CC BY
32
Натурное моделирование процесса износа бетона при эксплуатации крупногабаритных сооружений крайне затруднительно по причине больших размеров установки. Поэтому на начальном этапе решена задача проектирования малогабаритной исследовательской установки.
Технические характеристики установки следующие: мощность привода вращения заготовки льда - 150 Вт, прижим образца бетона - посредством пружины с регулируемым усилием, габариты установки ориентировочные - 1х1><1м, размеры образца бетона - 50х50х50 мм, давление бетона о лёд 1...5 МПа, относительная линейная скорость скольжения образца бетона 0,5...! м/с, регулирование частоты вращения заготовки льда - нет. Испытания установки проведены и получены предварительные результаты, из которых следует, что необходимо увеличение параметров установки.
В ходе работы также проведены исследования различных схем истирания бетона при трении о лёд.
Определённую сложность представляет реализация привода вращения заготовки льда при большом крутящем моменте. Рассмотрены следующие варианты: привод вращения колёс грузового автомобиля, привод отбора мощности колёсного трактора, привод асинхронный с частотным регулированием или с коробкой скоростей станка, регулируемый гидропривод с гидромоторами типа Г15-25 и редуктором.
Исследованы две схемы давления. Первая - радиально-направленная схема с прижимом в направлении к оси вращения. Вторая - радиально-направленная схема с прижимом в направлении от оси вращения.
Существенные преимущества второй схемы следующие: большая прочность заготовки льда по причине большей площади опоры объёма льда на поверхность формы, безопасность при потере прочности заготовки, возможность продолжения испытания при образовании трещин в заготовке льда, возможность составления заготовки льда из нескольких малогабаритных сегментов, в том числе без «смораживания» их перед испытанием, лучшее охлаждение льда (теплоотвод) в форме во время испытания.
! :
Чебоксаров Валерий В., Чебоксаров Виктор В.
РАЗРАБОТКА ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОЙ ОПРЕСНИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НА БАЗЕ КРУПНОГАБАРИТНОЙ ПЛАВУЧЕЙ ВЕТРОТУРБИНЫ
1. Введение
1 ' Можно сказать, что энергия ветра над морем создала в основном все запасы пресной воды на Земле. Рожденные в океанских просторах циклоны, наполненные водяными парами, обильно поливают дождями континенты, отчего образуются реки, озёра, ледники, подземные ключи и капли росы на траве. И всё это результат огромной опреснительной деятельности солнца и ветров над морями и океанами. К сожалению, этот естественный процесс неравномерен в пространстве и во времени. Имеется множество засушливых территорий, или по мере изменения климата становятся засушливыми. Активная деятельность человека тоже приводит к локальной нехватке пресной воды.
Многие районы мира, например, в Австралии, Западной и Северной Африке, Испании, Греции, Ближнем Востоке, уже испытывают растущий дефицит пресной воды. Транспортировка воды туда, например, в виде айсбергов, пока себя экономически не оправдывает. Для устранения дефицита пресной воды необходимо организовать там крупномасштабное опреснение морской воды, требующее больших затрат энергии. Некоторые страны, например, на Ближнем Востоке, имеют возможности использовать для этих целей энергию тепловых или атомных станций, но для большинства стран этот путь неприемлем. Таким образом, наличие дешёвого источника энергии можно считать определяющим фактором для устранения дефицита пресной воды. ! |
В связи с наблюдаемым глобальным потеплением и приближением срока исчерпания легкодоступных запасов ископаемого топлива, целесообразно уже сейчас развивать в первую очередь крупномасштабное опреснение за счет возобновляемой энергии. Но самая дешёвая, гидравлическая энергия, отсутствует как раз в засушливых районах. Активно развиваемое сейчас опреснение за счет солнечной энергии [1] потенциально безграничной, к сожалению, остаётся весьма дорогим из-за дороговизны солнечных панелей. Не следует забывать, что само производство солнечных панелей потребляет очень много воды. \ \
В то же время, морские побережья в Австралии, Западной Африке, Испании и Греции, подвержены постоянным сильным бризовым ветрам, для которых характерна наибольшая скорость ветра
у берега над поверхностью воды Поэтому мощные ветровые установки на основе недавно предложенной концепции ветроэнергетических морских установок (ВЭМУ) [2, 3], специализированные на опреснении морской воды, могут решить проблему водоснабжения 1 аких районов. Для работы ВЭМУ в автоматическом режиме нужны только морской ветер и морская вода.
2. Конструкция турбины ВЭМУ
В турбине ВЭМУ энергия ветра вызывает низкочастотное вращение крупногабаритного ротора с лопастями вокруг неподвижного основания, в котором размещается технологическое оборудование. Многочисленные мелкие скальные островки, которые в настоящее время никак не используются из-за отсутствия на них пресной воды и энергии, могут быть использованы для размещения оснований ВЭМУ Иначе, центральная башня ВЭМУ располагается на сваях на мелководье (см. Рис. 1). Подробно турбина ВЭМУ описана в [3].
Рис. 1 л\ дожесгвенныи вид т^роины ВЭМУ
Механическая энергия ветроротораВЭМУ диаметром 200...400 м и мощностью 20...50 МВт весьма эффективно может быть преобразована сначала в энергию сжатой морской воды с давлением до 20 МПа, а затем в электрическую и тепловую энергии, с помощью чего осуществляется дистилляция воды. Для получения тепловой энергии для дистиллятора достаточно пропустить часть сжатой воды через трубчатые дросселирующие элементы. При этом процесс дистилляции морской воды мо
Рис. 2- Схема опреснительной установки, включающей турбину ВЭМУ
жет быть улучшен за счет снижения давления пара в опреснительных элементах. Необходимая для работы оборудования электрическая энергия может быть получена путем направления части сжатой воды на лопатки обычной водяной турбины электрогенератора. |
Схема опреснительной установки, включающей турбину ВЭМУ, представлена на Рис. 2. Здесь голубым цветом показана морская вода, тёмно-синим - пресная вода, жёлтым - пар, а зелёным
- удаляемый рассол. \УТ - ветротурбина, которая приводит во вращение главный насос Р. НТ - гидротурбина высокого давления. На неё пода.тся основной водяной поток £>/• Меньший поток £>2 подаётся на испарение. Электрогенератор в с приводом от гидротурбины питает электроэнергией Е] водонагреватель Н и все электромоторы. Вместо электрического водонагревателя также может быть использована система параллельных труб с дросселями и теплообменниками.. Специальный струйный испаритель Е с конденсатором пара С образуют ядро установки. Вакуумный насос УР включён в трубопровод между Е и С. Вспомогательный насос АР подаёт холодную воду в конденсатор и затем, после отдачи тепла, в бак солёной воды. Чтобы использовать остающееся в рассоле тепло, второй теплообменник установлен в баке. Рассол легко удаляется самотёком из испарителя, установленного на 10... 15 метров над уровнем моря. Это хорошо соответствует конструкции турбины ВЭМУ.
Наши предварительные расчёты показывают, что коэффициент преобразования энергии турбины ВЭМУ в технологическом процессе будет весьма высоким. Одна установка при мощности 50 МВт сможет опреснить в сутки до 200 ООО т воды, что достаточно для водоснабжения среднего города.
3. Общественная значимость опреснения воды с использованием ВЭМУ
Общепринятые технологии получения энергии для опреснения далеки от естественных, связаны с экологически вредными процессами, накапливают трудно устранимые отходы, оставляя их будущим поколениям, увеличивают опасность для жизни на земле. В природе используется низкотемпературный нагрев морской воды солнечными лучами, перенос и охлаждение водяных паров ветром. Вместо этого человечество использует сейчас высокотемпературный нагрев с помощью ядерных реакций или сжигания углеводородного топлива. Опреснительные установки на основе ВЭМУ осуществляют низкоскоростные движения рабочих органов и низкотемпературный нагрев морской воды.
Идеи, заложенные в конструкции ВЭМУ, технологии опреснения с использованием ВЭМУ, глубоко символичны и естественны: |
- Медленное непрерывное вращение конструкции - символ медленного непрерывного вращательного > движения, преобладающего в природе во всей вселенной
- Опора на морскую поверхность - символ многозначности океана в жизни людей, признание большого будущего океана для человека
- Энергонезависимость комплекса, использование энергии ветра - символ новой зарождающейся энергетики
- Экологическая чистота комплекса - символ нового бережного отношения человека к природе, океану
- Водяной ринг, образующийся при работе ВЭМУ,- символ непрерывного обновления.
Большая часть параметров опреснительных ВЭМУ не выходит за пределы, опасные для человека. Например:
- размеры роторов сравнимы с размерами океанского судна, их можно окинуть единым взглядом; -частоты вращения соответствуют скорости тихоходных развлекательных кацуселей;
- температуры протекающих процессов не более 50 градусов;
- линейные скорости движений не более 15 м/с;
- шумы соответствуют естественным параметрам;
- отходы только в виде рассола морской соли могут быть возвращены в море;
- при ураганном ветре могут быть повреждены только лопасти ветроустановки, что можно сравнить с повреждением отдельных ветвей на деревьях в природе.
Обрастание конструкции ракушками и водорослями, что ни в какой степени не ухудшает свойства конструкции, еще больше сближает её с природой. Единственным параметром, который
может представлять опасность для человека является относительно высокая степень сжатия воды в гидростатическом преобразователе энергии.
4. Социальные и экономические предпосылки использования ВЭМУ для опреснения воды
Технология опреснения с использованием ВЭМУ обладает рядом социальных и экономических преимуществ ;
• Большая часть населения проблемных территорий, страдающих от нехватки пресной воды, сосредоточена по берегам морей и океанов, где каждый участок земли ценится дорого.
• Большие участки побережья и внутренние районы могут быть освоены только в результате опреснения морской воды.
• Для работы ВЭМУ не нужна дополнительная энергия, вся необходимая тепловая и электрическая энергия может быть получена из ветра,
• Для расположения ВЭМУ нет необходимости использовать дорогую землю, а в море всегда можно найти свободный участок, открытый для ветра.
• Работа ВЭМУ способствует экологическому оздоровлению акватории в месте её расположения. Приближенные к ВЭМУ массы воды постепенно насыщаются кислородом и очищаются в результате ускоренного роста марикультуры.
• Основания для ВЭМУ могут быть расположены в непосредственной близости к населённым пунктам, так как работа установок не имеет вредных особенностей, а сопровождается только положительными эффектами, главный из которых экологическое оздоровление акватории.
• На вращающихся палубах ВЭМУ может быть организован отдых людей на видовых площадках и культурно развлекательных зонах.
• Процесс опреснения воды не требует решения проблемы аккумулирования энергии.
Таким образом, использование ВЭМУ приведет к возрождению населенных пунктов вокруг мест расположения этих установок, экологическому улучшению состояния существующих водных источников, восстановлению хозяйственной деятельности и экономическому росту. Затраты на проектирование и изготовление ВЭМУ окупятся в короткое время и будут приносить доход в течение нескольких десятилетий. В конце срока эксплуатации остатки конструкций ВЭМУ могут быть оставлены в море в качестве искусственных рифов.
5. Особенности опреснения морской воды на установках типа ВЭМУ
В промышленных опреснительных процессах используют в основном дистилляцию путем нагрева, испарения воды и конденсации водяных паров. При этом тратится энергия на транспортировку воды по трубам, нагрев морской воды, испарение, откачку водяных паров, охлаждение паров и другие процессы. Это самый апробированный метод. Для испарения молекул йоды необходим нагрев, или иной другой путь повышения внутренней энергии. Для такого повышения энергии может быть использовано статическое сжатие морской воды до давления 20...30 МПа, что уже применяется в преобразовании энергии. Рассмотрим процесс истечения струи сжатой морской воды из сопла, предварительно разогретой до температуры, не превышающей точки кипения при данном давлении.
В соответствии с уравнением Бернулли энергия жидкости, находящейся в ёмкости под давлением, определяется только давлением р1, если скорость движения равна нулю и есть возможность не учитывать геометрический параметр. При выходе струи жидкости из этой ёмкости через отверстие сопла давление уменьшается и увеличивается кинетическая составляющая:
р] = р2 + ру2/2 ,
где р - плотность жидкости, V - скорость истечения из сопла, определяемая из уравнения
V = А2%р/р.
Рассмотрим подробно динамику преобразований в жидкости на всём пути её движения от входа в канал сопла до окончания процесса интенсивного парообразования в струе, движущейся свободно. Выделим для этого несколько участков (см. Рис. 3):
sea water chamber \
steam
evaporating tube
J— 2
3 P>vJ,
4 P»vJ<
5 P>v*T
▼ Ьгше
Рис. 3: Схема процесса испарения в установке на базе турбины ВЭМУ
Первый - вход в трубу, разгон частиц воды до скорости VI, начало выделения пузырьков пара. Второй - участок трубы от входа до выхода, для которого характерно постепенное увеличение суммарного потока за счет постепенно возрастающего объёма сжатого пара и изменения скорости суммарного потока до \2. [ ! Третий - участок свободной гидропаровой струи, для которого характерно активное выделение пара, отбор энергии из струи на образование и выделение пара и охлаждение за счет этого неиспарившейся воды, в которой остаются растворённые вещества.
Четвертый - участок свободного движения охлаждённой жидкости концентрированного рассола.
ЛИТЕРАТУРА
1. K. Knrokawa, K. Komoto, P. van der Vleuten, and D. Faiman (eds), "Energy from the Desert: Practical Proposals for Very Large Scale Photovoltaic Systems James and James, London, 2006.
2. V. V. Cheboxarov, V. V. Cheboxarov, and A. T. Bekker, "Numerical Analysis of Large-Scale Offshore Vertical Axis Wind Turbine", Int. J. Offshore and Polar Eng, Vol.14, No.3, 2004, pp 233-238.
3. V. V. Cheboxarov, V. V. Cheboxarov, "Analysis of Air Flow and Deformations of Large-Scale Floating Wind Turbine" Proc. of the Intern. Conference "Renewable Energy-2006Makuhari Messe, Japan, 2006, pp 759 - 762.
Чебоксаров Виктор В.
1 I
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА COSMOS FLOWORKS ДЛЯ РАСЧЕТА ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Для исследования и проектирования ряда сложных технических объектов, работающих в среде жидкости или газа, таких как ветроэнергетические установки, в настоящее время широко применяются методы компьютерной динамики жидкости (СТО). Они позволяют заменить дорогостоящий физический эксперимент многократно более дешёвым и быстрым вычислительным экспериментом. Однако для достоверности полученных СБО-методами результатов, этот эксперимент должен выполняться с использованием корректно построенной расчетной области, включая правильно выбранные начальные и граничные условия, модель турбулентности и условия сходимости расчёта. Кроме того,
