3.2 Колектор сонячної енергії
Колектор сонячної енергії (КСЕ) призначений для уловлювання енергії світлового випромінювання, перетворення в теплову енергію і передачі проміжному теплоносію. Вловлювання сонячної енергії в колекторі основане на здатності речовин і матеріалів, таких як скло, полімерні плівки, вода, пропускати світлові промені. Сонячна енергія в основному переноситься світловими променями, для яких вказані матеріали практично прозорі. Найбільше застосування має плоский колектор сонячний енергії, представлений на рис. 3.2. Тепловий потік енергії, що підводиться до КСЕ сонячними променями:
Q = qл F,
де qл - сумарна сонячна радіація (пряма і розсіяна) на горизонтальну поверхню КСЕ, МДж/м2, при безхмарному небі і в залежності від географічної широти визначається за таблицею;
F - площа теплосприймаючої поверхні колектора, м2.
Р ис. 3.2. Схема колектора сонячної енергії (КСЕ): 1 - світлопрозора панель (скло); 2 - корпус; 3 - теплоізоляція; 4 - трубки для теплоносія; 5 - променепоглинаюча поверхня (абсорбер)
Промені інфрачервоного діапазону випромінювання (Qот) відбиваються від панелі 1, а сонячна енергія світлового діапазону випромінювання (Qпр) безперешкодно проходить через світлопрозору панель (скло) 1, прозоре середовище КСЕ і потрапляють на променепоглинаючу поверхню абсорбера 5. Якщо врахувати, що сонячна енергія в основному переноситься світловими променями, то пропускна здатність D = Qпр / Qо, а кількість теплоти, що пройшла через середовище КСЕ, Qпр = D Qо.
Абсорбером називають сукупність променепоглинаючих поверхонь 5 і трубок 4, по яких проходить рідкий (вода) або газоподібний (повітря) теплоносій, який відводить теплоту до споживача. На абсорбері сонячна енергія світлових променів трансформується в теплову енергію, яка в більшій частині передається теплоносію і в меншій частині відображається всередині КСЕ. При зворотньому випромінюванні енергія переноситься в основному інфрачервоними (тепловими) променями Qінф, для яких скло 1 та полімерні матеріали КСЕ непрозорі, а теплота зворотнього інфрачервоного випромінювання, відбиваючись від панелі, залишається всередині колектора. Таким чином, колектор працює як пастка сонячної енергії: впускає енергію світлового випромінювання Сонця і не випускає назовні енергію інфрачервоного випромінювання.
Порядок виконання
1. Детально ознайомитися із теоретичними відомостями.
2. Вивчити призначення наведеного обладнання.
3. Дослідити будову та принцип дії геліоустановки з тепловим насосом та колектора сонячної енергії.
4. Відобразити схему установок.
Питання для самоконтролю
Яке призначення геліоустановки?
Де застосовуються геліоустановки?
Який принцип роботи геліоустановки?
Основні елементи принципової схеми геліоустановки з тепловим насосом.
Який принцип роботи системи опалення?
Принцип роботи системи на гаряче теплопостачання.
Яке призначення колектора сонячної енергії?
З чого складається колектор сонячної енергії?
Лабораторна робота № 4
Вивчення принципової схеми геотермальної установки
Мета: вивчити принципову схему, конструктивні особливості та призначення геотермальної установки.
Загальні теоретичні відомості
Геотермальні установки
Геотермальні установки використовують енергію надр Землі. Геотермальні енергетичні ресурси відносяться до низькопотенціальних, невідновлюваних, але невичерпних. Геотермальні ресурси, розташовані на глибині до 3 км, поділяють: на гарячу воду, сухий пар, гарячі скельні породи і підземні води під тиском, а за температурою до 100 °С, 100...150 °С і понад 150 °С. Близько 88% обсягу світових геотермальних енергетичних ресурсів припадає на низькотемпературні джерела енергії з температурою менше 100 °С. Установки, що використовують енергію геотермальних вод для виробництва теплової енергії, компактніші, ніж геліоустановки.
Напрямки використання теплоти гідромінерального флюїду численні і різноманітні: опалення, нагрів вентиляційного повітря, гаряче водопостачання, різні технологічні установки і сільське господарство. Бажано організувати комплексне використання гарячої води, щоб її температурний потенціал був використаний по можливості більш повно. Спочатку воду, що має температуру на виході зі свердловини до 100 °С, слід направляти в системи опалення будинків та теплиць, де вона охолодиться до 50...60 °С, потім цю воду можна подати в калорифери для підігріву повітря, яке використовується для сушіння сільськогосподарської сировини, на тваринницькі ферми для підігріву підлоги, приготування теплої води або корму. Після цього ступеня використання термальну воду, яка вже досить остигла, якщо вона не виявилась забрудненою на попередніх ділянках технологічного тракту, можна направити в риборозплідні ставки або на полив городніх культур, які вирощуються на відкритому ґрунті.
При використанні наземних технологічних гідротермальних теплових мереж слід вирішувати питання про застосування відпрацьованої термальної води. Якщо продуктивність гідротермальних свердловин висока, то довільне скидання відпрацьованої води може призвести до заболочування місцевості і до теплового і хімічного забруднення навколишнього середовища, оскільки сама вода має підвищену температуру і насичена шкідливими для людини, флори і фауни компонентами. Тому з екологічних міркувань необхідно відпрацьовану воду по спеціальним свердловинам закачувати в надра Землі, хоча буріння опускних свердловин і закачування відпрацьованої води вимагають додаткових витрат коштів та енергії. Це дозволяє зберегти в чистоті середовище проживання, підтримувати внутрішньопластовий тиск і забезпечити стабільну роботу діючої свердловини протягом тривалого періоду.
При температурі геотермальних вод до 100...150 °С і слабкою їх мінералізацією можливо їх пряме використання в системі теплопостачання. При більш високих температурах і тисках застосовується двохконтурна схема, в якій геотермальна вода часто у вигляді пари під тиском до 20 МПа і температурі до 200 °С подається в мережевий теплообмінник, де охолоджується, і потім скидається, як правило, в підземні природні порожнечі - сховища. Якщо ж мінералізація геотермальних вод висока, то використовують різні способи очищення геотермальних вод. На рис. 4.1 приведена принципова схема геотермальної установки з проміжним очищенням пари і води.
Рис. 4.1. Принципова схема геотермальної установки:
1 - діюча свердловина; 2 - теплообмінник; 3 - сепаратор; 4 - дренаж; 5 - насос; 6 - парогенератор; 7, 8 - підігрівачі мережевої води; 9 - непрацююча свердловина, 10 - мережевий насос; 11 – споживач
Водяна пара або гаряча вода з діючої свердловини 1 під власним тиском направляються в теплообмінник 2 парогенератора, охолоджуються й конденсуються, а вода, що утворилася, надходить у сепаратор 3, де з неї виділяються шкідливі сполуки. Домішки, видалені з води, відводяться в дренаж 4, а очищена термальна вода насосом 5 вводиться у випарну зону парогенератора 6, де нагрівається парою і вихідною гарячою геотермальною водою. Пароводяна суміш, що утворилася, з парогенератора 6 йде в підігрівачі 7 і 8, де передає теплоту мережевій воді, охолоджується і потім скидається в непрацюючу свердловину 9. Зворотняя вода з тепломережі насосом 10 прокачується через підігрівачі 8 і 7, де нагрівається, і йде до споживача 11 на опалення і гаряче водопостачання.
Порядок виконання
1. Детально ознайомитися із теоретичними відомостями.
2. Вивчити призначення наведеного обладнання.
3. Дослідити конструктивні особливості та принцип дії геотермальної установки.
4. Відобразити принципову схему.
Питання для самоконтролю
Що таке геотермальні енергетичні ресурси?
Які напрями використання теплоти гідромінерального флюїду?
Яким чином використовують геотермальні води злитої мінералізації?
Що включає в себе принципова схема геотермальної установки?
Лабораторна робота № 5
Дослідження принципової схеми котла-утилізатора
Мета: дослідження принципової схеми котла-утилізатора.
Загальні теоретичні відомості
Котли-утилізатори
Котли-утилізатори призначені для утилізації теплових відходів різних технологічних установок (мартенівських, нагрівальних, випалювальних печей) і отримання додаткової продукції у вигляді пари або гарячої води, що призводить до економії палива та енергоресурсів. Продуктивність агрегату залежить від температури і кількості технологічних газів, теплота яких утилізується. При вбудовуванні в технологічний ланцюг котел називають енерготехнологічних агрегатом. Характерною особливістю котлів-утилізаторів є відсутність топки для спалювання палива.
На рис. 5.1 приведена принципова схема котла-утилізатора з природною циркуляцією і димогарними трубками.
Рис. 5.1. Принципова схема котла-утилізатора:
1 - високотемпературні технологічні гази; 2 - димогарні трубки; 3 - барабан котла; 4 - живильна лінія; 5 - пристрій сепарації пари; 6 - паропровід сухої насиченої пари; 7 – пароперегрівач; 8 - паропровід перегрітої пари; 9 - газохід; 10 - дзеркало випаровування.
Високотемпературні гази від технологічного процесу 1 проходять усередину димогарних трубок 2, де віддають теплоту воді, звідки охолоджені по газоходу 9 залишають котел. Живильна вода 4 подається у водну частину котла, де нагрівається газами до кипіння, а пара, що утворилася, проходить через паросепараційний пристрій 5. Отримана суха насичена пара по паропроводу 6 йде в пароперегрівач 7, звідки перегріта пара по паропроводу 8 йде до споживача.
Порядок виконання
1. Детально ознайомитися із наведеними теоретичними відомостями.
2. Вивчити призначення котла-утилізатора.
3. Дослідити будову та принцип дії наведеного обладнання.
4. Відобразити схему установки.
Питання для самоконтролю
Для чого призначені котли-утилізатори?
Від чого залежить продуктивність?
Що є характерною особливістю котла-утилізатора?
Як влаштований котел-утилізатор з природною циркуляцією і димогарними трубками?
Лабораторна робота № 6
Аналіз схем теплонасосних установок для гарячого водопостачання та повітряного опалення
Мета: провести аналіз схем теплонасосних установок (ТНУ) для гарячого водопостачання та повітряного опалення.
Загальні теоретичні відомості
Теплонасосні установки
Теплонасосні установки (ТНУ) використовують природну поновлюючу низькопотенційну теплову енергію навколишнього середовища (води, повітря, грунту) і підвищують потенціал основного теплоносія до більш високого рівня, витрачаючи при цьому в кілька разів менше первинної енергії або органічного палива. Теплонасосні установки працюють по термодинамічному циклу Карно, в якому робочою рідиною служать низькотемпературні рідини (аміак, фреон та ін.) Перенесення теплоти від джерела низького потенціалу на більш високий температурний рівень здійснюється підведенням механічної енергії в компресорі (парокомпресійні ТНУ) або додатковим підведенням теплоти (абсорбційні ТНУ).
Застосування ТНУ в системах теплопостачання - одне з найважливіших перетинів техніки низьких температур з теплоенергетикою, що призводить до енергозбереження невідновлюваних джерел енергії і захисту навколишнього середовища за рахунок скорочення викидів СО2 та NOх в атмосферу. Застосування ТНУ вельми перспективно в комбінованих системах теплопостачання у поєднанні з іншими технологіями використання поновлюваємих джерел енергії (сонячної, вітрової, біоенергії) і дозволяє оптимізувати параметри сполучених систем і досягати найбільш високих економічних показників.
За конструкцією, принципом дії, складом обладнання, робочими тілами, що використовуються, ТНУ практично не відрізняються від досить поширених холодильних машин. Теплові насоси в порівнянні з холодильними машинами працюють в діапазоні більш високих робочих температур. Особливо вигідно застосування теплових насосів (ТН) при одночасному виробленні теплоти і холоду, що може бути реалізовано в ряді промислових і сільськогосподарських виробництв, а також у системах кондиціонування повітря.
Виберемо як робочий холодоагент - R 22, що має наступні параметри: витрата холодоагента Gа=0,06 кг/с; температура кипіння Т0 =3 °С; температура конденсації Тк=55 °С; температура теплоносія на вході у випарник від джерела низького потенціалу tн=8 °С; температура теплоносія (води) на виході з конденсатора tвн= 50 °C; витрата теплоносія в конденсаторі Gк=0,25 кг/с; перепад температур теплоносія в конденсаторі Δtв=15 °C; потужність, споживана компресором, Nэ=3,5 кВт; теплопродуктивність ТНУ Qтн=15,7 кВт; коефіцієнт перетворення μтн=4,5.
а) схема ТНУ для системи гарячого водопостачання
б) схема ТНУ для повітряного опалення або сушіння
Рис. 6.1. Принципова схема ТНУ з електроприводом:
пара; суміш пари і рідини; рідина; 1 - компресор; 2 - змійовик конденсації холодоагенту; 3 - бак конденсації; 4 - розширювальний дросельний клапан; 5 - змійовик випаровування холодоагента, 6 - бак випаровування; 7 - вода низькопотенційного джерела енергії (НДЕ); 8 - сток до НДЕ; 9 - вода із системи опалення або водопроводу; 10 - вода на опалення або гаряче водопостачання; 11 - вентилятор
Принципова схема парокомпресійної ТНУ наведена на рис. 6.1 і включає випарник, компресор, конденсатор і дросель. У бак випаровування 6 надходить теплова енергія низького потенціалу Qо з навколишнього середовища при tн= 8 °С. Перетворення робочої рідини R 22 (аміаку або фреону) теплового насосу в пару відбувається в змійовику випаровування холодоагента 5 при зниженому тиску Р1 та зниженій температурі Т0= 3 °С. Компресор 1 всмоктує з випарника насичену пару зі ступенем сухості x1 ≈ 1 і стискає пару до тиску Р2. При стисненні холодоагента ентальпія і температура пари підвищується до Тк= 55 °С, а затрачена робота Al= Δi, кДж/кг.
Пара з температурою Тк= 55 °С подається в змійовик конденсації холодоагента 2, де теплова енергія пари передається іншому теплоносію (воді) бака конденсації 3 (схема а) чи повітрю (схема б), після чого пара конденсується при незмінному тиску Р2.
Коефіцієнт трансформації цього ідеального циклу:
μс = qк / Al = Тк / (Тк - Т0) = 328 / (328 - 276) = 6,3,
де qк - теплота конденсації, кДж/кг; Al - робота стиснення, кДж/кг; Тк і То - температура конденсації і випаровування холодоагента, °С.
У дросельному клапані 4 відбувається зниження тиску від Р2 до Р1, рідкий холодоагент частково випаровується і утворюється парорідинна суміш зі ступенем сухості xо ≈ 0,05, а в процесі дроселювання (при i=const) температура холодоагента знижується від Тк=55 °С до Т0=3 °С. Парорідинна суміш надходить в змійовик випаровування холодоагента 5, де, отримуючи теплоту від джерела з низьким потенціалом, знову випаровується, і цикл повторюється.
Таким чином, в ТНУ реалізується безперервний круговий процес переносу теплоти з нижчого температурного рівня на більш високий (до теплоносія). Для цього підводиться енергія ззовні, яка затрачується на підвищення тиску пароподібної робочої речовини (холодоагента). Причому витрачена енергія може бути електричною, тепловою та будь-якою іншою.