Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса о проблемах совершенствования гелиоэнергетических термотрансформаторов на твердых сорбентах 9
1.1. Обзор научно-исследовательских работ и патентных
исследований поданной проблеме... 9
L2. Термодинамические и теплофизические особенности процессов (нагрева, охлаждения, «сухой» абсорбции, десорбции, кипения, конденсации и т.д.), протекающие в гелиоэнергетических установках на твердых сорбентах 32
1.3. Анализ и сопоставление теплофизических и термодинамических характеристик и свойств рабочих пар веществ для гелиоэнергетических термотрансформаторов «сухой» абсорбции 48
1.4. Структурная схема настоящего исследования 55
Глава 2. Разработка способов повышения эффективности работы гелиоэнергетического термотрансформатора «сухой» абсорбции 59
2.1. Термодинамические и теплофизические основы работы термотрансформатора «сухой» абсорбции 59
2.2. Исследование и расчет плоских концентраторов солнечной энергии на различные виды поверхности 65
2.3. Разработка эффективных солнцепоглощающих покрытий... 79
2.4. Исследование коэффициентов теплопроводности, теплоемкости, температуропроводности солей щелочноземельных металлов с примесями компонентов графита 88
Глава 3. Разработка конструкции гелиоэнергети чес кого термотрансформатора «сухой» абсорбции и ее экспериментальные исследования 98
3.1. Описание экспериментальной установки и методики исследования 98
3.2. Результат экспериментальных исследований. Оценка погрешности измерений 109
3.3. Разработка конструкции нового генератора 124
Глава 4. Разработка математической модели расчета эффективности гелиоэнергетического термотрансформатора «сухой» абсорбции 130
4.1. Моделирование теплофизических процессов в гелиоэнергетических термотрансформаторах 130
4.2. Способы оценки эффективности работы гелиоэнергетических термотрансформаторов 137
4.3. Математическая модель и алгоритм расчетной программы... 143
4.4. Анализ эффективности работы гелиоэнергетического термотрансформатора «сухой абсорбции» 152
Заключение 170
Литература 172
Приложения 182
- Термодинамические и теплофизические особенности процессов (нагрева, охлаждения, «сухой» абсорбции, десорбции, кипения, конденсации и т.д.), протекающие в гелиоэнергетических установках на твердых сорбентах
- Исследование и расчет плоских концентраторов солнечной энергии на различные виды поверхности
- Исследование коэффициентов теплопроводности, теплоемкости, температуропроводности солей щелочноземельных металлов с примесями компонентов графита
- Способы оценки эффективности работы гелиоэнергетических термотрансформаторов
Введение к работе
Актуальность проблемы. Повышение эффективности рабочих процессов в термотрансформаторах сорбционного типа циклического действия, работающих с использованием энергии солнечной радиации, является актуальной проблемой развития современной энергетической техники. Интенсифицировать теплофизические и термодинамические процессы, протекающие в гелиоэнергетических термотрансформаторах, позволяет улучшение теплофизических свойств рабочих веществ, использование энергетически эффективных концентраторов солнечной энергии, применение новых солнцепоглощающих покрытий.
Гелиоэнергетические термотрансформаторы можно использовать в качестве источников горячего теплоснабжения, отопления, охлаждения, замораживания и кондиционирования. Поэтому повышение эффективности их работы, способствующее их повсеместному распространению, позволит существенно экономить традиционные энергоносители и внести значительный вклад в потребление и сохранение экологической чистоты окружающей среды за счет работы на дешевых, озонобезопасных веществах.
Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является повышение и оценка эффективности работы гелиоэнергетических термотрансформаторов за счет интенсификации физико-химических сорбционных процессов, протекающих в аппаратах, исследование новых рабочих веществ с улучшенными теплофизическими свойствами отдельных компонентов, энергетически-эффективных солнцепоглощающих покрытий и совершенствования конструкций аппаратов.
Данная цель была достигнута решением следующих задач:
-
Проведением анализа научной и научно-технической литературы по изучению рабочих процессов гелиоэнергетических термотрансформаторов на твердых сорбентах «сухой» абсорбции и адсорбционного типа; сопоставлением сравнительных термодинамических характеристик рабочих веществ, используемых в термотрансформаторах циклического действия.
-
Изучением особенностей термодинамических и физико-химических тепломассообменных процессов «сухой» абсорбции - десорбции; экспериментальным исследованием теплофизических свойств рабочих веществ с различными компонентными добавками.
-
Анализом концентрирующей способности солнечного потока в элементах гелиоприемных аппаратов термотрансформатора циклического действия на поверхность реактора; определением физико-химических и теплофизических параметров солнцепоглощающих покрытий.
-
Созданием экспериментального термотрансформатора «сухой» абсорбции и исследованием основных теплофизических и физико-химических процессов -«сухой» абсорбции, десорбции, кипения, конденсации, тепломассообмена и др., протекающих в нем в режиме суточного цикла.
-
Разработкой алгоритма расчетной математической модели гелиоэнергетического термотрансформатора на основе модельных
представлений теплофизических процессов в ее аппаратах, проведением анализа работы и определением термодинамической эффективности гелиоэнергетического термотрансформатора.
Научная новизна. Проведен анализ термодинамического цикла работы
гелиоэнергетического термотрансформатора «сухой» абсорбции в диаграмме
Клапейрона (1пР-(-1/Г)) на рабочих веществах SrC^/NI^. Впервые разработана
физико-химическая модель тепломассообменных процессов «сухой»
абсорбции-десорбции сорбента и хладагента. Получены математические
зависимости по геометрическим характеристикам и концентрической
способности плоских зеркал солнечной энергии в гелиоприемных устройствах
на поверхностях труб различной конфигурации при одно-, двух- и трехкратном
отражении. Исследованы радиационные, оптические, физико-химические
характеристики новых солнцепоглощающих покрытий, полученных методом
оксидирования. Предложены экспериментальные зависимости
теплофизических характеристик сорбентов с компонентами графита. Разработан алгоритм математической модели для расчета циклов термотрансформатора «сухой абсорбции» на основе изучения и анализа теплофизических процессов, позволяющий оценить качество работы в широком диапазоне параметров и различных характеристик сорбентов (СаСЬ, SrCb, ВаС12).Введены критерии оценки термодинамической эффективности работы солнцеиспользующих термотрансформаторов «сухой абсорбции». Проведены экспериментальные исследования и получены новые данные, подтверждающие полезный эффект работы гелиоэнергетического термотрансформатора.
Достоверность научного положения и полученных результатов основана на применении законов химической и технической термодинамики, физики, математики, подтверждена экспериментальными данными на созданной установке. Сравнительный анализ полученных результатов с аналогичными работами других авторов подтвердил достоверность научных гипотез, положенных в основу данной работы. Итоги исследований были опубликованы и обсуждены на научных и технических конференциях.
Практическая ценность результатов данной работы заключается в том, что результаты теоретических и практических исследований, разработанные модели, номограммы, расчетные программы приняты для проектирования новой техники и их аппаратов в ОАО «Машиностроительный завод «Прогресс»» и внедрена технология солнцепоглощающих покрытий, методики расчета термотрансформатора и новая конструкция реактора генератора-абсорбера гелиоэнергетических термотрансформаторов «сухой» абсорбции (заявка на патент РФ № 2003106499).
В Астраханском государственном техническом университете результаты исследований включены в методические указания по курсам технических дисциплин энергетических специальностей на кафедрах «Холодильные машины» и «Теплоэнергетика».
В целом, результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований могут служить научной основой по созданию новых технических и технологических решений в химическом машиностроении, в промышленной
теплоэнергетике, в гелио- и светотехнике, в холодильной промышленности и др. отраслях производства.
Апробация работы. Основные материалы работы были доложены и
обсуждены на: Международной конференции «Новые информационные
технологии в региональной инфраструктуре», Астрахань, 2001;
Международной конференции «Проблемы энерго- и ресурсосбережения в
промышленном и жилищно-коммунальном комплексе» и Всероссийской
конференции «Экологичность ресурсо- и энергосберегающих производств на
предприятиях народного хозяйства», Пенза, 2002; Международной научной
конференции «Инновации в науке и образовании-2003», Калининград, 2003;
Международной научной конференции «Энергообеспечение и
энергосбережение в сельском хозяйстве», Москва, 2004; Международной научно-практической конференции «Проблемы развития централизованного теплоснабжения», Самара, 2004; IV международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» Вологда, 2004.
Научные разработки демонстрировались на международных выставках «Инрыбпром-2002» (Санкт-Петербург), «Энергосбережение-2002» (ВВЦ, Москва).
Работа соответствует Приоритетным направлениям фундаментальных
исследований ОФТПЭ РАН, включена в план НИР Саратовского научного
центра РАН, включена в Государственную научно-техническую программу
«Энергоэффективная экономика», в региональную Программу
энергосбережение Астраханской области на период 2001 - 2005 гг., в программу Международной академии холода на период до 2005 года, а также выполнялась по планам госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ Астраханского государственного технического университета кафедры «Холодильные машины».
Личный вклад автора. В диссертацию включены следующие результаты, полученные лично автором: анализ энергетической эффективности концентраторов солнечной энергии гелиотермотрансформаторов; обобщенные зависимости для теплофизических характеристик твердых сорбентов с различной концентрацией примесей и радиационные, оптические свойства новых солнцепоглощающих оксидированных покрытий; результаты экспериментальных исследований термодинамических и тепломассообменных процессов в термотрансформаторах; математическая модель и алгоритм программы расчета на основе анализа физических представлений; анализ эффективности работы термотрансформатора по предлагаемым критериям на основе обобщения экспериментальных данных.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:
сравнительные термодинамические характеристики рабочих веществ, рекомендуемых для использования в гелиоэнергетических термотрансформаторах;
анализ термодинамического цикла работы гелиоэнергетического термотрансформатора «сухой» абсорбции на рабочих парах SrCfo/NHj.
физико-химическая модель тепломассообмена в реакторе гелиоэнергетического термотрансформатора;
экспериментальные данные по исследованию теплофизических свойств сорбентов с примесями графитовых компонентов;
расчетные номограммы и методика анализа эффективности концентрирующей способности плоских зеркальньж отражателей на трубках различных конфигураций реактора гелиоэнергетического термотрансформатора;
результаты исследований теплофизических характеристик солнцепоглощающих покрытий, полученных методом оксидирования;
алгоритм математической модели для анализа эффективности работы гелиоэнергетического термотрансформатора «сухой» абсорбции с использованием теплофизических модельных представлений.
Диссертация является законченной квалификационной работой, в которой
научно обоснованы технические и технологические решения по проблеме
повышения эффективности работы гелиоэнергетических
термотрансформаторов циклического действия, внедрение которых внесет значительный вклад в развитие и повышение эффективности теплоэнергетической и холодильной отраслей страны.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 16 работ, получено положительное решение на патент РФ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Работа изложена на 181 странице, включая 118 рисунков, 6 таблиц и списка использованной литературы из 106 наименований.
Термодинамические и теплофизические особенности процессов (нагрева, охлаждения, «сухой» абсорбции, десорбции, кипения, конденсации и т.д.), протекающие в гелиоэнергетических установках на твердых сорбентах
Под абсорбцией понимается экзотермическое образование аммиакатов из парообразного аммиака и твердого абсорбента. Под десорбцией понимается процесс, противоположный абсорбции, т.е. эндотермическое освобождение аммиака из комплекса. Понятие сорбции описывает все процессы, состоящие из абсорбции и десорбции. Сухие абсорбционные термотрансформаторы подробно исследовали Розенфельд Л.М., Тимофеевский Л.С., Минкус Б.А. и другие ученые [35, 56]. Термодинамические и теплофизические процессы, протекающие в гелиоэнергетических термотрансформаторах на твердых сорбентах имеют специфические особенности, связанные с неравномерностью нагрева генератора солнцем в течение суток, охлаждением абсорберов, процессами конденсации, кипения и т.д. Термодинамические величины систем с твердым абсорбентом, такие как давление и температура напрямую не зависят от их концентрации, и при определенных концентрациях являются непостоянными. Эта особенность обусловлена характером химического соединения, определяемого исключительно мольными соотношениями веществ, входящих в данную систему [48,43]. Для работы гелиоэнергетических термотрансформаторов «сухой» абсорбции применимы пары рабочих веществ на основе солей щелочноземельных металлов и аммиака: аммиак - хлористый кальций (NH3/CaCl2); аммиак - хлористый стронций (NH3/S1-CI2); аммиак - хлористый барий (NH3/BaCI2). Наиболее распространенными при использовании в «сухих» термотрансформаторах считаются пары: аммиак - хлористый кальций (NH3/CaCl2) и аммиак - хлористый стронций (NH3/SrCl2) [9]. Один моль СаС12 способен поглотить 1, 2, 4 или 8 молей NH3, с образованием соответственно, моно , ди-, тетра- или октоаммнакатов хлористого кальция при нагреве до соответствующих температур, тогда как соль хлористого стронция может образовывать только о кто- и моноаммиакаты, существование же диаммиаката Хюттихь в 1922г. [91], хоть и наблюдал, но ставил под сомнение. Более поздние исследования [90] тоже не подтвердили наличие диаммиаката SrCl2. Вид комплексного образования таких соединений определяется температурой солей.
Уравнения реакций комплексных соединений СаС12 с NH3 [5]: В большинстве сорбционных термотрансформаторов процессы происходят до образования окто- или тетроаммиакатов, т.к. образование диаммиаката требует подвода значительно большей температуры. Стадия разложения октоаммиаката (СаСЦ-ВЫНз) - 95 - 105С, стадия разложения тетроаммиаката (CaCl2-4NH3) 115-120С (Ачилов Б.М.) [5]. Из вышесказанного следует, что соль SrCl2 обладает преимуществом перед СаС12 , т.к. в конце процесса десорбции остающаяся масса аммиака в соли при равнозначных температурах нагрева реактора незначительна. Тогда как при использовании СаС12 для повышения температуры реакции необходимо дополнительное нагревание соли. При абсорбции необходимо соответственно охлаждение абсорбента между двумя ступенями. Самая высокая удельная абсорбционная способность у CaCl2 8NH3 - па один килограмм соли приходится один килограмм двести двадцать грамм аммиака. Т.к. десорбция до чистых солей (СаС12, SrCl2 и ВаС12) в солнцеиспользующих установках невозможна из-за невозможности достижения в простых коллекторах температуры порядка 160 - 165 С при 1,6 МПа, то наличие остаточной массы аммиака в абсорбенте способствует только повышению специфической теплоемкости. SrCb является в данном случае лучшим абсорбентом. Буффингтон [11] указывал, что максимальную удельную холодопроизводительность в установках можно достичь с рабочей парой NH3/SrCl2. В своих исследованиях он доказывал, что хлорид стронция очень хорошо подходит в качестве абсорбента для аммиака. В результате изучения характера комплексных соединений были определены температурные зависимости для аммиаката хлористого кальция и хлористого стронция (рисЛ.20) и кривые давления диссоциации для рабочей пары материала NH3/CaCb (рис. 1.21).
При рассмотрении экспериментальных характеристик, полученных этими авторами [81] четко прослеживаются довольно значительные колебания температурных параметров. Эти колебания связаны с особенностями процессов «сухой» абсорбции - десорбции, которые имеют скачкообразный характер и протекают с поглощением или выделением теплоты химических реакций. Авторами приведены графики изотерм аммиакатов хлористого кальция и хлористого стронция, из которых следует, что при изменении количества аммиакатов соли давление прыгает скачкообразно (рис. 1.20). Анализ кривых давления паров над твердыми аммиакатами показал, что давление аммиака над солями при одинаковой температуре выше, чем давление твердых сорбентов (рис. 1.21). Оценку особенностей фазовых переходов, условие фазового равновесия, а также обработку экспериментальных данных по химической взаимосвязи хладагента и сорбента можно провести по уравнению Клапейрона Клаузиуса:
Исследование и расчет плоских концентраторов солнечной энергии на различные виды поверхности
Для повышения эффективности работы гелиоэнергетических систем, установок, термотрансформаторов [14, 18, 40, 39, 54, 99, 58, 15 и др.] требуются высокотемпературные аппараты, эффективность которых достигается за счет совершенствования конструкции концентраторов солнечной энергии. Проведены по методике [18, 39] теоретические и экспериментальные исследования концентрирующей способности плоских зеркальных отражателей на поглощающие поверхности различной формы. Геометрические параметры и размеры концентраторов солнечной энергии рассматриваемых конструкций (рис.2.5), определяем для двух- или трехкратного отражения солнечных лучей от зеркал. На рисунке: Н - высота концентраторов; W - величина раскрытия зеркал; L0 , L - геометрические размеры; G и Q - поверхности зеркал концентраторов; а и R характерные размеры поглощающей поверхности; S - величина поглощающей поверхности; Li , L2 , L3 - размеры участков зеркал с разной кратностью отражения солнечных лучей (одно-, двух- и трехкратное отражение). Оценка эффективности концентраторов основывается на приведенных ниже уравнениях, которые связывают геометрические параметры конструкции с характерными размерами поглощающих поверхностей [46, 58,99]. Для конструкции концентраторов (рис.2.5а) при двукратном отражении солнечных лучей исходные уравнения: В концентраторах (рис.2.5а) согласно закону отражения луч претерпевает двойное отражение при угле раскрытия 0 зеркал менее 45, а при угле раскрытия 0 = 90 теряет отражающую способность. В концентраторе (рис.2.56, г), луч претерпевает двойное отражение при угле раскрытия 0 менее 60, а при угле раскрытия 0 60 луч отражается только один раз, прежде чем достигнет поглощающей поверхности. В концентраторе (рис.2.5в) тройное отражение достигается при угле открытия зеркал 0 менее 36. По приведенным уравнениям для углов раскрытия зеркал 0 в диапазоне от 0 до 90 через 5 получены номограммы (рис.2.6- 2. П) и табличные значения геометрических характеристик концентраторов.
Оценка эффективности плоских концентраторов солнечной энергии выполнена с использованием коэффициентов оптической Со и оптико-энергетической Соэ концентрации. Со - отношение прямой и отраженной от зеркал солнечной радиации, падающей на поверхность S при наличии концентраторов, к радиации, падающей на поверхность S без использования концентраторов. Соэ -отношение прямой и отраженной от зеркал солнечной радиации, падающей на поверхность S при наличии концентраторов, к радиации, падающей на площадь входного сечения концентратора шириной W. При расчете Со и Соэ принято, что падающая на поверхность S радиация равномерно распределена по поверхности. Для рассмотренных выше конструкций и условий (при угле между солнечными лучами и осью симметрии концентратора Ф = 0 ) получены расчетные формулы для Со и Соэ, которые имеют вид: нии геометрических параметров коэффициенты Со и Соэ имеют достаточно высокие величины для конструкции нарис.2.5а. Рис.2.14 Зависимости оптических Со и оптико-энергетических Соэ коэффици-ентов концентрации на цилиндрическую поглощающую поверхность (рис.2.5б) от углов раскрытия зеркал при различных отношениях W/2R (1-W/2R=2; 2-W/2R=2,5; 3-W/2R=3; 4-W/2R=3,5; 5-W/2R=4; 6-W/2R=4,5; 7-W/2R=5) [15]. Для плоских зеркал солнечных концентраторов весьма целесообразно предположить, что наиболее оптимальной конфигурацией адаптирующих поверхностей будут трубки треугольного сечения. Для этого приведены комплексные теоретические исследования по определению инсолирующей эффективности на трубки треугольного сечения методом определения оптического коэффициента. Расчет зависимости Со для трубок различных треугольных сечений проводится по формулам 2.45- 2.49. Оптограммы, представленные на рис. 2.15, показывают, что подобное расположение трубки-поглотителя треугольного сечения является наивыгоднейшим, по сравнению с другими (например, рис. 2.16), т.к. обеспечивает максимальное значение оптического коэффициента. Анализ полученных зависимостей коэффициентов оптической и оптико-энергетической концентрации для концентраторов, показанных на рис.2.5а, наиболее эффективный угол раскрытия зеркал при оптимальных размерах целесообразно рекомендовать равным 0-40, а отношение W/a =3. Для концентраторов показанных на (рис.2.5б, г) анализ полученных уравнений показывает, что эффективная работа таких конструкций возможна в диапазоне углов раскрытия от 30 - 55. Для концентраторов показанных на рис.2.5в оптические коэффициенты концентрации самые высокие, но оптико-энергетические коэффициенты самые низкие из рассчитанных конструкций. Диапазон углов раскрытия для таких концентраторов можно рекомендовать в пределах 20 - 30 . Конструкции концентраторов (рис.2.5а) и (рис.2.56) можно рекомендовать для применения в стационарных гелиоустановках, конструкцию (рис.2.5в) в гелиоустановках со следящей за движением солнца системой. Экспериментальные исследования [39] конструкций (рис.2.5а, б, г) показали совпадение опытных данных с расчетными. Таким образом, составлены уравнения и номограммы для определения геометрических размеров концентрирующих элементов. Разработаны расчетные модели для зеркальных концентраторов для одно- , двух- и трехкратного отражения на различные конфигурации поглощающих поверхностей.
Определены оптимальные коэффициенты концентраций и построены оптограммы. Одним из способов повышения эффективности работы гелиоэнергетических термотрансформаторов является разработка эффективных гелиоприемных устройств, коэффициент полезного действия которых во многом определяется окраской солнцепоглощающей поверхности. По литературным данным наиболее распространенным методом нанесения солнцепоглощающих покрытий является получение черных металлических покрытий [60] («черный хром», «черный никель», «черный кобальт» и другие), обеспечивающие хорошие поглощающие свойства. Но данные методы имеют ряд недостатков. Черное хромирование, например, характеризуется большими энергозатратами, связанными с тем, что для осаждения металлического хрома необходимо перевести его из состояния со степенью окисления +6 в нулевую степень (выход по току при этом составляет всего 15-30%, т.е. 70-85% энергии тратится впустую); высокой пористостью покрытий и большими внутренними напряжениями, приводящими к растрескиванию покрытий, что не обеспечивает достаточной защиты основного металла от коррозии; трудностью получения хромовых покрытий на алюминии. Для преодоления указанных дефектов хромовые покрытия получают на предварительно нанесенной на сталь подложке из меди и никеля, что еще более повышает стоимость хромирования. Во многих случаях более надежной защитой от коррозии в атмосферных условиях является пленка, состоящая из фосфорнокислых солей марганца и железа темного цвета. Фосфатные пленки устойчивы в смазочных маслах и
Исследование коэффициентов теплопроводности, теплоемкости, температуропроводности солей щелочноземельных металлов с примесями компонентов графита
Разработана методика и проведены экспериментальные исследования по определению теплофизических свойств солей, используемых в сорбционных термотрансформаторах. Для интенсификации процессов абсорбции - десорбции необходимо улучшение теплофизических характеристик используемых сорбентов. Этого можно добиться добавлением к щелочноземельным солям SrCl2 и СаС12 порошкообразного графита. В литературе известны аналогичные способы интенсификации теплофизических характеристик путем добавления металлической стружки в используемые сорбенты. Но зарубежными авторами не исследовалось влияние процентного содержания примесей на теплофизические свойства. Нами было изучено влияние графитовых добавок в зависимости от их процентного содержания от 1% до 10%. Было также выяснено, что добавление примесей более 10% не приносит существенного улучшения коэффициента теплопроводности. Экспериментальные зависимости коэффициентов теплопроводности (к) щелочноземельных солей SrCb и СаСЬ с примесями порошкообразного графита были получены методом линейного источника тепла постоянной мощности. Похожими методами авторы [105, 87] исследовали теплофизические свойства жидкостей и рыхлых материалов. В основе данного метода лежит закономерность развития теплового процесса в начальной стадии охлаждения или нагревания. Результат эксперимента напрямую зависит от начальных условий, т.е. должно соблюдаться постоянство и равенство температур во всех точках исследуемого вещества.
Теория метода основана на решении дифференциального уравнения теплопроводности [16]: — = а (2.50) с краевыми условиями: где U - напряжение на зонде, В; I - ток через зонд, А; Z-длина одного метра в мм, мм/м; Ьз — длина зонда, мм. Эксперименты по определению коэффициента теплопроводности чистых сорбентов и сорбентов с графитовыми примесями проводились на установке, схема которой представлена на рис.2.21. Для проектирования данной установки использовались стандартные приборы с достаточно высоким классом точности, чтобы обеспечить максимальную погрешность проведения эксперимента не более 10% при доверительной вероятности 0,95. По оси цилиндрического контейнера 2 (рис. 2.21) с исследуемым веществом 3, расположен зонд 1, представляющий собой нихромовую проволоку длиной 70мм и диаметром 0,315мм (I/d=222). Через включатель 5 (рис. 2.21) зонд подключен к стабилизационному источнику питания 6 с регулируемым напряжением. Термостат 4 (рис. 2.21) с размещенными в нем термопарами, нагревателями и теплоизоляцией называют тепловым блоком. Установка снабжена измерителем мощности 7 (рис. 2.21), состоящим из амперметра типа Ml 104 класса точности 0,2 и вольтметра типа М2020, класс точности 0,2. На середине длины зонда приклеивалась медь-константановая термопара 8 с диаметром термоэлектродов 0,1 мм для определения термо-ЭДС, которая с помощью фотокомпенсационного усилителя 9 типа Ф-116/2 через магазин сопротивлений типа РЗЗ, класса точности 0,2 подавалась на электронный самопишущий прибор 10 (рис. 2.21) типа КСП-4 со временем пробега каретки 1с. Фотокомпенсационный усилитель в данной схеме необходим ввиду малого изменения температуры По конструкции зонд представляет собой рамку из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,6 мм, обеспечивающего необходимое натяжение нагревателя и соединение всех элементов, по оси которой натянута нагревательная проволока из нихрома, к которой приклеена медь-кон стантановая термопара. Константановый термоэлектрод припаян к медной фольге - холодный спай, напротив которого расположен горячий спай. За достаточно короткое время опыта (до 10 секунд) холодный спай, находящийся на теплоемком основании и в тепловом контакте с печью-термостатом «не успевает» почувствовать изменение температуры зонда. На обратной стороне рамки подключен два константановых термоэлектрода, спай одного из которых измеряет температуру образца, а другой идет к измерительной схеме. Тепловой блок представляет собой печь с нагревательной обмоткой 3 (рис. 2.22) из ленточного нихрома (0,7x0,1) мм, изготовленную из меди и расположенную в корпусе 1, внутри которой находится стальной контейнер 4. Контейнер изготавливается из стали 1XI8H10T с внутренним диаметром 20 мм., высотой 80 мм., толщиной 0,2 мм. Зонд с термопарой соединяется с измерительной схемой посредством разъема 6. Для уменьшения тепловых потерь печь изолируют стеклотекстолитом 7. Для обеспечения герметичности теплового блока в паз корпуса укладывают уплотнительную прокладку 8, которая поджимается вставкой 9 с помощью накидной гайки 10. Установка может быть использована в диапазоне температур от 196С (жидкий азот) до 100С.
Трубка 11 служит для размещения блока в сосуде Дьюара с жидким азотом. Для уменьшения теплопритоков трубка выполняется из нержавеющей стали 1Х18Н10Т. Штуцер 12 служит как для вакууммирования блока, так и для заполнения его газом. Уплотнения 13 и 14 необходимы для вывода кабеля 15, оканчивающегося в разъеме 16. Коэффициент теплопроводности исследуемого вещества полностью зависит от изменения температуры зонда по времени при постоянном тепловом потоке с единицы длины зонда. 4 1пТ Построив графики изменения температуры зонда во времени (рис.2.23), можно определить изменение температуры в функции \пт (рис.2.24) и с помощью аппроксимации линейной функцией методом наименьших квадратов по углу наклона аппроксимирующей прямой и отрезку, отсекаемому ею на оси ординат, найти коэффициенты теплопроводности и тем п ературопроводн ости. Порядок проведения эксперимента. В качестве исследуемого вещества использовались соли СаСЬ (ТУ 3816-74 Кировочепецкого химического комбината) и SrCl2 (ГОСТ 4140-74) ЧДА АО «Экрос» с различными примесями графита. В стальной контейнер со вставленным внутрь зондом свободной засыпкой, а потом и с утрамбовкой засыпали исследуемую смесь, который затем помещали в тепловой блок. С помощью приборов измерялись соответственно сила тока и напряжение в сети, а также температура наружного воздуха. Эксперименты проводились при температуре окружающей среды. В момент времени предшествующий нагреванию зонда, температура исследуемого образца должна быть одинакова во всех точках и равна
Способы оценки эффективности работы гелиоэнергетических термотрансформаторов
Для термотрансформаторов циклического действия в настоящее время нет единой методики оценки эффективности их работы. Рассмотрим как степень термодинамического совершенства определяли некоторые научные школы и отдельные авторы. Учеными Сумаси и Лизхонгфу [101] проводилась оценка эффективности работы установки через термодинамический КПД. В основе лежит термодинамический цикл работы гелиоэнергетического термотрансформатора: анализируются процессы изостерического нагрева АБ, десорбции БК и кипения в испарителе Ж (рис. 4.4). WA И WK — первоначальное и конечное количество хладагента в начале процесса нагрева и конце процесса десорбции соответственно; ср теплоемкость насыщенного сорбента; Тж - температура кипения в испарителе; L - скрытая теплота кипения хладагента. і терм
В работе [82] степень термодинамического совершенства определяется через эксергетический КПД, определяемый как отношение термодинамического КПД к КПД Карно: VK орно а хігаост xit где Цтерм = (4.32) (4.33) dec QQ - теплота, получаемая в ночное время при получении охлаждающего эффекта, и равная произведению массы испарившегося хладагента на его удельную холодопроизводительность; 0о=т 7о (4-34) (Qwtocm+Qdec) - теплоты, идущие соответственно на нагрев сорбента в установке до начала десорбции и на непосредственно десорбцию хладагента, определяемые по теоретически выведенным зависимостям. кор = (т -П)/" (43 5) До Тген - температура генератора; Тк - температура конденсации; Табс температура абсорбции; Г0 - температура кипения. Эрхард [81] в своей работе предложил определять эффективность гелиоэнергетического термотрансформатора по показателю качества процесса Карно: Ъ = jr (436) где термический КПД: = - - (4.37) Яобщ - суммарная теплота солнечного излучения, обогреваемого поверхность генератора за день. Теплота, определяемая при получении эффекта охлаждения ночью: о=ж«-?о (4-38) где та — масса испарившегося аммиака. у -\/ КПД Карно: е = абс дес (4.39) /т /т / исп / конд где Та6с, Ttec, Tucm Тконд - средние абсолютные значения температур соответственно абсорбции, десорбции, кипения, конденсации. В работе Фолина, Гоуэтца и Гуиллота [85] при средних значениях температур TQ, Тизс, Тдес эффективность работы термотрансформатора І40 определяется через термодинамический КПД на основе анализа процессов изостерического нагрева АБ, охлаждения КМ, десорбции БК, абсорбции МА и кипения в испарителе Ж (рис. 4.4): (4.40) СОР = QAE+QBK где Qa — полезная теплота, получаемая ночью при получении эффекта охлаждения; (QAE+QEK) теплота, подводимая к системе в процессе изостерического нагрева и в процессе десорбции. Qo" — обогреваемого поверхность генератора за день. Теплота, определяемая при получении эффекта охлаждения ночью: о=ж«-?о (4-38) где та — масса испарившегося аммиака. у -\/ КПД Карно: е = абс дес (4.39) /т /т / исп / конд где Та6с, Ttec, Tucm Тконд - средние абсолютные значения температур соответственно абсорбции, десорбции, кипения, конденсации. В работе Фолина, Гоуэтца и Гуиллота [85] при средних значениях температур TQ, Тизс, Тдес эффективность работы термотрансформатора І40 определяется через термодинамический КПД на основе анализа процессов изостерического нагрева АБ, охлаждения КМ, десорбции БК, абсорбции МА и кипения в испарителе Ж (рис. 4.4): (4.40) СОР = QAE+QBK где Qa — полезная теплота, получаемая ночью при получении эффекта охлаждения; (QAE+QEK) теплота, подводимая к системе в процессе изостерического нагрева и в процессе десорбции. Qo" —м—с « м—{ ос т} (4.41) где АН - разница энтальпий; qM, ЦА количество абсорбированной массы в начале и конце процесса соответственно; М - молекулярный вес; Гас -температура окружающей среды; То - температура кипения хладагента. 2" = 1 гД fj а \ Робеет J/ Уха dT (4.42) где сп и с„ - теплоемкости абсорбента и хладагента соответственно, аЛБ - м—с « м—{ ос т} (4.41) где АН - разница энтальпий; qM, ЦА количество абсорбированной массы в начале и конце процесса соответственно; М - молекулярный вес; Гас -температура окружающей среды; То - температура кипения хладагента. 2" = 1 гД fj а \ Робеет J/ Уха dT (4.42) где сп и с„ - теплоемкости абсорбента и хладагента соответственно, аЛБ - количество хладагента, находящегося в абсорбенте в процессе изостерического нагрева. Wn QsK=\\ РаОс-п м ( exf — R Jp0{T) КР Е0 \ Ркд )) СР10 + \ Л-п ґ А ( Р -Р Л Т-рп-Е - + А WQ ехр АН+ х (4.43) Р-Е, п о J J г кип г нас.пар \\г крит кип) Р\ ) (А+АН) \гнаспар гкип 7г -т ) \ крит кип -Ркип) х dT -ДГ).А .Г-К-» где ркип и Рнас.пар плотность при кипении и насыщенных паров соответственно; fi — теплофизический коэффициент сравнения; А -абсорбционный потенциал; Е$ - энергетическая характеристика абсорбции; Ткрит - критическая температура; р0 - давление насыщенных паров; WQ -удельный микрообъем абсорбента; п — показатель экспоненты.
