Диссертация (Совершенствование характеристик и разработка метода расчета солнечной адсорбционной холодильной установки периодического действия), страница 6

Для этого проводились и натурные, и численныеэксперименты. Кроме того, результаты натурных экспериментов использовалисьдляпостроенияматематическоймоделиСХАТидляеедальнейшейверификации.В Доминиканской Республике и в Аргентине исследовательской группой, всостав которой входил автор, было построено восемь прототипов солнечногохолодильника адсорбционного типа, отличающихся формами, размерами,количеством активированного угля и циркулирующего метанола. На некоторыхэкспериментальных образцах удалось получить от 60 г до 800 г льда в течениесуточного цикла. Опыт, приобретенный в экспериментах с прототипами СХАТ,использовался для расчета и постройки каждого следующего прототипа.Для измерения солнечной радиации исследователями был разработан ипостроен солориметр новой конструкции.

Принцип действия солориметра исравнение его с другими образцами представлены в работах исследовательскойгруппы [59-61].Для расчета приблизительных пропорций экспериментальной холодильнойустановки адсорбционного типа нужно составить уравнение энергобаланса для33испарителя и применить уравнение, описывающее равновесные состояния междуадсорбатомиадсорбентом.активированныйуголь-метанолВслучаеиспользованиясостояниярабочейадсорбционногопарыравновесияописываются уравнением Дубинина-Радушкевича [57] или Дубинина-Астахова[37].

Исходным параметром является количество льда, которое предполагаетсяполучить на установке. Из уравнения энергобаланса получаем необходимоеколичество метанола, которое должно испариться, чтобы произвести холод,необходимый для охлаждения исходного количества воды и осуществленияфазового перехода.Пример приближенного расчета пропорций экспериментальной установкипредставлен ниже. Предполагается, что необходимо получить 5 кг льда в сутки.Составляется уравнение энергобаланса без учета потерь в окружающую среду(изначально имеется 5 кг воды при температуре 30° C):mv c∆T + mv Lv = mmet Lmet,(2.1)где mv — масса воды, находящейся в холодильной камере, которая, какпредполагается, перейдет в твердую фазу,C — удельная теплоемкость воды;mmet — масса метанола, находящегося в испарителе;Lmet — теплота фазового перехода метанола из жидкого состояния вгазообразное;Lv — теплота фазового перехода воды из жидкого состояния в лед.Из этого уравнения получается количество метанола, необходимое, чтобыохладить и заморозить 5 кг воды: mmet = 2.04 кг.

Чтобы найти количество угля,которое будет гарантировать такое количество циркулирующего метанола всистеме, используется равновесная модель адсорбции вещества в активированномугле, описанная уравнением Дубинина-Астахова [46]:Xeq = Xoe-β(T1n(p0 n))p(2.2)Переменная Xeq в уравнении Дубинина—Астахова представляет собой массуадсорбированного метанола после достижения равновесия между адсорбатом и34адсорбентом (количество адсорбированного метанола всегда приводится наединицу массы активированного угля); X0 — максимальное количество метанола,которое может быть адсорбировано данным типом активированного угля; T —температура активированного угля; P0 — давление насыщения метанола,соответствующее температуре активированного угля; β — коэффициентаффинности, зависящий от характеристик активированного угля, это значениеберется из литературы: β =1.12 * 10-6 (K-2); P — давление метанола в системе.

Вовремя процесса десорбции давление в системе определяется температуройконденсатора, другими словами, оно равно давлению насыщения метанола притемпературе конденсатора (30°C). Принимается усредненное значение длявеличины X0, найденное в литературе, для наиболее распространенных типовактивированного угля - 0.316 кг/кг.Сначалаопределяетсяколичествометанола,оставшегосявпорахактивированного угля по истечению процесса десорбции (после того, каксолнечный коллектор находился 3-4 часа при температуре 100°C). P — давлениеметанола в системе, во время процесса десорбции оно определяется температуройконденсатора, т.е. равно давлению насыщения метанола при температуреконденсатора (30°C). Рассчитывается Xeq по указанному уравнению, и получаетсязначение 0.0930.Вместе с тем, давление метанола во время процесса адсорбции определяетсятемпературой в испарителе (приблизительно 0°C).

Предполагая, что температураугля во время процесса адсорбции равна 30°C (условия г. Санто-Доминго),рассчитывается количество адсорбированного метанола активированным углемво время процесса адсорбции (Таблица 2.1), и получается значение 0.2401.Количество циркулирующего метанола в системе определяется разницей междудневным(минимальным)иночным(максимальным)количествомадсорбированного углем метанола, в этом случае на каждый килограммактивированного угля приходится 0.1471 килограмма метанола.Чтобы получить 2 кг циркулирующего в системе метанола, в солнечномколлекторе надо иметь 13.80 кг угля.35Таблица 2.1Расчет адсорбированного метанолаPs, mm HgP, mm Hg Tконд, °CТколл, °CXeq, кг/кгДесорбция2650164301000.0930Адсорбция1643025300.2401Чтобы определить общее количество метанола, помещенного в установку,максимальное количество адсорбированного метанола умножается на массуактивированного угля.После выполнения приведенного выше расчета получается три основныхпараметра установки:1.

количество активированного угля, которое должен вместить в себясолнечный адсорбер;2. количество циркулирующего в системе метанола, а также количествометанола, которое должно быть введено в систему перед запускомустановки;3. количество воды, которое должно быть помещено в испаритель СХАТ.Эти параметры следует учитывать при расчете основных составляющихчастей установки.2.2 Измерение солнечной радиации в г. Санто-ДомингоЧтобы выяснить, как интенсивность солнечной радиации влияет на работусолнечного холодильника, исследовательской группой, в состав которой входилавтор, был разработан и собран солориметр новой конструкции и низкойстоимости.

Принцип действия солориметра основан на измерении тепловогопотока между медным диском, получающим поток солнечной радиации, ицилиндрической алюминиевой базой. Тепловой поток отводится по стальномустержню, при этом в двух торцах стержня измеряется температура датчикамиDS1624 с точностью ±0.3°C. В работах исследователей [59] и [60] подробноописывается принцип действия солориметра, а в работе [61] сравниваются36данные, полученных экспериментальным солориметром, с теоретическимикривыми, полученными по модели Хоттеля [62], и с кривыми, представленнымиметеорологическим центром Аргентины.Отмечается, что систематические измерения почасовой солнечной радиациив г. Санто-Доминго (Рисунок 2.1) были проведены впервые и в дальнейшемиспользованы в расчетных исследованиях. Для установления зависимости междуинтенсивностью солнечного излучения и эффективностью работы СХАТ былопроведено исследование (сравнение) кривых солнечной радиации, измеренной внепосредственной близости от установок (в Аргентине и в Доминикане), икривых температуры, измеренной на поверхности адсорбера.Рисунок.

2.1. Измерения солнечного излучения 13-16 мая 2011 года, Доминикана2.3 Описание экспериментальных установокИсследователями было построено восемь экспериментальных прототиповСХАТ,авторнепосредственнопринималучастиевсозданиичетырехэкспериментальных образцов. Наиболее полные систематические результаты37были получены на двух образцах, которые подробно описаны в настоящейработе.Из всех прототипов, построенных исследовательской группой выбраны два,которые отличаются между собой размерами и количеством помещенного вадсорбереактивированногоугля,чтоявляетсяоднимизпараметров,определяющих максимальное количество холода, которое можно произвести наСХАТ. Каждый из двух прототипов был построен как в ДоминиканскойРеспублике, так и в Аргентине [63]. Для более удобного дифференцированияпрототипов между собой авторы дали им имена собственные: установка 1 —Cholita в Аргентине (ее аналог в Доминиканской Республике остался без имени) иустановка 2 — Chola в Аргентине и Cholada в Доминикане.

Характеристики двухустановок и условия проведения экспериментов представлены в Таблице 2.2.Доминиканский и Аргентинский варианты установки 1 схожи по геометрическийпараметрам, но имеют некоторые различия.Таблица 2.2Характеристики установок и условия проведения экспериментовХарактеристикиКоличество активированного угля в коллекторе, кгДневные температуры в коллекторе, °СДневные температуры в конденсаторе, °СНочные температуры в коллекторе, °ССуточная выработка холода, Q fr , кДжCholita49015-4010-15400Cholada16903020-2210000.0780.105663490фронт. площадь коллектора), кДж/м2265327масса угля в коллекторе), кДж/кг11767.5Холодильный коэффициент, COP  Q frQ fr Fcon ,( Fcon –Qincфронт. поверхность концентратора), кДж/м2Q fr Fsum ,( Fsum –Q fr M carb ,( M carb -В доминиканском прототипе этой установки было получено примерно 400грамм льда, и была зарегистрирована минимальная температура в испарителе11°C. На Рисунках 2.2 и 2.3 представлены фотографии самой установки иполученного льда.38Рисунок 2.2.

ЭкспериментальнаяУстановка 1, ДоминиканаРисунок 2.3. Лед, полученный вДоминиканской РеспубликеЧто касается установки 2, замечено, что доминиканский и аргентинский(Cholada и Chola соответственно) прототипы являются абсолютными аналогами вгеометрических характеристиках, но в них помещены разные активированныеугли, и они эксплуатируются в разных климатических условиях. Результатыэкспериментов, проведенных в обеих установках, подробно представлены ниже.Солнечныйколлекторпредставляетсобойцилиндр,наполненныйактивированным углем, c некоторым пространством, оставленном в центрецилиндра для движения метанола. Цилиндр помещен в солнечный концентратор,общая площадь собирающей поверхности 0.6 м2. Длина адсорбера 1 м, внешнийдиаметр 0.10 м, внутренний диаметр 0.03 м; внутри находится 3 кгактивированного угля.

Более подробно этот прототип экспериментальнойустановки описан в работе исследовательской группы [63].На Рисунках 2.4 и 2.5 представлена установка Cholita.39Рисунок 2.4. Установка 1 Cholita,АргентинаРисунок 2.5. Детали установки 1,АргентинаНа рисунке 2.4 изображен цилиндр адсорбера, помещенного в солнечныйконцентратор, а на рисунке 2.5 — конденсатор и резервуар, служащийиспарителем. В течение экспериментов в стеклянной трубочке, соединенной сиспарителем, наблюдался уровень метанола, по которому определялось общееколичество метанола, находящегося в испарителе.В 2010 году исследовательской группой были построены два одинаковыхпрототипа СХАТ, расположенные в разных климатических условиях (вАргентине и в Доминикане).

На рисунке 2.6 представлена подробная схемаустановки 2, на Рисунке 2.7 представлена фотография прототипа, помещенногона крыше Технологического Института Санто-Доминго (19° северной широты), ана Рисунке 2.8 — аналогичный прототип, установленный на территорииНационального Университета провинции Генерал Сармьенто, в окрестностях г.Буэнос-Айреса (34° южной широты).40Рисунок 2.6. Схема СХАТ с точками измерения температурыТермопары были размещены в следующих местах:1.по одной термопаре на поверхности каждого цилиндра, в нижней части;2.в конденсаторе, при этом измерялась температура воды между меднымитрубками;3.на внешней поверхности резервуара, содержащего метанол;4.на внешней поверхности резервуара, содержащего воду;5.внутри холодильной камеры, измеряя температуру воздуха;6.вблизи холодильной камеры, измеряя температуру воздуха.На Рисунках 2.9, 2.10 представлены детали коллектора и корпусахолодильной камеры, фотографии сделаны во время сборки Установки 2.При проведении экспериментов использовались электронные измерителитемпературы марки EL-USB-TC Thermocouple Data Logger с термопарой типа J,41работающей в диапазоне температур от -200 до +1190°C с погрешностьюизмерений ±1°C, изготовитель Lascarc Eletronics Inc.Температуры измерялись каждые 5 минут, и результаты записывалисьавтоматически в памяти, интегрированной в измерителе.