Баганов Є.О. Конспект лекцій з дисципліни Джерела енергії на Землі
Подождите немного. Документ загружается.
Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі
К.т.н., доц. Є.О. Баганов
131
поверхні сировини з'являється корка, яку потрібно руйнувати, перемішуючи
сировину. Перемішування здійснюється вручну або за допомогою
спеціальних пристроїв усередині реактора й сприяє вивільненню біогаза, що
утворився, із сировини.
Отриманий біогаз після очищення збирається й зберігається до часу
використання в газгольдері. Від газгольдера до місця використання в
побутових або інших приладах біогаз
проводять по газових трубах.
Перероблене в реакторі біогазової установки сировина, що перетворилася в
біодобрива, вивантажується через вивантажувальний отвір і вноситься в
ґрунт або використовується як кормова добавка для тварин.
Існує багато різних конструкцій біогазових установок. Їх розрізняють за
методом завантаження сировини, зовнішньому вигляду, за складовими
частинами конструкції й матеріалам, з
яких вони споруджуються.
За методом завантаження сировини виділяють установки порціонного й
безперервного завантаження, які відрізняються часом зброджування й
регулярністю завантаження сировини. Найбільш ефективними з погляду
вироблення біогаза й одержання біоудобрив є установки безперервного
завантаження .
По зовнішньому вигляду установки різняться залежно від способу
акумулювання й зберігання біогазу. Газ може збиратися у верхній
твердій
частині реактора, під гнучким куполом або в спеціальному газгольдері, що
плаває або стоїть окремо від реактора.
Біогаз утвориться за допомогою бактерій у процесі розкладання
органічного матеріалу при анаеробних (без доступу повітря) умовах і являє
собою суміш метану й інших газів у наступних пропорціях:
Газ Хімічна формула Об'ємна частка
Метан СН
4
40 -70%
Вуглекислий газ СО
2
30 -60%
Інші гази: 1 -5%
Водень Н
2
0-1%
Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі
К.т.н., доц. Є.О. Баганов
132
Сірководень H
2
S 0 -3%
Теплотворна здатність одного кубометра біогазу становить залежно від
вмісту метану 20-25 МДж/ м
3
, що еквівалентно згорянню 0,6 – 0,8 літра
бензину; 1,3 - 1,7 кг дров або використанню 5 - 7 кВт електроенергії.
Підтримка оптимальної температури є одним з найважливіших
факторів процесу зброджування.
У природних умовах утворення біогазу відбувається при температурах від
0°C до 97°C [19], але з урахуванням оптимізації процесу переробки
органічних відходів для одержання біогазу й біодобрив виділяють три
температурних режими:
• психофільний
температурний режим визначається температурами до 20 -
25°C,
• мезофільний температурний режим визначається температурами від
25°C до 40°C і
• термофільний температурний режим визначається температурами понад
40°C.
Оптимальною температурою для мезофільного температурного режиму є
34 - 37°C, а для термофільного 52 - 54°C.
Якщо відомо вагу добового свіжого гною, то добовий вихід боготворіння
буде приблизно наступним:
• 1 тонна гною КРХ - 40-50 м3
біогазу;
• 1 тонна свинячого гною - 70 - 80 м3 біогазу;
• 1 тонна пташиного калу - 60 -70 м3 біогазу.
Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі
К.т.н., доц. Є.О. Баганов
133
Лекція № 15
Принципи утилізації низькопотенційного тепла. Теплові насоси.
Принцип теплового насоса випливає з робіт Карно й опису циклу Карно,
опублікованого в його дисертації в 1824 р. Практичну теплонасосну систему
запропонував Вільям Томсон ( згодом - лорд Кельвін) у 1852 р. Вона була
названа помножувачем тепла й показувала, як можна холодильну машину
ефективно використовувати для цілей опалення.
Рис. 1. Схема «помножувача тепла» Томсона.
1 -навколишнє повітря; 2 -вхідний циліндр; 3 - теплообмінник; 4 –
привід; 5 - парова машина; 6 -вихідний циліндр; 7 – приміщення, що
обігрівається.
В обґрунтуванні своєї пропозиції Томсон указував, що обмеженість
енергетичних ресурсів не дозволить безупинно спалювати паливо в печах для
опалення й що його помножувач тепла буде споживати менше палива, ніж
звичайні печі.
Як видно з рис. 1, запропонований Томсоном тепловий насос
використовує повітря як робоче тіло. Навколишнє повітря засмоктується в
циліндр, розширюється й від цього прохолоджується, а потім проходить
через теплообмінник, де нагрівається зовнішнім повітрям. Після стиску до
атмосферного тиску повітря із циліндра надходить приміщення, що
обігрівається, будучи нагрітим до температури вище навколишньої.
Є
дані про те, що фактично реалізована подібна машина була у
Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі
К.т.н., доц. Є.О. Баганов
134
Швейцарії. Томсон заявив, що його тепловий насос здатний давати необхідне
тепло при використанні тільки 3% енергії, затрачуваної на пряме опалення.
Холодильні машини розвивалися вже наприкінці XIX ст., але теплові
насоси одержали швидкий розвиток лише в 20-х - 30-х роках, коли в Англії
була створена перша теплонасосна установка. Холдейн описав в 1930 р.
випробування домашнього теплового
насоса, призначеного для опалення й
гарячого водопостачання, що використовував тепло навколишнього повітря.
Після цього почалися роботи в США, що призвели до створення
демонстраційних установок, але до цієї стадії було доведено порівняно
небагато проектів, тому що всі вони мали лише приватне фінансування.
Перша велика тепло насосна установка в Європі була уведена
в дію в
Цюріху в 1938—1939 р. У ній використовувалися тепло річкової води,
ротаційний компресор і хладоагент. Вона забезпечувала опалення ратуші
водою з температурою 60° С при потужності 175 кВт. Була система
акумулювання тепла з електронагрівником для покриття пікового
навантаження. У літні місяці установка працювала на охолодження.
ЦИКЛ КАРНО
В 1824 р. Карно вперше
використовував термодинамічний цикл для
опису процесу, і цей цикл залишається фундаментальною основою для
порівняння з ним і оцінки ефективності теплових насосів.
Термодинамічна схема теплового насоса і теплового двигуна.
Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі
К.т.н., доц. Є.О. Баганов
135
1 — тепловий насос: 2 — тепловий двигун; Тн — висока температура;
T
L
— низька температура.
Ідеальний теплонасосний цикл Карно.
1 - джерело тепла; 2 - компресор; 3 - приводний двигун; 4 - споживач
тепла; 5 - розширювальна машина.
Тепловий насос можна розглядати як звернену теплову машину. Теплова
машина одержує тепло від високотемпературного джерела й скидає його при
низькій температурі, віддаючи корисну роботу. Тепловий насос вимагає
витрат роботи для одержання тепла при низькій температурі й
віддачі його
при більш високій.
Ефективність у випадку теплової машини воно записується у вигляді
W/Qh і називається термічним ККД, а для теплового насоса воно залишається
у вигляді Qh/W і називається коефіцієнтом перетворення (КОП).
Коефіцієнт перетворення для циклу Карно має вигляд
КОП =T
L
/(T
H
—T
L
)+ 1 =T
Н
/(T
Н
—T
L
).
Цикл із механічною компресією пари
З метою наближення до простого циклу Карно, а фактично це значить - з
метою створення практично корисного теплового насоса, необхідно прагнути
до підведення тепла при умовах, близьких до ізотермічного. Для цього
Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі
К.т.н., доц. Є.О. Баганов
136
підбираються робочі тіла, що змінюють агрегатний стан при необхідних
температурах і тисках. Вони поглинають тепло при випаровуванні й віддають
при конденсації. Ці процеси утворюють ізотерми циклу. Стиск пари, як
правило, вимагає, щоб пара була сухою, що викликано особливостями
механіки більшості компресорів. Влучення рідини разом з парою на вхід
компресора може ушкодити
його клапани, а надходження великої кількості
рідини в компресор може взагалі вивести його з ладу (якщо не вжиті
запобіжні заходи, наприклад підпружинення голівки циліндра).
Цикл із механічною компресією пари і його зображення на Т-S
(температура-ентропія) діаграмі показані на рис.
Парокомпресійний цикл. 1 - випарник; 2 - компресор; 3 -приводний
двигун; 4 - конденсатор; 5 - дросельний клапан; 6 - погранична крива.
Процес розширення в соплі необоротний, він показаний пунктиром на Т-
S діаграмі. Зазвичай він розглядається як адіабатичний, тобто минаючий без
підведення або відводу тепла при розширенні робочого тіла.
Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі
К.т.н., доц. Є.О. Баганов
137
Ідеальний парокомпресійний цикл (h=i).
Стисле робоче тіло під високим тиском залишає компресор у точці 1.
Оскільки на вхід у компресор надходила тільки суха пара й завдяки нахилу
ліній постійної ентропії, у точці 1 пар перегрітий. Перш ніж пара почне
конденсуватися в точці 2, його варто охолодити при постійному тиску. Між
точками 2 і 3 відбувається конденсація
при постійній температурі (якщо
немає витоків пари). Звідси видно, що теплообмінний апарат, у якому
відбувається конденсація (конденсатор), завжди повинен бути розрахований
на приймання перегрітої пари. Адіабатичне розширення зображується на р-i
діаграмі вертикальною прямою 3 - 4, і в цьому одна із причин зручності такої
діаграми. Для розрахунку циклу необхідно знати стан робочого тіла
тільки на
вході в компресор і виході з нього. Інше зображується прямими лініями.
Випаровування відбувається при постійних тиску й температурі між точками
4 і 5.
Робота відбувається фактично в суміші рідини й пари. Вхідна у
випарник суміш містить значну частку пари, іноді до 50% по масі, і ця частка
робочого тіла, природно, уже
не бере участь у процесі випару й поглинання
Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі
К.т.н., доц. Є.О. Баганов
138
тепла. Між точками 5 і 1 відбувається ізоентропійний стиск сухої пари. На
практиці його реалізувати не можна, але тут ми розглядаємо ідеалізований
цикл. Його ефективність менше, ніж у циклу Карно, через необоротність
процесу розширення.
Описаний парокомпресійний цикл однаковий і для теплового насоса й
для холодильної машини. Його часто називають зворотним циклом Ренкіна
або
, менш точно, просто циклом Ренкіна.
Для оцінки різних теплонасосних систем із приводом компресора за
рахунок різних палив або джерел енергії застосовують коефіцієнт первинної
енергії (КПЕ). Він ураховує не тільки КОП, але й ККД перетворення
первинної енергії (нафта, газ, вугілля або сонячне тепло) у роботу привода
компресора. КПЕ особливо важливий при
розгляді теплових насосів, до яких
підводиться тільки тепло. У їхніх комбінованих схемах не завжди можна
розрізнити потоки тепла й роботи. Визначення КПЕ таке:
Можна дати й інше визначення КПЕ, коли для привода компресора
використовується теплова машина з термічним ККД
Подвійний цикл ренкина
Терміном «цикл Ренкіна» іноді позначається й енергетичний цикл, і
парокомпресійний. Якщо теплова машина, що працює за циклом Ренкіна,
застосовується для привода теплового насоса, то утворюється схема, яку
можна назвати подвійним циклом Ренкіна. Така комбінація особливо цікава,
коли у двох контурах можна використовувати однакове робоче тіло.
Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі
К.т.н., доц. Є.О. Баганов
139
Подвійний цикл Ренкіна в координатах тиск - ентальпія.
1 - випаровувач; 2 - компресор; 3 - розширювальна машина; 4 -
конденсатор; 5 - котел; 6 - живлячий насос; 7 - дросельний клапан.
Подвійний цикл Ренкіна показаний на рис. разом з його зображенням на
р-i діаграмі. У ньому використовується робоче тіло R11 -хладоагент низького
тиску, зручний для ротаційних машин. Такий же цикл можна створити й на
основі поршневих компресора й двигуна, але оскільки він призначений для
опалення житла, менш шумні ротаційні машини застосовуються ширше.
Точками а, b, з, d позначений парокомпресійний цикл, а точками а, b, е, f
- енергетичний. Хладоагент адіабатично стискується від b до е за допомогою
невеликого гідравлічного насоса при витраті малої роботи, якою можна
знехтувати, тому що рідина
практично нестислива. Такий насос
використовується й в абсорбційних машинах. Між станами е і f за рахунок
зовнішнього згоряння підводиться тепло в теплообміннику, якому можна
назвати котлом. Максимальна температура в точці f обмежується термічною
стійкістю хладоагента й масла, а не термодинамікою. Ця межа обмежує КПЕ
циклу. Між f і a робоче тіло розширюється, роблячи роботу, що
витрачається
на привід компресора.
Фактично тепловий насос складається із двох окремих циклів, але
об'єднаних для простоти. Є тільки один спільний конденсатор, а обидві
ротаційні машини ідентичні й з'єднані загальним валом.
Спрощено
Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі
К.т.н., доц. Є.О. Баганов
140
Абсорбційний цикл
Абсорбційний тепловий насос містить випарник і конденсатор, які
працюють точно так само, як у парокомпресійному циклі.
Теплота підводиться до випарника, викликаючи кипіння хладоагента
при низькому тиску. Корисне тепло відводиться від конденсатора, усередині
якого відбувається конденсація при високому тиску. Однак в абсорбційному
циклі використовується додатковий контур, у якому тече рідкий абсорбент,
або
розчинник. Хладоагент, що випарувався, поглинається рідиною при
низькому тиску. Потім рідина спеціальним насосом перекачується в область
високого тиску, де відбувається підведення тепла, і незважаючи на високий
тиск, пари хладоагента виділяються з рідини. Оскільки суміш рідкого
абсорбенту й хладоагента практично нестислива, витратами потужності на
насос можна знехтувати й джерелом первинної енергії
є тільки теплота, що
підводиться до генератора пари, що завжди має максимальну температуру
циклу. Теплота, що виділилася в абсорбері, підсумовується з теплом від
конденсатора, тому КОП циклу завжди більше одиниці.
Як і всі інші цикли, цей цикл можна зрівняти з ідеальним циклом Карно.
Абсорбційний цикл Карно.