КАБАКОВ В. И., КОХОВА И. И., кандидаты техн. наук,
ЭНИН им. Г. М. Кржижановского
Основными элементами солнечной установки являются солнечный коллектор для частичного испарения воды, проходящей по его приемнику, и струйный насос-инжектор для засасывания воды из источника, нагрева и передачи небольшой части ее на вход приемника и основной части — на нужды коммунальных и сельскохозяйственных потребителей. Установку можно использовать для подачи пресной воды (горячей, холодной и с требуемой минерализацией) на метеостанции и геологические партии, для водопоя животных, на фермах и окотных пунктах, где требуется нагретая вода. Она предназначена также для теплоснабжения населенных пунктов и предприятий в зонах, удаленных от источников топлива и энергоснабжения. Наиболее целесообразно ее использовать в аридных зонах с прямой солнечной радиацией 650—900 Вт/м2.
Разработаны и прошли испытания две установки в городах Бухаре и Фергане.
Первая имеет плоские солнечные коллекторы с двойным остеклением и специальным «черным» покрытием. Функционирует она периодически, поскольку коллекторы не обеспечивают непрерывного поступления пароводяной смеси к насосу-инжектору. После накопления пара в трубных приемниках коллекторов в течение 15 мин примерно столько же времени уходит на подъем и нагрев закачиваемой из источника жидкости.
При переходе к параболоцилиндричеокому концентратору (ПЦК), образованному тремя модулями зеркал из анодированного алюминия общей площадью 24 м2, удалось организовать непрерывную и замкнутую по потоку через приемник ПЦК работу установки.
Схема испытанной и действующей в Фергане установки с ПЦК показана на рис. 1. Система слежения ПЦК за солнцем может быть механической, использующей создаваемое за струйным насосом давление. Однако в данной схеме использован электропривод.
Принцип действия системы слежения основан на симметричной освещенности установленных на зеркалах Г1ЦК фотодиодов (разработка ОКБ-1 ЭНИН). Перемещение ПЦК, определяемое движением Солнца, связано с затенением приемником одного из фотодиодов.
Для электропитания могут быть использованы фотоэлементы. Их наиболее целесообразно устанавливать на приемнике ПЦК, поскольку это позволяет обеспечивать эффективную работу фотоэлементов в концентрированном солнечном излучении и охлаждение.
На солнечной установке в Фергане приемник представляет собой длинную стальную трубу диаметром 42 мм, покрытую по облучаемой поверхности специальной кремнийорганической краской с коэффициентом поглощения солнечной радиации 0,91 —0,92. Для лучшей теплоизоляции стальная труба приемника помещена в стеклянную оболочку, образованную секциями из стеклянных труб диаметром 70 мм и длиной примерно 2 м. Эти трубы имеют пропускную способность до 0,9. По необлучаемой поверхности труб установлен экран из тонкого листового пермаллоя, который удерживается внутри них за счет упругости.
Такая конструкция приемника при площади среза зеркальной поверхности каждого из трех модулей позволяет устойчиво получать на выходе из него пароводяную смесь с требуемым для работы инжектора расходом и массовым паросодержанием.
Рис. 1. Схема установки в г. Фергане:
1 — параболоцилиндрический концентратор (ПЦК) солнечной энергии; 2 — приемник ПЦК; 3 — струйный насос-инжектор; 4 — источник; 5 — набор сменных горловин диффузора; 6 — напорный пусковой бак; 7 — сборный бак-аккумулятор
Известно, что использование в качестве приемника длинной горизонтальной трубы может приводить к ряду проблем, прежде всего к пульсациям давления. В данной конструкции их удалось избежать благодаря использованию дросселирующих вентилей и поддержанию по длине трубы определенных температур. Увеличение температуры вплоть до начала парообразования происходило в устойчивых режимах на длине, не превышающей половины или трети всей длины приемника (15,5 м).
В результате при достаточной солнечной радиации достигнута устойчивая и непрерывная работа всей установки. Отметим, что коэффициент отражения использованного в ПЦК зеркального алюминия за время эксплуатации установки с 1974 г. снизился с 0,78—0,8 до 0,7.
Установка автономна, не оказывает вредного воздействия на окружающую среду и позволяет экономить топливные и энергетические ресурсы. Она выполнена одноконтурной, работает на одной жидкости, легко разбирается и транспортируется. Экономический эффект от использования одной такой установки превышает 1 тыс. руб/год.
Принцип действия струйного насоса-инжектора основан на прямом преобразовании в нем тепловой энергии в механическую, а также на эффектах эжекции и конденсации. Он выполняет в установке много функций, благодаря этому не требуются ни конденсатор, ни теплообменник, ни циркуляционные насосы.
Инжектор малогабаритен, в нем нет движущихся частей, срок его службы достаточно велик. Он может работать без последствий (из-за высоких скоростей в нем) на засоленных водах и водах с небольшими (диаметром не больше 1 мм) частицами.
Возможности изменения режимных и геометрических параметров инжектора позволяют варьировать конечную температуру и расход поднимаемой воды, глубину подъема и конечную соленость воды. Можно использовать схему с двумя инжекторами, в частности, с опреснением поднимаемой соленой воды и подъемом воды из колодцев глубиной до 40 м.
Для обеспечения работы установки при прекращении поступления солнечной энергии и сглаживания неравномерности использования воды и тепла потребителями ее следует дополнить аккумуляторами на выходе из приемника ПЦК и на выходе струйного насоса-инжектора.
При использовании солнечных фотобатарей, работающих на концентрированном солнечном излучении, возможна автоматизация не только всей установки, включая работу системы слежения, но и режима снабжения электроэнергией потребителей.
Установка в Фергане эксплуатируется с 1984 г. В 1987 г. Среднеазиатской государственной зональной машиноиспытательной станцией проведены ее специальные испытания. В ходе них давление смеси на входе в инжектор р составляло 0,1—0,12 МПа, в камере смешения колебалось от 10 до 20 кПа, на выходе Р2 было 0,35 МПа. Массовое паросодержание воды после приемника ПЦК х равнялось 0,05—0,25. Давление поднимаемой из источника жидкости р4 = = 0,05—0,1 МПа. Выходное давление р2 используется для перекачки жидкости в сборный бак на вход в приемник ПЦК и подачи ее к потребителю.
Эксперименты показали, что глубина всасывания Яь равная высоте расположения инжектора над уровнем воды в источнике, не превышает 5—6 м. При опускании инжектора в колодец давление р2 обеспечивает дополнительный подъем воды. Таким образом, суммарная высота подъема Я равна сумме Яь определяемой разностью атмосферного давления ратм и pi, и Яг, определяемой разностью Р'2 и Р'атм.
При взаимодействии воды из источника с пароводяной смесью температура воды поднимается с 15—23 (^i) до 35—65°С (U). Инжектор является при этом эффективным теплообменником смешивающего типа. В результате общая эффективность установки составляет 30—35%, эффективность же только по подъему воды не превышает 1%, что пока характерно для всех известных термодинамических солнечных водоподъемников небольшой мощности.
Особо следует отметить, что широкое использование подобных солнечных установок в республиках Средней Азии представляется перспективным, поскольку такие установки составляют альтернативу строительству новых каналов, оросительных систем и линий электропередачи. Сейчас, когда стало известно о трагедии Арала, о потерях многих земель в результате засоления и о других экологических последствиях бездумного отношения к природе, это приобрело особое значение.
Экспериментальное исследование установки проводилось при подаче постоянного расхода GK в приемник ПЦК от верхнего пускового бака (разомкнутая схема) и при подводе в приемник ПЦК части жидкости GK после инжектора (замкнутая схема). В обоих случаях расход на выходе инжектора G2 равен сумме расходов GK и G\ во всасывающем трубопроводе.
Основными показателями, характеризующими работу установки, являются производительность по подъему воды, определяемая расходом поднимаемой жидкости и общей высотой подъема Я, и тепло, воспринятое поднимаемой водой. Производительность по подъему воды в различных режимах оценивалась в зависимости от высоты подъема Я, массового паросодержания после коллектора, расхода GK и диаметра горловины диффузора инжектора т.д, который изменялся для проведения запуска и регулирования выходных параметров.
Калориметрирование ПЦК показало, что при прямой солнечной радиации примерно 900 Вт/м2 полезное подведенное тепло QПол составляет до 10 кВт, а при снижении Е0 до 700 Вт/м2 (Зпол^бч-в кВт. Температура на выходе из приемника составляла 98—110°С (Фергана расположена на плоскогорье).
Типичные характеристики установки при указанных начальных параметрах приведены на рисунках.
Рис. 2. Зависимости расходов на выходе из инжектора G2 и во всасывающем коллекторе Gi (а), высоты подъема Я и высоты Я2 (б) и температуры на выходе из инжектора (в) от глубины всасывания Hi при £о = = 650-4-900 Вт/м2, /1== 15_f-23°C, x = 0,75-f-0,25, температуре окружающего воздуха от 2 до 37°С и скорости ветра 0,5—5 м/с
На рис. 2, а представлено изменение расходов на выходе из многоструйного инжектора G2 и во всасывающем трубопроводе G\ при изменении глубины всасывания Я4. Из этих данных следует, что при расстоянии от инжектора д.о уровня воды в колодце 1 м инжектор поднимает 0,48 т/ч воды, а при расстоянии 6 м — 0,33 т/ч. Все зависимости на рис. 2 получены при использовании только прямой солнечной радиации (без дополнительного подвода энергии и аккумулирования). Суммарная высота подъема Я во всех режимах была практически постоянной (рис. 2, б) и составляла примерно 12 м. При снижении глубины всасывания Нх напор р2 (и, следовательно, Я2) увеличивался. Суммарный же напор р был при этом практически постоянным.
На рис. 2,0 приведена температура выходящей из инжектора воды, которая в зависимости от начальных параметров, соотношения расходов и Я изменялась в пределах 30—50 С. Это позволяет использовать воду для горячего водоснабжения, в частности, на животноводческих фермах и окотных пунктах.
Интересной особенностью инжектора как насоса является независимость расхода на выходе G2 (а также Gi) от противодавления р2 (т. е. и Я2) при постоянных входных параметрах вплоть до противодавления срыва. Это связано с тем, что несмотря на обратную зависимость расхода от глубины всасывания
Рис. 3. Зависимости расхода на выходе из инжектора G2 (а), суммарный высоты подъема Н и высоты Н2 (б) от глубины всасывания Hi при повышенных массовых паросодержаниях (*>0,35)
(рис. 2, а), типичную для центробежных насосов, инжектор развивает в диффузоре дополнительный напор р2. Значение его (вплоть до срыва) определяется лишь сопротивлением насосов и благодаря запиранию в диффузоре, определяемому скачком давления, не сказывается на выходных параметрах, в том числе на GK и Gj, а следовательно, на (?2. Изменения в опытах диаметра горловины диффузора (^г.д = 2,5; 3,0; 3,5; 4,0 мм) и массового паросодержания (х=0,05.4-0,25) слабо сказывалось на приведенных зависимостях.
При более высоких значениях х (выше 0,35) достигнуты значения Я, в 1,5 раза превышающие приведенные на рис. 2 (рис. 3). Температура t2 также возросла до 60—65°С. Это указывает на то, что резервы выбранной конструкции инжектора не исчерпаны, а его показатели, в том числе общая высота подъема, могут быть повышены при подводе большего количества тепла. В этом плане представляется целесообразным оснащение установки плоскими коллекторами, устанавливаемыми до ПЦК. Уже сейчас имеются новые эффективные коллекторы с двойным остеклением, вакуумированные и с селективным покрытием. Но режимы, приведенные на рис. 3, получены с использованием либо аккумулирования тепла в приемнике ПЦК, либо за счет подвода дополнительной мощности (например, от электронагревателей). Суммарная высота Н достигала при этом 18 м при расходе поднимаемой воды С?± = 0,4-=-0,6 т/ч.
За пять лет надежной эксплуатации установки не обнаружено ощутимого снижения ее выходных параметров. Нагрев поднимаемой воды позволяет, в частности, использовать его при опреснении. Для этого предложена схема с двумя инжекторами, позволяющая полностью отказаться от установки других насосов и обеспечивать подачу потребителям жидкости с требуемой минерализацией и теплоснабжение.
Имеется возможность за счет использования в схеме еще одного инжектора повысить общую высоту подъема воды до 40 м и нагрев жидкости до 80°С. Отметим, что нагрев жидкости в солнечных водоподъемных установках особенно выгоден при их использовании в животноводстве (фермы или окотные пункты) весной и осенью, когда при низких наружных температурах прямая солнечная радиация достаточно высока.
Для дальнейшего повышения эффективности установки рассматривается возможность создания вакуумированного приемника ПЦК и приемника со струйным вводом и разбрызгиванием жидкости по нагретой его стороне, что должно интенсифицировать процесс парообразования.
