Механическое аккумулирование
Кинетическая энергия вращающегося тела Е равна: Е= I∙ω2/2, (7.1) где I - момент инерции тела относительно его оси вращения; ω - угловая скорость, рад/с Для однородного диска момент инерции равен: I = m∙a2, (7.2) где m - масса диска; а - радиус диска. Плотность энергии, запасаемой однородным диском: Wм = Е/m = a2∙ω2/2, (7.3) Время между зарядками маховика: t = E/P, c, (7.4) где - Е (Дж), Р (Дж/с) ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ
Потери тепла трубопроводом определяются выражением: Рт = - λ∙А∙∆Т/х, (8.1) где λ - коэффициент теплопроводности, Вт/м∙К; А - площадь, ∆Т - разность температур; х - толщина изоляции, м.
ОПРЕСНЕНИЕ ВОДЫ
В пустынных районах необходимо снабжение питьевой водой, пресной водой для полива и т.д. Многие пустынные районы имеют подземные запасы солёной воды и обычно, дешевле опреснять воду, чем её привозить. Так как в пустынях облучённость поверхности Земли высокая, можно использовать солнечную энергию для опреснения воды. Самым простым устройством является солнечный дистиллятор – бассейн (рис.9.1). Он состоит из неглубокого бассейна с чёрными стенками и дном, заполненного водой и накрытого прозрачной паронепроницаемой крышкой. Крышка наклонена по направлению к потоку излучения. Поток солнечной энергии, прошедший через крышку, нагревает воду, часть которой испаряется. Водяной пар поднимается вверх и конденсируется на холодной крышке. Затем капли сконденсированной влаги скатываются в приёмный жёлоб.
где qис – теплоперенос при испарении. Удельный радиационный поток определится: qи = 4σв [(Тв + Тд)/2]3∙ (Тв – Тд), (9.2) где Тд – температура крышки; Ϭв – постоянная Стефана – Больцмана.
Конвективный тепловой поток запишем в виде: qк = к∙ (Тв – Тд), (9.3) где к– коэффициент теплопередачи Вт/(м2∙ К). Результирующий тепловой поток на единицу площади: qк= 2∙ρ∙∙С∙ (Q/A) ∙ΔТ (9.4) Множитель 2 появляется вследствие того, что происходит движение нагретого пара вверх и охлаждённого вниз. Результирующую массу пара m΄, которая переносится через единицу площади в единицу времени представим в виде: W= m′/A= 2∙ (Q/A)Δχ = hк∙ρ-1∙c-1∙Δχ, (9.5) где χ – концентрация пара. Тепловой поток через единицу площади, возникающий вследствие испарения воды, равен: qт=W∙r, (9.6)
где r– удельная теплота парообразования воды. Для дистиллятора, показанного на рис.9.1: qт = к∙М∙ρ-1 c-1∙ [χ(Тв) –χ(Тд)]. (9.7)
Для размера х: к = Nu∙λ/x (9.8)
λ – теплопроводность воздуха (≈ 0,03 Вт/м.к.)
к = 0,062 (x/ λ) Ra 1/3, (9,9)
число Рэлея Ra = g∙ β∙ x3 (Tв – Tд) λ -1∙ υ-1 (9.10)
Здесь (ρ, λ и т.д.)можно пользоваться данными для сухого воздуха. Доля тепла, идущего на испарение, быстро возрастает при увеличении температуры воды.
ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ Сухие скальные породы.
Рис. 10.1. Структура системы из сухих горных пород. Плотность ρ, удельная теплоёмкость с, температурный градиент dT/dz = Ж; А – площадь; То – поверхностная температура; Т1 – минимальная полезная температура;
Т2 – температура на максимальной глубине. Полное полезное теплосодержание скального грунта до глубины равно: Ео = ρг∙A∙cг∙Ж∙ (z2 – z1)2/2 (10.1.) Пусть средняя температура горячих скальных пород равна θ,тогда, θ = (Т2 – Т1)/2 = Ж∙ (z2 – z1)/2 (10.2.) В этом случае Ео = Сг∙θ, где Сг – теплоёмкость горных пород, залегающих в слое между z1 и z2: Сг = ρг∙A∙cг∙ (z2 – z1). (10.3) Допустим, что тепло извлекается из пород равномерно, пропорционально температуре, с помощью потока воды, имеющего объёмный расход Q. плотность ρв, удельную теплоёмкость св. В этом процессе вода нагревается до температуры θ.
θ = θо∙е-t/τ. (10.4.)
Е = Ео∙е-t/τ. (10.5.)
Постоянная времени τ определяется следующим образом:
τ = ρв∙А∙сг∙ (z2 – z1)/(Q∙ρв∙св). (10.6.)
Естественные водоносные пласты. Рис. 10.2. Профиль горячего водоносного слоя. В случае естественных водоносных пластов, залегающих на значительной глубине, источник тепла лежит внутри слоя воды. Часть пласта занята порами (коэффициент пористости р), остальное пространство занято скальной породой с плотностью ρr. Предположим, что толщина водоносного слоя (h) много меньше глубины его залегания (z2) и что соответственно температура всей массы жидкости равна Т2. Минимальная полезная температура равна Т1. Характеристики источника тепла определяются так, как это делалось для сухих скальных пород. Т2 = То+ (dT/dz) ∙z = To +Ж∙z, (10.7.) Eo/A = Cг∙ (T2 – T1), (10.8.) где Сг = [р∙ ρв∙св + (1 – рٰ)∙ρ∙гcг] ∙h. (10.9.) Определим отбор тепла при объёмной скорости Q и величине θ, превышающейТ1 Q∙ρв∙св∙θ = - Сг∙dθ/dt. (10.10) Е = Еоехр(-t/τа), (10.11.) τа = Сг/(Q∙ρв∙св) = [р∙ρв∙св+ (1 – р) ∙ρг∙cг]h/(Q∙ρв∙св). (10.12.) ЭНЕРГИЯ ПРИЛИВА
Приливной потенциал Эпот. определяется по формуле Л.Б. Бернштейна:
Эпот. = 1,97∙ 106∙ Rср2F кВт – ч, (11.1)
где Rср – средняя величина прилива, м; F – площадь бассейна, км2.
ЗАДАЧИ Задача 1. Использование солнечной энергии для отопления «чёрного солнечного дома» «Чёрный солнечный дом» с большим окном с южной стороны размером Н∙L (высота∙длина) и массивной зачернённой стенкой с северной стороны. Толщина поглощающей стенки, изготовленной из бетона (в), его плотность ρ = 2,4∙103кг/м3, коэффициент пропускания стекла τп = 0,9, коэффициент поглощения стенки αп = 0,8.
Определить: Какой требуется поток солнечного излучения, чтобы нагреть воздух в комнате на 20 °С градусов выше наружного. Температуру воздуха в доме в 8 часов утра, т. е. через 16 часов. Температура наружного воздуха Т1 = 0 °С градусов. Теплоёмкость бетона с = 840 Дж/кг∙К. Удельное термическое сопротивление потерям тепла из комнаты наружу через стекло r = 0,07м2∙К/Вт. Таблица 1.
Задача 2. Используя формулу Л.Б. Бернштейна оценить приливной потенциал бассейна Эпот. Дано: Площадь бассейна, F∙ 103 км2; Средняя величина прилива, R,м. Таблица 2.
Задача 3. Размеры плоского пластинчатого нагревателя Н∙L (ширина∙длина), сопротивление теплопотерям r = 0,13м2∙К/Вт, коэффициент теплопередачи а = 0,85. Коэффициент пропускания стеклянной крышки τ= 0,9. Коэффициент поглощения пластины α п= 0,9. Температура входящей в приёмник жидкости Т2. Температура окружающего воздуха Т1, поток лучистой энергии G, Вт/м2, теплоёмкость воды, с = 4200, Дж/(кг∙ ͦ С). Определить: - скорость прокачки, которая необходима для повышения температуры на t градусов; -насос работает и ночью, когда G = 0. Как будет снижаться температура воды за каждый проход через приёмник (Т3, Т2). Необходимо учитывать среднюю температуру проходящей жидкости tср.
Таблица 3
Задача 4. Плотность потока излучения, падающего на солнечную батарею, составляет G, Вт/м2, КПД, η %. Какую площадь F должна иметь солнечная батарея с КПД η и мощностью Р, Вт. Таблица 4.
Задача 5. Солнечная батарея состоит из (n) фотоэлементов, мощность каждого 1,5 Вт, размер 20∙30 см. Определить КПД (η) солнечной батареи, если плотность потока G Вт/м2. (Дано в табл. 5)
Таблица 5.
Задача 6. Площадь солнечной батареи S, cм2, плотность потока į, А/см2 Плотность излучения G, Вт/м2 Определить ЭДС в солнечной батарее при КПД η. (Дано в табл. 6)
Таблица 6
Задача 7.
Небольшая домашняя осветительная система питается от аккумуляторной батареи напряжением U, В, заряженной до ёмкости С, А/часов. Освещение включается каждый вечер на 4 часа, потребляемый ток I, A. Какой должна быть солнечная батарея, чтобы зарядить аккумулируемую батарею, если известно, что кремниевый элемент имеет ЭДС Е = 0,5 В. Для того, чтобы зарядить аккумуляторную батарею, необходимо подать ток напряжением выше на 20 %. То же самое относится и к ёмкости батареи.
Таблица 7.
Задача 8. Приёмник расположен на теплоизоляторе с коэффициентом теплопроводности λ, Вт/м∙К удельное термическое сопротивление поверхности приёмника r = 0,13 м2∙К/Вт. Определить какой толщины требуется изоляция, чтобы обеспечить термическое сопротивление дна, равное сопротивлению поверхности. Таблица 8.
Задача 9. Определить температуру трубки Ттр вакуумированного приёмника, если внутренний диаметр трубки d, см, поток солнечной энергии G, Вт/м2, температура среды Тср, сопротивления потерям тепла R = 10,2 К/Вт, коэффициент пропускания стеклянной крышки β = 0,9, коэффициент поглощения (доля поглощённой энергии), αп= 0,85. Таблица 9.
Задача 10. Содержание влаги в собранном рисе W, %. При температуре воздуха Т2 = 30 °С и относительной влажности φ= 80%, равновесная влажность Wр = 16%, плотность влажного воздуха ρ = 1,15кг/м3, удельная теплота парообразования воды r= 2.4МДж/кг. Рис необходимо высушить до Wк = 16%. Подсчитать, какое количество воздуха при температуре сушки t, °С, необходимо, чтобы просушить М, кг. риса. Таблица 10.
Задача 11. Площадь солнечного дистиллятора В∙L,м2. Поток излучения составляет G,МДж/м2 в день. Удельная теплота парообразования воды r = 2,4 МДж/кг. Определить производительность дистиллятора. Таблица 11.
Задача 12.
Небольшой хорошо изолированный дом требует среднего внутреннего расхода тепла Q, КВт. Вместе с дополнительным теплом от освещения это обеспечивает поддержание внутренней температуры 20°С. Под домом находятся аккумулятор горячей воды в виде прямоугольной ёмкости, верхней частью которой служит пол дома S,м2. Аккумулятор теряет тепло в процессе охлаждения от 60 до 40°С в течение τ, суток. Потеря тепла происходит только через пол.
Определить: Глубину ёмкости, м; Термическое сопротивление, К/Вт; Толщину покрытия верхней крышки ёмкости, см; Плотность энергии, запасённой в аккумуляторе. Таблица 12.
Задача 13. Радиус ветроколеса R. Скорость ветра до колеса V0,м/с, после колеса V2, м/с. Определить скорость ветра в плоскости ветроколеса V1, мощность ветрового потока Р0, Мощность ветроустановки Р и силу F, действующую на ветроколесо. Плотность воздуха r = 1,2кг/м3. Таблица 13.
Задача 14. Активная гидротурбина с одним соплом (n = 1) мощностью Р и рабочим напором Н. Угловая скорость ω, при которой достигается максимальный КПД η =0,9. Определить диаметр D колеса турбины и угловую скорость ω. Таблица 14.
Задача 15. Определить объём биогаза, получаемого с помощью биогазогенератора, утилизирующего навоз n коров, и обеспечиваемую им мощность. Подача сухого сбраживаемого материала от одного животного идёт со скоростью Vm, кг/сутки, выход биогаза составляет С м3/кг, эффективность горелочного устройства 0,6. Содержание метана в получаемом биогазе f. Время пребывания очередной порции в биогенераторе tг.
Таблица 15.
Задача 16. Трубопровод диаметром D используется для подачи тепла на расстояние L, м. Qн изолирован с помощью теплоизоляционного материала с коэффициентом теплопроводности λ, толщина изоляции Х. Определить потери тепла вдоль трассы, если температура окружающего воздуха Тср, а пар имеет температуру 100 °С.
Таблица 16.
Задача 17. Избыточная энергия аккумулируется с помощью маховика. Маховик разгоняется с помощью электродвигателя, подключенного к сети. Маховик представляет собой сплошной цилиндр массой М, кг, диаметром D, см. и может вращаться с частотой n, 1/мин. Определить: Какова кинетическая энергия маховика при максимальной скорости. Каково среднее значение время между подключениями электродвигателя для зарядки, если средняя мощность, потребляемая автобусом, составляет Р, кВт.
Таблица 17.
Задача 18 Разлитое в бутылки молоко пастеризуется в потоке горячей воды (70°С) в течение 10 мин. Для качественной пастеризации необходимо на каждую бутылку подавать по 50 л. горячей воды. Вода циркулирует так, что минимальная температура составляет 40°С. Используется солнечная энергия для подогрева воды. Определить минимальную требуемую площадь приёмника в отсутствие потерь, если производительность завода 65000 бутылок за 8 часовую рабочую смену. Облучённость приёмника G = 20 МДж/м2 за 8 часов, τ = 1; α = 1; r = ∞. Таблица 18
Задача 19 Каковы период, фазовая скорость и мощность волны на глубокой воде при длине волны λ = 100м и амплитуде а = 1,5м. Таблица 19
Задача 20 Рассчитайте полезное теплосодержание Е0 на 1 км2 сухой скальной породы (гранит) до глубины z, км. Температурный градиент равен ∆Т= 40°С/км. Минимальная допустимая температура, превышающая поверхностную, 140К, плотность гранита, ρг = 2700кг/м3, теплоёмкость гранита сг = 820Дж/(кг∙К). Чему равна постоянная времени, τ, извлечения тепла при использовании в качестве теплоносителя воды, если объёмная скорость v = 1м3/(с∙км2)? Каковы скорости извлечения тепла – первоначальная и через 10 лет? Таблица 20
Задача 21 Определить начальную температуру t2 и количество геотермальной энергии Е0 (Дж) водоносного пласта толщиной h км при глубине залегания z км, если заданы характеристики породы пласта: плотность ρгр = 2700кг/м3; пористость а %; удельная теплоёмкость сгр = 840 Дж/(кг∙ К). Температурный градиент (dT/dz) =°С/км. Среднюю температуру поверхности t0 принять равной 10°С. Удельная теплоёмкость воды св = 4200 Дж/(кг∙ К); плотность воды ρ = 1∙ 103кг/м3. Расчёт прoизвести по отношению к плоскости поверхности F км2. Минимально допустимую температуру пласта принять равной t1 = 40°С. Площадь F = 1км2. Определить постоянную времени извлечения тепловой энергии τ0(лет) при закачивании воды в пласт и расходе её V= м3/(с км2). Какова будет тепловая мощность, извлекаемая первоначально (dE/dτ)τ = 0 и через 10 лет?
Таблица 21
Задача 22. На солнечной электростанции башенного типа установлено n гелиостатов, каждый из которых имеет поверхность Fг. Гелиостаты отражают солнечные лучи на приёмник, на поверхности которого зарегистрирована максимальная энергетическая освещённость Hпр. Коэффициент отражения гелиостата Rг = 0,8, коэффициент поглощения αпог = 0,95. Максимальная облучённость зеркала гелиостата Gг. Рабочая температура теплоносителя составляет t°C. Степень черноты приёмника eпр = 0,95. Конвективные потери вдвое меньше потерь от излучения. Коэффициент излучения абсолютно чёрного тела С0 = 5,67 Вт/(м2К4). Таблица 22
Задача 23
На острове нет источника пресной воды для населения, бытовых нужд и сельского хозяйства. Пресную воду можно получить, опресняя морскую солёную воду. Опреснить воду можно, используя электроэнергию, но на острове нет достаточно мощной электростанции. Электроэнергией население и бытовые нужды обеспечивает ветропарк и резервная дизельная электростанция небольшой мощности. Предлагается использовать солнечную энергию, так как на острове достаточное число солнечных дней. Рассчитать площадь солнечного опреснителя S, м2 при годовой потребности в пресной воде V,тыс. тонн в год. Интенсивность солнечного излучения М, тыс. МДж/год, число солнечных дней в году – 300, удельная теплота парообразования воды – 2,4 МДж/кг, КПД – η = 0,85 Таблица 23
Примеры решения задач К задаче 1. Использование солнечной энергии для отопления «чёрного солнечного дома» «Чёрный солнечный дом» с большим окном с южной стороны размером H∙ L (высота∙длина) и массивной зачернённой стенкой с северной стороны. Толщина поглощающей стенки, изготовленной из бетона (в), его плотность ρ=2,4∙103кг/м3. Определить: Какой требуется поток солнечного излучения, чтобы нагреть воздух в комнате на 20 °С градусов выше наружного. Температуру воздуха в доме в 8 часов утра, т. е. через 16 часов. Температура наружного воздуха Т1 = 0 °С градусов. Теплоёмкость бетона с = 840 Дж/(кг∙К). Удельное термическое сопротивление потерям тепла из комнаты наружу через стекло r = 0,07м2∙К/Вт; α – коэффициент поглощения стенки, 0,8;τ - коэффициент пропускания стекла, 0,9; плотностьбетона,2700кг/м3; площадь окна равна площади бетонной стенки. . Решение τ∙α∙G = (Tr – Ta)/r, где r- термическое сопротивление потерям тепла из комнаты наружу вертикального окна с одним стеклом, 0,07м2К/Вт; Та – наружная температура,οС; Тr – температура в комнате,οС; τ – коэффициент пропускания стекла, 0,9; α – коэффициент поглощения стенки, 0,8; G – поток солнечного излучения. G = 20οC/(0,07∙0.9∙0.8) = 400Вт/м2 Такую облучённость можно ожидать в ясный солнечный зимний день. При G = 0 dTr/dt = -(Tr – T<
Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|