Введение к работе
Актуальность работы. Проблема економші тоштавко-внер:-^гичее-вих ресурсов и защиты' окружающей среды в отгределенной мере' может1 Сыть решена расширением масштабов -применения возобновляемых-исто-чников энергии, в том 'теле солнечной. Одним из наиболее перспективных способов преобразования солнечной энергии является получение искусственного холода, т.к. максимальная потребность в охлаждении совпадает с периодом максимального поступления солнечной радиации. Гелиохолодильные установки могут найти применение для хранения пищевых продуктов, медикаментов, охлаждения питьевой вода з степных труднодоступных районах, полевых станах, геологоразведочных партиях, фермерских'хозяйствах, на дачных участках и т.п., где другие виды енергиі' дороги или недоступны.
Перспективными для таких районов являются относительно не-
больяяе холодильные установки индиви сального пользования. К по
добным установкам предъявляется ряд, специфических требований.:
полная автономность, простота обслуживания и доступность "для ши
рокого потребителя, В наибольшей мере втим требованиям отвечают-
теллоиспользухщие еорбционные холодильные установки о- твердым
поглотителем, т.к. они не-цмеют двикущихсж механизмов, не требуют
квалифицированного обслуживания и для их работы не используется
дефицитная электроэнергия. . -' "
циклы гелиоадсорбционных холодильных устройств и применяемые в них рабочие вещества исследованы недостаточно полно для проектирования и создания надежного конкурентноспособного холодильного оборудования. Большинство результатов, как правило,получено на лабораторных стендах и еда- ічнях екземплярах холодильних установок, которые подтвердили техническую осуществимость и перспективность такого оборудования, но не обеспечили практику необходимыми данными для расчета и конструирования эффективных систем., .
Целью работы является создание ефективного гелиоадсорбцион-ного холодильника периодического действия- Это.предполагает: поиск и исследование эффект^зных рабочих веществ, изучение действительного холодильного цикла и эксплуатационных показателей, холо- дняьчика, совершенствование схемных и конструкторских решений, разработку методики инженерного расчета апп.чратов.
Научая новизна. Степень новизна полученных результатов определяется тем, что:
'- впервде предложен и-исследован солевой сорбент с наполнителем на основе сорбционной пары бромистой литий - метанол, построена диаграмма темперятура-даяление-концеятрация системи бромистий литий+ньполниїєль'- метанол,'которая может быть использована для определения'основних показателей , и. расчета адсорбционного холодильного цикла. Показано, что.применение наполнителя позволяет расширить зону дегазации и увеличить еорбционлу» емкость солевого сорбентаг,
- исследованы дифференциальные теплоты адсорвции метанола на сорбенте "бромистый литий + наполнитель", установлено образование в процессе адсорбции устойчивых сольватов ИВг » n СН QH_(n = 2,3 и 4)з . . ''/":'.'. . '
''-для морденита и клююптилолита (шсторозсЗнияЛияча и Со-кирница). получены изотермы адсорбции воды в интервале температур 40 - 120 С, исследованы энергетические показатели этих цеолитов в адсорбционном- холодильном цикле, показана целесообразность их модифицирования для повышения рфХ«ктивіюсти холодильника j
.- методом математического моделирования изучен характер влияния-климатических факторов за величину теплового ковффициента цикла. Предложена методика 'теплотехнического расчета, аппаратов 'холодильника.
Практическая аначимоеть. На базе выполненных исследований
разработан и создан солевой сорбент с наполнителем, имеющий повы
шенную опционную емкость и невысокую температуру, регенерации»
что обеспечивает более жїфентивное использование энергии солнеч
ного излучения. Исполъйовяние предложенного . сорбента позволило
значительно снизить материалоемкость генератора-адсорбера и повы
сить удельную холодолроизводительность 'солненого адсорбционного
холодильника... ' '
Результаты математического моделирования процессов в генераторе-адсорбере' и предложенная методика теплотехнического расчета аппаратов могут быть использованы для инженерных расчетов и оценки энергетических показателей холодильника, в различим климч-тичееких-условиях. '
Результати исследований могут быть применены также н области кондиционирования к осулки воздуха.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 25 работ,' з том числе 8 авторских свидетельств на изобретения/
Апробация работы.' Основные результаты рэботн докладывались ?а XI Всесоюзной конференции по калориметрии и химической термо-ршамике (Новосибирец, 1986), III-Всесоюзной конференции "Преобразование солнечной вергай" (Москва,' 1938), .научно-практической \ юнференции "Основные направления и опыт использования нетради- . даонных источников энергии в народном хозяйстве" (Душанбе?, 1988), «еясдународных конференциях "Альтернативные внергоисточники и еко-гомия энергии" (Болгария, 1990), "Современные проблемы-, нетради-даоїшой енергетики" (Санкт-Петербург, 1994 г.), в также на ряде' )еспубликанских конференций и семинаров. Различные типы х'олодиль-шков вкспонировались в НВЦ Украины, на международной выставке ІІШІСОН '95, в течение нескольких лет егатлуатируютоя на полигоне Телиотерм" в Криму.'
Объем диссертации. Диссертация юетоит из введения, четырех \лав, виводов и содержит 165 отр. текста, 47 рис., а также'список мтературы из 117 наименований.
основное содаркшш РАБОТЫ
Во введении обосновывается выбор темы диссертационной рабо-ы, ее актуальность, сформулированы цель и задачи исследования, [аучяая новизна и практическая значимость полученных результатов.
В первой главе приведен обзор состояния исследований в об-іасти гелиоадсорбционного охлаждения, выполнен анализ рабочих 'ел, схем и циклов, энергетических показателей установок, обосно-інваетея выбор направления наследований. .
Основной задачей в разработке аффективной гелиоадсорбционной иетемы охлаждения является выбор рабочих веществ, в частности ідсорбента, от.тачащегося большой влагоемкоетью при низких іавлениях (соответствующих температуре кипения хладагента) и этособностью к достаточно полной регенерации при температуре іолнечного коллектора о \
По типу сил, обуславливающих адсорбцию, рабочие вещества южно разделить на две основные группы: адсорбенты на основе вф->еита физической адсорбции - цеолиты, активированные угли, сили-:агели и адсорбенты на основе эффекта хемосорбіШ - соли іцелочннх
и щелочноземельных металлов. В холодильном цикле сорбциояная емкость адсорбентов первой группы составляет в среднем 5-Ю % от веса сорбента. Более высокую ( в 5-6 раз) поглощающую способность имеют неорганические соли, которые образуют с парами хладагента твердый ишические соединения тийа кристаллогидратов. Однако, практическое применение втих рабочих веществ имеет технические трудности, связанные с проблемой сохранения стабильное?" гранулированной структуры слоя сорбента, т.к. в процессе адсорбции происходит значительное изменение объем.ч кристаллогидратов,, и, кроме итого', возможно частичное растворение соли при местном перенасыщении хладагентом.
Для обеспечения стабильности солевых сорбентов предлагается использовать'наполнитель, который зь счет жесткого пористого каркаса мог Си удерживать ж"цкий раствор в грануле, сохраняя структуру слоя гри перенасыщении. Кроме повышения Надежности работы генератора-адсорбера,, вто позволит увеличить еорбционную емкость солевых сорбентов, т.к. по .термодинамическим соотношениям многие соли' способны производить эффект охлавдения и в зоне жидкого раствора.
.По результатам експериментальних яееледовьаий для . сорбцион-
ной пара бромистый литий-метанол-разработан наполнитель на основе
вспученного перлита. Гранулы сорбента "бромистый лигдй+наполни-
.те.ль" удержшьют жидкий раствор в порах при концентрации бромис
того лития в метаноле до 40-45 % , в то время как растворение
кристаллического бромистого лития происходит при концентрации
59 % . .
Бо второй главе, изложены результаты исследований. и анализа теоретического адсорбционного холодильного цикла.
Генератор-адсорбер солнечного адсорбционного холодильника представляет собой плоский короб, заполненный сорбентом и размещению* в гелионагревателе типа "горячий ящик". Одна -сторони генератора-адсорбера является тегоюБОспринлмаювдей, другая сторона й боковые стенки теплоизолированы. Слой сорбента рассматривается состоящим из шариков, через внешнюю поверхность которых осуществляется поглощение-выпаривание паров хладагента. Для равномерной подачи и отвода паров ыежду теплоизоляцией и слоем .сорбента имеется паровой коллектор.
Вследствие небольшой толщины слоя гидравлическим оопротивл^-
тем засыпки пренебрегаем, в концентрацию адсорбированного вещества считаем одинаковой по высоте слоя.
В результате решения уравнения теплопроводности:
.-.Л*-»-$'-*.. <о.<т<т,>. »,*- 5:'. <и
Эй ml-
Лт = 3Dn
(P-PJ. го = ї(р,Т)ї
іолучена зависимость для безразмерной температуры слоя:
!Р - Тн Mh3 Г .в» ( -'oil
' - 2 a ( - fo) | ha- 1 Ж] j . ,
(2)
«, ha ' . 1 , cos^z/h) exp( -fife T/ha)
;.-їт^^пг „.о» „,[ (,, -ьл*-.. u.i'
где ц - корни .іерактеристического уравнения tg р « Bi/ji .
Количество'десорбированного хладагента определяется с иомо-цьх> зависимости (2) методом последовательного приближения.
Численные исследования гелиохолодильного цикла показали, что наибольшее влияние на величину суточной холэдопромзводительнооти оказывают тег*овая инерционность генератора-адсорбера и уровень-гемпервтуры конденсации хладагента. Генератор-адсорбер' рвботяет при температурах, практически предельных для плоских гелионагре-: вателей. При повышении температуры конденс дай и, соответственно', температуры регенерации, к.п.д. использования солнечной внергии резко снижается.
Определение эффективности рабочих тел гелиоадсорбционного холодильника связано с большим объемом экспериментальных исследований. В то же время, изотерма адсорбции для большинства известных сорбентов измерены. В связи с этим представляет интерес изучить возможность ПрогнозирЪвания эффективности сорбентов, исходя из измеренной при какой-либо температуре изотерме адсорбции. ' .'
Адсорбционное равновесие в системе охлаждения на стадиях десорбции и*- сорбции определяется соответственно температурой дегидратации сорбента под воздействием солнечного излучения Т и
температурой хладагента в конденсаторе Тк, температурой гидратации сорбента Т. и температурой хладагента в испарителе Т , т.е. ' наряду о адсорбционным равновесием устанавливается и равновесие насыщенный пар-кздкость. Согласно потенциальной "теории . Поляни одинаковая степень заполнения адсорбционного пространства при различных температурах доотигаетоя при давлениях пара, связанных соотношением:
In (Р/Рв>а T/.Ij-ln (Р / V, (3
Следовательно, при заданных те?лературных параметрах цикла
влагосодержэние сорбента должно быть равно величине адсорбции,
которой на измеренной изотерме соответствует, относительное
давление, вычисленное'по зависимости (3).
Сопоставление измеренных експериментально и вычисленных по изотермам значений Дга дш различных сорбентов показало удовлетворительное . соответствие втих величин.
В третьей главе приведены результаты експериментальних исследований физико-химических свойств рабочих тел и лабораторных испытаний генератора-здсорбера.
, С целью сравнительной оценки и выбора перспективных рабочих тел были исследованы /сорбционные свойства разработанного солевого сорбента, а также ряда природных и синтетических цеолитов в интервале температур 40 - 120 С.
Природные цеолиты представляют интерес в связи с доступностью ( имеется ряд месторождений в Украине) и дешевизной- Предварительные данные свидетельствовали о небольшой сорбционной емкости природных сорбентов, поэтому HCCv давались также образцы модифицированных цеолитов. . . На/основании адсорбционных исследований выполнен расчет адсорбционного холодильного цикла на различных рабочих веществах. Эффективность рабочих пар оценивалась по величине теплового и приведенного теплового коэффициентов (табл.1). Расчеты подтвердили вффективность солевых сорбентов, и для дальнейших исследований выбрана,рабочая пара бромистый литий+наполнитель - метанол. Диаграмма lgP-1/ Т для етой системы показана,на рис.1. -Исследования показали хорошую обратимость изостер во всей изученной области. Гранулированная структура сорбента сохраняется даже при значительном перенасыщении соли. Как видно ив рис.1, при рлатооодериа-
энергетическая эффективность рабочих пар в адсорбционном холодильном цикле.
Таблица 1
Темнературные параметры холодильного цикла:
Ше = 40.С
- температура регенерации Т„ * 110 С ". - температура конденсации 3L = 40 С
0 С
:-температура сдрОцки -. температура испарения
ний сорбента более 270 г/кг (зона жидкого солевого раствора) про-
. Рис.1 Диаграмма lg Р-1/ Ш системи бромистий яитий+наполнитель - метанол.
исходит ени*ение температуры начала деоррйции метанола. Так, при температуре конденсации 40 С десорбция начинается при S4 С и завершается при 116 "С. Для удобства m -нерных расчетов лзостерй аппроксимированы в нале зависимости температуры регенерации сорбента от температуры в конденсаторе.
Для выбранных рабочих тел прорёдены адсорбционно-калориметричеекие измерения при 26.3 СС на установке, состоящей из вакуумной части с весами Мак-Бена и стандартного, мнкрокялори-метра Кальве. Иоследуемкй сорбент предварительно дегидратировался при 250.С и давлении 10~2 Па в течение 8 часов.
Результаты измерений приведены на рис.2. Судя по ходу кривой 5а= 1(a), глубокий минимум в области заполнений а = 2-8.5 моль/кг отражает разрушение точечных контактов сцепления ЫВг с наполнителей (эндотермический в4Фект), образовавшихся в результате тер-
.10
мовакуумной обработки Q0j КАЖ.
'моль
При повторном цикле минимум в этой облчя- ти заполнении не наблю- дается. Последующие ЛОКЧ-ЛЬВНе'маКСИМуМЦ, В области
10 .' а., моль/кг
а я ю.б моль/кг, 15.0 моль/к? и 13.5 моль/кг отражают образование соль-ватив їіВг»п0Н"30Н, где n = 2, 3 И 4. Измерения велись до величшга' сорбции ь-19.5 моль/кг .'соответствующей максимальной влагоемкооти сорбентя в ' холодильном цикле. Десорбция осущеотв-
Рис.2 Зависимость дифференциальной теплоты адсорбцюі метанола на сорбенте "бромистый литий+на-полнитель" от массы адсорбированного метанола.
лялаеь до остаточного а'ія-госодержания а=2 моль/кг.' , Величина теплоты десорбции метанола АН=-53 кДж/моль использована при расчете генератора-адсорбера. На стенде, моделирующем полянй холодильний цикл, проведены исследования процессов тепло- и м." їсообмена в натурном образце генератора-адсорбера (рие.З). Для имитации реальных.условий рябо ты обогрев осуществлялся плоским влектрояагревателем, прииятым к тевловоелринимащей поверхности генератора- адсорбера. На рис.4 и Ъ приведены результаты исследований суточного холодильного цикла и зависимости объемного коэффициента маосоотдочи от концентрации метанола в сорбенте. При 6-7 часовом цикле регенерации (что соответствует длительности процесса в условиях солнечного обогрева) в связанном состоянии и сорбенте остается до 20 #"метанола. Величина теплового коэффициента цикла находится в пределах 0.38 - 0.40. В-четвертой главе изложена методика теплотехнического ряече-"п и приведеш результаты натурних испытаний холодильника.
Известные, методики расчета плоских солнечных коллекторов предназначены для определение ейіектнвности гелионагревателвя проточного типа. Поэтому, с целью изучения тепловых характеристик генератора-адсорбера был смонтирован стенд-имитатор солнечного излучения с ртутно-дуговши лампами, имеющими спектр излучения,
близкий к солнечному. Ло результатам экспериментальных иселедо-
йгс.З Схема лабораторной иоделм холодильника.
1-геявратор-адсорг5ер, 2-электронагреватель, Э-иольритель, 4-ресияер. 5-кондекса.ор.
М-Ю'\ ем3 р, .
О'' ' ' . 6 IZ /8 Т,чае.
Рис.4 Характеристики суточного холодильного цикла,
(н - 100 Вт. ?ген= 0.3' ма) .
1,2-тем5'ературы на поверхности и в слое сорбента, 'З -давлений конденсации (испарения) хладагента, 4 -количество дееорбирсьанного хладагента.
ввний построена зависимость 'геплоштерь солнечного коллектора от
температуры генератора-
0,2 О.Ч 0.6 0.8 a/a нас
Рис.5 Зависимость коэффициента массоотдачи от степени регенерации сорбента.
адсорбера. Теллояотери определялись по выходу . генератора-адсорбера на равновесную температуру (без выпаривания хладагента) при различии* фиксированных величинах плотности светового потока .
Солнечная энергия', . подводимая к генератору-адсорберу, расходуется на десорбцию паров1 хладагента, нагрев насыщенного сорбента, а также на разогрев/ конструкции ( металл», теплоизоляции, стекла), т.е.
Ji=1
n=1
П-1
) +
(4)
(
+ [V
*A
П-І'
+ flrA-V.>i'
lg Р-1/Т
(рие.1) но температуре Т генератора, а к.п.д. солнечного коллектора - из зависимости n = tf) (Т).
С помощью уравнения (4) по климатическим данным I = /(т) можно рассчитать оптимальное количество сорбента в генераторе-адсорбере. К примеру,' для климатических условий Крыма, расчетная зягрузка генератора-адсорбера на рабочей паре бромистый литий-уетянол составляет 12 кг на 1 м3 площади солнечн го коллектора.
Оптимальная ориентация неоледящих. солнечных коллекторов определяется по сезонным тепловым характеристикам и зависит от назначения системы. Специфика солнечного злэдоенабжения закличяется -h том. что поступление солнечной енергии в коллектор должно быть максимально в'период десорбции^ладагента (*с9 до 15 час), когда"интенсивность солнечного излучения и температура генератора-адсорбера достаточны для осуществления процесса.
Расчет среднего угля наклона солнечного коллектора преизво-
где текущее значение M определяются из диаграммы
дилоя о учетом почасовой интенсивности солнечной радиации в тече ннг сезона. Для юга Украины (широта 47) при сезоне експлуатации холодильники апрель-сентябрь оптимальний угол наклона составил
31. ' ,...;'
В гелиоадеорбционном холодильнике испаритель является, одновременно аккумулятором холода, т.е. в процессе испарения хладагента происходит намораживание льда на внешней поверхности испарителя. Поетому, необходимая поверхность испарителя определялась с учетом толщины слоя льда, который может обрааоваться на стенке за время цикля выработки холода при заданной температуре кипения хладагента. Расчетные зависимости получены из решения Стефана йвдачи о промерзании влежного грунта. В частности, при продолки-'і'яльнооти иу на выработки холода 10 чао и средней температуре стенки испарителя - 3 "С расчетная поверхность испарителя составляет 0.2 м3 на і м2 площади солнечного коллектора.
ЗгЯЗт/сн*
О '~Г~І2. ц 36 if's ' 60 7^ vac.
Рис.6 Результаты натурных испытаний гелиоадсорбционного холодильника. Крым, июль 1992 г. 1-температура генератора-адсорбера, 2-температура конденсатора', 3-температура в холодильной камере, 4-интенсивность солнечной радиации, 5-темпераг ура „атмосферного воздуха.
На основе разработанного сорбента создано несколько модификаций гелиоадеорбциогошх холодильников.' .Натурные испытания 'приводились в 1992-94'гг. в Крыму. Генератор-ячоорбер имел селектич-ное покрытие ."черный хром" и двойное остекление. Холодильник дополнительно оборудован ртутним ІГ-образннм манометром я стеклянным тарировйнннм ресивером, уетмювленным ив линии между конденсатором и испарителем. В процессе испытаний регистрировались параметры окружающей среди, температура в холодильной камере,' на, поверхности генератора-адсорбера и конденсатора.
Испытания показали, что основные эксплуатационные харятерио-тики установки соответствуют расчетным. Средняя температура в холодильной Kakjpe в течение суток составляла от +1 до +7 0 (рис.6). Величина приведенного теплового коэффициента 0.11-0.13-
' УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
а-коэфициент тешерятуропроводности; я,т - величина адсорб
ции; с-уделъняя теплоемкость (с - сорбента, г - генератора, лл -
хладагента, го - средняя); D .- хоефЬадиент диффузии; R_ - .радиус
иара; є, Mi - теплота десорбции; ? - площадь (ген - генератора);
М,0 - масса (с-сорбента, і1-генератора); ) - плотность : Т -
интенсивность солнечного излучения; п. ~ коэффициент полезного
действия; с - Бремя; р - давление ^-конденсации, о -испарения, s
, ~ насыщенного пара); Ф ,# - тепловой и приведенный тепловой ко-
вффиииенты; Т - температуря (д~десорбции, к-конденеации, с-
еорбции, о- испарения, н-начальная); Q - тештота (а-адсорбции,
дес-дееорбции, ген-генератора, хл-хладагента, сор-сорбента, рег-
регекерзции). .
