Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ, классификация и проблемы создания термо трансформаторов (с использованием солнечной энергии) 11
Глава 2. Теоретические и экспериментальные исследования высоко температурных гелиоприемных устройств с плоскими концентраторами энергии для термотрансформаторов 54
Глава 3. Основы создания эффективных покрытий для поверхностей гелиоприемных устройств термотрансформаторов 89
Глава 4. Теплофизические характеристики адсорбции в термотрансформаторах 114
Глава 5. Теплофизические и термодинамические основы и экспериментальные исследования рабочих процессов гелиоисполь-зующих термотрансформаторов адсорбционного типа 141
Глава 6. Теплофизические и термодинамические основы и экспериментальные исследования рабочих процессов термотрансформаторов «сухой» абсорбции 180
Глава 7. Теплофизические и термодинамические основы процессов десорбции растворов в генераторах термотрансформаторов «мокрой» абсорбции (теплообмен, гидродинамика, недовыпаривание раствора) 211
Глава 8. Моделирование работы термотрансформаторов и их узлов при солнечном обогреве 252
Глава 9. Практическая значимость и примеры использования полученных результатов 280
Заключение 292
Литература 295
Приложение 318
Практическое использование научных результатов 355
- Анализ, классификация и проблемы создания термо трансформаторов (с использованием солнечной энергии)
- Теоретические и экспериментальные исследования высоко температурных гелиоприемных устройств с плоскими концентраторами энергии для термотрансформаторов
- Основы создания эффективных покрытий для поверхностей гелиоприемных устройств термотрансформаторов
- Теплофизические характеристики адсорбции в термотрансформаторах
Введение к работе
Актуальность проблемы. По оценкам независимых Международных организаций тенденции развития специфической отрасли теплоэнергетики -термотрансформаторной техники (низкопотенциальные и тегаюнасосные установки, водо- и воздухонагреватели, холодильные машины, охладители, морозильники и т.п.) - в будущем будут определять: рост численности населения Земли; выравнивание уровня потребления, прежде всего продовольствия и коммунальных услуг, развитых и развивающихся стран, различных слоев населения; нарастающий дефицит традиционно используемых энергоносителей; необходимость повышения эффективности топливно-энергетических ресурсов; проблемы экологии, связанные с появлением тепличного парникового эффекта и разрушением озонного слоя. В связи с этим весьма актуальной является проблема по созданию нового поколения термотрансформаторов, работающих от вторичных и возобновляемых источников энергии (прежде всего солнечной энергии). Использование экологически чистых тепло-и хладоносителей, холодильных агентов и сорбентах позволит усовершенствовать существующие типы термотрансформаторов.
Большое внимание должно быть уделено, очевидно, развитию теплоиспользующих термотрансформаторов и энергосберегающих систем: сорбционного действия, которые к настоящему времени нуждаются в существенном изменении и улучшении.
Цель работы и задачи исследования. Целью настоящего исследования является разработка теоретических и практических основ создания термотрансформаторов, использующих в качестве низкопотенциального источника тепловой энергии солнечную энергию, и совершенствование термодинамических и теплофизических рабочих процессов в них.
Данная цель достигнута решением следующих задач: разработка теоретических основ преобразования солнечной энергии в тепловую энергию для термотрансформаторов различных типов на основе высокотемпературных гелиоприемных концентрирующих систем (устройств, аппаратов) с плоскими концентраторами и селективными (солнцепоглощающими) покрытиями; разработка теоретических основ термодинамических и теплофизических процессов в гелиоиспользующих термотрансформаторах: адсорбционного типа с новыми рабочими веществами, в термотрансформаторах «сухой» абсорбции и в термотрансформаторах «мокрой» абсорбции; моделирование термодинамических циклов работы гелиоиспользующих термотрансформаторов; моделирование отдельных блоков, аппаратов и теплофизических процессов, проходящих в них при прямом и косвенном обогреве; экспериментальная и промышленная проверка результатов исследований.
Научная новизна выполненной работы заключается: в теоретической
разработке принципов расчета плоских зеркальных концентраторов
солнечной энергии на адаптирующую поверхность различной конфигурации
при одно-, двух- и трехкратном отражении на основе анализа оптических и
оптико-энергетических коэффициентов; в прогнозировании качественных
свойств селективных солнцепоглощающих покрытий путем
совершенствования технологий нанесения и получения новых хроматирующих электролитов; в создании методик прогнозирования и исследования физико-химических свойств и характеристик твердых сорбентов и рабочих веществ (хладагентов) для гелиоиспользующих термотрансформаторов; в моделировании преобразователей солнечной энергии в полезную тепловую энергию в различных конструкциях гелиоприемников (типа «горячий ящик»); в разработках теоретических основ термодинамических циклов работы и физических моделей сорбционных процессов в гелиоиспользующих термотрансформаторах периодического (циклического) действия; в получении экспериментальных зависимостей адсорбционной способности твердых сорбентов (типа АС-спирты) и обобщение их на основе уравнений Дубинина и Дубинина-Радушкевича; в создании принципов моделирования и в моделировании энергопреобразующих блоков термотрансформаторов «сухой» абсорбции: генератора-абсорбера и ресивера-испарителя; в моделировании процессов десорбции хладагентов из растворов в вертикальных каналах малого сечения при пониженных давлениях, высоких концентрациях и низких тепловых нагрузках; в моделировании термодинамического цикла работы и анализа степени термодинамического совершенства гелиоиспользующих термотрансформаторов адсрбционного типа; в разработке основ моделирования объектов обогрева в системах термоподготовки воды в теплоизолированных контурах с использованием термотрансформаторов и солнечной энергии.
Достоверность научных положений и полученных в работе результатов основана на применении фундаментальных законов физики, математики и использовании современных и специально разработанных методов эксперимента; подтверждается использованием физически обоснованных математических моделей; на сопоставлении с результатами исследований других авторов, удовлетворительным совпадением результатов расчета с данными, полученными при экспериментах на опытных конструкциях систем, установок, стендов в лабораторных и производственных условиях, а также достаточно широкой публикацией результатов и их обсуждением на конференциях.
Практическая значимость работы обусловливается тем, что получены расчетные уравнения по характерным параметрам концентраторов солнечной энергии; анализ эффективности концентраторов через оптико-энергетические коэффициенты позволяет использовать их при
5 проектировании модульных конструкций высокотемпературных гелиоприемных устройств в теплоэнергетике и холодильной технике; эффективные покрытия адаптирующих поверхностей можно использовать в машино- и приборостроении как солнцепоглощающие, декоративные и антикоррозионные; результаты обобщения тешюфизических и физико-химических свойств сорбентов и адсорбагов (хладагентов) можно использовать в холодильной, криогенной, вакуумной, сорбционной технике для поиска новых рабочих пар; термодинамические и теплофизические основы процессов адсорбции могут найти применение при анализе циклов работы термотрансформаторов «сухой» абсорбции и адсорбционного типа; экспериментальные данные по кинетике и теплоте процессов адсорбции и десорбции, динамике темперагурных параметров, обобщенные и комплексные уравнения по адсорбционной и абсорбционной способности могут использоваться при проектировании термотрансформаторов периодического действия; теплофизические процессы десорбции растворов, обобщенные уравнения по теплоотдачи пластинчатых аппаратов и экспериментальные данные по гидродинамике и недовыпариванию можно использовать при проектировании генераторов термотрансформаторов «мокрой» абсорбции и анализе термодинамических циклов работы их; моделирование термодинамических циклов работы термотрансформаторов, тешюфизических процессов «сухой» абсорбции и адсорбции, десорбции, и кипения в блоках аппаратов может использоваться при расчетах оптимальных режимов работы с любыми сорбентами и хладагентами, соответствующими типу машины; основы, заложенные в схемы моделирования, можно использовать и для моделирования других типов термотрансформаторов.
В целом результаты работы могут использоваться при создании и совершенствовании гелиоиспользующих термотрансформаторов трех типов.
Практическое использование полученных автором результатов
заключается в том, что результаты теоретических и экспериментальных
исследований, разработанные модели, расчетные программы внедрены и
приняты для проектирования новой техники и их аппаратов: в ОАО
«Машиностроительный завод «ПРОГРЕСС» (высокотемпературные
гелиоприемные устройства с использованием плоских концентраторов
солнечной энергии; внедрена новая технология нанесения
солнцепоглощающих селективных покрытий [Патент РФ № 2137861] и новая
конструкция генератора-адсорбера гелиоиспользующего
термотрансформатора адсорбционного типа [Патент РФ № 2137991]); в ОАО «ВНИИхолодмаш-Холдинг» (пластинчато-ребристые генераторы при разработке абсорбционных бромистолитиевых термотрансформаторов; гелиоприемные устройства модульной конструкции при создании перспективных холодильных машин и тепловых насосов); на Александровском рыбоводном заводе Управления «СЕВКАСПРЫБВОДа» -эксплуатируются с 1996 г. опытные конструкции и промышленные элементы
системы термоподготовки воды по патентам автора (система с термотрансформаторами, работающими в режиме охлаждающих машин и тепловых насосов [Патент РФ № 203131] с элементами изолированных контуров [Патент РФ № 2115311]); на Волжском рыбоводном заводе ФГУП «КАСПНИИРХа» (1988 - 1992 гг.) - внедрены отдельные конструкции системы термостабилизации воды, включающие аккумуляторы по изобретению автора [А.С. № 1401240]; фирмой «Густера» (1995 г.) использованы теоретические расчеты при компоновке новой «компаудной» схемы установки; в учебном процессе в АГТУ на кафедрах энергетического профиля - использованы результаты автора в материалах лекций по нескольким дисциплинам и при создании учебных пособий.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: 3-ей Всесоюзной конференции по холодильному машиностроению (Одесса, 1982); Всесоюзной конференции «Пути интенсификации производства и применения искусственного холода в отраслях АПК» (Ташкент, 1985); Всесоюзной конференции «Интенсификация производства и применения искусственного холода» (Ленинград, 1986); Всесоюзной конференции «Интенсификация технологических процессов в рыбной промышленности» (Владивосток, 1989); Всесоюзной конференции «Пути интенсификации производства... в отраслях агропромышленного комплекса, торговле и на транспорте» (Одесса, 1989); Всесоюзном семинаре «Тепловые насосы в народном хозяйстве СССР» (Калининград, 1990); Всесоюзной конференции «Холод - народному хозяйству» (Ленинград, 1991); Международной конференции «Холод и пищевые производства» (Санкт-Петербург, 1996); Международной конференции "Refrigeration application on transport in hot climate regions" (Astrakhan, 1997); Российской конференции "Автономная и нетрадиционная энергетика" (Владивосток, 1998); Межроссийском семинаре с международным участием "Холодильная техника и технологии: перспективы в области получения и использования холода" (Краснодар, 1998); Международной конференции «Холодильная техника, проблемы и решения» (Астрахань, 1999); Всероссийском семинаре с международным участием «Применение холода в пищевых производствах» (Калининград, 1999); 4-ой Всероссийской конференции с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 1999); 4-ой Всероссийской конференции «Методы и средства измерения физических величин» (Н. Новгород, 1999); Международной конференции «Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре и образовании» (Астрахань, 2001); 3-ей Международной конференции «Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2002); Международной конференции «Малая энергетика» (Москва, 2002).
Научные разработки демонстрировались на Международных выставках «Инрыбпром-95», «Инрыбпром-2000», (Санкт-Петербург), «Инрыбпром-
7 2002, (Москва)»; Всероссийских выставках «Энергосбережение-99», «Энергосбережение-2001», «Энергосбережение-2002», (ВВЦ, Москва).
Результаты работы докладывались в Московском государственном техническом университете им. Баумана (2000 г.); в Московском государственном техническом университете инженерной экологии (2003); на семинарах кафедры холодильных машин АГТУ, на семинарах Лаборатории нетрадиционной энергетики СНЦ РАН (при АІТУ), на совместном заседании кафедр энергетического профиля АГТУ.
Работа соответствует Приоритетным направлениям фундаментальных исследований ОФТПЭ РАН, включена в план НИР Саратовского научного центра РАН (тема 2.1.4, Отдел энергетики Поволжья, Лаборатория нетрадиционной энергетики), включена в Государственную научно-техническую программу «Энергоэффективная экономика».
Работа включена также в региональную Программу энергосбережения Астраханской области на период 2001 - 2005 гг., в программу Международной академии холода на период до 2005 года и выполнялась по планам госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ Астраханского государственного технического университета (кафедра холодильных машин и кафедра теплоэнергетики).
На защиту выносятся следующие основные положения и
результаты: обоснование приоритетных направлений проблемы создания
гелиоиспользующих термотрансформаторов для энергосберегающих систем,
классификация термотрансформаторов и решение теоретических,
технических и практических задач по их разработке; теоретические основы
прогнозирования, конструирования и экспериментальных исследований
гелиоприемных устройств и разработка модульных конструкций аппаратов;
основы прогнозирования свойств и экспериментальные разработки
технологии нанесения эффективных солнцепоглощающих покрытий на
адаптируемые поверхности гелиоприемных устройств
термотрансформаторов; теоретические основы и экспериментальные исследования адсорбирующей способности сорбентов с хладагентами и эффективность применения их в гелиоиспользующих трансформаторах адсорбционного типа; теоретические основы рабочих процессов термотрансформаторов на основе использования физических процессов адсорбции — десорбции и физико-химических - абсорбции - десорбции; экспериментальные исследования радиационной солнечной активности, процессов и циклов работы гелиоиспользующих термотрансформаторов различных типов на разных сорбентах и хладагентах; моделирование рабочих процессов, циклов работы гелиоиспользующих трансформаторов на основе системного подхода и алгоритмов создания программного обеспечения; анализ степени термодинамического совершенства различных типов установок; расчетные зависимости и уравнения по физическим и физико-химическим характеристикам процессов: теплообмена, гидродинамики,
8 адсорбции, абсорбции, десорбции, кинетики этих явлений и т.д.; обобщение экспериментальных данных в формах критериальных уравнений С.С. Кутателадзе, М.М. Дубинина, Дубинина - Радушкевича; расчетных данных для аппаратов (генераторов, абсорберов, генераторов-адсорберов и т.д.) и новые технические решения для установок гелиоисполъзующих термотрансформаторов; разработка и внедрение гелиоиспользующих термотрансформаторов: ОАО «ВНИИхолодмаш-ХОЛДИНГ» — создание абсорбционных бромистолитиевых гелиоиспользующих термотрансформаторов; завод ОАО «МЗ «ПРОГРЕСС» — автономные гелиохолодильники адсорбционного типа для бытовых нужд; ФГУП «КАСГШИИРХ», ФГП «СЕВКАСПРЫБВОД» — система термоподготовки воды на рыбоводных заводах с использованием термотрансформаторов и солнечной энергии.
Работу можно квалифицировать как комплекс научно обоснованных технических и технологических решений по проблеме создания и совершенствования термотрансформаторов с использованием солнечной энергии, внедрение которых внесет значительный вклад в развитие и повышение эффективности теплоэнергетической и холодильной отраслей страны.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 82 работы, получено 5 патентов РФ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав, заключения и приложения. Работа изложена на 317 страницах, включая 65 таблиц, 129 рисунков и список использованной литературы из 366 наименований.
Анализ, классификация и проблемы создания термо трансформаторов (с использованием солнечной энергии)
Развитие термотрансформаторов в 21 веке будет определяться, очевидно, следующими факторами: ростом численностью населения Земли и выравниванием уровня потребления (прежде всего продовольствия и жилищно-коммунальных услуг) развитых и развивающихся стран, различных слоев населения; нарастающим дефицитом энергоносителей; экологическими проблемами.
Общее число жителей Земли к 2050 г. достигнет 9-11 млрд человек. Прирост населения в развивающихся странах в несколько раз больше, чем в развитых странах: за 1995—2000 гг. Сейчас из производимых в мире в год 4,5 млрд т продовольствия 1,5 млрд т требуют охлаждения и около 40 млн т перевозятся на дальние расстояния различными видами холодильного транспорта. Эти цифры будут расти с увеличением численности населения и потребления продовольствия [74].
Перечисленные тенденции приведут к росту масштабов применения низкотемпературной и теплонасоспои техники, а следовательно, к увеличению материальных затрат на ее производство и эксплуатацию; затрат энергии на производство тепла и холода; объемов глобальных перебросок продовольствия; численности контингента работников, обслуживающих отрасль. Все это обострит проблемы энергетики и экологии.
Дефицит энергоносителей (органического топлива) будет постоянно нарастать и к середине XXI в. может стать критическим, если не будут найдены принципиально новые способы получения энергии. Неизбежное удорожание энергоносителей вызовет перераспределение стоимостных соотношений составляющих материальных затрат, что изменит существующие представления об экономичных и неэкономичных способах охлаждения и отопления. Расширится применение тенлоиспользующих холодильных систем: сорбционных термотрансформаторов, компрессионных машин с приводом от тепловых двигателей и др., поскольку они будут обеспечивать более высокую степень использования первичной энергии. Расширится применение вторичных тепловых ресурсов, нетрадиционных источников энергии (энергии солнца), теплонасосных систем, комбинированных энергосберегающих систем низкотемпературной энергетики. Потребуется приспособление технологии потребления тепла и холода к оптимальным условиям их получения: новые подходы к выбору уровней температур охлаждения и отопления, одновременная выработка холода и тепла, использование ночных льготных тарифов на электроэнергию и др.
Возрастет роль термотрансформаторов и в решении экологических проблем Земли, среди которых основной будет проблема глобального потепления (парниковый эффект). Расширится применение термотрансформаторов при очистке выбросов и извлечении из них ценных компонентов, создании искусственного климата. Проблема разрушения озонного слоя уже ушла на второй план, так как не идет ни в какое сравнение с проблемой парникового эффекта и даже вступает с ней в противоречие. За предыдущие сто лет среднегодовая температура на земном шаре повысилась на 0,6 К (данные 1РСС — Межправительственного комитета по изменению климата). Следствием этого стали таяние полярных льдов и другие явления. Основной «вклад» в этот процесс (75—85 %) вносит диоксид углерода С02, образующийся преимущественно в результате сжигания топлива. Остальные 15-25 % приходятся (примерно в равных соотношениях) на долю других «парниковых» газов, в том числе фреонов. Когда эти результаты будут осознаны международным сообществом, можно ожидать сильного давления с его стороны на промышленность с целью сокращения выбросов парниковых газов. В связи с этим будет расширяться применение природных рабочих веществ: аммиака, углеводородов, диоксида углерода, воды, воздуха. Потребуется более здравый подход к требованиям по безопасности их применения с учетом новых технических достижений [74].
Ужесточатся требования к энергетической эффективности, так как перерасход энергии — это дополнительная эмиссия диоксида углерода в атмосферу. Повысится интерес к новым экологически безопасным и энергетически эффективным принципам получения холода. Можно ожидать нового всплеска развития термотрансформаторов использующих вторичные (бросовые) энергоносители и солнечную энергию.
Из вышеизложенного следует, что наиболее эффективными и экономически целесообразными в настоящее время являются теплоиспользующие термотрансформаторы [20, 57, 158, 259, 335]. Тем не менее, и парокомпрессионным термотрансформаторам можно предсказать долгий век. Однако и они могут существенно измениться. В Российской Федерации и за рубежом разработаны и эксплуатируются гслиоиспользующие термотрансформаторы малой и средней холодопроизводительности, применяемые в основном для кондиционирования воздуха в жилых помещениях, получения льда, горячей и холодной воды, замораживания и храпения пищевых продуктов. Опыт создания гелиоиспользуюших термотрансформаторов выявил специфические особенности их проектирования, требующие учета: количества энергии солнечной радиации, падающей на квадратный метр земной поверхности; продолжительности солнцестояния в сезоне предполагаемой эксплуатации; метрологических параметров движения солнца по небосводу; климатических условий и характеристик окружающей среды. Исходя из этого, в установках предусматривают сильно развитые поверхности гелиоприемных устройств, ориентированные в строго определенном направлении с оптимальным углом наклона к горизонту, меняющимся при движении солнца [127, 156, 286]. Холод может вырабатываться круглосуточно и циклично - днем или ночью. В связи с этим тепловые гелиоиснользующие термотрансформаторы могут выполнять функции аккумулятора энергии для производства тепла и холода. Гелиоиспользующие термотрансформаторы делятся на установки периодического действия с твердыми и жидкими поглотителями, работающие по открытому и закрытому циклу без потребления электроэнергии, и непрерывного действия, потребляющие незначительное количество электроэнергии для привода насосов [158].
Теоретические и экспериментальные исследования высоко температурных гелиоприемных устройств с плоскими концентраторами энергии для термотрансформаторов
Для работы солнцеиспользующих термотрансформаторов при прямом и косвенном способе обогрева генераторов требуются высокотемпературные, эффективные, простые по конструкции аппараты, в которых первостепенную роль играют концентрирующие элементы, фокусирующие солнечные лучи. Концентрирующие системы применяют с целью повышения термодинамического потенциала и эффективности преобразования лучистой солнечной энергии [56, 74, 132, 230]. Большой вклад в развитие теории переноса и концентрации лучистой энергии внесли Р.Р.Аиариси, Д.И.Тепляков, Б.И.Казанджан, Д.С.Стребков, Р.А. Захидов и другие.
Оптические системы подразделяются на одно- и многозеркальные. Однозеркальные системы обладают максимально возможными энергетическими характеристиками как по мощности, так и по концентрации потока излучения [58, 63, 88]. Однако на практике из-за конструктивных, технологических и эксплуатационных проблем используются и многозеркальные системы [5, 27, 33, 84]. Наиболее эффективными являются криволинейные поверхности, образующиеся на базе конических сечений, таких как параболы, гиперболы, эллипсы, окружности. Параболоидные зеркала отличаются высокой концентрирующей способностью, однако сложность изготовления зеркальных поверхностей при выдерживании точных расчетных параметров и, следовательно, высокая стоимость делают их не всегда приемлемыми при разработках типовых конструкций гелиоприемных аппаратов [33, 56, 74, 83]. Как показывает опыт разработки ряда энергетических, технологических и исследовательских установок, во многих случаях можно ограничиться более совершенными сферическими и цилиндрическими зеркалами, а также комбинацией плоских зеркал [83,230].
В связи с вышеизложенным очевидно, что в ряде случаев плоские зеркала могут весьма эффективно заменить параболические. Ниже будут рассмотрены некоторые конструкции гелиоприемных устройств с плоскими концентраторами и различными поглощающими поверхностями (круглой, плоской, треугольной, квадратной и так далее), а также закономерности движения солнечных лучей в таких зеркалах при одно-, двух- и многократном отражении [59, 200, 208, 348].
Зеркальные поверхности в гелиоприемных системах устанавливаются не параллельно друг другу, а под определенным, обычно симметричным углом, образуя треугольное сечение, а поглощающая поверхность располагается в средней части зеркал, на биссектрисе угла между ними, в различных точках по высоте. В качестве поглощающих поверхностей могут применяться трубчатые поверхности любой формы и сечения. Трубчатые поверхности выпускаются широким ассортиментом и могут работать в широком диапазоне давлений, как высоких (до 4 МПа), так и низких (до 4 мм.рт.ст) свойственном для гелиоиспользующих систем различного назначения.
Наиболее распространены в конструкциях гелиоприемных аппаратов трубы круглого сечения. Конструкции концентраторов имеют следующие геометрические параметры: радиус - R поглощающей трубчатой поверхности; ширина зеркала - L, высота Н и ширина W. Проанализируем их при условии, что отраженная от зеркал радиация солнечной энергии целиком и однородно распределяется по поверхности поглощения [194,208,342].
Так как зеркала плоские и трубка-поглотитель имеет одинаковые размеры по всей длине, целесообразно рассматривать при анализе исследования концентраторов только их сечение. Под поверхностью поглощения будем понимать часть поверхности трубки, освещенной прямым солнечным излучением, направленным по оси концентратора к ней. В концентраторе луч (МД) имеет одинарное отражение. Так как пересечение биссектрис КН АСКМ и МО ДДМК является центром вписанной окружности (точка О, из построения), то ZflMO = ZOMK = 0/4. Из ДОМА находим катет MA = L,. L, = R-ctg(0/4). (2.1) Из ДКАО ZOKA = 0/2, тогда КА_= L0= R-ctg(0/2). Рис.2.1. Расчетная модель для опреде- Рис.2.2. Расчетная модель для опреде ления коэффициентов концентрации ления коэффициентов концентрации для трубок круглого сечения при для трубок круглого сечения, распо однократном отражении лучей ложенных в центре фокусной оси Отрезок МК = L, + KN = L0 + L, = L = R-[ctg(0/4) + ctg(0/2)], тогда L =R-[ctg(0/4)+ctg(0/2)]; (2.2) H =L -cos(0/2); (2.3) W =2Hg(0/2) (2.4) или W = 2-(L )-sin(0/2); (2.5) или H = R-[l + cos(0/2)]. (2.6) В табл.П.1 (приложение) приведены геометрические характеристики концентраторов энергии в плоских зеркалах при однократном отражении лучей и различных углах раскрытия их для различных трубок-поглотителей. Анализ полученных геометрических параметров концентраторов при однократном отражении луча показывает, что с увеличением угла раскрытия концентратора 0 центр поглощающей трубки (точка О) смещается по биссектриссе угла к вершине угла раскрытия (точке К), а высота F уменьшается и при 0 - 180, когда зеркала не работают, Н - R.
Основы создания эффективных покрытий для поверхностей гелиоприемных устройств термотрансформаторов
Нанесение покрытий с селективными оптическими свойствами на адаптирующие поверхности гелиоприемиых устройств - один из действенных способов повышения эффективности гелиоиспользующих термотрансформаторов. Такие покрытия должны обладать высокой поглощающей способностью относительно солнечного излучения ( as) и низкой степенью черноты в спектральной области собственного излучения поверхности ( es) при рабочей температуре. Разработке селективных покрытий в настоящее время уделяется много внимания. В Индии была разработана технология нанесения селективных покрытий типа Co-Cd, при которой процесс электролиза осуществляется в течение 20 с при плотности тока 2 Л/дм2 и при температуре электролита 30 С [320] (чёрный хром наносится при температуре электролита 20 С и плотности тока 0,020 А/м2). При изготовлении образцов селективного покрытия на подложку из Си сначала наносился слой Ni толщиной 10 мкм, а затем слой Co-Cd. С.Джоном и С.Санти исследовано влияние на оптические параметры селективных покрытий концентрации отдельных компонентов электролита, его температуры, рН, времени электролиза. Коэффициенты as (поглощающая способность) и es (степень черноты) наилучших образцов селективных покрытий оказались равными соответственно: as = 0,94 и es = 0,14. Испытания на термостабильность улучшили эти показатели, что позволило сделать вывод о возможности использования селективных покрытий подобного типа не только в низкотемпературных, но и в высокотемпературных солнечных устройствах.
S.Yueyan, Y.Xiaoji предложили способ изготовления селективного покрытия (СП) для солнечных гелиоприемников на основе окиси кобальта [349]. Образцы из железа или меди, имеющие такие покрытия, помещают в печь с окислительной атмосферой в присутствии перегретого водяного пара и выдерживают при температуре 350 - 400 С от 30 до 120 минут. Предварительно на поверхность образцов наносят гальваническим способом кобальтосодержащий слой. J. Ruzicka, исследуя гелионриемники с селективным покрытием [345] отметил следующую особенность: в различных географических условиях и при различных режимах работы гелиоустановок эффективность их может быть различна и даже сведена к отрицательному эффекту. B.Naboulsi, R.Calsou, L.Aries, L.P.Trfverse исследовали термические характеристики селективных оптических покрытий, основанных на оксидах железа, хрома и алюминия, при температурах до 900 С различными методами: оптическими, электрохимическими, спектрометрическими и др. [330]. Ими отмечены изменения оптических характеристик покрытий и их взаимодействие с материалом подложки при изменениях температуры. Известна технология получения селективных солнечных поглотителей путём диспергирования металлических частиц в изолирующей матрице [287]. Композитную пленку состава никель — оксиды кремния с определённым индексом изготовляли совместным напылением металлов известного объема, от 10 до 90%, располагая их в таком порядке, чтобы получить минимальные пики оптической интерференции. Толщина пленки составляла 100-170 нм, антиотражающего покрытия - 70 нм. Получены композитные пленки с поглощением излучения в пределах as=0,90-0,96 и термической эмиссией от 0,03 до 0,14. Определена зависимость свойств пленок от их толщины и состава.
В Германии разработано поглощающее покрытие для коллекторов солнечной энергии TiNOX (ТіИ+ТЮ+ТіОг) являющееся селективным покрытием, полностью свободным от эмиссии [358]. Титановые соединения наносят напылением в вакууме слоем 0,0006 мм. на медную фольгу толщиной 0,2 мм. Поверх рабочего слоя наносят защитный из кварца толщиной 0,0009 мм. Такие поглотители площадью 150000 м2 увеличивают инсоляцию на 10% и сохраняют стабильность характеристик (по заявлению изготовителей) в течение 25 лет.
Селективные поглотители солнечной энергии на основе тонких пленок AlCuFe и металлокерамических частиц AlCuFe, включенных в матрицу АЦОз, получены методом напыляемого осаждения [288]. Тонкие пластинки Si, покрытые слоем Си, используются как субстрат. Исследования с помощью дифракции рентгеновского излучения и электронной микроскопии с высокой разрешающей и проникающей способностью показали, что отложения AlCuFe квазикристаллические или состоят из смеси квазикристаллических и кристаллических фаз. Отражающую способность селективных поглотителей на основе металлокерамики AlCuFe определяли в диапазоне волн 400-1700 нм при температуре до 395С в условиях высокого вакуума над поверхностью.
Шведские коммерческие поглотители солнечной энергии из Ni, пигментированного анодированным А1, составлены из внутренней подложки из Ni толщиной -0,3 мкм и защитного слоя из А1 толщиной 0,4-0,5 мкм [361]. Значение коэффициента теплового излучения может быть снижено с 0,17 до 0,12 при более тонком верхнем слое es=0,l мкм. Коэффициент поглощения солнечной энергии составляет для этого композита as=0,96, как и для более толстых пленок. Авторы [350] определяли спектроскопией характеристики избирательных поглотителей из оксида алюминия, окрашенных никелем, в области длины волны 200-2000 нм. Пигментация ацетатом никеля давала лучшие значения термической эмиссии, чем пигментация сульфатом никеля при сравнимых величинах поглощения. Электронная спектроскопия показала, что на поверхности присутствует только небольшая доля никеля в состоянии окисленности 2. Исследования отношения 0/А1 и Оже-иараметра указали на присутствие широких зон, связанных водородом в области 3000-3400 см2, наблюдаемых в ИК-спектрах этих образцов. M.A.Soblan, M.R.Islam, K.A.Khan изготовили методом термического испарения на стеклянных подложках тонкие пленки оксида ванадия У20з при давлении 2 10"3 Па [351]. Температурные зависимости электрической проводимости этих плёнок имеют аномалию при 329 К. Приведены данные исследования физических и химических свойств этих плёнок. В работе [356] также предлагается использовать оксиды ванадия при конструировании поверхностей с селективными свойствами по отношению к солнечному излучению. Китайскими учеными [305, 354] исследованы свойства 3- и 8- слойных плёнок A1N—А1/А1, полученных методом магнетронного напыления в вакууме, в диапазоне рабочих температур 150 - 300С. Поглощающая способность 8- слойной плёнки в диапазоне длин волн солнечного спектра 0,35—2,5 мкм составляла as 0,95, а её излучающая способность при 80С была es 0,07—0,08. Ими же разработана технология получения многослойных поглощающих плёнок типа AIN—А1/А1 с различными свойствами.
Теплофизические характеристики адсорбции в термотрансформаторах
Под адсорбцией понимают сгущение газообразного или растворенного вещества (адсорбата) на поверхности раздела фаз между адсорбатом и жидкостью или твердым веществом (адсорбентом). В термотрансформаторах адсорбатом является парообразный хладагент, в качестве адсорбента можно использовать активный уголь (АС), цеолит, силикагель. Взаимодействие молекул адсорбата с поверхностью адсорбента при физической адсорбции может обусловливаться различными причинами. Наиболее простым случаем является адсорбция неполярной молекулы неполярным адсорбентом, когда действуют только дисперсионные силы притяжения и броуновские силы отталкивания. Потенциал AU в этом случае можно выразить уравнением Леннард Джонса[130]: AU = -С- Г6+В- г"12, (4.1) где г - расстояние между центрами частиц; С - константа дисперсионного притяжения; В - константа, характеризующая энергию сил отталкивания, обусловленную взаимодействием электронных оболочек.
Электростатические силы, возникающие между диполями, постоянными и индуцированными, характеризуются дипольным моментом ц. и поляризуемостью а (способность электронных оболочек к деформации при воздействии электрического ноля). Характерным параметром дисперсионных сил является основная частота дисперсионного спектра колебаний атома (и0): h#u0= J, где h - постоянная Планка; J -потенциал ионизации. Константу дисперсного притяжения (С) рассчитывают по формуле С = (2ц4/ЗкТ) + (2u2 -a) + 3h u0-a2/4 , (4.2) где к - константа Больцмана, Т - абсолютная температура. Очевидно, что на сравнительно далеких расстояниях должны превалировать силы притяжения, а на весьма малых расстояниях - силы отталкивания. Ясно также, что на определенном расстоянии эти силы должны быть равны, так как соответствуют минимуму свободной энергии системы. Если адсорбент состоит не из атомов, а из ионов, то к действию дисперсионных сил добавляется действие индукционных сил притяжения диполя, индуцированного в молекуле адсорбата электрическим полем, создаваемым ионами решетки адсорбента.
Если на неполярном адсорбенте адсорбируются полярные молекулы адсорбата, то постоянные диполи молекул адсорбата поляризуют атомы адсорбента, т.е. индуцируют в них электрические моменты. Вследствие этого возникает индукционное притяжение, которое добавляется к дисперсионному. Индукционное взаимодействие обычно невелико. Наконец, если полярные молекулы адсорбируются на адсорбенте, имеющем на поверхности ионы или диполи, то возникает взаимодействие ионов и диполей адсорбата с электрическим полем адсорбента. При этом молекулы адсорбата могут ориентироваться в электрическом поле адсорбента, т.е. происходит ориентациоиное кулоновское взаимодействие.
Следует заметить, что если суммарное дисперсионное взаимодействие молекулы адсорбата с адсорбентом всегда больше взаимодействия ее с одним активным центром адсорбента, то суммарное электростатическое взаимодействие молекулы адсорбата может быть и меньше ее электростатического взаимодействия с одним центром адсорбента. Это объясняется тем, что отрицательный полюс диполя молекулы адсорбата, притягиваемый катионом решетки адсорбента, одновременно испытывает отталкивание со стороны соседних с этим катионом анионов, образующих вместе с катионами знакопеременную поверхность адсорбента.
Обычно энергия индукционного и ориентационного взаимодействия гораздо меньше энергии дисперсионного взаимодействия, и поэтому часто принимают, что энергия межмолекулярного притяжения определяется энергией дисперсионного притяжения. Причиной адсорбции, близкой к физической, может быть также образование водородной связи. Такая связь возникает между протоном водорода и электроотрицательными элементами (О, N, S, Р, F, С1 и т. д.). Между адсорбатом и адсорбентом, содержащим такие элементы, может возникнуть водородная связь. При образовании водородной связи энергия взаимодействия адсорбата с адсорбентом довольно велика, и поэтому теплота, выделяющаяся при такой адсорбции, обычно значительно больше теплоты адсорбции веществ, имеющих сходные по геомегрической форме и размеру молекулы, которые не образуют водородной связи. Обратный эффект наблюдается при десорбции, когда при выделении адсорбата из адсорбента требуется для разрыва водородных связей подвод энергии. Различают адсорбцию газа на твердом теле [35], адсорбцию растворенного вещества на границе "раствор - газ" [94] и адсорбцию растворенного вещества на границе "твердое тело - раствор" [92]. Рассмотрим существующие теории физической адсорбции. Теория мономолекулярной адсорбции была предложена в 1905 г. американским ученым Леигмюром на основе представления об адсорбционных силах, сформулированного русским ученым Л. Г. Гурвичем [35]. Исходные положения теории Лсигмюра следующие: адсорбционный слой на границе "твердое тело - газ" мономолекулярный; энергия адсорбции всех молекул одинакова; молекулы, ударяющиеся об адсорбированные молекулы, отражаются без задержки; взаимодействием между молекулами адсорбата можно пренебречь.
