Исследование теплообменных процессов в системах солнечно-термической регенерации адсорбентов



В статье приведены результаты исследований теплообменных процессов в опытной гелиовоздухонагревательной установки для систем термической регенерации адсорбентов. На основе проведенных исследований и по результатам измерений получены основные теплотехнические параметры установки.

Ключевые слова: теплообмен, адсорбер, адсорбционная установка, солнечная энергия, солнечная радиация, коэффициент теплоотдачи, термическая регенерация

Большое число работ о передаче теплоты от газа к поверхности твердых частиц при нестационарных условиях теплообмена выполнено многими исследователями [1–4]. Однако к изучению процесса теплоотдачи при нагревании воздухом поверхности твердых адсорбентов посвящено немного работ.Для исследования теплообменных процессов нами разработана адсорбционная установка с солнечно-термической регенерацией. Создана и исследована экспериментальная гелиовоздухонагревательная установка (ГВН) с малой тепловой инерционностью (рис.1). В установке в качестве абсорбера был использован тонкий металлический лист. Для исследования температурных характеристик и теплового режима к листу были припаяны термопары типа ХК. При проведении экспериментальных исследований ГВН устанавливался таким образом, чтобы солнечное излучение было направлено перпендикулярно плоскости абсорбера. В процессе измерений при помощи ртутного термометра и пирометром определяли температура окружающего воздуха в тени. Предварительно сопоставлялись показания термометра и пирометра. Методика экспериментов основана на определении скорости прогрева абсорбера. Для этого в конкретные моменты времени производилось измерение температуры абсорбера. Перед началом опытов ГВН находился в тени и первоначально имел температуру окружающего воздуха. В корпусе ГВН, на входе и выходе воздушного потока в каналах устанавливаются термодатчики и приборы для записи температуры потенциометр КСП-4. Сущность экспериментов состоит в исследовании температурных полей и теплового режима в зависимости от времени воздействия солнечного излучения. Для испытания ГВН после измерений начальных температур корпуса, поверхности светопразрачного покрытия, абсорбера (теплоприемника) и теплоносителя (воздуха) нагревается потоком солнечной радиации при включенном вентиляторе. В этом режиме предварительно на входе и выходе воздушного гелиоколлектора проводятся измерения скорости воздушного потока и определяется расход воздуха в них. Далее с помощью установленных термопар и термодатчиков в комплекте КСП-4 измеряются температуры корпуса, поверхности светопрозрачного покрытия, абсорбера (теплоприемника) и теплоносителя (воздуха). Температуры параллельно можно измерить электронными терморегуляторами и лазерными пирометрами. Полученные данные измерения можно сопоставить и найти средние значений температуры. В результате расчетно-экспериментальных исследований и использовании данной методики позволит разработать эффективный способ оценки теплотехнических параметров ГВН и новых экономичных конструкций гелиоколлекторов для систем термической регенерации адсорбентов.

Рис. 1. Схема экспериментальной гелиовоздухонагревательной установки. 1 — корпус гелиовоздухонагревателя; 2 — светопрозрачное покрытие (стекло); 3 — теплоприемник (абсорбер); 4 — теплоизоляция; 5 — автоматический потенциометр КСП-4; 6 — термопары ХК; 7 — комплект приборов; 8 — дна коллектора

При термической регенерации адсорбента между поверхностью адсорбента и омывающим горячим воздухом происходит конвективный теплообмен. Основным параметром конвективного теплообмена является коэффициент теплоотдачи, который зависит от многих факторов. Процессы конвективного теплообмена в слое активного угля исследованы в условиях вынужденной конвекции. Для определения коэффициента теплоотдачи в разработанной системе солнечно-термической регенерации адсорбентов слой активного угля нагревается в адсорбере с помощью потока теплого воздуха, нагретого в гелиовоздухонагревателе [6,7]. По результатам измерений получены следующие данные: Средний размер частиц активного угля d_ср =12 мм. Температуры воздуха, входящего в слой, t_в1 = 60⁰ С, а выходящего из него — tв₂ = 30⁰С. Скорость фильтрации (скорость, отнесенная ко всему сечению слоя) w = 0,2 м/с. Расчетная схема теплообмена в системе термической регенерации адсорбентов приведена на рис.2.

По измеренным данным определим коэффициент теплоотдачи от теплового воздуха к поверхности частиц адсорбента в режиме термической регенерации. Средняя температура воздуха

t_ж

Теплофизические свойства воздуха при t_жср = 45 ⁰С: λ = 2,795 Вт/ (м); м²/ с; . [5].

Коэффициент теплоотдачи в зернистом слое (в слое активного угля) в процессах термической регенерации можно определить уравнением подобия:

при 20 (1)

при Re, Nu_жd= 0,61Re^0,67(2)

Определим критерий Рейнольдса и Нуссельта по формулам:

Тогда по формуле (2):

Коэффициент теплоотдачи

Рис. 2. Расчетная схема теплообмена в системе термической регенерации адсорбентов с использованием солнечной энергии: 1 — касета адсорбента; 2 — адсорбент (активный уголь); 3 —перфорированный канал.

Для определения теплотехнических и гидравлических характеристик опытного гелиовоздухонагревателя проведены экспериментальные исследования классическими методами при малых скоростях воздушного потока, т. е. Re=10^3–10⁴. После солнечного обогрева по истечении некоторого времени (1020 мин.) включали вентилятор с помощью автотрансформатора. По мере установления стационарного режима производилась запись показаний температур воздушного потока, а также значений показаний термопар, заделенные на поверхности нагрева установки.

Тепловой поток рассчитывался в каждой серии опытов по формуле [2,5]

Q(), (3)

где, G-расход воздуха,

G=wS. (4)

Скорость воздуха измерялась с помощью трубки Пито-Прандтля и микроманометра ММН-7 и рассчитывалась по формуле.

w=4,14(5)

где -разность столба жидкости в микронометре.

Температура гелиоприемной поверхности определялась как

t=, (6)

число Рейнольдса рассчитывалось по формуле

, (7)

где — эквивалентный диаметр канала.

Средний коэффициент теплоотдачи определяли по формуле:

, (8)

Коэффициент гидравлического сопротивления гелиоприемных каналов ξ рассчитывался по формуле

ξ=, (9)

Критерий Нуссельта можно определить по выражение [4,5]

Nu=0,018Re^0,8 (2.11) ξ=0,3164/Re^0,25(10)

На основе проведенных предварительных испытаний опытной установки и по результатам измерений получены значения параметров установки. Например, при скорости воздушного потока 0,1 м/c и солнечной радиации q_p= 800 Вт/м², были получены следующие параметры:

∆t=50 ⁰C; Q=1,0 кВт; d_э=0,33 м; Re=1833 и ɑ=8,9 Вт/м², ξ=0,064.

Литература:

1. Вардияшвили А. Б. Теплообмен и гидродинамика в комбинированных солнечных теплицах с субстратом и аккумулированием тепла. Ташкент. Фан, 1990. — 196 с.
2. Авезов Р. Р., Орлов А. Ю. Солнечные системы и горячего водоснабжения. Ташкент: Фан, 1988.- 288 с.
3. Гольдштик М. А. Процессы переноса в зернистом слое.
4. Гухман А. А. Применение теории подобия к исследованию процессов тепло- и массообмена. М.: Высшая школа. 1974. — 328 с.
5. Луканин В. Н. Теплотехника. — М.: Высш. шк., 2003. — 671 с.
6. Узаков Г. Н., Хужакулов С. М. № FAP 2014 0158 «Устройство для регенерация адсорбентов».
7. Хужакулов С. М., Узаков Г. Н. Теплоэнергетические основы энерго- и ресурсосбережения при длительном хранении продуктов в углубленных плодоовощехранилищах. — Ташкент: Фан, 2015.- 120 с.