Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общие сведения об автономных теплоэнергетических комплексах 16
1.1. Запасы и потребление энергоресурсов 16
1.2. Особенности использования различных источников энергии 20
1.3. Комбинирование возобновляемых источников энергии 24
1.4. Варианты согласования энергоустановок с потребителями 25
1.5. Эффективность теплоэнергетических установок с различными источниками энергии 28
1.6. Классификация АТК 31
1.7. Основные задачи и методы исследования теплотехнических характеристик трансформаторов и аккумуляторов возобновляемых источников энергии и теплоэнергетических комплексов на их основе 35
Глава 2. Исследование гидродинамики и теплообмена при трансформации возобновляемых видов энергии 37
2.1. Задачи исследования гидродинамики и теплообмена при трансформации возобновляемых видов энергии 37
2.2. Исследование теплообмена и гидродинамики в гелиоустановках гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами 40
2.2.1. Анализ теплообмена и гидродинамики в гелиоустановках гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами 40
2.2.2. Экспериментальные исследования теплообмена в коллекторах солнечной ^ энергии 44
2.3. Анализ теплотехнической эффективности применения пассивной системы солнечного отопления с использованием дополнительных энергосберегающих устройств 46
2.4. Исследование гидродинамики и теплообмена при прямом превращении механической энергии и теплоту в механических теплогенераторах 54
2.4.1. Аналитические исследования гидродинамики и теплообмена при прямом превращении механической энергии и теплоту в механических теплогенераторах 54
2.4.2. Экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена в механическом теплогенераторе 59
2.5. Исследования аэродинамических и энергетических параметров ветродви гателей с вертикальными полуцилиндрическими лопастями 63
2.5.1. Аналитические и численные исследования аэродинамических и энергетических параметров ветродвигателей с вертикальными полуцилиндрическими лопастями 63
2.5.2. Экспериментальные исследования аэродинамических и энергетических параметров ветродвигателей с вертикальными полуцилиндрическими лопастями .67
2.6. Исследование энергетической эффективности ветродвигателей с лопаст ными направляющими аппаратами 69
2.6.1. Анализ энергетической эффективности ветродвигателей с лопастными направляющими аппаратами 69
2.6.2. Экспериментальные исследования энергетической эффективности ветродвигателей с лопастными направляющими аппаратами 74
2.7. Исследование энергетической эффективности биоэнергетических устано вок 77
2.7.1. Анализ тепловых процессов в биоэнергетических установках 77
2.7.2. Экспериментальные исследования метаногенеза в зависимости от теплотехнических характеристик биоэнергетических установок 80
Выводы по главе 2 85
Глава 3. Исследование теплообмена в тепловых аккумуляторах с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода 87
3.1. Задачи исследования теплообмена при плавлении и затвердевании тепло-аккумулирующих материалов фазового перехода 87
3.2. Исследование теплофизических свойств теплоаккумулирующих материалах фазового перехода 89
3.2.1. Анализ теплофизических свойств теплоаккумулирующих материалов фазового перехода 89
3.2.2. Экспериментальные исследования теплофизических свойств битумопарафиновых смесей, предлагаемых для использования в качестве теплоаккумули рующих материалах фазового перехода 92
3.3. Исследование теплообмена при плавлении и затвердевании теплоаккуму лирующих материалов фазового перехода 95
3.3.2. Экспериментальные исследования теплообмена при плавлении и затвердевании слоев теплоаккумулирующих материалов фазового перехода различной формы 102
3.4. Обобщение исследований теплообмена в слоях теплоаккумулирующего материала фазового перехода 106
3.4.1. Вывод критериальных уравнений, обобщающих исследования теплообмена в слоях теплоаккумулирующего материала фазового перехода 106
3.4.2. Обобщение экспериментальных данных по исследованию теплообмена в слоях теплоаккумулирующего материала фазового перехода и сопоставление с расчетными зависимостями 107
3.5. Исследование интенсификации теплообмена при применении высоко теплопроводных инклюзивов 109
3.5.1. Форма высокотеплопроводных инклюзивов 109
3.5.2. Математическое моделирование тепловых процессов в слоях теплоаккумулирующих материалов фазовых переходов с высокотеплопроводными инклюзивами пластинчатой формы 111
3.5.3. Анализ интенсификации теплообмена при применении инклюзивов различной формы 114
3.5.4. Обобщение экспериментальных данных по интенсификации теплообмена при применении инклюзивов различной формы 116
3.6. Анализ энергетической эффективности тепловых аккумуляторов теплоаккумулирующих материалов фазовых переходов 119
Выводы по главе 3 121
Глава 4. Методики и алгоритмы теплотехнических расчетов трансформаторов и аккумуляторов тепла, использующих возобновляемые источники энергии 123
4.1. Задачи создания методик и алгоритмов теплотехнических расчетов трансформаторов и аккумуляторов тепла, использующих возобновляемые источники энергии 123
4.2. Методики и алгоритмы расчета гелиоустановок гравитационного типа.. 124
4.3. Метод дополнительной нулевой энергии для расчета основных параметров пассивной системы солнечного отопления 131
4.4. Методика расчета параметров механических ветротеплогенераторов. 135
4.5. Методика расчета и оптимизация теплотехнических параметров биоэнергетических установок 136
4.6. Методика расчета и оптимизация параметров тепловых аккумуляторов. 142
Выводы по главе 4 143
Глава 5. Комплексный анализ структуры и энергетической эффективности автономных теплоэнергетических комплексов 145
5.1. Задачи анализа структуры и энергетической эффективности АТК 145
5.2. Структурно-морфологический анализ АТК 148
5.3. Оценка эффективности элементов АТК 159
5.4. Энергетическая эффективность АТК 162
5.5. Структурно-функциональных модели АТК 170
5.6. Анализ потоков энергии в АТК 172
Выводы по главе 5 176
Глава 6. Анализ термодинамической эффективности автономных теплоэнергетических комплексов 178
6.1. Задачи термодинамического анализа АТК 178
6.2. Основы анализа термодинамической эффективности энергоустановок в АТК 180
6.3. Термодинамическая эффективность АТК с несколькими источниками энергии 190
6.4. Основные результаты анализа термодинамической эффективности АТК 196
6.5. Обобщение результатов оценки термодинамической эффективности и рекомендации по комбинированию различных источников тепла в АТК 229
Выводы по главе 6 234
Глава 7. Технико-экономический анализ и оптимизация автономных теплоэнергетических комплексов с возобновляемыми источниками энергии 236
7.1. Задачи анализа технико-экономических показателей АТК с возобновляемыми источниками энергии 236
7.2. Анализ технико-экономических показателей трансформаторов и аккумуляторов с возобновляемыми источниками энергии 237
7.3. Методика расчета технико-экономических показателей АТК с возобновляемыми источниками энергии 249
7.4. Экономико-экологическая оценка и оптимизация АТК с возобновляемыми источниками энергии 252
Выводы по главе 7 255
Глава 8. Рекомендации и практическое применение результатов исследований и разработок 257
8.1. Схемные решения комбинирования новых типов трансформаторов и аккумуляторов возобновляемых видов в энергии 257
8.2. Метод оптимизации АТК с топливными энергоресурсами, возобновляе мыми источниками энергии и вторичными энергоресурсами 268
8.3. Практическое использование результатов исследований 273
Выводы по главе 8 275
Заключение 277
Список литературы 279
Приложения 301
- Комбинирование возобновляемых источников энергии
- Исследование теплообмена и гидродинамики в гелиоустановках гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами
- Экспериментальные исследования аэродинамических и энергетических параметров ветродвигателей с вертикальными полуцилиндрическими лопастями
- Экспериментальные исследования метаногенеза в зависимости от теплотехнических характеристик биоэнергетических установок
Введение к работе
В настоящее время в мире потребляется огромное количество первичной энергии (15 млрд. т у. т. в год), в том числе в России 1,5 млрд. т у. т. в год, причем около 40 % этой энергии используется в системах теплоснабжения. Запасы топливных энергоресурсов (природного газа, нефти, угля) ограничены. После энергетического кризиса 1970-х годов большие надежды стали возлагаться на низкопотенциальные, в том числе, на возобновляемые источники энергии (ВИЭ), а также вторичные энергоресурсы (ВЭР).
В 1994 году Минэнерго Российской Федерации была разработана концепция использования возможностей малой и нетрадиционной энергетики. Руководствуясь главной целью энергетической стратегии по эффективному использованию энергоресурсов для повышения эффективности производства и жизненного уровня населения, была сформулирована задача существенного увеличения доли низкопотенциальных источников и ВИЭ в энергобалансе России. Эта задача особенно актуальна для объектов, удаленных от централизованных систем теплоснабжения, т. е. в автономных теплоэнергетических комплексах (АТК) в сельской местности, в пустынных, горных и северных регионах страны.
Однако эффективное использование различных источников энергии в АТК связано с большими трудностями, в том числе и потому, что слабо разработаны методы оценки их теплотехнической эффективности и оптимального комбинирования. Кроме того, применение ВИЭ в АТК сдерживается рядом факторов, к числу которых относятся недостаточно высокие показатели эффективности преобразования и аккумулирования ВИЭ, а также высокие удельные капитальные затраты на трансформаторы и аккумуляторы ВИЭ.
Таким образом, актуальность диссертационной работы определяется современным состоянием развития энергетики и связанной с этим необходимостью решения проблемы комбинирования и эффективного использования источников тепловой энергии, в том числе с применением ВИЭ в АТК для широкого круга автономных потребителей.
Основная идея работы состоит в разработке научных и практических основ создания оптимальных с энергетической, термодинамической и экономической точек зрения вариантов АТК на основе методологии теплотехнической оценки эффективности АТК с различными источниками тепловой энергии и использования высокоэффективных типов трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ.
Объектом исследования являются теплоэнергетические технологии и источники тепловой энергии, используемые в автономных теплоэнергетических комплексах, включая ВИЭ.
Целью работы является разработка теплотехнических основ комбинирования и эффективного использования различных источников тепловой энергии, в том числе с применением ВИЭ, в автономных теплоэнергетических комплексах для широкого круга потребителей.
Данная цель достигнута решением следующих основных задач исследования:
разработка новых единых подходов и методов оценки энергетической эффективности комбинирования различных источников тепла в АТК, имеющих сложную структуру;
разработка методологии оценки термодинамической эффективности комбинирования различных энергоисточников, включая ВИЭ, в зависимости от структуры энергокомплексов, вида энергоисточников и их вклада в общий эксергетиче-ский баланс АТК;
теоретические и экспериментальные исследования преобразования ВИЭ в тепловую энергию и разработка на их основе новых высокоэффективных типов трансформаторов ВИЭ;
теоретические и экспериментальные исследования теплоаккумулирующих материалов фазового перехода и разработка на их основе оптимальных вариантов тепловых аккумуляторов для АТК с ВИЭ;
разработка новых подходов к оптимизации вариантов АТК на основе анализа и синтеза многообразия комбинированных схемных решений с использованием различных источников энергии;
практические рекомендации по применению источников энергии, включая ВИЭ, для многих типов потребителей, удаленных от централизованных систем энергоснабжения.
Научная новизна выполненной диссертационной работы заключается:
в разработке методологии оценки АТК, получении расчетных формул для энергетического КПД АТК и энергетической оптимизации комбинирования различных источников теплоты;
в разработке новые подходов и методик оценки термодинамической эффективности отдельных установок и комбинированных схем АТК с использованием различных источников теплоты, в качестве критерия термодинамической оценки
эффективности использования эксергии теплоты в АТК введен эксергетический КПД АТК;
в теоретическом обосновании новых высокоэффективных типов трансформаторов ВИЭ на основе анализа гидродинамики и теплообмена при трансформации различных возобновляемых видов энергии в теплоты;
в получении критериальных уравнений для расчета и оптимизации основных параметров тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода;
в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении эффективности применения высокотеплопроводных металлических инклюзивов, позволяющих интенсифицировать теплообмен и в десятки раз сократить время зарядки и разрядки тепловых аккумуляторов;
в создании специальных методик и алгоритмов теплотехнического расчета оригинальных типов трансформаторов ВИЭ (гелиоустановок гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами, механических ветротеплогенераторов, биоэнергетических установок с использованием ВИЭ для подогрева биомассы) и тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода для АТК;
в разработке концепции поиска оптимальных для множества типов потребителей вариантов АТК в виде ступенчатой схемы оптимизации, включающей 5 этапов, таких как анализ исходных данных, структурно-морфологическая, энергетическая, термодинамическая и технико-экономическая оптимизация.
Достоверность научных положений и полученных в работе результатов основана на корректности постановки задач исследования и принятых упрощающих допущений; подтверждается использованием физически обоснованных математических моделей и удовлетворительным соответствием результатов математического моделирования и аналитических расчетов с данными, полученными при проведении экспериментов на опытных конструкциях установок в лабораторных и производственных условиях, как автором, так и другими исследователями, а также достаточно широкой публикацией результатов и их обсуждением на конференциях, семинарах и симпозиумах.
Личный вклад автора состоит в том, что в работу включены только собственные результаты, полученные автором: методология оценки энергетической и термодинамической эффективности АТК, теоретические, экспериментальные исследования и разработки высокоэффективных типов трансформаторов и аккумуля-
торов ВИЗ, метод поиска оптимальных вариантов АТК, проходящего в 5 этапов: анализ исходных данных, структурно-морфологическая, энергетическая, термодинамическая и технико-экономическая оптимизация.
Практическая значимость работы обусловлена тем, что разработанные теоретические и практические положения обеспечивают теплотехнические основы совершенствования трансформаторов и аккумуляторов ВИЗ, а также оптимального комбинирования различных источников энергии в АТК путем внедрения и реализации:
новых технических решений и разработок в области трансформации, аккумулирования и агрегирования ВИЗ в теплоэнергетике, жилищно-коммунальном и сельском хозяйстве;
методик расчета оптимальных параметров трансформаторов солнечной, ветровой энергии и тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода с высокотеплопроводными инклюзивами при их проектировании и эксплуатации;
ступенчатой схемы оптимизации, включающей 5 этапов, таких как анализ исходных данных, структурно-морфологическая, энергетическая, термодинамическая и технико-экономическая оптимизация, позволяющей разработать оптимальный для любого конкретного потребителя вариант АТК;
практических рекомендаций и технических предложений по АТК с ВИЗ для широкого класса потребителей, удаленных от централизованных систем энергоснабжения.
В целом, использование результатов работы и рекомендаций автора на стадии технико-экономических обоснований, технических предложений, проектных разработок и практического применения повысит конкурентоспособность и экономическую эффективность АТК с ВИЗ, существенно улучшит социально-экономическую обстановку в энергодефицитных районах и экологическую обстановку в регионах и на объектах, к которым предъявляются повышенные экологические требования.
Практическое использование результатов, полученных автором:
предложенные технологии и устройства по использованию ВИЗ, защищенные патентами, включены в региональную программу «Энергосбережение в Астраханской области в 1999-2005 годах»;
разработана техническая документация на гелиоустановки гравитационного типа, механические теплогенераторы, тепловые аккумуляторы с теплоаккумули-
рующими материалами фазового перехода, в том числе и в форме дипломных проектов принятых для внедрения для автономного теплоснабжения малоэтажных зданий, фермерских хозяйств и домов усадебного типа;
изготовлены и внедрены гелиоустановки гравитационного типа на Астраханском хозрасчетном участке Спецтеплицмонтажстроя г. Астрахани, в крестьянском хозяйстве «Хуторок» Приволжского района, на личном подворье в Харабалинском районе и ряде других объектов в Астраханской области;
разработка автономных систем инженерного обеспечения с применением ВИЭ рекомендована Ассоциацией крестьянских и фермерских хозяйств, для внедрения в хозяйствах Астраханской области, удаленных от централизованных систем энергоснабжения.
основные результаты исследований и разработок автора, использовались в ряде монографий и учебных пособий других авторов;
по материалам диссертации в Астраханском инженерно-строительном институте ведутся несколько спецкурсов: "Использование возобновляемых источников энергии в теплогенерирующих установках", " Использование возобновляемых источников энергии в системах теплогазоснабжения" и "Создание энергоэкономичных комплексов систем теплогазоснабжения и вентиляции" для студентов специальности "Теплогазоснабжение и вентиляция", часть материалов автора использованы в Астраханском государственном техническом университете при изучении дисциплин "Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии" для студентов специальности "Промышленная теплоэнергетика", а также дисциплины "Гидроустановки и возобновляемые источники энергии" для студентов специальности "Рациональное использование водных ресурсов";
спецкурс «Применение нетрадиционных возобновляемых источников энергии в сельской местности» по материалам диссертации включен в состав учебной программы обучения работников государственной власти и местного самоуправления, согласно распоряжению главы администрации Астраханской области № 914-р от 16.06.95 года.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях профессорско-преподавательского состава Астраханского инженерно-строительного института, Астраханского государственного технического университета, Региональных, Всероссийских и Международных семинарах, конференциях и симпозиумах: Региональной научно-технической конференции (РГСУ, Ростов-на-Дону, 1996), Международной научно-практической конференции
"Энергосбережение, экономика, экология" (РГСУ, Ростов-на-Дону, 1996), Областной научно-практической конференции «Астрахань вчера, сегодня и завтра» (Астрахань, 1997), Областной научно-практической конференции «Энергосбережение -2000» (Астрахань, 1999), Международной научно-практической конференции «Экономика, экология и общество России на пороге 21-ого столетия» (С.-Петербург, 1999), I и II Международных научно-практических конференциях «Проблемы инженерного обеспечения и экологии городов» (Пенза, 1999, 2000), I и II Всероссийских научно-технических конференциях «Энергосбережение на рубеже веков» (Москва, 1999, 2000), Международной научно-практической конференции «Почва, жизнь, благосостояние» (Пенза, 2000), Международном экологическом симпозиуме «Перспективные информационные технологии и проблема управления рисками на пороге нового тысячелетия» (С.-Петербург, 2000), II, III и IV Всероссийских научных молодежных школах «Возобновляемые источники энергии» (Москва, 2000, 2001, 2003), Международной выставке-семинаре «Возобновляемые источники энергии» (Москва, 2001), Международном научно-техническом семинаре «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии в XXI столетии» (Сочи, 2001), Всероссийском семинаре «Нетрадиционная и возобновляемая энергетика» (Астрахань, 2001), I Международном конгрессе "Энергоэффективная техника и технология" (С.-Петербург, 2002), Международной научно-практической конференции "Геополитика и прикаспийский регион: взгляд в XXI век" (Астрахань, 2002), Международной научно-технической конференции "Новые эффективные технологии в строительстве" (С.-Петербург, 2004), XIV Ежегодном Международном конгрессе "Новые высокие технологии газовой, нефтяой промышленности, энергетики и связи" (Астрахань, 2004).
Работа выполнена в рамках приоритетных направлений фундаментальных исследований РАН, включена в план НИР Отдела энергетики Поволжья Саратовского научного центра РАН (тема 2.1.4), в план Института энергетики АГТУ и в Государственную научно-техническую программу "Энергоэффективная экономика".
Работа проводилась по планам госбюджетных и хоздоговорных НИР Астраханского инженерно-строительного института (кафедра теплогазоснабжения и вентиляции), Астраханского научного центра Жилищно-коммунальной академии, Астраханского научного центра Академии технологических наук РФ и Астраханского научного центра Муниципальной академии. Результаты работы включены в региональную Программу энергосбережения Астраханской области на период 2001-2005 гг.
Исследования выполнялась также в рамках Международной программы "Global security and stable development" ("Глобальная безопасность и устойчивое развитие") по индивидуальному исследовательскому проекту "Small ecologically clean complexes with renewable energy sources" ("Малые экологически чистые комплексы с возобновляемыми источниками энергии") при поддержке Фонда Джона Д. и Кэтрин Т. Макартуров (США, Чикаго, Иллинойс, 1998-1999 гг.).
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:
методология оценки и энергетической оптимизации комплексного использования различных источников энергии и формулы для расчета энергетического КПД АТК, зависящего от КПД отдельных трансформаторов, аккумуляторов и энергопроводов, коэффициентов, учитывающих вклад каждого из источников тепла;
новые подходы и методики оценки термодинамической эффективности, как отдельных установок, так и комбинированных схем для АТК с использованием различных источников энергии, в качестве критерия термодинамической оценки эффективности использования эксергии теплоты впервые применен эксергетиче-ский КПД АТК;
обоснование новых высокоэффективных типов гелиоустановок гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами, механических ветротеплоге-нераторов для прямого преобразования энергии ветра в теплоту, биогазовых установок с использованием ВИЭ для подогрева биомассы и решение теоретических и практических задач по их разработке;
теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение эффективности применения высокотеплопроводных металлических инклюзивов различной формы, позволяющих интенсифицировать теплообмен и сократить время зарядки и разрядки тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода;
методика определения энергетического КПД в зависимости от теплотехнических характеристик, конструктивных и технологических параметров биореакторов на основе анализа тепловых процессов в биоэнергетических установках;
методики и алгоритмы расчета оригинальных типов трансформаторов ВИЭ и тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода, которые могут быть использованы при проектирования и эксплуатации этих трансформаторов и аккумуляторов в АТК;
схемные решения комбинирования новых типов гелиоустановок, ветротепло-генераторов, биоэнергетических установок и тепловых аккумуляторов;
- концепция поиска оптимального для любого конкретного потребителя варианта АТК в виде пятиступенчатой схемы оптимизации, включающей анализ исходных данных, структурно-морфологическую, энергетическую, термодинамическую и технико-экономическую оптимизацию.
Работу можно квалифицировать, как комплекс научно-обоснованных технических и технологических решений по проблеме совершенствования и комбинирования различных источников энергии в автономных теплоэнергетических комплексах с использованием возобновляемых источников энергии, внедрение которых может внести значительный вклад в развитие и повышение эффективности теплоэнергетической отрасли в сфере автономной энергетики.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 70 работ, в том числе 7 статей в изданиях по рекомендуемому списку ВАК, 2 монографии, 19 статей в авторитетных научных изданиях, 4 патента Российской Федерации на изобретение.
Структура и объем работы: введение, 8 глав, заключение, список литературы из 360 наименований и приложения. Общий объем диссертационной работы 308 страниц, включая 29 таблиц и 78 рисунков.
Автор приносит благодарность заведующему кафедрой теплоэнергетики Астраханского государственного технического университета, доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки и техники РФ А. К. Ильину за формирование общего мировоззрения на проблемы использования возобновляемых источников энергии и их комбинирования с другими источниками энергии в автономных теплоэнергетических комплексах, коллективам кафедры теплогазоснаб-жения и вентиляции и кафедры теплоэнергетики за помощь в проведении экспериментов, за замечания и советы при обсуждении диссертации на научных семинарах и конференциях.
Автор выражает признательность Фонду Джона Д. и Кэтрин Т. Макартуров (США, Иллинойс, Чикаго), при поддержке которого в рамках Программы по глобальной безопасности и устойчивому развитию был реализован индивидуальный исследовательский проект "Малые экологически чистые комплексы с возобновляемыми источниками энергии", послуживший импульсом к созданию методов энергетической и экологической оптимизации АТК.
Комбинирование возобновляемых источников энергии
Возобновляемые источники энергии являются неотъемлимой частью, свойством окружающей среды и поэтому целесообразно комплексное применение их в различных отраслях народного хозяйства: строительстве, ЖКХ, сельском хозяйстве и др. Например, на Филиппинах, в Китае и Индии отходы животноводства используются для производства биогаза, а также жидкого и твердого топлива, а в целом - для производства удобрений и высоко-эффективного ведения сельского хозяйства. В ряде проектов в Германии, Соединенном Королевстве и США [42, 68, 185, 198, 273, 352] для малоэтажных зданий разработаны комплексные системы теплоснабжения, в которых наряду с солнечной и ветровой энергией используются дождевая вода, вторичное тепло, быстрорастущие водоросли и др. Преимуществом таких совмещенных систем, а по существу АТК с ВИЭ, являются: неразрывная постоянная связь с окружающей средой, простота совмещения систем, возможность работы с единой аккумулирующей системой, возможность повторных циклов и оптимизации систем. Однако для эффективной работы системы, как отмечается рядом авторов, необходимо обязательно учитывать эффективность преобразования энергии и технико-экономические показатели отдельных элементов, главным образом - трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ. Малая плотность потока возобновляемой энергии и трудности регулирования режимов ее поступления не позволяют в ближайшие десятилетия ориентировать развитие энергетики исключительно на ВИЭ. Например, неравномерность потока солнечной радиации, высокая стоимость оптической системы делают солнечные электростанции (СЭС) пока неконкурентоспособными с традиционными ТЭС на органическом топливе. Себестоимость отпускаемой тепловой и электрической энергии на действующих и проектируемых СЭС оказывается на порядок выше, чем на ТЭС и АЭС. Однако в комбинированной солнечно-тепловой электрической станции мощностью 300 МВт, в которой мощность за счет солнечной радиации достигает 100 МВт и применяется аккумулирование теплоты, капиталовложения могут быть снижены до 750 - 800 долл. США/кВт, а себестоимость энергии - до 0,04 - 0,06 долл. США/кВт-ч.
Поэтому наиболее разумным в мощных источниках электрической и тепловой энергии представляется сочетание использования ТЭР с ВИЭ. Аналогичная ситуация наблюдается и автономных системах энергоснабжения. Так, например, при существующих ценах на газ и дизельное топливо, а также ценах на гелиоколлекторы, ветроэнергоустановки, газовые теплогенераторы и дизель-электрогенераторы в настоящее время наиболее экономически эффективными представляются варианты совместного применения ТЭР и ВИЭ для автономного снабжения тепловой и электрической энергией различных объектов [12, 37, 42, 68, 70, 185, 198]. Следует отметить также, что в ряде случаев дополнительно с ВИЭ могут использоваться и ВЭР, такие, как дымовые газы, конденсат, технологические потоки жидкостей и газов, сточные воды и вентиляционные выбросы [22, 29, 109, 111, 117, 145, 146, 177, 204]. Эти энергоресурсы, как отмечалось ранее, обладают рядом достоинств ВИЭ и вполне могут частично или практически полностью заменить ТЭР в АТК. При использовании ВИЭ в АТК весьма важным представляется согласование их с потребителями. От решения этой задачи во многом зависит эффективность работы не только отдельных трансформаторов и аккумуляторов ВИЭ, но и АТК в целом. Анализ литературных данных [12, 68, 70, 122, 124, 185, 190, 354] позволяет сделать выводы о возможности согласования работы энергоустановок (трансформаторов возобновляемой энергии) с потребителями, а в ряде случаев и с централизованной энергосистемой. Это справедливо как для отдельных энергоустановок, использующих ВИЭ, так и для энергокомплексов, использующих несколько видов ВИЭ (солнечную, ветровую, биогаз и др.). Согласование производства и потребления энергии в АТК с ВИЭ можно рассматривать по пяти вариантам (рис. 1.2). 1. При прямом использовании ВИЭ потребителями, чем меньше сопротивления отдельных участков в цепи расходования энергии, тем меньше размеры и стоимость энергетического оборудования. Энергоустановки должны максимально эффективно использовать ВИЭ. Сопротивления потокам энергии, а также потери (сброс энергии) в окружающую среду должны быть минимальны (рис. 1.2а). Это условие можно интерпретировать как условие максимального КПД трансформаторов ВИЭ. В этом случае будут сведены к минимуму затраты на энергетическое оборудование. 2. Использование систем управления с отрицательной обратной связью между потребителем и источником энергии невыгодно, так как приходится сбрасывать в окружающую среду часть выработанной преобразователем энергии (рис. 1.26). Такое регулирование оправдано только в случае крайней необходимости или когда удовлетворены все возможные потребители энергии. Следует заметить, что неэффективность принципа регулирования с обратной связью в энергетических установках на возобновляемой энергии является следствием постоянного существования в окружающем пространстве потоков этой энергии. Для невозобновляемого источника энергии, использующего ископаемые виды топлива, регулирование с обратной связью выгодно, так как уменьшает расход топлива. 3. Включение в энергосистему аккумуляторов энергии. Потребление энергии колеблется так же, как ее производство энергоустановками на ВИЭ. Согласовать потребление и производство энергии в энергокомплексах, не завышая при этом мощность энергоустановки, можно, только включив в энергосистему аккумуляторы энергии (рис. 1.2в).
Хорошие аккумуляторы энергии достаточно дороги, особенно если разрабатывать их приходится для уже существующей энергосистемы. Поэтому целесообразно уже на стадии проектирования подобрать высокоэффективные аккумуляторы. 4. Подключение к более крупной энергосистеме. Если согласовать энергоустановку на ВИЭ с потребителями очень сложно, от решения этой задачи отказываются (рис. 1.2г). В этом случае установку подключают к более крупной и универсальной по составу источников энергии системе. Если такие системы имеют аккумуляторы энергии, их эффективность повышается и становится возможным увеличить в них долю установок на возобновляемой энергии. 5. Использование регулирования с прямой связью с нагрузкой. Наиболее эффективная система использования ВИЭ показана на рис. 1.2д. При такой схеме к источнику энергии в каждый момент времени подключается такое количество потребителей, при котором суммарная нагрузка соответствует текущей мощности источника. При этом отдельные потребители могут в свою очередь иметь аккумуляторы энергии или подстраиваться под изменяющиеся параметры источника. В этих схемах можно использовать регулирование с прямой связью. Для согласования источников энергии с потребителями можно рекомендовать различные методы управления. Из изложенного следует, например, что в АТК с ВИЭ возможны 3 метода управления, основанные на сбросе излишков энергии, аккумулировании энергии и изменении нагрузки. Эти методы могут быть реализованы различными способами применительно ко всему АТК или к отдельным его частям. В большинстве случаев, особенно в АТК с ВИЭ, наиболее целесообразным представляется метод управления с аккумулированием энергии, эффективность которого во многом зависит от характеристик аккумулирующих систем. В АТК с ВИЭ наряду с тепловыми аккумуляторами различных типов (наиболее эффективными являются аккумуляторы с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода) при наличии биогазовых установок могут быть применены мокрые газгольдеры низкого давления колокольного типа небольшого объема. Сравнение энергетической, термодинамической и экономической эффективности преобразования ВИЭ и ТЭР в тепловую и электрическую энергию (которая для ряда автономных объектов может быть использована для отопления и горячего водоснабжения) может быть выполнено на основе сопоставления наивысших показателей энергетической, термодинамической и экономической эффективности современных энергоустановок, использующих ТЭР и ВИЭ для получения тепловой и электрической энергии, приведенных в табл. 1.5.
Исследование теплообмена и гидродинамики в гелиоустановках гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами
Рассмотрим основные результаты исследования теплообмена и гидродинамики в многоступенчатых КСЭ: теоретическое определение распределения температуры в КСЭ, среднего температурного напора, площади гелиоколлектора и определение гидравлических характеристик КСЭ с учетом изменения температуры теплоносителя по длине канала. В настоящее время для элементов КСЭ наиболее широко используются конструкции в виде штампованных листотрубных панелей, аналогичных отопительным панелям типа РСГ и РСВ [46]. Поэтому в основу математической модели процесса нагрева теплоносителя, в отличие от известных теоретических и экспериментальных работ с трубчатыми элементами и оребренными трубами, положена расчетная схема, для плоского штампованного элемента (рис. 2.1.). Ось х направлена вдоль потока теплоносителя и имеет начало на входе в элемент КСЭ. В системе отсутствуют фазовые переходы, не совершается механическая работа и изменение температуры в панели в направлении перпендикулярном оси х ничтожно мало. Количество тепла, получаемое за счет солнечной энергии и поглощаемое теплоносителем при перемещении его на расстоянии dx вдоль элемента КСЭ шириной В затрачивается на повышение его температуры на величину dt. Дифференциальное уравнение теплового баланса, отражающее распределение температуры потока t по длине канала коллектора примет вид где М- массовый расход теплоносителя в КСЭ, кг /с; с- удельная и теплоемкость теплоносителя, Док/кг -К; 1К - плотность потока солнечного излучения, поступающего на поверхность оптический КПД КСЭ; k - эффективный коэффициент теплопотерь КСЭ, Вт/м2 К; t - текущая температура теплоносителя в КСЭ, ЧС; tB - температура наружного воздуха, С. Выражая из уравнения (2.2.6) площадь элемента гелиоколлектора, получаем Из уравнений (2.2.4)-(2.2.6) видно, что изменение температуры теплоносителя по ходу движения происходит по экспоненциальному, а не по линейному закону, как это имело место в работах других авторов [3, 21, 25, 95, 189]. Для расчета многоступенчатого КСЭ следует учитывать нелинейность изменения температуры теплоносителя по длине канала коллектора, что может быть учтено введением среднеинтегральной температуры tcu.
На основании теоремы о среднем (при k=const) среднеинтегральный температурный напор &си= ten— їв в гелиоколлекторе Расчеты показывают, что значение среднеинтегальной температуры теплоносителя в канале гелиоколлектора может отличаться от среднеарифметической температуры теплоносителя t =0,5(tH +tK) на 15-22 %. Таким образом, учитывается реальный характер изменение температуры теплоносителя вдоль канала плоского КСЭ, что весьма существенно для установок такого типа. Как уже отмечалось ра нее, изменение температуры теплоносителя может достигать 40 - 50 С при однократном движении по контуру ГГТМГ, в то время, как для установок циркуляционного типа она составляет не более 6-ь8 С. Полученные формулы (2.2.9) и (2.2.10) могут быть использованы при исследовании гидродинамики ступеней гелиокол-лектора ГГТМГ. Гидродинамика течения жидкости в круглых каналах достаточно хорошо изу чена. Расчеты показывают, что в ГГТМГ в отличие от гелиоустановок циркуляци онного типа характерным является ламинарный режим течения теплоносителя при числе Рейнольдса Re 2300. В этом режиме на коэффициент линейного сопротивле ния Л в наибольшей степени влияет число Рейнольдса Re = , значения кото рого зависят от кинематического коэффициента вязкости v. Коэффициент v для наиболее широко применяемого в гелиосистемах теплоносителя - воды в диапозо-не температур t = 10-60 С изменяется в пределах v = {1,306-0,478)-10 6м2/с. Поэтому необходимо учитывать влияние на гидравлические характеристики многоступенчатого гелиоколлектора ГГТМГ изменение температуры теплоносителя по длине канала.
Таким образом, весьма актуальной является задача определения основных гидравлических характеристик многоступенчатого гелиоколлектора в зависимости от его геометрических и теплотехнических параметров. В качестве основных гидравлических параметров можно рассматривать линейные потери напора Нл в многоступенчатом гелиоколлекторе и геометрический напор Н, в качестве основных геометрических параметров - диаметр D и длину L каналов гелиоколлектора, в качестве основных теплотехнических параметров - максимальный массовый расход теплоносителя М и температуры теплоносителя tn и tK . Изменение кинематического коэффицента вязкости v может быть аппроксимировано известной экспоненциальной зависимостью где v0 - кинематический коэффициент вязкости при температуре t0, м /с; Р - температурный коэффициент вязкости, 1/С. В соответствии с формулой (2.2.6) изменение температуры жидкости по длине Lxl канала каждого из / типов элементов гелиоколлектора Максимальный массовый расход теплоносителя в гелиосистеме при макси мальнои плотности суммарного потока солнечной радиации і 7 По закону Пуазеля линейные потери напора на элементарном участке канала длиной dL, при изменении вязкости v при практически постоянной плотности жидкости в соответствии с формулами (2.2.2), (2.2.3) могут быть определены по формуле Таким образом, в результате исследования теплообмена и гидродинамики в многоступенчатых КСЭ получены формулы для определения распределения температуры в КСЭ, среднего температурного напора, площади гелиоколлектора и определены гидравлических характеристик КСЭ с учетом изменения температуры теплоносителя по длине канала. Следует однако, отметить что полученные зависимости получены в предположении, что коэффициент теплопотерь от элементов КСЭ k = const, поэтому целесообразно подтвердить экспериментально полученные аналитически формулы.
Экспериментальные исследования аэродинамических и энергетических параметров ветродвигателей с вертикальными полуцилиндрическими лопастями
Для экспериментального определения коэффициента сопротивления С, использовалась замкнутая аэродинамическая труба оригинальной конструкции, разработанная автором [222]. Она состоит из аэродинамического канала 1, внутри которого располагается вентилятор 2, частота вращения которого регулируется реостатом 3 (рис. 2.12). Для измерения скорости воздушного потока использовались трубка Пито-Прандтля 4 и микроманометр 5. Лопасть 6 размещалась в вилке, на конце которой располагался стрелочный индикатор 7, отклонение которого от нулевой отметки фиксировалось по шкале 8. Сила лобового сопротивления определялась с помощью пружины 9, расположенной рядом со шкалой 10. После включения вентилятора воздушный поток начинал циркулировать по замкнутому аэродинамическому каналу, при этом испытуемое тело (модель лопасти ВЭУ) под действием силы лобового сопротивления набегающего воздушного потока отклонялось влево от нулевой отметки. Для уравновешивания момента силы сопротивления использовался момент силы, растягивающей пружину. Эта пружина растягивалась таким образом, чтобы стрелочный индикатор вернулся на исходную нулевую отметку. Скорость воздушного потока в замкнутой аэродинамической трубе определялась с помощью трубки Пито-Прандтля и микроманометра по формуле Она имеет квазисинусоидальный характер. Коэффициент сопротивления С имеет максимальное зна- чение Стах =1,76 при р = 90 и минимальное значение Cmin = 0,42 при (р = 270. Полученные значения коэффициента лобового сопротивления могут быть использованы при определении вращающего момента и мощности ВВПЛ. Для одноступенчатого ветродвигателя с лопастным направляющим аппаратом (ВЛНА) можно воспользоваться известными соотношениями для скоростей и внутренних потерь в направляющем и выпрямляющем аппарате, на рабочих лопатках, с выходной скоростью и в зазорах между рабочими лопатками и корпусом турбины. Коэффициент мощности (энергетический КПД) ВЛНА может быть определен по предлагаемой автором формуле где Х Ф - коэффициенты скорости направляющих, рабочих и выпрямляющих лопаток; S- средний зазор между рабочими лопатками корпусом турбины; h - средняя высота рабочих лопаток; / - угол выхода потока из рабочих лопаток. г Комплексы величин А]иВ2 определяются по формулам: где осі - угол входа воздушного потока в рабочие лопатки, град; Z- коэффициент быстроходности турбин Z = U/Сі. Этот коэффициент для одноступенчатых ВЛНА практически не отличается от коэффициента быстроходности лопастных ветродвигателей Z = U/V0 = Ф U/ CL Расчеты выполненные по формулам (2.6.1)-(2.6.2), позволили при р= у/= х = 0,97 и ссі =15 получить зависимость СР= rjP=f(Z) для одноступенчатого ВЛНА (см. рис. # 2.14). Для сравнения приведены зависимости CP=f(Z) для основных типов лопа стных ветродвигателей. КПД одноступенчатого ВЛНА достигает максимального значения СР= 0,82 в 1,8 - 2,3 превышающие значения его для аксиальных ветродвигателей с 2-мя и 4-мя лопатками и в 5,5 раз, превышающих максимальное значение СР для ветродвигателя Савониуса.
Для увеличения Z может быть использован концентратор (сопло). В этом случае происходит некоторое снижение Ср за счет увеличения всех видов потерь, пропорциональных квадрату скорости потока и геометрическому параметру Ф колеса одноступенчатого ВЛНА где Dc,, Djnd- соответственно диаметры сопла, рабочего колеса и барабана; - коэффициент сопротивления сопла (концентратора). Коэффициент увеличения мощности может быть определен по формуле KN1 = (Dc/Di)2 Ср /Ср (2.6.4) Результаты расчета коэффициентов Ср]и KN! для одноступенчатого ветродвигателя с сопловым аппаратом приведены на рис. 2.15. Значение максимума коэффициента Ср1 при изменении Dc/Dj от 1,0 до 2,5 уменьшается с 0,82 до 0,38, т.е. в 2,2 раза и значение максимума смещается вправо в область больших значений коэффициента Z, величина которого увеличивается с 1,7 до 3,4 , т.е. в 2 раза. Несмотря на снижение КПД ВЛНА, его мощность увеличивается за счет концентратора пропорционально коэффициенту Км, значения которого при том же изменении Z увеличиваются с 1,0 до 2,7, т.е. 2,7 раза. При наличии концентратора, как уже отмечалось, увеличиваются все виды внутренних потерь в ветродвигателе, в частности, потери с выходной скоростью Arj. При анализе двухступенчатого ВЛНА следует учесть, что выпрямляющие лопатки установлены после второй ступени и потери на них за счет уменьшения выходной скорости также уменьшается. Расчеты показывают, что при наличии второй ступени коэффициент мощности Ср при увеличении коэффициента быстроходности Z до значения 0,6 резко увеличивается, в диапазоне 0,6 Z 1,4 остается практически постоянным и затем резко снижается при Z 1,4 (см. рис. 2.16). Коэффициент увеличения мощности по сравнению с одноступенчатым ветродвигателем без концентратора может быть определен по формуле Кки = еСРи/Ср. (2.6.7) КПД двухступенчатого ВЛНА может быть определен по полученной автором формуле Как видно из рис. 2.16, значения этого коэффициента (при є = 1,69) при изменения коэффициента Z от 0,4 до 2,0 изменяются незначительно в диапазоне 1,63 KN 1,74 и составляют в среднем 1,69. В диапазоне 0,6 Z 1,6 применение второй ступени позволяет увеличить мощность по сравнению с мощностью одноступенчатого ВЛНА с концентратором на 9 - 31%. Дальнейшее увеличение коэффициента мощности (КПД) ВЛНА, по мнению А. С. Артамонова [19], возможно за счет применения струйного компрессора, выполненного в виде укороченного сопла Лаваля, имеющего диаметр входного сечения в 1,5 - 2,5 раза больше и располагаемого после корпуса ветродвигателя. В этом случае, как отмечается в [19], возможно дополнительное увеличение мощности ветродвигателя на 80-100 %. Однако, увеличение коэффициента мощности за счет укороченного сопла
Лаваля весьма проблематично, т. к. за счет разряжения в нем возможно уменьшение расхода воздуха через проточную часть ветротурбины в результате байпасирования части воздушного потока, что в конечном итоге практически компенсирует положительное (разряжающее) влияние этого сопла на параметры ветроагрегата в целом. Таким образом, проведенные автором аналитические и численные исследования эффективности работы ВЛНА, выполненного в виде активной турбины позволили получить расчетные зависимости для определения КПД (коэффициента мощности) ВЛНА. ВЛНА имеет коэффициент мощности в 1,5-2,0 раза превосходящий коэффициент мощности лучших известных в мире типов аксиальных ветродвигателей. Применение концентратора ветрового потока позволяет при изменении отношения диаметров концентратора и входного отверстия в диапазоне от 1,3 до 2,6 позволяет увеличить мощность ВЛНА в 1,5-2,7 раза. Использование выходной скорости воздушного потока во второй ступени позволяет на 9-31 % увеличить мощность ВЛНА. Следует, однако, отметить, необходимость экспериментальной проверки основных формул, т. к. они получены в предположении, что, весь воздушный поток изменяет свое направление с помощью лопастного аппарата с осевого направления на радиальное и заставляет вращаться колесо с лопатками. Целью проведения экспериментальных исследований основных параметров ВЛНА явилась опытная проверка теоретических зависимостей для определения основных параметров, полученных автором (см. раздел 2.6.1). Экспериментальная установка по исследованию параметров ВЛНА состояла из лабораторного щита 1 для регулирования напряжения, подаваемого на осевой ветилятор 2, цилиндрической аэродинамической трубы 3 диаметром 0,5 м, направляющего аппарата 4, стабилизаторной решетки 5, уменьшающей вихреобразова-ние и выравнивающей скорость воздушного потока, двухступенчатого ВЛНА 6, микроэлектрогенератора постоянного тока 7, выполняющего роль таходатчика, вольтметра 8, используемого в качестве вторичного прибора тахометра и чашечного анемометра 9 для определения скорости воздушного потока (см. рис. 2.17). Щ
Эксперименты показали на существенное различие распределение скоростей по сечению аэродинамической трубы. Как видно из табл. 2.1 при повышении напряжения на электродвигателе вентилятора U, увеличивалась частота вращения колеса вентилятора и скорости воздушного потока в точках, расположенных на одном и том же расстоянии от оси трубы, увеличивались. При любом напряжении на электродвигателе наблюдалось существенное увеличение скорости потока в радиальном направлении. Соотношение между максимальной и минимальной скоро стью достигало значения Vmax /Vmin =1,5. Это обстоятельство следовало учитывать при определении мощности воздушного потока. Аналогичные распределения скоростей имели место и на выходе из ВЛНА. Для определения коэффициента мощности ВЛНА использовалась оригинальная методика, заключающаяся в том, что коэффициент мощности определялся по соотношениям мощностей воздушных потоков после вращающего и до неподвижного ротора ветродвигателя. Измерения и обработка результатов измерений осуществлялась в следующей последовательности. С помощью анемометра измерялась скорости воздушного потока на различных расстояниях г от оси трубы при неподвижном (принудительно остановленном) и вращающемся вале ВЛНА Vj =/(г) и V2 = / (г) при различных напряжениях U на электродвигателе, являющимся приводом для вентилятора. Одновременно измерялась частота вращения п вала ВЛНА с помощью микроэлектрогенератора постоянного тока 7, выполняющего роль таходатчика по показаниям вольтметра 8 U = f (п). Далее определялась мощность воздушного потока при неподвижном и вращающемся вале ВЛНА на основе интегрирования эмпирических зависимостей V, =f(r) И V2 =f(r)
Экспериментальные исследования метаногенеза в зависимости от теплотехнических характеристик биоэнергетических установок
Следует отметить, что в литературе практически отсутствуют данные по по лучению биогаза из навоза с фрагментами растительности, характерных для боль шинства небольших хозяйств, как в России, так и во многих развивающихся стра нах при содержании животных на подстилке. Кроме того, ряд имеющихся в лите ратуре [4, 12, 63, 286, 289] данных по динамике выхода биогаза в зависимости от времени процесса и температуры ввиду их противоречивости требовал экспери /щ ментальной проверки. В связи с этим автором был выполнен ряд лабораторных исследований по получению биогаза, при которых решались следующие основные задачи: - определение выхода биогаза из сырья, в состав которых входят коровий навоз, овечий навоз и их смесь; - исследование динамики выхода биогаза. - исследование удельного выхода биогаза в зависимости от температуры процесса анаэробного сбраживания. Средний химический состав навоза КРС, овец и их смеси (1:1) после разведе Как видно из табл. 2.2, в навозе овец содержится больше органического вещества, но меньше золы, песка и прочих неорганических веществ, чем в навозе КРС. Однако в органическом веществе навоза КРС массовая доля жира в 2 раз больше, чем в навозе овец. Массовая доля белка в навозе КРС и овец одинакова. Анаэробное сбраживание проводилось при температурах 33 и 55 С в лабораторной установке. Схема лабораторной установки для анаэробного сбраживания навоза и получение биогаза приведена на рис. 2.19. Рис. 2.19. Схема лабораторной установки для анаэробного сбраживания навоза и получения биогаза: 1 - термостат; 2 - сборник-метантенк; 3 - вытеснительный сборник; 4 - компенсатор перепада давления; 5- мерный цилиндр; 6 - термометр; 7 - магнитная мешалка; I - подогретая вода; II - субстрат; III - биогаз; IV - холодная вода Лабораторная установка включает в себя: электрический термостат 1, сборник-метантенк 2, вытеснительный сборник 3 с компенсатором перепада давления 4 и мерный цилиндр 5. Стабилизируемая температура в термостате контролируется с помощью термометра 6. В качестве метантенка использовался стеклянный цилиндрический сосуд емкостью 10 л. Для обеспечения перемешивания жидкости была установлена магнитная мешалка 7. Биогаз отводился через отверстие в верхней части метантенка, по гибкому шлангу выводился наружу и через компенсатор давления поступал в вытеснительный сборник.
Для измерения выделившегося объема биогаза, а также для поддержания постоянного давления в лабораторной установке использовался вытеснительный сборник 3. Сборник представлял собой стеклянный цилиндрический сосуд с горизонтально расположенным нижним спуском. В верхнее отверстие через пробку вставлялась трубка мерной пипетки так, чтобы нижний конец пипетки находился на одном уровне с отверстием нижнего спуска. Рабочий объем мерной пипетки выравнивал перепады давления биогаза, поступающего из метантенка. В отверстие нижнего спуска через пробку вставлялась стеклянная трубка так, чтобы внутренний конец трубки заканчивался у обреза трубки мерной пипетки. Результаты по относительному суммарному объему биогаза, выделяемого в процессе сбраживания, по данным лабораторных исследований автора и данным других авторов приведены на рис. 2.20. Они позволяют сделать вывод об универсальном характере динамики процесса выделения биогаза, получаемого из различных видов органических отходов. Рис. 2.20. Динамика относительного суммарного выделения биогаза в процессе сбраживания навоза: 1 - навоз КРС; 2 - навоз овец; 3 - смесь навоза КРС и овец (t=33C); 4 - навоз КРС; 5-навоз овец; 6 - смесь навоза КРС и овец (t=55C) Динамика относительного суточного выхода биогаза в процессе сбраживания показана на рис. 2.21. Суточный объем получаемого биогаза зависит от температурного режима и имеет для мезофильного режима (t=35C) и термофильного режима (t=55C) ряд характерных временных интервалов развития и затухания процесса, обусловленных соотношением массы микроорганизмов и питательных веществ, перерабатываемых ими в биогаз и неорганический осадок (компост). alt2 - эмпирические коэффициенты, соответственно равные для мезофиль-ного режима а і = 0,68, для термофильного режима а2 0,16. Зависимость (2.7.10) может быть использована при проектировании небольших БЭУ периодического действия.
В ряде случаев могут быть применены 2-4 биореактора, циклы работы которых сдвинуты по фазе. Обобщение данных по удельному выходу биогаза в зависимости от температуры (рис. 2.22) позволило получить эмпирическую зависимость в виде полинома второй степени, по которой на основе данных, полученных при мезофильном режиме при температуре t = 33 С v33 можно определять величину v в широком диа-позоне температур 15С t 55С Рис. 2.22. Удельное выделение биогаза в зависимости от температуры процесса анаэробного сбраживания: 1 - навоз КРС; 2 - навоз овец; 3 - смесь навоза КРС и овец 50 / 50 %, хц = 30 сут., данные автора; 4 - навоз КРС, гц = 15 - 21 сут. [63]; 5 - свиной навоз , тц =10 сут. [286]; 6 - навоз КРС, хц = 10 сут. [289] Анализ изменения температур наружного воздуха в ряде городов России, СНГ и зарубежных стран позволил автору получить эмпирическую зависимость для определения среднемесячных температур наружного воздуха где t m - среднемесячная температура наружного воздуха в январе, С; А, — годовая амплитуда среднемесячных температур, С; п — номер месяца в году. Полученные формулы могут быть использованы для расчета основных конструктивных и эксплуатационных параметров при проектировании небольших БЭУ периодического действия, характерных для автономных систем теплогазоснабже-ния и АТК с ВИЭ. Они могут быть применены и для определения их энергетического и эксергетического КПД.
