Солнечный коллектор

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящее время проблема энергосбережения становиться приоритетным направлением в нашей стране. Одним из эффективных путей экономии в сельском хозяйстве дефицитного органического топлива является использование возобновляемых и вторичных энергоресурсов.

Как известно проблема энергосбережения тесно связана с проблемами энергетики, экономики и экологии. Рассматривая нынешнее состояние Российской энергетики можно с уверенностью прогнозировать увеличение спроса на установки и устройства, которые используют не традиционные источники энергии. Использование возобновляемых и вторичных ресурсов наиболее приоритетны в сельском хозяйстве, т.к энергетические установки на базе нетрадиционных источников - это не только путь к экономии органического и другого вида топлива, но и возможность обеспечения энергией в районах отдаленных от источников централизованного энергоснабжения. Экологически чистые возобновляемые источники вторичные источники энергии способствуют уменьшению загрязнения окружающей среды, а в некоторых случаях и очистки местности от продуктов жизнедеятельность как органического, так и животного происхождения, что значительно может помочь в утилизации кефалиевых остатков, так и удалением м полей старой соломы, не методом его выжига, что значительно может повысить урожайность в растениеводстве. При этом получаемое дешевое топливо можно использовать не очищенном, так и из него производить другой вод топлива, например метанол из биогаза. Также создавать газовые хранилища, где газ храниться в сжиженном состоянии и также может быть использован как топливо в двигателях внутреннего сгорания, что значительно позволит сэкономить во время уборочной компании в летнее время.

Исходные данные

Солнечный коллектор:

Расход горячей воды - 300 кг/сут

Номер схемы и назначение - 3 - для отопления помещений

Потребная температура воды - 95 єС

Месяц - Июль

Угол наклона коллектора - 48 єС

Коэффициент Ps - 0,84

Коэффициент теплорасхода н - 4 Вт/м2К

Оптическая характеристика коллектора и - 0,53

Температура воды:

вход - t1=10 єС

выход - t2=95 єС

температура наружного воздуха - tн= 5 єС.

БГУ:

Всего голов Nг=100

3 - 5 лет - 55%

1,5 - 1 год - 15%

1 - 0,6 лет - 30 %

Температура брожения - 36 єС

Продолжительность брожения - 16 сут.

Температура:

воды - 12 єС

биомассы - 18 єС

режим процесса - непрерывный

система теплоснабжения - теплообмен.

ВЭУ:

Скорость ветра - v = 8,5 м/с

Поверхность, омываемая лопастями А = 23,4 м2

Аэродинамический коэффициент Сх=0,85

Плотность воздуха с = 1,23 кг/м3

Температура окружающей среды t = 16 єС

Давление окружающей среды - P=1,013*105Па

1. Расчет плоского солнечного коллектора и экономии топлива

Площадь поглощающей поверхности гелиоустановок при наличии резервного источника теплоты:

A=1,16Mr(tr - tx)/з?qi

где Mr - расход горячей воды в системе горячего водоснабжения или отопления, кг/сутки;qi - интенсивность падающей солнечной радиации в плоскости коллектора, Вт/м2; ?qi - то же в сутки.

з - КПД установки солнечного горячего водоснабжения.

Интенсивность падающей солнечной радиации для каждого дня

qi=ps•Is+pd •Id ,

где ps и pd - коэффициент расположения солнечного коллектора соответственно для прямой и рассеянной радиации.

ps = 0,84

где b - угол наклона коллектора к горизонту;

Is - интенсивность падающей солнечной радиации, которая приходится на горизонтальную поверхность, Вт/м2:

Id - интенсивность рассеянной радиации, которая падает на горизонтальную поверхность, Вт/м2;

Данные Is и Id взяты из таблицы в справочнике.

КПД гелиоустановки рассчитывается по формуле:

где н - приведенный коэффициент теплорасхода солнечного коллектора, Вт/(м2•К);

И - приведенная оптическая характеристика коллектора;

t1 и t2 - температура воды на входе и выходе из коллектора соответственно;

tH - средняя дневная температура наружного воздуха, 0С.

Тогда площадь поглощающей поверхности равна:

Принимаем площадь поглощающей поверхности 1-го коллектора

Ак=2м2, габаритные размеры 2 х 1 м.

Объем бака аккумулятора:

V = ( 0,06…0,08)A = 0,06·30,09 = 1,805 м3

Суточная интенсивность падающей солнечной радиации:

Месячная интенсивность падающей радиации:

Количество теплоты, выработанной гелиоустановкой за месяц:

Переведем Qмес в МДж

Количество условного топлива сэкономленного благодаря использованию солнечной радиации:

ззам = 0,3 - КПД замененного источника теплоты,

=29,33МДж/кг

2. Расчет биогазовой установки

Суточный выход биомассы для сбраживания в метантенке определяется по формуле:

энергоресурс сельский топливо

где Ni количество животных определенной видовой и возрастной группы в ферме;

mj - суточный выход навоза или помета от одного животного или птицы;

n - количество групп животных.

n = 3

N1 = 100х0,55= 55гол. m1 = 50 кг/сут

N2 = 100х0,15=15 гол. m2 = 35 кг/сут

N3 = 100х0,3=30 гол. m3 = 15кг/сут

mсут = 55х50+15х35+30х15 = 3725 кг.

При ежедневной уборке чистого навоза его влажность доходит до 95%. Если уборка осуществляется периодически, то в навозе содержится 12-18% подстилки (опилки, сухой песок, солома); 12-30% остатки корма; 18-20% грунта и других примесей. Для приближенных расчетов содержание прочих примесей учитывается коэффициентом Кп=1,3…1,6.

При этом в зависимости от температуры окружающей среды и содержания сухих примесей влажность отходов снижается на 10-15% (за 3-5 дней).

C учетом коэффициента Кп суточный выход навозной массы определяется по формуле:



где Кп - принимаем равным 1,5.

кг = 5,58 т

Масса сухого вещества в навозе mс.в.:

;

где W,% - влажность навоза (для свежего навоза Wсв=90-95%; для навозной массы через 3-5 дневного сбора W=80-85%; через неделю в бурте на открытом воздухе W=65-70%)

Если принять W=95%, тогда

Масса сухого органического вещества mсов:

где Рс.о.в - содержание сухого органического вещества; в навозе составляет 77-85%, если принять Рс.о.в=80%, тогда

т.

Выход биогаза при неполной продолжительности сбраживания, Vв.б.н.

Vпол.б.- выход биогаза при полном сбраживании. n1 - степень сбраживания субстрата, n1=60-70%.

Выход биогаза при полном сбраживании

nс.к - средний выход биогаза с 1 кг органического вещества nс.к?0,315 м3/кг.

Выход биогаза при неполном сбраживании

.

Для брожения влажность доводим до 92%. Чтобы увеличить влажность биомассы на 1%, на одну тонну навоза надо добавить 100 литров воды. При доведении влажности ежесуточного общего выхода навоза с 80% до 92% вес массы навоза составит:

Объём метантенка при полной загрузке:

,

где, сс принимаем 1 т/м3

, где Кз=0,9

Тепловой расчет реактора.

Потеря теплоты в метантенке определяется по формуле:

Qт.р.=Qп+Qо.с.+Qмех.

где Qп - потери теплоты на подогрев биомассы при температуре брожения;

Qо.с. - потери теплоты в окружающую среду;

Qмех - расход энергии на перемешивание биомассы в процессе брожения.

Количество теплоты, которая расходуется на подогрев биомассы загруженной на протяжении суток до температуры брожения, МДж/сутки, равно:

mсут - суточная загрузка биомассы доведенной до влажности 90-92%;

Сс - теплоемкость субстрата (принимается равной теплоемкости воды - 4,18*10-3 МДж/(кг*К));

tз.м=18 ?С

Теплопотери от метантенка в окружающую среду, Вт, определяется по формуле:

где k - коэффициент теплопередачи от биомассы находящейся в реакторе к окружающей среде, Вт/(м2*К).

F - площадь наружной поверхности реактора, м2.

tо.с - температура окружающей среды, °С ( tо.с=7,1°С)

tб - температура биомассы, °С.( tб=18°С)

Для цилиндрических реакторов, принимая отношение высоты к диаметру H/D=0,9…1,3, по значению Vp находим F:

F=(рD2/4)·2+ рDH

Принимая H=1,2D, находим:

D==4,7м.

H=1,2*4,7=5,64 м.

F= (3,14*4,72/4)*2+3,14*4,7*5,64=117,9 м2

Коэффициент теплоотдачи от биомассы в реакторе к окружающей среде, Вт/(м2*К)

;

б1 и б2 коэффициенты теплообмена на внутренней и наружной поверхностях метантенка, Вт/(м2*К). Учитывая, что скорость движения биомассы в процессе её механического перемешивания незначительна (0,5…1 м/мин) можно считать, что процесс теплообмена на внутренней поверхности метантенка происходит при условиях свободной конвекции. С небольшой погрешность то же самое можно принять для теплоотдачи от наружной поверхности теплоизоляции к окружающей среде (в землю, воздух в закрытом помещении, теплоизоляционный слой и т.д.).

В общем случае критерий Нуссельта (или ) при свободной конвекции является функцией критериев Прандтля и Грасгофа и слабо зависит от формы тела.

Определяем коэффициент теплоотдачи со стороны биомассы (или воды в водяной рубашке) по упрощенной формуле Нуссельта:

,

где В' рассчитывается по приближенной формуле:

В'=5700+56tб-0,09tб2.

tб - температура биомассы в реакторе (или воды в системе обогрева).

Зная, что температура внутренней поверхности наружной обечайки реактора и биомассы (воды в системе обогрева) могут отличаться очень незначительно, температуру внутренней поверхности наружной обечайки tст1 принимаем tст1=35,5 °С,

Дt=tб - tст1=36-35,5=0,5 °С.

h - высота реактора рассчитанная выше (h=5,64 м).

Тогда:

В'=5700+56*36-0,09*362=7600.

Вт/(м2*К).

После расчета В' и б1 находим ориентировочную температуру стенки с наружной стороны (со стороны изоляции или земли).



Здесь - дст - толщина стенки реактора. Для бетонных реакторов принимаем дст=150мм,

лст - коэффициент теплопроводности материала, для бетона лст=1 Вт/м2*ч*град.

(д/л)загр.- коэффициент загрязненности поверхности. Для бетонной поверхности покрытой битумом (д/л)загр.=1/1500.

q - тепловое напряжение или тепловой поток, q=б1* Дt.

Зная величины tст1, дст, лст, (д/л)загр и q находим tст2.

q = б1 х Дt=6775,2 х 0,5=3387,2 Вт/м2*ч.

°С.

Для расчета коэффициента теплоотдачи от поверхности изоляции к наружному воздуху или земле б2 необходимо знать температуру tст3. т.е. температуру наружной поверхности изоляции, что рассчитывается по формуле:

.

Дtизол. - перепад температуры или тепловое сопротивление изоляции, который примерно составляет Дtизол.=(0,9…0,95) х (tст2-tос). При Дtизол.=0,9tст2=0,9*(31,5-7,1)=28,26 °С.

= 31,5- 28,26=3,24 °С.

Для определения б2 пользуемся тем же упрощенным методом, т.е. сначала определяем B',затем, зная Дtизол и h, б2:

B'=5700+56*3,24-0,09*3,242=5880

При толщине бетонной стенки д1= 150 мм, толщине изоляции д2= 100 мм, лбетона= 1 Вт/(м2*ч*град); лминераловата= 0,034 Вт/(м2*ч*град), величина к равна:

Вт/(м2*ч*град)

Тепловые потери от метантанка в окружающую среду определяют

Расход энергии на перемешивание субстрата в метантенке определяют по формуле:

Qмех=gнорм*Vп.з*tz

где gнорм - удельная нагрузка на механическую мешалку. В зависимости от размеров и угла наклона лопастей gнорм=(50…80) Вт/м3*час.

Vп.з - объём реактора заполненный субстратом, м3. Vп.з=70 м3;

tz - продолжительность работы мешалки.

За сутки

tz=tz'*n',

где tz' - продолжительность перемешивания за один раз, tz'=3-5 минут; n' - число перемешиваний, n'=6-12 раз.

Принимаем tz'=5 мин, n'=12 получим tz=5*12 = 60 минут =1 час/сутки.

Qмех=50*70*1=3500 Вт =12,6 МДж/сут

Тепловая энергия, получаемая из биогаза, выделившегося за сутки:

При неполном брожении:

Qб.г=Vпол.б*Нuб.г

где Vпол.б=70 м3/сутки; Нuб.г- низшая теплота сгорания биогаза Нuб.г=29,33 МДж/м3.

Qб.г=70•29,33=2053 МДж/сут

Общая суточная выработка энергии БГУ, МДж.

EБ.Г.У=Qб.г - Qт.м =Qб.г - (Qп + Qо.с + Qмех).

EБ.Г.У = 2053 - (420+36+12) = 1354 МДж

КПД биогазовой установки, %

Считая, что в год БГУ останавливают на техническое обслуживание и текущий ремонт на 15-20 дней, экономию условного топлива, за счет полученного в течение года биогаза, можно рассчитать по формуле:

,

где Др.г.-дни работы БГУ в году, приближенно 345-350 дней

3. Расчет ветродвигательной установки.

Действие Fх силы на тело произвольной формы определяется по уравнению:

,

где А - сечение ветроколеса, м2;

Сх - аэродинамический коэффициент, определяемый по графикам,

с-плотность воздуха, кг/м3,

х - скорость ветра м/с.

Обозначим через «u» скорость вращения лопатки ветроколеса. Очевидно, относительная скорость набегающего ветра будет х < u:

Если принять n=50 об/мин.

;

Тогда сила Fх будет равна:

Тогда мощность:

Отношение работы, развиваемой движущейся поверхностью А, к энергии ветрового потока , имеющего поперечное сечение А называется коэффициентом использования ветра:

- скорость ветра после лопатки колеса,

, принимаем приближенно 0,3 м/с

Тогда мощность двигателя

Где - коэффициент использования силы ветра, =0,3-0,5.

Отсюда можно найти диаметр ветроколеса:

Быстроходность ветродвигателя Z:

На рисунке приведена принципиальная схема ветроагрегата:

Список литературы

1. Агрегат ветроэлектрический унифицированный типа АВЭУ6-4М. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - М.: ВЕТРОЭН, 1986.-34 с.

2. Амерханов Р.А., Драганов Б.Х, Проектирование систем теплоснабжения сельского хозяйства. - Краснодар, 2001. - 200 с.

3. Эфендиев А.М. Нетрадиционные и вознобновляемые источники энергии. Учебное пособие, ФГОУ ВПО «Саратовский гау». Саратов, 2005.

Размещено на Allbest.ru

...