База знаний в области технологий и систем использования низкотемпературных и возобновляемых источников энергии (стр. 13 из 20)

	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.

2.

3.

1. Тепловая труба нагревателя .

1. Нагреватель.

2. Вытеснитель.

3. Корпус.

4. Охладитель .

5. Штоке втеснителя.

6. Поршень.

7. Выход сжатого воздуха.

8. Вход воздуха.

9. Тяжелый поршень

10. 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

Содержание

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).