Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ II
I.СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО РАЗРА БОТКЕ И СОЗДАНИЮ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬЬШХ ГЕЛИО- ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 23
1.1. Классификация гелиотехнологий и низкопотенциальных гелиотехнологических установок 23
1.2. Солнечные установки для регенерации абсорбента, расчетно-теоретические и экспериментальные исследования процесса регенерации абсорбента в пленочных аппаратах 26
1.3. Анализ современного состояния исследований и систематизация технологических установок для обезвоживания и обессоли-вания насыщенного солями абсорбента (соленого водного раствора ддэтиленгли- коля) 40
1.4. Отечественный и зарубежный опыт исполь зования солнечной энергии для сушки сельскохозяйственных продуктов 56
1.5. Постановка задачи 65
2.РАЗРАБОТКА НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОСНОВЫ ГЕЛИО ТЕХНОЛОГИЙ РЕГЕНЕРАЦИИ АБСОРБЕНТА - ВОДНО- СОЛЕВОГО РАСТВОРА (ДВУХК0МП0НЕНТН0ГО РАСТ ВОРА) 70
2.1. Анализ решений сопряженных задач тепло- и массообмена с поверхности пленки жидкости 71
2.2. Методика численного решения сопряженной задачи тепло- и массообмена с поверхности пленки раствора в процессах регенерации абсорбента 79
2.3. Результаты численного исследования совместно протекающих процессов тепло- и массоотдачи в системе "пленка раствора - поток газа" 94
2.4. Автомодельное решение задачи тепло- и массоотдачи с поверхности пленки разбавленного раствора при вынужденной конвекции газовой фазы (задача в сопряженной постановке) 120
2.5. Исследование влияния диффузии летучего компонента в жидкой и газовой фазах на массоотдачу при отекании тонкой пленки концентрированного раствора по наклонной поверхности (вынужденная конвекция газовой фазы) 136
2.6. Автомодельное решение сопряженной задачи тепло- и массоотдачи с поверхности тонкой пленки раствора при свободной конвекции газовой фазы 145
2.7. Массоперенос в пленке раствора, движущей ся по наклонной поверхности, с учетом па раболического профиля скорости 152
3.РАЗРАБОТКА НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОСНОВЫ ГЕЛИ0- ТЕХН0Л0ГИИ 0ЕЕСС0ЛИВАНИЯ И ОБЕЗВОЖИВАНИЯ СО ЛЕНОГО ВОДНОГО РАСТВОРА ДИЭТШЕНГЛИКОЛЯ (ТРЕХ- К0МП0НЕНТН0Г0 РАСТВОРА) 160
3.1. Использование солнечной энергии в соче тании со вторичными энергетическими ре сурсами для регенерации насыщенного со лями абсорбента в процессе подготовки природного газа к транспорту 160
3.2. Методика расчета одномерного температурного поля двухфазного потока пленки при гравитационном течении 182
3.3. Экспериментальное исследование процесса регенерации насыщенного солями водного раствора диэтиленгликоля 191
3.4. Результаты испытания солнечной установки для регенерации насыщенного солями абсорбента 195
3.5. Течение двухслойной двухфазной пленки по наклонной гладкой поверхности 208
4.ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ И КОНЦЕНТРАЦИОННОЙ ЗАВИСИМОСТЕЙ СВОЙСТВ СОЛЕНОГО ВОДНОГО РАСТВОРА ДИЭТШ1ЕНГЛЖ0ЛЯ. 214
4.1. Температурная зависимость растворимости хлорида натрия в водных растворах диэтиленгликоля 214
4.2. Температурная и концентрационная зависимости плотности соленых водных растворов диэтиленгликоля 218
4.3. Температурная и концентрационная зависимости давления насыщенных паров над солеными водными растворами диэтиленгликоля 227
4.4. Температурная и концентрационная зависимости вязкости соленых водных растворов диэтиленгликоля 230
4.5. Полуэмпирические и эмпирические формулы для коэффициентов диффузии, теплопроводности и динамической вязкости водного раствора хлорида натрия 237
5.РАЗРАБОТКА НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОСНОВЫ ГЕЛИО- СУШЯЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ, СОЗДАНИЕ, ПРОИЗВОД СТВЕННОЕ ИСПЫТАНИЕ И ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГЕЛИОСУШИЛЬШХ УСТАНОВОК И КОМПЛЕКСОВ 247
5.1. Математическая модель нестационарного теплового режима гелиовоздухонагрева-теля-аккумулятора солнечной сушильной установки 248
5.2. Резулвтаты экспериментальных исследований нестационарного температурного режима гелиовоздухонагревателя-аккумулятора 262
5.3. Результаты производственных испытаний гелиосушильных установок камерного типа для вяления дынь 271
5.4. Солнечная установка для термовлажност~ ной обработки ЖБИ и результаты ее испытания 289
5.5. Комбинированная солнечная пневмосу-шильная установка для первичной обработки (осушки и очистки) хлопка ' 300
5.6. Исследования температурного, влажност-ного режимов комбинированной солнечной пневмосушильной установки. Результаты ее испытания 306
6.РАЗРАБОТКА И ПРОМЫШЛЕННОЕ ИСПЫТАНИЕ КОН ВЕКТИВНЫХ ГЕЛИОСУШШЕЬНЫХ УСТАНОВОК С ПЕРФОРИРОВАННЫМИ ЛУЧЕВОСПРИНИМАЮЩИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ 329
6.1. Выбор и обоснование схемы, разработка конструкций пленочной конвективной гелиосушильной установки 330
6.2. Результаты производственных испытаний пленочной конвективной гелиосушильной установки 335
6.3. Разработка, создание и исследование температурного и влажностного режимов гелиосушилки-теплицы 364
ВЫВОДЫ 375
ЛИТЕРАТУРА 380
ПРИЛОЖЕНИЯ 406
Введение к работе
В процессе создания мощной и твердой материально-технической базы нашего общества важное место отводится разработке, созданию и дальнейшему развитию высокоэффективных, энергоэкономичных и экологически чистых технологий, что является одним из основных направлений в современном научно-техническом прогрессе.
В настоящее время к числу важных народнохозяйственных проблем, стоящих перед страной, относятся проблемы, связанные с решением задач, вытекающих из продовольственной программы страны, топливно-энергетической и экологической проблемы. Выполнению этих задач, требующих неотлагательного решения, способствует увеличение масштабов использования возобновляемых источников энергии. Использование солнечной энергии в рациональном сочетании с другими источниками энергии во многих случаях позволяет сэкономить значительное количество топливно-энергетических ресурсов. Эффект от использования солнечной энергии особенно ощутим при осуществлении наиболее энергоемких теплотехнологических процессов в гелиоустановках. К ним относятся процессы, связанные с выпариванием влаги из растворов и материалов, а именно: гелиотехнологии регенерации абсорбента, гелиосушильная технология, гелиотехнология термовлажностной обработки железобетонных изделий и гелиотехнологии обезвоживания и обесеоливания насыщенного солями абсорбента и т.д. Реализация каждого из этих гелиотехнологических процессов имеет большое народнохозяйственное значение.
На сегодняшний день одним из перспективных направлений в обеспечении сохранности сельскохозяйственных продуктов, потери которых в отдельных случаях превышают 20 процентов /I/, является развитие перерабатывающей промышленности, в том числе усовершенствование и разработка новых технологических установок для сушки и хранения продуктов. На современном этапе развития дальнейший рост сельскохозяйственного производства неразрывно связан со степенью энергообеспеченности сельскохозяйственных потребителей. Использование солнечной энергии является важным резервом в улучшении энергообеспеченности сельскохозяйственной перерабатывающей техники. Большая энергоемкость сушильных процессов (расход топлива для их реализации в общем тепловом балансе страны составляет около 15% /2/), а также тенденция развития сушильной техники и технологии в последние годы требуют, наравне с усовершенствованием их конструкции, поиска альтернативных вариантов решения проблемы. Благоприятные климатические условия среднеазиатских регионов для реализации гелиотехнологических процессов, обусловленные обильным поступлением солнечной энергии, низкой относительной влажностью и высокой температурой окружающего воздуха, позволяют в период массового созревания сельскохозяйственных продуктов почти полностью сэкономить органическое топливо, затрачиваемое на нагрев сушильного агента. Разработка и создание новых эффективных солнечных сушильных установок, внедрение энергоэкономичных гелиосушильных технологий позволят значительно сократить потери сельскохозяйственных продуктов, потребление топливно-энергетических ресурсов, предотвращая загрязнение окружающего воздуха выбросными газами. Это показывает актуальность НИР, связанных с разработкой научно-технических основ гелиосушильной технологии и установок.
К настоящему времени в научно-технической литературе проблеме использования солнечной энергии для сушки сельскохозяйственных продуктов посвящены многочисленные работы. В этом направлении многие важные и интересные научные и практические результаты получены в работах: Дж. Мурадова, А. Хандурдыева,Г.Г. Умарова, Б.Хайриддинова и других авторов. Анализируя болышшст во научно-исследовательских работ отмеченных авторов и их учеников, можно отметить, в основном, конкретную практическую направленность их работ , которые посвящены: исследованию: и изучению объекта сушки, разработке схемных и конструктивных решений, разработке солнечных радиационных сушильных установок,теплиц-сушилок и др. Приведенные исследования не исчерпывают многообразия задач и проблем, связанных с разработкой, созданием, исследованием и внедрением эффективных конструкций солнечных сушильных установок различного назначения. На основе анализа технических и экономических параметров промышленных и полупромышленных солнечных сушильных установок показан ряд их недостатков, требующих своего решения для дальнейшего развития сушильной техники и технологии. В ряде работ приводятся противоречивые данные об удельной производительности солнечных сушильных установок. В отдельных случаях не подтверждаются полученные данные результатами испытания промышленных установок. Систематизация результатов, полученных в промышленных и полупромышленных установках, показывает явную недостаточность как самих солнечных сушильных установок, так и результатов их производственных испытаний и опыта эксплуатации. Анализ современного состояния проблемы использования солнечной энергии для сушки сельскохозяйственных продуктов показывает необходимость решения множества научно-технических задач, направленных на разработку новых эффективных солнечных сушильных установок, научно-технических основ гелио-сушильной технологии, создание, производственное испытание и обобщение опыта эксплуатации гелиосушильных установок и комплексов .
При реализации многих технологических процессов, встречающихся в современных энергетических машинах, опреснительных установках, аппаратах химических технологий, пищевой и газовой промышленности, широко применяются пленочные тепло- и массооб-менные аппараты. Эти аппараты с успехом также используются во многих установках по использованию солнечной энергии для различных нужд, в частности, в абсорбционных солнечных холодильных установках, в комбинированных солнечных установках для отопления, охлаждения и горячего водоснабжения, в климатическом регенераторе абсорбента, в солнечном пленочном водонагревателе. Поэтому, исследования тепло- и массообменных процессов при пленочном течении и создании научно-технических основ разработки гелиотехно-логических установок для регенерации абсорбента имеют большое научно-прикладное значение.
Газовая промышленность является наиболее динамичной отраслью топливно-энергетического комплекса нашей страны.
Проблема обессоливания водного раствора ДЭГа занимает значительное место в технологии и переработке природного газа. Засоление абсорбента ухудшает его поглощательную способность. Кроме того, осаждаясь на поверхности теплообменных аппаратов и контактных устройств, ухудшает теплопередачу, снижает пропускную способность аппарата, приводит к забиванию солями трубопроводов и др., что является причиной аварии.
Как показал анализ современного состояния вопроса, к настоящему времени газовая промышленность не располагает надежными методами и устройствами для обессоливания абсорбента. Засоленный абсорбент является производственным отходом и приводит к загрязнению окружающей среды. Причинами этого являются как недостаточность изученности отдельных вопросов, без которых невозможно осуществлять столь сложный процесс, так и отсутствие надежных, разработанных методов и устройств для обессоливания абсорбента. Поэтому, разработка новых гелиотехнологических установок для регенерации абсорбента, позволяющих возвращать не пригодный засоленный абсорбент в производственный оборот , а также исследование процессов обезвоживания и обессоливания абсорбента в этих установках, создание научно-технических основ гелиотехнологии обезвоживания и обессоливания насыщенного солями абсорбента несомненно представляют большой практический интерес и являются актуальной научной проблемой прикладного характера.
В строительной индустрии к числу наиболее энергоемких технологических процессов относится термовлажностная обработка железобетонных изделий (ЖБИ). Радиационные ресурсы среднеазиатских республик позволяют успешно использовать солнечную энергию для этой цели в течение 6-7 месяцев в году /3/. При этом технологические процессы термовлажностной обработки происходят в мягком, плавном режиме, обеспечивая требуемую прочность железобетонных конструкций. Исследования, направленные на усовершенствование гелиотехнологической установки для термовлажностной обработки ЖБИ, внедрение ее в производственную практику и обобщение опыта эксплуатации позволят создать энергоэкономичную и экологически чистую гелиотехнологию термовлажностной обработки ЖБИ. Проведенные предварительные экономические расчеты специалистами "УПТК" спецтреста "Туркменсельэлектрострой" показывают, что ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения гелиотехно-логических установок для термовлажностной обработки ЖШ в пределах Туркменской ССР составляет около I млн. руб. Распространение гелиотехнологических установок для термовлажностной обработки ЖБИ в остальные Среднеазиатские республики позволит увеличить эту цифру в несколько раз. Это показывает большое народнохозяйственное значение проводимых НИР в данном направлении.
Одной из основных причин, сдерживающих распространение и широкое внедрение низкопотенциальных тепломассообменных гелиотехнологических установок, позволяющих сэкономить значительные топливно-энергетические ресурсы, уменьшить потери сельскохозяйственных продуктов и улучшить экологическую обстановку региона, является отсутствие достаточно полно разработанных научно-технических основ низкопотенциальных гелиотехнологии. Все это показявает большое народнохозяйственное значение разработки научно-технических основ низкопотенциальных гелиотехнологии,создания и опыта эксплуатации гелиотехнологических установок, что показывает актуальность решаемой в диссертации проблемы.
Целью работы является разработка научно-технических основ низкопотенциальной гелиотехнологии, создание и производственное испытание тепломассообменных гелиотехнологических установок и обобщение опыта их эксплуатации.
Для достижения поставленной цели необходимо было исследовать широкий круг вопросов и решить ряд новых научно-технических задач, к числу которых относятся:
« разработка научно-технической основы гелиотехнологии регенерации абсорбента (разработка методики расчета совместно протекающих процессов тепло- и массообмена в регенераторах абсорбента, численное решение сопряженных задач тепло- и массообмена с поверхности пленки жидкости, автомодельное решение сопряженной задачи при вынужденной и свободной конвекции газовой фазы, исследование влияния диффузионных сопротивлений жидкой и газовой фазы, исследование влияния метеорологических, режимных и конструктивных параметров и др.); - разработка научно-технической основы гелиотехнологии обезвоживания и обессоливания насыщенного солями абсорбента (разработка устройства для подготовки природного газа к транспорту и солнечной установки для регенерации насыщенного солями раствора, составление методики расчета тепло- и массообмена с поверхности двухфазной пленки, проведение экспериментальных исследований, изучение гидродинамики двухфазной пленки, испыта ниє солнечной установки для регенерации насыщенного солями раствора, исследование температурной и концентрационной зависимостей свойств соленого водного раствора диэтиленгликоля и т.д.);
- разработка научно-технических основ гелиосушильной технологии (разработка перспективных оригинальных конструкций ССУ с перфорированными лучевоспринимающими поверхностями, создание и испытание их в производственных условиях, составление методики их теплотехнического расчета. Разработка и исследование комбинированной солнечной пневмосушильной установки, обобщение опыта эксплуатации, создания и испытания гелиосушильных комплексов и т.д.);
- исследование тепловых процессов, происходящих в солнечной установке для термовлажностной обработки ЖБИ.
Научная новизна работы заключается в том, что автором впервые:
- проведены комплекс расчетно-теоретических, экспериментальных исследований, опытно-конструкторских работ, производственные испытания и обобщение опыта эксплуатации и др., составляющие научно-техническую основу низкопотенциальной гелиотехнологии, обеспечивающей выполнение цикла работ по разработке, моделированию и оптимизации тешюмассообменных гелиотехнологических установок;
- разработаны шесть принципиально новых оригинальных конструкций низкопотенциальных гелиотехнологических установок, новизна которых подтверждена авторскими свидетельствами на изобретения;
- получены численное решение сопряженной задачи тепло- и массо-обмена при испарении с поверхности пленки раствора, при регенерации абсорбента в низкопотенциальной гелиотехнологической установке, автомодельное решение сопряженных задач тепло- и массоотдачи в системе "пленка абсорбента - поток газа" при вынужденной и свободной конвекции паровоздушной смеси с учетом наличия двухфазной среды и диффузионных сопротивлений жидкой и газовой фазы, расчетные и экспериментальные результаты по исследованию совместно протекающих процессов тепло-и массоотдачи при пленочном течении;
- научно обоснована и технически реализована возможность наиболее полной регенерации (обезвоживания и обессоливания) насыщенного солями абсорбента (водного раствора диэтиленглико-ля);
- составлено уравнение движения двухслойной двухфазной пленки раствора и получено его решение;
- разработана методика расчета производительности пленочного аппарата при регенерации насыщенного солями абсорбента (при двухфазном течении пленки абсорбента) и получены экспериментальные результаты по исследованию процесса регенерации насыщенного солями водного раствора диэтиленгликоля;
- получены обширные экспериментальные результаты по исследованию температурных и концентрационных зависимостей свойств соленых водных растворов диэтиленгликоля (трехкомпонентного раствора);
- составлена математическая модель нестационарного температурного режима гелиовоздухонагревателя-аккумулятора, позволяющая исследовать влияние конструктивных, режимных и метеорологических параметров на его работу, научно обоснованно выбрать срок работы установки, рассмотреть вопросы рациональной компоновки его с другими элементами солнечной сушильной установки, получены экспериментальные результаты по исследованию нестационарного температурного режима гелиовоздухона греват еля-аккумулят ора;
- получен обширный экспериментальный материал по испытанию в производственных условиях гелиосушилышх установок с перфорированными лучевоспринимающими поверхностями и составлены их методики расчетов;
- испытана в производственных условиях комбинированная солнечная пневмосушильная установка и составлена их методика расчета;
- накоплен и обобщен опыт эксплуатации солнечных сушильных установок и гелиосушилышх комплексов и т.д.;
- получено решение целого ряда новых задач, связанных с созданием научно-технических основ низкопотенциальной гелиотехнологии.
Проведенный комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по разработке научно-технических основ низкопотенциальной гелиотехнологии, по созданию и испытанию в производственных условиях низкопотенциальных гелиотехнологиче-ских установок, а также по их внедрению позволил низкопотенциальной гелиотехнологии и комплексному исследованию гелиотех-нологических установок получить признание в качестве самостоятельного научно-технического направления в области использования солнечной энергии, имеющего важное народнохозяйственное значение.
Практическая ценность работы заключается в следующем: разработанная методика расчета производительности пленочного аппарата, из-за распространенности его, может быть использована во многих отраслях народного хозяйства (в пищевой, холодильной, газовой промышленности, в энергетике, в химической технологии и др.), а также в процессе оптимизации и проектирования низкопотенциальных гелиотехнологических установок.
Полученные результаты по разработке солнечной установки для регенерации насыщенного солями абсорбента использованы при разработке конструкторской документации на опытно-промышленную установку для регенерации насыщенного солями водного раствора диэтиленгликоля производительностью 500 тонн в год.
Результаты концентрационной и температурной зависимостей свойств соленого водного раствора диэтиленгликоля используются в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах,при проектировании технологических аппаратов, рабочим телом которых является данный раствор.
На основе проведенных комплексных расчетно-теоретических и экспериментальных исследований в области разработки научно-технических основ гелиотехнологических установок для сушки сельскохозяйственных продуктов были созданы и эксплуатируются в различных хозяйствах республики несколько гелиосушильных установок и комплексов. (Гелиосушильный комплекс производительностью около 320 тонн свежей дыни в сезон сушки сдан в эксплуатацию в 1989 г. в Куйбышевском бахчевом совхозе Чарджоуской области Туркменской ССР; 3 гелиосушильных комплекса, имеющих общую производительность более чем 800 тонн свежей дыни в сезон сушки, построены в ЭХ "Вахарман" ВНЙЙСС0К и прошли межведомственные испытания; пленочная конвективная гелиосушильная установка производительностью 160 шт каракулевых смушек в день прошла межведомственное испытание в племенном совхозе "Бахар-ден" Бахарденского района Туркменской ССР и др.).
Практическая ценность проведенных исследований по разработке комбинированной солнечной сушильной установки заключается в создании научно-технических основ проектирования, на основе которых создан и реконструирован опытно-промышленный вариант комбинированной солнечной сушильной установки для сушки и очистки (первичной переработки) хлопка-сырца производительно стью 40 тонн хлопка в сутки в совхозе "Путь Ленинизма" Ашхабадского района.
Результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований температурного режима гелиовоздухонагревателя-акку-мулятора позволили выбрать эффективные значения весо-габарит-ных, конструктивных и режимных параметров, которые были использованы при реконструкции гелиовоздухонагревателя-аккумулятора (площадью лучевоспринимающей поверхности - 600 иг) промышленной солнечной установки для сушки кормовых трав, построенной в племенном совхозе "Бахарден" Бахарденского района Туркменской ССР.
Результаты проведенных комплексных исследований и производственные испытания, проведенные в 1989 г., послужили основой при проектировании опытно-промышленного варианта "гелиосушилки-теплицы", строительство которой начато в ЭХ "Вахарман"ВНИИССОК в 1990г.
Проведенные исследования позволяют выбрать эффективные значения основных параметров солнечной установки для термо-влажностной обработки ЖБИ. Опытно-промышленный вариант данной установки построен и функционирует успешно в течение ряда лет в "УІГГК" спецтрвета "Туркменсельэлектрострой" (г.Безмеин), Туркменской ССР.
В настоящее время в НПО "Солнце" АН ТССР имеется пакет заявок на разработку низкопотенциальных гелиотехнологических установок различного назначения и их конструкторских и проектно-сметных документации от различных хозяйств и предприятий ТССР, УзССР, КССР, КазССР и др.
Дальнейшее широкомасштабное внедрение низкопотенциальных гелиотехнологических установок, имеющих спрос во многих хозяйствах и предприятиях позволит получить значительную экономию топливно-энергетических ресурсов, уменьшить потери сельскохозяйственных продуктов, сохранить экологическую чистоту окружающей среды и т.д. При этом годовой экономический эффект от внедрения низкопотенциальных гелиотехнологических установок даже в пределах Туркменской ССР составит от нескольких сотен тысяч рублей до I млн.руб. в зависимости от внедряемой гелиотехнологии.
В диссертации решена научная проблема разработки и создания научно-технических основ низкопотенциальной гелиотехнологии и гелиотехнологических установок, имеющая важное народнохозяйственное значение в связи с созданием и эксплуатацией ресурсосберегающих и природоохранных технологий во многих отраслях народного хозяйства.
