автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Взаимодействие и теплообмен гелиотехнических материалов с окружающей средой (Гвинея)

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИМ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

УДК 662.997:621.316.544.4

ИФОНО АЛИ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ И ТЕПЛООБМЕН ГЕЛИОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ (Гвинея)

Теоретические основы теплотехники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев — 1994

КИЕВСКИМ

рГЗ он

2 7 ШОН 1934

Работой является рукопись.

Работа выполнена на кафедре атомных электрических станций и инженерной теплофизики Киевского политехнического института.

Защита состоится 27 июня 1994 г. в 15.00 на заседании специализированного совета К 068.14.07 при Киевском политехническом институте (корпус № 5, ауд. 406).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 252056, Киев-56, проспект Победы, 37, КПИ, ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Киевского политехнического института.

Научный руководитель —кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Дверняков В. С.

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор Журавленко В. Я. к. т. н. Ферт А. Р.

Ведущая организация

— Институт электродинамики АН Украины.

Автореферат разослан

1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета

к. т. н.

РОЖАЛИН В. П.

-3 - • ч ..

А II I! О ТА Ц а Я ... •

Целью неотояаэй работы являетоя исследование процвсоа взаимодёйст-. -[ вия и тегшообмена гелиотехнических материалов о солнечным излучани- . /. ем при рааличтпс внешних условиях я разработка опоообов защиты материалов от двотрукции и разрушения, а также разработка метода расчета эконошческойэ#ектаьнсоти комплексного использования ВИЗ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие-задача: •

I. Выявить механизм взаимодействия материалов о солнечным излу-. чениам и показать пути и* долгосрочной устойчивости.

• 2. Разработать модель теплового состояния системы вода-мёталл о : учетом теплового процесса коррозия; . ■.

3. Разработать технологию и осуществить нанесение антикоррозиону ного термодиффузионного покрытия на внутреннюю полость адсорбера" солнечного коллектора. ■ .

: 4. Представить модель теплового состояния системы вода*» металл '. с по^нтаем.

5. Создать стенд-имитатор АТОН-2 солнечного тешгообеспвченйя объектов для долгосрочных испытаний гелиотехнических материалов. .

6. Разработать методику раочета экономической .эффективности комгшехоной сиотеМЫ использования ВЙЭ.

Автор защищает следующие основные положения:

1, Подход к механизму взаимодействия и теплообмена о учетом эффекта деструкции материала и обоснование решений по выбору мате- ' риалов и защита от разрушения. . : ■,_:

2, Модель и уравнениедо.влиянию процесса коррозии на твмпера-турнмй режим "иетачл-во^а"\

3, Технологию, нанесения тормодиффузионного антикоррозионного покрытия на внутрешпоэ полость адоорббра оолнечного коллектора,

4, Методику расчета вкономической йффектншости комплексного использований ВИЗ-' о учетом ущерба неродному^хозяйству;от загрязнения

' окружа'ощей ореды.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕЩ

Встреча свата о еещеотвои всегда сопровождается их взаимодействием.. По сути окраска предметов вокруг дао, возникновение, исчез-, новение многочисленных явлений природы - все это результат взаимодействия веществ с электромагнитными волнами солнечного спектра при различных окружающих вти вещества средах /воздух, вода, газы и-

.Т.П./-. , :

Исследуя взаимодействие света с веществом ка основе электромаг-, нитной теория распространения волн и электронной теории строения' вещества, можно объяснить' и рассчитать коэффициент отражения, преломления, поглощения и изучения идеальными твердыми телами /моно-кристалами/*• . .

Исследования по излучению долговечности составляющих элементов Гелиотехнических материалов играют решающую роль При оценке эффективности использования возобновляемых источников энергии /ВИЗ/, ■Зная поведение различных гелиотехнических материалов под влиянием, внешних условий, можно предусмотреть некоторые методы защиты их.

Чтобы изучить процесс теплообмена,"выявить механизм взаимодействия различных материалов с.солнечным излучением при разнооб-. разных внешних условиях необходимо, по нашему мнению, в каадом конкретном случае вникнуть в , тонкую структуру материала и-пути, преобразования энергии в нем. На .основе этого анализа выявить дшюыичес-^'г кую 'картину взаимодействия и осуществить мероприятия для долгосрочной устойчивости гелиотехнических.материалов.

Исходя из вышесказанного,, цели настоящего исследования можно представить так;' ■ '". : * ...

I. Изучить взаимодействие солнечного^ излучения о ¡различным и . гелиотехническим материалами. .

• 2. Разработать физическую модель влияния процесса коррозии' на тепловой режим системы "металл-вода" и, осуществить анализ результатов решения уравнения.

■5, Разработать методику нанесения антикоррозионного термо-дий'узионного покрытия на внутреннюю поверхность приемника излучения солнечных коллекторов /СК/./Нанести покрытие; й осуществить его исследованяо. •, " './'.

4. Представать физическую модель взаимодействия;

'вода металл с покрытием. ■ У.-У' //

5, Разработать и ссздать этеперимантальннй стенд "АТОИ-2" для '

- б -

длительных исследований гелиотехнических »¡атериалов я осуществить экспериментальные исследования.

6. Разработать методику расчета экономической эффективности систем комплексного использования ВЙЭ.

Практическая значимость.

Н»практйка выбор для. использования гелиотехнических материа- -лов в устройствах должен определять их длительную устойчивость в различных окружающих условиях.

Как отмечалось выше» под -влиянием внешних факторов гелиотехнические материалы йостепэяно изменяет свои теплофизические и оптические характеристики.« Изучение взаимодействия солнечного света 'с веществом дозволяет осуществить выбор дешевых и доступных г0Л2отохничэоких материалов а избежать возникновения нежелательных процессов В; период эксплуатации гелиоустановок.

■ Иаучение механизма к кинетика взаимодействия различных гелиотехнических материалов при нагреве ооляечньи излучением позволили. выявить ряд закономерностей я разработать методику получения антикоррозионного термо диффузионного цинкового покрытия на внутрен-нпа поверхность солнечных коллекторов., ^

Выбранные материалы и отдельные конструктивные узлы с покрытиями были использованы при создании стенда "АТОН-2", предназначенного для оценки длительной устойчивости гелиотехнических материалов и экономической эффективности использования, ВИЗ- в комп-. лексе.

Практическая значимость настоящего исследования заключается в выявлении путей.максимальной экономии топливо-энергетических ресурсов при минимальных первоначальных затратах.

. Реализация научных результатов.

Разработанная методика получения антикоррозионного цинкового покрытия используется, в повседневной практике Институтом проблем ' , материаловедения Украины. Эксперименты на длительную устойчивость различных гелиотехнических материалов выполнены на создан-пометенде-имитаторе- "АТШ-г" Крымской гелиотехнической: базы ИПМ' АНУкраины /пос. Кацивели/. Разработана методика расчета экономической эффективности систем комплексного использования В©. Предложено иополЬзовать тэдлонооитель из бака аккумулятора "АТОН-2" для подачи самотеком в стгловую и душевые Дома творчества ученых АН Уедаинн» Это позволяет остановить на летний период /май-октябрь/ водогрейный котел "Факел-08 "и съэкономить •

- б -

свшв 300 тонн моторного топлива.

Разработаннаясхема комплексного использования В'ЛЭ. позволяет существенно повысить их вффективность, а при долгосрочном аккумулировании теплоносителя в подземннх емкостях, /на западе и востоке/ неподвижного- концентратора солнечной энергии диаметром 32 м полностью перейти ва автономное теплообеспечение за счет ВИЗ.

Дпробаыяя работа« Основные положения диссертации и ее результаты докладывались я обсувдались на семинарах и заседаниях кафедры атомных алактростанций и инженерной теплофизики Киевского политехнического институтам

- Публикапии. По теме диссертации опубликовано две научные работы. . ' ■

Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения. 4 глав, выводов я приложения.

Работа содержит 150 страниц машинописного текста, 21 рисунок 11 таблиц., • ■ •

Библиография включает 11 наименований работ отечественных и зарубежных авторов* *

Содержание работы. Первая глава посвяшена влиянию внешних : факторов /интенсивности солнечной радиации, температуры, влажности окружающей среда и т.п./ на теплофиаическае.и оптические ха- ■ рактеристякх гелиотехнических материалов. Сложное взаимодействие , представлено двумя областям*: внеяиеЯ я внутреннее. К внешней области относятся: солнечная радиация, температура, влажность : воздуха я т.п. К внутренней - теплофазичеехио свойства я температура деструкции материала. Определены основные характеристики »тих областей. Особое внимание уделено теплообмену вря нагрет солнечным светом без разруиейия поверхности материала. Для .-.научения процесса взаимодействия металла в контакте с горячей водой, ., била выбрана модель равномерной коррозии. ..

Вторая глава посвянена изучлийю'влиянкя процесса коррозия металлов я методам вавдты различных гелиотехнических материалов.

Особое внимание уделено механизму взаимодействия солнечного света с неорганическим вегздетвоы. Цодель коррозионного разрушения метелю при оложном нагреве изображена на рио.1

Рис. 1 : Модель влияния процесса коррозии.

Здесь Тс - температура Ёнвакего слоя води нагреваемого солнцем; Тк - температура деструкция материала /коррозия/; Т0 - темдератур&на бесконечной глубине материала. Индекс «$">> относится к жидкой среде /вода/; «I» - к металлу*; - ско-

рость веремещения границы физ&ко-хякитаскях .превращений /коррозия/.

Уравнение нестациоварной теплопроводности для вода в металла примет вид:. • • ■

а^Сх^) а а ¿*т?(х.т) (%>()' о<х<$) о) . дг 0 дхг

,ЗТГ (хлЗ с а ЪПЛУС) : (Т>0; 8<Зс<оо) (2)

д*с ох*

Тепловой баланй на границ© представим' так: ,.

где ^ХV"" апоткость П070Ка тепла поглощенного слоем

/ плотность патока принятою адсорбером СК /вто~

рой металлической1-стаайой/;:' ' ^ - уделъныйпоток деструкции.-

V

где [ц — скрыгай тепяота дзструкция металла;

^ 1 ^ плотность металла в исходном сбстояний.

Таким образом задача рассматривается при граничных условиях IУ рода (3.) с наличием стоков тепла на поверхности раздела сред.

Науменоватке условия •

ТСэс.т): т = 0, эс=0, Те яТв Сб)

ТСос.т"): /С»0, ос« оо, Т, =Т0

ГР^НТЮТ ГЯ

ТСх.«с>. "ОО,- «-6. Тв-Т^Тк . ■ С7)

Рехенне уравнений /1 / а / 2 / с граничными и начальными условиями можно выполнить с использованием функций ошибок Гауссв в виде:

ь=(Б,0 >

где Сь и Л с - лроиав&шше поотояинне.

Получив решение задачи относительно распределения температур в системе двух тал, подставим эти функции в уравнение / 4 /, которое примет следующий вид: '

Принимаем частное решение уравнения Фурье в виде прямолинейной зависимости от функций ошибок Гаусса , то можно записать профиль температур в вядо:

Т6*с6 4-^6(2) (Ю)

где /_. лу «с, + з>,б-и:> •■

6(0)=0; - функция ошибок Гаусса.

Определим постолшше Сс а Вц из начальных и граничных условия.

-то-

Тогда можно записать:

х»**, T,«.C1+D,-Te

• Откуда С6 "Тс; Т^-Д®^

Подставляя постоянные из / 11 / в / 1'й / получим;

тЛ=То-з>,[1-е(2)] .

Из граничных условий находш:

Последнее уравненио будет справедяивш только при условиях, если числитель в аргументе функций ошибок будет пропорционален ->£2 ,

При э т ом ■ ■ а Щ - скорость движения

¿"4 . границы

где тСс)- коэффициент пропорциональности.

Ш

Подставим значения - Di, в уравнения • 12 ( Возьмем производные частных, решений / 15 /:

('tilу /dTY

05)

т\

Ы)

Об)

/ ХС1б1:

Подставляя полученные производные в уравнение / 9 / и разделив его на вйраЛсеиий , налучии:

- Т Т-

Qi

Вводя коэффициент проникновения тепла : к учитывая, что

i;-erf «erjfc

О?)

имеем:

.»^fceSHvТо.^ёг^)

тй-т„

?0

гп

ЖДа,

3 результате получаем уравнение о одним неизвестным т .

Представим его в критериальном виде, для чего введем следующие критерии:

08)

v JS5K

4 ХхСрф5

и _ Тк"Та

* Т -Т 'о 'к

a s

CLi

Кц J

Lt«

Km =

m

- критерий проникновения тепла - • отношение коэффициента проникновения в металле к коэффициенту проникновения тепла в слое воды; (19)

- температурный критерий - отношение перепада температур в металле и в воде; . (¿О)

- критерий температуропроводности -отношение коэффициентов температуропроводности воды и металла; (21)

- критерий коррозии - отношение тепла поглощаемого при физико-химических

. превращениях! металла /коррозия/ к молекулярному потоку тешга подводимому через воду; (22) - критерий скорости движения границы физико-химических превращений ма-; териала /скорость коррозии/, (23)

Окончательный вид уравнения будет;

взгрет) ехр(-Кт Ко)

eri 0<m>

"KeKteriC(K

m Ш

- Т2 -

Полученное уравнение в критериально« виде характеризует кинетику взаимодействия солнечного света с веществом,

1. - член выражает подводимый тепловой - поток:

2 - член выражает поглощение тепла адсорбером;

3 - член выражает цогдащение тепла процессами деструкции

/коррозии/ внутренней полости радиатора СК.

Для решения к анализа указанного.кинетического уравнения необходимо оценить параметра и характеристики материала и среды при различных температурах. "

Параметры и критерии, уравнения • ,

т ц^таметрк-эдзу-етость

У^Ш Г.»4ШК Примечание

1. 2.

3.

4. .5.

6.

7.

8. 3.

а6

§8 Ц

€1

Ср. си

х.

Бт/м'К;

Дя/кг'К

м2/о„

кг/м3

1д/кг

кг/м3

Дк/кг-К

м2^

Вт/м'К

,0,6 4,г*1СГ

0.68

,3

1,42* 10" . > ю3

4,7*10® 7,8*103 4,2*102 1,73'10"

г7

4,2*10 1,61'Ю**7 -103 4,7*10® 7,8*103 4,6*102'

1,58*10'

,>5

ПеЗ

п п

[54]

ш>*тш

С35Д

57,0

57,0

На основании этих параметров, оценим значения критфшв уравнения: г ............. . ч . .

_____шшпА=хртзШ1

1. кв=^схср§),/слсре)&' 8,60

К^ Тк-То/Т0-Т« . 0,01

з. К0= ав/а, " 8,20*10'

4.. кн= ие.Дерв^СТс-Тн) ш

8,46

100

1,01*10'

г2

10

4

Гля решения урявиеняч знлирае« промеаут эчные значения критериев. Аргумент Кт разыскивали пря изменении одного из выбранных значений критериев на один шаг. Таким образом, каждая парная зависимость получена при конкретных значениях остальных критериев. Следующий шаг решался при новой ситуаций.

Решение.уравнения'проводилось методом итерации. Вводя в уравнение / 24 / исходные значояия критериев Ка и Кт. после ре-чен-.'я уравнения, получи/, ковко значения критериев. Во втором .приближении используются эти новые значения критериев и вновь получаем другие значения и т.д.

На рис. 2-3 показаны графические результаты решения уравнения.

Зависимость р (Кт) • При малых значению; критерия

проникновения тепла = 8,00 и высоких значениях критерия Кк= З'Ю4 /рис.2/ наблюдается значительное увеличение скорости коррозии от температурного критерия /кривая 3 имеет наклон/. С теплофизической точки зрения это соответствует случаю, когда температура металла и водн уравниваются, т.е. уменьшается перепад

/ Тс-Тк /.

Отметим, что градиент / Тс" Тк / является основным {Ьактсром влияхлдим на значения критериев К^и Кк . При очень больших значениях и малых , т.е. когда этот.градиент температур выравнивается, зависимость КквР(Кго)-РИс.З становится более выразительной /наклон прямых 2,3 увеличивается/. С теплофизической точки зрения ото свидетельствует о том, что при гочти одинаковой температуре водн и металла значение критерия коррозии определяется ее тепловым эффектом / Ь»^ /. .

Нами разработан метод ианесеиия антикоррозионного покрытия на внутренне» полость солнечного адсорбера. Для этого были использованы остальные радиаторы панельного типа РСВ1, Изготовляемые механическим заводом: Санхт-Леторбурга /рис.4/. Из указанных радиаторов были изготовлены солнечные коллекторы двух типов: без' внутриннего коррозионного покрытия и с внутренним покрытием /нижняя часть общей панели стенда-имитатора "АТСН-2"/.

Выбор данного метода обусловлен высокими протгчокоррозионным« характеристиками цинкового диффузионного покрытия, возможностью нанесения покрытия на поверхности сложных конфигураций готовых сварных изделий. Термохимическую обработку проводили в двух-

KtfO1

/ - Kß = 10 ; Кк=Ю* _ 2 - Ki=S>D \KK=2 iä 3 — -8,0

2

.. ; . .

1

Q7

Ü7S

Kai

Рас. 2 : Завясямость

ы

ю

6

. i -Кв-.10 ; Kt = fQ _ 2 -Ka*9.a; Kt = so 3 ~/C6- 6.0 ; Kt = 200

07

0.75 Kn

ip. i

m

Рис. S : Зависимость

(/слоёное обозначено* Кал. канат Раз мер, ии Масса кг

¿г ¿г Л

МВ1:ШО-6-0,99П 8 5(8 538 708 8,г

Гио. 4 : Радиатор типа РСВ-1

зонной электрической печк сопротивления с автоматической регулировкой температуры. ¡ЗЬрощкову» смесь засыпали внутрь радиаторов через .патрубки. В результате нанесения термодиффузионного покрытия на внутреннюю полость радиаторов получены зависимости толщины покрытия от состава шихты и различных режимов /рис. 5а и б/.

Для.контроля полученного покрытия один радиатор бил разрезан, из него выделен образец, подготовлен шлиф а с помощью микроскопа' №Ы8 изучена микроструктура, которая представлена на рас. 6. •

Видно, что между металлом радиатора и цинковым покрытием имеет место переходный диффузионный слой толщиной 10 мкм, который обеспечивает адгезию цинкового покрытия толщиной 70-90 мкм с подложкой. ■ 1

Для случая, ■ когда внутренняя полость радиатора имеет антикоррозионное покрытие, математическая модель взаимодействия с горя. чей водой выглядят следующим образом /рис. 7/. Индекс " 8 " отно-■ сится к воде;. "V/." - покрытию а "I" - к материалу /металлу/. Уравнение полученное тем ке путем, что и предыдущее имеет вид:

зхрС-10 , к- ехрС-О 5.

Б этом уравнении отличаются лишь два критерия: К - температурный критерий -

* ~ *1с -Тм отношение перепада температур

в металле /от покрытия к внутренней стенке/ к перепаду, температур в воде. (26 и К„. = -■ _ ^ —у - критерий скорости движения теы-

Об торатурного фронта. (2Т

В третьей главе предоставлен экспериментальный стенд-имитатор "АЮН-2Н /рис. 8/ длительного исследования гелиотехнических материалов и некоторые результаты экспериментальных исследований. "АТОН-2" представляет собой комплексную систему, состоящую из 3-х контуров улавливания тепловой энергии, се долгосрочного аккумулирования /имитатор подземной.системы/ и контура потребления тепла. . г -

В составе стенда - имитатор "АТШ-2" используются различные гелиотехнические; материала к покрытия /стекла, базальтовая и пластмассовая теплоизоляция, отражательные, поглощавдие и антикоррозионные покрытия/,; которые одновременно исследуются на длатель-ную устойчивостью и коррозионную стойкость.

- .17. г..

§>МКЦ

150 ; ; iüö

; : . 50

J i

■LT ■

А - ' ' ":

w tiàï/KC

' Рис.- 5а г Зависимость толщины цинкового покрытия от времени (Т) химико-термической обработки при t * 450°С в смесях' ооотава: ■•.-• Г I/ 75 Вес ПЦг1,25; Вес % AÖiQj,

: " : 2/50 Вес ¿ Œf-Ï и- 50 Вес % АЁг0» б : Зависимость толщины (5)цяннов0го покрытия с ,

в порошковой-смеси ооотава : 75 Вес % ПЦ-1, 25 Вес % ÄteQ& , время осЫботка - 4 часа

Рис. 6 Структура цинкового диффузионного , покрытия, хбОО

На "АТОН-2" были также выполнены:комплексные экспериментальные исследования оценки продолжительности хранения тепла. В этом случае, стенд-имитатор иоп.льзовался без,гелиостата и концентратора. Основные элементы стенда солнечные коллекторы, бак аккумулятор -и дополнительный подогрев /ДП/ связаны системой автоматизации, о целью снизить до минимума эксплуатационные расходы,'.

Эксперимент по устойчивости от внутренней коррозии радиаторов СК с покрытием и без него заложен летом 1983 г. и система заполнена яреоной водой.

Глава м, посвящена разработке методики расчета экономической эффективности предложенной системы комплексного использования ВИЗ. В этой главе рассматриваются расчет ущерба от загрязнения окружающей среда и годовые затраты на систему теплообеспечения зданий за счет ВИЗ. Система представляет собой поэтапное использование различных видов с. цельи экономии топлива, улучшения экологической обстановки в зоне рекреации с последущей полной заменой котелен. Б конце ¡этой главы приведен один пример расчета и влияние оптимального выбора гелиотехнических материалов на экономическую эффективность ВИЗ. ■ . .

.■'..'.'■■. шведа V:;;

По результатам выполненных исследований установлено следующее:

1. Свойства гелиотехнических материалов, процесс теплообмена, находятся б кинетической зависимости.от внешних факторов среды: уровня нормальной солнечной радиации, температуры; состава и; ... влажностч средн. - ; '■ . V'.''. -'.-'

2. Разработана модель теплового состояния система "металл-вода", получено уравнение в критериальной форме с учетом теплового эффекта процесса коррозии. Результаты решения уравнения дозволяют выявить влияние основных параметров взаимодействия на тепловое ' состояние этоЗ систош. ./ -:. ;*:'; •' . • ' • ■-'.■.'.3. Разработан мотод и технология термодисКйгзионного нанесения

антикоррозионного покрытия на шутредто вслость адсорбера солнечного коллектора., Осуществлена технология, смонтирована солнечные ^ . коллекторы и предогаглона окончательная' математическая модель •-:. взаимодействия: металла о покрытием горячая вода. , " ; Г> 1 , - ; 4. Создан стенд-имитатор "ЛТОИ-2" для вкодериментальнух йсол&-

дований различных гелиотехнических материалов на длительную устойчивость и для определения эффективности систем солнечного теп-лообеояечения. '*. ! :

Представлены результаты экспериментальных исследований по выбору оптимальной конструкция приемника концентрированного солнечного излучения» .

5. Разработана методика расчета вффективности йопольвования " комплексных оистем возобновляемых источников анергии о учетом вкоио*«чеокого.ущерба отаагряэненияокружапцей среда. Представ-» лена роль оптимального выбора гелиотехнических материалов на еко-номическую эффективность и долговечность комплексных систем ВИЗ.

По материалам диссертации опубликованы следующие основные ' работы».

I. Osmaniar\ovA.IfONOAtu. KasSov V.aVlelttlssement й, de queSques materiaua hetlotechnlaue» dans Ces conott-tlons trtfDlcaUs-Cerïti-ç de Recherche одОДиа Qe Conaknj-RQgSanV.5®irt du Centre de Rogfoè.N»ЪЩ*™, |anvl№ 1385.

2» .Двераяков B.C., Щсю Аля, Сев? ]Камара и др. Диагностика параметров и определоние экономической еффектив-нооти стевда^имитато]л ЧТШ-2" ооянечяого теклообеопечения.-Сб. : Научный'центр "Рогбанэ", Кокали, 1990,-о. 103-109. ; -