Решение задач ИСТОЧНИКИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ РГАУ - МСХА им. К.А.Тимирязева

ЗАДАЧА № 1

На солнечной тепловой электростанции башенного типа установлено п гелиостатов, каждый из которых имеет поверхность F_г м². Гелиостаты отражают солнечные лучи на приемник в виде вакуумированного гелиоколлектора, на поверхности которого зарегистрирована максимальная энергетическая освещенность Н_пр = 2,5 МВт/м². Коэффициент отражения гелиостата R_г = 0,8; коэффициент поглощения приемника А_пр = 0,95. Максимальная облученность зеркала гелиостата H_г = 600 Вт/м². Определить количество тепловой энергии, передаваемой теплоносителю в гелиоколлекторе, предварительно рассчитав площадь поверхности приемника F_пр и тепловые потери в нем, вызванные излучением и конвекцией, если рабочая температура теплоносителя составляет t °С. Степень черноты приемника ε_пр = 0,95. Конвективные потери вдвое меньше потерь от излучения.

ЗАДАЧА № 2

Источником тепловой энергии могут быть традиционные углеводородные виды топлива или же в целях энергосбережения используются альтернативные источники энергии, например, солнечная энергия, улавливаемая солнечными панелями на крыше дома. Для отопления помещения в течение суток потребуется Q ГДж тепловой энергии. При использовании для этой цели солнечной энергии тепловая энергия может быть запасена в водяном баке-аккумуляторе. Циркулирующая в панелях вода после нагрева направляется в бак - аккумулятор, а оттуда насосом в отопительные батареи и к водоразборным кранам горячего водоснабжения. Допустим, что температура горячей воды t₁°С. Какова должна быть емкость бака аккумулятора (V_ат, м³), если тепловая энергия может использоваться в отопительных целях до тех пор, пока температура воды не понизится до t₂ °C? Величины теплоемкости и плотности воды взять из справочной литературы. Определить также продолжительность зарядки аккумулятора из предположения, что используется тепловой аккумулятор с внутренним рекуперативным теплообменником. Площадь поверхности теплообменника F = 12 м³, коэффициент теплопередачи α = 30 Вт/(м²∙К) процесс разогрева проходит в регулярном режиме нестационарной теплопроводности и температура в баке изменяется по закону экспоненты.

ЗАДАЧА № 3

Определить начальную температуру t₂ и количество тепловой энергии в виде геотермальной энергии (Е_o, Дж) водоносного пласта толщиной h км при глубине залегания z км, если заданы характеристики породы теплоносного пласта: плотность ρ_гр = 2700 кг/м³; пористость а = 5 %; удельная теплоемкость с_гр = 840 Дж/(кг·К). Температурный градиент (dT/dz) в °С/км выбрать по таблице вариантов задания. Среднюю температуру поверхности t₀ принять равной 10 °С. Удельная теплоемкость воды с_в = 4200 Дж/(кг·К); плотность воды ρ = 1·10³ кг/м³. Расчет произвести по отношению к площади поверхности F = 1 км². Минимально допустимую температуру пласта принять равной t₁ = 40 °С. Определить также постоянную времени извлечения тепловой энергии (возможное время использования источника тепловой энергии τo, лет) при закачивании воды в пласт и расходе ее V = 0,1 м³/(с·км²). Какова будет величина тепловой мощности, извлекаемой первоначально (dE/dz)_τ=0 и через 10 лет (dE/dz)_τ=10?

ЗАДАЧА № 4

Считается, что действительный КПД η океанической тепловой электростанции (ОТЭС), использующей температурный перепад поверхностных и глубинных вод (ΔT = T₁ − T₂) и работающей по циклу Ренкина, вдвое меньше термического КПД установки, работающей по циклу Карно (η^к_t). Определить возможную величину действительного КПД ОТЭС, рабочим телом которой является аммиак, если температура воды на поверхности океана t₁ °С, а температура воды на определенной глубине океана t₂ °С. Какой расход теплой воды (G, т/ч) потребуется для работы ОТЭС мощностью N МВт? При расчетах считать, что плотность воды 𝜌 = 1000 кг/м³, теплоемкость воды с_p = 4,2·10³ Дж/(кг∙К).

ЗАДАЧА № 5

Определить объем газогенератора-метантенка (V_мт, м³) и величину суточного выхода биогаза (V_г, м³) в энергетической установке, утилизирующей путем анаэробного сбраживания органические отходы фермы содержащей п коров. Также определить обеспечиваемую установкой тепловую мощность (N, Вт). Продолжительность цикла сбраживания составляет τ суток при температуре t_сбр = 35 °С; выход сухого сбраживаемого материала от одного животного идет со скоростью m = 2 кг/сут; удельный выход биогаза из сухой органической биомассы составляет υ_г = 0,24 м³/кг. Содержание метана в биогазе составляет f_м = 70 %. КПД используемого для сжигания биогаза горелочного устройства η. Плотность сухого материала, распределенного в массе газогенератора составляет ρ_сух ≈ 50 кг/м³. Теплота сгорания метана при нормальных физических условиях Q_н = 28 МДж/м³.