Исследование параметров механических ветротеплогенераторов для автономного теплоснабжения различных потребителей

Шишкин Н.Д., Ильин Р.А.

Лаборатория нетрадиционной энергетики Отдела энергетических проблем Саратовского научного центра РАН при ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет»

n.shishkin-53@mail.ru, kaften.astu@mail.ru

Рост цен на традиционные топливные источники энергии и загрязнение окружающей среды выбросами вредных веществ в атмосферу делает весьма актуальным использованием возобновляемых источников энергии, в частности ветровой энергии [1-4]. Ветровая энергия, особенно в северных и восточных прибрежных регионах РФ, является более предпочтительной для выработки электрической и тепловой энергии. Это объясняется тем, что ветер дует достаточно интенсивно практически во все месяцы года, в то время как поступление солнечной энергии снижается в 3-4 раза в холодные месяцы отопительного периода года, а потребление тепловой и электрической энергии повышается в 3-4 раза. Для автономного теплоснабжения малоэтажных зданий, фермерских хозяйств, туристических комплексов, промысловых и других объектов в ряде случаев используются ветроэнергоустановки (ВЭУ), которые преобразуют ветровую энергию сначала в электрическую и лишь затем с помощью теплоэлектронагревателей в тепловую. Более экономичным представляется прямое превращение ветровой энергии с помощью механических ветротеплогенераторов (МВТГ), состоящих из вертикально- осевых ветродвигателей (ВО ВД), агрегированных с механическими теплогенераторами (МТ), различных, главным образом, многодисковых конструкций [5-7]. Таким образом, достаточно актуальным представляется определение параметров МВТГ на основе аналитических и экспериментальных исследований параметров МТ выполненных в виде многодисковых конструкций и ВО ВД различных типов.

Целью работы является аналитическое и экспериментальное исследование параметров МВТГ на основе ВО ВД различных типов и МТ многодисковых конструкций для преобразования механической энергии ветра в тепловую за счет трения высоковязкой жидкости (ВЖ).

Процесс подогрева высоковязкой жидкости в механическом теплогенераторе может быть описан с помощью дифференциального уравнения:

, (1)

где – объемная плотность теплового потока в МТ; Q _МТ – тепловой поток МТ; V _МТ – объем МТ; – удельная теплоемкость и плотность ВЖ; _п – избыточная температура ВЖ при подогреве в МТ; – коэффициент теплопередачи через ограждающие поверхности в МТ; – геометрический коэффициент МТ, – площадь поверхности корпуса теплогенератора; _п – время процесса подогрева.

Выполненные ранее исследования показали [4, 7-9, 10], что мощность МТ может быть определена по формуле

, Вт, (2)

где – конструктивный коэффициент, с^-1; – плотность ВЖ, кг/м³; – частота вращения вала МТ, об/мин; – высота и диаметр МТ, м;

Коэффициент может быть определен по формуле

, c^-1, (3)

где – кинематическая вязкость ВЖ, м²/с; а, в – расстояние между дисками и их толщина, м.

Как видно из формул (2), (3) наиболее сильное влияние на тепловую мощность МТ оказывают частота вращения вала МТ, его диаметр и температура высоковязкой жидкости t _вж, от которой зависит ее кинематическая вязкость.

Решая уравнение (1) получим формулу для определения избыточной температуры подогрева в МТ от времени подогрева τ_п

. (4)

Следует отметить, что полученная формула (4) требует экспериментальной проверки, т.к. она получена в предположении о наличии в зазорах между вращающимися и неподвижными дисками ламинарного течения высоковязкой жидкости и постоянстве ряда параметров, входящих в формулы (1)-(4). Поэтому были проведены экспериментальные исследования основных параметров МТ в лабораторных условиях.

На рис. 1 показан общий вид лабораторного стенда по исследованию параметров МТ, разработанного в Лаборатории нетрадиционной энергетики ОЭП СНЦ РАН при АГТУ.

МТ имеет диаметр 100 мм, высоту 80 мм, диаметр неподвижных дисков 80 мм, диаметр подвижных дисков 70 мм. Средняя ширина зазоров между подвижными и неподвижными дисками 3,5 мм, а толщина подвижных и неподвижных дисков 1,0 мм, толщина выполненной из пенополеуретана теплоизоляции составила 20 мм.

Вал вращался электродвигателем с тремя частотами вращения. Частота вращения вала с дисками определялась с помощью механического частотомера, температура жидкости внутри МТ, на поверхности его корпуса и наружного воздуха измерялась с помощью термопар и цифровых термометров.

Рис. 1. Общий вид лабораторного стенда по исследованию параметров МТ

В качестве ВЖ использовалось масло с вязкостью, изменяющейся при изменении температуры от 30 до 90 ºС от 210 до 12 м²/с. Начальная температура высоковязкой жидкости была практически равна температуре окружающего воздуха, поэтому начальная избыточная температура ВЖ при подогреве в МТ ≈ 0.

Эксперименты проводились при частотах вращения вала с дисками, соответственно, n = 500 об/мин = 8,33 об/с, n = 1000 об/мин = 16,67 об/с и n = 1500 об/мин = 25,00 об/с. Время эксперимента по подогреву ВЖ при этих частотах вращения достигало 3 ч 00 мин = 10800 с.

На рис. 2 приведены результаты изменения избыточной температуры ВЖ в МТ от времени подогрева и частоты вращения n вала с дисками. Рис. 2 показывает, что при частоте вращения 500 об/мин избыточная температура высоковязкой жидкости при времени процесса подогрева 8700 с = 2 ч 25 мин достигает 14,1 К, при частотах вращения 1000 и 1500 об/мин при времени процесса подогрева 9600 с = 2 ч 40 мин избыточные температуры высоковязкой жидкости достигают 42,6 и 57,0 К. Как видно из рис. 2 результаты эксперимента удовлетворительно согласуются с расчетной зависимостью 4, показанной штриховой линией, связывающей основные эксплуатационные параметры и конструктивные размеры МТ.

Рис. 2. Изменение избыточной температуры высоковязкой жидкости в МТ от времени подогрева и частоты вращения n вала с дисками: – n = 500 об/мин = 8,33 об/с; – n = 1000 об/мин = 16,67 об/с; – n = 1500 об/мин = 25,00 об/с

Имеющиеся отклонения не превышают 18% и находятся в пределах погрешности измерений. Для уточнения зависимости 4 и введения при необходимости соответствующих поправочных коэффициентов в дальнейшем предполагается провести исследования на экспериментальной установке, имеющей большие размеры, в частности диаметр МТ и меньшую частоту вращения n вала с дисками, соответствующей частоте вращения ротора ВО ВД с учетом мультипликатора. Так, например, при увеличении диаметра МТ в 2 раза, мощность МТ Q _мт в соответствии с формулой (2) увеличится в 16 раз, поэтому частота вращения при той же мощности может быть снижена в 2,5 раза.

Для привода МТ в МВТГ могут быть применены ВО ВД различных конструкций [11-14]. В ряде работ авторов были экспериментально исследованы параметры ВО ВД на основе усовершенствованных роторов Н-Дарье, Савониуса или комбинированного ротора на основе роторов Н-Дарье и Савониуса (КРДС) [15-18]. Достоинством роторов Н-Дарье при равных прочих условиях является большая частота вращения ротора и коэффициент мощности, а недостатком малый пусковой момент. Преимуществом ротора Савониуса является большой пусковой момент, а недостатками гораздо меньшая частота вращения и коэффициент мощности. КРДС обладает преимуществами роторов Н-Дарье и Савониуса.

Мощность ВО ВД может быть определена по известной, универсальной для всех ветродвигателей формуле

, Вт, (5)

где – коэффициент мощности (коэффициент использования энергии ветра); – плотность воздуха, кг/м³; – площадь сечения (ометаемая площадь), проходящего через ротор ветрового потока, м²; – скорость ветра, м/с.

Выполненные авторами экспериментальные исследования показали, что коэффициент мощности ротора ВО ВД при оптимальной геометрии, в соответствии с данными [11-14] при дополнительном применении закрылков с треугольными элементами небольшой высоты показали, что при их применении частота вращения ротора может увеличиться на 18%, а коэффициент мощности ротора Савониуса может увеличиться на 19% и достигнуть максимального значения для ротора Савониуса = 0,32, ротора Н-Дарье = 0,60 и КРДС = 0,32-0,60 ≈ 0,46 [15-18].

В частности, расчеты по формуле (5) показывают, что при номинальной скорости ветра 9 м/с, типичной для ВЭУ малой мощности, и ометаемой площади 40,77 м² номинальная мощность составит 7,41 кВт. При использовании роторов Н-Дарье и КРДС при тех же условиях номинальные мощности могут достигнуть 13,9 и 10,7 кВт. При круглосуточной работе МВТГ при среднем коэффициенте использования установленной мощности ВО ВД 0,20 время подогрева ВЖ и теплоносителя (воды) до 50-60 ºС составит около 5 ч. Этих мощностей вполне достаточно для автономного теплоснабжения малоэтажных зданий, фермерских хозяйств, туристических комплексов, различных промысловых и других автономных объектов [1, 4, 7].

На основе проведенных исследований могут быть сделаны следующие выводы.

1. Рассмотрено прямое превращение ветровой энергии в тепловую за счет трения высоковязкой жидкости с помощью МВТГ, состоящего из ВО ВД, агрегированного с МТ многодисковой конструкции. Наиболее сильное влияние на тепловую мощность МТ оказывают его диаметр, частота вращения вала и температура ВЖ от которой зависит ее кинематическая вязкость.

2. Проведенные в лабораторных условиях эксперименты с МТ диаметром 100 мм, шириной зазоров между подвижными и неподвижными дисками 3,5 мм показали, что при частотах вращения 1000 и 1500 об/мин при времени процесса подогрева 92 ч 40 мин избыточные температуры ВЖ достигают 42,6 и 57,0 К. Результаты эксперимента удовлетворительно согласуются с расчетной зависимостью, связывающей основные эксплуатационные параметры и конструктивные размеры МТ. Имеющиеся отклонения не превышают 18% и находятся в пределах погрешности измерений.

3. Для привода МТ в МВТГ могут быть применены усовершенствованные авторами роторы Н-Дарье, Савониуса или КРДС. Коэффициенты мощности ротора Савониуса могут достигнуть максимального значения для ротора Савониуса = 0,32, ротора Н-Дарье = 0,60 и КРДС = 0,32-0,60 ≈ 0,46. При номинальной скорости ветра 9 м/с, типичной для ВЭУ малой мощности, и ометаемой площади 40,77 м² номинальная мощность МВТГ с приводом от ротора Савониуса составит 7,41 кВт, а при использовании роторов Н-Дарье и КРДС номинальные мощности могут достигнуть 13,9 и 10,7 кВт.

4. Мощностей МВТГ вполне достаточно для автономного теплоснабжения малоэтажных зданий, фермерских хозяйств, туристических комплексов и других автономных объектов. При круглосуточной работе МВТГ при среднем коэффициенте использования установленной мощности ВО ВД 0,20 время подогрева теплоносителя до 50-60 ºС составит около 5 ч. Предлагаемые МВТГ могут быть использованы для автономного теплоснабжения различных объектов.

Список литературы

1. Семкин Б.В., Стальная М.И., Свит П.П. Использование возобновляемых источников энергии в малой энергетике // Теплоэнергетика. – 1996. – № 2. – С. 6-7.

2. Чивенков А.И., Лоскутов А.Б., Михайличенко Е.А. Анализ применения и развития ветроустановок // Промышленная энергетика. – 2012, – № 5. – С. 57-63.

3. Бежан А.В., Минин В.А. Оценка эффективности системы теплоснабжения на основе котельной и ветроустановки в условиях севера // Теплоэнергетика. – 2017. – № 3. – С. 51-59.

4. Шишкин Н.Д. Эффективное использование возобновляемых источников энергии для автономного теплоснабжения различных объектов. – Астрахань: Изд-во Астраханского гос. тех. ун-та, 2012. – 208 с.

5. Ильин А.К., Морев О.Б. Модель теплогенератора для ветроэнергетических установок // Вестник Астраханского гос. тех. ун-та. – 2008. – № 6 (47). – С. 48-50.

6. Рыжков С.С., Рыжкова Т.С. Теплообменное устройство прямого преобразования энергии ветра в тепловую // Тепломассообмен в энергетических установках: материалы IV Минск. междунар. форума. – Минск: Ин-т тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАНБ, 2000. – С. 273-279.

7. Шишкин Н.Д., Савенков А.В., Абрамов А.А. Разработка механических ветротеплогенераторов для автономного теплоснабжения объектов // Chronos: естественные науки. – 2018. – С. 71-76.

8. Горелов Д.Н. Энергетические характеристики ротора Дарье (обзор) // Теплофизика и аэромеханика. – 2010. – Т. 17. – № 3. – С. 325-333.

9. Горелов Д.Н. Аэродинамика ветроколес с вертикальной осью вращения. – Омск: Полиграф. центр КАН, 2012. – 68 с.

10. Форандо, Моди. Характеристики ветродвигателя Савониуса // Современное машиностроение. Серия А. – 1988. – № 10. – С. 139-148.

11. Соломин Е. В. Методология разработки и создания вертикально-осевых ветроэнергетических установок. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2011. – 324 с.

12. Шишкин Н.Д., Манченко Е.А. Аналитическое исследование параметров ветродвигателей с вертикальными полуцилиндрическими лопастями // Вестник Астраханского гос. тех. ун-та. Сер.: Морская техника и технологии. – 2013. – № 1. – С. 155-161.

13. Барабаш В.М., Смирнов Н.Н. Перемешивание в жидких средах (Обзор) // Журнал прикладной химии. – 1994. – Т. 67. – Вып. 2. – С. 196-203.

14. Шишкин Н.Д., Манченко Е.А., Герлов В. С. Аналитическое исследование параметров механических ветротеплогенераторов // Вестник Астраханского гос. техн. ун-та. – 2013. – № 1. – С. 42-47.

15. Shishkin N. D., Ilyin R. A. The design, estimation of the parameters of the vertical-axial wind-mill electric generating unit for the self- generated power supply of the objects Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2018. – Volume 1111. 012055.

16. Shishkin N. D., Ilyin R. A. Savonius rotors research for the self-generated power supply by land, by sea Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2018. – Volume 1111. 012056.

17. Nikolai Shishkin and Roman Ilyin // Experimental determination of the energy efficiency of rotors of vertical-axis wind turbines for autonomous power supply on land and at sea / International Scientific Conference on Energy, Environmental and Construction Engineering (EECE-2018). – Saint-Petersburg, Russia, November 19-20, 2018. MATEC Web of Conferences. – (2018) 06016. – Volume 245. Published online: 05 December 2018DOI: https://doi.org/10.1051/matecconf/201824506016.

18. Шишкин Н.Д., Ильин Р.А. Разработка и оценка параметров комбинированной ветроэнергетической установки на основе роторов Н-Дарье и Савониуса // Промышленная теплоэнергетика. – 2018. – № 8. – С. 51-56.