Содержание к диссертации
стр.
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ИСТОЧНИКИ И ПОТРЕБИТЕЛИ
ЭНЕРГИИ В ЭФДР '. 9
Географическая и климатическая характеристика Эфиопии.... 9
Топливно-энергетическое хозяйство Эфиопии 12
Структура энергопотребления
в домашних хозяйствах Эфиопии 15
1.3.1 Расход энергии
на приготовление пищи 16
1.3.2. Расход энергоресурсов на нагрев горячей воды
для получения абсита и хозяйственные нужды 20
1.3.3. Альтернативные источники энергии в Эфиопии 22
1.4. Оценка эффективности традиционных устройств
приготовления пищи в Эфиопии 23
1.5. Постановка целей и задач исследования 26
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТРАДИЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПИЩИ
В ЭФИОПИИ 27
2.1. Экспериментальное исследование процесса выпечки инжеры.. 27
Методика проведения экспериментов 28
Результаты экспериментов 30
Анализ нагрева митада и процесса выпечки 33
Исследование процесса выпечки инжеры
с использованием композитного митада 38
2.4. Выводы 45
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ
УСТРОЙСТВА ПРЯМОГО СОЛНЕЧНОГО НАГРЕВА
ДЛЯ ВЫПЕЧКИ ИНЖЕРЫ 46
3.1. Использование солнечной энергии для приготовления пищи... 46
Концентрирующие коллекторы 47
Тепловые камеры 51
Панельные плиты 53
3.2 Анализ условий работы печи прямого нагрева и
определение основных параметров 54
3.3. Разработка и испытание солнечной печи прямого нагрева
для выпечки инжеры 60
Экспериментальная печь 60
Методика проведения экспериментов
и анализ результатов 61
3.4. Выводы 64
ГЛАВА 4. КУХОННАЯ СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА
С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ 65
4.1. Опыт использования схем
с промежуточным теплоносителем 65
4.2. Определение основных параметров системы
с промежуточным теплоносителем 69
4.3. Выводы 76
ГЛАВА 5. СОЛНЕЧНЫЕ КУХОННЫЕ СИСТЕМЫ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АККУМУЛЯТОРОВ ТЕПЛОТЫ 77
5.1 Исследование возможностей использования теплоаккумулирующей массы простого нагрева
для выпечки инжеры 77
5.1.1 Унитарный блок плита-аккумулятор 79
5.1.2. Центральный бак-аккумулятор 84
Использование фазопереходных аккумуляторов тепла 87
Использование обратимых химических реакций 89
5.3.1. Исследование характеристик плиты-аккумулятора
с использованием гидратации оксида кальция 90
5.3.2. Исследование процесса дегидратации Са(ОН)2
с использованием прямого солнечного нагрева
(зарядка аккумулятора) 102
5.3.3. Экспериментальное исследование аккумуляторов
с использованием процессов гидратации
и дегидратации 105
5.3.3.1. Экспериментальное исследование
выпечки инжеры с использованием аккумулятора 106
5.3.3.2. Экспериментальное исследование дегидратации
рабочего слоя аккумуляторов с использованием
солнечной энергии 108
5.4. Выводы 110
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 115
Введение к работе
Актуальность работы. Важнейшим аспектом развития экономики многих
стран мира в 21 веке стало внедрение энергосберегающих технологий как в про
мышленном производстве, так и в повседневной жизни людей. Наиболее остро
вопрос энергоснабжения стоит в слаборазвитых странах, таких как Эфиопия, не
имеющих ни собственных запасов энергетических ископаемых ни возможности
закупать углеводородное топливо и электроэнергию. Около 90% всей потребляе-
I мой в Эфиопии энергии расходуется в домашних хозяйствах на приготовление
пищи и нагрев воды на хозяйственно-бытовые нужды [3], причем большая часть энергоресурсов идет на приготовление традиционной пищи - инжеры (лепешки), выпекаемой на глиняных дисках - митадах в примитивных плитах [4].
Энергетические потребности Эфиопии на 77 % покрываются за счет исполь
зования древесного топлива. В совокупности с постоянным ростом населения это
привело к бесконтрольной вырубке леса, в настоящее время площадь лесов в
' Эфиопии сократилась с 40 до 2% [1, 2] и страна стоит на грани экологической ка-
тастрофы. Таким образом, проблема повышения эффективности энергоиспользования в домашних хозяйствах Эфиопии весьма актуальна.
Диссертационная работа выполнялась в рамках программы правительства Эфиопии «Возобновляемые источники энергии».
Цель работы. Исследование и разработка методов повышения эффективно-
j сти энергоиспользования в Эфиопии; исследование и разработка методов и уст-
ройств использования солнечной энергии для приготовления пищи при сохранении традиционных приемов. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
1. исследование тепловых параметров процесса выпечки инжеры;
2. исследование и оптимизация тепловых характеристик митада с целью
снижения энергозатрат при выпечке инжеры с использованием традиционных
' плит;
3. исследование возможностей использования устройств прямого солнечного
нагрева для выпечки инжеры и определение требований к ним;
разработка устройства прямого солнечного нагрева с промежуточным отражателем для выпечки инжеры и его экспериментальная апробация;
исследование возможностей использования плоских испарительных солнечных коллекторов и конденсационных плит для выпечки инжеры применительно к условиям Эфиопии, анализ параметров их работы;
анализ и экспериментальное исследование солнечных плит с аккумулятог рами тепла.
Методологические основы исследований. Сложность и комплексность поставленной задачи предопределили использование для проведенных исследований методов ряда областей знаний. Теоретической базой диссертационной работы являются законы тепломассообмена, гидродинамики, химической кинетики. Исследования проводились на основе математического моделирования теплообмена при выпечке инжеры. Степень адекватности построенных моделей определялась экспериментальными исследованиями.
Научная новизна.
Впервые проведено статистическое и экспериментальное исследование удельных энергетических затрат и определение коэффициента использования тепла в процессе выпечки инжеры.
Разработана математическая модель теплообмена в процессе выпечки инжеры и на основе полученных экспериментальных данных о температуре поверхностей митада восстановлены граничные условия на поверхностях при начальном разогреве и в процессе выпечки и установлены закономерности изменения теплового потока в инжеру, адекватность модели проверена экспериментально.
Предложено использование композитных металоглиняных митадов и экспериментально исследованы их характеристики, с использованием разработанной математической модели проведен теоретический анализ процесса выпечки в традиционных плитах с закрытой топкой с использованием ферроглиняного митада и показано, что при сохранении традиций и высокого качества инжеры можно повысить коэффициент использования тепла и на 20% сократить потребление топлива.
Проведен анализ использования прямого солнечного нагрева для выпечки инжеры, разработана схема плиты и экспериментально исследован процесс выпечки с применением прямого солнечного нагрева.
Проведен анализ систем с испарительными термосифонами и определены требования к их параметрам, обеспечивающим выпечку инжеры.
Предложено использование обратимых реакций гидратации и дегидратации для плит с аккумуляцией тепла и разработана одномерная математическая модель гидратации СаО и дегидратации Са(ОН)2, использующая дифференциальное уравнение теплопроводности с перемещающимся фронтом поверхностного тепловыделения. На 'основе математической модели исследованы различные варианты процесса гидратации с учетом цикла выпечки инжеры а также процесс дегидратации при различной плотности концентрированного потока солнечного излучения. Адекватность модели проверена на экспериментальной установке и экспериментально показана как возможность выпечки инжеры при гидратации СаО, так и возможность дегидратации Са(ОН)2 с использованием параболического концентратора солнечного излучения.
Практическая ценность.
Разработанный композитный митад, полученный при добавлении в глиняную массу 50% металлических опилок позволяет повысить коэффициент использования тепла для закрытых топок с 29,7 до 35 ,8% и на 20% сократить потребление древесного топлива при выпечке инжеры в традиционных плитах.
Разработана и экспериментально проверена солнечная плита прямого солнечного нагрева. Показана возможность ее использования в домашних хозяйствах Эфиопии. Разработаны схема солнечной плиты с испарительными термосифонами и схема центрального теплоснабжения индивидуальных плит от бака-аккумулятора, использующие конструктивно простые и дешевые плоские коллекторы с одинарным остеклением, определены их размеры и параметры в условиях Эфиопии.
Разработана схема и определены основные параметры солнечной плиты с аккумуляцией тепла на основе обратимых химических реакций, в качестве рабочего вещества использована известь. Проведены опытные исследования процесса
гидратации и дегидратации извести, разработан режим работы предложенного устройства.
4. Внедрение разработанных и экспериментально исследованных кухонных плит, использующих солнечную энергию, позволяет при сохранении традиционных способов приготовления пищи существенно сократить потребление органического топлива в домашних хозяйствах Эфиопии.
На защиту выносятся:
Результаты экспериментального исследования по определению удельных затрат топлива и коэффициента использования тепла в традиционных устройствах для выпечки инжеры.'
Результаты экспериментов по исследованию температуры поверхностей митада и найденные на их основе закономерности изменения теплового потока в инжеру в процессе выпечки.
Результаты экспериментов по исследованию свойств металлоглиняных ми-тадов и расчетов характеристик традиционных плит с их использованием.
Результаты экспериментов по выпечке инжеры в плите прямого солнечного нагрева.
5; Математическая модель гидратации СаО и дегидратации Са(ОН)2 в солнечных системах с аккумуляцией тепла.
6. Результаты экспериментов по гидратации СаО и дегидратации Са(ОН)г.
Апробация результатов работы. Основные результаты доложены на Всероссийской научно-технической конференции «Энергосбережение и энергоэффективные технологии», Липецк, ЛГТУ, 2004 и на XXXIV научно-технической конференции аспирантов и студентов ЛГТУ, Липецк, 2005.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано семь работ в центральных и региональных изданиях Российской Федерации и Эфиопской федеральной демократической республики [100-106].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 106 наименований. Работа содержит 116 страниц машинописного текста, 22 таблицы, 70 рисунков.
