CC BY
11УДК 621.373.39:621.311.24
Н.Д. Шишкин, Р.А. Ильин
Лаборатория нетрадиционной энергетики Отдела энергетических проблем Саратовского научного центра РАН (при Астраханском государственном техническом университете),
Астрахань, 414056 e-mail: [email protected]
РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ НА ОСНОВЕ МЕШАЛОК РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ В СОСТАВЕ ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВЫХ ВЕТРОЭНЕРГОУСТАНОВОК
В работе рассматриваются вопросы внедрения и использования мешалок различных типов в составе вертикально-осевых ветроэнергоустановок. Приведены аналитические зависимости по определению основных энергетических характеристик использования мешалок. Сделаны выводы и даны рекомендации по использованию мешалок различных типов совместно с ветроэнергетическими установками с вертикальной осью вращения.
Ключевые слова: ветроэнергетические установки, механический теплогенератор, механические мешалки, эффективность ветроэнергетических установок
N.D. Shishkin, R.A. Ilyin
Laboratory of unconventional energy of the Department of energy problems of the Saratov scientific center of RAS (at Astrakhan state technical university),
Astrakhan, 414056 e-mail: [email protected]
DEVELOPMENT AND IMPLEMENTATION OF MECHANICAL HEAT GENERATORS ON THE BASIS OF THE MIXERS OF VARIOUS TYPES IN THE COMPOSITION OF VERTICAL-AXIS WIND TURBINES
The introduction and use of various types of mixers in the vertical-axial wind turbines is discussed in the article. The analytical dependences on the determination of the main energy characteristics of mixers use are given. The conclusions and recommendations on the use of different types mixers together with wind power plants with a vertical axis of rotation are made.
Key words: wind power plants, mechanical heat generator, mechanical mixers, efficiency of wind power plants.
При анализе вариантов использования ветровой энергии представляется интересным еe прямое превращение в тепловую энергию посредством механических теплогенераторов (МТ), агрегированных с вертикально-осевыми ветроэнергоустановками, т. е. с помощью механических ветротеплогенераторов (МВТ) [1-4]. Интересны три типа конструкций: МТ на основе дисковых конструкций в высоковязкой жидкости (МТДКВЖ) и магнитотермические преобразователи механической энергии в тепловую (МПМЭТ), а также механические теплогенераторы на основе мешалок в высоковязкой жидкости (МТОМВЖ).
Предлагается схема МВТ, показанная на рис. 1, которая состоит из ротора Савониуса (1), вращение которого через вал ротора (2) с помощью клиноременного мультипликатора (3) передается на вал теплогенератора (4). Внутри бака-аккумулятора тепловой энергии, образованного корпусом бака-аккумулятора (5), имеющего теплоизоляцию (6), располагается корпус МТДКВЖ (7). Внутри корпуса на валу теплогенератора (4) располагаются подвижные диски (8). Неподвижные диски (9) размещаются между подвижными и присоединяются к корпусу МТДКВЖ (7). В качестве ветродвигателя для привода этого МТ наиболее предпочтительным является двухъярусный ротор Савониуса с двумя парами полуцилиндрических лопастей, имеющий достаточно большой пусковой момент.
1 - ротор Савониуса; 2 - вал ротора; 3 - клиноременной мультипликатор;
4 - вал теплогенератора; 5 - теплоизоляция; 6 - корпус бака-аккумулятора теплоты;
7 - корпус МТ; 8 - подвижные диски; 9 - неподвижные диски;
ХВ - холодная вода; ГВ - горячая вода; ВЖ - высоковязкая жидкость
Вращение ротора Савониуса с повышенным в 3-7 раз клиноременным мультипликатором (3) частотой передается на вал МТ (4) и подвижные диски (8). За счет вращения этих дисков возникает безнапорное движение высоковязкой жидкости в имеющихся зазорах между подвижными дисками и неподвижными. За счет сил внутреннего трения происходит превращение механической энергии вращательного движения дисков и соответственно высоковязкой жидкости (ВЖ) в тепловую энергию. Это приводит к нагреву ВЖ в корпусе МТДКВЖ, причем неподвижные диски (9) служат ребрами и усиливают отвод тепла через стенки корпуса механического теплогенератора (7) к теплоносителю (воде), находящейся в баке-аккумуляторе теплоты. Для снижения теплопотерь через стенки бака-аккумулятора теплоты используется теплоизоляция (6).
Возможна также разработка экспериментальных механических теплогенераторов на основе мешалок различных типов. Здесь механическая энергия вращающейся мешалки превращается за счет сил трения ВЖ в теплоту. В качестве привода МТОМВЖ может быть использована ветроэнергетическая установка с вертикальной осью вращения с роторами Н-Дарье, Савониуса или комбинированным ротором Н-Дарье - Савониуса.
Однако до настоящего времени не исследована гидродинамика и теплообмен при преобразовании механической энергии в тепловую в МТОМВЖ за счет трения высоковязкой жидкости. В частности, отсутствуют аналитические зависимости для определения параметров МТОМВЖ и динамики подогрева высоковязкой жидкости в этом теплогенераторе. Поэтому были выполнены аналитические исследования гидродинамики и теплообмена при преобразовании механической энергии в тепловую в МТОМВЖ за счет трения высоковязкой жидкости в процессе ее перемешивания различными типами механических перемешивающих устройств.
В ряде работ [5, 6] расчетная мощность мешалок различных типов, практически равная тепловой мощности, т. к. при перемешивании механическая энергия превращается в тепловую, определяется по формуле:
бм = к Р П <, (1)
где Кы - критерий мощности, зависящий от типа мешалки и центробежного критерия Рейнольд-са Явм; йм - диаметр перемешивающего устройства, м; р - плотность высоковязкой жидкости, кг/м3; п - частота вращения вала МТ, об./мин.
Существует 15 типов механических мешалок, которые приведены на рис. 2.
Рис. 2. Типы мешалок: номер позиции соответствует номеру кривой на рис. 3
Анализ значений коэффициентов мощности К^, приведенных на графике К^ = /(Явм) (рис. 3), показывает, что четырехлопастные мешалки с вертикальными лопастями имеют при турбулентном режиме в широком диапазоне изменения чисел Рейнольдса Явм = 102 - 104 коэффициент мощности К^ = 6 (кривая 4), в то время как мешалки других типов имеют коэффициент мощности намного ниже.
«7'
>0'
I
0
т
'-ЗА о ш
: \\ // ■ £,
* YV¿¡«T \\ >5
ю - '
а__.12
- t" Ч 7 "9 --S
. шт. . . .ми. . пни i 111 щ ! 1 .1.11 Ь--в 1 1.111.1
ю° ю' юг ю3 ю1" ю5 ю*
Ве
Рис. 3. Зависимость критерия мощности Кк от критерия Рейнольдса Квм для мешалок нормализованных типов: 1-15 номера позиций на рис. 2
Например, мешалки двухлопастные с наклоном под углом 60° (кривая 6) и двухлопастные вертикальные (кривая 1) имеют коэффициент мощности Кы = 0,2-0,5, т. е. в 12-30 раз меньше. Поэтому при равных прочих условиях наиболее предпочтительными можно считать четырехло-пастные мешалки с вертикальными лопастями, в которых при перемешивании высоковязкой жидкости затрачивается гораздо большая мощность и поэтому может быть получена и гораздо большая тепловая мощность.
Тепловая мощность, генерируемая МТОМВЖ, может быть определена по предлагаемой авторами формуле:
QM = КУМKN Р П dM , (2)
где КУМ - коэффициент увеличения мощности за счет увеличения диаметра и высоты ротора мешалки до размера диаметра и высоты аппарата.
Так как мощность перемешивающего устройства пропорциональна диаметру ротора в пятой степени и высоте ротора, то коэффициент увеличения мощности может быть оценен по формуле:
Кум =(^м / )5 (Ям / ) , (3)
где Du / dM - соотношение между диаметром аппарата и диаметром мешалки; Hu / dM - соотношение между высотой аппарата и диаметром мешалки.
По данным [3], для модифицированной четырехлопастной мешалки с вертикальными лопастями соотношение между диаметром аппарата и диаметром мешалки DM / dM = 3 и соотношение между высотой аппарата и диаметром составляет Ям / dM = 3.
Расчеты по формуле (3) показывают, что для модифицированной мешалки коэффициент увеличения мощности составляет К^ = 729. Расчеты по формуле (2) при n = 120 об./мин = 2 об./с
и диаметре dM = 0,10 м модифицированной че-тырехлопастной мешалки с вертикальными лопастями, т. е. МТОМВЖ тепловая мощность составляет 298 Вт.
Как видно из графика тепловой мощности МТДК Qmt от его диаметра Dmi- и частоты вращения пМТ, приведенном на рис. 4, при частоте вращения вала пмт = 120 об./мин = 2 об./с и диаметре дисков DMt = 0,10 м тепловая мощность МТДК составляет QMT = 2,8 кВт, т. е. в 9,4 раза больше [2].
Поэтому при равных прочих условиях МТДКВЖ оказываются более эффективными, чем МТОМВЖ. В дальнейшем экспериментально будут уточнены полученные аналитические зависимости. Следует отметить, что изготовление МТДКВЖ гораздо сложнее и дороже, чем МТОМВЖ, и в ряде случаев использование МТОМВЖ может быть экономически целесообразным.
Литература
1. Шишкин Н.Д. Эффективное использование возобновляемых источников энергии для автономного теплоснабжения различных объектов. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2012. - 208 с.
2. Шишкин Н.Д., Савенков А.В., Абрамов А.А. Разработка механических ветротеплогенера-торов для автономного теплоснабжения объектов // Chronos: естественные науки: Научный журнал. - 03.12.2018.
3. Рыжков С.С., Рыжкова Т.С. Теплообменное устройство прямого преобразования энергии ветра в тепловую // Тепломассообмен в энергетических установках: Материалы IV Минск. Меж-дунар. форума. - Минск: Ин-т тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАНБ, 2000. - С. 273-279.
4. Ильин А.К., Морев О.Б. Модель теплогенератора для ветроэнергетических установок // Вестник АГТУ. - 2008. - № 6 (47). - С. 48-50.
5. Барабаш В.М., Смирнов Н.Н. Перемешивание в жидких средах (Обзор) // Журнал прикладной химии. - 1994. - Т. 67, вып. 2. - С. 196-203.
6. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: В 2-х кн. - М.: Химия, 1995. - 400 с.
