автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Совершенствование характеристик и разработка метода расчета солнечной адсорбционной холодильной установки периодического действия

На правах рукописи

САМСОН ИННА ФЁДОРОВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА СОЛНЕЧНОЙ АДСОРБЦИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Специальность: 05.04.03 - «Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, системы кондиционирования и жизнеобеспечения»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 ОКТ 2015

Москва 2015

005563373

005563373

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего образования «Национальный

исследовательский университет «МЭИ» на кафедре «Тепломассообменные процессы и установки».

Научный Гаряев Андрей Борисович

руководитель: доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Тепломассообменные процессы и установки» ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ»)

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Попель Олег Сергеевич

доктор технических наук, доцент, заместитель директора Объединенного Института Высоких Температур РАН (ОИВТ РАН) по научной работе, руководитель Научно-исследовательского центра «Физико-технические проблемы энергетики» ОИВТ РАН Тюхов Игорь Иванович

кандидат технических наук, доцент, заместитель заведующего кафедрой ЮНЕСКО

"Возобновляемая энергетика и электрификация сельского хозяйства" Федерального государственного бюджетного научного учреждения научно-исследовательский институт сельского хозяйства» (ФГБНУ ВИЭСХ)

«Всероссийский электрификации

Открытое акционерное общество «Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского» (ОАО «ЭНИН»)

Защита состоится 20 ноября 2015 г. в 10 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.04 при ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 17, корп. Т, кафедра Инженерной теплофизики им. В.А. Кириллина, ауд. Т-206

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» и на сайте www.mpei.ru.

Автореферат разослан «3 » о&тясГрл, 2015 г.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах) с подписями, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.04, кандидат технических наук

А.К. Ястребов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Во многих странах мира существуют регионы, неподключенные к сети электроснабжения из-за экономических факторов или топографических особенностей местности. В этих условиях актуальной является разработка автономных холодильных установок, использующих источники возобновляемой энергии, которые активно разрабатываются в последние десятилетия.

Эти установки обладают рядом преимуществ, таких как простота, низкая стоимость, экологическая безопасность, возможность использования в качестве источника теплоты солнечной энергии. На сегодняшний день физические процессы, происходящие в элементах таких установок, не являются достаточно изученными. Также недостаточно исследовано влияние климатических факторов, конструктивных параметров установок, характеристик применяемых сорбентов на эффективность их работы. Расчетно-экспериментальные исследования и разработка метода расчета солнечного холодильника адсорбционного типа (СХАТ) позволят предсказывать и совершенствовать технические характеристики таких установок, а также повысить их экономическую эффективность.

Объектом исследования является автономный солнечный холодильник адсорбционного типа (СХАТ) периодического действия.

Делью работы является совершенствование характеристик и разработка метода расчета СХАТ периодического действия, использующего рабочую пару «активированный уголь-метанол».

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие научно-технические задачи:

• Проведен анализ состояния исследований в данной области, изучены подходы к описаншо и существующие математические модели физических процессов, происходящих в установках данного типа.

• Произведено экспериментальное исследование солнечной почасовой радиации в г. Санто-Доминго, необходимое для проектирования СХАТ, предназначенных для работы в данном регионе.

• Проведена серия испытаний адсорбционной способности различных марок активированного угля относительно метанола, и определены их параметры в уравнении Дубинина-Астахова.

• Разработан ряд действующих образцов СХАТ, и проведено экспериментальное исследование их работы с различными типами углей в различных климатических условиях.

• Разработана математическая модель процессов тепло- и массообмена, протекающих в адсорбере СХАТ, и проведена проверка ее адекватности.

• Проведены численные исследования работы солнечной адсорбционной холодильной установки с различными конструктивными параметрами при различных характеристиках активированного угля для разных климатических условий.

• Разработан метод расчета СХАТ периодического действия, использующего рабочую пару «активированный уголь-метанол».

Научная новизна.

1. Получены экспериментальные результаты, показывающие влияние характеристик активированного угля и климатических условий на холодопроизводительность установки.

2. Экспериментально показано, что адсорбционная способность всех испытанных в экспериментах семи марок активированного угля относительно метанола подчиняется уравнению Дубинина-Астахова на большей части изотермы адсорбции.

3. Разработана математическая модель адсорбера СХАТ, позволяющая учитывать геометрию адсорбера и сорбционные свойства пары «сорбент— поглощаемое вещество» при расчете количества адсорбированного метанола.

4. Впервые получены численные результаты, показывающие влияние толщины слоя активированного угля на удельную холодопроизводительность установки.

5. Впервые получены характеристики почасовой солнечной радиации в г. Санто-Доминго.

Практическая ценность.

¡.Результаты экспериментальных исследований СХАТ могут быть использованы для разработки и верификации новых математических моделей подобных установок.

2. Разработанный метод расчета СХАТ позволяет определять ее конструктивные характеристики и массу активированного угля для заданной холодопроизводительности при известных климатических условиях.

3. Полученные экспериментальным путем свойства семи марок активированных ушей относительно метанола могут быть использованы для расчета и проектирования сорбционных установок.

Личный вклад соискателя. Соискателем лично:

1. Создано несколько экспериментальных прототипов СХАТ, продемонстрирована их устойчивая работа в течение длительного периода и проведены экспериментальные исследования их работы.

2. Разработана математическая модель физических процессов, происходящих в коллекторе СХАТ, и осуществлена ее верификация.

3. Проведены численные исследования влияния параметров активированного угля, климатических параметров и толщины слоя активированного угля на холодопроизводительность СХАТ.

4. Экспериментально определены адсорбционные свойства семи марок активированного угля по отношению к метанолу.

5. Разработан метод расчета СХАТ. Методология и метод исследования.

В диссертационной работе использовалось сочетание экспериментального

и расчетно-теоретического методов исследования процессов переноса теплоты

и массы в СХАТ. Экспериментальный метод применен на этапах:

• доказательства работоспособности СХАТ, подтверждения ее устойчивой работы в течение длительного времени и повторяемости ее характеристик;

• построения математической модели и определения ряда ее параметров;

• подтверждения адекватности модели.

Метод численно-теоретических исследований применялся для анализа влияния различных факторов на холодопроизводительность СХАТ и разработки метода ее расчета. Автор защищает;

1. Результаты экспериментальных исследований характеристик СХАТ, проведенных на установках, отличающихся размерами, параметрами сорбентов и работающих в различных климатических условиях.

2. Полученные в результате экспериментов сорбционные свойства семи марок активированного угля относительно метанола.

3. Математическую модель физических процессов, происходящих в адсорбере солнечной холодильной установки адсорбционного типа.

4. Полученные в результате численного эксперимента данные о влиянии геометрических параметров, свойств угля и климатических условий на характеристики установки.

5. Разработанный метод расчета СХАТ.

6. Полученные на солориметрической установке нового типа данные о солнечной радиации в г. Санто-Доминго.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается многократной воспроизводимостью экспериментальных данных, корректным применением фундаментальных физических законов, положенных в основу математической модели, удовлетворительными результатами сопоставления расчетных и экспериментальных данных, полученных автором.

Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на следующих научных конференциях: IV, VII, VIII, X, XI Congreso Multidisciplinario de Investigación Científica, Santo Domingo, 2008, 2011, 2012, 2014, 2015; XXXIII Reunión de Trabajo de la Asociación de Energías Renovables y Ambiente (ASADES-2010), Cafayate, Salta, Argentina, 2010; V Российская Национальная конференция по теплообмену, Москва, 2010; 14 Convención científica de ingeniería y arquitectura Cujae, Habana, Cuba, 2008; II Congreso Internacional de Física Santo Domingo, 2007; VI Международная школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика», Москва, 2012; Международная научно-техническая конференция «Проблемы ресурсо- и энергосберегающих технологий в промышленности и АПК» (ПРЭТ-2014), Иваново, 2014.

Публикации. По результатам работы были опубликованы тринадцать научных трудов, два из которых в журналах, входящих в перечень, рекомендованный ВАК РФ, и один зарубежный журнал, индексируемый в базе данных WEB of Science.

Объём работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 79 наименований. Общий объем диссертации составляет 132 страницы машинописного текста, включая рисунки, таблицы.

Основное содержание диссертационной работы

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и основные задачи исследования, показана научная новизна, описаны методы исследования и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе проведен анализ теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в рассматриваемой области. Рассмотрены особенности физических процессов, протекающих в СХАТ, их принципиальные схемы, конструкции отдельных элементов, термодинамический цикл установки. Обоснован выбор рабочей пары СХАТ «активированный уголь-метанол». Рассмотрены способы оценки эффективности СХАТ, применяемые различными авторами (Meunier F., Anyanwu Б.Е., Luo L., Tondeur D., Попель O.C., Фрид C.E., Аристов Ю.И. и др.), предлагаемые авторами математические модели процессов тепло- и массообмена при наличии сорбции и десорбции (Leite A.F.P., Grillo М.В., Luo T., Tondeur D., Lemini F., Meunier F., Y.Zhao, E.Hu, A. Blazewicz), a также результаты экспериментальных исследований процессов в СХАТ (Leite A.F.P., Grillo M.B.,). Установлено, что, несмотря на значительный интерес к исследованию различных СХАТ и продвижение в понимании происходящих в них физических процессов, отсутствуют методы расчета СХАТ. Недостаточно исследовано влияние (в том числе комплексное) конструктивных характеристик установок, сорбционных свойств применяемой рабочей пары и климатических условий на удельную холодопроизводительность установок. В результате проведенного анализа обоснованы цель диссертации и поставленные в ней задачи.

Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследований процессов в СХАТ, описаны конструкции экспериментальных прототипов СХАТ; определены сорбционные свойства различных марок угля по отношению к метанолу; описаны условия проведения экспериментов и указаны диапазоны изменения рабочих параметров. Всего в экспериментах были испытаны два прототипа СХАТ. Схемы установок не различались, однако, различались их конструктивные характеристики, климатические условия и используемые марки сорбентов. Испытания проводились в г. Санто-Доминго (установка Cholada) и г. Буэнос-Айрес (установка Cholita). На фото (Рисунок 1, Рисунок 2) приведен их общий вид. В Таблице 1 приведены технические характеристики СХАТ и условия проведения экспериментов.

Рисунок 1. Установка Cholita Рисунок 2. Установка Cholada

Таблица 1

Характеристики установок и условия проведения экспериментов_

Характеристики С1юШа СЬо1аёа

Количество активированного угля в коллекторе, кг 4 16

Дневные температуры в коллекторе, "С 90 90

Дневные температуры в конденсаторе, °С 15-40 30

Ночные температуры в коллекторе, "С 10-15 20-22

Суточная выработка холода, (){г, кДж 400 1000

Холодильный коэффициент, сор = б/г/е,„с 0.078 0.105

б/г /р«т Фронт, поверхность концентратора), кДж/м2 663 490

Ол/Кш >(Р!ит- фронт, площадь коллектора), кДж/м2 265 327

2/г ал сагь- масса угля в коллекторе), кДж/кг 117 67.5

Общая схема установок с указанием расположения измерительных приборов приведена на Рисунке 3. Каждая установка состоит из солнечного коллектора (адсорбера), конденсатора и испарителя, помещенного в теплоизолированную холодильную камеру. Работа СХАТ является периодической.

В вечернее и ночное время температура солнечного коллектора, а с ним и адсорбента, снижается, и начинается процесс адсорбции. Процесс генерации холода происходит за счет испарения метанола в холодильной камере. В процессе экспериментов в режиме реального времени проводились измерения температуры в элементах установки, окружающей среды, поступающей солнечной радиации, давления паров метанола в конденсаторе установки, объема метанола в испарителе. Для измерения температуры использовались термометры сопротивления с погрешностью измерения ±1°С, манометр марки ■\¥ек81ег с погрешностью ±1.5 кПа.

Уровень солнечной радиации измерялся солориметром новой конструкции, одним из разработчиков которого является автор. Отметим, что систематические измерения почасовой солнечной радиации в г, Санто-Доминго были проведены впервые и в дальнейшем использованы в расчетных исследованиях.

Рисунок 3. Схема СХАТ. х - места расположения термопар

Удалось добиться длительной устойчивой работы установок (длительность непрерывных испытаний на различных установках составляла от 3 до 16 месяцев). На Рисунках 4 и 5 представлены результаты измерений температур в элементах установки и соответствующие им значения уровня поступающей солнечной радиации в период с 14 по 16 февраля 2011 гада.

Результаты показывают существенное влияние облачности ка температуры, достигаемые в солнечном коллекторе, и на количество десорбированного метанола, определяющего холодопроизводительность установки, а также высокую корреляцию между температурами поверхности адсорбера и падающим излучением.__

Рисунок 4. Результаты измерений температур в элементах установки в зависимости от времени. Температуры: 1 - поверхности коллектора; 2 - конденсатора; 3 - окружающей среды;

4 - испарителя

Я О й Н» И ОЧ й 1П НО « НИ Н О в Н 1Л N0 ^ г1 1П

ййяййяояйьовйвйвкч^тйй^оя

ОПГЧННМООООНННТКИГЧОРООТЧ^ГЧГЧГЧ

Время измерения

Рисунок 5. Результаты измерений солнечной радиации, поступающей на поверхность адсорбера во времени

На основе этих данных были определены удельная выработка холода (на единицу площади адсорбера) установок и их холодильные коэффициенты. Было исследовано влияние некоторых климатических факторов на количество десорбированного метанола.

На Рисунке 6 представлена полученная в экспериментах зависимость количества десорбированного метанола, измеренного объемным методом, в СХАТ от времени при различных температурах охлаждающей воды в конденсаторе, зависящих от температуры и влажности воздуха в местности, где используется СХАТ. Как видно, изменение температуры на 20°С приводит к увеличению объема десорбированного метанола, а следовательно, и холодопроизводительности установки на 37%. Таким образом, понижение температуры отвода теплоты в конденсаторе имеет не меньшее значение для работы установки, чем повышение температуры подвода теплоты в адсорбере.

70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00

Д А А А А

А А А

А А А ♦ ♦ ♦ ♦ ■ Н ■ Ш ■ В

Ш * ■ ♦ ■ Й ■ ■ ■

** АТсопс! 20"С

1 ♦ Тсопй 30*С

■ Тсопй 40'С

100 150 200 Время, мин

250

300

Рисунок б. Влияние температуры охлаждающей воды в конденсаторе на количество десорбированного метанола

На лабораторной установке фирмы ВЕ18огр-Мах (Япония) были проведены экспериментальные исследования характеристик применяемых в СХАТ ушей. Показано, что адсорбционная способность всех испытанных в экспериментах семи марок активированного утя относительно метанола подчиняется уравнению Дубинина-Астахова на большей части диапазона исследуемых относительных давлений:

Хес1 = X о ехр( - р (Г 1п( Р«*/£)и , (1)

где^с, - количество адсорбированного углем метанола при достижении равновесия между адсорбатом и адсорбентом, кг/кг; Х0 — максимальное количество метанола, которое может адсорбировать конкретный тип активированного угля, кг/кг; Р— давление в системе, Па; Г-температура активированного угля, К; Р!а, - давление насыщения метанола, соответствующее температуре активированного угля, Па; Р ,п- параметры, определяющие взаимодействие конкретного типа активированного угля и метанола.

Все полученные изотермы (5 изотерм для каждого исследуемого угля) представляют собой изотерму I типа согласно классификации, введенной Брунауэром, Демингом, Теллером. В диапазоне давлений, приближающихся к давлению насыщения метанола при температуре активированного угля, кривые изотерм достаточно резко поднимаются вверх, что говорит о процессе

капиллярной конденсации. Эта часть изотерм не описывается уравнением Дубинина-Астахова, но в исследуемой установке СХАТ рабочие относительные давления находятся в экспоненциальной части изотермы сорбции. Вид изотерм сорбции для испытанных марок угля представлен на Рисунке 7.

о,з

| 0,25 а

а 0,2

I

г ¡2

§ ОД

К X * X X X X

4

¿кг £

М*!«**1 II ■ т ■

0,2 0,4 0,6 0,8 1 Относительное давление, Р/Р0

• ^иэ$огЬ ■ СЬаг -САКВ К хааПше*

♦ |г^и!тэ1 ж.1асоЫ

х ОогЫоп

1,2

Рисунок 7. Экспериментально полученные изотермы сорбции «активированный уголь—метанол» для различных марок активированного угля

Были определены параметры уравнения Дубинина-Астахова для каждой марки угля (Таблица 2), путем аппроксимации экспериментальных изотерм сорбции при изменении параметров уравнения в заданном диапазоне.

Таблица 2

№ Марка угля Параметры уравнения Дубинина-Астахова

Р п

1 БоеЫОП 0.214 3.81-10"8 2.482

2 .ГасоЫ 0.236 1.3-10-" 1.4

3 АдиаБогЬ 0.327 1.92-кг1 1.6356

4 СагЬЯ 0.213 4.4478-10"8 2.43

5 СЬагМ 0.1083 0.00161 0.921

6 С1аптех 0.1865 2.059-10"' 2.180

7 йвдште! 0.1973 1.36-10-4 1.666

Среднее отклонение экспериментальных данных и аппроксимирующих кривых лежит в пределах 1,5%. Данные результаты могут быть использованы при моделировании процессов в СХАТ, а также при проектных расчетах.

В третьей главе приводится разработанная математическая модель процессов, происходящих в адсорбере, и описывается алгоритм получения решения. Приводятся сопоставления расчетных и экспериментальных результатов, доказывающие адекватность модели. Модель позволяет определить распределение температур и концентраций метанола в кольцевом слое сорбента во времени при изменении внешних условий. Это дает возможность найти количество адсорбированного и десорбированного метанола, и вычислить удельную холодопроизводительность установки. Уравнения модели записаны в цилиндрических координатах с одной переменной г. Неизвестными функциями

в модели являются Р, Т, X, V, Сг, которые изменяются по радиусу и во времени. Расчетная область представлена на Рисунке 8.

ш е

* I » 1

' Р \ Е ; ,

^О-гО-г-О^ОтК --

Контрольный объем

I

Рисунок 8. Схема расчетной области

При формулировке модели сделаны следующие основные допущения:

• поток теплоты к внешней поверхности адсорбера и отвод теплоты от его внутренней поверхности не меняется по длине и по периметру.

• изменение массового потока метанола по оси адсорбера пренебрежимо мало относительно их изменения по радиусу;

• параметры паров метанола подчиняются уравнению состояния идеального газа;

• равновесные состояния активированного угля и метанола подчиняются уравнению Дубинина-Астахова;

• движение метанола в насыпке угля подчиняется закону Дарси;

• скорость процесса десорбции и адсорбции пропорциональна разности текущей и равновесной концентрации метанола.

Модель включает следующие уравнения и расчетные соотношения: уравнение сохранения массы:

дсе Л ч дх 1 а \ _ (2)

е—-Ы

уравнение сохранения энергии:

. Ас£?т) + д(СрсТ+ХСт!,Т+ХЦа1Ь)+е 1 8{гС^СкТ)

а

а

дг

г дг

к Л

Иг

(3)

уравнение, описывающее скорость протекания сорбционного процесса в активированном угле:

дХ 15 £>„ -4>г/.. (4)

дх _ 15 Р0 ~ц*г( \

уравнение сохранения количества движения:

ц дг'

уравнение состояния идеального газа:

Р = СЯТ,

(5)

(6)

где г-пористость, м3/м3; Се - концентрация паров метанола, кг/м3; рс -плотность угля, кг/м3; X-количество метанола, адсорбированного углем, кг/кг;

V — скорость газа, м/с; Т —температура активированного угля, К; _ коэффициент эффективной теплопроводности угля, Вт/(м-К); Р-давление газа, Па; Р1а, - давление газа в состоянии насыщения, соответствующее температуре угля, Па; иасЬ - энергия адсорбции, Дж/кг; Срс -удельная теплоемкость угля, Дж/(кг-К); СРг -удельная теплоемкость газа, Дж/(кг-К); Ст.1 -удельная теплоемкость метанола, Дж/(кг-К); Ц, - коэффициент диффузии; ¡1 - коэффициент динамической вязкости, Па-с; Кв - коэффициент в законе Дарси. Кроме того, в модель входит записанное ранее уравнение Дубинина-Астахова.

Учет подвода (отвода) теплоты извне и присутствия других составных частей холодильной установки (конденсатора и испарителя) производится путем постановки граничных условий. Граничными условиями являются:

• На внутренней стенке коллектора, где г = га: 1) дТ/дг = 0; 2) Рга = /(/).

Здесь задаются: 1) нулевой тепловой поток путем теплопроводности для уравнения сохранения энергии и 2) давление внутри канала коллектора для уравнения Дарси. Это давление определяется давлением в конденсаторе в течение процесса десорбции и давлением в испарителе в течение процесса адсорбции, а во время переходных периодов (изостерических нагрева и охлаждения) давление аппроксимируется на основе экспериментальных данных автора по модели Ричардсона и по полиноминальной зависимости соответственно.

• На внешней стенке коллектора, где г = гъ : ТгЬ =Щ).

Температура на поверхности задавалась в виде функции времени и зависела от падающего потока солнечной радиации в солнечном коллекторе и от температуры окружающей среды в ночное время.

Для численной реализации модели была построена программа в вычислительном комплексе МАТЬАВ. При расчете температуры Г и концентрации метанола Сг во времени использована полностью неявная схема. Выбор шага по времени осуществлялся по выполнению критерия сходимости

(Дг2/Дг)<1.

Проведена проверка адекватности математической модели путем сравнения результатов численных расчетов и экспериментальных измерений на прототипе СЬоШа. Были сопоставлены результаты расчета и экспериментальные данные по количеству десорбированного метанола в процессе работы установки при различных температурах воды в конденсаторе, приведенные на Рисунках 9 и 10.

Расчетные кривые находятся в хорошем соответствии с экспериментом. Наибольшее отличие наблюдается в первые полтора часа от начала процесса.

Наиболее вероятной причиной отличия является то обстоятельство, что начальные значения температур и концентраций метанола в слое угля задаются в расчетах постоянной величиной, соответствующей равновесному состоянию системы при температурных условиях предыдущей ночи, тоща как в экспериментах это состояние определяется предысторией процесса.

.21

400

Рисунок 9. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по изменению количества десорбированного метанола во время работы установки, Тсоп^ ~ 20°С

Рисунок 10. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по изменению количества десорбированного метанола во время работы установки, Тсоп^ = 30°С

В четвертой главе описаны результаты численных экспериментов, в которых исследовано влияние различных параметров на характеристики СХАТ. Влияние сорбционных свойств угля на характеристики установки отражено в Таблице 3. Расчеты количества циркулирующего в установке метанола были выполнены по уравнению Дубинина-Астахова для различных активированных углей при одинаковых условиях дневных и ночных температур коллектора для равновесных состояний: Та = 100°С, Г„=20°С, конденсатора и испарителя Тсап = 30"С, Ттар = 0°С. Количество циркулирующего в системе метанола определяет максимально возможную холодопроизводительность установки. Таким образом, выбор активированного угля имеет большое значение для эффективной работы.

Однако важно знать не только теоретически возможное количество циркулирующего метанола, рассчитанное на основе равновесных состояний, но и реальное текущее состояние активированного угля и метанола в различные моменты времени в течение процессов десорбции и адсорбции. Эти состояния будут зависеть от выбранного угля, геометрии коллектора и от дневных и ночных температур, достигаемых в коллекторе, конденсаторе и испарителе.

Разработанная программа позволяет рассчитать значения температуры и концентрации метанола в слое активированного угля в различные моменты

времени, которые приводятся на Рисунке 11. Расчеты проведены для угля MaxSorb III для цилиндрического коллектора с внутренним и внешним радиусами 0.015 м и 0.065 м соответственно, для процесса десорбции, который длился 8 часов, и при котором максимальная температура поверхности цилиндра достигала 90°С. Из графика видно, что 8 часов спустя после начала процесса десорбции внутри канала достигнута большая концентрация метанола в активированном угле вблизи внутреннего канала и гораздо меньшая

MaxSorb III в различные моменты времени (2,4,6,8 часов)

В таблице 3 показано, что равновесное значение концентрации X при описанных условиях гораздо меньше и равно 0.015 кг/кг. Это означает, что для данного угля при выбранной геометрии и при заданных дневных температурах в данной установке невозможно приблизиться к рассчитанному по уравнению Дубинина-Астахова количеству циркулирующего метанола в СХАТ.

Таблица 3

Влияние сорбционных свойств угля на характеристики установки_

Уголь 3 и Х«ш Х„акс ДХ

CNR115 0.936 1.3-10-4 ¡.4 0.1131 0.5925 0.4795

MaxSorb III 0.992 4.022'10"6 2 0.0153 0.6206 0.6053

AguaSorb 0.259 1.92-10"5 1.64 0.0248 0.3972 0.3724

Cholita 0.200 1.01-10"5 1.72 0.0847 0.4214 0.3367

По полученным по программе концентрациям метанола в слое активированного угля для различных моментов времени рассчитано общее количество десорбированного метанола. Подобные расчеты были проведены для установок с одинаковой геометрией и одинаковыми граничными условиями, но с различными активированными углями в коллекторе.

На Рисунке 12 представлены результаты расчетов динамических состояний трех активированных углей и метанола при одинаковых дневных и ночных температурах. На оси ординат представлено количество десорбированного метанола на единицу длины коллектора в течение процесса десорбции, на оси абсцисс - время с начала процесса нагрева коллектора.

На начальном этапе нагрева активированного угля расчеты дают физически неправильный результат (вместо процесса десорбции протекает процесс адсорбции небольшого количества метанола). Это вызвано недостаточно

корректным заданием граничных значений температуры и давления. В расчетах эти данные брались на основе аппроксимации реального эксперимента, проведенного с использованием угля СЬоШа. Эта аппроксимация дает несколько завышенные значения давления в канале для других типов углей.

Время, мин

Рисунок 12. Изменение массы десорбированного метанола на единицу длины коллектора во времени для трех различных типов углей

Неточность расчета десорбированного количества метанола на начальном участке оказывает несущественное влияние на итоговое количество десорбированного метанола. Результаты расчета (Рисунки 13, 14) показывают, что масса десорбированного метанола в СХАТ, а также пропорциональные ей холодопроизводительности, отнесенные к массе утя и к площади коллектора при заданном объеме утя могут отличаться более чем в 2,5 раза для разных углей. Таким образом, выбор наилучших сорбентов является одним из основных факторов, влияющих на холодопроизводительность СХАТ.

Проведены численные исследования работы СХАТ в зависимости от толщины слоя утя в солнечном коллекторе при постоянном внешнем радиусе адсорбера (65 мм) и при переменном радиусе внутреннего канала адсорбера (15 мм, 25мм и 35 мм). На Рисунках 13 и 14 приведены результаты этих численных экспериментов для двух значительно отличающихся по адсорбционным характеристикам углей.

Для утя с лучшими характеристиками (МахЭогЬ III) уменьшение толщины слоя активированного угля приводит к увеличению общего количества десорбированного метанола, несмотря на то, что общая масса утя, помещенного в коллектор, уменьшается. Причиной является недостаточный прогрев сорбента на удалении от поверхности, воспринимающей солнечную радиацию. Для угля с худшими сорбционными свойствами расчеты показывают, что на начальных этапах десорбции предпочтительнее будет адсорбер с малой толщиной слоя утя, а после 6 часов работы - с большей толщиной слоя. Это объясняется наличием двух противоположных тенденций: количество первоначально поглощенного углем метанола тем больше, чем выше толщина слоя, а требуемое время прогрева тем меньше, чем тоньше слой.

С практической точки зрения, для СХАТ наиболее важное значение имеют такие характеристики, как холодопроизводительность, отнесенная к количеству используемого сорбента и холодопроизводительность, отнесенная к единице

площади солнечного коллектора. Это обусловлено высокой стоимостью угля с хорошей сорбционной способностью и большой металлоемкостью и габаритами таких установок.

Рисунок 13. Влияние толщины слоя угая Рисунок 14. Влияние толщины слоя угля

МахЭогЫП на характеристики СХАТ А^аЭогЬ на характеристики СХАТ

Результаты расчета характеристик СХАТ для трех размеров цилиндрического коллектора приводятся в таблице 4. Наблюдается, что для углей CNR115 и MaxSorb III с уменьшением толщины слоя угля увеличивается суточное производство холода и холодопроизводительность на единицу площади коллектора примерно на 20% и 33% соответственно, в то время как холодопроизводительность на единицу массы угля увеличивается на 61% и 77%. Уменьшение толщины слоя угля для углей с худшими адсорбционными свойствами - AguaSorb и Cholita - приводит к уменьшению суточного производства холода примерно на 16-18%, при этом удельная холодопроизводительность на единицу массы угля незначительно увеличивается.

Таблица 4

Характеристики СХАТ__

Внутренний Суточная Удельная холодо- Удельная холодо-

Уголь радиус выработка холода, производительность производительность

коллектора Qfi, кДж Qfr/Mcarb ,кДж/кг Q fi ¡Fsum > кДж/м2

MaxSorbm /•„ = 0.015м 2508 185 820

г„ = 0.025м 2900 238 948

0.035м 3350 329 1095

CNR115 га = 0.015м 1860 137 608

га = 0.025м 2115 174 691

га= 0.035м 2250 221 735

Cholita га = 0.015м 838 61.8 273

га = 0.025м 813 66.7 265

га= 0.035м 705 69.3 230

AguaSorb га = 0.015м 1040 76.7 340

га = 0.025м 1000 82.0 327

г„= 0.035м 857 84.2 280

-17

Исследовано влияние климатических условий на работу СХАТ. Интенсивность солнечной радиации определяет динамику прогрева слоя угля, а дневные температуры определяют потери теплоты с поверхности адсорбера, температуру в конденсаторе и теплопритоки в холодильной камере. В расчетах также исследовалось влияние температуры поверхности солнечного коллектора и охлаждающей воды в конденсаторе, которые наиболее сильно влияют на холодопроизводительность. Во всех случаях разность температур в коллекторе и в конденсаторе принималась постоянной и равной 70°С.

Показано, что во всех случаях одинаковое снижение температуры в конденсаторе и адсорбере увеличивает количество десорбированного метанола, которое для разных марок углей отличается. Это означает, что холодопроизводительность СХАТ, использованной в местах с умеренным климатом, может бьггь не хуже, чем в местах с более жарким климатом. Это означает, что холодопроизводительность СХАТ, использованной в местах с умеренным климатом, может быть не хуже, чем в местах с более жарким климатом.

В пятой главе изложен метод проектного расчета СХАТ. Цель расчета -найти требуемые конструктивные характеристики адсорбера и других элементов установки в заданной местности для заданной марки утя для обеспечения необходимой холодопроизводительности.

Метод основан на представленной в главе 3 математической модели и реализуется в следующей последовательности.

1. Определяются исходные данные для расчета: требуемая холодопроизводительность, климатические условия: почасовая плотность радиационного потока теплоты, поступающего на поверхность адсорбера; почасовые температуры окружающей среды в дневное и ночное время; температура охлаждающей воды в конденсаторе установки.

2. Определяется примерное количество циркулирующего в установке метанола на основе заданной холодопроизводительности, учитывая только затраты теплоты на первоначальное охлаждение воды, находящейся в испарителе, и фазовый переход воды из жидкого состояния в твердое.

3. Составляется перечень доступных проектировщику марок активированного угля с известными параметрами уравнения Дубинина-Астахова.

4. Используются данные о солнечной почасовой радиации для определения граничного условия на поверхности адсорбера на основании линейной зависимости температуры поверхности коллектора и температуры окружающей среда от падающего радиационного потока:

Т -Т =k-~q+c. (7)

х кал * o.e. 'ь Ч >

где Ткол, Тас, - температуры коллектора и окружающей среды, q - осредненная текущая радиация, Вт/м2, коэффициенты k - инертности системы и с -поправочный коэффициент, для коллекторов с геометрическими размерами, описанными в данной работе, найденные автором. В другом случае используются данные из литературы или проводятся предварительные эксперименты.

5. Производится, расчет максимального Хтах и минимального Хт,п количества адсорбированного углем метанола по равновесной модели Дубинина-Астахова, разница между которыми и представляет собой количество метанола на единицу массы угля, циркулирующего в системе СХАТ при имеющихся климатических условиях для обеспечения заданной холодопроизводителыюсти. Ее вычисление производится в предположении, что весь уголь, помещенный в установку, имеет одинаковую температуру, достигнутую на внешней поверхности цилиндра, и находится в состоянии равновесия с метанолом. Расчет производится для всех доступных марок угля, и выбирается тот, у которого разница ДА" имеет наибольшее значение.

6. Необходимое количество угля для установки рассчитывается как частное от деления общего количества метанола, которое должно циркулировать в системе, чтобы обеспечить заданную холодопроизводительность, на величину АХ, полученную в п. 5. Выбирается внутренний и внешний диаметры адсорбера, например, как в экспериментальном образце: гвнутр=0.015 м, генеш=0.065 м. Длина адсорбера определяется в зависимости от массы угля.

7. Производится расчет динамических характеристик пары активированный уголь-метанол в адсорбере СХАТ на основе предложенной математической модели: определяются распределения концентраций адсорбированного метанола, температуры, давления и концентраций паров метанола в слое угля в различные моменты времени.

8. Интегрируя по объему слоя угля полученные в расчетах концентрации адсорбированного метанола и учитывая их начальные распределения, получаем общее количество десорбированного в установке метанола, которое сравнивается с его значением, вычисленным в п.2. В случае, если отличие не превышает 10 %, расчёт считается законченным.

В противном случае имеется два возможных пути достижения нужной холодопроизводительности:

• Увеличение количества угля и соответствующего ему количества метанола, циркулирующего в системе путем увеличения длины модулей адсорбера или их количества (экстенсивный путь, не сопровождающийся улучшением характеристик установки);

• Уменьшение слоя угля за счет увеличения внутреннего диаметра адсорбера и соответствующего увеличения длины (количества) модулей адсорбера при сохранении массы угля. Таким образом, достигается лучший прогрев (охлаждение), приближение концентраций к равновесным значениям и рост удельной холодопроизводительности. ^

9. Если производятся изменения радиуса внутреннего канала, то для каждого нового значения повторяется расчет динамических характеристик в слое угля до достижения необходимой массы циркулирующего метанола в системе, определяющей холодопроизводительность установки.

Заключение

По результатам диссертационной работы можно сделать следующие выводы:

1. Проведен анализ состояния исследований в данной области, изучены подходы к описанию и существующие математические модели физических процессов, происходящих в установках данного типа.

2. Произведено экспериментальное исследование солнечной почасовой радиации в г. Санто-Доминго, необходимое для проектирования СХАТ, предназначенных для работы в данном регионе.

3.Проведена серия испытаний адсорбционной способности различных марок активированного угля относительно метанола. Показано, что адсорбционные способности всех испытанных в экспериментах семи марок активированного угля относительно метанола подчиняются уравнению Дубинина-Астахова в пределах рабочих давлений. Определены параметры этого уравнения для каждой марки угля.

4. Разработан ряд действующих образцов СХАТ. Продемонстрирована устойчивая работа установок в течение 3-16 месяцев и возможность получения льда для аккумулирования холода.

5. Проведено экспериментальное исследование работы установок с различными типами углей в различных климатических условиях. Показано, что температура охлаждающей воды в конденсаторе очень существенно влияет на холодопроизводительность установки. Полученные данные могут быть использованы для разработки и верификации новых математических моделей подобных установок.

6. Разработана математическая модель нестационарных процессов тепло- и массообмена, протекающих в адсорбере СХАТ. Модель позволяет определить распределение температур и концентраций метанола в кольцевом слое сорбента во времени при изменении внешних условий, количество десорбированного метанола и удельную холодопроизводительность установки. Произведена проверка адекватности модели путем сопоставления с экспериментальными данными по количеству метанола, десорбированного в процессе работы установки при различных температурах в конденсаторе.

7. Проведены численные исследования работы СХАТ с различными конструктивными параметрами при различных характеристиках угля для разных климатических условий. Установлено, что при одинаковых климатических условиях и для одного и того же угля холодопроизводительность будет существенно зависеть от толщины слоя активированного угля в коллекторе.

8. На основании предложенной математической модели разработан метод расчета СХАТ периодического действия, использующий рабочую пару активированный уголь-метанол.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. A. Sartarelli, S. Vera, R. Echarri, E. Cyrulies, I. Samsón. Heat flux

solarimeter // Solar Energy.-Germany: ISES -2010, № 84.- C. 2173-2178.

2. Самсон И.Ф., Эчарри P., Сергиевский Э.Д. Солнечный холодильник

адсорбционного типа // Молочная промышленность. - М.: AHO

«Молочная промышленность». - 2012, N 8. - С. 26-28

3. Самсон И.Ф., Эчаррн Р., Гаряев А.Б. Исследование влияния свойств сорбента на показатели солнечной адсорбционной холодильной установки // Промышленная энергетика. - М.: Энергопрогресс. - 2014, № 9. - С. 35-40.

4. I. Samson, R. Echarri. Una alternativa para producción de frío con energía sola r// Ciencia y Sociedad, Vol. XXIX. - EneroRD ISSN03 87-7680. - 2004.

5. I. Samson, R. Echarri, C. El Hasi. Prototipo a pequeña escala de una nevera solar: primeros resultados// Ciencia y Sociedad, Vol. XXXIII, Núm. 2. - Instituto tecnológico Santo Domingo, RD ISSN 0378-7680. - 2008.

6. S. Vera, R. Echarri, A. Sartarelli, E. Cyrulies, I. Samson.Construcción de una heladera solar por adsorción// ASADES 2008, Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente Vol. 12. Impreso en la Argentina. ISSN 0329-518401.-2008

7. I. Samson, R. Echarri, S. Vera, A. Sartarelli, E. Cyrulies. Experimentaciones con una nevera solar que funciona por adsorción. // 14 Convención científica de ingeniería y arquitectura, Cujae, -Habana, Cuba.. -2008.

8. R. Echarri, S. Vera, E. Cyrulies, A. Sartarelli, I. Samsón, Estudio del comportamiento de un solarímetro de bajo costo // ASADES 2009, Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente Vol. 13. - Impreso en la Argentina. ISSN 0329-5184.-2009.

9. S. Vera, E.Cyrulies, R. Echarri, A. Sartarelli, I. Samson. Contrastación de mediciones de radiación solar en Santo Domingo con un solarímetro de construcción sencilla //ASADES 2010, Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente. - Impreso en la Argentina. ISSN 0329-5184. -2010.

10.S. Vera, A Sartarelli, R. Echarri, E. Cyrulies, I. Samson. Prototipos de refrigeradores solares por adsorción // Avances en Energías Renovables y Ambiente. - Impreso en la Argentina.ISSN 0329-5184. -2011.

П.Самсон И.Ф., Эчаррн Р., Вассилева М., Сартарелли А., Вэра С., Сирулиэс Э. Математическая модель солнечного холодильника адсорбционного типа // Шестая международная школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика». - М.: МЭИ.- 2012. - С. 347-352.

12.Гаряев А.Б., Самсон И.Ф., Исаев А.А. Влияние соотношения размеров элементов солнечного адсорбционного холодильника на производительность // Междунар. научно-технич. конференция «Проблемы ресурсо- и энергосберегающих технологий в промышленности и АПК» (ПРЭТ-2014), Т1. - Иван. гос. хим.-технол. ун-т. - Иваново. -2014. - С. 135-139.

13.Исаев А.А., Самсон И.Ф., Гаряев А.Б. Влияние температуры окружающей среды на производительность солнечной адсорбционной холодильной установки. // XX Международная конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» М., МЭИ, 2014 г. - С. 125.

Подписано в печать Зак.<%АЗ^Тир. -№ П.л.

Типография Издательства МЭИ, Красноказарменная ул., д.13