Методические указания к задаче №1

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по самостоятельной работе студентов
по дисциплине «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»

для студентов обучающихся по направлению подготовки

13.03.01 – Теплоэнергетика и теплотехника

(профиль подготовки – Промышленная теплоэнергетика)

 

 

Новокузнецк

 

Общие методические указания

Самостоятельная работа состоит из трех задач:

1. Расчет солнечной электростанции башенного типа.

2. Расчет системы солнечного теплоснабжения здания.

3. Расчет тепловой схемы геотермальной электростанции бинарного типа.

При решении задач необходимо строго придерживаться своего варианта, номер которого совпадает с двумя последними цифрами шифра в зачетной книжке студента.

Решение задач, требующие привлечение диаграмм, схем, графиков, должны быть проиллюстрированы соответствующими рисунками с пояснениями для всех изображенных на них элементов.

Формулы должны быть снабжены ссылками на использованную литературу и пояснениями всех используемых в них обозначений. В решениях задач необходимо придерживаться международной системы единиц (С И).

 

Варианты самостоятельной работы и методические указания

Задача № 1

Тема: расчет солнечной электростанции башенного типа

На солнечной электростанции башенного типа установлено n гелиостатов, каждый из которых имеет поверхность F _г м². Коэффициент отражения гелиостата R_отр. Максимальная облученность зеркала гелиостата Е _г.

Гелиостаты отражают солнечные лучи на приемник, на поверхности которого зарегистрирована максимальная энергетическая освещенность Е _пр . Коэффициент поглощения приемника А _погл . Степень черноты приемника ɛ _пр .

В приемнике нагревается и испаряется рабочее тело (вода) до температуры t₀. Давление рабочего тела составляет р₀. Полученный перегретый пар направляется в турбину мощностью N_э , работающую по циклу Ренкина. Давление пара за турбиной составляет р_к. Относительный внутренний КПД турбины η_оi. Механический КПД η_м = 0,975. КПД электрогенератора η_э = 0,985. Работой насоса, потерями тепла при его транспортировке, собственными нуждами – пренебречь.

Определить:

· расход пара на турбину D₀, кг/с;

· площадь поверхности приемника F_пр и тепловые потери в нем Q_пот , вызванные излучением и конвекцией. Принять, что конвективные потери вдвое меньше потерь от излучения;

· энергию, полученную приемником от солнца через гелиостаты (кВт);

· количество гелиостатов – n, шт;

· как изменится мощность СЭС, если вместо паротурбинной установки применить кремниевые преобразователи с КПД η_фэ = 0,141, занимающие ту же площадь, что и зеркала гелиостатов.

Исходные данные взять из таблицы 1 по вариантам.

Таблица 1. Исходные данные для задачи № 1.

Величина	Номер варианта
Поверхность гелиостата, F г, м2
Коэффициент отражения гелиостата, Rотр	0,8	0,81	0,82	0,79	0,78	0,8	0,81	0,82	0,79	0,78
Максимальная облученность зеркала гелиостата, Е г, Вт/м2
Максимальная энергетическая освещенность приемника, Е пр, МВт/м2	2,5	2,1	2,2	2,3	2,6	2,5	2,0	1,9	2,1	1,9
Коэффициент поглощения приемника, А погл	0,95	0,96	0,94	0,94	0,93	0,95	0,96	0,97	0,95	0,95
Степень черноты, ɛ пр	0,96	0,95	0,94	0,95	0,97	0,94	0,94	0,93	0,95	0,94
Начальная температура, t0
Начальное давление р 0 ,МПа						13,5	13,7	12,5	11,2	10,6
Мощность СЭС, N э , МВт	1,05		1,1			1,2	4,0	1,0	5,5	4,0
Конечное давление пара, р к, кПа	4,5		5,5		6,5		3,5	4,2	4,3	4,4
Относительный внутренний КПД турбины, ηоi	0,85	0,84	0,83	0,88	0,84	0,86	0,87	0,82	0,83	0,84

 

Продолжение таблицы 1

Величина	Номер варианта
Поверхность гелиостата, F г, м2
Коэффициент отражения гелиостата, Rотр	0,79	0,78	0,8	0,81	0,82	0,79	0,78	0,8	0,81	0,82
Максимальная облученность зеркала гелиостата, Е г, Вт/м2
Максимальная энергетическая освещенность приемника, Е пр, МВт/м2	2,44	2,14	2,24	2,34	2,64	2,54	2,04	1,94	2,14	1,94
Коэффициент поглощения приемника, А погл	0,95	0,96	0,94	0,94	0,93	0,93	0,95	0,96	0,94	0,95
Степень черноты, ɛ пр	0,96	0,95	0,94	0,95	0,96	0,93	0,94	0,95	0,95	0,94
Начальная температура, t0
Начальное давление р 0 ,МПа						13,5	13,7	12,5	11,2	10,6
Мощность СЭС, N э , МВт	2,05	3,5	1,5	5,5	2,5	1,4	3,4	2,0	4,5	4,2
Конечное давление пара, р к, кПа		6,5		3,5	4,2		6,5		3,5	4,2
Относительный внутренний КПД турбины, ηоi	0,85	0,84	0,83	0,88	0,84	0,86	0,87	0,82	0,83	0,84

 

 

Окончание таблицы 1

Величина	Номер варианта
Поверхность гелиостата, F г, м2
Коэффициент отражения гелиостата, Rотр	0,8	0,81	0,82	0,79	0,78	0,8	0,81	0,82	0,79	0,78
Максимальная облученность зеркала гелиостата, Е г, Вт/м2
Максимальная энергетическая освещенность приемника, Е пр, МВт/м2	2,5	2,1	2,2	2,3	2,6	2,54	2,0	1,9	2,15	1,95
Коэффициент поглощения приемника, А погл	0,95	0,96	0,94	0,94	0,93	0,93	0,95	0,96	0,94	0,95
Степень черноты, ɛ пр	0,96	0,95	0,94	0,95	0,96	0,93	0,94	0,95	0,95	0,94
Начальная температура, t0
Начальное давление р 0 ,МПа		12,5	11,5	13,5	14,5	12,7	11,7	14,5	16,2	12,6
Мощность СЭС, N э , МВт	4,5		2,5	1,55	4,2	3,2	2,5	2,0	5,5	4,0
Конечное давление пара, р к, кПа	4,5		5,5		6,5		3,5	4,2	4,3	4,4
Относительный внутренний КПД турбины, ηоi	0,85	0,84	0,83	0,88	0,84	0,86	0,87	0,82	0,83	0,84

 

 

Методические указания к задаче №1

1. Изобразим схематично солнечную электростанцию башенного типа (рис. 1).

h 0

p 0 t 0

Рис. 1. Схема солнечной электростанции башенного типа:

1 – солнечная башня; 2 – приемник; 3 – гелиостаты; 4 – паровая турбина; 5 – электрогенератор; 6 – конденсатор; 7 – насос.

t 0

p 0

h k

h 0

h kt t

h k

kt

k

pk

s

2. Построим процесс расширения пара в турбине в h–s диаграмме (рис. 2).

 

 

Рис. 2. Процесс расширения пара в турбине в h–s диаграмме:

0 – kt – теоретический процесс;0 – k – действительный процесс.

3. Теоретический (располагаемый) теплоперепад турбины:

где

- энтальпия пара на входе в турбину - точка 0 (рис. 2). Определяется из таблиц свойств воды и водяного пара по p ₀ и t ₀.

- энтальпия пара на выходе из турбины в теоретическом процессе - точка . Определяется из таблиц свойств воды и водяного пара p _k и s ₀ (т.к. процесс 0 – kt происходит при s=const).

4. Действительный теплоперепад турбины:

где

- относительный внутренний КПД турбины, известен по заданию.

5. Энтальпия пара на выходе из турбины в действительном процессе:

,кДж/кг.

6. По давлению p _k, из таблиц свойств воды и водяного пара находим значение энтальпии конденсата .

7. Расход пара на турбину определяется из основного энергетического уравнения турбины:

8. Расход тепла на турбоустановку:

9. Удельные потерн тепла с поверхности приемника солнечной энергии за счет излучения:

где

степень излучения абсолютно черного тела (постоянная Стефана - Больцмана).

10. Из условия известно, что:

Тогда:

.

11. Полная величина тепловых потерь приемника определяется по формуле:

где

Задаемся этой величиной в диапозоне м².

12. Количество тепла, полученное приемником от солнца через гелиостаты, определяется по формуле:

,

13. Площадь поверхности приемника:

, м²,

где

максимальная энергетическая освещенность приемника, известна по заданию.

14. Погрешность вычислений:

Если расхождение между заданной и полученной величиной площади находится в допeстпмых пределах, то расчет считаем законченным. Если нет, то возвращаемся к п. 11, приняв .

15. Количество тепла, получаемое приемником от солнца через гелиостаты, можно рассчитать по формуле:

.

Тогда, количество гелиостатов:

16. Мощность солнечной электростанции в случае, если вместо ПТУ применить кремниевые фотоэлементы, занимающие ту же площадь, что и зеркала гелиостатов:

η_фэ.

 

Задача №2

Тема: Расчет системы солнечного теплоснабжения здания

На крыше здания установлен пластинчатый приемник солнечной энергии проточного типа, который имеет поверхности F, м²`. Коэффициент использования солнечной энергии η_пр. Облученность приемника Е. Приемник освещается солнцем в течение суток τ_осв.

В приемнике нагревается рабочее тело (вода) от температуры t_в1 до температуры t_в2. Вода направляется в систему теплоснабжения здания, тепловой мощностью Q _т.сн и в аккумулятор тепловой энергии.

Определить:

· расход воды через приемник G _в , кг/с;

· расходы воды в систему теплоснабжения G _т.сн и в аккумулятор G _акк, кг/с;

· площадь поверхности приемника F, м²;

· емкость аккумулятора V, м³.

 

Таблица 2. Исходные данные для задачи № 2.

Величина	Номер варианта
Коэффициент использования солнечной энергии ηпр	0,8	0,81	0,82	0,79	0,78	0,8	0,81	0,82	0,79	0,78
Максимальная облученность приемника, Е, Вт/м2
Температура воды на входе, tв1,
Температура воды на выходе, tв2, 1
Тепловая мощность системы теплоснабжения, Q т.сн , кВт	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5	5,0	5,5
Период освещения приемника, τосв , час

 

Окончание таблица 2

Величина	Номер варианта
Коэффициент использования солнечной энергии ηпр	0,8	0,79	0,78	0,77	0,76	0,8	0,79	0,78	0,77	0,76
Максимальная облученность приемника, Е, Вт/м2
Температура воды на входе, tв1,
Температура воды на выходе, tв2, 1
Тепловая мощность системы теплоснабжения, Q т.сн , кВт	3,6	4,1	4,6	5,1	5,6	1,1	1,6	2,1	2,6	3,1
Период освещения приемника, τосв , час
Величина	Номер варианта
Коэффициент использования солнечной энергии ηпр	0,8	0,81	0,82	0,79	0,78	0,8	0,81	0,82	0,79	0,78
Максимальная облученность приемника, Е, Вт/м2
Температура воды на входе, tв1,
Температура воды на выходе, tв2, 1
Тепловая мощность системы теплоснабжения, Q т.сн , кВт	1,2	1,3	2,2	2,7	3,1	3,2	4,1	4,3	5,1	5,2
Период освещения приемника, τосв , час

Методические указания к задаче №2

1. Изобразим схему системы солнечного теплоснабжения здания (рис.3)

Приемник солнечной энергии

Gт. сн

Gв tв2

tв1

 

Рис. 3. Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения здания

2. Суточное потребление тепла системой теплоснабжения определяется по формуле:

где

24 – количество часов в сутки;

3600 – число секунд в 1 часе;

- мощность системы теплоснабжения рассматриваемого здания.

3. Тепло, воспринимаемое приемником солнечной энергии в течение периода освещенности, рассчитывается по формуле:

где

облученность приемника;

коэффициент использования солнечной энергии приемником;

площадь поверхности приемника;

период освещения приемника солнцем в течение суток.

4. Тогда уравнение теплового баланса приемника солнечной энергии можно записать в виде:

или

5. Из этого уравнения можно определить площадь поверхности пластинчатого приемника солнечной энергии проточного типа F:

6. Расход воды через приемник солнечной энергии определяется по формуле:

где

- теплоемкость воды;

начальная и конечная температура рабочего тела (воды) со-

ответственно.

7. Расход воды в систему теплоснабжения здания рассчитывается по формуле:

8. Расход воды в аккумулятор тепловой энергии накопительного типа рассчитывается по формуле:

9. Емкость аккумулятора можно определить по формуле:

где

1000 кг/м³ – плотность воды.

Задача № 3

Тема: Типа тепловой схемы геотермальной электростанции бинарного типа

Геотермальная электростанция состоит из двух турбин:

· первая - работает на насыщенном водяном паре, полученном в расширителе. Электрическая мощность - ;

· вторая - работает на насыщенном паре хладона - R11, который испаряется за счёт тепла воды, отводимой из расширителя.

Вода из геотермальных скважин с давлением температурой поступает в расширитель. В расширителе образуется сухой насыщенный пар с давлением . Этот пар направляется в паровую турбину. Оставшаяся вода из расширителя идёт в испаритель, где охлаждается на и закачивается обратно в скважину. Температурный напор в испарительной установке 20 °С. Рабочие тела расширяются в турбинах и поступают в конденсаторы, где охлаждаются водой из реки с температурой . Нагрев воды в конденсаторе =10 °С, а недогрев до температуры насыщения = 5 °С.

Относительные внутренние КПД турбин = 0,8. Электромеханический КПД турбогенераторов = 0,95.

Определить:

· электрическую мощность турбины, работающей на хладоне - и суммарную мощность ГеоТЭС с учетом затрат энергии на насос, закачивающий геотермальную воду в скважину;

· расходы рабочих тел на обе турбины;

· расход геотермальной воды из скважины;

· КПД ГеоТЭС.

Исходные данные взять из таблицы 3 по вариантам.

 

 

Таблица 3. Исходные данные для задачи 3.

Вариант			°С
	1,0			0,25
	2,0			0,26
	2,5			0,27
	3,0			0,28
	3,5			0,29
	3,0			0,30
	2,5			0,20
	2,0			0,21
	1,5			0,22
	3,0			0,23
	2,5			0,31
	2,0			0,24
	1,5			0,26
	2,0			0,28
	2,5			0,22
	3,0			0,21
	2,5			0,23
	3,0			0,27
	3,5			0,22
	3,0			0,23
	2,5			0,31
	2,0			0,24
	1,5			0,26
	2,0			0,28
	2,5			0,22
	3,0			0,21
	2,5			0,23
	3,0			0,27
	3,5			0,22
	3,0			0,23
	4,0			0,31
	4,5			0,24
	5,0			0,26
	5,5			0,28
	6,0			0,32
	6,5			0,21
	7,0			0,33
	7,5			0,27
	8,0			0,32