ANALYTICAL STUDY OF PARAMETERS OF MECHANICAL WIND HEAT GENERATORS
Rubrics: TECHNICAL SCIENCES
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
2.
Astrakhan State Technical University
3.
Astrakhan State Technical University
(Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Thermal Power Engineering and Refrigeration Machines)
FSBI FRC “Saratov Scientific Center of the Russian Academy of Sciences” (Head of the Laboratory of Non-conventional Energy of the Department of Energy Problems)
Russian Federation
FSBI FRC “Saratov Scientific Center of the Russian Academy of Sciences” (Head of the Laboratory of Non-conventional Energy of the Department of Energy Problems)
Russian Federation
Type:
Article
Pages:
from 42
to 47
Status:
Published
Received:
10.04.2013
Accepted:
15.04.2013
Published:
15.04.2013
Subject area:
UDK [621.548:621.311.24]:[532:536.24]
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
BBK 31.62:35.111
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
BBK 31.62:35.111
Language:
Russian
Keywords:
solar-wind installation, mechanical wind heat generator, power of wind heat generator, heating temperature, heating time
Abstract (English):
In some cases, solar and wind energy are used together to produce power and heat energy with combined solar-wind installations (CSWI). One of the key elements of the CSWI is the mechanical wind heat generator (MWHG), in which the mechanical power of the wind flow is converted into heat. Analytical researches of hydrodynamics and heat transfer by direct conversion of mechanical power into heat by friction of layers of highly viscous fluid between rotating and stationary discs helped obtain formulas for determining the power of the MWHG depending on the design, MWTG operating parameters, features of highly viscous fluid used in the heat generator, and excessive heat temperature in the MWHG and time of heating process.
In some cases, solar and wind energy are used together to produce power and heat energy with combined solar-wind installations (CSWI). One of the key elements of the CSWI is the mechanical wind heat generator (MWHG), in which the mechanical power of the wind flow is converted into heat. Analytical researches of hydrodynamics and heat transfer by direct conversion of mechanical power into heat by friction of layers of highly viscous fluid between rotating and stationary discs helped obtain formulas for determining the power of the MWHG depending on the design, MWTG operating parameters, features of highly viscous fluid used in the heat generator, and excessive heat temperature in the MWHG and time of heating process.
Keywords:
solar-wind installation, mechanical wind heat generator, power of wind heat generator, heating temperature, heating time
solar-wind installation, mechanical wind heat generator, power of wind heat generator, heating temperature, heating time
В настоящее время все более широкое применение находят децентрализованные системы энергоснабжения с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) – чаще всего солнечной и ветровой [1–5]. В ряде случаев солнечная и ветровая энергия используются совместно для выработки электрической и тепловой энергии отдельными или комбинированными солнечно-ветровыми установками (КСВУ) [6, 7]. Одним из основных элементов КСВУ является механический ветротеплогенератор (МВТ), в котором механическая энергия ветрового потока превращается в теплоту. В качестве привода механического теплогенератора (МТ) может быть использован ветродвигатель ортогонального типа с 2–6 полуцилиндрическими лопастями, вертикальными лопастями крылового профиля или комбинированный ветродвигатель на основе этих двух типов ветродвигателей [8]. Однако до настоящего времени не исследована гидродинамика и теплообмен при преобразовании механической энергии в тепловую в МТ за счет трения высоковязкой жидкости. В частности, отсутствуют аналитические зависимости для определения параметров МТ и динамики подогрева высоковязкой жидкости в МТ. Таким образом, достаточно актуальными представляются задачи аналитического исследования гидродинамики и теплообмена при преобразовании механической энергии в тепловую в МТ за счет трения высоковязкой жидкости. Рассмотрим гидродинамику и теплообмен при прямом превращении механической энергии в тепловую в зазорах между вращающимися и неподвижными дисками МТ. В отличие от известной работы по исследованию МТ с маловязкой жидкостью (водой), работающего при турбулентном режиме [9], предполагается ламинарный режим течения высоковязкой жидкости в зазорах между вращающимися и неподвижными дисками. Расчетная схема МТ показана на рис. 1. Зазор между подвижными и неподвижными дисками а предполагается постоянным, диаметр вала теплогенератора d на порядок меньше диаметра дисков (диаметра корпуса теплогенератора) ,. а динамическая вязкость жидкости принимается независящей от температуры. Процесс превращения механической энергии в тепловую можно в первом приближении считать адиабатным. Рис. 1. Расчетная схема механического теплогенератора По закону сохранения и превращения энергии и первому закону термодинамики для адиабатного процесса, тепло, выделяемое МТ за счет сил внутреннего трения в единицу времени на расстоянии r от оси вращения диска, может быть определено по формуле , (1) где К – количество зазоров между вращающимися и неподвижными дисками; ω – угловая скорость вращения диска; dM – момент силы трения, равный среднему значению вращающего момента ветродвигателя. Количество зазоров между вращающимися и неподвижными дисками , (2) где – высота корпуса МТ; a – средняя толщина зазора между вращающимися и неподвижными дисками. Момент сил трения в зазорах на расстоянии r от оси вращения диска . (3) Так как давление р, приложенное к левой и правой граням элемента жидкости в зазоре, одинаково, то для равновесия сил необходимо, чтобы касательное напряжение на нижней и верхней гранях было бы также одинаковым, т. е. По закону Ньютона, для внутреннего трения касательное напряжение (4) где – динамический коэффициент вязкости; v – скорость жидкости в зазоре; y – вертикальная координата. Знак минус взят потому, что при dy > 0, < 0. После интегрирования уравнения (4) получим, что скорость жидкости в зазоре . Постоянные С и С1 найдем, учитывая, что на границах потока жидкости при y = 0 v = u, при у = а v = 0, где u – окружная скорость диска, м/с. Отсюда константа С1 = u и касательное напряжение, н/м2, (5) Подставляя формулы (3) и (5) в формулу (2) и учитывая известное соотношение между линейной u и угловой скоростью , получим , (6) откуда после интегрирования получим формулу для расчета тепловой мощности: , где – внутренний диаметр корпуса теплогенератора, практически равный диаметру дисков; – диаметр вала, к которому присоединены диски. Учитывая, что , а также принимая во внимание известное соотношение между угловой скоростью w и частотой вращения вала МТ (1/c) , окончательно получаем мощность рассматриваемого многодискового МТ: , (7) где – коэффициент, характеризующий удельные потери на трение между подвижными и неподвижными дисками; – кинематический коэффицент вязкости. Как видно из формулы (7), наиболее сильное влияние на момент сил трения и выделение теплоты во фрикционном генераторе оказывают диаметры дисков , практически равные диаметру корпуса теплогенератора , а также частота вращения , толщина зазоров между дисками а. В [9] получена аналогичная формула для однодискового теплогенератора: . (8) Отличие в формулах (7) и (8) заключается в том, что коэффициент учитывает потери на трение в нескольких тонких слоях высоковязкой жидкости, нагреваемой в промежутках между подвижными и неподвижными дисками при ламинарном движении, а коэффициент, так называемый коэффициент дискового трения при турбулентном течении, зависит от шероховатости поверхности и относительной ширины бокового зазора между диском и корпусом. Кроме того, полученная нами формула (7) учитывает относительную высоту корпуса теплогенератора. В [10, 11] расчетная мощность мешалок различных типов, практически равная тепловой мощности, т. к. при перемешивании механическая энергия превращается в тепловую, определяется по формуле, аналогичной формуле (8): , (9) где – критерий мощности, зависящий от типа мешалки и центробежного критерия Рейнольдса ; – диаметр перемешивающего устройства. Существует 15 типов механических мешалок, основные из них приведены на рис. 2. Рис. 2. Схемы основных типов мешалок: а – лопастная; б – якорная; в – пропеллерная (винтовая); г – турбинная Характерной особенностью этих мешалок, отличающей их от конструкций одно- и многодисковых мешалок, являются существенно меньшие относительные диаметры: dМ/DМ = = 0,25– 0,33 . Поэтому в соответствии с формулами (7)–(9) выделение тепла при работе мешалок будет в 102–103 раз меньше, чем при работе одно- и многодисковых теплогенераторов. Таким образом, аналитическое исследование гидродинамики и теплообмена при прямом превращении механической энергии в тепловую в зазорах между вращающимися и неподвижными дисками механических теплогенераторов позволило получить зависимость (7), которая может быть использована для расчета их основных конструктивных размеров и эксплуатационных параметров. Следует, однако, отметить, что необходима экспериментальная проверка и уточнение полученной зависимости. Кроме того, необходимо экспериментально проверить, действительно ли многодисковый теплогенератор более эффективен, чем перемешивающие устройства основных типов при соотношении диаметров 1,0. Процесс подогрева высоковязкой жидкости в механическом теплогенераторе может быть описан дифференциальным уравнением теплового баланса: (10) где t – время процесса подогрева; – удельная теплоемкость и плотность высоковязкой жидкости; – объем и площадь поверхности корпуса теплогенератора; – избыточная температура жидкости; – коэффициент теплопередачи от высоковязкой жидкости в теплогенераторе к теплоносителю в баке-аккумуляторе теплоты. Разделив правую и левую части уравнения (10) на объем и введя такие величины, как объемная плотность теплового потока в МТ и геометрический коэффициент МТ , получим Разделив переменные и проинтегрировав следующее уравнение: , можно определить время подогрева высоковязкой жидкости в теплогенераторе: . Потенцируя уравнение (11), можно определить зависимость избыточной температуры подогрева в МТ от времени подогрева : . Таким образом, на основе аналитических исследований гидродинамики и теплообмена при прямом превращении механической энергии в теплоту за счет трения слоев высоковязкой жидкости между вращающимися и неподвижными дисками получены формулы для определения мощности МТ в зависимости от конструктивных, эксплуатационных параметров МТ, свойств высоковязкой жидкости, используемой в теплогенераторе, а также избыточной температуры подогрева в МТ и времени процесса подогрева . Зависимости, полученные на основе ряда упрощающих допущений, должны быть проверены экспериментально.
1. Semkin B. V., Stal'naya M. I., Svit P. P. Ispol'zovanie vozobnovlyaemyh istochnikov energii v maloy energetike // Teploenergetika. - 1996. - № 2. - S. 6-7.
2. Koncepciya netradicionnoy energetiki v Rossii // Netradicionnaya energetika i tehnologiya: materialy Mezhdunar. konf. Ch. 1. - Vladivostok: DVO RAN, 1995. - S. 3-4.
3. Shishkin N. D. Malye energoekonomichnye kompleksy s vozobnovlyaemymi istochnikami energii. - M.: Gotika, 2000. - 236 s.
4. Il'in A. K., Shishkin N. D. Avtonomnye teploenergeticheskie kompleksy (struktura, harakteristiki, effektivnost'). - Rostov n/D: YuNC RAN, 2004. - 116 s.
5. Shishkin N. D. Effektivnoe ispol'zovanie vozobnovlyaemyh istochnikov energii dlya avtonomnogo teplosnabzheniya razlichnyh ob'ektov: monogr. - Astrahan': Izd-vo AGTU, 2012. - 208 s.
6. Shishkin N. D., Manchenko E. A. Ocenka effektivnosti ekologicheski chistoy kombinirovannoy solnechno-vetrovoy ustanovki dlya turisticheskogo kompleksa // Ekologiya i bezopasnost' zhiznedeyatel'nosti: materialy Mezhdunar. konf. - Astrahan': Izd-vo AGTU, 2010. - S. 84-89.
7. Shishkin N. D., Manchenko E. A. Ocenka tehniko-ekonomicheskih pokazateley kombinirovannyh solnechno-vetrovyh ustanovok dlya avtonomnogo teplosnabzheniya // Problemy sovershenstvovaniya toplivno-energeticheskogo kompleksa: materialy Mezhdunar. nauch. konf. - Saratov: Izd-vo Sarat. un-ta, 2011. - S. 138-142.
8. Shishkin N. D., Manchenko E. A. Analiticheskoe issledovanie parametrov vetrodvigateley s vertikal'nymi polucilindricheskimi lopastyami // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Morskaya tehnika i tehnologiya. - 2013. - № 1. - S. 155-161.
9. Ryzhkov S. S., Ryzhkova T. S. Teploobmennoe ustroystvo pryamogo preobrazovaniya energii vetra v teplovuyu // Materialy IV Minskogo mezhdunar. foruma. T. 10. Teplomassoobmen v energeticheskih ustanovkah. - Minsk, 2000. - S. 273-279.
10. Barabash V. M., Smirnov N. N. Peremeshivanie v zhidkih sredah (Obzor) // Zhurnal prikladnoy himii. - 1994. - T. 67, vyp. 2. - S. 196-203.
11. Dytnerskiy Yu. I. Processy i apparaty himicheskoy tehnologii: v 2 kn. - M.: Himiya, 1995. - 400 s.
