Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние использования возобновляемых источников энергии и постановка проблемы исследования
1.1 Анализ интенсивности солнечного излучения. Классификация систем солнечного энергоснабжения 15
1.2 Использование солнечной энергии в системах энергоснабжения сельского хозяйства 17
1.3 Повышение эффективности солнечных систем энергоснабжения , 20
1.4 Математическое моделирование термо- и гидродинамики процессов в коллекторе гелиоустановки 32
1.5 Анализ и оптимизация гелиоустановок методами теоретико- графовых построений ., 46
Выводы 52
2 Использование и методы переработки биомассы для получения энергии
2.1 Количественные и качественные характеристики биомассы 55
2.2 Непосредственное сжигание биомассы 57
2.3 Метановое сбраживание биомассы 59/
Выводы 116
3 Повышение эффективности работы термотрансформаторов
3.1 Общие сведения по использованию и режимам работы термотрансформаторов 118
3.2 Компрессионные тепловые насосы 122
3.3 Оптимизация тепловых насосов на основе эксерготопологического анализа 127
3.4 Повышение эффективности работы абсорбционных тепловых насосов '. 133
3.5 Эксергоэкономическая оптимизация теплонасосных систем 162
Выводы 169
4 Исследование аккумулирования энергии как эффективного средства энергосбережения
4.1 Аккумулирование энергии как фактор энергосбережения 171
4.2 Исследование характеристик различных типов тепловых аккумуляторов 172
4.3 Оптимизация аккумуляторов теплоты 191
Выводы 195
5 Анализ перспектив использования геотермальной энергии
5.1 Основные характеристики геотермальных вод 196
5.2 Математическое моделирование термогидродинамических процессов в геотермальных системах 198
5.3 Анализ существующих систем геотермального теплохладоснабжения 219
5.4 Использование петротермальной энергии 224
Выводы 227
6 Оптимизация энергосистем, использующих возобновляемые источники энергии
6.1 Характеристики энергосистем как объектов оптимизации 228
6.2 Топологическое представление графовых построений 229
6.3 Основы эксергетического метода анализа энергосистем 231
6.4 Анализ методов оптимизации энергосистем 233
6.5 Анализ методов оптимизации технических систем 234
6.6 Эксергоэкономический метод анализа, синтеза и оптимизации 240
6.7 Математическое моделирование и оптимизация солнечно-теплонасосных систем с сезонным аккумулированием 245
Выводы 277
Заключение 279
Литература
- Использование солнечной энергии в системах энергоснабжения сельского хозяйства
- Непосредственное сжигание биомассы
- Оптимизация тепловых насосов на основе эксерготопологического анализа
- Исследование характеристик различных типов тепловых аккумуляторов
Введение к работе
Актуальность темы. В энергетической стратегии России до 2020 г. должное внимание уделяется развитию возобновляемой энергетики. В целом; по нашей стране прогнозируется увеличение использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) с ОД до 20 млн т у.т. Реализация энергосберегающих мероприятий, основанных на использовании возобновляемых источников энергии, позволит сэкономить в России к 2005 г. до 0,65 млн т у.т.[129]. Использование ВИЭ может дать существенный эффект, в особенности в сельскохозяйственной энергетике и в энергетике районов, удаленных от центрального энергоснабжения к этому следует добавить четыре несомненно положительных аспекта использования ВИЭ — экологический, региональный, инвестиционный и стоимостный.
Экономический потенциал возобновляемых источников энергии сегодня оценивается в 20 млрд т у.т. в год, что в два раза превышает объем годовой добычи органического топлива всех видов.
Потенциал ВИЭ в нашей стране велик [185]. В частности, экономический потенциал ВИЭ России составляет [53] 270 млн т у.т., т.е. свыше 25 % внутреннего энергопотребления.
В России наблюдается рост использования возобновляемых источников энергии, хотя и не такими заметными темпами.
Большой интерес представляет распределение экономического потенциала ВИЭ по регионам России (табл. 1.1) [52].
Поэтому неслучаен всплеск интереса научных и производственных организаций России в плане развертывания научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок по расширенному использованию ВИЭ.
Так, под руководством акад. Д.С. Стребкова разработан Национальный проект, развития экономически эффективных технологий солнечной энергетики [203, 204]. В этот проект включены основные вопросы, относящиеся к развитию современных технологий использования возобновляемых источ-
Таблица 1.1. Распределение нетрадиционных возобновляемых энергоресурсов в России (экономический потенциал, млн т у.т.)
ников энергии. Цель проекта — разработка новых экономически эффективных и конкурентоспособных технологий преобразования солнечной энергии по сравнению с традиционными. Реализация проекта позволит решить ряд существенных социально-экономических проблем в стране, в частности, в сфере энергетики и экологии. Общая годовая экономия энергии за счет ожидаемого объема производства фотоэлектрических преобразовательных систем составит 100-200 кВт'ч/м2. Срок окупаемости системы ФЭП снизится от 3-4 лет до 1-2 лет.
Заслуживает внимания предложение ВИЭСХ об энергоснабжении курортных комплексов Черноморского побережья Кавказа, а именно сооружение фотоэлектрических станций. Один из вариантов заключается в том, что конструктивно станция собирается из герметизированных под стеклом стационарных концентраторных модулей размером 1x2 м, установленных на общей раме с наклоном на юг под углом 30-35. Годовая выра-
ботка электроэнергии одним модулем составляет 200 кВт-ч при КПД оптической системы 60 %.
Краснодарский край является одним из наиболее развитых регионов в части наличия и использования ВИЭ [45, 65, 184, 172]. В настоящее время в этом регионе страны эксплуатируется более 40 гелиоустановок горячего водоснабжения производительностью от 0,5 до 40 м2 горячей воды в день. В крае смонтированы и эксплуатируются фотоэнергетические системы установочной мощностью около 50 кВт, более 30 действующих ветроагрегатов с единичной мощностью 4 кВт. На территории края утверждены запасы семи геотермальных месторождений, эксплуатируется 45 скважин с температурой от 70 до 115 С с единичной мощностью от 1 до 5 МВт. В санатории «Белая Русь» используется тепловой насос. Надо, однако, признать, что эти работы имеют преимущественно неорганизованный характер.
Темпы внедрения и коммерциализации возобновляемых источников энергии могут и должны быть существенно увеличены.
Во многих районах особо перспективны комплексные системы, использующие несколько видов ВИЭ, например, двухмерная электрическая машина (ДЭМ); разработанная в Кубанском государственном технологическом университете, работающая одновременно от ветра и солнца [72]. Исследования и разработки, выполненные по оригинальным гелиосистемам, ветроустановкам и биогазовым установкам, а также их совместному использованию в автономных энергетических комплексах, позволяют спрогнозировать выбор энергоисточников основных типов (возобновляемых и топливно-энергетических) и определить наиболее рациональный с энергетической и экологической точек зрения вариант их применения [19^ 204,,234]. Уже сегодня по некоторым районам страны минимальные и максимальные значения стоимости на электроэнергию, вырабатываемую ВИЭ различных видов и обычными тепловыми электростанциями, оказываются сопоставимыми между собой. Зоны экономически эффективного применения ВИЭ будут расширяться по мере ужесточения требований к выбросам и введения дополнительной платы за эти выбросы.
Аналитический обзор литературы показал, что в опубликованных работах уделено мало внимания проблеме расширенного использования: ВИЭ; малочисленны случаи технической реализации,, которые обеспечили бы. эффективное использование сельскохозяйственных энергоустановок на основе ВИЭ.
Поэтому необходимы дальнейшие комплексные исследования проблемы повышения эффективности и оптимизации энергоустановок на основе ВИЭ.
Это определяет своевременность, научную актуальность и практическую значимость выбранной темы исследований.
В работе обобщенны исследования в рамках Федеральной целевой программы в соответствии с тематическим планом Министерства сельского хозяйства РФ по плану научного направления Кубанского государственного аграрного университета (КубГАУ) в соответствии с госбюджетными, темами : № 16 «Разработка энергосберегающих технологий в сельскохозяйственном производстве» (ГР № 01960009015) 1996-2000 гг., №22 «Разработка и исследование энергосберегающих технологий, оборудования и источников электропитания для АПК» (ГР №01200113477) 2001-2005 гг.
Цель работы - разработка научных положений совершенствования методов оценки сельскохозяйственных энергетических установок на основе возобновляемых видов энергии, обеспечивающих повышение-эффективности их использования.
Объектами исследования являются энергосберегающие системы, основанные на использовании ВИЭ (солнце, биомасса; геотермальные воды, термоаккумуляторы).
Предмет исследования: Возобновляемые источники энергии, установки для их использования и методы их совершенствования на основе оптимизации параметров с применением современных достижений науки в области термодинамических процессов и эксергоэкономической оценки для повышения эффективности энергосистем.
Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования термодинамических процессов в системах энерго-
снабжения с использованием ВИЭ; графо-аналитические методы анализа и оптимизации структуры систем; эксергетический и эксергоэконо-мический методы (с использованием графов) для анализа, синтеза и оптимизации энергетических систем; принцип дискретно-импульсного введения энергии (ДИВЭ); метод расчета пограничного слоя; методы термодинамики неравновесных процессов. Научная новизна:
теоретически обоснован метод оценки энергетических систем, использующих ВИЭ на основе теоретико-графовых построений;
разработан метод определения оптимальных термо- и гидродинамических параметров в солнечном коллекторе;
разработана математическая модель тепловых и гидродинамических процессов в реакторе биогазовой установки;
обоснована система комплексного производства тепловой и электрической энергии на основе термотрансформаторов;
решена задача эксергоэкономического анализа и оптимизации вариантов солнечно-теплонасосных систем с сезонным аккумулированием;
построены математические модели термогидродинамических процессов в гидротермальных системах;
разработана математическая модель и выполнено эксергоэкономи-ческая оптимизация солнечно-теплонасосных систем с аккумулированием теплоты.
Достоверность полученных результатов определяется корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений, адекватностью использованного математического материала и полученных моделей исследуемым процессам; подтверждается хорошей сходимостью результатов аналитических расчетов, математического моделирования с экспериментальными данными.
Практическая значимость результатов работы состоит в разработке методов расчета оптимальных вариантов энергоустановок и энергокомплексов с использованием возобновляемых источников энергии, которые
могут быть использованы при проектировании сельскохозяйственных энергетических установок.
Разработана конструкция эффективного в энергетическом отношении теплообменного аппарата (Патент РФ №2200289 2003 г. "Теплообмен-ный аппарат").
Реализация результатов работы. Практическим результатом работы, внедренной в учебный процесс; является отражение ряда теоретических и методических положений диссертации в рабочих программах,, лабораторных и практических занятиях, курсовом и дипломном проектировании.
Разработаны и изданы под грифом Министерства сельского хозяйства РФ учебники: "Проектирование систем теплоснабжения сельского хозяйства", 2001 г. и "Теплоэнергетические установки и системы сельского хозяйства", 2002 г., которые используются в учебном процессе 56 вузов России и стран СНГ по направлению 660300 "Агроинженерия". В учебниках в соответствии с учебным планом уделяется достаточно большое внимание вопросам использования возобновляемых видов энергии.
Издана монография "Оптимизация сельскохозяйственных энергетических установок с использованием возобновляемых видов энергии", 2003» г. в которой рассматриваются вопросы эффективности и экономической рентабельности использования возобновляемых источников энергии.
На защиту выносятся:
метод оценки энергетических систем с использованием теоретико-графовых построений;
обобщенный метод определения оптимальных термо- и гидродинамических параметров теплоносителя в солнечном коллекторе;
методика оценки систем перемешивания и подогрева субстрата, математическая модель тепловых и гидродинамических процессов в реакторе биогазовой установки;
математический и физический методы моделирования работы грунтового теплообменника;
методика оптимизации систем солнечного и геотермального теплоснабжения с использованием теории графов;
математическая модель тепломассопереноса в неоднородном пласте подземных аккумуляторов теплоты;
эксергоэкономический метод оптимизации энергосистем с использованием ВИЭ.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: Международной конференции "Проблемы энергосбережения и экологии при использовании углеводородных топлив", Ростов-н/Д; 2001 г.; Международной школе-семинаре "Промышленная экология", Ростов-н/Д, 2001 г.; Международной конференции "Строительство-2001", Ростов-н/Д; 2001 г.; Международной конференции "Проблемы промышленной теплотехники", Киев, 2001 г.; Международных научно-технических семинарах "Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии в ХХГстолетииГ, Сочи, 200Гг.; 3-й Международной научно-практической конференции "Проблемы экономии энергии^', Львов, 2001 г.; научно-практическом семинаре "Безопасность, экология, энергосбережение", Гизель-Дере, 2001 г.; III Всероссийской научной молодежной школе "Возобновляемые источники энергии", Москва, 2001 г.; региональной научной конференции "80-летие КубГАУ", Краснодар, 2002 г.; Международной научно-практической конференций "Строительство-2002", Ростов-н/Д, 2002 г.; Международной научно-практической конференции " Современные энергосберегающие тепловые технологии", Москва, 2002 г.; Международной<, Школе-семинаре ЮНЕСКО "Использование возобновляемых источников энергии в Черноморском регионе. Стратегия и проблемы образования", Сочи, 2002 г.; региональной научной конференции "Энергосберегающие технологии и процессы в АПК", Краснодар ,2002 г.; Международной конференции " Энергия из биомассы", Киев; 2002 г.; Международной конференции "Энергосбережение и; охрана воздушного бассейна при использовании газа", Ростов-н/Д, 2002: г.; Международной научно-практической конференции "Строительство-
2003", Ростов-н/Д, 2003 г.; 3-й Международной научно-технической конференции і "Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве ", Москва; 2003 г.; Международной Школе-семинаре ЮНЕСКО "Образование и подготовка специалистов в области возобновляемых источников энергии. Проблемы и перспективы XXI века", Махачкала, 2003 г.; Международной конференции "Возобновляемая энергетика 2003: Состояние; проблемы, перспективы", Санкт-Петербург, 2003;г.;;внутри вузовских конференциях факультетов энергетики; и электрификации, механизации Кубанского госагроуниверситета 1998-2003 гг.
Публикации. Основное содержание, результаты и рекомендации отражены в монографии объемом 33 п.л., двух учебниках, вышедших под грифом Минсельхоза РФ для направления подготовки 660300 - "Агро-инженерия", объемом личного участия в учебниках 28 п.л., 43 публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях, в т.ч. патенте России на теплообменный аппарат.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка использованной литературы, приложения и перечня обозначений, индексов и сокращений. Диссертация изложена на 307 страницах, иллюстрирована 127= рисунками, 20 таблицами. Список использованной литературы включает 314 наименований, в том числе 70 на иностранных языках..
В первом разделе на основе обзора литературных источников рассмотрены проблемы и сделан анализ современного состояния и перспектив использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в России. Рассмотрены возможности использования солнечной энергии в системах теплоснабжения сельского хозяйства, применения тепловых насосов; для повышения эффективности систем энергообеспечения с ВИЭ;
Во втором разделе проделан анализ состояния вопроса использования и методов переработки биомассы с целью получения энергии. Рассмотрены вопросы непосредственного сжигания и метанового сбраживания биомассы. Проанализированы процессы, происходящие в элементах био-
газовой установки и, в частности, в шнековом устройстве для подачи субстрата в реактор..
В третьем разделе выполнены теоретические исследования и сделан анализ систем, использующих термотрансформаторы. Определены рациональные схемы использования тепловых насосов.
Проведен эксерготопологический анализ тепловых насосов для определения критерия минимума общественных затрат, который может использоваться при оптимизации экономической функции как для одной системы, так и при сравнении различных систем. Рассмотрен и представлен анализ абсорбционных и адсорбционных термотрансформаторов.
В четвертом разделе выполнен анализ возможности использования аккумулирования энергии, как эффективного средства энергосбережения. Рассмотрены типы и характеристики тепловых аккумуляторов, использования водоносных горизонтов для аккумулирования тепловой энергии. Рассмотрены вопросы получения математических моделей термогидродинамических процессов в гидротермальном месторождении, математические модели неизотермической фильтрации в коллекторах гранулярного и блочного типа.
В пятом разделе выполнена оценка перспектив использования геотермальной энергии. Дана характеристика геотермальной системы теплоснабжения. Рассмотрены математические модели для геотермальных скважин разной структуры. Представлены схемы конвективного тепло-переноса в гомогенном проницаемом коллекторе с учетом теплопритока от окружающего массива.
В шестом разделе выполнены исследования по анализу и оптимизации энергосберегающих систем, использующих ВИЭ с применением теории графов. Использованы методы эксергоэкономических исследований для экономической и экологической оценки технических систем. Приведена логическая структура методологии оптимизации с позиции эксергоэкономики. Использованы и проанализированы методы матема-
тического моделирования и оптимизации солнечных тепло-насосных систем с сезонным аккумулированием (СТНССА).
В заключении обобщены результаты выполненной работы и указаны возможные направления дальнейшего развития теории и практики повышения эффективности сельскохозяйственных энергоустановок, использующих возобновляемые источники энергии.
Использование солнечной энергии в системах энергоснабжения сельского хозяйства
Проблемам использования солнечной энергии в системах тепло- и хладос-набжения сельских потребителей посвящена обширная литература [9,13, 33, 36; 112; ІЗОі 143, 180, 187,190, 195, 207, 234, 305]. Солнечная энергия используется в системах отопления и вентиляции жилых зданий, животноводческих ферм, теплиц, в системах хладоснабжения и кондиционирования,, горячего водоснабжения, в различных технологических процессах.
Как показывают расчеты, удельная годовая теплопроизводительность установок солнечного горячего водоснабжения в климатических условиях России достаточно высока и составляет 500...750 кВт-ч (тепловых) на 1 м2 коллектора при коэффициенте замещения нагрузки 0,4...0,6. Для сезонного (только в неотапливаемый период) солнечного горячего водоснабжения коэффициент замещения нагрузки повышается до 0,8, но удельная теплопроизводительность снижается [206].
Под эгидой - ЮНЕСКО принята Всемирная Солнечная Хартия, согласно которой предусматривается развитие использования как солнечной энергии,. так и других нетрадиционных источников энергии. В составе проекта предусматриваются: создание Всемирной солнечной комиссии; Всемирной специализированной информационной сети; постоянное проведение межрегиональных конференций; создание общих программ и учебных средств для подготовки специалистов и т.п.
Ведущие позиции в разработке и промышленном производстве систем солнечного энергоснабжения занимают: США (выпускается свыше 1,6 млн м2 коллекторов в год и свыше 18 млн м2 уже введено в эксплуатацию; темп роста производства ФЭП более 20 % в год); страны Западной Европы (введено в эксплуатацию 5,9 млн м2 коллекторов; ежегодный прирост ФЭП составляет 25); Япония (в эксплуатации находится 11 млн м2 коллекторов); Австралия (3,9 млн м2 коллекторов). В Израиле с 1980 г..жилые дома до девяти этажей в обязательном порядке оснащены установками солнечного горячего водоснабжения.
По данным Европейской Федерации, по индустрии солнечных установок в ряде Европейских стран приняты стимулирующие законодательства, которые обеспечили годовой прирост количества систем солнечного энергоснабжения на 18...23 %, т.е. более 0,1?м2 солнечных коллекторов на человека. В ; США эта цифра около 0,4, в Израиле — 0,6, на Кипре — 0,8 м2/чел.
В Дании построена солнечная топливная котельная для теплоснабжения поселка из 150 коттеджей с общей площадью коллекторов 8040 м2. В Европе восемь объектов оборудованы системой солнечного теплоснабжения с площадью коллекторов больше 2000 м2.
Для значительной территории России широкое использование солнечной энергии вполне обосновано в экономическом и экологическом отношениях, что нашло подтверждение в системе солнечного теплоснабжения двухэтажного 4-х квартирного дома в с. Пересадовка.
Результаты испытаний представлены нарис. Ill [180]. Эксплуатация установки показала ее работоспособность и эффективность.
Несомненный интерес представляют комбинированные системы, использующие несколько типов -возобновляемых источников, энергии- Это позволяет более равномерно заполнить график энергопотребления. Такая система, как правило, в технико-экономическом отношении более эффективна.
Анализ различных вариантов комбинированных схем энергосбережения, использующих возобновляемые источники энергии, выполнен в работе [264].
В работе [304] приведен ряд схем теплоснабжения комплекса зданий, включающих использование солнечной и геотермальной энергии. Экспериментальные исследования подобных комбинированных установок показали их высокую эффективность.
Известна также схема гелиоустановки системы теплоснабжения двухквартирного жилого дома, разработанная в КиевЗНИИЭП. В схеме предусматривается энергоснабжение потребителя также от ветродвигателя. Южный фасад выполнен в виде стены Тромба для систем пассивного отопления. Система отопления комбинированная — панельно-лучистая напольная с дополнительными настенными отопительными приборами
Непосредственное сжигание биомассы
Использование методов биологической конверсии органических отходов с целью получения газообразного или жидкого топлива в настоящее время является весьма перспективным. Это позволяет решить не только энергетическую проблему, но также экономическую и экологическую, поэтому привлекает внимание специалистов-экологов, энергетиков, экономистов, биотехнологов. Она весьма существенна для сельского хозяйства, где имеется большое количество органических отходов. Перспективным сырьем в биоэнергетике являются также отходы пищевой, микробиологической; лесоперерабатывающей промышленности, сточные воды коммунального хозяйства.
Под термином биомасса (БМ) обычно понимают углеродсодержащие органические вещества растительного и животного происхождения (древесина, солома, навоз и т.п.). Часто к понятию БМ относят и органическую часть твердых городских отходов. Биомасса является четвертым по значению топливом в мире, которое эквивалентно 1250 млн т у.т. и составляет около 15 % первичных энергоносителей в мире (в развивающихся странах — до 38 %) [277]i Она играет существенную роль и в промышленно развитых странах — в среднем 2,8 % общего энергопотребления (ОЭП): в США ее доля составляет 4 % [277], в Дании — 6 [253]; в Канаде —7 [171], в Австрии—13 [269], в Швеции — 16 [271], в Финляндии — 20 % (максимальная доля для развитых стран) [248]; Преимущества БМ как топлива: полное отсутствие или незначительное количество выбросов соединений серы и сохранение равновесия углекислого газа С02 в атмосфере.. Наиболее широко используемой в настоящее время является растительная БМ.
Прогноз мирового энергетического совета (МИРЭС) относительно вклада БМ в энергетику будущего наряду с другими возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ) приведен в табл. 2.1 [76]. Термин «современная биомасса» подразумевает использование современных промышленных технологий получения; энергии из БМ (исключается бытовое использование БМ для получения теплоты и приготовления пищи). В соответствии с прогнозом доля БМ составит 42...46 % от общей доли ВИЭ в 2020 г., существенно превышая вклад солнечной, ветровой, геотермальной и-других видов ВИЭ.
На практике используются следующие методы переработки биомассы с целью получения энергии:: — прямое сжигание для непосредственного получения теплоты; — пиролиз (сухая перегонка), направленный на получение максимального газообразного топлива (преимущественно водорода и СО). Генераторный газ имеет теплоту сгорания в пределах 4...8 МДж/м3; — спиртовая ферментация с целью получения из биомассы этилового спирта (этанол); — анаэробное сбраживание, являющееся наиболее перспективным средством получения топлива из органической массы.
Оценочные расчеты показывают, что в России из навоза при полной переработке биоконверсией можно получить около 70 млрд м3 биогаза в год [123].
При оценке экономической эффективности следует учитывать, что биогазовая установка обеспечивает одновременно обеззараживание навоза и производство удобрений.. Она относится также к системе мер по защите окружающей среды. В таком случае биогазовые установки всегда будут иметь положительный экономический эффект.
Биогаз получают также из коммунальных (городских и поселков городского типа) сточных вод. Его выход составляет 0,001 м3 на 1 м3 сточных вод.
Известны следующие режимы анаэробного метанового сбраживания: психофильный (температура процесса сбраживания t = 15...17 С), мезофильный (t = 33...35 С) и термофильный (t.= 53...55 С).
Прямое сжигание топлива, в том числе биомассы, — самый древний и еще очень распространенный способ получения тепла.
Следует заметить, что при полном сгорании органических веществ образуются диоксид углерода и вода, не представляющие особой опасности для окружающей среды.
При термическом разложении целлюлозы и гемицеллюлозы происходят сложные реакции с образованием промежуточных продуктов [231];
Термическое разложение биомассы происходит при достаточно высоких температурах с образованием смеси горючих газов, которые окисляются кислородом воздуха. При низкотемпературном пиролизе образуется значительное количество углистого остатка. На рис. 2.1 приведена схема процесса при пламенном сгорании газов, обеспечивающем газификацию топлива; при значениях температур ниже определенного уровня происходит медленное горение или неполное сгорание твердой углистой фазы [231]. Интенсивность реакции горения определяется уравнением /Д=-АЯ , (2.1). где АН; — теплота сгорания, равная энтальпии продуктов сгорания; — — ско dt рость перемещения масс.
Оптимизация тепловых насосов на основе эксерготопологического анализа
Для энергетического анализа представленной системы построена диаграмма потоков эксергии — диаграмма Грассмана (рис. 3.8). Диаграмма указьшает на место потерь, их удельный вес в эксергетическом балансе установки и является графической интерпретацией расчетов [239]. Однако диаграмма не может служить методом проведения оптимизации анализируемых схемных решений.
Метод оптимизации целесообразно основывать на теоретико-графовых построениях. Проиллюстрируем это на примере системы теплохладоснабжёния установки, схема которой приведена нарис. 3.0. Источником энергии для теплового насоса служат солнечная энергия и низкопотенциальная теплота грунта; Для более равномерного теплоснабжения потребителей схемой предусмотрена система аккумулирования теплоты..
Рассматриваемую систему можно представить как совокупность вершин (элементов системы) и дуг (физических потоков между элементами); В этомі случае получаем параметрический потоковый граф (ППГ), который является топологической моделью системы. Пользуясь ППГ, строят эксергети-ческий потоковый граф (ЭПГ), который сохраняет топологическую модель, но дополнительно учитывает потоки эксергии. Под эксергетическим потоковым графом понимают граф Е{А, Г) = Е(А, U), множество вершин которого А = {а., } соответствует эксергети ческим потерям в элементах системы, множество дуг U = {щ, и2, ..., и} — распределению эксергетических потоков в системе, а Г — это многозначное отображение множества А в себя,. представляющее технологическую » топологию системы.
Представление ЭПГ как Е(А, Г) позволяет указать множество вершин, связанных эксергетическими потоками с какой-либо отдельно рассматриваемой вершиной..
Потери эксергии nj в произвольной вершине графа Е(А, Г) определяются алгебраической суммой значений дуг графа, отрицательно или положительно инцидентных рассматриваемой вершине. Для цифрового описания ЭПГ используют матрицу инциденций; ,
Информационная схема, являющаяся основой для построения графа (рис. 3.10), отличается от принципиальной схемы установки (рис. 3.9) подробным описанием теплового насоса и раскрытием всей совокупности теплообменных аппаратов, которое необходимо для более точного качественного описания процессов аккумулирования и передачи теплоты.
Нарис. 3.11 представлен эксергетический потоковый граф рассматриваемой системы, которая построена на базе фреонового регенеративного пароком-прессорного теплового насоса. Потоковый ЭПГ дополнен матрицей инциденций.
Для конкретной схемы ЭВМ рассчитывает необходимые данные и определяет значение эксергии в данной точке схемы, значения эксергети-ческих потоков и потерь в элементах, а также эксергетический КПД Гэмсистемы в целом, сканируя по строкам матрицы инциденций. Анализируя несколько вариантов схемных решений, можно определить оптимальное решение с точки зрения энергетических потерь.Вопросы теории І и практики термотрансформаторов интенсивно развивались в течение последних 40 лет [59, 145, 155, 198].
Действительный рабочий: процесс абсорбционного термотрансформатора (АТТ) г является довольно сложным, так как: осуществляется бинарным раствором.
Эксергетический анализ абсорбционного водоаммиачного термотрансформатора [230] показал,.что основные потери происходят в генераторе — 19 %, ректификаторе — 16; абсорбере — 16 %. Поэтому при интенсификации процессов в абсорбционных термотрансформаторах основное внимание надо обращать на эти элементы.
Пути совершенствования абсорбционной системы теплохладоснабже-ния лежат в средствах донасыщения крепкого раствора до его поступления в дефлегматор. Самым оптимальным вариантом режима работы является тот, когда теплота дефлегмации отводится исключительно раствором при полном отсутствии отвода ее в окружающую среду. В работе [159] приведены логическая структура;оптимизации системы дефлегмации и ее связи с абсорбером (рис. 3.12).
Все предлагаемые усовершенствования относятся к абсорбционной машине, работающей в режиме теплового насоса.
Чтобы работа абсорбционного термотрансформатора не зависела от температурного уровня охлаждающей среды, предложено заменить внешний источник охлаждающей средой, а для обращенного ректификатора — ре »
сурсами установки [150].: Это было достигнуто установкой дополнительной ступени дросселирования жидкого хладоагента до промежуточного давления между конденсатором и испарителем (рис. 3.13). С этой целью после дроссельного вентиля установлен отделитель жидкости, соединенный со входом в охлаждающий змеевик обращенного ректификатора, а паровая сторона отделителя — с выходом из змеевика. Тем самым требуемая для производства дополнительного холода энергия получается за счет использования низкопотенциальной теплоты, которая не может быть использована в основном процессе. Кроме того, образовавшиеся пары в охлаждающем змеевике обращенного ректификатора и пары из паровой области отделителя жидкости могут быть возвращены в основной процесс. Для этого нужно установить компрессор, который обеспечит их сжатие до давления конденсации. Это удорожает машину, повышает расход электроэнергии и увеличивает металлоемкость.
В некоторых случаях на проводе крепкого раствора требуется установка дополнительного подогревателя (на.рис. 3.13 показан штриховой линией).
Кратность циркуляции раствора высшей концентрации, отводимого из обращенного ректификатора в дефлегматор, охлаждаемый раствором, определяется соотношением
Исследование характеристик различных типов тепловых аккумуляторов
Эффективным средством энергосбережения является аккумулирование энергии, особенно при развитии альтернативной энергетики на базе возобновляемых источников энергии.
Одна из причин, ограничивающих использование нетрадиционных источников энергии, заключается в нестабильности их работы. В особенности это относится к энергии солнечного излучения и к энергии ветра. Отсюда и нестабильность энергетических характеристик систем, использующих возобновляемые источники энергии. Поэтому надежные и эффективные системы аккумулирования энергии не только обеспечат стабильное энергоснабжение потребителей, но и повысят коэффициент использования энергии за счет накопления пиковой и низкопотенциальной энергии, которая не может быть использована потребителем без соответствующих ее превращений.
Следовательно, проблема наиболее эффективного аккумулирования энергии и изыскания средств, повышающих технические характеристики аккумуляторов, является, несомненно, актуальной. Она представляет особый интерес для сельскохозяйственной энергетики из-за специфических особенностей последней: неравномерность во времени потребления энергии и существенная разбросанность потребителей теплоты.
Применение теплового аккумулятора (ТА) позволяет повысить на 30...50 % эффективность использования возобновляемых источников энергии. Наиболее целесообразным при этом является подключение таких источников к тепловым аккумуляторам в схеме с использованием внепиковой электроэнергии. ,
Назначение аккумулятора, а именно обеспечение процессов накопления, хранения и выработки тепловой энергии в соответствии с требованиями потребителя, определяет как конструктивные особенности его, так и физические процессы, протекающие в теплоаккумулирующем материале.
В зависимости от способа технической реализации различают ТА с прямым аккумулированием теплоты, когда аккумулирующий материал является и теплоносителем,.и.ТА с косвенным аккумулированием, которое происходит при использовании различных теплоаккумулирую-щих и теплопередающих сред. Применяют также системы, включающие оба типа аккумулирования теплоты.
В процессе аккумулирования и отдачи теплоты изменяется энтальпия материала ТА. Это может происходить как с изменением температуры материала, так и без изменения его температуры, что имеет место в процессе фазового превращения.
В реальном процессе плотность запасаемой энергии при аккумулировании меньше теоретической; что вызвано потерей теплоты при зарядке, хранении и;разрядке, а также необратимым выравниванием.поля температур.,
Отношением реального и теоретического значений запасаемой \ энергии определяется эффективность теплового аккумулятора. Плотность запасаемой энергии, КПД процесса аккумулирования и принятый способ аккумулирования определяют объем и массу аккумулятора;
Помимо конструктивных решений необходимы оптимизация основных характеристик ТА; изыскание путей повышения его эффективности. Для этого используют решение системы уравнений, описывающих процессы в тепловом аккумуляторе. Такие решения позволяют определить температуры в объеме ТА, изменение температуры теплоносителя на выходе из,ТА и, следовательно, эффективность аккумулирования теплоты.
Тепловые аккумуляторы с твердым теплоаккумулирующим материалом (ТАМ) — одни из наболее распространенных в сельскохозяйственной энергетике.
Различают два типа аккумуляторов: с неподвижной или подвижной матрицами. Первый тип имеет более простую конструкцию, но требует больших масс аккумулирующего материала. В аккумуляторах второго типа в качестве ТАМ используют щебень, феолит (железная руда), остатки строительных материалов., Такие тепловые материалы чаще всего применяют, в.системах- теплоснабжения- (пассивных или- активных) с-воздушным теплоносителем.
Возможные схемы теплоснабжения ферм с использованием аккумулятора показаны па.рис. 4.1.,
Нарис. 42 приведены щюстейшие схемы гелиосистемы отопления помещения, в которой солнечный коллектор объединен с аккумулятором теплоты [138]. Схемы солнечной системы хладоснабжения с аккумулятором теплоты изображены нарис. 4.3.
Тепловые аккумуляторы с подвижной матрицей выполняют в виде вращающегося регенератора и применяют в устройствах регенерации теплоты; они обеспечивают постоянную температуру газа на выходе.
При отдаленности потребителя от источника теплоты аккумуляторы можно устанавливать на соединяющих их теплопроводах (рис. 4.4). Одновременное использование нескольких тепловых аккумуляторов позволяет уменьшить амплитуду колебаний температуры теплоносителя
