Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Проведено моделирование и проанализирована эффективность работы гелиоэнергетических термо-трансформаторов адсорбционного типа циклического действия на основании программы, разработанной в программном пакете MATLAB. Термотрансформатор работает на энергии солнечной радиации и механической энергии перепада давлений в аппаратах в процессе суточного изменения температуры окружающей среды. В основе программы – упрощенный термодинамический цикл работы термотрансформатора, состоящий из следующих процессов: изостерического нагрева и охлаждения, десорбции и адсорбции, конденсации и кипения. Алгоритм программы состоит из двух расчетных блоков, позволяющих рассчитать максимальную тепловую эксергию, подводимую к термотрансформатору в дневное время при обогреве генератора энергией солнечной радиации, и минимальную эксергию, отводимую от термотрансформатора в ночное время из испарителя, когда производится полезная работа охлаждения. На основании расчетных характеристик рабочих пар термотрансформаторов (активированный уголь (АС) – аммиак, АС – метиламин и АС – этиламин) получены зависимости эксерге-тических коэффициентов в зависимости от изменения основных температурных характеристик термодинамического цикла. Адсорбционная способность рабочих пар определялась по структурным уравнениям Дубинина–Ра- душкевича. Системный анализ моделирования позволил получить качественные и количественные оценки степени термодинамического совершенства работы термотрансформаторов циклического действия на различных рабочих парах и определить области их применения. Разработанная программа позволяет проводить системный анализ работы термотрансформаторов циклического действия в части определения диапазона и параметров эффективности его термодинамического совершенства. Программа позволяет исследовать характер зависимостей коэффициентов адсорбционной способности различных адсорбатов с разными сорбентами при различных температурных условиях. Программа позволяет исследовать зависимости термодинамических коэффициентов различных термотрансформаторов циклического действия на разных рабочих парах от температур адсорбции, конденсации и окружающей среды. Программный анализ показал, что степень термодинамического совершенства в термотрансформаторе циклического действия на рабочей паре АС–аммиак выше, чем на рабочих парах АС–метиламин и АС–этиламин, показатели значений давления в установках у последних пар в 2–2,5 ниже, а у последней рабочей пары приближаются к атмосферному.

Ключевые слова:
термотрансформатор, рабочие пары, генератор, испаритель, теплота, адсорбция, адсорбент, эксергетический коэффициент
Текст
Текст (PDF): Читать Скачать

Введение Термотрансформаторы циклического действия находят все более активное применение в качестве холодильников и охлаждающих устройств в жарких регионах для хранения медикаментов, вакцин, пищевых продуктов, воды и т. п. Разработкой таких устройств занимаются многие ученые во многих странах: во Франции, Китае, Египте, Португалии, США, России и др. странах (М. М. Дубинин, А. М. Архаров, М. Дюпонт, Л. В. Ванг, А. А. Абдель Азиз и др. [1–4]). Внедрение таких холодильников в промышленности и быту позволит не только улучшить условия жизни населения жарких регионов, но и значительно экономить электроэнергию на производство холода. Особенно это актуально в южных регионах с высокой интенсивностью солнечной радиации и большим количество солнечных дней, а также в точках, далеких от линий электропередач, т. к. такие термотрансфор-маторы способны работать автономно, от солнечной энергии. Такими точками могут быть наблюдательные пункты, расположенные на островах, поселки нефтяников и газовиков, пункты для питья в пустынных районах. Эффективность работы термотрансформаторов зависит как от их конструктивных особенностей, так и от рабочей пары веществ, участвующей в термодинамическом цикле установки за счет осуществления физико-химических преобразований, происходящих вследствие периодической подачи солнечной энергии днем и суточных температурных перепадов окружающего воздуха. Наиболее распространены в адсорбционных термотрансформаторах рабочие пары АС (активный уголь) – аммиак, и АС–метанол. Поиск новых рабочих пар, повышающих эффективность эксплуатации термотрансформаторов, при помощи моделирования является актуальной задачей. Объектом исследования данной работы являются гелиоэнергетические термотрансформаторы, предметом исследования – повышение эффективности их работы. Целью работы является исследование по разработанной модели эксергетических коэффициентов полезного действия термотрансформатора на новых рабочих парах. Данная цель достигается путем решения следующих задач: – разработки алгоритма исследования эффективности работы термотрансформатора по эксер-гетическим коэффициентам полезного действия; – разработки модели работы гелиоэнергетического термотрансформатора; – проведения расчетов по модели в программном обеспечении Matlab. Данное исследование ограничивается изучением работы термотрансформатора на трех рабочих парах: АС–аммиак, АС–метиламин, АС–этиламин. Работа термотрансформатора по модели осуществляется дискретно с задаваемым периодом времени, при подаче теплоты на генератор и отводе теплоты из испарителя. Принцип действия термотрансформатора В основе работы термотрансформаторов периодического действия лежат физические процессы адсорбции, связанные со способностью некоторых веществ (адсорбентов) при охлаждении поглощать пары других (адсорбатов), а при нагреве выделять из сорбентов адсорбаты. Циклическое действие возможно, если подача тепловой энергии и охлаждающей осуществляется периодически, постоянно во времени. Это свойственно установкам адсорбционного типа, работающим от энергии солнечной радиации и разности перепада температур [5, 6]. Термотрансформатор циклического действия, работающий от энергии солнечной радиации, показан на рис. 1. Рис. 1. Термотрансформатор циклического действия: 1 – генератор-адсорбер; 2 – реакторы; 3 – гелиоприемные устройства типа «горячий ящик»; 4 – обратные клапаны; 5 – конденсатор; 6 – ресивер; 7 – дроссельный вентиль; 8 – испаритель; 9 – камера охлаждения; 10 – манометры; 11 – цифровой вольтметр Fig. 1. Cyclicthermotransformer: 1 – adsorber generator; 2 – reactors; 3 – hot box type solar receivers; 4 – check valves; 5 – capacitor; 6 – receiver; 7 – throttle valve; 8 – evaporator; 9 – cooling chamber; 10 – manometers; 11 – digital voltmeter Солнечная энергия, попадая в гелиоприемное устройство 3 через прозрачное покрытие, в котором солнечные лучи отражаются от зеркальных стенок, нагревает реакторы 2. В реакторах находится насыщенный адсорбатом сорбент, последний нагревается до высокой температуры, и из него начинают выпариваться пары адсорбата. Адсорбат через обратный клапан 4 поступает в конденсатор 5, где сжижается, отдавая тепло воде, и накапливается в ресивере 6, охлаждаясь до температуры окружающего воздуха. Этот период работы термотрансформатора называется регенерация, а процесс выделения адсорбата из сорбента – десорбцией. После захода солнца и до утра начинается период зарядки, насыщение сорбента адсорбатом в процессе отвода теплоты от реакторов. Вечером охлажденный адсорбат через дроссельный вентиль 7 перепускается в испаритель 8, где при пониженном давлении начинает кипеть и забирать теплоту из охлаждаемой камеры 9. Пары адсорбата через обратный клапан 4 поглощаются сорбентом, находящимся в реакторах. Процесс поглощения, кипения адсорбата в испарителе и охлаждения продолжается до утра. Утром после восхода солнца период регенерации начинается снова. Постановка задачи В основе моделирования термотрансформатора лежит анализ теоретического термодинамического цикла его работы [7]. Цикл состоит из 4 процессов, протекающих в реакторе генератора-адсорбера установки: А–Б – изостерический нагрев, Б–В – десорбция, В–Д – изостерическое охлаждение, Д–А – адсорбция – и 2 процессов: Г – конденсация адсорбата в конденсаторе и Ж – кипение жидкого адсорбата в испарителе (рис. 2). Рис. 2. Упрощенная схема термодинамического цикла работы термотрансформатора Fig. 2. Simplified diagram of thermodynamic cycle of thermotransformer operation Процесс А–Б протекает утром, при обогреве генератора теплом солнечной радиации, для него характерно повышение температуры насыщенного cорбента, при этом адсорбат связан с сорбентом и не происходит его отделения. По мере интенсивного нагрева реактора энергия адсорбата повышается и он в парообразном состоянии отделяется от сорбента (процесс Б–В) и направляется в конденсатор, где происходит его сжижение в процессе конденсации (Г) при высоком давлении. Эти процессы длятся до захода солнца, пока интенсивность энергии солнечной радиации высокая. После уменьшения и затем полного прекращения поступления энергии солнца, снижения температуры воздуха начинается процесс охлаждения, прекращается выделение адсорбата из реактора, и сухой сорбент начинает остывать – происходит процесс В–Д. С некоторой задержкой во времени, после снижения давления в реакторе, начинается процесс Ж – кипения. Необходимо разработать модель гелиоэнергетического термотрансформатора, позволяющую определять степень термодинамического совершенства подобных установок при помощи эксергетического коэффициента. Методы исследования Для определения эффективности работы ад-сорбционного трансформатора циклического действия анализируем процессы нагрева (изостерический нагрев и десорбция), при котором подводится энергия к установке, и процесс Ж (кипения), где происходит полезный охлаждающий эффект при кипении адсорбата в испарителе. Базовой составляющей модели гелиоэнергетического термотрансформатора является уравнение Дубинина–Радушкевича, ранее рассмотренное в работах [8, 9]. Модель является универсальной, позволяет в автоматическом режиме анализировать эффек-тивность работы термотрансформаторов с различными рабочими парами, манипулировать вспомогательными командами. Алгоритм расчетной программной модели представлен на рис. 3. Рис. 3. Алгоритм программной модели эффективности работы термотрансформатора Fig. 3. Algorithm of the software model of the efficiency of the thermal transformer В основе программной модели лежат следующие логические рассуждения. 1. Сначала рассматривается изостерический процесс нагрева А–Б, при котором адсорбционная способность рабочей пары не изменяется, а(Тадс, Рs) = const, и определяется по уравнению Дубинина–Радушкевича , где a0(P,T) – отношение массы адсорбата к сорбенту при равновесном отношении давлений (Р/Ps) и текущей абсолютной температуры Т, кг/кг; Wo – удельный максимальный объем адсорбционного пространства сорбента, м3/кг; ρ,(T) – удельная плотность адсорбата при текущей температуре, кг/м3; Ps – давление при температуре насыщения в испарителе при То, Па; Р – текущее давление процесса, Па; D – степень энергии адсорбционной способности рабочей пары сорбент/адсорбат; n – коэффициент равномерности распределения пор в сорбенте. При этом в реакторе повышаются температура насыщенного сорбента и давление. На этом участке расчеты ведем при начальной температуре Тадс и давлении Радс и затем, задаваясь определенным приращением температуры Т1 = Тадс +∆Т, определяем по уравнению состояния системы новое давление Р1, выведенное из уравнения Дубинина–Радушкевича: (1) 2. Затем рассчитываем тепловую нагрузку Qизст изостерического процесса, Вт: В процессе А–Б теплота идет не только на нагрев насыщенного сорбента, но и на нагрев элементов конструкции установки, металлических частей, стекла, изоляции и пр.: , где Mi(кг), Ci(кДж/кг∙К) – масса и теплоемкость соответствующих элементов; ∆Тi – приращение температуры, К. 3. Затем проверяем расчетное по формуле (1) давление Р1 на равенство давлению насыщения Рs(Tк) при конденсации. Если давления не равны, то принимаем новое приращение температуры Т2 = Т1 +∆Т, снова пересчитываем давление, пока оно не будет Р2 = Рs(Тк). Температура, при которой давления совпадают, является температурой начала процесса десорбции Тдес1. Модель переходит на новый этап расчета. Изостерический процесс А–Б прекращается при температуре, соответствующей давлению насыщения. Дальнейший рост температуры не влияет на давление, оно остается постоянным Рs = Р(Тк), и начинается процесс десорбции Б–В, который характеризуется выделением адсорбата из сорбента, степень насыщения которого уменьшается: а0 – а01 = = Δа. Путем приращения температуры Тдес2 = = Тдес1 + ∆Т получаем новую концентрацию адсорбата в сорбенте а = ʄ(Т, Рs(Тк)). 4. Далее рассчитываем теплоту, идущую на нагрев элементов установки и сорбента, с учетом потери массы адсорбата, и теплоту, идущую на процесс десорбции: где qдес – удельная теплота десорбции, необходимая для выхода жидкой фазы адсорбата в газообразную из пористой структуры сорбента, Вт, и равная где r0 – скрытая теплота парообразования адсорбата, Дж/кг; R – универсальная газовая постоянная адсорбата, Дж/(кг∙К); Ps – давление насыщения; Р, Т – текущие значения давления и температуры; α – коэффициент термического расширения ад-сорбционной фазы адсорбата, 1/К. 5. Далее программа сравнивает расчетную температуру процесса десорбции с заданной: Тдес = = Тдес(max). При несовпадении значений температур температуру снова повышают и снова рассчитывают теплоты и потери концентрации адсорбата ∆а, которые в конечном результате интегрируются. Процесс десорбции протекает до максимальной заданной температуры Тдес(max). 6. Степень термодинамического совершенства термотрансформатора адсорбционного типа циклического действия определяется через отношение эксергии теплоты, подводимой к гелиоприемной части реактора генератора-адсорбера установки, и эксергии теплоты, отводимой от испарителя охлаждающей камеры [10]. Теплота к гелиоприемной части интегрируется в процессах А–Б и Б–В и состоит из теплоты нагрева элементов конструкции установки и сорбента и теплоты десорбции: Тогда подводимая эксергия будет равна где Тдес – абсолютная температура десорбции, К; То.с.д – абсолютная средняя дневная температура охлаждающей среды, К. Теплота, отводимая из испарителя в ночное время, Qo, равна, Вт: Тогда отводимая из установки эксергия будет равна где То.с.н – абсолютная температура охлаждающей среды в ночное время, К; То – абсолютная температура кипения адсорбата в испарителе, К. Эксергетический коэффициент степени совершенства экс термотрансформатора циклического действия будет равен Обсуждение результатов На основании исследования адсорбционной способности активированных углей российского и зарубежного производства с такими адсорбатами, как аммиак, метиламин и этиламин, получены усредненные коэффициенты для структурного уравнения Дубинина–Радушкевича, которые затем и использовались в расчетной программе [7]: – Wo(амм)= 442,8 • 10–6 кг/м3; D(амм)= 12,17 ∙ 10–7; n = 2 – рабочая пара АС–аммиак; – Wo(мет) = 355,2 • 10–6 кг/м3; D(мет)= 16,58 ∙ 10–7; n = 2 – рабочая пара АС–метиламин; – Wo(этм) = 201,2 • 10–6 кг/м3; D(этм)= 21,17 ∙ 10–7; n = 2 – рабочая пара АС–этиламин. Для расчетной модельной программы также использовались константы и зависимости (давления насыщения от температуры, плотности адсорбатов от температуры, скрытой теплоты парообразования и т. п.), взятые из справочников [11–13]. На рис. 4 изображены расчетные графики зависимостей эксергетических коэффициентов термотрансформатора циклического действия, работающего на рабочей паре АС–аммиак. Рис. 4. Графики зависимостей эксергетических коэффициентов рабочей пары АС–аммиак Fig. 4. Graphs of dependences of exergy coefficients of a working couple AC-ammonia Расчеты проведены для различных температур десорбции (в диапазоне Тдес от 293 К (+20 °С) до 468 К (+195 °С) рабочей пары в сорбенте и различных температур кипения адсорбата в испарителе (в диапазоне Т0 от 253 К (–20 °С) до 278 К (+5 °С), при постоянных температурах конденсации Тк = 293 К (+20 °С), адсорбции Тадс = 293 К (+20 °С), окружающей среды То.с = 283 К (+10 °С). Из графиков видно, что все зависимости носят следующий характер: сначала эксергетический коэффициент в изостерическом процессе при повышении температуры равен нулю, а затем, начиная с некоторой начальной температуры Тдес, наблюдается резкое увеличение коэффициента до максимального значения, и в некотором диапазоне температур десорбции наблюдается самое высокое устойчивое его значение. Затем наблюдается постепенное снижение значений эксергетических коэффициентов. Программа позволяет для рабочей пары АС–аммиак рассчитать рекомендации: при каких температурах кипения адсорбата в испарителе и каких температурах обогрева насыщенного сорбента в генераторе можно получить наилучшую степень термодинамического совершенства гелиоэнергетического термотрансформатора. Судя по приведенным графикам наиболее эффективно ге-лиоэнергетические термотрансформаторы на рабочей паре АС–аммиак будут работать в режимах замораживания: при температурах Т0 (от –15 до –10 °С) экс равен 7,86–7,98 %. На рис. 5 изображены расчетные графики зависимостей эксергетических коэффициентов термотрансформатора циклического действия, работающего на рабочей паре АС–метиламин. Рис. 5. Графики зависимостей эксергетических коэффициентов рабочей пары АС–метиламин Fig. 5. Graphs of dependences of exergy coefficients of a working couple AC-methylamine. Расчеты также проведены для различных температур десорбции (в диапазоне Тдес от 293 К (+20 °С) до 468 К (195 °С)) рабочей пары в адсорбенте и различных температур кипения адсорбата в испарителе (в диапазоне Т0 от 253 К (–20 °С) до 278 К (+5 °С)), при постоянных температурах конденсации Тк = 293 К (+20 °С), адсорбции Тадс = 293 К (+20 °С), окружающей среды То.с =283 К (+10 °С). Из графиков видно, что все зависимости носят следующий характер: сначала эксергетический коэффициент в изостерическом процессе при повышении температуры равен нулю, а затем, начиная с некоторой начальной температуры Тдес, наблюдается резкое увеличение коэффициента до максимального значения, и в некотором диапазоне температур десорбции наблюдается самое высокое устойчивое его значение. В отличие от графика на рис. 4 максимальные значения более разбросаны по температурам десорбции. Затем также наблю-дается постепенное падение значений эксергетических коэффициентов. Для рабочей пары АС–метиламин рассчитаны рекомендации: при каких температурах кипения адсорбата в испарителе и температурах обогрева насыщенного сорбента в генераторе можно получить наилучшую степень термодинамического совершенства гелиоэнергетического термотрансформатора. Судя по приведенным графикам наиболее эффективно гелиоэнергетические термотрансформаторы на рабочей паре АС–метиламин будут работать в режимах охлаждения и кондиционирования при температурах Т0 (–5 ÷ 0 °С) экс равен 3,48–3,54 %. На рис. 6 изображены расчетные графики зависимостей эксергетических коэффициентов термотрансформатора циклического действия, работающего на рабочей паре АС–этиламин. Рис. 6. Графики зависимостей эксергетических коэффициентов рабочей пары АС–этиламин Fig. 6. Graphs of dependences of exergy coefficients of a working couple AC-ethylamine Для рис. 6 можно приводить аналогичные рассуждения, что и о рабочих парах, описанных выше. Судя по приведенным графикам наиболее эффективно гелиоэнергетические термотрансформаторы на рабочей паре АС–этиламин будут работать только в режимах кондиционирования: при температурах Т0(0 ÷ +5 °С) экс равен 0,69–0,85 %. Заключение Разработанная программа позволяет проводить системный анализ работы термотрансформаторов циклического действия по определению диапазона и параметров эффективности его термодинамического совершенства. Программа позволяет исследовать характер зависимостей коэффициентов адсорбционной способности различных адсорбатов с разными сорбентами при различных температурных условиях. Программа позволяет исследовать зависимости термодинамических коэффициентов различных термотрансформаторов циклического действия на разных рабочих парах от температур адсорбции, конденсации и окружающей среды. Несмотря на то, что степень термодинамического совершенства в термотрансформаторе циклического действия на рабочей паре АС–аммиак выше, чем на рабочих парах АС–метиламин и АС–этиламин, показатели значений давления в установках у последних пар практически в 2–2,5 ниже, а у последней рабочей пары приближается к атмосферному. Вышеприведенные рассуждения позволяют рекомендовать новые рабочие пары для работы в гелиоэнергетических термотрансформаторах циклического действия.
Список литературы

1. Архаров А. М., Марфенина И. В., Микулин Е. И. Криогенные системы: в 2 т. М.: Машиностроение, 1996. Т. 1. Основы теории и расчета. 576 с.

2. Abdel Aziz A. A., Hatab S. I., Moawed M., Zohir A. E., Berbish N. M. Experimental study on the Effect of adsorber with three shapes of conductive material on Performance of Adsorption Refrigeration Tube using Activated Carbon/ethanol pair // Appl. Therm. Eng. 2017. V. 19. P. 1246-1254.

3. Dupont M., Guilleminot J. J., Meunier F. Etude de glaciers solaires utilisant le cycle intermittent jour-nuit zeolithe 13x-eau en climat tempere et en climat tropical // Proceedings IIR. Jerusalem, 1982. N. 58. P. 193-200.

4. Wang L. W., Xu Z. Y., Pan Q. W., Du S., Xia Solar Z. Z. Solar driven air conditioning and refrigeration systems corresponding to various heating source temperatures // Appl. Energy. 2016. V. 169. P. 846-856.

5. Каримов М. Ш., Руденко М. Ф., Шипулина Ю. В. Повышение эффективности гелиоэнергетического ад-сорбционного термотрансформатора // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2016. № 3. С. 31-35.

6. Каримов М. Ш., Руденко М. Ф. Определение эффективности работы гелиоэнергетического термотрансформатора // Новейшие технологии освоения месторождений углеводородного сырья и обеспечение безопасности экосистем Каспийского шельфа: материалы VII Междунар. науч.-практ. конф. (Астрахань, 16 сентября 2016 г.). Астрахань: Изд-во АГТУ, 2016. С. 223-225.

7. Руденко М. Ф., Шипулина Ю. В. Моделирование термодинамического цикла работы адсорбционного гелиоэнергетического термотрансформатора // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2011. № 3. С. 136-140.

8. Vasiliev L. L., Mishkinis D. A., Antukh A. A., Vasiliev L. L. Jr. Solar/gas sorption heat pumps and refrigerators-nature friendly heat transport systems // International Jornal of Energy Research. 2002. N. 26 (9). P. 825-835.

9. Xu S. Z., Wang L. W., Wang R. Z. Thermodynamic analysis of single-stage and multi-stage adsorption refrigeration cycles with activated carbon-ammonia working pair // Energy Conversion and Management. 2016. V. 117. P. 31-42.

10. Руденко М. Ф., Каримов М. Ш. Исследование рабочих пар для гелиоэнергетических термотрансформаторов адсорбционного типа // Актуальные вопросы науки: материалы VI Междунар. науч.-практ. конф. (10.07.2012). М.: Спутник +, 2012. С. 49-56.

11. Рабинович В. А., Хавин З. Я. Краткий химический справочник. Л.: Химия, 1978. 392 с.

12. Равдель А. А., Пономарева А. М. Краткий спра-вочник физико-химических величин. Л.: Химия, 1983. 233 с.

13. Справочник химика. Общие сведения, строение вещества, свойства важнейших веществ, лабораторная техника / под ред. В. П. Никольского. М.-Л.: Хим. лит., 1962. Т. 1. 1072 с.


Войти или Создать
* Забыли пароль?