Индивидуальное задание №1. (5 баллов:(2,7 выполнение/2,3 защита)) Расчёт солнечной электростанции башенного типа. Вариант № … Оформляете работу в письменном или печатном виде по образцу, согласно требованиям и стандартам ТПУ. В задаче должно быть: Титульный лист Условие задачи Исходные данные согласно варианту Схема установки Процесс в диаграмме (h-S, lg P……)(в зависимости от задачи ) Решение с формулами и числами Ответы полученных величин записываются с единицами измерения Вывод по задаче (Если требуется построить график, рисунок в задаче, либо свести, полученные результаты в таблицу, то приводится график, таблица) Алгоритм решения задачи: Расчет солнечной электростанции башенного типа На солнечной электростанции башенного типа установлено n гелиостатов, каждый из которых имеет площадь поверхности FГ . Коэффициент отражения гелиостата RОТР . Максимальная облученность зеркала гелиостата Е Г . Гелиостаты отражают солнечные лучи на приемник, на поверхности которого зарегистрирована максимальная энергетическая освещенность ЕПР . Коэффициент поглощения приемника АПОГЛ . Степень черноты приемника ПР . В приемнике нагревается и испаряется вода с температурой t0 . Давление рабочего тела составляет P0 . Полученный перегретый пар направляется в турбину мощностью N Э , работающую по циклу Ренкина. Давление пара за турбиной – PK . Относительный внутренний КПД турбины oi . Механический КПД и КПД электрогенератора соответственно: M 0,975 Г 0,985 . Работой сжатия в насосе, потерями тепла, собственными нуждами пренебречь. Определить: 1. расход пара на турбину, D0 , кг / с; 2. площадь поверхности приемника FПР и тепловые потери в нем QПОТ ; 3. энергию, полученную приемником от солнца через гелиостаты (кВт); 4. количество гелиостатов - n 5. как изменится мощность станции, если вместо ПТУ применить кремниевые преобразователи с КПД ФЭ 0,141 , занимающие ту же площадь, что и зеркала гелиостатов? Исходные данные взять из таблицы по вариантам для ИДЗ 1. ( Исходные данные - отдельный файл) Исходные данные: Записываете в виде таблицы исходных данных, прямо именно так , как в дано, втой же последовательности. Например: например Вариант А10 Поверхность гелиостата, FГ м2 67 Коэффициент отражения гелиостата, RОТР 0,82 Максимальная облученность зеркала гелиостата ЕГ, Вт/м2. 610 Максимальная энергетическая освещенность приемника, EПР, МВт/м2 1,94 Коэффициент поглощения приемника, АПОГЛ 0,95 Степень черноты приемника ПР 0,94 Начальная температура пара, t0, °С 485 Начальное давление пара, Р0, МПа 10,5 Мощность СЭС, NЭ, МВт 4,2 Конечное давление пара, РК, кПа 4,2 Относительный внутренний КПД турбины, OI 0,84 Температура окружающей среды, tос, °С 30 Перевод единиц можно не писать, но знать : P0 12 МПа *10 120бар PK 3кПа /100 0.03бар PK 3кПа /106 0.003МПа Решение: tос Рис.1. Схема солнечной электростанции башенного типа: 1 – солнечная башня, 2 – приемник, 3 – гелиостаты, 4 – паровая турбина 5 – электрогенератор, 6 – конденсатор, 7 – питательный насос 1. Расход пара на турбину: Пользуясь таблицей термодинамических свойств воды и водяного пара, определим следующие параметры: Можете пользоваться программой «H2O», но и уметь пользоваться h-Sдиаграммой обязательно! Рис.2.Процесс расширения пара в турбине в h-s диаграмме h0 f ( P0 ; t0 ) 3267 кДж/кг -находим(•)0, при пересечении Р0 и t0 ; s0 f ( P0 ; t0 ) 6.381 кДж/кг К ; hKt f ( PK ; s0 ) 1892 кДж/кг - опускаем перпендикуляр на изобару Рк, получаем (•)кt; hK ' f s ( PK ) 101 кДж/кг - это энтальпия из табл. II (h / )- параметры воды в состоянии насыщения. (hк (см. рис.2) можно не определять, в расчетах не участвует) К сведению: Погрешность нахождения энтальпии при проверке преподавателем: Для групп очной формы +- 10 кДж/кг Для групп заочной формы +- 20 кДж/кг Определим располагаемый теплоперепад на турбину: H 0 h0 hkt 3267 1892 1375 кДж / кг Определим действительный теплоперепад: Hi H 0 oi 1375 0,83 1141, 25 кДж / кг , oi задан Расход пара на турбину: D0 NЭ H i M Г 1,5 103 1,369 кг / с 1141, 25 0,975 0,985 2. Площадь поверхности приемника и тепловые потери в нем: Количество тепла, полученное приемником от солнца посредством гелиостатов: QПР QТУ QПОТ Расход тепла на турбоустановку: QТУ D0 (h0 hk' ) 1,369 (3267 101) 4334, 25 кВт Тепловые потери приемника: qПОТ qИЗЛ qКОНВ Удельные потери тепла с поверхности приемника за счет излучения рассчитываются по формуле: qИЗЛ Т 0 4 Т 0C 4 с0 ПР 100 100 , где Постоянная Больцмана с0 5, 67 Вт / м 2 К 4 εпр – задано (cтепень черноты) ; T0 и Тос подставлять в формулу в Кельвинах (t+273),К; Тепловые потери конвекцией определяются по формуле: qКОНВ (t0 tос ) , Вт/м2 где tо- начальная и tос- температура окружающей среды (заданы), а чтобы определить коэффициент теплоотдачи α , надо знать число Нуссельта (Nu), число Прандтля (Pr) и Грасгофа (Gr). Определяем число Грасгофа : Gr g t l 3 2 , безразмерная величина, где g- ускорение свободного падения, м/с2 β – коэффициент теплового расширения, β=1 / (tос+273), 1/град Δt – разность температур ( tо - tос), град l- характерный размер ( принять для всех l=1м) γ- коэффициент кинематической вязкости, м2/с (из табл.9 «Физические свойства сухого воздуха») Число Прандтля (Pr) определяем по табл.9 («Физические свойства сухого воздуха») при своей (tос) температуре окружающей среды. Таблица 9 – в конце файла Определяем число Нуссельта: Nu C (Gr Pr)n , где постоянные С и n зависят от режима свободного движения и условий обтекания поверхности и определяются из таблицы ниже. Брать, как вдоль вертикальной стенки (выделено жирным) (Gr· Pr) С n Условия движения 1·103 - 1·109… 0,75 0,25 Вдоль вертикальной стенки 6·1010 0,15 1/3 Вдоль вертикальной стенки 1·103 - 1·109… 0,5 0,25 На горизонтальной трубе Определяем коэффициент теплоотдачи свободной конвекцией α: Nu , Вт/м2град l λ-теплопроводность воздуха при tос (из таблицы 9 «Физические свойства сухого воздуха») l=1м характерный размер ( принять для всех, т.к. расчет потерь ведем с единицы длины ) Теперь можем расcчитать тепловые потери конвекцией: qКОНВ (t0 tос ) , Вт/м2 Тепловые потери приемника: qПОТ qИЗЛ qКОНВ QПОТ qПОТ FПР Произведем итерационный расчет, задаваясь значением площади приемника от 1 до 7 м2 и вычислим QПОТ Например: FПР 3 м 2 QПОТ qПОТ FПР 24364,5 3 73093,5 Вт QПР QТУ QПОТ 4334, 25 103 73090,5 4407344 Вт F 'ПР QПР 4407344 1,968 м 2 6 ЕПР 2, 24 10 FПР 2 м 2 QПОТ qПОТ FПР 24364,5 2 48729 Вт QПР QТУ QПОТ 4334, 25 103 48729 4382979 Вт F 'ПР QПР 4382979 1,957 м 2 6 ЕПР 2, 24 10 FПР 1,95 м 2 QПОТ qПОТ FПР 24364,5 1,95 47510,78 Вт QПР QТУ QПОТ 4334, 25 103 47510,78 4381760,78 Вт F 'ПР QПР 4381760,78 1,956 м 2 6 ЕПР 2, 24 10 Погрешность: ' FПР FПР 1,956 1,9 100% 0,31% 1% ' FПР 1,956 Погрешность не превышает допускаемого значения. 1%!!! 3. Энергия, полученная приемником от солнца через гелиостаты: Из предыдущих вычислений (см. п.2, FПР 1,95 м 2 ): QПР 4381760,78 Вт 4. Количество гелиостатов: Количество тепла, получаемое приемником через гелиостаты: QПР ЕГ n FГ RОТР AПОГЛ Подсчитаем количество гелиостатов: n QПР Вт ЕГ FГ RОТР AПОГЛ 4381760,78 10-6 141, 6 605 68 0,8 0,94 Округляем до целого числа: n 142шт. 5. Как изменится мощность станции, если вместо ПТУ применить кремниевые преобразователи, занимающие ту же площадь, что и зеркала гелиостатов? Для случая, когда вместо ПТУ применены кремниевые фотоэлементы, занимающие ту же площадь, что и зеркала гелиостатов, мощность солнечной электростанции рассчитывается по формуле: N ЭФ ЕГ n FГ ФЭ КПД кремниевого преобразователя: ФЭ 0,14 N ЭФ 605 142 68 0,14 106 0,82 МВт Очевидно, что при использовании кремниевых фотоэлементов мощность станции снижается почти в два раза, что обуславливается низким КПД преобразователей. Вывод: В ходе решения задачи получили расход пара на турбину, D0 , кг / с; площадь поверхности приемника FПР =… , тепловые потери приемника QПОТ =…; энергия, полученная приемником от солнца через гелиостаты QПР 4381760,78 Вт (кВт); количество гелиостатов - n =142 Расчеты показали, что использование ПТУ позволяет получить большую мощность СЭС, по сравнению с кремниевыми преобразователями, что обуславливается низким КПД последних. Таблица 9. Физические Теплопроводность свойства В таблице представлены теплопроводность и свойства (свойства в интервале температуры от -50 до 1200°С): воздуха сухого в зависимости воздуха. от температуры плотность, кг/м3; удельная (массовая) теплоемкость, кДж/(кг·град); коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град); вязкость динамическая, Па·с; вязкость кинематическая, м2/с; коэффициент температуропроводности, м2/с; число Прандтля. ПРИМЕЧАНИЕ: Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 2. Не забудьте разделить на 100! Таблица 9 приведена ниже: