База знаний в области технологий и систем использования низкотемпературных и возобновляемых источников энергии

Вид материала

Содержание

Энергоагрегат с низкотемпературным двигателем Стирлинга и вихревой трубой
Энергетические установки на солнечной энергии

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7 8 9

а) б) в)

Модели ветра. а) Осреднение по времени и пространству, б) Изменение скорости ветра по высоте, в) Турбулентная модель ветра

Рис. 2.2.5

2.3. Вихревые трубки

ссылка скрыта

В основе работы вихревой трубы лежит т.н. эффект Ранка-Хилша (1933 г). Вихревая труба представляет собой газодинамическое устройство с тангенциальным входом газа, рис. 2.3.1.

Схема вихревой трубы.

Рис. 2.3.1.

Как известно, [194] в закрученных потоках вязкого газа при наличии поперечного градиента скорости поверхности тока взаимодействуют между собой из-за наличия касательных сил вязкости. Работа, затраченная на преодоление этих сил преобразуется в тепло. При этом разные струйки могут обладать разными запасами полной энергии

. Наличие в потоке градиента температур предопределяет теплообмен между слоями газа. Однако, большой вклад в перераспределение полной энергии принадлежит турбулентному механизму переноса.

Вихревая труба состоит из корпуса, выполненного в виде цилиндрической или диффузорной трубы с диаметром начального сечения

и длиной

, тангенциально расположенных по отношению к корпусу вводных сопел с площадью проходного сечения

, диафрагмы с диаметром отверстия

, расположенной вблизи соплового входа, и конического регулировочного вентиля на противоположном от диафрагмы конце корпуса.

Интенсивность энергетического разделения газов в вихревой трубе обычно оценивают по зависимости величин избыточных температур газа

от доли охлажденного потока

. При этом

где

- температура торможения на входе в вихревую трубу, на выходе из нее охлажденного и горячего потоков соответственно;

- массовые расходы исходного и охлажденного потоков газа соответственно.

Температура газа на выходе из ВТ.

Рис. 2.3.2

Типичные экспериментальные зависимости величин

от относительного расхода холодного потока

приведены на рисунке 2.3.2.[195].

Обычно каждой паре кривых

соответствуют определенные условия проведения экспериментов: отношение давлений газа на входе в вихревую трубу и выходе охлажденного потока из диафрагмы

, температура газа на входе в вихревую трубу

, безразмерная площадь вводных сопел

и др.

В работах [194, 195] показано, что эффект энергетического разделения газа неразрывно связан с перестройкой затухающего вихревого турбулентного движения и происходит в довольно протяженной области течения, простирающейся от соплового входа на расстояние от одного до нескольких десятков диаметров вихревой трубы. При большой длине области происходящие в ней явления не будут определяться детальной структурой потока на входе в вихревую трубу и должны зависеть от переменных, характеризующих течение в целом. т.е. от интегральных величин, таких как массовый расход поступающего в трубу газа

, поток импульса в направлении оси трубы

, поток энергии

и массовый расход отбираемого через отверстие диафрагмы холодного газа

. К этим интегральным характеристикам, необходимо, добавить характерный размер - диаметр трубы

.

Следует отметить, что поток газа в вихревой трубе является развитым турбулентным потоком. Можно предположить, что турбулентность, возбуждаемая струями, истекающими из вводных сопел вихревой трубы, имеет высокий уровень, превышающий во всей области энергетического разделения уровень турбулентности, порождаемый в пограничном слое на стенках трубы.

Рабочая величина давления на входе в вихревую трубу может меняться в широких пределах; по имеющимся данным вихревая труба устойчиво работает при полном давлении на входе 0,5-0,7 МПа, известны эксперименты с пропусканием через ВТ газа с давлением до 25 МПа. Температура теплого и холодного потоков зависит от начальной температуры газа на входе; рисунок дает представление о перепаде температур в потоках; этот перепад, как правило, сохраняется. Потери энергии в ВТ связаны с трением высокоскоростного газового потока о стенки.

Таким образом, вихревая труба является весьма удобным инструментом для получения высокотемпературных (+60, +80⁰С) и низкотемпературного (-20, -40⁰С) газовых потоков, которые можно использовать для отопительных целей и холодильной техники.

В настоящее время вихревая техника широко внедрена в промышленность: вихревые управляющие клапаны в системах управления тягой ракетных двигателей, вихревые холодильники, вихревые системы очистки, осушки газа в газовой промышленности, вихревые системы газоподготовки для нужд пневмо-газоавтоматики [198].

Преобразование энергии ветра в тепловую. Совместная работа ветроэнергетической установки и вихревой трубы

Принципиальная схема установки по утилизации энергии ветра представлена на рис. 2.3.1.

Энергетическим узлом установки является ВЭУ мощностью N=10кВт, подобно описанной в настоящем отчете. Установка работает в теплофикационном и холодильном режимах. Для организации таких режимов, особенно холодильного, предлагается использовать вихревую трубу (см. п. 2.3).

Принципиальная схема установки представлена на рис. 2.3.2. Установка имеет в своем составе ВЭУ 10 кВт, воздушный компрессор, воздушный ресивер или баллонную рампу, вихревую трубу, теплообменники, аппаратуру управления. Конкретный проект должен быть привязан к конкретным техническим предложениям: ниже произведена общая оценка технологических возможностей такой установки.

Как известно [198], для для нормальной работы вихревой трубы необходимо давление воздуха, превышающее 0,5 - 0,6 МПа.

В настоящем отчете произведен анализ ВЭУ с дизельной установкой для выработки энергии для местной сети. Необходимость дизельной установки вызвана возможными перерывами ветра, потребностью в “качественной” электроэнергии для электротехнических и электронных систем. Обсуждаемая ниже установка служит только для теплофикационных и холодильных устройств. Конечно, она может рассматриваться и в схеме ветродизельной станции, но наличие “качественного” электричества (т.е. электрической энергии стабильного напряжения и частоты) позволяет решить поставленные выше задачи значительно проще.

Если ветроэнергетический агрегат имеет мощность около 10 кВт, то компрессорная установка такой мощности позволяет получить

около 170 кг/час воздуха, сжатого до давления 0,7 МПа. При температуре окружающей среды 0⁰С, считается, что воздух в ресивере также имеет температуру окружающей среды.

Вихревая труба, при коэффициенте разделения масс

(т.е. расходы горячего и холодного потоков примерно равны), производит воздушные потоки с температурой +60-70⁰С и -30-40⁰С соответственно. Выше отмечалось, что если тепло можно достаточно просто получить разными способами, то для получения холода требуется специализированное дорогостоящее оборудование.

Таким образом 170 кг/час воздуха дадут 85 кг/час воздуха с температурой ~ 65⁰С и 85 кг/час воздуха с температурой ~ -35⁰С.

Преобразование энергии ветра в тепловую. Совместная работа ветроэнергетической установки и вихревой трубы.
Рис. 2.3.1.1.

Тепловой поток, при прохождении через теплообменник 6 нагревает теплоноситель (воду) до близкой температуры - напр. +60⁰С, охлаждаясь на выходе до температуры +20-15⁰С. Таким образом теплопередача в теплообменнике 6 составляет в рамках данной задачи

~ 4250 кДж/час (1060 ккал/час),

что достаточно для нагрева 22 кг/час воды от 15 до 60⁰С.

Такое количество тепла вполне достаточно для нужд теплофикации отдельного жилого помещения.

Более привлекательно использование вихревой трубы для получения холода. 85 кг/час холодного воздуха, проходящего через теплообменник 5, произведут 2000-2500 кДж/час холода, т.е. в пересчете на 1 кг удельная холодопроизводительность составит 25 кДж/кгЧ час, что уступает фреоновым холодильникам, но значительно превышает показатели абсорбционных холодильных машин.

Энергоагрегат с низкотемпературным двигателем Стирлинга и вихревой трубой

Преобразование низкотемпературной тепловой энергии в промышленное тепло возможно с использованием теплового насоса или двигателя, работающего по циклу Стирлинга. Тепловые насосы с циклом Стирлинга широко освещены в литературе; здесь рассматривается использование вихревой трубы, позволяющее за счет эффекта Ранка-Хилша получить тепло достаточной для обогрева температуры и холод для холодильных установок.

Общая схема установки показана на рис. 2.4.1. В качестве теплоисточника может использоваться теплота сточных вод, теплота водоемов, теплота земли (скважин). Передача тепла в нагретую часть двигателя Стирлинга осуществляется тепловой трубой. Охладителем является низкотемпературная среда - зимой атмосферный воздух, летом - запасенная ледяная масса.

В качестве двигателя с циклом Стирлинга могут быть использованы свободнопоршневая машина Била (Beale) или двигатель с приводной мембраной. Характеристики таких двигателей отличаются от двигателей с кривошипно-шатунным механизмом; они полностью герметичны, что позволяет использовать практически любые рабочие тела.

Рис. 2.4.1

Двигатель рис. 2.4.2. состоит из трех основных элементов: тяжелый рабочий поршень, легкий вытеснитель и цилиндр с уплотнениями. Рабочая полость находится над поршнем и разделяется на полость сжатия между рабочим поршнем и вытеснителем и полость расширения - над вытеснителем. Полость расширения взаимодействует с нагревателем, полость сжатия с холодильником.

Двигатель (в настоящей схеме) используется как газовый компрессор, т.е. колеблющийся рабочий поршень выполняет также роль поршня комрессора. Выполненные исследования двигателя такого типа (Agbi, 1971) показали его вполне удовлетворительную работу рис.

Еще более перспективным для данной схемы является двигатель компрессор мембранного типа с абсолютной герметизацией двигательной полости.

Анализ термодинамической эффективности цикла низкотемпературного двигателя Стирлинга в сравнении с обычными условиями выявляет, как и ожидалось, низкие рабочие параметры: так при температуре нагревателя - 300 К и температуре охладителя - 250 К, термический к.п.д. цикла составляет лишь 17%, но с учетом того, что здесь перерабатывается бросовое низкотемпературное возобновляемое тепло, система становится вполне конкурентоспособной.

Двигатель Стирлинга

свободно поршневого типа (схема Била, Beale W.)

1. Тепловая труба нагревателя .

Нагреватель.
Вытеснитель.
Корпус.
Охладитель .
Штоке втеснителя.
Поршень.
Выход сжатого воздуха.
Вход воздуха.
Тяжелый поршень
Картер.

Рис. 2.4.2

Особый интерес представляет использование в двигателе двухфазного рабочего тела. Теория двигателя Стирлинга показывает, что для повышения удельной мощности двигателя необходимо повышение среднего давления рабочего процесса. Отношение рабочих объемов

у таких двигателей редко превышает 2-2,5 и изменения давления всецело определяется этими цифрами. При нижнем давлении, равном или близком к атмосферному, верхнее давление не превышает 0,3-0,5 МПа. Однако двухфазные рабочие тела - например (Бутадиен-1,3, температура кипения которого - 4,4⁰С; аммиак - 33⁰С; цис- и транс-Бутен-2 соответственно +3 и 0⁰С и др.) позволяют получить более высокое среднее давление цикла.

Для любого рабочего тела удельный объем жидкости значительно меньше объема насыщенного пара. С повышением среднего давления увеличивается выходная мощность и улучшается теплопередача при прохождении процессов испарения и конденсации.

Таким образом, при использовании двухфазного рабочего тела возможно повышение рабочей мощности в 2-3 раза при тех же температурных пределах.

Известные преимущества двигателя Стирлинга - бесшумность работы, отсутствие вредных эмиссий, герметичность, отсутствие вибраций являются особо ценными в данной схеме, так как позволяют разместить энергоблок в непосредственной близости к жилому помещению.

Далее схема установки соответствует описанной в п. 2.3. схеме с использованием в качестве энергоисточника ветроустановки. Как уже было отмечено, вихревая труба является сегодня наиболее простым и изученным инструментом для одновременного получения тепла и холода. Соотношение между горячими и холодными потоками газа достаточно просто регулируется, т.е. зимой большая часть энергии тратится на обогрев, летом - на охлаждение.

Энергетические установки на солнечной энергии

ссылка скрыта

Использование солнечной энергии сегодня сводится в основном к производству низкопотенциального солнечного тепла с помощью простейших плоских солнечных коллекторов. Например, в США в 1990 г. из 3,6 млн. ГДж энергии, произведенной за счет солнечной радиации, 3,5 млн. ГДж представляет собой низкопотенциальное тепло, использованное для горячего водоснабжения, подогрева воды в плавательных бассейнах и, в меньшей степени, для отопления. В Израиле в соответствии с законом, требующим, чтобы каждый дом был снабжен солнечной водонагревательной установкой, установлено около 800 000 солнечных коллекторов, которые производят около 15 млн. ГДж энергии и обеспечивают 70 % населения горячей водой.

В современных плоских солнечных коллекторах абсорбер чаще всего имеет слой селективного покрытия с коэффициентом поглощения для солнечной радиации 0,94 - 0,96 и коэффициентом излучения при температуре абсорбера 0,09 - 0,12. Во вновь строящихся домах делаются попытки совместить коллекторы с элементами крыши дома, что облегчает и удешевляет установку. Комплектная водонагревательная установка включает кроме коллекторов теплоизолированный бак - аккумулятор, в который встраивается резервный электрический нагреватель, необходимая арматура и автоматика. Коллектор обычно устанавливается неподвижно под углом к горизонту примерно равным широте местности. На индивидуальный дом с площадью около 100 м² обычно устанавливается 1-2 коллектора, с площадью абсорбера 1-1,5 м² каждый и бак-аккумулятор емкостью около 150 л. Такая установка на западном рынке сегодня стоит около 500 долл. США/м² площади коллектора. Теплопроизводительность такой установки существенно зависит от инсоляции, температуры окружающего воздуха и , других климатических параметров. В зависимости от широты местности и климатических условий годовой приход солнечной энергии на 1 м² поверхности изменяется очень сильно. Для широт около 30° он может составлять 8-10 ГДж/(м² год), тогда как для широт 50- 60° - падает до 2-4 Гдж/(м² год).

Коэффициент полезного действия солнечного коллектора определяется его оптическими характеристиками, качеством тепловой изоляции, инсоляцией и температурами теплоносителя и окружающего воздуха. В большинстве существующих установок средний годовой эксплуатационный КПД коллектора оказывается на уровне 40-50 %. Это означает, что для широт около 30° с 1 м² коллектора можно получить в год 3-5 ГДж тепла с температурой 60-70  С. Стоимость этого тепла при таких показателях и сроке жизни установки в 30 лет оказывается на уровне 3-4 долл/ГДж, что делает эти установки привлекательными для потребителей. Для более высоких широт солнечные водонагреватели оказываются более предпочтительными как сезонные.

Наряду с коллекторами, для использования солнечного тепла для отопления домов применяются пассивные методы, основанные на оптимизации архитектурно-планировочных решений. Кроме того, представляют интерес разработки так называемой прозрачной изоляции для стен домов, селективных пленок для окон и др.

Электроэнергию за счет использования солнечной энергии можно получить либо в теплосиловых установках, в которых тепло от сгорания топлива заменяется потоком концентрированного солнечного излучения, либо в установках прямого преобразования энергии, основанных на применении полупроводниковых фотоэлектропреобразователей (ФЭ П).

Интересный проект разрабатывается в Австралии. Как известно. Олимпийские Игры 2000 г. будут проводиться в Австралии вблизи Сиднея. Местный Олимпийский комитет решил сделать эти Игры “зелеными”, для чего, в частности в Олимпийском комплексе предполагается соорудить солнечную ТЭЦ с термодинамическим циклом преобразования. В основу проекта положены линейные концентраторы, изготавливаемые из плоских или слабо искривленных зеркал и концентрирующие солнечное излучение (степень концентрации 10-15) на ресивере из вакуумированных труб, внутри которых расположена тонкостенная трубка-абсорбер, снабженная тепловоспринимающим ребром и покрытая весьма совершенным селективным покрытием. От абсорбера тепло передается тепловыми трубками к парогенератору, где производится водяной пар. Перегрев пара до температуры 330  С осуществляется путем сжигания некоторого количества природного газа. Тепло после турбины используется для обогрева Олимпийского бассейна и других объектов.

Еще одну разновидность представляет собой СЭС с параболоидным концентратором (ПК), следящим за солнцем по двум осям. Параболоидный концентратор является теоретически наилучшим концентрирующим устройством, позволяющим обеспечить концентрацию в несколько тысяч солнц, а значит и очень высокие температуры нагрева. Однако ПК, в отличие от башенных и СЭС с ПЦК, из конструктивных соображений не позволяют иметь большие единичные мощности в одном модуле. Поэтому область, применения СЭС с ПК - сравнительно малые, не превышающие нескольких десятков киловатт, большей частью автономные, установки. В этом случае такие установки должны конкурировать не с крупными ТЭС, а с дизельными установками малой и средней мощности, которые производят электроэнергию по стоимости в 2-3 раза более высокой.

В модульном исполнении в фокусе ПК чаще всего размещается непосредственно двигатель, преобразующий тепло в механическую, а затем и электрическую энергию. До недавнего времени для этой цели применялся только двигатель Стирлинга, сегодня рассматривается и газовая турбина.

В последнее время в мире повысился интерес к установкам, непосредственно преобразующим солнечную радиацию в электроэнергию с помощью ФЭП. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой фото-электрическими установками (ФЭУ), сегодня в несколько раз выше, чем СЭС с тепловым циклом. Тем не менее, ФЭУ активно внедряются как в развитых, так и в развивающихся странах. При этом можно проследить две противоположные тенденции.

Blog

База знаний в области технологий и систем использования низкотемпературных и возобновляемых источников энергии

Содержание