. С. 6 9.

34. Бутузов В.А. Анализ опыта разработки и эксплуатации гелиоустановок в Краснодарском крае // ЦЭНЭФ. Энергетическая эффективность, 2002, № 34. С. 54-61.

35. Бутузов В.А. Анализ энергетических и экономических показателей гелиоустановок . горячего водоснабжения // Промышленная энергетика, 2001, № 10. С. 54-61.

36. Будыко М.И. Глобальная экология. М.: Мысль, 1977. 328 с.

37. Быстров В. П., Ливчак А. В. Теплоаккумуляторы с использованием фазового перехода // Вопросы экономии теплоэнергетических ресурсов в системах вентиляции и теплоснабжения. Сб. науч. трудов. М.: Изд. ЦНИИЭПИО, 1984. С.75-90.

38. Варварский B.C., Жуков М.А., Красовская Б.М. Упрощенная методика технико-экономического расчета обоснованности мероприятий по энергосбережению в рыночных условиях // Промышленная энергетика. 1995. № 2. С. 2-3.

39. Васильев Ю.С., Хрисанов Н.И. Экология использования возобновляющихся энергоисточников. Л.: Изд-во ЛГУ, 1991. 343 с.

40. Вашкевич К.П., Самсонов В.В. Численные методы расчета на ЭВМ аэродинамических характеристик ветроколес вертикально-осевого типа // Тез. докл. 2-й Всесоюз. конф. «Возобновляемые источники энергии», Ереван, Изд. ЕГУ. 1987. Т. 2. С. 157.

41. Ветровые электростанции большой мощности. Обзорная информация. М.: Информ-энерго, 1987. 56 с.

42. Ветроэнергетика. Пер. с англ. / Под ред. Д. Рензо. М.: Энергоатомиздат, 1982. 278 с. Ветроэнергетические станции / В. Н. Андриянов, К. П. Вашкевич и др. М.: Госэнерго-издат, 1960. 294 с.

43. Внутренние санитарно-технические устройства. Ч. 1. Отопление / В. Н. Богослов ский, Б.А. Крупнов, А.И. Сканави и др.; Под ред. И.Г. Староверова и Ю. И. Шиллера.-М.: Стройиздат, 1990. 344 с.

44. Волков A.B., Ильин А.К. Теплогенератор для ветроэнергетических установок // Рабочие процессы в теплоэнергетических установках. Владивосток: ДВО РАН, 1993. С. 35-39.48,49