Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса в области проектирования тепловых накопителей двигателя стирлинга 8
1.1. Источники теплоты для систем нагрева двигателей стирлинга 8
1.2. Тепловой накопитель двигателя стирлинга 12
1.3. Моделирование тепловых процессов в накопителе энергии 16
Глава II. Моделирование теплового накопителя с одновременными пр оцессами под вода и отвода энергии 20
2.1. Введение 20
2.2. Допущения и ограничения 21
2.3. Системы уравнений в размерном виде 22
2.4. Введение безразмерных величин 23
2.5. Методика оценки режимов работы теплового накопителя 26
2.6. Решение систем уравнений 29
2.7. Расчет эксергетического коэффициента полезного действия 32
2.8. Достоверность предложенной модели расчета теплового накопителя 36
2.9. Выводы 52
Глава III. Численное исследование модели 54
3.1. Исследование влияния коэффициента направленности процесса на безразмерную скорость передвижения границы фазового перехода 54
3.2. Исследование влияния коэффициента направленности процесса на безразмерные температуры 70
3.3. Исследование эксергетического коэффициента полезного действия 82
3.4. Выводы 91
Глава IV. Реализация предлагаемой модели 93
4.1. Общее описание установки 93
4.2. Расчет параметров теплового накопителя для утилизационной Энергетической установки 96
4.3. Рекомендации по проведенному расчету 101
Заключение 102
Список сокращений и условных обозначений 104
Список литературы
- Тепловой накопитель двигателя стирлинга
- Системы уравнений в размерном виде
- Исследование влияния коэффициента направленности процесса на безразмерные температуры
- Расчет параметров теплового накопителя для утилизационной Энергетической установки
Тепловой накопитель двигателя стирлинга
Древесное топливо В качестве энергии для ДС может быть использована печь на древесном топливе. Для двигателя предпочтительно чтобы температура нагревателя была стабильной, т.к. недостаточное количество теплоты (даже кратковременное охлаждение) может привести к его остановке.
Теплота от печи передается сначала на внешнюю поверхность нагревателя и лишь затем (от прогревшейся поверхности) нагревается рабочее тело в «горячем» цилиндре ДС.
В XIX и начале XX века было налажено мелкосерийное производство ДС на дровяном или угольном топливе. Топливо в камере сгорания приходилось периодически перемешивать вручную для обеспечения более-менее равномерного подвода теплоты к нагревателю ДС.
При использовании современного топлива древесного происхождения (пел-леты, гранулы), систему его подачи к ДС возможно автоматизировать, что улучшит равномерность горения и процесс теплоподвода в целом.
Пример нагрева одноцилиндрового ДС от горелки работающей на древесных гранулах можно увидеть на рисунке 1.1 [89].
Принцип работы подобной установки достаточно прост: гранулы по винтовому конвейеру поступают в газогенератор, на предварительно подогретый, с помощью электрического нагревательного элемента (до температуры 300 С) экран. Затем полученный горючий газ поступает непосредственно в саму горелку. Пламя горелки направлено на нагреватель ДС сверху вниз. Его температура достигает 850С, а скорость - 80-90 км/ч. Расход топлива – 3 кг гранул в час. Получаемая на выходе из ДС электрическая мощность – от 1,5 до 3,0 кВт, тепловая – от 4,5 до 10,5 кВт. Электрический КПД ЭУ равен 20-25%.
Перспективно между печью и ДС использовать ТН, который позволит стабилизировать подвод теплоты. Газифицируемые топлива и горючие газы
Стенка горячего цилиндра ДС нагревается направленным на него непосредственно открытым пламенем горелки. В качестве топлива может быть использовано любое жидкое и газообразное топливо. Сегодня разработаны и успешно применяются для генерации теплоты:
1. Спиртовые горелки. Топливо – спирт. Достоинства: компактность, простота эксплуатации, долговечность, а также, при применении этилового спирта, чистота и экологическая безопасность. При использовании сухого спирта достигается повышенная надежность ЭУ. Недостатки: сравнительно низкая теплота сгорания.
2. Газовые горелки. Топливо – природный газ, пропан. Достоинства: чистота, простота в обращении, нет неприятных запахов, большое разнообразие конструкций. Недостатки: плохо работают в разряженном воздухе.
3. Горелки на жидком топливе. Топливо: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, масла (отработанное, рапсовое, подсолнечное). Достоинства: самая высокая теплота сгорания, экономичность, доступность топлива, хорошо работают при разряженном воздухе и при экстремально низких температурах. Недостатки: необходим предварительный прогрев горелки, неприятный запах от горелки и от топлива.
4. Многотопливные (универсальные) горелки (рисунок 1.2). Достоинства: позволяют использовать многие сорта жидкого топлива (кроме мазута): дизельное топливо, отработанные масла (моторные и трансмиссионные); легкое и тяжелое печное топливо; животные жиры; рапсовое или подсолнечное масло. Чтобы сменить вид топлива необходимо лишь отрегулировать подачу воздуха. Недостатки: дымность, запах.
Солнечная энергия
Солнечное излучение собирается в пучок концентратором с большой площади на очень малую (рисунок 1.3). Сфокусированный поток позволяет достичь необходимых для работы ДС высоких температур нагревателя [44, 83].
Фирма «Allison Engine Company» разработала вариант солнечной тепловой энергоустановки с двигателем Стирлинга мощностью 5 кВт (КПД 37,5%) для обеспечения энергопитания спутников на околоземной орбите. В качестве источника теплоты предположено использовать параболический концентратор диаметром 5,8 м, что обеспечит в теплоприемнике температуру 950 К. С теплоприемни 12 ком конструктивно совмещен ТН с плавящимся теплоаккумулирующим материалом. На теневых участках орбиты полета спутника в ТН происходит затвердевание материала с выделением теплоты для работы преобразователя энергии.
Тепловой накопитель для нагрева рабочего тела ДС Во всех вышеупомянутых примерах были отражены источники теплоты с переменным ее подводом к нагревателю ДС. При использовании ТН [1, 5-6, 19, 21, 35-37, 39-40, 53, 55, 57, 58, 62, 64, 67, 70, 82] нагрев поверхности горячего цилиндра двигателя [2, 3, 17, 59-61, 65, 68] происходит за счет равномерной передачи энергии от теплоаккумулирующего материала, который запасает избытки энергии, поступающей на двигатель от периодически действующего источника.
Системы уравнений в размерном виде
ТН можно классифицировать по различным признакам: по виду ТАМ [28, 66, 79, 86], по способу подвода и отвода энергии, по внутренним параметрам и т. д. [4, 48, 49, 52, 53]. По способу накопления энергии можно выделить три типа ТН: 1) с однофазным ТАМ – накопление происходит за счет теплоемкости материала; 2) с фазопереходными ТАМ – использование скрытой теплоты фазового перехода «твердое тело – жидкость» или «жидкость – пар»; 3) с химически обратимыми реакциями – накапливают тепло за счет возникновения химического потенциала в результате необратимой реакции в неравновесном состоянии.
Наиболее перспективными для применении в составе ДС являются ТН с плавящимися ТАМ (фазовый переход «твердое тело – жидкость»). До настоящего времени известны лишь единичные исследования, посвященные оценки эффективности подобных ТН с точки зрения дальнейшего получения полезной работы.
Исследованиям ТН с однофазными и плавящимися теплоаккумулирующими материалами посвящены работы Чаховского В. М. [76]; Бекмана Г., Гилли П. [5]; Богословского В. Н. [7, 8], Григорьева В. А. [20]; Грилихеса В. А. [21]; Алексеева В. А. [4]; Бежана А. [27]; Цымбалюк Ю. В. [75]; Романова В. А. [64]; Kyt M. [85] и других отечественных и зарубежных авторов.
Приведем далее примеры применения ТН для обеспечения работы ДС в различных областях. Аэрокосмическая техника
На рисунке 1.4 представлен ТН с тепловыми трубами [45]. Испарительные участки первичных тепловых труб 2 располагаются по стенкам теплоприемника сконцентрированного солнечного излучения. Излучение попадает через апертуру 1 в полость приемника и нагревает испарительные участки первичных тепловых труб. Конденсационные участки 3 погружены в ТАМ ТН. Часть энергии проходит к вторичной тепловой трубе (трубам) 4 и передается ею (ими) к преобразователю. В качестве преобразователя используется ДС 5.
Судовые энергетические установки На рисунке 1.5 показан разрез сферического модуля подводной ЭУ с ДС 15 мощностью 22 кВт [14, 74]. Диаметр сферической капсулы составил 106,7 см, нижняя часть ее была заполнена 453,6 кг фторида лития 14. Солевой раствор с погруженными в него трубками нагревателя двигателя 12 был предварительно подогрет нагревательными элементами 11. Охлаждение двигателя осуществлялось морской водой при помощи водяного насоса 18. Регулирование мощности производилось путем изменения давления рабочего тела ДС (гелий, водород).
Автотранспортная техника Фирмой «Philips» в 1970 г. было проведено обширное исследование на тему применения ДС на автомобилях. На рисунке 1.6 приведена одна из их схем автомобильного ДС с ТН, энергоемкость которого составила 77,2 кВтч [49, 74].
ТН состоит из теплоизолированной емкости, в которой размещены тонкостенные герметичные контейнеры 1 в количестве 37 штук (диаметром 80 мм.). Рисунок 1.4 – Конструктивная схема приемника солнечной энергии с тепловым накопителем и тепловыми трубами: 1 - апертура приемника солнечного излучения; 2 - испарительный участок первичных тепловых труб; 3 - конденсационный участок первичных тепловых труб, помещенный в теплоаккумулирующий материал; 4 - вторичная тепловая труба; 5 двигатель Стирлинга с электрогенератором
Внутри контейнеров размещен ТАМ. 1 большой контейнер вмещает - 3,8 кг фторида лития. 19 малых контейнеров диаметром 25 мм вмещают по 0,5 кг соли.
Контейнеры окружены распределительной сеткой 2 и погружены в натрий. Большие контейнеры располагаются в стальном цилиндрическом корпусе диаметром 0,574 м и высотой 0,582 м (объем - 0,151 м3) с максимальной плотностью. А малые контейнеры заполняют собой оставшееся свободное пространство и служат опорой большим.
При заряде ТН электронагреватель 7 работает в течение 4 часов до полного расплавления соли. Мощность подобного нагревателя составляет 40 кВт - при температуре до 1073 К и 21 кВт – при температуре 1200 К. Согласно расчетам фирмы «Philips» запасенной ТН энергии достаточно для работы автомобиля на протяжении дня.
Во время функционирования натрий испаряется и по тепловой трубе 3 переносит энергию к нагревателю ДС 4. Сконденсировавшись, натрий с помощью сетчатого фитиля 5 отводится в емкость и распределяется по поверхности контейнеров. Процесс повторяется вновь. Накопитель и соединительные трубопроводы покрыты тепловой изоляцией 6 толщиной 100 мм, что обеспечивает конденсацию паров натрия только на нагревательных элементах двигателя. Тепловые потери при экспериментах составляли 1,7 кВт при 970 К и 3,2 кВт при 1130 К.
Применение системы передачи теплоты с помощью тепловых труб весьма эффективно [50, 70, 74]. При этом существенно уменьшается «мертвый объем» и повышаются мощность и коэффициент полезного действия ДС. Кроме того, решается проблема локальных перегревов, что практически недостижимо при использовании для работы ДС различных вышеупомянутых топливных горелок.
Исследование влияния коэффициента направленности процесса на безразмерные температуры
ТН может в определенный момент времени находиться в одном из трех состояний: заряда, разряда или равновесном состоянии (см. пп. 2.1). При «чистом» заряде увеличивается количество расплавленного ТАМ, что характеризуется скоростью передвижения границы фазового перехода wс. При «чистом» разряде растет слой твердого ТАМ со скоростью передвижения границы В рассматриваемом случае результирующая скорость передвижения границы фазового перехода определяется взаимодействием предельных скоростей заряда и разряда. Введем коэффициента направленности процесса [51]:
Блок-схема методики оценки режимов работы ТН представлена на рисунке 2.2:
1. В соответствии с конструкцией ТН, задаются исходные данные: длительность процесса t; температуры теплоносителей на входе в ячейку ТН со стороны подвода Tci и отвода Tdi энергии; секундные массовые расходы теплоносителей в каналах ТН тс и md ; удельные теплоемкости теплоносителей ср с и ср j.
2. Проектант осуществляет выбор конструктивной схемы ячейки ТН (в данной работе рассматривается плоская ячейка с ТАМ, см. пп. 2.2.), определяет площадь границы фазового перехода F, коэффициенты теплопередачи со стороны подвода и отвода энергии - Кс и Kd, выбирает ТАМ с его теплофизическими свойствами (температуру плавления Тт; плотности материала р; коэффициенты теплопроводности материала Л в твердом и жидком состояниях; скрытую теплоту фазового перехода L). Оцениваются потери с помощью энергетического КПД Т]с и T]d (в данной работе, согласно допущению 13, он равен 1).
Блок-схема методики оценки режимов работы теплового накопителя 3. Учитывая рассматриваемую конструктивную форму ячейки ТН рассчитываются следующие безразмерные величины: число теплопередачи N (ф. 2.12 и 2.13); безразмерное время процесса т (ф. 2.7 и 2.8); коэффициент формы Ф (ф. 2.4) и зависящий от него комплекс R [48]:
В зависимости от состава элементов и режимов работы энергоустановки различают четыре возможных случая. 1 случай 1) Теплоноситель ДС на входе в канал ТН предварительно подогрет до Tdi
Греющий теплоноситель, покидая ТН, поступает в последующий накопитель или преобразователь энергии (рисунок 2.3). Рисунок 2.3 – Схема энергоустановки для 1-го случая Для данного случая эксергия определяется зависимостями [49] для заряда:
Теплоноситель ДС на входе в канал предварительно подогрет до Tdi (Tdi Tds). Греющий теплоноситель, покидая ТН, охлаждается до температуры, близкой к температуре окружающей среды Tds (Тсо = Tds) (рисунок 2.5).
Для определения дальнейшей возможности применения модели необходимо провести оценку ее достоверности. Сложность данной задачи состоит в том, что ТН с одновременным подводом и отводом энергии в настоящее время практически не изучен, экспериментальные данные отсутствуют. Поэтому воспользуемся уже известными данными численных расчетов по моделям других авторов [27, 49] для «чистого» заряда и разряда. Качественное совпадение результатов подтвердит достоверность предлагаемой модели.
При рассмотрении будем использовать следующие модели:
1. «LBM-модель» - модель, предложенная А. Бежаном (A. Bejan) и М. Де Лусией (М. De Lucia) [27]. Данная модель позволяет рассчитать процесс «чистого» заряда ТН с плавящимися ТАМ при передаче теплоты теплопроводностью.
2. «К-модель» - модель, предложенная М.И. Куколевым [48, 49]. Данная модель позволяет отдельно рассчитать как процесс «чистого» заряда, так и «чистого» разряда ТН с плавящимся ТАМ также при передаче теплоты теплопроводностью.
3. «V-модель» - модель, предлагаемая в данной работе. Данная модель позволяет рассчитать одновременно протекающие процессы заряда и разряда ТН с фазопереходными (плавящимися) ТАМ при передаче теплоты теплопроводностью.
Использование данных моделей объясняется тем, что они построены в рамках одних и тех же допущений. LBM-модель [27]
Моделируется процесс «чистого» заряда на примере плавления бруска материала (рисунок 2.7).
В начальный момент времени tc = О верхняя поверхность бруска непосредственно контактирует с потоком теплоносителя (однофазной изобарической жидкостью). Температура бруска в исходном состоянии принимается равной температуре плавления Тт, а параметры т-ср= const. Температура теплоносителя на входе в ТН постоянна (Tci= const) и больше температуры плавления (Tci Tm).
Расчет параметров теплового накопителя для утилизационной Энергетической установки
При минимальных значениях коэффициента v = 0,001 наблюдается практическое совпадение значений безразмерной скорости wd для ТН в состоянии разряда и «чистого» разряда {wd 0,333). Далее, в процессе увеличения коэффициента направленности, различие значений скорости wd становится более существенным. Так, например, при v = 0,99 граничные значения wd по материалам 0,175 и 0,2 (различие 14,3 %).
Понижение значений wd с ростом величины v напрямую связано с удалением от «чистого» разряда в сторону увеличения доли расплава в постоянном объеме плоской ячейки ТН.
На рисунках 3.9 - 3.10 изображена зависимость безразмерной скорости передвижения границы фазового перехода wd от числа теплопередачи Nd и коэффициента направленности процесса v для выбранных материалов.
Для сравнения на графики нанесена кривая «чистого» разряда, рассчитанная по зависимости (ф. 2.28) для тех же исходных данных и материалов.
При уменьшении значений коэффициента v наблюдается приближение кривых безразмерной скорости передвижения границы фазового перехода ТН в состоянии разряда к кривой безразмерной скорости «чистого» разряда (вплоть до их совпадения - при v = 0,001).
Например, для ТАМ 67% LiF + 33% MgF значения безразмерной скорости wd будут: 0,183 (v=0,999), 0,191 (v=0,9), 0,236 (v = 0,5), 0,308 (v = 0,l) и 0,333 (v=0,001) при Nd=2; 0,091 (v = 0,999), 0,096 (v=0,9), 0,118 (v=0,5), 0,154 (v = 0,1) и 0,166 (v =0,001) при Nd =5. Данные исследования подтверждают предположение, что при уменьшении значений v, в ТН с одновременным подводом и отводом энергии происходит превалирование процесса разряда.
На рисунках 3.11-3.12 изображены зависимости безразмерной скорости передвижения границы фазового перехода wd ТН в состоянии разряда при изменении безразмерного времени процесса rd и коэффициента направленности процесса v для исследуемых ТАМ (рисунок 3.1).
Аналогично зависимостям безразмерной скорости wd от числа теплопередачи Nd, при уменьшении значений коэффициента направленности процесса кривые безразмерной скорости передвижения границы фазового перехода ТН в состоянии разряда при одновременном подводе и отводе энергии стремятся к кривой wd «чистого» разряда. 3.2. Исследование влияния коэффициента направленности процесса на безразмерные температуры В Гл.2. получены формулы для расчета безразмерных температур стенок и теплоносителя в каналах плоской ячейки для состояния заряда (ф. 2.40 и 2.41, соответственно) и разряда (ф. 2.47 и 2.48.41, соответственно) ТН с фазопереходным ТАМ при одновременном подводе и отводе энергии.
Исследуем полученные формулы при изменении коэффициента направленности процесса и безразмерной скорости передвижения границы фазового перехода для различных фазопереходных ТАМ (см. таблицу 3.1).
Состояние заряда ТН
На рисунках 3.13-3.14 изображены зависимости безразмерной температуры теплоносителя в канале ТН co, находящегося в состоянии заряда, от безразмерной скорости передвижения границы фазового перехода wc при различных коэффициентах направленности процесса v для пяти исследуемых ТАМ.
Для наглядности на графики помещена кривая значений со «чистого» заряда, рассчитанная по формуле 2.85, для тех же исходных данных и материалов. Аналогично зависимостям безразмерных скоростей wc, кривые значений безразмерной температуры Qco при увеличении коэффициента направленности процесса v приближаются к кривой «чистого» заряда, что объяснимо теми же факторами (см. пп.3.1).
На рисунках 3.15-3.16 изображены зависимости безразмерной температуры стенки &cw плоской ячейки ТН в состоянии заряда от безразмерной скорости передвижения границы фазового перехода wc при изменении коэффициента направленности процесса v для выбранных материалов.
Зависимость безразмерной температуры Qcw от безразмерной скорости передвижения границы фазового перехода wc: а) v =1,001; б) V = 1,1; в) v=2; г) У=5; д) V=10 где: 1 - 67% LiF + 33% MgF; 2 - Ва{ОН)2 Ш20; 3 - 100% ПН; 4 - 80,5% LiF +19,5% CaF2; 5 - 100% LiF Исходные данные для рассчитываемых зависимостей: Nc=2, гс=0,01, v = 1,001ч-10, wc= 0,1 ч-0,333.
При увеличении безразмерной скорости wc безразмерная температура стенки ячейки cw увеличивается. Возможно, это связано с тем, что увеличение скорости wc происходит из-за увеличения количества энергии проводимой через стенку ТН и, соответственно, увеличения температуры стенки.
Для наглядности на графики помещена кривая зависимости 0CW для «чистого» заряда, рассчитанная по формуле (2.84). При рассмотрении видим, что увеличение коэффициента v приближает кривые безразмерной температуры всм/ для
ТН в состоянии заряда к кривой cw так называемого «чистого» заряда. Дальнейший рост коэффициента направленности процесса приведет к совпадению значений 0CW ТН в состоянии заряда и «чистого» заряда.
Также отметим, что при увеличении коэффициента направленности v перепад значений по конечным точкам кривых 0CW практически не изменен. Так, на рисунке 3.15 д) можно увидеть, что для v = 1,001 перепад составляет 91% (диапазон значений cw от 2,4910-4 при wc = 0,1 до 2,7610-3 при wc = 0,333), а для v = 10 его значение уменьшается лишь до 90,9% (диапазон значений cw от 1,1510-4 при wc = 0,1 до 1,2710-3 при wc = 0,333).
