Аннотация и ключевые слова
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.

Ключевые слова:
морская платформа, ортогональная ветроустановка, механический ветротеплогенератор, горячее водоснабжение, опреснение морской воды
Текст
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.
Список литературы

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.