Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Возобновляемая энергетика в современном мире

Моделирование работы солнечной адсорбционной холодильной установки в различных климатических условиях.

Кратко изложим результаты разработки динамической модели солнечной адсорбционной холодильной установки, предназначенной для изучения поведения установки в реальных условиях изменения поступления солнечной радиации и температуры окружающей среды. Создание адекватной математической модели, описывающей процессы сорбции и десорбции воды в сорбенте и обеспечивающей предсказание оптимальных параметров установки, включая выбор оптимальной удельной массы адсорбента в расчете на 1 м2 апертуры солнечного коллектора, оптимальной конструкции солнечного коллектора в зависимости от предполагаемых климатических условий эксплуатации, а также сравнение различных сорбентов является важным факторе при разработке эффективной солнечной установки.

Как отмечалось ранее, интенсивность процессов тепломассопе- реноса в адсорбенте определяется двумя показателями — скоростью нагрева сорбента и скоростью диффузии паров воды в гранулах сорбента. Обычно лимитирующим показателем сорбции/ десорбции является скорость нагрева/охлаждения сорбента, так как характерное время диффузии паров воды в сорбенте, как правило, меньше времени, необходимого для значительного изменения температуры сорбента. Вместе с тем при работе установки в переменных режимах вследствие возникновения неравновесного содержания воды в сорбенте диффузия может играть определяющую роль. Из-за нестабильности поступления солнечной радиации и параметров окружающей среды, обусловленной климатическими и погодными условиями, а также суточными и сезонными изменениями, солнечная холодильная установка работает именно в таких режимах.

Процессы тепломассопереноса в солнечном коллекторе-адсорбере весьма сложны. В общем случае задача является нестационарной и многомерной [гранулы адсорбента разного размера и формы; неравномерность плотности засыпки; наличие внутренних ребер для улучшения теплообмена; наличие внутренних источников тепла, обусловленных сорбцией, десорбцией и внутренними перетоками водяного пара (эффекты «тепловой трубы»), и т.п.]. В этой ситуации создание математической модели, детально описывающей все внутренние процессы тепломассопереноса, чрезвычайно затруднено, и более продуктивным, по крайней мере на первом этапе исследования процессов преобразования энергии, является разработка упрощенных математических моделей, интегрально описывающих происходящие процессы.

Ниже солнечный коллектор-адсорбер рассматривается в рамках одноэлементной модели в терминах средних по массе сорбента параметров. Его расчетная схема приведена на рис. 1.88. Адсорбер представляет собой плоский слой сорбента, ограниченный сверху поглощающей солнечное излучение панелью, а снизу — проницаемой для пара поверхностью, за которой располагается канал для подвода пара в процессе адсорбции и его отвода в процессе десорбции. Нижняя поверхность адсорбера считается идеально теплоизолированной. Теплоизоляция поглощающей солнечное излучение панели обеспечивается остеклением и воздушной прослойкой между ним и панелью.

К модели солнечного коллектора-адсорбера

Рис. 1.88. К модели солнечного коллектора-адсорбера

Уравнение теплового баланса сорбента в рамках принятых допущений имеет вид

где та(!х — масса сухого сорбента; сйЛ и сн^0 — теплоемкости сорбента и воды; $со1 — площадь адсорбера; 15о1 — плотность потока солнечного излучения, падающего на поверхность остекления; (та) — оптический КПД адсорбера; V 1 — коэффициент тепловых потерь; ТаЛх — средняя температура сорбента; Т1.пу — температура окружающей среды; Нае5 — теплота сорбции/десорбции; >г — среднее влагосодержание сорбента; 1р — температура поглощающей панели.

Отметим, что в уравнение (1.71) наряду со средней по слою температурой сорбента / '(иЬ входит и температура теплопоглощающей панели Т . Можно предположить, что в режиме десорбции, обусловленной разогревом адсорбента за счет солнечной радиации, тепловой поток от теплопоглощающей панели к адсорбенту пропорционален разности между температурой теплопоглощающей панели и средней температурой адсорбента:

где к1 — интегральный коэффициент теплопередачи, характеризующий интенсивность теплообмена между теплопоглощающей панелью и адсорбентом и в общем случае зависящий от теплопроводности адсорбента, его толщины, а также от интенсивности мас- сопереноса влаги внутри слоя адсорбента.

В режиме адсорбции влаги (преимущественно ночью, в отсутствие потока солнечного излучения) с учетом того, что тыльная сторона солнечного коллектора-адсорбера предполагается хорошо теплоизолированной и теплообмен адсорбента с окружающей средой осуществляется преимущественно через теплопоглощающую панель, уравнение теплообмена (1.72) остается справедливым, однако тепловой поток с/и меняет знак и становится отрицательным. При этом коэффициент тепловых потерь и 1 в режимах адсорбции и десорбции может быть различным (для интенсификации теплообмена адсорбера с окружающей средой в режиме поглощения влаги адсорбентом прозрачное ограждение может быть откинуто или могут быть открыты вентиляционные отверстия для конвективного охлаждения панели адсорбера наружным воздухом).

С учетом сделанных допущений, исключив из (1.71) и (1.72) Т , получим следующее уравнение:

где

представляет собой хорошо известный в гелиотехнике коэффициент эффективности плоского солнечного коллектора [16].

Ясно, что если кг » ии то Р' * 1 и реализуется предельный случай, при котором интенсивность процессов теплообмена в адсорбере существенно выше интенсивности процессов теплообмена адсорбера с окружающей средой. В этом случае можно ожидать получение предельных энергетических характеристик солнечного адсорбционного холодильника. Ниже рассмотрим результаты расчетов такого холодильника.

В реальной ситуации коэффициент тепловых потерь 111 для плоской конструкции солнечного коллектора-адсорбера с одностекольным ограждением и селективным оптическим покрытием теплоиоглощающей панели составляет около 3,6 Вт/(м2 • К). В режиме адсорбции при свободном теплообмене теплопоглощающей панели адсорбера с наружным воздухом он может достигать приблизительно 20 Вт/(м2 • К).

Коэффициент теплопередачи к) можно представить в виде

где X — эффективная теплопроводность сорбента, учитывающая передачу тепла и за счет массопереноса; 5 — глубина расположения точки относительно теплопоглощающей пластины на профиле температуры, соответствующей средней температуре сорбента

(см. рис. 1.88). При эффективной теплопроводности адсорбента X = 0,3 В г/(м • К.) и характерной глубине 8 = 1 см к1 = 30 Вт/(м2 • К). Таким образом, отношение и?/к1 в реальном случае в режиме регенерации адсорбента может составлять несколько десятых, а в режимах сорбции достигать почти единицы. Это означает, что фактическое значение Р' лежит в интервале 0,5—1,0, и этот факт необходимо учитывать при расчетах по рассматриваемой модели.

Массоперенос из газовой фазы в сорбент описывается уравнением модели линейной движущей силы [24], которое связывает скорость адсорбции/десорбции воды с отклонением влагосодержа- ния от его равновесного значения:

где к — эффективный коэффициент массопереноса, определяемый диффузионными свойствами адсорбента и конструкцией адсорбера; н’0 — равновесное влагосодержание адсорбента. Зависимости последнего параметра для различных адсорбентов от температуры сорбента и давления пара определяю гея из экспериментальных характеристических кривых сорбентов.

В качестве основы для моделирования адсорбционной холодильной солнечной установки в реальных климатических условиях использовалась среда динамического моделирования систем преобразования энергии возобновляемых источников ТШЧЗУЗ. Расчетная схема, принятая при моделировании адсорбционной холодильной установки, включает в себя как стандартные модули, входящие в поставляемую конфигурацию пакета ТЯЫЗУБ, так и специально написанные для решения поставленной задачи. Специально разработаны модули солнечного коллектора-адсорбера (с использованием вышеописанной его математической модели), конденсатора, холодильной камеры, а также модель блока управления (переключение режимов работы, расчет интегральных показателей и Т.П.). Модель допускает простое изменение параметров установки и конфигурации схемы.

Математическая модель конденсатора предполагает полную конденсацию паров воды десорбируемых из адсорбера в режиме регенерации, за счет их охлаждения наружным воздухом с соог- 210

ветсгвующей температурой. Конденсат направляется в емкостной испаритель холодильной камеры, температура в котором считается постоянной и является заданным параметром задачи.

При моделировании предполагается, что переключение установки из дневного режима работы (десорбция, регенерация сорбента) в ночной (охлаждение) выполняется вручную в 16 ч, а обратное переключение — в 7 ч утра. В режиме регенерации давление пара в системе определяется температурой в конденсаторе (считавшейся равной температуре окружающего воздуха, эффективность теплообменника-конденсатора равна единице), коэффициент тепловых потерь UL принимается равным 3,6 Вт/(м2 • К) (типичное значение для современного плоского солнечного коллектора с селективным оптическим покрытием). В режиме адсорбции давление определяется температурой в испарителе холодильной камеры, а коэффициент тепловых потерь UL принимается равным 20 Вт/(м2 • К). В обоих режимах оптический КПД адсорбера (та), определяемый прежде всего коэффициентом пропускания солнечного излучения светопрозрачным ограждением и коэффициентом поглощения солнечного излучения тепловоспринимающей панелью, принимается равным 0,7, что соответствует одностекольному солнечному коллектору. Считается, что обратный переток пара, который может иметь место из-за неравномерного во времени нагрева адсорбента (например, адсорбция днем в условиях переменной облачности), пренебрежимо мал.

Часовые ряды актинометрических и метеорологических данных в формате так называемого типичного метеогода генерировались специальным модулем программы TRNSYS. Расчеты проводились для семи географических точек [г. Мессина (Италия), Киев, Новосибирск, Каир, Коломбо, Бангкок, Штуттгарт].

Основными интегральными энергетическими показателями холодильной установки являются средняя за некоторый период времени (сутки, месяц, сезон, год) удельная холодильная мощ-

'У у

ность SCP в расчете на 1 м солнечного коллектора, Вт/м , и средний коэффициент преобразования энергии STR — отношение количества теплоты, извлеченного из холодильной камеры, к суммарному поступлению солнечной энергии на апертурную площадь солнечного коллектора-адсорбера за тот же период времени.

В качестве дополнительного показателя рассматривается также внутренний коэффициент преобразования энергии СОР, вычисляемый как отношение количества теплоты, извлеченного из холодильной камеры, к поглощенному в солнечном коллекторе- адсорбере солнечному теплу.

Целями расчетно-теоретических исследований являлись:

  • • оценка достижимых удельных энергетических показателей в различных климатических условиях эксплуатации установки и для различных адсорбентов воды (новых селективных сорбентов СВС-1Л, СВС-2Л, СВС-4Л, разработанных Институтом катализа СО РАН, и коммерческого сорбента на основе силикагеля Рцц КО);
  • • выявление критических параметров, определяющих эффективность преобразования энергии;
  • • анализ чувствительности энергетических показателей установки к изменению ключевых параметров задачи.

Результаты ряда расчетов опубликованы в работах [9—17], на основе которых могут быть сделаны следующие практически важные выводы.

1. Показано, что рассматриваемые солнечные адсорбционные

л

холодильные установки позволяют в расчете на 1 м апертуры солнечного коллектора-адсорбера получать до 80 Вт средней холодильной мощности [при температуре испарителя +(5ч-10) °С] и обеспечивать средний суммарный коэффициент преобразования энергии солнечного излучения в «энергию холода», достигающий 0,25, при внутреннем коэффициенте преобразования энергии поглощенного солнечного тепла в холод до 0,7. Первые два показателя превышают соответствующие показатели коммерческих солнечных холодильных установок на основе фотоэлектрических преобразователей с парокомпрессионными холодильниками, что с учетом более низкой стоимости и простоты основных компонентов адсорбционной установки свидетельствует о перспективности таких установок.

2. На основе результатов расчетов продемонстрировано наличие оптимальной удельной массы (в расчете на 1 м апертуры солнечного коллектора) или толщины слоя адсорбента, размещаемого в адсорбере, при которых реализуется максимальная средняя удельная холодильная мощность установки, существенно зависящая от 212

используемого типа сорбента и характеристик тепломассопере- носа в его слое.

  • 3. На основе выполненного анализа чувствительности усредненных энергетических показателей установки, в частности к изменению коэффициента тепловых потерь и 1 в режиме регенерации адсорбента, определяющего «качество» солнечного коллектора и температурный уровень возможного разогрева в нем адсорбента, показано, что для новых селективных сорбентов солнечный коллектор-адсорбер плоского типа (с относительно высоким коэффициентом тепловых потерь через светопрозрачное покрытие) обеспечивает получение температур адсорбента, достаточных для его регенерации, что исключает необходимость использования более дорогих высокотемпературных солнечных вакуумирован- ных коллекторов или коллекторов с концентраторами солнечного излучения.
  • 4. Показано, что интегральные показатели установки незначительно зависят от эффективного коэффициента массопереноса к, если он превышает 0,8—1,0 ч '. В противном случае энергетические показатели резко ухудшаются. Это означает, что конструкция адсорбера и используемый в нем адсорбент должны обеспечивать возможность достаточно «быстрого» внутреннего массообмена в течение не более 1—1,2 ч.

Вместе с тем еще многие аспекты моделирования работы солнечных адсорбционных холодильных установок требуют дальнейшего анализа и развития. Наиболее сложным является анализ влияния процессов теплопереноса в солнечном адсорбере на интегральные энергетические показатели. Представленная выше одноэлементная математическая модель солнечного коллектора- адсорбера не позволяет детально изучить эту проблему и с высокой точностью предсказать оптимальную толщину слоя засыпки адсорбента или оптимальную удельную массу адсорбента в рас-

чете на 1 м апертуры солнечного коллектора, являющихся важными техническими показателями установки. Тем не менее, используемая модель дает возможность провести важные оценки в этом направлении.

Действительно, в предположении /7' = 1 (изотермичность слоя адсорбента с температурой, равной температуре теплопоглощающей панели) модель позволяет получить предельные (максимальные) энергетические показатели установки. В качестве примера на рис. 1.89 для климатических условий г. Мессины (Италия) и летнего (июнь—август) периода работы установки предельные зависимости средней удельной холодильной мощности установки в расчете на 1 м2 апертуры солнечного коллектора от толщины слоя адсорбента для четырех рассмотренных адсорбентов показаны штриховыми линиями. Плотности засыпки адсорбентов, по данным производителей, в расчетах принимались равными соответственно: для СВС-1Л — 750 кг/м3, для СВС-2Л — 780 кг/м3, для СВС-4Л — 930 кг/м3, для Рцр 1Ю — 500 кг/м3.

Из рис. 1.89 видно, что с ростом толщины слоя удельная холодильная мощность для всех адсорбентов растет, выходя на некоторое «насыщение». Расчеты проводились до максимальной толщины слоя, равной 5 см. В принципе, можно утверждать, что если

Зависимости средней удельной холодильной мощности от толщины слоя адсорбента

Рис. 1.89. Зависимости средней удельной холодильной мощности от толщины слоя адсорбента

расчеты в принятом допущении (Р' = 1) были бы выполнены в более широком диапазоне значений толщины, то представленные кривые имели бы максимум, определяемый увеличением теплоемкости адсорбента [при больших толщинах слоя засыпки (высокой в расчете на 1 м2 апертурной площади теплоемкости адсорбента) амплитуда суточных колебаний температуры адсорбента уменьшается и эффективность работы холодильной установки снижается]. Однако получаемые при больших толщинах результаты не отражают реальной картины, поскольку коэффициент Р' реально зависит от толщины слоя [см. (1.75)] и с ее ростом снижается. Полученные кривые более или менее адекватно описывают работу установки лишь при относительно малых толщинах слоя засыпки.

Видно также, что новые селективные адсорбенты типа СВС обеспечивают более быстрый набор холодильной мощности, чем традиционный адсорбент Рцр ИХ), с увеличением толщины слоя; причем при толщине слоя 2 см эти мощности различаются почти в 2 раза, что в определенной степени свидетельствует о преимуществах новых селективных сорбентов.

В то же время используемая модель предоставляет возможность попытки оценить влияние толщины слоя на эффективность работы установки. Эта попытка может быть осуществлена, если соотношение (1.74) представить в виде

где X — эффективная теплопроводность; б — толщина слоя адсорбента (см. рис. 1.88), отсчитываемая от теплопоглощающей панели, на границе которого температура равна среднемассовой температуре адсорбента, и в модели учесть зависимость Р'(б).

При этом следует иметь в виду, что значение эффективной теплопроводности X, по-видимому, превышает значение реальной теплопроводности слоя сухого адсорбента, поскольку при определении X учитывается и геплоперенос, обусловленный диффузией влаги внутри слоя. Толщину б также довольно трудно оценить, гак как распределение температуры внутри слоя неизвестно и, более того, оно нестационарно. Вместе с тем ясно, что б меньше полной толщины слоя засыпки.

На рис. 1.89 расчетные кривые, показанные сплошными линиями, получены для разных адсорбентов в предположении, что § = 1/2г/, где с/— полная толщина слоя адсорбента, теплопроводность X для адсорбентов типа СВС равна 0,13 В г/(м • К), а для Рир Я О — 0,2 Вт/(м • К) (данные производителей).

Видно, что при толщине слоя засыпки менее 1 см полученные кривые практически совпадают с «предельными» кривыми, но далее «загибаются», демонстрируя максимумы средней удельной холодильной мощности, достижимые для адсорбентов типа СВС при толщине слоя 1,5—2 см, а для Рир 1Ш — около 3 см.

Для сравнения на рис. 1.89 представлены также результаты расчета холодильной установки, выполненного авторами с использованием программы МГУ, в которой адсорбер представлен многослойной моделью с учетом внутренних процессов тепломас- сопереноса. При этом был рассмотрен адсорбент СВС-1Л, а в качестве исходных были использованы те же, что и в описанной выше модели, актинометрические и метеорологические данные в формате «типичного метеогода», сгенерированные с помощью для г. Мессины (лето). Рассмотренные два варианта различались значениями теплопроводности слоя адсорбента [0,15 и 0,3 Вт/(м • К)], которые предполагались соответствующими «рыхлой» и «плотной» засыпкам адсорбента в адсорбер.

Интересно отметить, что результаты, найденные с помощью описанной ранее одноэлементной и многослойной моделей, качественно и количественно достаточно хорошо совпадают, и в соответствии с ними были получены примерно одинаковые значения оптимальной толщины слоя засыпки адсорбента СВС-1Л (1,5—2 см). Предсказываемые моделями значения максимальной холодильной мощности составляют 60—75 Вт/м .

Программа дальнейших этапов исследований должна предусматривать более глубокое изучение влияния климатических условий на выбор оптимальных конструкции установки и сорбентов. Необходимо продолжение расчетно-теоретических исследований процессов преобразования энергии в солнечных адсорбционных холодильных установках, в том числе на основе усовершенствованных моделей солнечного коллектора-адсорбера, более детально описывающих процессы тепломассопереноса в адсорбенте. Представляет интерес рассмотрение альтернативной схемы солнечной холодильной установки с раздельным размещением солнечного коллектора и адсорбера, а также с включением в состав установки аккумуляторов тепла и холода.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы