Теплотехнический расчет солнечно-паровых установок

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:

1. Безруких П. П., Арбузов Ю. Д., Борисов Г. А. и др. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии России. –Спб.: Наука, 2002. -314 с.

2. Д. М. Щеголев. Паровой котел солнечной теплосиловой станции. Теплоэнергетика, вып. 1. М., Изд-во Ан СССР, 1959.

3. 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.