CC BY
47
Секция «Моделирование физико-механических и тепловьх процессов в машинах и аппаратах»
микротурбины) до 25 МВт. В последнее время для автономного электроснабжения газовых, нефтяных и других месторождений широкое распространение получили газотурбинные электростанции мощностью 2,5...25 МВт [2].
Относительно низкая стоимость природного газа позволяет минимизировать затраты на производство электроэнергии с использованием газовых установок. Из-за особенностей работы КПД по электричеству у газотурбинных установок (25.34 %) ниже, чем у газопоршневых (36.45 %). При использовании системы утилизации тепла и охлаждающих жидкостей в обоих случаях КПД выравнивается и становится 80.85 %. Кроме того, с повышением мощности установок растет и КПД.
Особую актуальность в аспекте электроснабжения частного хозяйства приобретают микротурбинные установки мощностью 30.200 кВт (см. таблицу), производящие энергию высокого и стабильного качества из различных видов топлива. Одно из преимуществ микротурбинных установок - высокая плотность мощности (с учетом занимаемой площади и веса).
Сравнительные характеристики микротурбинных установок Сар«1опе
Преимущества газотурбинных установок: - нагрузка не циклическая, возникающие инерционные центробежные силы малы по сравнению с инерционными силами в газопоршневых установках. Соответственно у ГТУ большая надежность по прочности продолжительнее периоды между техническими обслуживаниями (2000 ч. по сравнению с 1000 ч. для газопоршневых установок);
- минимальные вредные выбросы (выбросы окислов азота у газовых турбин в 2,5 - 3 раза меньше, чем выбросы поршневых двигателей);
- слабые низкочастотные вибрации;
- работа на частичных нагрузках (менее 50%) не влияет на состояние турбины;
- несколько ГТУ можно объединять в кластеры.
Проблемы использования газотурбинных электростанций:
- низкий КПД по электричеству;
- высокая чувствительность к останову и последующему пуску турбины;
- такие установки сложнее в эксплуатации и ремонте;
- нужен подвод газа высокого давления.
Несмотря на существующие проблемы, процент
применения микротурбинных установок в России растет. Они используются для электроснабжения административных зданий, складских помещений, торговых центров. В таких установках чаще используются микротурбины Capstone, General Electric, Kawasaki и др.
Необходимость повышения надежности и качества электроснабжения обуславливает переход к децентрализированной схеме с использованием установок малой энергетики. Тенденции в ценах на энергоносители, экологическая политика делают использование газовых установок самым приемлемым вариантом. Развитие малой энергетики России на базе газотурбинных двигателей весьма актуально и перспективно.
Библиографические ссылки
1. Терехин А. Н., Слесаренко И. В., Горланов А. В. [и др.]. Перспективы развития автономных источников энергоснабжения на базе газопоршневых и газотурбинных двигателей // Двигателестроение. 2007. № 1 (227). С. 30-33.
2. Быстрицкий Г. Ф. Установки автономного и резервного электроснабжения // Промышленная энергетика. 2008. № 2. С. 13-23.
© Делков А. В., Мелкозеров М. Г., 2010
Модель Мощность, кВт КПД по электричеству, % Расход топлива, м3/ч Температура выхлопных газов,С Вес турбины, кг
С30 30 26 12 275 578
С65 65 29 23 309 1121
С200 200 33 65 280 3180
УДК 629.7.05
В. А. Лапшина, П. А. Чертыковцев Научный руководитель - Д. А. Угланов Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва, Самара
ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОВЕРШЕНСТВА СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ БОРТОВОГО ЛАЗЕРНОГО КОМПЛЕКСА
Рассматриваются различные системы охлаждения лазерного бортового комплекса, служащие для отвода тепла от лазерной установки в ходе его работы, проводится эксергетический анализ совершенства таких систем и на основе полученных данных делается вывод о наиболее оптимальной системе охлаждения лазерного бортового комплекса.
Для разработки научной аппаратуры для мониторинга атмосферы, лазерной локации и связи на борту летательного аппарата используются борто-
вые лазерные комплексы [1]. Характеристики и возможности таких лазерных комплексов обусловлены параметрами, свойствами и мощностью излучения.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки
В их составе обычно используются газоразрядные СО2-лазеры, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами лазеров, такие как высокий КПД, характеристики излучения (длина волны излучения находится в окне прозрачности атмосферы) [2]. Улучшение энергетических характеристик лазеров на углекислом газе за счет оптимизации параметров газового разряда или снижения потерь в блоке питания достигли предела. Перспективным методом повышения мощности и эффективности СО2 - лазера является его форсирование за счет охлаждения рабочей смеси до температур ниже 273К [3; 4].
Учитывая то обстоятельство, что около 90 % энергии вводимой в разряд сбрасывается в виде тепла в контур охлаждения, выбор системы отвода тепла и ее оптимизация, применительно к лазеру, размещаемому на борту летательного аппарата, является крайне необходимым аспектом исследования подобных систем.
Так как для летательных аппаратов массогаба-ритные показатели бортовых систем, как правило, лимитированы, то оптимизация систем обеспечения температурного режима (СОТР) лазера, с учетом эксплуатационной технологичности системы, является важной задачей.
Обычно в состав бортового лазерного комплекса входит СО2-лазер, который имеет мощность излучения около 30 Вт и КПД около 6 %. Соответственно, полная подводимая мощность составит величину около 500 Вт. Как уже было выше сказано, лазер имеет встроенную систему охлаждения, рассчитанную на температурный уровень около 293 К, и поэтому задача заключается в поиске и выборе оптимальной СОТР существующего контура.
Рассматриваемые в работе виды СОТР:
- системы охлаждения, использующие забортный воздух;
- дроссельные системы охлаждения;
- термомеханические системы охлаждения;
- системы охлаждения с жидким криагентом;
- системы охлаждения с делящей вихревой трубой;
- системы охлаждения с термоэлектрическими элементами.
Для объективной оценки эффективности работы систем охлаждения и объективного выбора типа СОТР можно использовать метод эксергетического анализа.
Эффективность работы СОТР, являющейся основным элементом лазерного бортового комплекса, определяется термодинамическим совершенством процесса энергетического разделения потока воздуха. А, следовательно, эксергетический КПД является в этом случае наиболее приемлемой характеристикой для выбора типа СО в сочетании с приведенной массовой и объемной характеристиками системы и обеспечивает, практически во всех случаях, объективное сравнение источников холода.
Энергетическое совершенство СО оценивается эксергетическим КПД
nCT = E /Е
1ех пол затр >
где ЕпОЛ - приведенная эксергетическая холодопро-изводительность, которая определяется относительно параметров заторможенного набегающего на летательный аппарат потока воздуха, так как термодинамические потери в системе, определяемые тепловым балансом с окружающей средой, зависит от режимов полета; Езатр - эксергия дополнительного количества топлива, израсходованного летательным аппаратом на транспортирование и функционирование системы, определяется по формуле:
Езатр = МЕ ' ет,
где ет - удельная эксергия топлива; М^ - суммарная
масса взлетного запаса топлива, израсходованного на компенсацию аэродинамического сопротивления воздухозаборников; транспортировку установочной массы системы МТ; транспортировку переменной
массы СО (если она применена) МТу; выработку энергосистемой летательного аппарата электроэнергии М^, необходимой для функционирования системы и др.
Предварительный эксергетический расчет и анализ показал, что величина эксергетического КПД СОТР на основе вихревой трубы составляет 3,3 %. Таким образом, большую энергетическую эффективность имеет вихревой холодильный агрегат.
Таким образом, можно сказать, что на данном этапе исследований для охлаждения СО2-лазера, входящего в состав лазерного комплекса, установленного на борту летательного аппарата, наиболее эффективно будет использование СОТР на основе вихревой трубы.
Библиографические ссылки
1. Васильев Б. И., Маннун У. М. Инфракрасные лидары для экологического мониторинга атмосферы. М. : МФТИ, 2005.
2. Протопопов В. В., Устинов Н. Д. Инфракрасные лазерные локационные системы. М. : Воениз-дат, 1987.
3. Bridges T. J., Patel C. K. N. High-power Brewster window laser at 10.6 microns //Appl. Phys. Letts 7, 244-245 (1965).
4. Басов Н. Г., Данилычев В. А., Глотов Е. П., Сорока А. М. Теоретическое исследование перспективных способов повышения энергетических характеристик непрерывных технологических электроионизационных лазеров. Труды ФИАН. Т. 142. 1983. С. 95-116.
5. Bridges T. J., Patel C. K. N. High-power Brewster window laser at 10.6 microns //Appl. Phys. Letts 7, 244-245 (1965).
© Лапшина В. А., Чертыковцев П. А., Угланов Д. А., 2010
