Теплотехнический метод расчета гелиотеплиц с использованием теплоты дымовых газов



В Узбекистане накоплен значительный опыт проведения научных и экспериментальных исследований в области применения альтернативных источников энергии, прежде всего солнечной энергии, по которым разработки проводятся в течение многих десятилетий. Ежегодный прирост потребностей человечества во всем мире на электрическую энергию и глобальные проблемы экологии представляют актуальность разработки и внедрения источников альтернативной энергетики. Источниками альтернативной энергетики, разработанными и внедренными по настоящее время, являются: энергии солнца, ветра, воды, биомассы, геотермальных вод.

В связи с растущим дефицитом органического топлива (нефти, газа) и обострением проблемы охраны окружающей среды в настоящее время за рубежом и у нас в республике вопрос об использовании возобновляемых и нетрадиционных источников энергии стал более актуальной проблемой.

Общий поток энергии, излучаемой Солнцем во всех длинах волн в окружающее пространство, составляет 3,86.1026 Вт (3,86.1033 эрг/с). Земля получает от Солнца 1,57.1018 кВт.ч/год энергии, что в десятки тысяч раз больше энергии, чем годового потребления человечеством всех видов энергии [1]. Как показывают результаты многолетних исследований, в южных районах республики, почти весь жаркий период года (апрель-октябрь), характеризуется устойчивой и сухой погодой.

В солнечных теплицах в режиме работы с использованием теплоты дымовых газов от малой котельной экономия энергии составляет 55–65 % т. е. 30–32 кг. у.т./м² инвентарной площади теплицы. При сушке сельхозпродуктов в солнечных сушильных установках с 1 кв. метра экономия топлива составляет 10–13 м²/день природного газа. Водонагреватель в летний период при солнечной радиации 700–800 Вт/м² и наружной температуре атмосферы 30–32⁰С, позволяет получить с каждого квадратного метра поверхности 1200–1400 кДж тепла с температурой горячей воды 50–55⁰С, в условия г. Карши, составляет 0,18–0,2 т.у.т/год [2].

Выращивание овощей в условиях защищенного грунта является весьма энергоемким процессом, требующим значительных расходов дефицитных энергоресурсов. Снижение энергозатрат на эти цели, в том числе за счет применения солнечной энергии, и отходного тепла теплогенерирующих установок являются одним из путей энергосбережения, особенно в условиях перехода к рыночным отношениям. Так, в среднем по республике на обогреве 1 га защищенного грунта требуется до 4 Гкал/час или более 560 т.у.т./час. Так, для теплоснабжения одного тепличного комбината площадью 6 га в год расходуется до 5 млн. м³ или 6,4 тыс. т.у.т. При этом надо учесть, что до 30 % общей потребности в тепле покрывается за счёт использования солнечной энергии [2]. Использования продуктов сгорания газового топлива для обогрева теплиц и подкормки растений углекислотой, т. е. подача отходящих дымовых газов с содержанием 10–12 % углекислого газа от малой котельной, работающей на природном газе Шуртанского месторождения, где используются одновременно охлажденные дымовые газы и тепло для обогрева теплицы с целью обеспечения прохождения нормального фотосинтеза.

Для климатических условий Республики потреблении тепловой энергии, выраженное в натуральных показателях расхода условного топлива (кг/м²), составляет: при выращивании томатов 55–75; огурцов 50–70; и роз 45–55. Из общего потребления тепловой энергии в ночное время расходуется 75 %, днем 25 %. Теплопотери в теплицах состоят из потерь через ограждающие конструкции и грунт. Коэффициент теплопроводности однослойного стеклянного ограждения составляет 6,33 Вт/м²°С, двухслойного стеклянного ограждения 3,4 Вт/м²°С, двухслойной полиэтиленовой пленки 5,1 Вт/м²°С. Самым эффективным способом снижения затрат на отопление теплиц считаются двухслойные стационарные ограждения. В воздушной прослойке с толщиной не менее 10 мм отсутствует циркуляция воздуха, является эффективной теплоизоляцией, снижается её теплопроводность в два раза. По сравнению с одинарным остеклением экономия энергия составляет 30–40 % [2]. Отдача тепла трубной системой обогрева при температуре теплоносителя 60–80°С осуществляется на 50 % излучением и на 59 % конвекцией. Эффективность системы обогрева с низким расположением труб в зоне роста растений достигает 10 %.

Одним из наиболее перспективных методов повышения экономичности систем обогрева культивационных сооружений является использование дешевых источников тепла, в частности, природного газа.

При сжигании газа выделяется углекислота, которая используется при подкормке растений.

В настоящее время накоплен значительный опыт по использованию продуктов сгорания топлива, если в них отсутствуют сернистые соединения, для обогрева теплиц и подкормки растений углекислотой.

При непосредственном сжигании газа в сооружении коэффициент полезного действия системы отопления повышается, практически достигая единицы, так как продукты сгорания газа, прежде чем уйти из теплицы, охлаждаются до температуры внутреннего воздуха, и кроме того, газ сгорает полностью. Для сравнения можно напомнить, что К. П. Д. отопительных агрегатов, в которых продукты сгорания газа выбрасываются наружу, не превышает 0,8.

Таким образом, рассматриваемый способ обогрева дает возможность использовать дешевый источник тепла (газ) и наиболее рациональные системы отопления. Специфика отопления сооружений при непосредственном сжигании газа такова, что была бы ошибкой вести расчет общепринятыми методами. Это единственный из применяемых сейчас видов обогрева, в котором теплоноситель (газ) является источником выделения вредностей (СО₂, паров воды и СО). Поэтому при системе отопления непосредственным сжиганием газа требуется дополнительный воздухообмен (на разбавление вредностей) по сравнению с другими системами отопления, несмотря на К. П. Д. около единицы, может привести к большому расходу тепла, чем у системы с меньшим К. П. Д.

Чтобы выявить пределы технической целесообразности применения таких систем и обеспечить возможность их проектирования, требуется изучить основные закономерности формирования тепловлажностного и газового режимов сооружении с обогревом прямым сжиганием газа.

Стационарная задача для общепринятого в настоящее время конвективного способа отопления, когда в сооружении при известных наружных условиях необходимо поддерживать нормируемую температуру воздуха и концентрации вредностей (углекислоты, окиси углерода и водяных паров). В качестве расчетной вредности можно считать углекислоту, так как регулировать влажностный режим можно различными методами, которые не имеют отношения к специфике рассматриваемого вида отопления. Принимается также предпосылка, что при воздухообмене, рассчитанном из условия поддержания в атмосфере теплицы заданного содержания углекислоты, концентрация окиси углерода не будет превышать предельно допустимую по санитарным нормам.

Это условие выполнимо, если газовые приборы имеют коэффициент химической неполноты сгорания не выше допустимой величины β_Г, при которой соблюдается равенство воздухообменов по СО₂ и СО.

В условиях работы теплицы при использовании теплоты дымовых газов от малых котельных основную роль в процессе теплопередачи в рабочем пространстве (в камере теплицы) играют трехатомные газы, имеющиеся в продуктах сгорания, — СО₂, Н₂О.

Поглощающая и излучающая способность газовой среды в камере теплицы зависит как от концентрации в ней Н₂О и СО₂, так и от толщины газового слоя.

Известно, что степень черноты является физической характеристикой собственного газа. Она зависит от парциального давления газа, толщины излучающего слоя, температуры и полного давления.

Влияние температуры по-разному сказывается на степени черноты СО₂ и Н₂О. Для углекислого газа она изменяется обратно пропорционально корню квадратному из температуры газа, для водяного пара-обратно пропорционально температуре газа.

В свою очередь, исследованиями теплового излучения чистых (несветящихся) газов — СО₂, О₂, Н₂, Н₂О показали, что оно отклоняется от закона Стефана-Больцмана и количество переданного тепла зависит от абсолютной температуры не в четвертой степени, а в степени 3,5 для СО₂ и 3,0-для Н₂О.

Однако для удобства теплотехнических расчетов излучение газов связывают с излучением абсолютно черного тела, вводя понятие степени черноты газов

(1)

где _— количество тепла, передаваемое излучением газа, Вт/м². зная и , можно по формуле (1) определить и .

При суммарном излучении СО₂ и Н₂О вводят поправки, связанные с неодинаковым отклонением от закона Стефана-Больцмана и с частичным перекрытием интервалов излучения в спектре:

Величины и определяются по графикам, приведенным, в [1].

Таким образом, степень черноты газов определяется как функция от температуры и произведения pL, характеризующего эффективность ослабления:

Излучение водяного пара при постоянномоказывается зависящим также от , что свидетельствует об отклонений от гипотезы Бера. Поэтому при определении степени черноты водяного пара вводится направка β, определяемая для заданного значения в зависимости от парциального давления . Суммарное излучение смеси газов в общем случае не равно сумме излучений компонентов смеси, взятых порознь. Так, степень черноты смеси углекислого газа и водяного пара меньше суммы их собственных степеней черноты. Это явление связано с частичным взаимным поглощением излучения в области длин волн, в которых полосы спектров СО₂ и Н₂О перекрывают друг друга. Поправка Δε, на которую надо уменьшить сумму степеней черноты СО₂ и Н₂О в их смеси, дан в [1].

Таким образом расчет суммарной поглощательной способности (степени черноты) трехатомных газов СО₂ и Н₂О можно производить с достаточной точностью по экспоненциальной зависимости

(4)

где =_{+ —} суммарное парциальное давление углекислоты и водяных паров: _— коэффициент ослабления лучей дымовыми газами, определяемый эмпирическим соотношением

(5)

Следует отметить, что, чем больше , тем выше степень черноты газовой среды теплицы.

Литература:

1. Т. А. Садиков, А. Б. Вардияшвили. Гелиотеплицы и их тепловые режимы. Из-ство «ФАН» РУз г. Ташкент, -1977 г. -80 с.
2. Вардияшвили А. А. Исследование теплоэнергетической эффективности и тепломассообменных процессов в гелиотеплицах с использованием тепловых отходов. Автореферат дис. на соиск. ученой степени к. т.н. ФТИ «Физика-Солнце» АН РУз. Ташкент-2008 г. 27 стр.