Автореферат (Совершенствование характеристик и разработка метода расчета солнечной адсорбционной холодильной установки периодического действия), страница 2

По результатам работы были опубликованы тринадцатьнаучных трудов, два из которых в журналах, входящих в перечень,рекомендованный ВАК РФ, и один зарубежный журнал, индексируемый в базеданных WEB of Science.Объём работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения исписка литературы из 79 наименований. Общий объем диссертации составляет132 страницы машинописного текста, включая рисунки, таблицы.6Основное содержание диссертационной работыВо введении обоснована актуальность темы, определены цель и основныезадачи исследования, показана научная новизна, описаны методы исследованияи практическая значимость полученных результатов.В первой главе проведен анализ теоретических и экспериментальныхисследований, выполненных в рассматриваемой области. Рассмотреныособенности физических процессов, протекающих в СХАТ, их принципиальныесхемы, конструкции отдельных элементов, термодинамический цикл установки.Обоснован выбор рабочей пары СХАТ «активированный уголь–метанол».Рассмотрены способы оценки эффективности СХАТ, применяемые различнымиавторами (Meunier F., Anyanwu E.E., Luo L., Tondeur D., Попель О.С., Фрид С.Е.,Аристов Ю.И.

и др.), предлагаемые авторами математические моделипроцессов тепло- и массообмена при наличии сорбции и десорбции (LeiteA.F.P., Grillo M.B., Luo T., Tondeur D., Lemini F., Meunier F., Y.Zhao, E.Hu, A.Blazewicz), а также результаты экспериментальных исследований процессов вСХАТ (Leite A.F.P., Grillo M.B.,). Установлено, что, несмотря на значительныйинтерес к исследованию различных СХАТ и продвижение в пониманиипроисходящих в них физических процессов, отсутствуют методы расчета СХАТ.Недостаточно исследовано влияние (в том числе комплексное) конструктивныххарактеристик установок, сорбционных свойств применяемой рабочей пары иклиматических условий на удельную холодопроизводительность установок. Врезультате проведенного анализа обоснованы цель диссертации и поставленныев ней задачи.Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследованийпроцессов в СХАТ, описаны конструкции экспериментальных прототиповСХАТ; определены сорбционные свойства различных марок угля по отношениюк метанолу; описаны условия проведения экспериментов и указаны диапазоныизменения рабочих параметров.

Всего в экспериментах были испытаны двапрототипа СХАТ. Схемы установок не различались, однако, различались ихконструктивные характеристики, климатические условия и используемые маркисорбентов. Испытания проводились в г. Санто-Доминго (установка Cholada) и г.Буэнос-Айрес (установка Cholita). На фото (Рисунок 1, Рисунок 2) приведен ихобщий вид. В Таблице 1 приведены технические характеристики СХАТ иусловия проведения экспериментов.Рисунок 1. Установка CholitaРисунок 2. Установка Cholada7Таблица 1Характеристики установок и условия проведения экспериментовХарактеристикиCholitaCholadaКоличество активированного угля в коллекторе, кг4169090Дневные температуры в коллекторе, °С15-4030Дневные температуры в конденсаторе, °С10-1520-22Ночные температуры в коллекторе, °С4001000Суточная выработка холода, Q fr , кДжХолодильный коэффициент, COP  Q fr Qinc2Q fr Fcon ,( Fcon – фронт. поверхность концентратора), кДж/м0.0786630.105490Q fr Fsum ,( Fsum – фронт.

площадь коллектора), кДж/м265327Q fr M carb ,( M carb - масса угля в коллекторе), кДж/кг11767.52Общая схема установок с указанием расположения измерительныхприборов приведена на Рисунке 3. Каждая установка состоит из солнечногоколлектора (адсорбера), конденсатора и испарителя, помещенного втеплоизолированную холодильную камеру. Работа СХАТ являетсяпериодической.В вечернее и ночное время температура солнечного коллектора, а с ним иадсорбента, снижается, и начинается процесс адсорбции. Процесс генерациихолода происходит за счет испарения метанола в холодильной камере.

Впроцессе экспериментов в режиме реального времени проводились измерениятемпературы в элементах установки, окружающей среды, поступающейсолнечной радиации, давления паров метанола в конденсаторе установки,объема метанола в испарителе. Для измерения температуры использовалисьтермометры сопротивления с погрешностью измерения ±1°C, манометр маркиWeksler с погрешностью ±1.5 кПа.Уровень солнечной радиации измерялся солориметром новой конструкции,одним из разработчиков которого является автор. Отметим, чтосистематические измерения почасовой солнечной радиации в г.

Санто-Домингобыли проведены впервые и в дальнейшем использованы в расчетныхисследованиях.Рисунок 3. Схема СХАТ. х – места расположения термопар8Удалось добиться длительной устойчивой работы установок (длительностьнепрерывных испытаний на различных установках составляла от 3 до 16месяцев). На Рисунках 4 и 5 представлены результаты измерений температур вэлементах установки и соответствующие им значения уровня поступающейсолнечной радиации в период с 14 по 16 февраля 2011 года.Результаты показывают существенное влияние облачности на температуры,достигаемые в солнечном коллекторе, и на количество десорбированногометанола, определяющего холодопроизводительность установки, а такжевысокую корреляцию между температурами поверхности адсорбера ипадающим излучением.Рисунок 4.

Результаты измерений температур в элементах установки в зависимости отвремени. Температуры: 1 - поверхности коллектора; 2 - конденсатора; 3 - окружающей среды;4 – испарителяРисунок 5. Результаты измерений солнечной радиации, поступающей на поверхностьадсорбера во времениНа основе этих данных были определены удельная выработка холода (наединицу площади адсорбера) установок и их холодильные коэффициенты. Былоисследовано влияние некоторых климатических факторов на количестводесорбированного метанола.9На Рисунке 6 представлена полученная в экспериментах зависимостьколичества десорбированного метанола, измеренного объемным методом, вСХАТ от времени при различных температурах охлаждающей воды вконденсаторе, зависящих от температуры и влажности воздуха в местности, гдеиспользуется СХАТ.

Как видно, изменение температуры на 20°С приводит кувеличению объема десорбированного метанола, а следовательно, ихолодопроизводительности установки на 37%. Таким образом, понижениетемпературы отвода теплоты в конденсаторе имеет не меньшее значение дляработы установки, чем повышение температуры подвода теплоты в адсорбере.Рисунок 6. Влияние температуры охлаждающей воды в конденсаторена количество десорбированного метанолаНа лабораторной установке фирмы BElSorp-Мах (Япония) были проведеныэкспериментальные исследования характеристик применяемых в СХАТ углей.Показано, что адсорбционная способность всех испытанных в экспериментахсеми марок активированного угля относительно метанола подчиняетсяуравнению Дубинина–Астахова на большей части диапазона исследуемыхотносительных давлений:(1)PX eq  X 0 exp(  (T ln( sat ) n ,Pгде X eq – количество адсорбированного углем метанола при достиженииравновесия между адсорбатом и адсорбентом, кг/кг; X 0 – максимальноеколичество метанола, которое может адсорбироватьконкретный типактивированного угля, кг/кг; P – давление в системе, Па; T –температураPsat – давление насыщения метанола,активированного угля,К;соответствующее температуре активированного угля, Па;  , n – параметры,определяющие взаимодействие конкретного типа активированного угля иметанола.Все полученные изотермы (5 изотерм для каждого исследуемого угля)представляют собой изотерму I типа согласно классификации, введеннойБрунауэром, Демингом, Теллером.

В диапазоне давлений, приближающихся кдавлению насыщения метанола при температуре активированного угля, кривыеизотерм достаточно резко поднимаются вверх, что говорит о процессе10капиллярной конденсации. Эта часть изотерм не описывается уравнениемДубинина–Астахова, но в исследуемой установке СХАТ рабочие относительныедавления находятся в экспоненциальной части изотермы сорбции. Вид изотермсорбции для испытанных марок угля представлен на Рисунке 7.Рисунок 7. Экспериментально полученные изотермы сорбции «активированныйуголь–метанол» для различных марок активированного угляБыли определены параметры уравнения Дубинина–Астахова для каждоймарки угля (Таблица 2), путем аппроксимации экспериментальных изотермсорбции при изменении параметров уравнения в заданном диапазоне.Таблица 2Параметры уравнения Дубинина–Астахова для различных марок угля№Марка угляПараметры уравнения Дубинина–Астахова1234567DoshionJacobiAguasorbCarbRCharMClarimexInquimetX00.2140.2360.3270.2130.10830.18650.1973-83.81·101.3·10-41.92·10-54.4478·10-80.001612.059·10-71.36·10-5n2.4821.41.63562.430.9212.1801.666Среднее отклонение экспериментальных данных и аппроксимирующихкривых лежит в пределах 1,5%.

Данные результаты могут быть использованыпри моделировании процессов в СХАТ, а также при проектных расчетах.В третьей главе приводится разработанная математическая модельпроцессов, происходящих в адсорбере, и описывается алгоритм получениярешения. Приводятся сопоставления расчетных и экспериментальныхрезультатов, доказывающие адекватность модели. Модель позволяет определитьраспределение температур и концентраций метанола в кольцевом слое сорбентаво времени при изменении внешних условий.

Это дает возможность найтиколичество адсорбированного и десорбированного метанола, и вычислитьудельную холодопроизводительность установки. Уравнения модели записаны вцилиндрических координатах с одной переменной r. Неизвестными функциями11в модели являются P, T, X, v, Cg, которые изменяются по радиусу и во времени.Расчетная область представлена на Рисунке 8.Рисунок 8. Схема расчетной областиПри формулировке модели сделаны следующие основные допущения: поток теплоты к внешней поверхности адсорбера и отвод теплоты от еговнутренней поверхности не меняется по длине и по периметру. изменение массового потока метанола по оси адсорбера пренебрежимомало относительно их изменения по радиусу; параметры паров метанола подчиняются уравнению состоянияидеального газа; равновесные состояния активированного угля и метанола подчиняютсяуравнению Дубинина–Астахова; движение метанола в насыпке угля подчиняется закону Дарси; скорость процесса десорбции и адсорбции пропорциональна разноститекущей и равновесной концентрации метанола.Модель включает следующие уравнения и расчетные соотношения:уравнение сохранения массы:(2)CX 1 Cg vr  0 , g  1    ctt r rуравнение сохранения энергии:C g C PT t (1   ) (C pcT  XC met T  XU ads )t1 rC g vC pgT 1 T  (3) k eff r,rrr r r уравнение, описывающее скорость протекания сорбционного процесса вактивированном угле:E(4)X 15D0  RTeXX,eq2atRpуравнение сохранения количества движения:K Pv D, rуравнение состояния идеального газа:P  Cg RT ,(5)(6)где   пористость, м3/м3; C g  концентрация паров метанола, кг/м3;  C плотность угля, кг/м3; X  количество метанола, адсорбированного углем, кг/кг;v  скорость12газа, м/с; T  температура активированного угля, K; k eff –коэффициент эффективной теплопроводности угля, Вт/(м·K); P  давлениегаза, Па; Psat  давление газа в состоянии насыщения, соответствующеетемпературе угля, Па; U ads  энергия адсорбции, Дж/кг; CPC  удельнаятеплоемкость угля, Дж/(кг·K); CPg  удельная теплоемкость газа, Дж/(кг·K);D0  коэффициентCmet  удельнаятеплоемкость метанола, Дж/(кг·K);диффузии; μ – коэффициент динамической вязкости, Па·с; K D  коэффициентв законе Дарси.