CC BY
68
УДК [621.548:621.311.24]:[532:536.24]
ББК 31.62:35.111
Н. Д. Шишкин, Е. А. Манченко, В. С. Герлов
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕТРОТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ
N. D. Shishkin, Е. A. Manchenko, V. S. Gerlov
ANALYTICAL STUDY OF PARAMETERS OF MECHANICAL WIND HEAT GENERATORS
В ряде случаев солнечная и ветровая энергия используются совместно для выработки электрической и тепловой энергии комбинированными солнечно-ветровыми установками (КСВУ).
Одним из основных элементов КСВУ является механический ветротеплогенератор (МВТ), в котором механическая энергия ветрового потока превращается в теплоту. Аналитические исследования гидродинамики и теплообмена при прямом превращении механической энергии в теплоту за счет трения слоев высоковязкой жидкости между вращающимися и неподвижными дисками позволили получить формулы для определения мощности МВТ в зависимости от конструктивных, эксплуатационных параметров МВТ, свойств высоковязкой жидкости, используемой в теплогенераторе, а также избыточной температуры подогрева в МВТ и времени процесса подогрева.
Ключевые слова: солнечно-ветровая установка, механический ветротеплогенератор, мощность ветротеплогенератора, температура подогрева, время подогрева.
In some cases, solar and wind energy are used together to produce power and heat energy with combined solar-wind installations (CSWI). One of the key elements of the CSWI is the mechanical wind heat generator (MWHG), in which the mechanical power of the wind flow is converted into heat. Analytical researches of hydrodynamics and heat transfer by direct conversion of mechanical power into heat by friction of layers of highly viscous fluid between rotating and stationary discs helped obtain formulas for determining the power of the MWHG depending on the design, MWTG operating parameters, features of highly viscous fluid used in the heat generator, and excessive heat temperature in the MWHG and time of heating process.
Key words: solar-wind installation, mechanical wind heat generator, power of wind heat generator, heating temperature, heating time.
В настоящее время все более широкое применение находят децентрализованные системы энергоснабжения с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) - чаще всего солнечной и ветровой [1-5]. В ряде случаев солнечная и ветровая энергия используются совместно для выработки электрической и тепловой энергии отдельными или комбинированными солнечно-ветровыми установками (КСВУ) [6, 7]. Одним из основных элементов КСВУ является механический ветротеплогенератор (МВТ), в котором механическая энергия ветрового потока превращается в теплоту. В качестве привода механического теплогенератора (МТ) может быть использован ветродвигатель ортогонального типа с 2-6 полуцилиндрическими лопастями, вертикальными лопастями крылового профиля или комбинированный ветродвигатель на основе этих двух типов ветродвигателей [8].
Однако до настоящего времени не исследована гидродинамика и теплообмен при преобразовании механической энергии в тепловую в МТ за счет трения высоковязкой жидкости. В частности, отсутствуют аналитические зависимости для определения параметров МТ и динамики подогрева высоковязкой жидкости в МТ. Таким образом, достаточно актуальными представляются задачи аналитического исследования гидродинамики и теплообмена при преобразовании механической энергии в тепловую в МТ за счет трения высоковязкой жидкости.
Рассмотрим гидродинамику и теплообмен при прямом превращении механической энергии в тепловую в зазорах между вращающимися и неподвижными дисками МТ. В отличие от известной работы по исследованию МТ с маловязкой жидкостью (водой), работающего при турбулентном режиме [9], предполагается ламинарный режим течения высоковязкой жидкости в зазорах между вращающимися и неподвижными дисками. Расчетная схема МТ показана на рис. 1.
Зазор между подвижными и неподвижными дисками а предполагается постоянным, диаметр вала теплогенератора . на порядок меньше диаметра дисков (диаметра корпуса теплогенератора) £>т,. а динамическая вязкость жидкости цж принимается независящей от температуры. Процесс превращения механической энергии в тепловую можно в первом приближении считать адиабатным.
У К,
Рис. 1. Расчетная схема механического теплогенератора
По закону сохранения и превращения энергии и первому закону термодинамики для адиабатного процесса, тепло, выделяемое МТ за счет сил внутреннего трения в единицу времени на расстоянии г от оси вращения диска, может быть определено по формуле
1 = Кю dM ,
(1)
где К - количество зазоров между вращающимися и неподвижными дисками; ю - угловая скорость вращения диска; .М - момент силы трения, равный среднему значению вращающего момента ветродвигателя.
Количество зазоров между вращающимися и неподвижными дисками
К = HТГ / (a + b),
(2)
где НТ - высота корпуса МТ; а - средняя толщина зазора между вращающимися и неподвижными дисками.
Момент сил трения в зазорах на расстоянии г от оси вращения диска
dMТГ = 2т r dr .
(3)
Так как давление р, приложенное к левой и правой граням элемента жидкости в зазоре, одинаково, то для равновесия сил необходимо, чтобы касательное напряжение на нижней и верхней гранях было бы также одинаковым, т. е. т = const. По закону Ньютона, для внутреннего трения касательное напряжение
т = - pdv / dy = С,
(4)
где ц - динамический коэффициент вязкости; V - скорость жидкости в зазоре; $ - вертикальная координата.
Знак минус взят потому, что при .$ > 0, .V <0. После интегрирования уравнения (4) получим, что скорость жидкости в зазоре
м
V = —Су / ц + С%.
Постоянные С и С] найдем, учитывая, что на границах потока жидкости при у = 0 V = и, при = а V = 0, где и - окружная скорость диска, м/с.
Отсюда константа С% = и и касательное напряжение, н/м2,
х = С = ци/а. (5)
Подставляя формулы (3) и (5) в формулу (2) и учитывая известное соотношение между линейной и и угловой скоростью ю, получим
2лцю2 Нмт гъ.г
___________'мт ‘
'мг
(6)
(а + Ь)а
откуда после интегрирования получим формулу для расчета тепловой мощности:
О ^2 тт л/2 2 тт / т~\4 т4\
I = 2лцю л мт Г г ъ.г = лцю л мт (Амт — .в)
мт (а +1) а .Г2 8 (а +1) а
где Амт - внутренний диаметр корпуса теплогенератора, практически равный диаметру дисков; .в - диаметр вала, к которому присоединены диски.
Учитывая, что .В ^ , а также принимая во внимание известное соотношение между
угловой скоростью ю и частотой вращения вала МТ пш (1/с) ю = 2 л п Амт , окончательно получаем мощность рассматриваемого многодискового МТ:
е= л пмгц Нмт Амт = КП Р пмт Амт (Нмт ) (#)
мт = -л/ , тч = о ^ ), (/)
32(а + Ь)а 8 Амт
л3 V
где КП =------------------------коэффициент, характеризующий удельные потери на трение между под-
4 (а +1) а
вижными и неподвижными дисками; V - кинематический коэффицент вязкости.
Как видно из формулы (7), наиболее сильное влияние на момент сил трения и выделение теплоты во фрикционном генераторе оказывают диаметры дисков Амт , практически равные
диаметру корпуса теплогенератора Акмт , а также частота вращения пмт , толщина зазоров меж-
ду дисками а.
В [9] получена аналогичная формула для однодискового теплогенератора:
I = К р птг Ат (8)
Утг = 8 . (8)
Отличие в формулах (7) и (8) заключается в том, что коэффициент КП учитывает потери на трение в нескольких тонких слоях высоковязкой жидкости, нагреваемой в промежутках между подвижными и неподвижными дисками при ламинарном движении, а коэффициент К, так называемый коэффициент дискового трения при турбулентном течении, зависит от шероховатости поверхности и относительной ширины бокового зазора между диском и корпусом. Кроме того, полученная нами формула (7) учитывает относительную высоту корпуса теплогенератора.
В [10, 11] расчетная мощность мешалок различных типов, практически равная тепловой мощности, т. к. при перемешивании механическая энергия превращается в тепловую, определяется по формуле, аналогичной формуле (8):
1м = К Р «X, (9)
где Ки - критерий мощности, зависящий от типа мешалки и центробежного критерия Рейнольдса Яем ; . - диаметр перемешивающего устройства.
Существует 15 типов механических мешалок, основные из них приведены на рис. 2.
Рис. 2. Схемы основных типов мешалок: а - лопастная; б - якорная; в - пропеллерная (винтовая); г - турбинная
Характерной особенностью этих мешалок, отличающей их от конструкций одно- и многодисковых мешалок, являются существенно меньшие относительные диаметры: .м/Им = = 0,25- 0,33 ^ Вт / «1,0 . Поэтому в соответствии с формулами (7)-(9) выделение тепла при рабо-
те мешалок будет в 102-103 раз меньше, чем при работе одно- и многодисковых теплогенераторов.
Таким образом, аналитическое исследование гидродинамики и теплообмена при прямом превращении механической энергии в тепловую в зазорах между вращающимися и неподвижными дисками механических теплогенераторов позволило получить зависимость (7), которая может быть использована для расчета их основных конструктивных размеров и эксплуатационных параметров. Следует, однако, отметить, что необходима экспериментальная проверка и уточнение полученной зависимости. Кроме того, необходимо экспериментально проверить, действительно ли многодисковый теплогенератор более эффективен, чем перемешивающие устройства основных типов при соотношении диаметров .м / Ом « 1,0.
Процесс подогрева высоковязкой жидкости в механическом теплогенераторе может быть описан дифференциальным уравнением теплового баланса:
|ТГ .х = свж "ТГ .3 + "мТ $@ТГ .х, (10)
где х - время процесса подогрева; свж , рвж - удельная теплоемкость и плотность высоковязкой жидкости; "ТГ, @ТГ - объем и площадь поверхности корпуса теплогенератора; 3 - избыточная температура жидкости; "ТГ - коэффициент теплопередачи от высоковязкой жидкости в теплогенераторе к теплоносителю в баке-аккумуляторе теплоты.
Разделив правую и левую части уравнения (10) на объем "ТГи введя такие величины, как объемная плотность теплового потока в МТ qТГ = |мт / "мт и геометрический коэффициент МТ Рмт = @мт }"мт,получим
^т .х = Свж рвж .3 + "ггРмТ3 .х.
Разделив переменные и проинтегрировав следующее уравнение:
I dz — свж рвж I
Ятг "мтРмгЗ
можно определить время подогрева высоковязкой жидкости в теплогенераторе:
х = с р 1п qмт _ "мтРмт 30 хП свж рвж 111
Ямт "мт Рмт
Потенцируя уравнение (11), можно определить зависимость избыточной температуры подогрева в МТ <9П от времени подогрева zn :
1 z
— " р [ Ямт ~ (Яш ~ "мт рмт 30 )exp( )] •
"мт рмт свж^вж
Таким образом, на основе аналитических исследований гидродинамики и теплообмена при прямом превращении механической энергии в теплоту за счет трения слоев высоковязкой жидкости между вращающимися и неподвижными дисками получены формулы для определения мощности МТ |мт в зависимости от конструктивных, эксплуатационных параметров МТ, свойств высоковязкой жидкости, используемой в теплогенераторе, а также избыточной температуры подогрева в МТ <9П и времени процесса подогрева zn . Зависимости, полученные на основе ряда упрощающих допущений, должны быть проверены экспериментально.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СемкинБ. В., Стальная М. И., Свит П. П. Использование возобновляемых источников энергии в малой энергетике // Теплоэнергетика. - 1996. - № 2. - С. 6-7.
2. Концепция нетрадиционной энергетики в России // Нетрадиционная энергетика и технология: материалы Междунар. конф. Ч. 1. - Владивосток: ДВО РАН, 1995. - С. 3-4.
3. Шишкин Н. Д. Малые энергоэкономичные комплексы с возобновляемыми источниками энергии. - М.: Готика, 2000. - 236 с.
4. Ильин А. К., Шишкин Н. Д. Автономные теплоэнергетические комплексы (структура, характеристики, эффективность). - Ростов н/Д: ЮНЦ РАН, 2004. - 116 с.
5. Шишкин Н. Д. Эффективное использование возобновляемых источников энергии для автономного теплоснабжения различных объектов: моногр. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2012. - 208 с.
6. Шишкин Н. Д., Манченко Е. А. Оценка эффективности экологически чистой комбинированной солнечно-ветровой установки для туристического комплекса // Экология и безопасность жизнедеятельности: материалы Междунар. конф. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2010. - С. 84-89.
7. Шишкин Н. Д., Манченко Е. А. Оценка технико-экономических показателей комбинированных солнечноветровых установок для автономного теплоснабжения // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса: материалы Междунар. науч. конф. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2011. - С. 138-142.
8. Шишкин Н. Д., Манченко Е. А. Аналитическое исследование параметров ветродвигателей с вертикальными полуцилиндрическими лопастями // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2013. - № 1. - С. 155-161.
9. Рыжков С. С., Рыжкова Т. С. Теплообменное устройство прямого преобразования энергии ветра в тепловую // Материалы IV Минского междунар. форума. Т. 10. Тепломассообмен в энергетических установках. -Минск, 2000. - С. 273-279.
10. Барабаш В. М., Смирнов Н. Н. Перемешивание в жидких средах (Обзор) // Журнал прикладной химии. - 1994. - Т. 67, вып. 2. - С. 196-203.
11. Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии: в 2 кн. - М.: Химия, 1995. - 400 с.
REFERENCES
1. Semkin В. V., Stal'naia м. I., Svit P. P. Ispol'zovanie vozobnovliaemykh istochnikov energii v maloi energetike [Use of renewable power resources in small engineering]. Teploenergetika, 1996, no. 2, pp. 6-7.
2. Kontseptsiia netraditsionnoi energetiki v Rossii. Netraditsionnaia energetika i tekhnologiia [Concept of nontraditional energetics]. Materialy Mezhdunarodnoi konferentsii. Ch. 1. Vladivostok, DVO RAN, 1995, pp. 3-4.
0
3. Shishkin N. D. Malye energoekonomichnye kompleksy s vozobnovliaemymi istochnikami energii [Small energy saving complexes with renewable power sources]. Moscow, Gotika Publ., 2000. 236 p.
4. Il'in A. K., Shishkin N. D. Avtonomnye teploenergeticheskie kompleksy (struktura, kharakteristiki, effektiv-nost') [Autonomous heat power complexes (structure, characteristics, performance]. Rostov-on-Don, IuOT's RAN, 2004. 116 p.
5. Shishkin N. D. Effektivnoe ispol'zovanie vozobnovliaemykh istochnikov energii dlia avtonomnogo te-plosnabzheniia razlichnykh ob"ektov [Effective use of renewable power sources for autonomous heat supply of different objects]. Astrakhan, Izd-vo AGTU, 2012. 208 p.
6. Shishkin N. D., Manchenko E. A. Otsenka effektivnosti ekologicheski chistoi kombinirovannoi sol-nechno-vetrovoi ustanovki dlia turisticheskogo kompleksa [Assessment of effectiveness of ecologically pure combined solar-wind installation for tourist complex]. Ekologiia i bezopasnost' zhiznedeiatel'nosti. Materialy Mezhdunarodnoi konferentsii. Astrakhan, Izd-vo AGTU, 2010, pp. 84-89.
7. Shishkin N. D., Manchenko E. A. Otsenka tekhniko-ekonomicheskikh pokazatelei kombinirovannykh sol-nechno-vetrovykh ustanovok dlia avtonomnogo teplosnabzheniia [Assessment of technical and economical indices of combined solar-wind installations for autonomous heat supply]. Problemy sovershenstvovaniia toplivno-energeticheskogo kompleksa. Materialy Mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii. Saratov, Izd-vo Sarat. un-ta, 2011, pp. 138-142.
8. Shishkin N. D., Manchenko E. A. Analiticheskoe issledovanie parametrov vetrodvigatelei s verti-kal'nymi polutsilindricheskimi lopastiami [Analytical research of parameters of wind generators with vertical semi-cylindrical blades]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Mor-skaia tekhnika i tekhnologiia, 2013, no. 1, pp. 155-161.
9. Ryzhkov S. S., Ryzhkova т. S. Teploobmennoe ustroistvo priamogo preobrazovaniia energii vetra v te-plovuiu [Heat transfer device of direct transformation of wind energy into heat one]. Materialy IV Minskogo mezhdunarodnogo foruma. T. 10. Teplomassoobmen v energeticheskikh ustanovkakh. м^к, 2000, pp. 273-279.
10. Barabash V. м., Smirnov N. N. Peremeshivanie v zhidkikh sredakh (Obzor) [^xing in liquid media (survey)]. Zhurnalprikladnoi khimii, 1994, vol. 67, iss. 2, pp. 196-203.
11. Dytnerskii Iu. I. Protsessy i apparaty khimicheskoi tekhnologii [Processes and apparatus of chemical technology]. V 2 kn. Moscow, Khimiia Publ., 1995. 400 p.
Статья поступила в редакцию 8.04.2013
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Шишкин Николай Дмитриевич - Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры «Эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»; [email protected].
Shiskin Nickolay Dmitrievich - Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department "Exploitation of Oil and Gas Fields"; [email protected].
Манченко Евгений Александрович - Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»; [email protected].
Manchenko Evgeniy Aleksandrovich - Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Exploitation of Oil and Gas Fields"; [email protected].
Герлов Владимир Сергеевич - Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры «Эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»; [email protected].
Gerlov Vladimir Sergeevich - Astrakhan State Technical University; Master’s Degree Student of the Department "Exploitation of Oil and Gas Fields"; [email protected].
