Повышение эффективности гелиоэнергетических термотрансформаторов на твердых сорбентах

Чивиленко (Коноплева), Юлия Викторовна

Повышение эффективности гелиоэнергетических термотрансформаторов на твердых сорбентах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Чивиленко (Коноплева), Юлия Викторовна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Астрахань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2004 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Повышение эффективности гелиоэнергетических термотрансформаторов на твердых сорбентах»

Автореферат диссертации на тему "Повышение эффективности гелиоэнергетических термотрансформаторов на твердых сорбентах"

На правах рукописи

Чивиленко (Коноплева) Юлия Викторовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРОВ НА ТВЕРДЫХ СОРБЕНТАХ

Специальность: 01.04.14-Теплофизика и теоретическая теплотехника (технические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Астрахань - 2005

Работа выполнена в Астраханском государственном техническом университете

(кафедры холодильных машин и теплоэнергетики)

Научный руководитель: доктор технических наук

Руденко Михаил Федорович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Руднев Виталий Петрович

доктор технических наук Маринюк Борис Тимофеевич

Ведущая организация: Открытое Акционерное Общество

«ВНИИХОЛОДМАШ-ХОЛДИНГ».

Защита диссертации состоится «_/££>> апреля 2005 г. в 12 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д.307.001.03 при Астраханском государственном техническом университете (АГТУ) по адресу: 414025, г. Астрахань, ул. Татищева, 16, АГТУ, ауд.2.101-А. Тел. для справок (8512) 54-62-43

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан марта 2005 года

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н. Виноградов СВ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышение эффективности рабочих процессов в термотрансформаторах сорбционного типа циклического действия, работающих с использованием энергии солнечной радиации, является актуальной проблемой развития современной энергетической техники. Интенсифицировать теплофизические и термодинамические процессы, протекающие в гелиоэнергетических термотрансформаторах, позволяет улучшение теплофизических свойств рабочих веществ, использование энергетически эффективных концентраторов солнечной энергии, применение новых солнцепоглощающих покрытий.

Гелиоэнергетические термотрансформаторы можно использовать в качестве источников горячего теплоснабжения, отопления, охлаждения, замораживания и кондиционирования. Поэтому повышение эффективности их работы, способствующее их повсеместному распространению, позволит существенно экономить традиционные энергоносители и внести значительный вклад в потребление и сохранение экологической чистоты окружающей среды за счет работы на дешевых, озонобезопасных веществах.

Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является повышение и оценка эффективности работы гелиоэнергетических термотрансформаторов за счет интенсификации физико-химических сорбционных процессов, протекающих в аппаратах, исследование новых рабочих веществ с улучшенными теплофизическими свойствами отдельных компонентов, энергетически-эффективных солнцепоглощающих покрытий и совершенствования конструкций аппаратов.

Данная цель была достигнута решением следующих задач:

1. Проведением анализа научной и научно-технической литературы по изучению рабочих процессов гелиоэнергетических термотрансформаторов на твердых сорбентах «сухой» абсорбции и адсорбционного типа; сопоставлением сравнительных термодинамических характеристик рабочих веществ, используемых в термотрансформаторах циклического действия.

2. Изучением особенностей термодинамических и физико-химических тепломассообменных процессов «сухой» абсорбции - десорбции; экспериментальным исследованием теплофизических свойств рабочих веществ с различными компонентными добавками.

3. Анализом концентрирующей способности солнечного потока в элементах гелиоприемных аппаратов термотрансформатора циклического действия на поверхность реактора; определением физико-химических и теплофизических параметров солнцепоглощающих покрытий.

4. Созданием экспериментального термотрансформатора «сухой» абсорбции и исследованием основных теплофизических и физико-химических процессов -«сухой» абсорбции, десорбции, кипения, конденсации, тепломассообмена и др., протекающих в нем в режиме суточного цикла.

5. Разработкой алгоритма расчетной математической модели гелиоэнергетического термотрансформатора на основе модельных

представлений теплофизических процессов в ее аппаратах, проведением анализа работы и определением термодинамической эффективности гелиоэнергетического термотрансформатора.

Научная новизна. Проведен анализ термодинамического цикла работы гелиоэнергетического термотрансформатора «сухой» абсорбции в диаграмме Клапейрона (1пР-(-1/Т)) на рабочих веществах ЗгСЬ/МНз- Впервые разработана физико-химическая модель тепломассообменных процессов «сухой» абсорбции-десорбции сорбента и хладагента. Получены математические зависимости по геометрическим характеристикам и концентрической способности плоских зеркал солнечной энергии в гелиоприемных устройствах на поверхностях труб различной конфигурации при одно-, двух- и трехкратном отражении. Исследованы радиационные, оптические, физико-химические характеристики новых солнцепоглощающих покрытий, полученных методом оксидирования. Предложены экспериментальные зависимости теплофизических характеристик сорбентов с компонентами графита. Разработан алгоритм математической модели для расчета циклов термотрансформатора «сухой абсорбции» на основе изучения и анализа теплофизических процессов, позволяющий оценить качество работы в широком диапазоне параметров и различных характеристик сорбентов

.Введены критерии оценки термодинамической эффективности работы солнцеиспользующих термотрансформаторов «сухой абсорбции». Проведены экспериментальные исследования и получены новые данные, подтверждающие полезный эффект работы гелиоэнергетического термотрансформатора.

Достоверность научного положения и полученных результатов основана на применении законов химической и технической термодинамики, физики, математики, подтверждена экспериментальными данными на созданной установке. Сравнительный анализ полученных результатов с аналогичными работами других авторов подтвердил достоверность научных гипотез, положенных в основу данной работы. Итоги исследований были опубликованы и обсуждены на научных и технических конференциях.

Практическая ценность результатов данной работы заключается в том, что результаты теоретических и практических исследований, разработанные модели, номограммы, расчетные программы приняты для проектирования новой техники и их аппаратов в ОАО «Машиностроительный завод «Прогресс»» и внедрена технология солнцепоглощающих покрытий, методики расчета термотрансформатора и новая конструкция реактора генератора-абсорбера гелиоэнергетических термотрансформаторов «сухой» абсорбции (заявка на патент РФ № 2003106499).

В Астраханском государственном техническом университете результаты исследований включены в методические указания по курсам технических дисциплин энергетических специальностей на кафедрах «Холодильные машины» и «Теплоэнергетика».

теплоэнергетике, в гелио- и светотехнике, в холодильной промышленности и др. отраслях производства.

Апробация работы. Основные материалы работы были доложены и обсуждены на: Международной конференции «Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре», Астрахань, 2001; Международной конференции «Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексе» и Всероссийской конференции «Экологичность ресурсо- и энергосберегающих производств на предприятиях народного хозяйства», Пенза, 2002; Международной научной конференции «Инновации в науке и образоваиии-2003», Калининград, 2003; Международной научной конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», Москва, 2004; Международной научно-практической конференции «Проблемы развития централизованного теплоснабжения», Самара, 2004; IV международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» Вологда, 2004.

Научные разработки демонстрировались на международных выставках «Инрыбпром-2002» (Санкт-Петербург), «Энергосбережение-2002» (ВВЦ, Москва).

Работа соответствует Приоритетным направлениям фундаментальных исследований ОФТПЭ РАН, включена в план НИР Саратовского научного центра РАН, включена в Государственную научно-техническую программу «Энергоэффективная экономика», в региональную Программу энергосбережение Астраханской области на период 2001 - 2005 гг., в программу Международной академии холода на период до 2005 года, а также выполнялась по планам госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ Астраханского государственного технического университета кафедры «Холодильные машины».

Личный вклад автора. В диссертацию включены следующие результаты, полученные лично автором: анализ энергетической эффективности концентраторов солнечной энергии гелиотермотрансформаторов; обобщенные зависимости для теплофизических характеристик твердых сорбентов с различной концентрацией примесей и радиационные, оптические свойства новых солнцепоглощающих оксидированных покрытий; результаты экспериментальных исследований термодинамических и тепломассообменных процессов в термотрансформаторах; математическая модель и алгоритм программы расчета на основе анализа физических представлений; анализ эффективности работы термотрансформатора по предлагаемым критериям на основе обобщения экспериментальных данных.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:

- сравнительные термодинамические характеристики рабочих веществ, рекомендуемых для использования в гелиоэнергетических термотрансформаторах;

- анализ термодинамического цикла работы гелиоэнергетического термотрансформатора «сухой» абсорбции на рабочих парах

- физико-химическая модель тепломассообмена в реакторе гелиоэнергетического термотрансформатора;

- экспериментальные данные по исследованию теплофизических свойств сорбентов с примесями графитовых компонентов;

- расчетные номограммы и методика анализа эффективности концентрирующей способности плоских зеркальных отражателей на трубках различных конфигураций реактора гелиоэнергетического термотрансформатора;

- результаты исследований теплофизических характеристик солнцепоглощающих покрытий, полученных методом оксидирования;

- алгоритм математической модели для анализа эффективности работы гелиоэнергетического термотрансформатора «сухой» абсорбции с использованием теплофизических модельных представлений.

термотрансформаторов циклического действия, внедрение которых внесет значительный вклад в развитие и повышение эффективности теплоэнергетической и холодильной отраслей страны.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 16 работ, получено положительное решение на патент РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Работа изложена на 181 странице, включая 118 рисунков, 6 таблиц и списка использованной литературы из 106 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении изложена актуальность проблемы, научная новизна, практическая ценность, основные положения и общая характеристика работы, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса о проблемах совершенствования гелиоэнергетических термотрансформаторов на твердых сорбентах» сделан обзор научных и научно-технических работ отечественных и зарубежных ученых по исследованию рабочих процессов, протекающих в гелиоэнергетических термотрансформаторах сорбционного типа на твердых сорбентах циклического действия. Рассмотрены теплофизические и термодинамические особенности процессов (нагрева, охлаждения, «сухой» абсорбции, десорбции, кипения, конденсации и т.д.), протекающих в установках, тенденции развития термотрансформаторов в целом и особенности моделирования отдельных аппаратов. Анализ материала показал, что в настоящее время существуют слабые представления о характере, механизме, кинетике, динамике процессов, протекающих в аппаратах гелиоэнергетических термотрансформаторов, отсутствует строгая методика определения энергетической эффективности термотрансформатора.

Большой вклад в изучение рабочих процессов и развитие термотрансформаторов «сухой» абсорбции в целом внесли Б.М.Ачилов,

И СБадылькес, Б.М.Блиер, Р.Буффингтон, В.Мель, Б.А. Минкус, В.Нибергалл, М.Планк, Л.С. Тимофеевский и другие ученые.

В данной главе проанализированы различные виды рабочих веществ, применяемых в гелиоэнергетических термотрансформаторах на твердых сорбентах: щелочноземельные соли - и

холодильные агенты — аммиак, метанол. На характер протекания процессов «сухой» абсорбции - десорбции влияют применяемые рабочие вещества.

В процессе изучения теплофизических и термодинамических характеристик и свойств рабочих веществ, для их анализа, были применены критерии условной массовой производительности ()р и условной объемной производительности установки.

QP = Яо.

п,

•И..

(i);

Qv=4o_№C-Pra~, (2);

Рха

тах Рабе абс

где - удельная холодопроизводительность хладагента при температуре

насыщения (-10°С); - реальное количество десорбируемых молекул в

установке;

- максимальное количество октоаммиакатов в комплексных

соединениях; - количество участвующих в процессе абсорбции молекул хладагента; рш - молекулярный вес хладагента; - молекулярный вес сорбента; - объем хладагента; - объем сорбента.

Таблица 1

Показатели сравнения NH3/CaCl2 NHj/SrCb NH3/BaCl2

Температура реакции при 1,6МПа, °С 105 102 98

Температура реакции при 0,3 МПа, °С 64 58 56

Условная массовая производительность установки, кДж^кг^ 1190 973 745

Условная объемная производительность установки, кДжя/л.^. 333 379 -

Стоимость сорбентов, у.е. 25 100 125

Области применения и использования термотрансформаторов Стационарные холод установ Транспорт, холод, установки, кондиц. Тепловые насосы

Сопоставление рабочих веществ (таблица 1) позволило рекомендовать области использования и применения гелиоэнергетических термотрансформаторов «сухой» абсорбции.

На основании комплексного анализа были определены структура и основные направления работы: интенсификация реакций абсорбции - десорбции, процессов кипения и конденсации, активизации теплофизических и термодинамических процессов, протекающих в аппаратах гелиоэнергетического термотрансформатора, улучшение теплофизических свойств твердых сорбентов за счет различных добавок, определение теплофизических характеристик солнцепоглощающих покрытий и

совершенствование конструктивных схемных решений аппаратов.

Во второй главе «Разработка способов повышения эффективности работы гелиоэнергетического термотрансформатора «сухой» абсорбции»

рассмотрены теплофизические и термодинамические особенности теоретического цикла работы гелиоэнергетического термотрансформатора; уточнены уравнения реакций комплексных соединений солей и хладагентов в термодинамических процессах «сухой» абсорбции-десорбции для различных солей и аммиака; разработаны физико-химические модели процессов абсорбции - десорбции для рабочих пар представлены

модели плоских зеркальных концентраторов энергии на поглощающие поверхности различной формы; результаты исследований полученных солнцепоглощающих покрытий, нанесенных методом оксидирования и экспериментальные зависимости теплофизических свойств различных комплексных сорбентов от концентрации примесей.

Составлены уравнения реакций образования и распада комплексных соединений солей и хладагентов для различных солей и аммиака-

8ГС12^НЗ+7 ШЗ ^ ЗгСИТМНз+Д^ , (4)

где Л^реи]» А'ряй - изменение удельной энтальпии реакции для процессов.

Разработаны физико-химические модели абсорбции - десорбции щелочноземельных солей хладагентами (рис 1), в которых показана динамика протекания тепломассообменных процессов при подводе и отводе теплоты; представлены скорости протекания реакций, регулируемые тепловыми или температурными параметрами, учтены остаточные явления реакций и изменение первоначальной структуры аммиакатов соли.

Рис.1 Физико-химическая модель Рис. 2 Термодинамический цикл работы процесса «сухой» абсорбции-десорбции гелиотермотрансформатора на рабочей соли хлорида кальция и аммиака паре 8гС12/1ЧНз

Представленный термодинамический цикл работы гелиоэнергетического термотрансформатора в диаграмме Клапейрона (1пР - (-1/Т)) (рис 2) состоит из процессов*

изостерического процесса нагрева октоаммиаката 8гС12-8>Шз до начала процесса десорбции АВ:

0 нагрев К=соиЯ)

•в,

V \

изобарного процесса десорбции ВС(ВМ) с подводом теплоты:

¿десорб

'С!

'Я>еа,рб{'>РУАП 1

(5)

(6)

изостерического охлаждения моноаммиаката 5гС12-КН3 (чистой соли) до начала абсорбции СО(М1Ч):

0<('<Ж!) - Ч ]

д!

/4=соги(

(7)

изобарного процесса абсорбции с отводом теплоты до образования октоаммиаката БгСЬШНз

/ ¡п

и = 1

•Л-Дй,

'О »

кипения в испарителе Е с подводом теплоты: Оь =?0 ('»/О-Ли?,

(8)

(9)

процесса конденсации рабочего вещества в конденсаторе Р с отводом теплоты: + (Ю)

Из анализа процессов цикла следует, что основное влияние на эффективность работы термотрансформатора оказывают: изостерический процесс нагрева, процесс десорбции и процесс кипения.

С целью улучшения физико-химических сорбционных процессов, протекающих в реакторах генератора были проведены теоретические исследования эффективности плоских зеркальных концентраторов с трубками -поглотителями круглого, плоского и треугольного сечений при одно- двух- и трехкратном отражении солнечных лучей. Получены теоретические уравнения для расчета геометрических параметров концентраторов, а также номограммы для определения геометрических характеристик и размеров концентраторов при различных углах раскрытия в диапазоне от до через каждые Установлено, что по оптико-энергетическим и экономическим показателям наиболее эффективной для плоских зеркал является трубка - поглотитель равностороннего треугольного сечения с вершиной обращенной вниз, т.к. обеспечивает максимальное значение оптического коэффициента и наименьшие размеры концентраторов в плоских зеркалах (рис.3).

Для таких отражателей, обладающих наибольшей концентрической способностью, расчет геометрических характеристик проведен по следующим формулам:

к = ОА =

2 -ф

(И)

а • соб!

2-ф

■«* (®/<) , , I

I-Щ/У+ Iе21 1180 -агсяв

а ■ ял (0 - 30 ) |С2 |

ГДе \С2 | =

о 180 - апзт

а ■ 5Ш (8 - 30 ) |С2 |

(12)

(13)

1. а 2 о: • С08 (0 - 30)

>Авл)

£ =

а-агав

51П1

Н-1-соя

(14)

Ь = 1 +ь 0 01 02'

Ж = 2 • I ■ ят!

(15)

(17)

гц, (16)

где И - высота концентраторов; (V - величина раскрытия зеркал; а - характерный размер трубки - поглотителя; Ь - соответствующие геометрические размеры; <9- угол раскрытия зеркал; О и 0 - поверхности зеркальных концентраторов; 5 -поглощающая поверхность.

О 5 10 15 20 25 30 35 40 4550 55 6065 70 75 806590 углы отклонения, Ф

Рис. 3 Расчетная модель зеркальных

концентраторов энергии на Рис. 4 Зависимости коэффициентов поглощающей поверхности треугольной оптической концентрации от углов откло-формы (равносторонний треугольник нения солнечных лучей для поглоща-вершиной вниз) ющих поверхностей треугольного сечения

Энергетическая эффективность концентраторов определялась с помощью оптического коэффициента, который связывает геометрические параметры конструкции с характерными размерами поглощающих поверхностей, по следующим формулам:

На рис.4 представлены оптограммы для профиля трубы реакторов треугольного сечения, ориентированных в зеркальных отражателях по рис.3. Для повышения энергетической эффективности гелиоприемных концентраторов разработаны солнцепоглощающие покрытия, полученные методом оксидирования в горячей нитратсодержащей воде. Изучены защитные, оптические и радиационные свойства нагрева новых покрытий, обладающих высокой способностью поглощения солнечной радиации. Такие покрытия обладают хорошей адаптической способностью и позволяют увеличить эффективность поверхности в раза по сравнению с белой, на

по сравнению с оцинкованной и на по сравнению с окрашенной

поверхностями (рис.5). Оксидированные покрытия уступают по радиационным свойствам хроматированным на но ввиду их относительной

дешевизны и экологической безопасности являются более предпочтительными для применения в гелиотермотрансформаторах.

10.5 11 11.5 часы

Рис.5 Зависимости температур нагрева адаптирующей поверхности от времени солнечного обогрева: 1-оксидирование; 2-хроматирование; 3-оцинковка; 4-окрашивание; 5-белая; 6-температура наружного воздуха.

Рис.6 Зависимости ко.чффиттиенга теплоемкости CaCl, и ЬгЫг от концентрации примесей графита

Методом нестационарного нагрева проволоки получены экспериментальные зависимости коэффициентов теплопроводности (К), температуропроводности (а) и теплоемкости (ср) щелочноземельных солей ЭгСЬ И СаСЬ от концентрации примесей графита, которые показывают увеличение коэффициента теплопроводности X В 1,2-=-3,7 раза; коэффициента теплоемкости Ср до 3,9 раз (рис.6) в зависимости от процентного содержания графита, плотности насыпной массы и структуры сухого сорбента. На разработанном стенде

получены экспериментальные зависимости для разных солей, описываемые уравнениями. Погрешность измерения величин составляла 0,25 - 0,4 %.

Например, для СаС12: к= -0,0031 + 0,0543-4 + 0,0775, (19)

а= -410'Ч2 + 210"13-4 + 410"09, (20)

Ср = -1527,3-42 +26592-^+ 38857. (21)

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что добавки графита в рабочие вещества, использование новых солнцепоглощающих покрытий, применение плоских зеркальных концентраторов солнечной энергии позволили интенсифицировать физико-химические процессы «сухой» абсорбции - десорбции в реакторе установки, испытания которого проведены на открытом полигоне в летний период.

В третьей главе «Разработка конструкции гелиоэнергетического термотрансформатора «сухой» абсорбции и ее экспериментальные исследования» представлены экспериментальные исследования, проведенные на специально разработанной установке циклического действия (рис.7), использующей естественные температурные перепады окружающей среды в течение суток и солнечную радиацию в дневное время.

Рис. 7 Схема экспериментального гелиоэнергетического термотрансформатора циклического действия

Генератор - абсорбер 1 совмещенного типа представлял собой «горячий» ящик 3 с двухстекольной оболочкой (площадью 1,38 М2) и тремя горизонтальными равноудаленными друг от друга реакторами 2, установленными внутри плоских зеркал, концентрирующих солнечную энергию, на поверхность которых было нанесено конверсионное солнцепоглощающее покрытие. Аппарат был ориентирован гелиоприемной частью строго на юг под углом к горизонту. В охлаждаемой камере 9 находился и-образный испаритель 8, нижняя часть которого была погружена в ванночку с водой. Конденсатор 5 в зависимости от схемного решения установки позволял исследовать ее при водяном или воздушном охлаждении. В

реактор 2 был засыпан твердый сорбент, в ресивер - хладагент. Конструкция генератора-абсорбера защищена патентом РФ.

Установка работает в две фазы: фаза зарядки (абсорбции) - насыщение хладагентом абсорбента при его охлаждении в абсорбере в ночное время, при этом в испарителе установки получается эффект охлаждения в виде намораживаемого льда, или охлажденного воздуха; и фазы регенерации (десорбции) - выделение хладагента из насыщенного абсорбента днем при обогреве генератора солнцем, при этом в конденсаторе за счет охлаждения окружающим воздухом или водой происходит сжижение хладагента и накопление его в ресивере установки. С помощью регулирующего вентиля 7 обеспечивается подача хладагента в испаритель 8. Запорные вентили 4 осуществляют работу установки по одно- и двухконтурной схеме.

Исследования проводились на рабочей паре хлорид кальция (с примесями графита) - аммиак. Добавки графита интенсифицировали процесс абсорбции.

Параметры солнечной радиации измерялись актинометром и пиранометром, температуры аппаратов установки - термопарами и термометрами, давление -образцовыми манометрами, количество жидкого хладагента - мерной емкостью ресивера.

Рис. 8 Графики зависимости измеряемых температур в различных точках генератора от времени: 1; 2; 3-температуры поверхностей реакторов; 4-нижняя теневая часть реактора; 5-температура торца гелиоприемника; 6-температура нижней части гелиоприемника.

На рис. 8 представлены зависимости температурных параметров генератора. Для различных точек нагрева конструкции в дневное время, температуры имеют синусоидальный характер изменения. Максимальные значения колеблются в пределах- На температуре нижней теневой части

реактора сказывается тепловая инерционность (максимальная температура составляет 110°С).

Применение горизонтально расположенных реакторов со специальным покрытием в плоских зеркальных концентраторах солнечной энергии позволяет

интенсифицировать тепломассообменные процессы десорбции в гелиоэнергетическом термотрансформаторе за счет длительности действия потока энергии солнечной радиации и повышения температуры химико-физических реакций.

Температуры абсорбера в различных точках поверхности в ночное время достигали 63,2-64,8°С при суточных изменениях давления в установке от 0,016 до 0,248 МПа. Теплоту абсорбции можно использовать для нагрева в вечернее время суток.

При открывании регулирующего вентиля в установке наблюдалось бурное протекание процесса абсорбции в начальный момент времени и резкое закипание хладагента в испарителе (рис. 9). Минимальная температура на поверхности испарителя достигала что приводило к замерзанию воды

(минимальная температура при этом температура воздуха в камере

составляла около

Исследования проведены и на поверхностях конденсатора при водяном и воздушном охлаждении. Воздушный конденсатор имеет меньшую тепловую инерционность, что положительно сказывается на работе установки при одноконтурной схеме.

Рис.9 Графики зависимости измеряемых температур в камере и на поверхности испарителя от времени: 1-температура поверхности испарителя; 2-температура воды в ванне; 3-температура воздуха между коленами испарителя; 4-средняя температура воздуха в камере; 5-расчетная температура насыщения кипящего аммиака.

Экспериментальные исследования легли в основу разработки нового технического решения конструкции реактора генератора - абсорбера (заявка на патент РФ №2003106499). Такие реакторы позволяют улучшить работу генератора-абсорбера на основе интенсификации теплообменных процессов и увеличения скоростей физико-химических реакций, протекающих в них, а также повысить эффективность и степень термодинамического совершенства всего гелиоэнергетического термотрансформатора.

В четвертой главе «Разработка математической модели расчета эффективности гелиоэнергетического термотрансформатора «сухой» абсорбции» изложены теплофизические модельные представления о процессах

десорбции - конденсации и кипения - абсорбции, которые были составлены на основе энергетического баланса теплоты между потоком энергии солнечной радиации и преобразованием этой энергии в полезную. При этом учитывались тепловые потери от радиационной и конвективной составляющей и теплоты химических реакций. При разработке блока генератор-конденсатор рассматривалось уравнение теплового баланса в период регенерации (рис.7):

Qnaà ■dT = Qnom 'dT + Qéec 'dT " Q*à 'dx ± Оаккум + Мх!шреак, (22)

а блока испаритель-абсорбер - уравнение теплового баланса в период зарядки:

Q dt + Ah =Q -dt + Q-dt, (23)

anc xiш реак. nom 0 v '

где Qmà - полная солнечная энергия, падающая на поверхность генератора-абсорбера; Q„0„ - потери теплового потока, приходящиеся на генератор; Q^- теплота, идущая на десорбцию; -теплота, получаемая от конденсирующейся массы аммиака; QaKKy„ ~ теплота аккумулируемая металлическими частями, изоляцией и стеклом генератора; теплота химической реакции; dt - время протекания

процесса; Qa6c - теплота абсорбции; Qnm - потери теплового потока, приходящиеся на испаритель и ресивер; Q0 - полезная теплота при получении эффекта охлаждения в ночное время.

Qàec = G m, ■ Cm, ■ dT + (mc + mNHJCcM ■ dT, (24)

ÔUCft

о =mNH,-rNH,, (25)

tïl -C + m\f "Сун

где c„ =-2—— - удельная теплоемкость сорбента, содержащего

m, + mialt

аммиак, - масса аммиака, десорбируемая за время dr, сс - удельная теплоемкость сорбента, ст> - удельная теплоемкость аммиака, тс - масса сорбента, mNH3 - масса аммиака, т^ - масса испаряющегося аммиака за время dr, Гцщ - удельная теплота

испарения аммиака.

На основе теплофизических представлений и термодинамического цикла была разработана расчетная математическая модель по определению эффективности установки, которая позволяла обрабатывать экспериментальные данные установок циклического действия любого типа. Программа расчета была реализована в пакете MathCAD 2000. Алгоритм программы состоял из трех блоков: блок расчета генератора - абсорбера, блок расчета испарителя -ресивера, аналитические решения которых велись параллельно, и блок анализа эффективности работы термотрансформатора.

Математическая модель позволяет производить комплексный расчет различных комбинаций и вариантов работы гелиоэнергетического термотрансформатора на различных рабочих парах в заданном режиме работы при разной комбинаторике ввода экспериментальных данных и определять эффективный режим работы термотрансформатора.

Анализ эффективности расчетных режимов работы гелиоэнергетического термотрансформатора проводился с использованием термодинамического

и эксергетического т^ КПД:

^ Ебо,

•Г.,

(27)

где и Хек - температурные функции, /„„a - интенсивность падающей радиации.

Для условий нестационарного режима охлаждения и нагрева путем обработки среднестатистических экспериментальных температурных данных в различной комбинации вводимых чисел: по ряду возрастания времени; по равномерному ряду сходимости и по обратному ряду убывания параметров. Получены математические зависимости в виде полиномных уравнений для различных КПД: термодинамического Т|и и эксергетического T|3JK>

0,6

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

л 2 4

■ы V Л

у л- V

1 —А

0,5 0,4

: о.з 0,2 0,1 о

Л 3 1

1 /

2 4

Г i

8 9

ДАН номер расчета

Рис. 11 Зависимость коэффициента эксергетического КПД т/ж в режиме охлаждения от вида обработки результата: 1-по ряду возрастающего времени; 2-по равномерному ряду сходимости; 3- по обратному ряду убывания.

123456789 номер расчета

Рис. 10 Зависимость коэффициента термодинамического КПД г}я в режимах нагрева и охлаждения от вида обработки результата: 1-по ряду возрастающего времени; 2-по равномерному ряду сходимости; 3-по обратному ряду убывания.

На рис. 10 представлены расчетные значения термодинамического КПД: »]„, =0,166-Ю,231 и усредненные значения ^„.с/^ОЛ^ для полного цикла работы установки. Расчетные значения эксергетического КПД (рис. 11) составляют 'Ъ«с=в>059-Ю,131; усредненные - ^мец^Д^б. Анализ расчетных результатов показывает, что термодинамический КПД не сильно зависит от способа обработки данных, а эксергетический - значительно.

Математическая модель позволяет оценить энергетическую эффективность работы гелиоэнергетического термотрансформатора с учетом каждого из проведенных исследований, влияющих на эффективность тепломассообменных процессов, по предлагаемым критериям в зависисмости от

последовательности ввода экспериментальных данных.

Сопоставление полученных результатов с аналогичными исследованиями других авторов показывает преимущество новых теплофизических и термодинамических представлений, физико-химических моделей процессов, предложенных для совершенствования гелиоэнергетических

термотрансформаторов на твердых сорбентах.

Таким образом, в данной работе, на основании теоретических и экспериментальных исследований теплофизических и термодинамических процессов, протекающих в гелиоэнергетических термотрансформаторах на

твердых сорбентах, получены новые данные о характере, кинетике, динамике работы таких установок циклического действия в режимах получения теплоты и холода.

Предлагаемые уравнения, зависимости, номограммы, экспериментальные данные составят основу расчета аппарата гелиоэнергетического термотрансформатора - генератора-абсорбера.

Разработанная математическая модель позволяет оценить степень термодинамической эффективности гелиоэнергетических

термотрансформаторов при различных режимах их работы, теплотехнических параметрах, размерах и т.п.

Полученные результаты в целом могут быть использованы для разработки новых технологий и конструктивных решений, при создании гелиоэнергетической техники, при оптимизации режимов работы гелиоэнергетических термотрансформаторов, при прогнозировании возможностей их развития и совершенствования. Разработанное новое техническое решение использует все основные полученные в диссертации результаты: по солнечным концентраторам, по процессам в генераторе -абсорбере, по цикличности рабочих процессов и термодинамической эффективности.

Основные результаты и выводы.

1. Анализ отечественной и зарубежной научной литературы по созданию и

совершенствованию гелиоэнергетических термотрансформаторов позволил выявить недостатки теплофизических и термодинамических процессов, протекающих в аппаратах, области применения и использования рабочих веществ и определить цель и задачи повышения эффективности их работы.

2. Теоретические исследования термодинамического цикла работы гелиоэнергетического термотрансформатора «сухой» абсорбции в диаграмме Клапейрона позволяют определить эффективность подвода и отвода тепловой энергии в протекающих процессах.

3. Теоретические исследования тепломассообменных процессов «сухой» абсорбции - десорбции на основе разработанной физико-химической модели позволяют объяснить динамику изменения теплофизических свойств рабочих веществ при образовании и распаде моно-, ди-, тетра- и октоаммиакатов.

4. Исследования теплофизических свойств рабочих веществ и др.) с компонентами добавок графита до 10 % позволяют интенсифицировать теплофизические процессы, протекающие в реакторах термотрансформатора.

5. Исследования плоских зеркальных концентраторов солнечной энергии позволили получить аналитические выражения и номограммы для расчета их геометрических характеристик и энергетических параметров. Теоретически обоснован и рассчитан с использованием оптического коэффициента гелиоэнергетический реактор треугольной формы с плоскими зеркальными концентраторами, имеющий лучшие энергетические и экономические характеристики по сравнению с круглой поверхностью, который позволяет увеличить мощность гелиоприемников в 2 раза, а температуру на

6. Применяемые солнцепоглощающие покрытия, полученные методом оксидирования являются экологически чистыми, позволяют улучшить адаптирующие свойства гелиоприемной поверхности и повысить температуру в реакторах на 8-Н 0°С, что интенсифицирует тепломассообмен в процессе десорбции.

7. Разработанные теплофизические модельные представления процессов, протекающих в гелиоэнергетических термотрансформаторах, позволяют оценить сложность тепломассообмена в аппаратах установки «сухой» абсорбции и являются базой для создания расчетной математической модели.

8. Разработанный и предложенный алгоритм расчетной математической модели является универсальным при определении эффективности работы термотрансформатора путем введения критериев эффективности его работы Olm Лмв).

9. Предложены методики анализа эффективности работы в разной последовательности вводимых экспериментальных данных: по ряду возрастания времени, по равномерному ряду сходимости, по обратному равномерному ряду сходимости.

Степень термодинамического совершенства гелиоэнергетических термотрансформаторов при исследованных условиях интенсификации теплофизических процессов увеличивается до 5,9-43,1%, термодинамический КПД -до 16,6-23,1%.

10. На основе полученных теоретических и экспериментальных результатов разработано новое техническое решение конструкции реактора генератора -абсорбера, защищенное заявкой на патент РФ №2003106499, которое позволило повысить эффективность работы экспериментальной установки в режиме суточного цикла.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Оценка эффективности плоских концентраторов солнечной энергии // Известия Вузов. Машиностроение, 2002. № 9. С.33-36. (соавторы Ильин А.К., Руденко М.Ф.). По списку ВАК.

2. Исследование сухой абсорбционной гелиохолодильной установки // Теплоэнергетика, 2003. № 10. С.68-71. (Руденко М.Ф., Ильин А.К.). По списку ВАК.

3. Эффективность солнечных гелиоприемников с плоскими концентраторами / Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса. Сб. научн. трудов. Вып.1. Общенаучные вопросы. Саратов: СНЦ РАН, 2001. С.146-154. (Руденко М.Ф.).

4. Система автоматизированного проектирования для расчета блока испаритель-ресивер гелиоохладителя абсорбционного типа / Материалы международн. конф. Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре. Астрахань: АГТУ, 2001. С.25 8-260. (Руденко М.Ф., Черкасов В.И.).

5. Цикл работы энергосберегающих гелиоиспользующих сорбционных теплотрансформаторов / Материалы III международн. конф. Проблемы энерго-

и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах. Пенза: ПДЗ, ПГАСА, 2002. С.35-39. (Руденко М.Ф., Данилов Б.А.).

6. Инсолирующие антикоррозионные покрытия для гелиотехники / Материалы всероссийской конф. Экологичность ресурсо- и энергосберегающих производств на предприятиях народного хозяйства. Пенза: ПДЗ, ПГАСА, 2002. С.84-86. (Кравцов Е.Е., Старкова Н.Н., Руденко М.Ф.и др.).

7. Модули гелиоприемных устройств установок с альтернативными источниками энергии для получения тепла и холода / Материалы межрегион, научн. техн. семинара. Экологическая безопасность регионов России и риск от техногенных аварий и катастроф. Пенза: ПДЗ, ПГАСА, 2001. С.27-29. (Руденко М.Ф., Васильев В.Я. и Герштарский Н.Д.).

8. Гелиоохладители адсорбционного типа для южных регионов страны / Материалы всероссийской научн. практич. конф. студентов, аспирантов и молод, спец. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. С. 175-178. (Руденко М.Ф., Скрипниченко СП.).

9. Гелиоустановки для получения тепла и холода / Материалы международн. конф. Инновации в науке и образовании-2003. Калининград: КГТИ, 2003. С. 159. (Руденко М.Ф., Пушкинский Д.Н.).

10. Применение энергосберегающих термотрансформаторов для систем центрального тепло- и хладоснабжения / Материалы международн. конф. Проблемы централизованного теплоснабжения. Самара: СГТУ, 2004. С.280-283. (Руденко М.Ф., Антипов А.Е.).

11. Разработка солнцеиспользующих термотрансформаторов сорбционного типа циклического действия для получения теплоты и холода / Труды 4-международн. конф. Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. М.: ВИЭСХ, 2004. Часть 4. С.121-126. (Руденко М.Ф., Антипов А.Е.).

12. Разработка концентрирующих гелиостатических устройств для систем освещения, нагрева и охлаждения тепличных хозяйств и других сельскохозяйственных и рыборазводных объектов / Тезисы докладов конф. молодых ученых. Астрахань: АГТУ, 2003. С. 127-129.

13. Теплофизическая модель эффективности работы гелиоэнергетических термотрансформаторов / Материалы IV международн. конф. Повышение эффективности теплообменных процессов и систем. Вологда: ВолГТУ, 2004. С. 101-104. (Руденко М.Ф., Сорваков И.И.).

14. Efflciency of Flat Concentrators of Energy on the Surfaces with Diffèrent Configurations in the Solar Powered Devices / Atyrau: Atyrau Institute of Oil and Gas, 2002. Issue 1. Part 1. P. 126-130. (Rudenko M.F, Ilyin A.K.).

15.Investigating the operation of a solar dry absorption refrigerating unit // Thermal engineering, 2003. V.50. №10. P. 860-863. (Rudenko M.F, Ilyin A.K.).

16. Заявка на Патент РФ № 2003106499 Руденко М.Ф., Ильин А.К., Коноплева Ю.В., Заикин Е.Ю., Ильин РА Реактор генератора-абсорбера гелиохолодильной установки. Офиц. бюллетень Российского агентства по патентам и товар, знакам. Изобретения, полезные модели. №27. 27.09.2004. С. 161.

01. 04

Подписано к печати 10.03.2005 г. Объем )Л гСл.«" _ \ Тираж 100 экз. Заказ /98- Типография АГТУ. * | ^ , ^ ^ ^

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Чивиленко (Коноплева), Юлия Викторовна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О ПРОБЛЕМАХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРОВ НА ТВЕРДЫХ СОРБЕНТАХ.

1.1. Обзор научно-исследовательских работ и патентных исследований по данной проблеме.

1.2. Термодинамические и теплофизические особенности процессов (нагрева, охлаждения, «сухой» абсорбции, десорбции, кипения, конденсации и т.д.), протекающие в гелиоэнергетических установках на твердых сорбентах.

1.3. Анализ и сопоставление теплофизических и термодинамических характеристик и свойств рабочих пар веществ для гелиоэнергетических термотрансформаторов «сухой» абсорбции.

1.4. Структурная схема настоящего исследования.

Глава 2. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРА «СУХОЙ» АБСОРБЦИИ.

2.1. Термодинамические и теплофизические основы работы термотрансформатора «сухой» абсорбции.

2.2. Исследование и расчет плоских концентраторов солнечной энергии на различные виды поверхности.

2.3. Разработка эффективных солнцепоглощающих покрытий.

2.4. Исследование коэффициентов теплопроводности, теплоемкости, температуропроводности солей щелочноземельных металлов с примесями компонентов графита.

Глава 3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРА «СУХОЙ» АБСОРБЦИИ И ЕЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Описание экспериментальной установки и методики исследования.

3.2. Результат экспериментальных исследований. Оценка погрешности измерений.

3.3. Разработка конструкции нового генератора.

Глава 4. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАСЧЕТА ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРА «СУХОЙ» АБСОРБЦИИ.

4.1. Моделирование теплофизических процессов в гелиоэнергетических термотрансформаторах.

4.2. Способы оценки эффективности работы гелиоэнергетических термотрансформаторов.

4.3. Математическая модель и алгоритм расчетной программы.

4.4. Анализ эффективности работы гелиоэнергетического термотрансформатора «сухой абсорбции».

Введение диссертация по физике, на тему "Повышение эффективности гелиоэнергетических термотрансформаторов на твердых сорбентах"

Актуальность проблемы. Повышение эффективности рабочих процессов в термотрансформаторах сорбционного типа циклического действия. I работающих с использованием энергии солнечной радиации, является актуальной проблемой развития современной энергетической техники. Интенсифицировать теплофизические и термодинамические процессы, протекающие в гелиоэнергетических термотрансформаторах, позволяет улучшение теплофизических свойств рабочих веществ, использование энергетически эффективных концентраторов солнечной энергии, применение новых солнцепоглощающих покрытий.

Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является повышение и оценка эффективности работы гелиоэнергетических термотрансформаторов за счет интенсификации физико-химических сорбционных процессов, протекающих в аппаратах, исследование новых рабочих веществ с улучшенными теплофизическими свойствами отдельных' компонентов, энергетически-эффективных солнцепоглощающих покрытий и совершенствования конструкций аппаратов.

Данная цель была достигнута решением следующих задач:

4. Созданием экспериментального термотрансформатора «сухой» абсорбции и исследованием основных теплофизических и физико-химических процессов - «сухой» абсорбции, десорбции, кипения, конденсации, тепломассообмена и др., протекающих в нем в режиме суточного цикла.

5. Разработкой алгоритма расчетной математической модели гелиоэнергетического термотрансформатора на основе модельных представлений теплофизических процессов в ее аппаратах, проведением анализа работы и определением термодинамической эффективности гелиоэнергетического термотрансформатора.

Научная новизна. Проведен анализ термодинамического цикла работы гелиоэнергетического термотрансформатора «сухой» абсорбции в диаграмме Клапейрона (1пР—(-1/Т)) на рабочих веществах 8гС12/МН3. Впервые разработана физико-химическая модель тепломассообменных процессов «сухой» абсорбции-десорбции сорбента и хладагента. Получены математические зависимости по геометрическим характеристикам и концентрической способности плоских зеркал солнечной энергии в гелиоприемных устройствах на поверхностях труб различной конфигурации при одно-, двух- и трехкратном отражении. Исследованы радиационные, оптические, физико-химические характеристики новых солнцепоглощающих покрытий, полученных методом оксидирования. Предложены экспериментальные зависимости теплофизических характеристик сорбентов с компонентами графита. Разработан алгоритм математической модели для расчета циклов термотрансформатора «сухой абсорбции» на основе изучения и анализа теплофизических процессов, позволяющий оценить качество работы в широком диапазоне параметров и различных характеристик сорбентов (СаСЬ, ЗгСЬ, ВаСЬ^Введены критерии оценки термодинамической эффективности работы солнцеиспользующих термотрансформаторов «сухой абсорбции». Проведены экспериментальные исследования и получены новые данные, подтверждающие полезный эффект работы гелиоэнергетического термотрансформатора.

Практическая ценность результатов данной работы заключается в том, что результаты теоретических и практических исследований, разработанные модели, номограммы, расчетные программы приняты для проектирования новой техники и их аппаратов в ОАО «Машиностроительный завод «Прогресс»» и внедрен:: технология солнцепоглощающих покрытий, методики расчета термотрансформатора и новая конструкция реактора генератора-абсорбера гелиоэнергетических термотрансформаторов «сухой» абсорбции (заявка на патент РФ № 2003106499).

В целом, результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований могут служить научной основой по созданию новых технических и технологических решений в химическом машиностроении, в промышленной теплоэнергетике, в гелио- и светотехнике, в холодильной промышленности и др. отраслях производства.

Апробация работы. Основные материалы работы были доложены и обсуждены на: Международной конференции «Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре», Астрахань, 2001; Международной конференции «Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексе» и Всероссийской конференции «Экологичность ресурсо- и энергосберегающих производств на предприятиях народного хозяйства», Пенза, 2002; Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании-2003», Калининград, 2003; Международной научной конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», Москва, 2004; Международной научно-практической конференции «Проблемы развития централизованного теплоснабжения», Самара, 2004; IV международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» Вологда, 2004.

Личный вклад автора. В диссертацию включены следующие результаты, полученные лично автором: анализ энергетической эффективности концентраторов солнечной энергии гелиотермотрансформаторов; обобщенные зависимости для теплофизических характеристик твердых сорбентов с различной концентрацией примесей и радиационные, оптические свойства новых солнцепоглощающих оксидированных покрытий; результаты экспериментальных исследований термодинамических и тепломассообменных процессов в термотрансформаторах; математическая модель и алгоритм программы расчета на ослове анализа физических представлений; анализ эффективности работы термотрансформатора по предлагаемым критериям на основе обобщения экспериментальных данных.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:

- анализ термодинамического цикла работы гелиоэнергетического термотрансформатора «сухой» абсорбции на рабочих парах БгСЬ/ННз;

- физико-химическая модель тепломассообмена в реакторе гелиоэнергетического термотрансформатора;

Диссертация является законченной квалификационной работой, в которой научно обоснованы технические и технологические решения по проблеме повышения эффективности работы гелиоэнергетических термотрансформаторов циклического действия, внедрение которых внесет значительный вклад в ■ развитие и повышение эффективности теплоэнергетической и холодильной отраслей страны.

Заключение диссертации по теме "Теплофизика и теоретическая теплотехника"

Выводы.

1. Разработаны теплофизичекие модели процессов десорбции -конденсации в блоке генератора - конденсатора гелиоэнергетического термотрансформатора (ф-лы 4.1+4.15).

2. Разработаны теплофизичекие модели процессов кипения -абсорбции в блоке испаритель - абсорбер гелиоэнергетического термотрансформатора (ф-лы 4.16+4.26).

3. Проанализированы методы и способы оценки эффективности работы гелиоэнергетического термотрансформатора (ф-лы 4.27+4.51).

4. Разработаны расчетные математические модели и алгоритм программы расчета эффективности работы гелиоэнергетического термотрансформатора, позволяющие определить термодинамическую и эксергетическую эффективность в установке для различных хладагентов и сорбентов термотрансформаторов «сухой» абсорбции (ф-лы 4.52+4.97).

5. Проведен анализ термодинамической эффективности и степени термодинамического совершенства гелиоэнергетического термотрансформатора на рабочей паре СаСЬ/ЫНз в режимах охлаждения и нагрева в различной комбинаторике экспериментальных данных (ф-лы 4.99+4.115).

6. Получены графики усредненных значений и зависимости отклонений коэффициентов термодинамического и эксергетического КПД (рис.4.10+4.21 и рис. 4.24+4.26).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Анализ отечественной и зарубежной научной литературы по созданию и совершенствованию гелиоэнергетических термотрансформаторов позволил выявить недостатки конструкций, теплофизических и термодинамических процессов, протекающих в аппаратах установки и определить цель и задачи повышения эффективности их работы.

2. Теоретические исследования термодинамических процессов в диаграмме Клапейрона позволяют определить термодинамические эффекты, протекающие в процессах цикла работы гелиоэнергетического термотрансформатора «сухой» абсорбции.

3. Теоретические исследования физико-химических процессов «сухой» абсорбции - десорбции на основе разработанной модели позволяют объяснить в динамике механизм поэтапного образования и разрушения moho-, ди-, тетра- и октоаммитакатов.

4. Исследования теплофизических свойств рабочих веществ с компонентами добавок позволяют интенсифицировать теплофизические процессы, протекающие в реакторах термотрансформатора.

5. Исследования концентраторов позволили получить аналитические выражения для расчета оптимальных конструкций и конфигураций реакторов гелиоэнергетического термотрансформатора с плоскими концентраторами. Теоретически обоснована и рассчитана новая конструкция гелиоэнергетического реактора с треугольной трубчатой поверхностью и плоскими зеркальными концентраторами с лучшими энергетическими и экономическими характеристиками по сравнению с круглой трубчатой конструкцией.

6. Полученные солнцепоглощающие покрытия на основе оксидирования экологически чистым способом позволили улучшить адаптирующие свойства гелиоприемной поверхности и повысить температуру в реакторах.

7. Разработана и предложена новая конструкция реактора генератора -абсорбера, защищенная заявкой на Патент РФ №2003106499, которая позволила повысить эффективность работы экспериментальной установки в режиме суточного цикла.

8. Разработанные теплофизические модели процессов, протекающие в гелиоэнергетических термотрансформаторах, позволяют лучше понять сложность тепло-, массообмена в аппаратах установки «сухой» абсорбции и являются базой для создания расчетных математических моделей эффективности работы термотрансформатора.

9. Разработанный и предложенный алгоритм расчетной математической модели является универсальным при определении степени термодинамического совершенства установки циклического действия на твердых сорбентах.

10. Предложены методики анализа эффективности работы в разных комбинаториках экспериментальных данных: по ряду возрастания времени, по равномерному ряду сходимости, по обратному ряду убывания.

Получены экспериментальные данные подтверждающие положительный эффект и правильность гипотез, заложенных в основу проектирования данной конструкции установки.

172

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Чивиленко (Коноплева), Юлия Викторовна, Астрахань

1. A.c. 1384896 СССР, F 25 В 27/00. Гелиоадсорбционная холодильная установка.

2. A.c. 1688072 СССР, F 24 J 56/00. Солнечный коллектор.

3. A.c. 43654 СССР, Кл. 17 а, 13. Описание испарителя периодически действующей абсорбционной холодильной установки.

4. Аптекарь М.Д. Синтез и исследования каталитической и биологической активности азометинов и образованных ими внутрикомплексных соединений некоторых переходных металлов: Автореф. дис .к-та техн. наук / МГПИ им. Ленина. М., 1974. 24 с.

5. Ачилов Б.М. Разработка и исследование низкопотенциальных опреснительных и холодильных установок с использованием солнечной энергии и внедрение их в народнохозяйственную практику: Дис.д-ра техн. наук. Ташкент-Бухара, 1981. 517 с.

6. Ачилов Б.М., Мангалжалов Ч. Холодильная гелиоустановка с твердым сорбентом // Холодильная техника. 1990. № 2. С.5-7.

7. Бадылькес И.О., Данилов P.J1. Абсорбционные холодильные машины. М.: Пищ. пром., 1966. 356 с.

8. Беспамятнов Г.П. Предельно допустимые концентрации токсичных веществ. JL, Химия, 1975, с. 455.

9. Блиер Б.М. Сухая абсорбционная холодильная установка для сепараторных пунктов // Холодильное дело. 1932. № 2. С. 18-20.

10. Брдлик И.М. Испытание солнечного холодильника // Использование солнечной энергии. Сб.1. М.: АН СССР. 1960. С. 118 123.

11. Буффингтон P.M. Абсорбционное охлаждение с твердыми абсорбентами // Холодильное дело. 1933. № 6. С.24-28.

12. Вахидов А.Т. Исследование абсорбционного гелиохолодильника круглосуточного действия: Дис. .канд. техн. наук. Самарканд, 1979.138 с.

13. Горбачев П.П. Солнечный холодильник с твердым адсорбентом. Исследование по использованию солнечной энергии. Ташкент: Фан, 1962. Вып.1. С.48-52.

14. Ильин A.K. Возможности использования солнечной энергии в Поволжье // Энергосбережение в Поволжье. 2001. Вып.2. С.70-73.

15. Ильин А.К., Руденко М.Ф., Коноплева Ю.В. Оценка эффективности плоских концентраторов солнечной энергии. // Известия Вузов. Машиностроение. 2002. № 9. С.33 36.

16. Исаченко З.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981.417 с.

17. Каталог химической продукции. АО «Экрос», 2002 г.

18. Кобранов Г.П. Установки для использования солнечной энергии. М.: Изд-во МЭИ, 1996. 112 с.

19. Коноплева Ю.В., Руденко М.Ф., Пушкинский Д.Н. Гелиоустановки для получения тепла и холода. // Инновации в науке и образовании. Материалы междунар. науч.конф.: Из-во КГТИ. Калининград. 2003. С.159.

20. Коноплева Ю.В., Руденко М.Ф., Сорваков И.И. Теплофизическая модель эффективности работы гелиоэнергетических термотрансформаторов. // Материалы IV междунар. науч.техн.конф. Вологда: ВоГТУ. 2004. С. 101-104.

21. Лаворко П.К. Оксидные покрытия металлов. JI. Машиностроение 1963.

22. Лихачев В.А., Кузьмин С.Л., Каменцева З.Л. «Эффект памяти формы». Л.: ЛГУ, 1987.

23. Мирзаев Ш.М., Узаков О.Х. Абсорбционная гелиохолодильная установка // Гелиотехника. 2000. №2. С.74-78.

24. Мирзаев Ш.М., Узаков О.Х. Испытания адсорбционного гелиохолодильника бытового назначения // Вестник Международной академии холода. 2001. С.38-40.

25. Мурадов Д., Шадиев О. Прерывистая солнечная холодильная установка, работающая на твердом абсорбенте. Проблемы естественных наук. Ташкент, 1969. №6. С. 12-14.

26. Нильсен П.Б. Солнечные охлаждающие установки. Перевод с датского. № КВ-1053. 1980. ВЦП НТЛ и Д. (Киевская редакция). 27с.

27. Новаковский В.М., Крутиков П.Г. Коллоидно-электрохимический механизм оксидирующей коррозии стали в горячей нитратсодержащей воде. Защита металлов, М., 1987, том XXIII, с.205-219.

28. Овчинников В.А., Селиванов Н.В. Гидравлика и гидравлические расчеты. // МУ к лаб.раб. Астрахань. 1994.

29. Осипова В.А. экспериментальное исследование процессов теплообмена. М., «Энергия». 1969.

30. Пат. 2137991 РФ, кл. 6 F 25 В 17/08. Генератор адсорбер гелиохолодильника.

31. Пирматов И.И., Рискиев Т.Т., Сагатов A.A. Методика расчета полей излучения зеркально-концентрирующих систем // Гелиотехника. 1988 .№5. С.51-57.

32. Применение октоаммиаката хлористого стронция в холодильных гелиоустановках / А.Х. Узаков, Ш.М.Мирзаев, О.Х.Шодиев, Ю.Н.Якубов. // Холодильная техника. 1990. №2. С.7-9.

33. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. 2-е изд. Л.: Химия, 1978.392 с.

34. Розенфельд Л.М., Ткачев А. Г. Холодильные машины и аппараты. М.: Государственное издательство торговой литературы, 1960.418 с.

35. Руденко М.Ф. Математическая модель для анализа степени термодинамического совершенства гелиохолодильных установок адсорбционного типа // Совершенствование энергетических систем и комплексов: Сб.науч.тр. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та,2000.С.10-14.

36. Руденко М.Ф. Разработка и исследование эффективности адсорбционной гелио-холодильной установки // Вестник Международной академии холода. 2003. № 1. С.34-37.

37. Руденко М.Ф. Разработка солнцеиспользующей холодильной техники // Холодильная техника. 1999. №5. СЛ 2-14.

38. Руденко М.Ф. Солнцеиспользующие холодильные установки // Холодильный бизнес. 1999. №2. С.6-9.

39. Руденко М.Ф. Эффективность гелиоприемных устройств с концентраторами для систем тепло- и хладоснабжения. Саратов: ЛНЭ ОЭП СНЦ РАН, 2001.63 с.

40. Руденко М.Ф. Эффективные генераторы солнцеиспользующих бромисто-литиевых термотрансформаторов. Астрахань: ЛНЭ ОЭП СНЦ РАН, 2002. 70с.

41. Руденко М.Ф., Альземенев A.B. Автоматизированное проектирование гелиоприемных устройств солнцеиспользующей техники // Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре:Материалы науч.техн.конф.: Астрахань: АГТУ, 1997.С.228-229.

42. Руденко М.Ф., Альземенев A.B. Теоретическая проработка основ исследования сухой абсорбционной гелиохолодильной установки // Холодильная техника-проблемы и решения: Тез. докл. Междунар. конф. Астрахань: АГТУ, 1999. С. 12-13.

43. Руденко М.Ф., Коноплева Ю.В. Эффективность солнечных гелиоприемников с плоскими концентраторами / Проблемы совершенствования топливо-энергетического комплекса: Сб.науч.тр. Вып.1. Саратов: Из-во Сарат. ун-та, 2001. С. 146-154. 1995. С.84-85.

44. Руденко М.Ф., Коноплева Ю.В., Ильин А.К. Исследование работы сухой абсорбционной гелиохолодильной установки // Теплоэнергетика. 2003, №10. С. 68-71.

45. Руденко М.Ф., Кравцов Е.Е., Альземенев A.B. Моделирование на ЭВМ тепловых нагрузок для гелиоприемных устройств // Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре: Материалы науч.техн.конф.: Астрахань.: АГТУ, 1997. С.274.

46. Руденко М.Ф., Кравцов Е.Е., Идиатулин С.А. Эффективные поверхности гелиоприемных устройств // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 1998. №7. С.33-35.

47. Руденко М.Ф., Лебедев В.Ф., Фондеркин В.Л. Проблемы развития гелиохолодильной техники // Холодильная техника. 1986. № 10. С. 14-16.

48. Руководство гидрометеорологическими станциями по актинометрическим наблюдениям. Л.: Гидрометиздат, 1973. 286 с.

49. Солнцеиспользующий типовой модуль для конструирования тепловых и холодильных установок / М.Ф. Руденко, A.B. Альземенев, В.И.Черкасов, Ж.А.Анихуви. // Проблемы совершенствования холодильной техники и технологии. М.: МГУПБ, 1999. С.60.

50. Сурков М.И., Кравцов Е.Е., Руденко М.Ф. Измерение оптических характеристик поверхностей гелиоприемных устройств // Методы и средстваизмерения физических величин: Тез.докл. 4-й Всерос. науч.-техн. конф. Ч.З. Н.Новгород, 1999. С.38.

51. Тимофеевский JI.C. Действительные рабочие процессы абсорбционного бромистолитиевого трансформатора тепла// Холодильная техника. 1966. №7. С.15- 17.

52. Ферт А.Р., Хованский В.М., Хмордидрик A.A. Стенд-имитатор солнечной энергии для испытания солнечных коллекторов. Гелиотехника, М. 1989 № 1 с.75-78.

53. Шадиев О. Исследование солнечного бытового адсорбционного холодильника: Дисканд. техн. наук. Ташкент, 1973. 186 с.

54. Ямпольский A.M., Ильин В.А. Краткий справочник гальванотехника. JL, Машиностроение 1962, с.242.

55. Agsten R. Zur lokalen Kälteerzeugung aus Sonnenenergie // Luft- und Kältetechnik. 1983.Bd.19, No.2. S.95-101.

56. Accelerated aging tests of chromium containing amorphous hydrogenated carbon coatings for solar collectors / Gampp P., Oelhafen P. Gantenbein P., Brunold S., Frei U. // Sol. Energy Mater and Sol. Cells. 1998. Vol. 54, N 1 4. P.369 -377.

57. AI-Hindi R. R., Khalifa A.M., Akyurt A.M. Simulation Studies of the Behaviour of a Heat Pipe-Assisted Solar Absorption Refrigerator //Applied Energy. 1988.Vol.30. P.61-80.

58. Alvares S., Favre R., Leibundgut H.J. Messungen an einer periodisch arbeitenden Solarkälteanlage // Ki Klima Kälte - Heizung. 1982. Bd.9. S.325-327.

59. Anderson P. Design Considerations for Absorption Cooling Units Using Solar Energ // Energie Solaire Conversion et Applications. Paris, 1978. P.709-722.

60. ASHRAE. Solar Energy Utilization for Heating and Cooling // ASHRAE Handbook. 1974. P.17-20.

61. Bachter, Dind, Pons. /International journal of refrigeration. 2003. No 26. P.79-86.

62. Balat M. Etude comparative de quelques réfrigérateurs solaires utilisant une réaction chimique entre un solide et un gaz // Revue de Physique Appliquée. 1989. T.24, No.6.P.671-689.

63. Balat M., Crozat G. Conception et étude d'un prototype de pré-séric de réfrigérateur solaire basé sur une réaction solide-gaz // Int. J. Refrig. 1988. T.l 1, No.9. P.308-314.

64. Bonauguri E. Preliminary Notes on a Solar Absorption Unit // Progr. Refrig. Sci. Technol. 1969. Vol.2. P. 1411-1417.

65. Boubakri A., Arsalane M., Yous B. Experimental Study of Adsorptivc Solar- Powered Ice Makers in Agadir (Morocco) // Performance in Actual Site. Renewable Energy. 1992. Vol.2, No.l.P.7-13.

66. Buffington R. M. Absorption Refrigeration with Solid Absorbents // Refrigerating Engineering. 1933. No.9. S.137-142.

67. Chinnappa J. С. V. Experimental Study of the Intermittent Vapour Absorption Refrigeration Cycle Employing the Refrigerant-Absorbent Systems of Ammonia Water and Ammonia Lithium Nitrate// Solar Energy. 1961. Vol.5, No. 1. P. 1-18.

68. Critoph, R.E. Rapid cycling solar/biomass powered adsorption refrigerating system.// Renewable Energy, 16 (1999), 1-4 (январь 04).

69. Crozat G., Spinner. В., Amouroux M. Systèmes de Gestion de l'energie Thermique Bases sur des Reactions Solide Gaz // Pompes a Chaleur Chimiques de Hautes Performances. 1988. No.6. P.310-319.

70. Dagani Ron. Chemical heat pump cools as well as heats. // C&EN.Oct.20. 1980. P.36-37.77. de Hartoulari R., Dufour L. C. Affinity Therma bl Machines and Metallic Salt- Ammonia Ammoniates Systems // Solar Energy. 1984. Vol.33, No.6. P.479 - 483.

71. Delgado R. et al. Etude du cycle intermittent charbon actif-methanol en vue de la realisation d'une machine fabriquer de la glace fonctionnant a l'energie solaire // Proceedings IIR. Jerusalem. 1982. No.8. P. 185-191.

72. Dupont M., Guilleminot J.J., Meunier F. et al. Etude de glacieres solaires utilisant le cycle intermittent jour-nuit zeolithe 13x-eau en climat tempere et en climat tropical//Proceedings IIR. Jerusalem, 1982. P. 193-200.

73. Eggers-Lura A. Solar Refrigeration in Developing Countries. Industrial Development Organizations. 1978. P.107-112.

74. Erhard A. Experimentelle und theoretische Untersuchung einer solarbetbetribenen, diskontinuierlich arbeitenden trockenen Absorptijnskalteanlage. Dis. Stuttgart, 1997.

75. Escobedo J. I., Passos E. F., Rezende M. A. Simulakao de ciclos de refrigeracao por adsorcao solida com entrgia solar. 1. Teoria e condikoes necessarias para simulacao // Ecletika quim. 1993. T.18. P.55-68.

76. Favre R., Leibundgut H. J. Periodische Solar Absorptionskühlanlage // Ki Klima - Kälte - Heizung. 1980. Bd.7. No.2. S.83-88.

77. Fléchon J., Machizaud F. Recherche d'un couple frigorigène adapté à la réfrigé-ration solaire en zone tropicale // Revue de Physique Appliquée. 1979. T. 14. P.97-105.

78. Follin S., Goetz V. Guiliot. Adsorption cycles for refrigeration based on activated carbon ammonia pair: physical characteristics of adsorbents and performances. CNRS - IMP. LEA - SIMAP. FRANCE, 1997. P.45-53.

79. Furrer M. Thermoanalytische Untersuchungen ausgewählter Komplexe von anorganischen Chloriden mit Ammoniak und Ammoniak-Derivaten. EIR Bericht. 1980. No. 392. Würenlingen.

80. G.C.Glatzmaier, W.F.Ramirez. Simultaneous measurement of the thermal conductivity and the thermal diffusivity of unconsolidated materials by the transient hot-wire method. //Rev. Sei. Instrum. 56. 1985. No 7. P.1394-1398.

81. Grenier P., Guilleminot J.J., Meunier F., Pons M. Solar powered solid adsorption cold store. // Transactions of the ASME. Journal of solar energy engineering. 1988. Vol. 110. P. 192-197.

82. Grenier P., Meunier F., Pons M. Les différentes possibilités d'application du couple zeolithe 13x-eau pour le froid solaire en fonction du type de captation de l'energie solaire // Proceedings IIR. Jerusalem, 1982. P.201-208.

83. Hughmark G.A. Mass transfer in horizontal annular gas-liquid flow // Ind.Eng.Chem.Fundamentals. 1965. Vol.4. P. 361 368.

84. Hüttig G.F. Über die Ammoniakate der Caciumhalogenide // Zeitschrift fur anorganische und allgemeine Chemie. 1922. Bd. 123. S.31-42.

85. Hüttig G.F., Zeidler E., Franz E. Über das Erinnerungsvermögen der festen Materie // Zeitschrift fur anorganische und allgemeine Chemie. 1937. Bd.231. S.104-120.

86. Mehl W. Die thermischen Eigenschaften verschiedener Zweistoffsysteme im Hinblick auf ihre Venwendung in Absorptionskältemaschinen // Zeitschrift für die ges Kälte-Industrie. 1934.Bd.41. No.ll .S.186-190.

87. Molor-Erdene S. Solarbetriebener Sorptionskalteprozes als Beispiel fur den Einsatz in Entwicklungslandern: Dissertation. Dresden, 1997. S.149.

88. Niebergall W. Arbeitsstolfpaare fur Absorhtionskalteanlagen. Muhlbausen: Verlag fur Fachliteratur, 1949. S.122.

89. Niebergall W. Handbuch der Kältetechnik. Vol. VII. Sorptionskältemaschinen. Berlin: Springer, 1959. S. 658.

90. Nielsen P.B. Soldrevne koleanixg // Scandinavian Refrigeration. 1979. Vol.7, No. 3. P.137.

91. Taimanat-Telto, Z., Critoph, R.E. Solar sorption refrigerator using a CPC collector.// Renewable Energy 16 (1999), 1-4 (январь 04).

92. Worsoe-Schmidt P. Solare Kühlung für ländliche Gebiete in Entwicklungsländern // Ki Klima Kälte - Heizung. 1980. Bd.7, No.4. S. 328-331.

93. Worsoe-Schmidt P., Lin G. Mathematical Modelling of the Solid-Absorption Process for System Simulation. Solid Sorption Refrigeration I.I.F-I.I.R.Commission В1.Paris, 1992.P. 178-184.

94. Y.Nagasaka, A.Nagashima. Simultaneous measurement of the thermal conductivity and the thermal difFusivity of liquids by the transient hot-wire method. // Rev. Sei. Instrum. 52. 1981. No 2. P. 229-232.m