Эксергетическая эффективность систем увлажнения воздуха на основе водяного аккумулятора солнечной энергии



Узбекистан имеет достаточный большой потенциал солнечной энергии. По результатам анализа статистических и метеорологических данных, а также специалистами и исследователями установлено, что внедрение солнечных систем целесообразно на всей территории Узбекистана [1,2,3,4].

Использование солнечной энергии в системах обеспечения тепловлажностного режима в холодильных камерах дает значительную экономию энергии. В системах увлажнения воздуха в холодильных камерах обычно применяются паровые системы и системы с электрообогревом, которые являются энергоемкими. Применение солнечной энергии в системах обеспечения тепловлажностного режима холодильных камер является один из решения проблем энергосбережения. Поэтому нами разработана и предложена система увлажнения приточного вентиляционного воздуха на основе водяного аккумулятора солнечной энергии (ВАСЭ) [3].

Эффективность работы разработанной теплоэнергетической системы увлажнения воздуха на основе ВАСЭ оцениваются эксергетическим метода анализа [5,6].

Основными исходными данными эксергетического анализа предложенной системы являются сведения о потоках тепловой энергии и значениях температуры в характерных точках схем, процессов и. т.п. Для эксергетического анализа системы увлажнения воздуха на основе ВАСЭ приняты следующие исходные данные:

1) Температура на поверхности Солнца — до 6000 ⁰С;

2) Степень черноты поверхности Солнца при оценке потока солнечной радиации принимается ε≈1;

3) Температура в космосе, t_к= -50^оС (223 К);

4) Средняя температура приповерхностного слоя атмосферы [7,8] t_атм=288 К, на поверхности слоя — 50 ⁰С (223 К);

5) Средняя плотность потока солнечной радиации на поверхности атмосферы (солнечная постоянная) составляет 1370 Вт/м² [8];

6) Средняя плотность потока солнечной радиации после прохождения атмосферы (у поверхности Земли) составляет 1000 Вт/м² [6,8].

Для определения плотности потока эксергии суммарной солнечной радиации на поверхность солнечных коллекторов перпендикулярно солнечным лучам используем эмпирическую формулу [5,6]

Ех_s=Ψ·q_пад (1)

где, q_пад — плотность суммарной солнечной радиации, Вт/м²,

коэффициент: Ψ =1–0,0002314·Т_о (2)

Т_о — абсолютная температура окружающей среды, К. При q_пад = 1000 Вт/м², t_атм=288 К, Ψ =1–0,0002314·288=0,933; Ех_s=0,933·1000=933 Вт/м²

Аналогичные расчеты Ех_s для характерных условий для г. Карши сведены в табл.1.

Таблица 1

Эксергии суммарной солнечной радиации

То, К	Ψ	qпад, Вт/м2	Ехs, Вт/м2
273,15	0,936	700	655,2
280	0,935	700	654,5
288	0,933	750	699,9
293	0,932	800	745,6
300	0,930	850	790,5
315	0,927	1000	927

В теплотехнических расчетах солнечных установок чаще используются средняя условная температура, соответствующая потоку радиации 1000 Вт/м² на поверхность Земли (после прохождения излучения через атмосферу), т. е. условную «температуру излучения». Обозначим эту температуру через Т_а.усл.

Тогда энергия собственного излучения слоя атмосферы при Т_а.усл

q_{а.собст}=ε·σТ⁴_а.усл(3)

При степени черноты системы ε_о=0,56; σ=5,67·10–⁸ Вт/(м²·К⁴) — постоянная Стефана — Больцмана и q_{а.собст}=q_пад=1000 Вт/м², получим Т_а.усл=421К (148 ⁰С).

Теперь проводим оценочные расчеты по эксергии солнечной радиации. Вычислим поток эксергии солнечной радиации на поверхность Земли по формуле обычной для эксергетического анализа:

Ех_s= q_пад (1 — Т_атм/Т_а.усл)(4)

при q_пад=1000 Вт/м², Т_атм = 288 К, Т_а.усл=421 К

Ех_s= 1000·(1–288/421) = 316 Вт/м²

И тогда получаем Ех_s/q_пад=316/1000)=0,316

Остальные результаты расчетов приведены в табл. 2.

Таблица 2

Эксергии потока солнечной радиации на поверхности Земли

№	Татм, К	Та.усл, К	qпад, Вт/м2	Ехs, Вт/м2
1.	273	421	700	245
2.	280	421	700	231
3.	288	421	750	232,5
4.	293	421	800	240
5.	300	421	850	238
6.	313	421	1000	256

Проведем расчет эксергии при работе ВАСЭ в следующих режимных параметрах: q_пад=980 Вт/м² в полдень, Т_а.усл=421 К, Т_атм = 293К, температура на выходе Т_вых=313 К. Тогда по формуле (4): Ех_s=980 (1–293/421)=294 Вт/м²

Ех_пол= q_пад (1 — Т_вых/Т_а.усл) = 980 (1–313/421) = 245 Вт/м²

Результаты расчетов полезной эксергии приведены в табл.3.

Таблица 3

Результаты расчетов полезной эксергии

№	qпад, Вт/м2	Твых, К	Ехпол, Вт/м2
1	700	293	210
2	750	293	225
3	800	300	224
4	850	310	221
5	900	310	234
6	950	313	237,5
7	1000	323	230

Эксергетический КПД установки при q_пад = 980 Вт/м², Т_атм = 293 К и Т_вых= 313 К равен,

η_ех= Ех_пол/Ех_s=245/294=0,83

Для исследования эффективности систем увлажнения воздуха на основе водяного аккумулятора солнечной энергии-плоского солнечного коллектора (ВАСЭ) и определения их теплотехнических характеристик проводились исследования и натурные испытания установки. Опытная установка приведена на рис.1.

Преобразование энергии солнечного излучения в теплоту в солнечных установках является необратимым термодинамическим процессом, который характеризуется возрастанием энтропии системы и потерями эксэргии. Для анализа эффективности работы солнечных коллекторов используется понятие эксергетической эффективности, которая характеризует степень необратимости оптических и тепловых процессов, протекающих в аппарате (прохождение солнечных лучей через коллектор, поглощение их поверхностью коллектора, передача поглощенной энергии теплоносителю, тепловые потери в окружающую среду и т. п.).

Эксергетическая эффективность системы в целом равняется:

ε=Ех_вх / Eх_вых = 1 — Ех_пот/ Ех_вх(6)

Эксергетическая эффективность ε_ск солнечного коллектора определяют из уравнения [4–5]:

ε_ск= Ех_пол/ Ех_пог(7)

где Ех_пол — полезная эксергия, кВт. Ех_пог — эксергия поглощенная солнечным коллектором. В таблице 5 приведены результаты расчета эксергетической эффективности элементов солнечной установки и системы в целом.

Таблица 5

Эксергетическая эффективность установки

Название элемента	Эксергетическая эффективность ε%
Солнечный коллектор	9,6
Циркуляционный насос	2,75
Теплообменник	56,2
Система в целом	30,4

Эксергетический метод анализа ВАСЭ является самым современным методом для оценки работоспобности теплоиспользующих и теплопреобразующих солнечно-термодинамических систем. Эксергетический анализ позволил оценить эффективность каждого элемента системы и систему в целом, а также поможет в проектировании более энергоэффективных систем. Значения эксергетической эффективности солнечного коллектора составляет 9,6 %, циркуляционного насоса — 2,75 %, теплообменника — 56,2 % и системы в целом — 30,4 %. Эксергетический анализ дает возможность определить потери эксергии в элементах установки, которые можно уменьшить путем усовершенствования процесса или конструкции установки. Таким образом, предложенная система обеспечить систему увлажнения воздуха теплой водой и сьэкономить энергоресурсов за счет использования солнечной энергии. Проведены натурные испытания опытной установки в условиях г.Карши (табл.6).

Таблица 6

Результаты натурных испытаний ВАСЭ

№	Измеряемые параметры	Единица измерения	Значение параметра
1.	Температура воды на входе	0С	18
2.	Температура воды на выходе	0С	50
3.	Температура окружающей среды	0С	25
4.	Расход воды через коллектор	кг/с (кг/ч)	0,008 (30)
5.	Площадь тепловоспринимающей поверхности	м2	1,5
6.	Плотность потока суммарной солнечной радиации	Вт/м2	700–800
7.	Теплопроизводительность установки (часовой)	МДж	32,5

Рис. 1. Опытная установка для увлажнения воздуха

Анализ результатов натурных испытаний показывают, что КПД установки в основном зависит от метеорологических и радиационных параметров местности, при падающей солнечной радиации 700–800 Вт/м² КПД достигает 50–70 %. Увлажнитель приточного вентиляционного воздуха на основе ВАСЭ предназначен для увлажнения и охлаждения воздуха в плодоовощных холодильных камерах с минимальными энергетическими затратами. Рекомендуемые технико-технологические параметры установки следующие:

– диапазон регулирования относительной влажности 30–95 %;

– общий расход воды 60–100 л/час;

– потребление электроэнергии 750 Вт;

– напряжение питающей сети 220/380 В;

– падающая радиация 250–1000 Вт/м².

Литература:

1. Указ Президента Республики Узбекистан «О мерах по дальнейшему развитию альтернативных источников энергии» УП-4512 от 01.03.2013 г.
2. Постановление Президента Республики Узбекистан от 5 мая 2015 года № ПП-2343- «О программе сокращению энергоемкости, внедрению энергосберегающих технологий в отраслях экономики и социальной сфере на 2015–2019 годы».
3. Узаков Г. Н., Алиярова Л. А.. Узакова Ю. Г. Снижение энергоёмкости систем увлажнения вентиляционного воздуха в плодоовощехранилищах с применением возобновляемых источников энергии. //Молодой ученый. № 14 (94). 2015. С. 200–203.
4. Авезов Р. Р., Орлов А. Ю. Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения. — Ташкент.: Фан, 1988. — 288 с.
5. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 392 с.
6. Авезов Р. Р. Эксергетическая эффективность плоских солнечных тепловых коллекторов // Гелиотехника.- 1999.- с. 66–72.
7. Алхасов А. Б. Возобновляемая энергетика. — М.: Физматлит, 2010. — 256 с.
8. Стребков Д. С. Физические основы солнечной энергетики. /под ред. Д.т.н. Безруких П. П. — М.: ФГБНУ ВИЭСХ, 2