Теплоэнергетические параметры и балансовое распределение энергии парового котла солнечных высокотемпературных установок Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Ахадов Ж. З., Абдурахманов А. А

8.4. ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И БАЛАНСОВОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПАРОВОГО КОТЛА СОЛНЕЧНЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСТАНОВОК

Ахадов Жобир Замирович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник института Материаловедения НПО «Физика-Солнце» Академия Наук Республики Узбекистан и Международный институт Солнечной энергии, e-mail: ahadovj@mail.ru

Абдурахманов Абдужаббар Абдурахманович, д-р техн. наук, зав. лаборатории Большие Солнечные Установки института Материаловедения НПО «Физика-Солнце» Академия Наук Республики Узбекистан, e-mail: aabdujabbar46@mail. ru

Аннотация: В работе приведены теплоэнергетические показатели парового котла комбинированной системы установленной в фокальной зоне Большой солнечной Печи (БСП). Определен коэффициент полезного действия (КПД) и балансовое распределение использования энергии для получения водорода, электричества и тепла.

Ключевые слова: солнечная энергия, концентрация солнечных лучей, паровой котел, потерь тепла, комбинированная солнечная установка.

HEAT POWER OPTIONS AND BALANCED ENERGY DISTRIBUTION OF THE STEAM BOILER OF SOLAR HIGH-TEMPERATURE INSTALLATIONS

Akhadov Jobir Zamirovich, PhD, Senior research of the Institute of Material Sciences, SPA «Physics-Sun» Academy of Science of Uzbekistan and International Solar Energy Institute, e-mail: ahadovj@mail.ru

Abdurahmanov Abdujabbar Abdurakhmanovich, Professor, Head of Laboratory of Big Solar Furnace Institute of Material Sciences, SPA «Physics-Sun» Academy of Science of Uzbekistan, e-mail: aabdujab-bar46@mail.ru

Abstract: The paper presents the thermal power boiler performance of the combined system A large solar furnaces installed in the focal zone (BSP). Determined efficiency (factor) and the balanced distribution of energy to produce hydrogen, electricity and heat.

Index terms: solar energy, the concentration of sunlight, steam boiler, heat losses, the combined solar installation.

Для создания эффективного солнечного энергоустановка способной вырабатывать электричество и тепловую энергию, а также водород посредством термолиза воды необходимо перегретый пар с температурой более 5000С. Для получения перегретого пара в фокальной зоне солнечных теплоэнергетических установок необходимо обеспечение оптимального распределения концентрированного потока и эффективный солнечный приемник-парогенератор.

Проблема заключается в обеспечении эффективности этих процессов в солнечных теплоэнергетических установках. Одна из важнейших задач здесь - разрабатывать приемник концентрированной солнечной энергии, оптимальный распределения энергии и обеспечение высокого общего КПД для преобразования солнечной энергии.

В большинстве солнечных энергетических установок стоимость единицы получаемой продукции уменьшается по мере увеличения единичной мощности аппаратов, производящих продукцию. В некоторых же гелиотехнических устройствах эта закономерность отсутствует [1]. Мощность всякой солнечной установки пропорциональна площади поверхностей, собирающих лучи. Если сравнивать сходные по типу установки, то оказывается, что стоимость конструкций поддерживающих и перемещающих отражатели (зеркала) и приемники-поглотители лучистой энергии, а также конструкций, дающих им жесткость, возрастает быстрее, чем мощность установки,

вследствие возрастания изгибающих и крутящих моментов, действующих на конструктивные элементы [2-3].

Опыт и расчеты показали, например, что стоимость сооружения отдельных элементов параболоидных зеркальных солнечных установок, отнесенная к мощности этих установок, пропорциональна

А' ,

где й и й2 - диаметры параболоидных зеркал сравниваемых установок, п - показатель степени, находящийся в пределах от 0 до 1 в зависимости от того, такой из элементов установки рассматривается. В среднем можно считать

1/1/

для такой установки в целом п= /2; /3.

Условия отражения лучей от плоских элементарных зеркал реальной системы отличаются от идеальных. Солнце не является точечным источником лучистой энергии, и поэтому лучи, отраженные даже от идеального зеркала, расходятся из точки под углом 2фо=32', равным угловому диаметру солнца. Возможная неточность изготовления зеркала (волнистость поверхности, недостаточно высокое качество полировки) увеличивает это расхождение. Практически для зеркал из полированного стекла, выпускаемых нашей промышленностью, можно принять суммарное расхождение лучей, равное 2ф= 10.

В институте Материаловедения НПО «Физика-Солнце» АНРУз был разработан паровой котел для получения перегре-

того водяного пара в фокусе БСП (см.рис.1). Паровой котел изготовлен в виде змеевика на основе стальной трубки диаметром 40 мм. Спираль образовывала полостной приемник с формой, близкой к части сферы. Диаметр выходного отверстия такого приемника составил й=1600 мм. Количество витков спирального пароперегревателя составил 12, в центральной его части располагался общий приемник пара, также в виде цилиндрической трубы - йп=100мм. С целью повышения стойкости к высоким световым ударам сердцевина (диаметром 200 мм) лицевой поверхности покрыта сталью электрофорезом толщиной 5мм (предел прочности стали алч=0.8-1 ГПа). На основе этого парового котла полученный перегретый пар используется для выработка электрической и тепловой энергии и водорода одновременно.

После каждого дополнительного зачернения поверхности измерялось приращение тепла АОпол, которое делилось на добавочно зачерненную площадь АР и на разность (еч - £в). Результат вычисления давал среднее тепловое напряжение площадки:

E = -

АО

z-<n<

(1)

АГ(£ч -£б )

Определение тепловых потерь, производительности и КПД солнечной станции может быть произведено при известном распределении тепловых напряжений или изменении коэффициента, характеризующего концентрацию солнечных лучей в плоскости фокального пятна зеркальной системы станции.

Для этого нами была решена для отдельных частей котла следующая система уравнений:

1) уравнение расхода тепла на нагрев воды, ее парообразование или перегрев пара:

Ополез = С[^рабЛ - 1ра5^С + Я] , (2)

• 2-г*2 .2

где д=1 Т - удельные количество теплоты; L -площадь.

2) уравнение теплопередачи через стенки котла:

полез

t - t б

пов раб. F

^ 1 пов

(3)

Я а

б)

Рис.1. Фотография а) и схема б) парового котла, облучения испарительных поверхностей

1- концентрированные солнечные лучи; 2-трубы; 3-парообразования;

4-защитник; 5-отверствии диаметром 9мм; 6-добавочный пароперегреватель.

На рис.1 показана фотография и принципиальная схема парового котла, в которой концентрированный солнечный луч попадет на лицевую поверхность. Для получения перегретого пара установлена добавочная трубка 6 диаметром 15 мм в виде змеевика со специальным отрывом, между каждыми кольцами размером в диаметре 35 мм.

Задняя часть парового котла покрыта изолирующим металлическим листом толщиной 6 мм, который умещает потери и отражает выходящий луч из отверстия на котел и позволяет максимально направить энергию концентрированного солнечного луча на полосной приемник. При этом повышается эффективный коэффициент поглощения до 0,86 [4-6].

При концентрации лучей в области фокального пятна, что может быть получено при выбранной оптической схеме, котел целесообразно сделать в виде трубчатого экрана, с одной стороны освещаемого лучами, а с другой - покрытого изоляцией.

3) уравнение для вычисления поглощения энергии солнечных лучей поверхностями котла:

впогл = ЕоКЯ(\ - Апылл )СПов Ков (4)

4) уравнение, связывающее приход энергии солнечной радиации с Опогл-:

О = ЕиЯ(\ - А )в Г п (5)

^—*погл и V пыл ' пов зерк ' зерк

5) уравнение для определения потерь тепла поверхностями котла путем конвекции Ок, лучеиспускания и потерь через изолированную Оиз„ стенку:

Оизл=$а-Т =5Е (6)

5= пС/4=3/14-1.62/4=2м2 Ок=Р-а(Т-То)

6) уравнение теплового баланса

О = О - О (7)

полез *~-погл *~-пот * '

Здесь обозначено: 6 - количество производимого пара;

*раб.2 - температура рабочей среды в котле в начале участка нагрева;

температура рабочей среды в котле в конце участка

нагрева;

£гюе - температура поверхности элементов котла; £окр - температура окружающей среды;

- сумма тепловых сопротивлений прохождению тепла;

Л

к - коэффициент теплопередачи через стенку котла; а - коэффициенты теплоотдачи; Е0- солнечная радиация;

к - геометрический коэффициент концентрации лучей; Я - коэффициент отражения зеркал;

РзеРк - площадь использованного миделя концентратора БСП; £ - степень черноты этих поверхностей; Апыл - коэффициент, учитывающий поглощение лучей слоем пыли на зеркалах;

Ахадов Ж. З., Абдурахманов А. А

Из уравнения (6) определим потерь тепла поверхностями котла путем конвекции, лучеиспускания и через изолированную стенку [7-8]:

0.изл=2-(5.67■10 8(923)4=80к Вт 0к=2-10-680=13.6кВт При этом суммарные потери энергии поверхностями котла путем конвекции, лучеиспускания и через изолированную стенку составляют примерно 10ло1=Циз„ +0к =17+3=20% от падающей на паровой котел

( q

п р _

п ,п а р

=3 9 15 к57 /8 ча8 а).

На основе расчетов приняты были следующие параметры пара в солнечном паровом котле:

р=10-12 атм, tnepeBpeea =380-700 С.

пр зл.г т^

qnaö,z = Рэф ■ Е0 • COS 1г

(8)

qnZö,K = Рф ■Рф ■ Ео ■ cosi, ■ cosiK qZö,прием = FM.ö ■ Рфг ■ Р3фк ■ Ео ■ cos i, ■ cos i/ (9) cos iK « 1

q'Zt^ = 1000 ■ 0 .488 ■ 926 .6 ■ 0 . 866 ■ 1 = 391588,57ккал / час

Щ к = Рф + Рф - эффективный коэффициент отражения

где Рмид - площадь использованного миделя;

->г-к _зл.г , зл.к

1з _ Рэф + Рэф системы «Гелиостат-концентратор». В расчетах принято: Щ-к _ 0,488; Рмид=1000 м2; Е=800 Вт/м2.

Паровой котел состоит из двух частей: парообразования с площадью 950 см2 и пароперегревателя с площадью 19146 см2. Изменения температура пара пропорциональны плотности падающего потока и эффективному коэффициенту поглощения аэф материала парового котла и обратно пропорциональны потерям из парового котла (парообразователи и пароперегреватели).

ст.пар.обр

эф.пар.обр

1 С1 а ст.пар.обр )(l фпар.обр )

ч.пар.

а

а

1 - (1 - а )(1 -ф ) '

V ст.перег s \ / перег /

(10)

(11)

Здесь, ф среднеинтегральный коэффициент облученности отверстия приемника со стороны его внутренней поверхности, определяемый в нашем случае, так же, как и в [3]:

_ ^оте.пар.обр _ 142.5см1 _ 0 15 (12)

Ф:ар.о6р _— _ 950см2 _ .

Фп

F

пао. рап.обр

Fот в. перег 2297.5см 2

Рпао.ререг 19146СМ 2

= 0.12 (13)

где, ССэфпар(б5р - эффективный коэффициент поглощения

парообразователя; Фпаро6р - средний коэффициент облученности парообразователя, определенный выше; астларо6р— коэффициент поглощения материала стенки полости, астисп=0,45; Fome.nafi.o6f> - площадь отверстия полости парообразователя;

F,

■ площадь парообразователя; а , - эффектив-

пое.пар.обр '

ный коэффициент поглощения пароперегревателя; средний коэффициент облученности пароперегревателя, определенный выше; а(тпер^ег _ коэффициент поглощения материала стенки полости, астперег=0,42; Рстеперег - площадь от-

верстия полости пароперегревателя; Fnoenepea перегревателя;

а

эф . пар . обр =

0,4 5

1 - (1 - 0,4 5)(1 - 0,15)

площадь паро-

= 0,8 4 5

0 . 42

эф . перег

1 - (1 - 0 . 42)(1 - 0 .12)

= 0,86;

После ряда последовательных приближений определяем количество тепла, полезно использованного в паровом котле на производство пара.

Коэффициент полезного действия парового котла при этом равен:

П

= E F^ Щ-q (1 - A) =

E0 FmuöV з

800 ■ 1000 ■ 0.488 ■ 0.853 ■ (1 - 0.03)

(14)

= 0,58 = 58%

800 -1000 • 0.7

Считая, что при неустойчивой погоде комбинированная система не будет работать, и учитывая потери на разогрев установки при ее пуске, можно принять производительность системы по пару около 200 т/год.

Определим долю падающей энергии, которая передается водороду. Выше было получено, что целесообразный массовый выход водорода mH2 в комбинированном цикле через 79,3 см2 поверхности металла составляет примерно 0.15*10-3*79.3=1.2*10-2 см3/с=0.72 см3/мин.

При «сжигании» этого количества H2 получаем энергию q, равную

q = mH2* qH2, (15) где qH2 - теплотворная способность водорода, равная qH20* (mH2O/mH2), и mH2 - секундная производительность по водороду, равная 0.72/ 60 = 0.012 см3/с.

Учитывая, что qH20 = 23728 кдж/кг и mH2O = 18кг; mH2 = 2кг, получаем, теплотворную способность 1 кг водорода H2, равную qH2 = 23728*0,0803 = 1905,358 кдж/кг, откуда получаем энергию в единицу времени, или мощность, которую может обеспечить водород, если солнечная печь будет ориентирована только на производство водорода:

q = mH2* qH2 = 0.012* 1905,358 = 22,864 кдж/с

Или это составляют следующее количество энергии в ккал*час, или предельное

qH=22,864*3600/4.18=19691,7423ккал/час.

При этом предельный коэффициент использования энергии, падающей на паровой котел для выхода водорода составляет:

Пн = > „ = 1969'-74 = 5.5%

пр I па0

0,93 ■ 391588,57

0,93 • д:

Однако для работы системы мы можем отбирать только около 0.1г водорода, соответственно, доля энергии, приходящаяся на водород, составит 5,5%. (мембрана отбирает примерно 4м3 водорода в час).

Следующим этапом комбинированной системы является система получения электрического тока. При этом высокотемпературный водяной пар подается на лопасти генератора, вырабатывающего постоянный электрический ток, который используется для электролиза воды, и позволяет одновременное получение водорода.

В каждом электрическом генераторе происходят некоторые потери энергии. Они складываются из потерь на нагревание проводов проходящими по ним токами (потери в меди), по-

!. />/ .I/UIÎU

терь на токи Фуко и на нагревание стали сердечников при их перемагничивании (потери в стали) и потерь на трение. Поэтому, когда машина работает как генератор, то она отдает в сеть несколько меньшую электрическую мощность Шэл, чем та механическая мощность Шмех, которая затрачивается на ее вращение. Комбинированным системе для получения электричества расходуется Шэл =120178,53 ккал/час. Исходя из этого коэффициент использования энергии, падающей на паровой котел для получения электричества составляет:

П == , 120178,53 = 33% (16)

0,93q

пр пад

0,93-391588,57

Использованный пар подается в качестве теплоносителя в систему отопления здания. Тепло, выделяемое от теплоносителя, определяется как:

Оком= ст ■ (ы (17) сеоз= 1.018 кЖ/кг0С тКОм= Pv= 2,39 кг 0^^=1.018■ 2,39 (18-3)= 36,38 кЖ 0ф= с т ■ (18) тф= 5,6кг 0ф=1.018■ 5,6 (14-1)= 74 кЖ Ятепл= Оком+ 0ф=36,38+74=110,38 кЖ=95071 ккал/час, где, 0ком-количество энергии для отопления 2х комнат инженерно-технического персонала; 0ф- количество энергии для отопления зала, где располагается оборудование.

Доля энергии, которая может быть использована для нужд отопления составит:

95071

П тепл

а пр

Чпад

0,97 - 391588,57

■ = 0,2503 = 25,03%

Полученные результаты показали, что для повышения выхода водорода надо перегреть перегретый пара во второй раз и увеличить температуру минимально до 10000С или использовать другие катализаторы повышающие диссоциацию пара.

Рис.2. Балансовое распределение полной использованной энергии концентрированного солнечного излучении, падающего на паровой котел: 1-0н=5,5 %; 2-0эл=33%; 3-0со=25,03%; 4-10пот=36,47%

Как показывают расчеты, и экспериментальные результаты, общее использование энергии концентрированного солнечного излучении, падающего на паровой котел в комбинированной системе, будет доходить до 64 %, что дает нам уверенность создать новое полупромышленное устройство для получения водорода, электрической и тепловой энергии на БСП.

Выводы:

Получено, что для комбинированного цикла целесообразно использовать на получение водорода только около 5.5% энергии системы.

Показано, что КПД получения водорода может быть таким же, как и на промышленных предприятиях, порядка 40%, что является реальной предпосылкой организации его производства на солнечных установках.

Общее использование энергии концентрированного солнечного излучении, падающего на паровой котел в комбинированной системе, будет доходить до 64 %, что дает нам уверенность создать автономные солнечные установки для получения водорода, электрической и тепловой энергии на основе концентрирующих систем солнечного излучения.

Список литературы:

1. Г.Н. Делягин и др. Теплогенерирующие установки. -М: Стройиздат. 1986. -373 с.

2. Умаров Г.Я., Фаттахов А.А., Турсунбаев И.А., Газиев У.Х. и.др. Исследования теплопотерь полостного приемника солнечного излучения.// Гелиотехника. -1983. -№3. -ст.35-38.

3. У.Х. Газиев, В.С. Трухов, А.А. Фаттахов. К исследованию теплопри-емника цилиндрической формы для тепловых преобразователей солнечной энергии//Гелиотехника,1984.-№6.-С.37-40.

4. Захидов Р.А., Клычев Ш.И. Лучистый теплообмен в полостных ос-симметричных приемниках высокотемпературных солнечных установок. // Гелиотехника, 1977. -№3, -С.39-44.

5. Абрамс М. Температура приемников солнечной энергии в виде полости с циркулирующей жидкостью. -Москва: Теплопередача, 1974, -320с.

6. Грилихес В.А. и др. Принципы и методы расчета солнечных высокотемпературных источников тепла //Гелиотехника, 1973. -№3, -С.36-44.

7. Дж.А. Даффи, У.А. Бекман. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. -М.: 1977. - 467с.

8. Кузовлев В.А. Техническая термодинамика и основы теплопередачи. -Москва: Высшая школа, 1975. -300 с

РЕЦЕНЗИЯ

на статью Ж.З. Ахадова, А.А. Абдурахманова «Теплоэнергетические параметры и балансовое распределение энергии парового котла солнечных высокотемпературных установок»

В статье приведены результаты исследований теплоэнергетических показателей парового котла комбинированной системы установленной в фокальной зоне Большой солнечной Печи (БСП). Процессы получения водорода из водяного пара достаточно хорошо известны. Проблема заключается в обеспечении эффективности этих процессов в солнечных теплоэнергетических установках. Одна из важнейших задач - обеспечение высокого КПД преобразования солнечной энергии. Как отмечено авторами, указанное требует создания комбинированных последовательных или параллельных процессов получения тепла, электроэнергии и водорода одновременно.

Для этих целях паровой котел изготовлен в виде змеевика на основе стальной трубки диаметром 40 мм. Спираль образовывает полостной приемник с формой, близкой к части сферы. Диаметр выходного отверстия такого приемника составил D=1600 мм и паровой котел установлен в фокусе БСП. На основе расчетных и экспериментальных результатов определена потеря тепла поверхностями котла путем конвекции, лучеиспускания и через изолированную стенку, определен коэффициент полезного действия (КПД) системы и балансовое распределение использования энергии для получения водорода, электричества и тепла.

Получено, что для комбинированного цикла целесообразно использовать на получение водорода только около 5.5% энергии системы.

Показано, что КПД получения водорода может быть таким же, как и на промышленных предприятиях, порядка 40%, что является реальной предпосылкой организации его производства на солнечных установках.

Общее использование энергии концентрированного солнечного излучения, падающего на паровой котел в комбинированной системе, будет доходить до 64 %, что дает нам уверенность создать автономные солнечные установки для получения водорода, электрической и тепловой энергии на основе концентрирующих систем солнечного излучения.

Работа выполнена на высоком научно-техническом уровне и может быть опубликована в журнале «Computational nanotechnology».

Рецензент,

д-р техн. наук

Рахимов Р.Х.