Теплотехнический расчет солнечных паропроизводящих агрегатов заключается в установлении конструктивных размеров лучевоспринимающих и концентрирующих поверхностей солнечных отражателей, поверхностей нагрева парового котла. Разработанная конструкция агрегата должна обеспечить производство соответствующих количеств пара заданных параметров [1. 2].
Преобразование лучистой энергии Солнца, которая сконцентрирована зеркальными поверхностями в тепловую энергию, происходит на поверхностях нагрева. К этим поверхностям относятся экономайзер, обеспечивающий подогрев воды до температуры кипения, испаритель, в котором происходит перегрев пара.
Известно, что население ряда районов мира и республик Центральной Азии испытывает острый дефицит пресной воды, и в то же время там имеются значительные запасы соленых вод непригодных для питья.
Дефицит пресной воды ощущается на территории более 40 стран, расположенных главным образом в аридных, а также засушливых, составляющих около 60 % всей поверхности земной суши, и, по расчётам, к началу 21 века достиг 120–150 109 m3 в год. Этот дефицит может быть покрыт опреснением солёных (солесодержание более 10 г/л) и солоноватых (2–10 г/л) океанических, морских и подземных вод [1. 2].
В связи с этим, разработка и создание эффективной комбинированной солнечной установки предназначенной для получения пресной воды, теплохлодоснабжения теплицы и овощехранилища является актуальной задачей.
Стремление увеличить производительность опреснителей привело к созданию многоступенчатых систем. В них теплота конденсации пара многократно используется для выпаривания рассолов с отдельных цистерн и резервуаров. У нас и за рубежом ведутся исследования по отысканию как конструкционных материалов, снижающих стоимость опреснения, так и способов, повышающих эффективность процесса гелиоопреснения [1. 2. 3].
Приведенный анализ по экономике солнечного опреснения указывает на отсутствие единого подхода при определении себестоимости дистиллята. Сопоставления экономических показателей солнечного опреснения с показателями других способов водоопреснения, приведенные в работах, подтвердили экономические преимущества солнечного опреснения перед такими наиболее распространенными способами, как мгновенное вскипание, многоступенчатая выпарка и парокомпрессионная дистилляция в тех сходных случаях, когда производительность установок небольшая.
Расчеты показали, что солнечное опреснение экономически выгоднее доставки пресной воды автоводовозами в местах: а) где минерализация исходной воды 10 г/л и источник пресной воды находится на расстоянии более 35 км; б) где минерализация исходной воды доходит 40 г/л и расстояние от пресного источника больше 45 км. Таким образом, из многочисленных рассмотренных регенеративных солнечных опреснителей наиболее рациональным является опреснитель, состоящий из солнечнопарового котла с параболоцилиндрическим концентратором, работающим в блоке с опреснительной установкой с параллельным питанием [2.3].
На каждом этапе преобразования энергии в определенном элементе гелиоустановок имеет место потеря энергии, которая характеризуется коэффициентом использования энергии данным элементом. Потеря энергии в целом всего процесса преобразования характеризуется общим коэффициентом использования солнечной энергии тепловой гелиоустановкой [2.3].
Обозначим через
энергию,
падающую на зеркала-концентраторы, Вт;
энергию, сконцентрированную зеркалами и отраженную таковыми,
ккал/час;
энергию, падающую на котел, Вт;
энергию, воспринятую котлом, Вт;
энергию, полезно использованную котлом, Вт.
Запишем коэффициент отражения зеркал
(1)
коэффициент использования площади зеркал
,
(2)
коэффициент черноты поверхности нагрева котла
,
(3)
коэффициент полезного действия парового котла
.
(4)
Коэффициенты, выраженные формулами (1), (2) и (3), не
зависят от интенсивности солнечной радиации:
;
;
,
к.п.д. парового котла, как указано выше, зависит от нагрузки котла,
а следовательно, и от интенсивности солнечной радиации
[1.2. 3].
Общий коэффициент полезного действия солнечной энергетической установки
. (5)
Исходными данными для расчета солнечного парового котла являются начальные параметры пара и паропроизводительность агрегата.
Количество тепла, полезно использованное котлом, равно
; (6)
в том числе полезно использованное экономайзером
; (7)
полезно использованное испарителем
; (8)
полезно использованное пароперегревателем
. (9)
В выражениях (5) — (9) приняты обозначения:
—
паропроизводительность котла, кг/час;
—
теплосодержание питательной воды, ккал/кг;
—
теплосодержание жидкости при температуре насыщения, ккал/кг;
—
теплосодержание насыщенного пара, ккал/кг;
-
теплосодержание перегретого пара, ккал/кг.
Энергия, воспринятая любым элементом котла, складывается
из энергии, полезно использованной этими элементами, и энергии,
потерянной в процессе восприятия. Энергия, воспринятая котлом,
запишется в виде
,
(10) в том числе экономайзером
,
(11)
испарителем
,
(12)
пароперегревателем
. (13)
В соответствии с равенствами (10–13) выражение для тепловых потерь котла, с учетом потерь его обшивки (обмуровки) во внешнюю среду, принимает вид
. (14)
В общем случае, для сложного процесса теплообмена, состоящего из конвекции, лучеиспускания и теплопроводности, потеря тепла может быть определена из формулы
, (15)
где коэффициент теплопередачи или обратное ему значение — коэффициент термического сопротивления — определяются равенством
. (16)
Полагая, что внутренняя сторона труб поверхностей нагрева котла свободна от накипи, а коэффициент теплопередачи от стенки труб к жидкости и пару очень большой, можно принять, что второй и третий члены знаменателя равенства (16) ничтожно малы. В связи с указанным, выражения для потерь тепла в окружающую среду примут вид:
, (17)
для испарителя
, (18)
для пароперегревателя
. (19)
Коэффициент конвективного теплообмена в равенствах (16–19) можно определить по предложенной ниже формуле, справедливой для поверхности, омываемой поперечным потоком воздуха
. (20)
Коэффициент лучистого теплообмена в равенствах (16–19) определяется по формуле
,
(21) где
. (21)
В формулах (15–21)
-
температура соответственно стенки любого элемента котла,
экономайзера, испарителя, пароперегревателя,
;
-
температура теплоносителя, соответственно температура теплоносителя
в экономайзере, испарителе и пароперегревателе,
;
--
температура среды- наружного воздуха,
;
—
поверхность нагрева соответственно любого элемента котла,
экономайзера, испарителя, пароперегревателя, внешней обшивки
(обмуровки) котла, м2;
-
тепловой поток, падающий соответственно на любую поверхность котла,
на экономайзер, испаритель, пароперегреватель, ккал/м2
час;
-
коэффициент теплоотдачи конвекцией соответственно наружной
поверхности элемента, экономайзера, испарителя, пароперегревателя,
ккал/м2 час;
-коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием соответственно наружной
поверхностью элемента, экономайзером, испарителем,
пароперегревателем, ккал/м2
час;
-коэффициент
теплоотдачи конвекцией внутренней поверхности элемента, ккал/м2
час;
-сумма термических сопротивлений многослойной стенки обмуровки котла,
;
—
коэффициент теплоотдачи конвекцией соответственно наружной
и внутренней поверхностью обмуровки котла, ккал/ м2
час,
-коэффициент
теплоотдачи сложного процесса теплообмена, ккал/ м2
час,
-
термическое сопротивление,
;
-скорость
набегаемого потока воздуха,
;
-эквивалентный
диаметр поверхности, м.
В соответствии с равенством (7–9) и (17–19) к.п.д. элементов котла примут вид:
экономайзера
, (22)
испарителя
, (23)
. (24)
В связи с равенствами (6), (10) и (14) к.п.д. солнечного котла может быть написано в виде
. (25)
Разработанный и представленный выше методический аппарат дает общие соотношения по определению параметров, характеризующих эффективность работы солнечной тепловой станции. Он может быть применен для поверочного теплового расчета солнечной паропроизводящей установки [1.2].
Литература:
Безруких П. П., Арбузов Ю. Д., Борисов Г. А. и др. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии России. –Спб.: Наука, 2002. -314 с.
Д. М. Щеголев. Паровой котел солнечной теплосиловой станции. Теплоэнергетика, вып. 1. М., Изд-во Ан СССР, 1959.
Asf.A.Vardiyashily, A. A. Abdurahmonov. Mathematical modelling and calculation of heliosdesalter-a boiler with a parabola-cylindrical reflector. Seventeen world conference on intelligent systems for industrial Automation. WCIS -2012. Седьмая всемирная конференция. Tashkent, Uzbekistan November 25–27. P.p 221–222.