- •Возобновляемые источники энергии Учебное пособие для вузов
- •1. Введение
- •2. Сведения из сопутствующих технических дисциплин
- •2.1. Закон сохранения энергии, уравнение Бернулли.
- •2.2. Закон сохранения количества движения
- •2.3. Вязкость
- •2.4. Турбулентность
- •2.5.Трение при течении в трубах
- •3. Теплоперенос
- •3.1. Метод тепловой цепи и терминология
- •3.2. Теплопроводность
- •3.3. Конвективный теплообмен
- •3.4. Радиационный перенос
- •3.5. Свойства прозрачных веществ
- •3.6. Теплоперенос посредством теплоносителя
- •3.7. Смешанный теплоперенос и его тепловая цепь
- •4. Солнечное излучение
- •4.1. Космическое солнечное излучение
- •4.2. Геометрия Земли и Солнца
- •5. Нагревание воды солнечным излучением
- •5.1. Расчёт теплового баланса
- •5.2. Открытые нагреватели
- •5.3. Закрытые нагреватели
- •5.4. Системы с изолированным накопителем.
- •5.5.Селективные поверхности.
- •5.6. Вакуумированные приёмники
- •6. Другие применения солнечной энергии
- •6.1. Подогреватели воздуха
- •6.2. Зерносушилки
- •6.3. Солнечные отопительные системы
- •6.4. Охлаждение воздуха
- •6.6. Опреснение воды
- •6.7. Солнечные пруды
- •6.8. Концентраторы солнечной энергии
- •6.9. Солнечные системы для получения электроэнергии.
- •7. Фотоэлектрическая генерация.
- •7.1. Поглощение фотонов.
- •8. Энергия ветра
- •8.1. Ветроэнергетический кадастр
- •8.2. Классификация ветроустановок
- •8.3. Основы теории ветроэнергетических установок. Преобразование энергии ветра
- •8.4. Лобовое давление на ветроколесо
- •8.5.Крутящий момент.
- •8.6. Характеристики ветра.
- •8.7. Использование ветроколесом энергии ветра.
- •8.8. Удельные мощность и энергия ветрового потока.
- •8.9. Производство механической работы.
- •9.Гидроэнергетика.
- •9.1. Основные принципы использования энергии воды.
- •9.2. Активные гидротурбины.
- •9.3. Размер струи и размер сопла.
- •9.4. Размер колеса турбины и его угловая скорость.
- •9.5. Реактивные гидротурбины.
- •9.6. Гидроэлектростанции.
- •10. Геотермальная энергия.
- •11. Энергия Мирового океана.
- •11.1. Энергия приливов и отливов.
- •1 1.2. Основы теории приливов.
- •11.3. Мощность приливных течений.
- •11.4. Энергия волн.
- •11.5. Энергия и мощность волны.
- •11.6. Отбор мощности от волн.
- •11.7. Утка Солтера.
- •11.8. Преобразование тепловой энергии океана.
- •12. Энергия биомассы.
- •12.1. Классификация основных типов процессов, связанных с переработкой биомассы.
- •12.2. Производство биомассы для энергетических целей.
- •12.3. Сжигание биотоплива для получения тепла.
- •12.4. Пиролиз (сухая перегонка).
- •12.5. Получение биогаза путём анаэробного сбраживания.
- •13. Аккумулирование и передача энергии на расстояние.
- •Литература
2.3. Вязкость
Касательное напряжение τ (сила, действующая на единицу площади в направлении вдоль пластины) равно
τ = µ*(du/dy), (2.8)
где du/dy – изменение скорости поперёк трубы;
µ- динамическая вязкость потока, Н*см -2.
Эта вязкость определяется только составом и температурой жидкости и не зависит от τ и du/dy. В несжимаемой жидкости картина течения определяется кинематической вязкостью υ.
υ = µ/ρ,м2/с. (2.9)
2.4. Турбулентность
Турбулентное движение жидкости является следствием неустойчивости быстрых течений.
Характер течения определяется отношением инерционных сил (пропорциональных количеству движения) к вязким силам. Это отношение называется числом Рейнольдса:
Re=u*X/υ, (2.10)
где u – среднее значение скорости течения, м/с;
Х- характерный размер (например, диаметр трубы);
Течение в трубах становится турбулентным при Re=≥ 2300.
Рис. 2.2. Траектории жидкости при ламинарном (а) и турбулентном (б) режимах течения.
2.5.Трение при течении в трубах
Если считать, что в любом сечении трубы картина течения будет одинаковой, то работа против сил трения пропорциональна длине трубы L. Из уравнения Бернулли (2.3) видно, что величина (1/2)ρ*u2 имеет ту же размерность, что и Δр:
Δр= ξ(L/D)*(ρ*u2) , (2.11)
где ξ- безразмерный коэффициент сопротивления трубы, показывающий чему равна работа сил давления по преодолению трубы (Δр) в сравнении с кинетической энергией потока единичного поперечного сечения (1/2ρu2);
L – длина; D – диаметр; ∆р – перепад давлений.
3. Теплоперенос
В основе действия большинства возобновляемых источников энергии, даже не являющихся непосредственно тепловыми, как, например, солнечные, геотермальные и биологические, лежат процессы теплопереноса. Совокупность взаимосвязанных тепловых процессов – это единая «тепловая цепь».
3.1. Метод тепловой цепи и терминология
Поместим в закрытое холодное помещение ёмкость с горячей водой, при этом температура вне помещения ещё ниже, чем в помещении. Тепловой поток в этом
случае будет направлен от горячей ёмкости в холодное окружающее пространство (рис.3.1).
Рис. 3.1.Т1 –Т4 –температуры соответственно бака, внутренней и наружной поверхности стен и наружного воздуха.
Пол и потолок абсолютно не теплопроводны. От горячей ёмкости тепло передаётся стенам за счёт излучения (радиации) и конвекции. Через стены тепло передаётся теплопроводностью, а далее в окружающее пространство, за счёт конвекции и излучения. Последовательность этих процессов теплопереноса и есть «тепловая цепь». Каждый процесс в тепловой цепи можно представить в виде:
Ргх=(Тг -Тх)/Rгх, (3.1)
где Ргх – тепловой поток от горячей поверхности с температурой Тг к холодной Тх, а Rгх – термическое сопротивление, зависящее от температуры.
Если направление теплового потока определено, (3.1) запишем в виде:
Ргх = ΔТ/Rгх (3.2)
При определении полного термического сопротивления тепловой поток от горячей ёмкости будет определяться только значениями температур Т1 и Т4. Вместо параметра Р
удобнее использовать q – плотность теплового потока (тепловой поток на единицу площади).
q= ΔT/r; Р=q*A=T/(r/A) (3.3)
Отсюда,
Rт=r/A, K/Вт, r=Rт*A ,м2К/Вт, (3.4)
где r- удельное термическое сопротивление.
В общем случае:
q= h*ΔT, (3.5)
где h- коэффициент теплопередачи или теплоотдачи, Вт/(м2К),
h=1/r. (3.6) Индексы для R, r или h: т – для теплопроводности; к – для конвекции; и – для излучения (радиации); m – для теплопереноса, обусловленного движением жидкости непосредственно.