автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Разработка и исследование солнечных установок для сушки сельскохозяйственной продукции

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СОЛНЕЧНЫМ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЯМ И СУШИЛЬНЫМ УСТАНОВКАМ.

1.1. Установки для нагрева воздуха

1.2. Солнечные сушильные установки

2. ОПЫТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ

2.1. Описание опытных установок

2.1.1. Воздухонагреватели с плоским листовым теплоприемником

2.1.2. Воздухонагреватели с перфорированным теплоприем-ником.

2.1.3. Воздухонагреватели с теплоприемником в виде насадок

2.1.4. Воздухонагреватели с грунтовым теплоприемником

2.2. Методика измерения основных характеристик воздухонагревателей

2.3. Результаты испытаний и анализ опытных данных

2.4. Оценка точности измерений

3. ИССЛЕДОВАНИЕ' ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА СОЛНЕЧНЫХ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ МАТЕМАТИЧЕСКИМ МЕТОДАМИ.

3.1. Оптимизация температурного режима и размеров многоступенчатых солнечных воздухонагревателей

3.2. Постановка задачи расчета температурного поля солнечного воздухонагревателя с грунтовым теплоприемником

3.3. Решение задачи расчета температурного поля воздухонагревателя с грунтовым теплоприемником

3.4. Расчет температуры воздуха и грунта-аккумулятора тепла.

4. ПРЕДЛАГАЕМЫЕ ВАРИАНТЫ СОЛНЕЧНЫХ СУШЛЬНЫХ УСТАНОВОК И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИХ ПРИМЕНЕНИЮ.

4.1. Сушильные установки дневного действия

4.2. Сушильная установка круглосуточного действия . . . НО

4.3. Солнечные установки многоцелевого назначения

4.4. Некоторые технико-экономические показатели солнечных воздухонагревателей и сушильных установок

ВЫВОДЫ

В ряде отраслей народного хозяйства,например в сельском, сушка зерна,винограда,коконов,хлопка-сырца и другой сельскохозяйственной продукции является важнейшим процессом производства.

Этот вопрос в связи с принятием Продовольственной программы приобретает еще большее значение,так как в ней предусмотрено увеличение посевных площадей под овощи,фрукты и,особенно, виноградников столовых и кишмишных сортов. [I] .Это,естественно,повлечет за собой возрастание промышленной переработки сельскохозяйственной продукции,одной из видов которой является сушка.

В настоящее время во многих случаях организацию технологических процессов сушки осуществляют путем использования энергоемких сушильных установок , потребляющих традиционные виды энергии.

Экономия традиционных топливно-энергетических ресурсов входит в число важнейших задач,определенных "Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981-1985 гг. и на период до 1990 г.,одна из которых определена так "увеличить масштабы использования в народном хозяйстве возобновляемых источников энергии (гидравлической,солнечной,ветровой, геотермальной)" [2] .

Во многих сельскохозяйственных районах страны , в частности Туркмении,имеются благоприятные возможности для широкого применения сушильных устройств,использующих солнечную энергию,тем более, что этому способствует совпадение периода сельхозпроиз-водства с периодом прихода достаточно обильной солнечной радиации.

Кроме того,в последние годы весьма остро встал вопрос о защите окружающей среды,поскольку современная топливная энергетика играет не последнюю роль в её загрязнении,а солнечная энергия является достаточно "чистой".

Поэтому исключительно большое народнохозяйственное значение имеет применение солнечных сушильных установок, которые в последнее время привлекают все большее внимание ряда исследователей, стремящихся увязать в одну систему полученные результаты и накопленные знания теоретических и опытно-конструкторских разработок.

Эффективность работы солнечной сушильной установки всецело зависит от её гелиотехнической части, т.е. солнечного воздухонагревателя.

В связи с этим разработка высокоэффективных вариантов солнечных воздухонагревателей с приемлемыми технико-экономическими показателями является важной научно-практической задачей.

Для климатических условий ряда южных районов нашей страны, и особенно районов среднеазиатских республик, перспективным являются вопросы создания и применения солнечных теплонасосных сушильных установок, имеющих высокий коэффициент преобразования энергии. Путем широкого и почти всесезонного использования крупных солнечнотеплонасосных установок для сушки различной сельскохозяйственной продукции, выращенной в разные периоды года можно заметно сберечь топливно-энергетические ресурсы »окружающую сре-ДГ и решить ряд других задач сельскохозяйственного производства. Немаловажным являются вопросы разработки и внедрения в производство автономных солнечных устройств многоцелевого назначения, например, парникового устройства, позволяющего выращивать рассаду и осуществлять сушку сельскохозяйственной продукции, что дает возможность использовать его продолжительное время.

Такие установки могут найти широкое применение в полевых условиях, т.е. в местах непосредственного производства сельскохозяйственной продукции, которые во многих случаях отдалены от линии электропередач. При этом в значительной степени решатся вопросы , связанные с транспортировкой сырой продукции, подлежащей сушке и снижением качества продукции при её загрузке, транспортировке и разгрузке. Следует отметить, что при сушке многих сельскохозяйственных продуктов с использованием гелиосушильных установок качество конечной продукции сравнительно выше, что имеет также немаловажное значение. Таким образом успешное решение вышеуказанных задач будет способствовать экспериментальным и теоретическим исследованиям, направленным на создание высокоэффективных солнечных установок, предназначенных для сушки сельскохозяйственной продукции.

I. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СОЛНЕЧНЫМ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЯМ И СУШИЛЬНЫМ УСТАНОВКАМ

Следует прежде всего отметить, что количество научных исследований и конструкторских работ по установкам для нагрева воздуха значительно меньше, чем по системам водонагрева, хотя есть много областей применения, где более целесообразно использовать воздух в качестве теплоносителя, например, для сушки сельскохозяйственной продукции или для отопления помещений [3-13].

Ниже приводится анализ энергетических и эксплуатационных показателей установок для нагрева воздуха и сушильных установок, которые на современном этапе можно считать наиболее разработанными.

ВЫВОДЫ

I. Из рассмотрения современного состояния разработки солнечных установок, предназначенных для нагрева воздуха, следует, что проведенные исследования не позволяют выбрать оптимальные варианты солнечных воздухонагревателей, используемых для сушки продукции из-за отсутствия данных об их сравнительных теплотехнических показателях.

2. В натурных условиях проведены сравнительные испытания 20 вариантов солнечных воздухонагревателей, и в том числе предложенных нами новых-с перфорированным теплоприемником.

3. В результате экспериментальных исследований установлены теплотехнические показатели солнечных воздухонагревателей, выполненных с перфорированными, плоскими, насадочными и грунтовыми теплоприемниками.

Эксперименты показывают:

- наилучшими энергетическими характеристиками обладают воздухонагреватели, имеющие перфорированный теплоприемник, причем для догрева воздуха на 20-30°СС целесообразно выполнять их без остекления; при прочих равных условиях к.п.д. ступенчатых воздухонагревателей выше одноступенчатых;!

- воздухонагреватели, выполненные с теплоприемником в виде металлических стружек имеют энергетические преимущества перед воздухонагревателями с плоским теплоприемником.

Результаты экспериментальных данных обобщены в виде графических и эмпирических зависимостей.

4. Изучен теплообмен в воздухонагревателе с перфорированным, теплоприемником и исследованы его аэродинамические характеристики. Полученные результаты обобщены в виде критериальных уравнений.

5. Математическими методами установлены оптимальные размеры ступенчатых воздухонагревателей, решена задача расчета распределения температурного поля воздухонагревателя с грунтовым тепло-приемником-аккумулятором. Сопоставление результатов решения составленных дифференциальных уравнений с экспериментальными данными подтверждает достоверность выполненных теоретических исследований.

6. На основе проведенных опытных и теоретических исследований разработаны варианты солнечных сушильных установок дневного и круглосуточного действия, солнечной теплонасосной сушильной установки, а также устройства многоцелевого назначения, используемого в полевых условиях.

7. Обоснована перспективность использования разработанных конструкций солнечных воздухонагревателей и сушильных установок, даны рекомендации по их применению.

На основании проведенных исследований, предложений и рекомендаций в СПКБ "Гелиопроект" НПО "Солнце" АН ТССР разработан проект опытно-промышленной солнечной сушильной установки.

1. Продовольственная программа СССР на период до 1990 года и меры по её реализации.-М.¡Правда,1962.-110 с.

2. Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года.-М.:Политиздат, 1981.-95 с.

3. Б.Дж.Бринкворт.Солнечная энергия для человека.- М.:Мир,1976.-283 с.

4. Байрамов Р.,Ушакова А.Д. Использование солнечной энергии.-Ашхабад, 1973. -25 с.

5. Петухов Б.В.Солнечная энергия и возможности её использования.М.: Знание,1958.-225 с.

6. Патент 4313420 (США).Здание,отапливаемое солнечной энергией /Опубл. в ИЗРДз 1,1982.

7. Трофимов К.Г.Использование солнечной энергии в народном хозяйстве. -Ташкент, 1935. -16 с.

8. Заявка 2492955 (Франция).Система центрального солнечного отопления, использующая воздух./Опубл.в ИЗР,Ш7,1982.

9. Умаров Г.Я.,Авезов Р.,Икрамов А.М.Использование солнечной энергии для сушки фруктов и овощей.-Консервная и овощная промышленность, 1978,Ш. с.22-23.

10. Ю.Х.Щульц.Возможности использования солнечной энергии в сельском хозяйстве /Пер. 79/79934,-21 с.

11. Умаров Г.Я.,Авезов Р.Р.,Хатамов С.О.,Ахмадалиев А.¡Использование солнечной энергии для отопления и охлаждения помещений.-Доклады I Всесоюзной научно-технической конференции по возобновляемым ис точникам энергии.Вып.I,М.,1972.

12. Lof U.Q.G. Reaidental neating with ¿.¡olar heated, air the Colorado bolar house, "Asnrae" Journal, 1965, V 5, L 10, p 77-76.

13. Авезов Р.Р.Датамов С.Система отопления и охлаждения с аккумулированием солнечного тепла естественного холода в слоях галечника. -Тезисы докладов зонального координационного совещания в Ташкенте,1973.

14. Ким В.П.,Скуба В.Н.Предварительные результаты экспериментального исследования солнечного воздухонагревателя на территории Якутии.-Гелиотехника,1980,М,с.46-49.

15. Lof G.O.G. arid sevens I.i). heating of air by solar energy. Ohio Journal of science 53/5/, 272-280 /T-Jb 3/.

16. Hollands K.G.T., Directional selectivity, eiiunitance and absorptance properties of vee corrugated specular surfaces, bolar Energy 7 /3/, Iub-116 /1963/.

17. Close L.J. bolctr air heaters for -low and moderate temperatureapplication, oolar Lnergy 7 /3/, 117-124 /1963/.19 .S a tcunanatlian b. and Leonarina b. A two-pass solar air heater, bolar energy, 15 /1/, 41-49 /1973/.

18. Патент 4086909(США).Солнечный воздухоподогреватель /Опубл.в ИЗР 1978, Jfc 5.

19. Патент 4085730(США).Солнечный воздухонагреватель/Опубл в ИЗР, 1978,№4.

20. Патент 740639 (США).Солнечный воздухонагреватель/Опубл.в ИЗР,1978,№ 4.

21. Патент 779365(США).Солнечный воздухонагреватель /Опубл.в ИЗР,1979,№ 5.

22. Патент 881448(США).Солнечный воздухонагреватель/Опубл. в ИЗР,1980,№ 2.

23. Патент 55-14338(Япония).Солнечный воздухонагреватель /Опубл.в ИЗР,19804.

24. Патент 4282860(США) / Опубл. в official ga zette iJ2 , V Ioo9,I9SI.

25. Патент 4313429(США)/Опубл. в oilicial gaze tte i\il, V lo 15, 1982.

26. Charters V.W.tí. ,Peterson L.Jí'. ir ее convection suppression Using noneycomb cellular materials, Líolar Energy, 13, 4 /1972/.

27. Заявка № 57-27370(Япония).Солнечный воздухонагреватель./Опубл. в ИЗР, 1982Дз 5.

28. Хатамов С.0.Исследование системы солнечного воздушного обогрева .-Дис.канд.техн.наук.-Ташкент,1982.-190 с.

29. Исмашюва А.А.Возможности использования солнечной энергии для сушки фруктов и овощей.-В сб.Использование солнечной энергии.: М.,1957.-0.232-247.

30. Патент 4323053 (США)Солнечный нагреватель со встроенной тепловой ловушкой/Опубл.в ИЗР,1972,№ 5.

31. Солнечная радиация и приемники солнечной энергии плоского типа Y/inter Prancis De. Ashrae Journal, 1975, 17, IjII, 56-59.

32. Хамид Бекман.Характернотики набранных из проволочных сеток матриц при радиационном обогреве и воздушном охлаждении.-Труды Американского о-ва инж.-мех.Сер.А,Энергетические машины и установки,^, 57,1971 .

33. Патент 4091797(США).Солнечный воздухонагреватель,1970

34. Патент 4169459(США).Солнечный воздухонагреватель,197I.

35. Патент 4313420(США).Здание,отапливаемое солнечной энергией/Опубл. в ИЗР,1982,№ I.

36. Патент 4285331 (США).Солнечный нагреватель /Опубл.в ИЗРД981, № 4.

37. Мирзаев М.М. и др.Воздушно-солнечная сушка плодов и винограда.: Колос,1965.- 70 с.

38. Справочник по климату СССР.Выпуск 30 ТССР.Температура воздуха, Л.:1Хдрометеоиздат,1973.-161 с.

39. Справочник по климату СССР.Выпуск 30 ТССР.Солнечная радиация и радиационный баланс.Т.,1974.-183 с.

40. Нацвин А.В.Воздушно-солнечная сушка плодов и винограда.:Т., 1961 .-52 с.

41. Умаров Г.Я.,Авезов P.P.»Ахмадашев А.Испытание солнечных фрук-тосушильных установок.-Гелиотехника,1972,№ 5.-с.43-45

42. Умаров Г.Г.,Таиров 3.Комбинированная установка для сушки плодов и винограда.-Гелиотехника,1982,№ I,-с.61-63.

43. Ахмадалиев А.Результаты испытания опытно-производственной сол-нечно-фруктосушильной установки.-Гелиотехника,1974,& 2.-с.76-78.

44. Артыков С.,Максудов Т.М.Гелиосушилка для табака.-Гелиотехника, 1978,№ I. с.72-74

45. Заявка 2490796(Франция).Сушилка с двойными стенками и объемами для нагрева циркуляционного воздуха с помощью солнечного тепла,предназначенная,в основном,для сушки листьев табака,1981.

46. Установка для сушки табака с использованием коллекторов солнечной энергии./Опубл.в РЖ, 1981,}Ю.

47. Солнечная установка для сушки табака./Опубл.в PS,1982,№8

48. Артыков С.,Максудов М.Исследование процесса сушки табака в ге-лиосушилках туннельного типа.-Гелиотехника,I980,№ 1.-е.66-67

49. Садыков Б.,Вардиашвили А.,Садыков Т.Доллиев Б.Гелиосушилка для табачного произволетва.-Гелиотехника,1976,№ 5.с.71-73

50. А.с.785615(СССР)Способ конвективной сушки /Авт.Байрамов Р., Байджанов Р.,Градов Д.-Опубл.в ЕИ 1980,№ 45.

51. Патент 4285143(США.).Хранилище и солнечная сушилка для зерна, 1981 г.

52. OzirixC ¿i.isi. , úami¿ i3.ií. , Toledo y j.u. ¿jo lar grain drying. ¡Jolar Energy, 19 bu, 24, ~u 4, 397-4^1.

53. Гелиоустановка для сушки трав.-Информационный листок Туркмен-НИИНТИ,№ 83-21,сер.44.37,1983.Авт.В.Насибянц.

54. Патент 499338(Австралия) Гелиосушилка для одедды,1979

55. Roa ü. , ыасеао J.G. Grain drying in stationary bin¡j witli solar heated air. ¡jolar Energy, 1976, lb, и 5, 445-449.

56. Заявка I599I39(Великобритания)Сушилка,работающая на солнечной энергии /Опубл.в ИЗРД981

57. Умаров Г.Г.Исследование и разработка солнечных радиационных сушильных установок.-Дис.канд.техн.наук.-Ташкент,1979,-160 с.

58. Патент 4069593(СИ1А) Солнечная сушилка /Опубл.в ИЗР,1978

59. Патент 4205456(США)Солнечная сушилка/Опубл.в ИЗР,1980

60. Солнечная Сушилка Kelleuer Jac^:. ¿Jolar dry kiln, .Vood and V/ood Prod., I9bO, ¿35, k 5, 3^-311. Опубл.в ИЗР,1981,М2

61. Байджанов Р.Использование солнечной энергии для создания тем-пературно-влажностных режимов в процессе первичной обработки шелковичных коконов.-Дис.канд.техн.наук.-Чарджоу,1982.-173 с.

62. Байрамов Р.,Хандурдыев А.»Фахретдинова Э.М.Сравнительные испытания солнечных воздухонагревателей.-Изв.АН ТССР.Сер.ФТХ и ГН., 1983,№ 6, с.45-49

63. Вейнберг В.Б.Оптика в установках для использования солнечной энергии.-М.:Оборонгиз,1959.-с.I27-I6I.

64. А.с.160407(СССР)Гелиосушилка /Авт.изобрет.Л.В.Борзунов.-Опубл. в ЕИ № 3,1964 .

65. Байрамов Р.Петрова A.A.Оптические характеристики некоторых конструктивных материалов и прозрачных сред.-Гелиотехника, 1968,J& I,с.23-31

66. Байрамов Р.Дандурдыев А.,Фахретдинова Э.М.,Нургельдыев А. Исследование ступенчатых воздухонагревателей.-Изв.АН TCGP. .Сер.ФТХ и ГН.,1983,iß 5,с.43-47.

67. А.с.932164(СССР).Солнечный воздухонагреватель/авт.изобрет.

68. А.Хандурдыев,Р.Байрамов,А.Нургельдыев,Н.Ханамов.-Опубл. в Ей •»1982,№ 20.

69. Андронов И.В.Измерение расхода жидкостей и газов.-М.:Энергоиз-дат,1981.-83 с.

70. Преображенский В.П.Теплотехнические измерения и приборы.-М.,Л.: Государственное энергетическое издательство,1946.-е.164-182.

71. Большая советская энциклопедия.-2-е изд.-Госуд.научное изд., 1952,-с.358.

72. Исаченко В.П.,0сипова В.А.,Сукомел А.С.Теплопередача.-3-е изд., перераб.-М.:Энергия,1975.-486 с.

73. Идельчик И.Е.Справочник по гидравлическим сопротивлениям.-М., 1964. 316 с.

74. Краснова Н.Ф.Прикладная аэродинамика.-М.,1974. 730 с.

75. Хатамов С.0.Сравнительные исследования теплотехнических характеристик тешгоприемников солнечных воздухонагревателей.-Гелиотехника, 1979 3,-с.47-51

76. Кейс В.М.Конвективный тепло-и массоперенос.-М.,1972

77. Tan и,их, , Charters Ya'.iк.Ь. , iix^erimental investigation of forcedconvection neat transfer for fuily-devcioped turbulent flowing arectangular duet with omb/.iietric neating, boiar Energy 13/1/, 1211970

78. Кутателадзе С.С.,Боришанский В.M.Справочник по теплопередаче.-М.Д.: Энергия,1959.-414 с.

79. Михеев М.А.,Михеева М.М.Основы теплопередачи.-М.: Энергия,1977,-342 с.

80. Гухман А.А.Применение теории подобия к исследованию процессов тепло-и массообмена.-М.: Высшая школа.,1977.-303 с.

81. Яковлев К.П.Математическая обработка результатов измерений.-М. ,1953.-383 с.

82. В.А.0сипова.Экспериментальное исследование процессов теплообмена. -М.¡Энергия,1969.-390 с.

83. ЮО.Диткин В.А.,Прудников А.П.Интегральные преобразования и операционное исчисление.*М.:Наука,1974.-542 с.

84. Канторович Л.В.»Крылов В.И.Приближенные методы высшего анализа. -М.,Л.:Гостехиздат,1977 708 с.

85. Ю2.Чиркин В.С.Теплофизические свойства вещеетв.-М.:Физматгиз, 1959.-35.6 с.

86. А.с.(СССР).Солнечный воздухонагреватель/авт.изобрет.А.Хандур-дыев, Р. Байрамов, А.Нургельдыев.,H. Ханамов, Э. М. Фахретдинова.-Заявл. 16.04.1982,№ 3465431/29-06,Положительное решение от 16.12.1982.

87. Ю4.Фахретдинова Э.М.Солнечный воздухонагреватель с грунтовым аккумулятором. -ТуркменНИИНТИ.Сер.44.37,1983,В 83-34.-4 с.

88. Теплотехнический справочник /Под.общ.ред.В.Н.Юренева и П.Д.Лебедева. -М. :Энергия,1976.,т.2.-с.616.

89. Окунь Г.С. и др.Установка для сушки зерна за рубежом.-М.: Сельхоз.лит-ра,1963.-с.170-172.

90. А.с.1037027(СССР).Сушильная установка /авт.изобрет.А.Хандурды-ев,Р.Байрамов,Э.М.Фахретдинова.-Опубл.в Ш.,1983,№31.

91. Ю8.Вукалович М.П.»Новиков И.И.Техническая термодинамика.-М.: Энергия,1968.-496 с.

92. ТОЭ.Вааг А.Л.»Захаров С.Н.Методы экономической оценки в энергетике. -М. Л. :Госуд. энергетическое издательство,1962.-272 с.

93. Справочник экономиста промышленного предприятия /Под.ред.проф. С.Е.Каминицера.-М.:Экономика,1974.-669 с.

94. Ш.Методика/основные положения/ определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники,изобретений и рационализаторских предложений.-М.,1977.-54 с.