ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕТРОТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ ДЛЯ МОРСКИХ НЕФТЕДОБЫВАЮЩИХ ПЛАТФОРМ
Авторы:
1.
Саратовский научный центр Российской академии наук
2.
Астраханский государственный технический университет
(доктор технических наук, профессор; профессор кафедры теплоэнергетики и холодильных машин)
ФГБУН ФИЦ «Саратовский научный центр Российской академии наук» (заведующий лабораторией нетрадиционной энергетики отдела энергетических проблем)
Россия
ФГБУН ФИЦ «Саратовский научный центр Российской академии наук» (заведующий лабораторией нетрадиционной энергетики отдела энергетических проблем)
Россия
Тип:
Статья
Страницы:
с 163
по 168
Статус:
Опубликован
Получено:
20.10.2013
Одобрено:
25.10.2013
Опубликовано:
25.10.2013
Классификаторы:
УДК [621.548:621.311.24]:[532:536.24]
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ББК 31.62:35.111
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ББК 31.62:35.111
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
морская платформа, ортогональная ветроустановка, механический ветротеплогенератор, горячее водоснабжение, опреснение морской воды
Аннотация (русский):
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.
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
морская платформа, ортогональная ветроустановка, механический ветротеплогенератор, горячее водоснабжение, опреснение морской воды
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 механического теплогенератора 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 оребрением, к корпусу МТГ, а от него – к воде в баке-аккумуляторе. Расчетная схема МТГ, являющегося одной из основных частей МВТГ, приведена на рис. 2. Рис. 2. Расчетная схема механического теплогенератора Ранее выполненное аналитическое исследование параметров МТГ показало [8], что , где – коэффициент, характеризующий удельные потери на трение между подвижными и неподвижными дисками; – кинематический коэффициент вязкости; – зазор между вращающимися и неподвижными дисками; – толщина дисков; – плотность высоковязкой жидкости; – частота вращения вала МТГ; – диаметр дисков МТГ; – 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 , практически равные диаметру корпуса МТГ, а также частота вращения , толщина зазоров между дисками . Зазор между подвижными и неподвижными дисками предполагается постоянным, диаметр вала МТГ на порядок меньше диаметра корпуса МТГ , а динамическая вязкость жидкости принимается независящей от температуры. Процесс подогрева высоковязкой жидкости в МТГ может быть описан с помощью дифференциального уравнения , (2) где – объемная плотность теплового потока в МТГ; – геометрический коэффициент МТГ; – время процесса подогрева; – удельная теплоемкость и плотность высоковязкой жидкости; – площадь поверхности корпуса 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 от времени подогрева : 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 пенополистирола 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 , температура подогрева высоковязкой жидкости может увеличиться от 5 до 67 ºС, а при толщине теплоизоляции = 0,04 м – от 12 до 156 ºС. 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/м, при соответствующем изменении частоты вращения от 550 до 1 350 об/мин, даже при отсутствии теплоизоляции температура подогрева высоковязкой жидкости может увеличиться от 5 до 67 ºС, а при толщине теплоизоляции = 0,04 м – от 12 до 156 °С. Таким образом, 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/м – для опреснения морской воды на морской нефтедобывающей платформе. Рис. 3. Зависимость избыточной температуры от частоты вращения МТГ и толщины теплоизоляции 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) где – КПД ветродвигателя, который, в соответствии с [8], может быть принят равным = 0,21; – плотность воздуха при среднегодовой температуре воздуха 10 ºС, = 1,25 кг/м; H и D – соответственно высота и диаметр ортогонального ветродвигателя, для платформы ЛСП можно принять H = 10 м и D = 1,0 м; – скорость ветра, можно принять номинальную скорость ветра = 9,0 м/с. Расчеты по формуле (1) показывают, что мощность одного ортогонального ветродвигателя, входящего в состав МВТГ для платформы ЛСП ≈ 1,0 кВт, а для четырех ветродвигателей – около 4,0 кВт. Этой мощности будет вполне достаточно для подогрева 0,8 м3/cут от 25 до 50 ºС 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 = 0,04 м от 12 до 156 ºС. 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/cут от 25 до 50 ºС и компенсации около 30 % затрат ТЭР на горячее водоснабжение.
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 полуцилиндрическими лопастями / Н. Д. Шишкин, Е. А. Манченко // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2013. № 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.
