CC BY
74
УДК [621.548:621.311.24]:[532:536.24]
ББК 31.62:35.111
Н. Д. Шишкин, В. С. Герлов
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕТРОТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ ДЛЯ МОРСКИХ НЕФТЕДОБЫВАЮЩИХ ПЛАТФОРМ
N. D. Shishkin, V. S. Gerlov
RESEARCH OF PARAMETERS OF MECHANICAL WIND HEAT GENERATORS FOR THE SEA OIL-EXTRACTING PLATFORMS
Для экономии топливно-энергетических ресурсов на морских нефтедобывающих платформах могут использоваться возобновляемые источники энергии, в частности энергия ветра. Наиболее эффективно использование ортогональных ветроэнергоустановок на основе роторов Савониуса и Дарье. Ветровая энергия может применяться для выработки не только электрической, но и тепловой энергии. Получены формулы и выполнены расчеты основных параметров механических ветротеплогенераторов (МВТГ): мощности и избыточной температуры механического теплогенератора, а также мощности ортогонального ветродвигателя в составе МВТГ. При изменении частоты вращения от 550 до 1 350 об/мин избыточная температура высоковязкой жидкости может увеличиться от 12 до 156 °С. При частоте вращения вала теплогенератора до 850 об/мин МВТГ может использоваться для горячего водоснабжения, а при частоте вращения свыше 1 000 об/мин МВТГ может применяться также и для опреснения морской воды.
Ключевые слова: морская платформа, ортогональная ветроустановка, механический ветротеплогенератор, горячее водоснабжение, опреснение морской воды.
For economy of fuel and energy resources on sea oil-extracting platforms, renewable energy sources, in particular, wind power can be used. It is more effectively to use orthogonal wind turbine on the basis of Savonius and Darya's rotors. Wind energy can be applied to develop not only electric, but also thermal energy. The formulas are received and calculations of the key parameters of mechanical wind heat generator (MWHG): power and the excess temperature of mechanical heat generator and also power of an orthogonal wind turbine as a part of MWHG are executed. At change of frequency of rotation from 550 to 1 350 rpm the excess temperature of high viscosity liquid can increase from 12 to 156 °С. With a frequency of rotation of a shaft of the heat generator to 850 rpm MWHG can be used for hot water supply, and with a frequency of rotation over 1 000 rpm MWHG can be applied to desalting of sea water, as well.
Key words: sea platform, orthogonal wind turbine, mechanical heat generator, hot water supply, desalting of sea water.
Для экономии топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на морских объектах, в том числе и на морских нефтедобывающих платформах, например ледостойких стационарных платформах (ЛСП) на Северном Каспии, могут использоваться возобновляемые источники энергии (ВИЭ), в частности энергия ветра [1-4]. Как уже отмечалось, на нефтедобывающих платформах наиболее эффективным является использование ортогональных ветроэнергоустановок (ВЭУ) на основе роторов Савониуса и Дарье [5]. Ветровая энергия может применяться для выработки не только электрической, но и тепловой энергии, которая, в свою очередь, может использоваться для горячего водоснабжения и опреснения морской воды.
Целью работы являлось исследование параметров механических ветротеплогенераторов (МВТГ) для морских нефтедобывающих платформ.
Для получения тепловой энергии из энергии ветра целесообразно использовать МВТГ, в которых механическая энергия ветрового потока превращается непосредственно в тепловую энергию [6-8]. Схема МВТГ приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема МВТГ: 1 - патрубок для подачи холодной воды;
2 - теплоизоляция; 3 - бак-аккумулятор; 4 - корпус механического теплогенератора (МТГ); 5 - неподвижный диск; 6 - вращающийся диск; 7 - высоковязкая жидкость;
8 - вал механического теплогенератора; 9 - патрубок для выхода горячей воды;
10 - мультипликатор; 11 - ортогональный ротор
Он состоит из ортогонального ротора 11, вертикальный вал которого через мультипликатор 10 (зубчатую, клиноременную или цепную передачу) связан с валом МТГ 8, на котором закреплены вращающиеся диски 6. В корпусе МТГ 4 горизонтально между подвижными дисками располагаются неподвижные диски 5, а сам корпус располагается в баке-аккумуляторе 3, имеющем теплоизоляцию 2. Бак-аккумулятор имеет патрубок для подачи холодной воды 1 и патрубок для выхода горячей воды 9. В корпусе МТГ 4 находится высоковязкая жидкость 7, а в баке-аккумуляторе - вода или раствор антифриза. При вращении лопастей ротора за счет ветровой энергии вращение с большей частотой передается на подвижные диски и находящаяся между подвижными и неподвижными дисками высоковязкая жидкость нагревается за счет сил внутреннего трения (вязкости). Теплота передается за счет неподвижных дисков, являющихся оребре-нием, к корпусу МТГ, а от него - к воде в баке-аккумуляторе.
Расчетная схема МТГ, являющегося одной из основных частей МВТГ, приведена на рис. 2.
1"] ' _і
'А о( І \ і
1 г/ 1
и К(1г г 1 \ ^ м (1
1
5*-
Рис. 2. Расчетная схема механического теплогенератора Ранее выполненное аналитическое исследование параметров МТГ показало [8], что
3 5 / ^ ^
е_ Кп р ПМТГ ^МТГ НМТГ М1Г- 8 л
8 V Ммт у
^3 ^
где Кп _----- ----- - коэффициент, характеризующий удельные потери на трение между под-
4 а (а + Ь )
вижными и неподвижными дисками; V - кинематический коэффициент вязкости; а - зазор между вращающимися и неподвижными дисками; Ь - толщина дисков; р - плотность высоковязкой жидкости; пМТГ - частота вращения вала МТГ; ОМТГ - диаметр дисков МТГ; НМТГ - высота корпуса МТГ.
Как видно из полученной формулы, наиболее сильное влияние на выделение теплоты и момент сил трения и во фрикционном генераторе оказывают диаметры дисков -0МТГ, практически равные диаметру корпуса МТГ, а также частота вращения пМТГ , толщина зазоров между дисками а .
Зазор между подвижными и неподвижными дисками а предполагается постоянным, диаметр вала МТГ d на порядок меньше диаметра корпуса МТГ От, а динамическая вязкость жидкости цж принимается независящей от температуры.
Процесс подогрева высоковязкой жидкости в МТГ может быть описан с помощью дифференциального уравнения
9МТГ ^ _ Свж Рвж ^ + Кг Рмг £ ^ , (2)
Q F
где дМТГ _ —МТГ - объемная плотность теплового потока в МТГ; РМТГ _ МТГ - геометрический
^МТГ ^МТГ
коэффициент МТГ; т - время процесса подогрева; свж,рвж - удельная теплоемкость и плотность высоковязкой жидкости; FМТГ - площадь поверхности корпуса МТГ; £МТГ - коэффициент теплопередачи от высоковязкой жидкости в МТГ к теплоносителю в баке-аккумуляторе теплоты. Решая это уравнение, получим формулу зависимости избыточной температуры подогрева
в МТГ $п от времени подогрева тп:
_ тп
£ _ ^МТГ _ ( ^МТГ _ kмтг Рмтг 3, ) ехр вж вж
kмтг Рмтг
Для количественной оценки основных параметров работы МТГ были выполнены расчеты по полученным формулам применительно к МТГ с частотой вращения от 550 до 1 350 об/мин при различной толщине теплоизоляции, выполненной из пенополиуретана или пенополистиро-ла с коэффициентом теплопроводности ^= 0,04 Вт /(м-К) при времени работы МВТГ 5 часов, соответствующем времени работы в течение суток с учетом коэффициента использования номинальной мощности 0,2. Ниже приведены графики зависимости избыточной температуры от частоты вращения МТГ (рис. 3) в соответствии с различными видами теплоизоляции.
Как видно из рис. 3, при изменении частоты вращения от 550 до 1 350 об/мин, даже при отсутствии теплоизоляции (5 _ 0), температура подогрева высоковязкой жидкости может увеличиться от 5 до 67 °С, а при толщине теплоизоляции 5= 0,04 м - от 12 до 156 °С. Таким образом, при частоте вращения вала МТГ до 850 об/мин МВТГ может использоваться для горячего водоснабжения, а при частоте вращения свыше 1 000 об/мин - для опреснения морской воды.
На рис. 4 приведены графики зависимости избыточной температуры от объемной плотности теплового потока МТГ при тех же самых значениях частоты вращения в соответствии с различными видами теплоизоляции.
Как видно из рис. 4, при изменении объемной плотности теплового потока от 3 Вт/м3 до 36 тыс. Вт/м3, при соответствующем изменении частоты вращения от 550 до 1 350 об/мин, даже при отсутствии теплоизоляции (5 _ 0) температура подогрева высоковязкой жидкости может увеличиться от 5 до 67 °С, а при толщине теплоизоляции 5= 0,04 м - от 12 до 156 °С. Таким об-
разом, при объемной плотности теплового потока до 10 тыс. Вт/м МВТГ может использоваться для горячего водоснабжения, а при объемной плотности теплового потока свыше 18 тыс. Вт/м3 -для опреснения морской воды на морской нефтедобывающей платформе.
0,ОС
■5 = 0 ■5 = 0,01 ■5 = 0,02 ■5 = 0,03 ■5 = 0,04
п, об/мин
1 100 1 300 1 500
Рис. 3. Зависимость избыточной температуры от частоты вращения МТГ и толщины теплоизоляции
-5 = 0,01
Рис. 4. Зависимость избыточной температуры от объемной плотности теплового потока и толщины теплоизоляции
Мощность ортогонального ветродвигателя, входящего в состав МВТГ, может быть определена по известной формуле [8]:
1 3 Рвд = -ПвдР HDV3,
(1)
где пВД - КПД ветродвигателя, который, в соответствии с [8], может быть принят равным
ПВД = 0,21; р - плотность воздуха при среднегодовой температуре воздуха 10 °С, р = 1,25 кг/м3; Н и В - соответственно высота и диаметр ортогонального ветродвигателя, для платформы ЛСП
0. °С
можно принять H = 10 м и D = 1,0 м; V - скорость ветра, можно принять номинальную скорость ветра V = 9,0 м/с.
Расчеты по формуле (1) показывают, что мощность одного ортогонального ветродвигателя, входящего в состав МВТГ для платформы ЛСП РВд ~ 1,0 кВт, а для четырех ветродвигателей -
около 4,0 кВт. Этой мощности будет вполне достаточно для подогрева 0,8 м3/сут от 25 до 50 °С и компенсации около 30 % затрат ТЭР на горячее водоснабжение бытовой платформы ЛСП-2.
Заключение
В заключение необходимо отметить следующее.
1. Получены формулы и выполнены расчеты основных параметров МВТГ: мощности и избыточной температуры МТГ, а также мощности ортогонального ветродвигателя в составе МВТГ.
2. При изменении частоты вращения от 550 до 1 350 об/мин и соответственно объемной плотности теплового потока от 3 Вт/м3 до 36 тыс. Вт/м3 избыточная температура высоковязкой жидкости может увеличиться при толщине теплоизоляции 5 = 0,04 м от 12 до 156 °С.
3. При частоте вращения вала МТГ до 850 об/мин МВТГ может использоваться для горячего водоснабжения, а при частоте вращения свыше 1 000 об/мин - для опреснения морской воды.
4. Мощность четырех МВТГ для бытовой платформы ЛСП-2 составит около 4,0 кВт. Этого достаточно для подогрева 0,8 м3/сут от 25 до 50 °С и компенсации около 30 % затрат ТЭР на горячее водоснабжение.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Семкин Б. В. Использование возобновляемых источников энергии в малой энергетике / Б. В. Семкин, М. И. Стальная, П. П. Свит // 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. Эффективное использование возобновляемых источников энергии для автономного теплоснабжения различных объектов / Н. Д. Шишкин: моногр. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2012. 208 с.
4. Шишкин Н. Д. Использование возобновляемых источников энергии для энергоснабжения нефтедобывающих морских платформ / Н. Д. Шишкин, И. В. Балтаньязов, В. Н. Герлов // Вестн. Астахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2009. № 2. С. 193-197.
5. Шишкин Н. Д. Аналитическое исследование параметров ветродвигателей с вертикальными полу-цилиндрическими лопастями / Н. Д. Шишкин, Е. А. Манченко // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2013. № 1. С. 155-161.
6. Рыжков С. С. Теплообменное устройство прямого преобразования энергии ветра в тепловую / С. С. Рыжков, Т. С. Рыжкова // Материалы IV Минского междунар. форума. Т. 10. Тепломассообмен в энергетических установках. Минск, 2000. С. 273-279.
7. Барабаш В. М. Перемешивание в жидких средах (Обзор) / В. М. Барабаш, Н. Н. Смирнов / Журнал прикладной химии. 1994. Т. 67, вып. 2. С. 196-203.
8. Шишкин Н. Д. Аналитическое исследование параметров механических ветротеплогенераторов /
Н. Д. Шишкин, Е. А. Манченко, В. С. Герлов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2013. № 1 (55). С. 42-47.
REFERENCES
1. Semkin B. V., Stal'naia M. I., Svit P. P. Ispol'zovanie vozobnovliaemykh istochnikov energii v maloi energetike [Use of renewable power sources in power engineering]. Teploenergetika, 1996, no. 2, pp. 6-7.
2. Kontseptsiia netraditsionnoi energetiki v Rossii [Concept of nonconventional power engineering in Russia]. Netraditsionnaia energetika i tekhnologiia: Materialy Mezhdunarodnoi konferentsii. Ch. 1. Vladivostok, Dal'nevostochnoe otdelenie Rossiiskoi akademii nauk, 1995, pp. 3-4.
3. 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.
4. Shishkin N. D., Baltan'iazov I. V., Gerlov V. N. Ispol'zovanie vozobnovliaemykh istochnikov energii dlia energosnabzheniia neftedobyvaiushchikh morskikh platform [Use of renewable power sources for power supply of oil drilling sea platforms]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2009, no. 2, pp. 193-197.
5. 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-cylinder blades]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2013, no. 1, pp. 155-161.
6. Ryzhkov S. S., Ryzhkova T. S. Teploobmennoe ustroistvo priamogo preobrazovaniia energii vetra v te-plovuiu [Heat exchanger of direct transformation of wind power into heat one]. Materialy IVMinskogo mezhdu-narodnogo foruma. T. 10. Teplomassoobmen v energeticheskikh ustanovkakh. Minsk, 2000, pp. 273-279.
7. Barabash V. M., Smirnov N. N. Peremeshivanie v zhidkikh sredakh (Obzor) [Mixing in liquid media (Survey)]. Zhurnalprikladnoi khimii, 1994, vol. 67, iss. 2, pp. 196-203.
8. Shishkin N. D., Manchenko E. A., Gerlov V. S. Analiticheskoe issledovanie parametrov mekhani-cheskikh vetroteplogeneratorov [Analytical research of parameters of mechanical wind generators]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2013. no. 1 (55), pp. 42-47.
Статья поступила в редакцию 15.07.2013
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Шишкин Николай Дмитриевич — Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры «Эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»; n.shishkin@astu.org.
Shiskin Nickolay Dmitrievich — Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department "Exploitation of Oil and Gas Fields"; n.shishkin@astu.org.
Герлов Владимир Сергеевич — Саратовский научный центр Российской академии наук; отдел энергетических проблем, лаборатория нетрадиционной энергетики; инженер; volger@mail.ru.
Gerlov Vladimir Sergeevich — Saratov Scientific Center, Russian Academy of Sciences; Department of Power Problems; Laboratory of Nonconventional Power, Engineer; vol-ger@mail.ru.
