АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕТРОТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
В ряде случаев солнечная и ветровая энергия используются совместно для выработки электрической и тепловой энергии комбинированными солнечно-ветровыми установками (КСВУ). Одним из основных элементов КСВУ является механический ветротеплогенератор (МВТ), в котором механическая энергия ветрового потока превращается в теплоту. Аналитические исследования гидродинамики и теплообмена при прямом превращении механической энергии в теплоту за счет трения слоев высоковязкой жидкости между вращающимися и неподвижными дисками позволили получить формулы для определения мощности МВТ в зависимости от конструктивных, эксплуатационных параметров МВТ, свойств высоковязкой жидкости, используемой в теплогенераторе, а также избыточной температуры подогрева в МВТ и времени процесса подогрева.

Ключевые слова:
солнечно-ветровая установка, механический ветротеплогенератор, мощность ветротеплогенератора, температура подогрева, время подогрева
Текст
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.
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. 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. Малые энергоэкономичные комплексы с возобновляемыми источниками энергии. – М.: Готика, 2000. – 236 с.

4. Ильин А. К., Шишкин Н. Д. Автономные теплоэнергетические комплексы (структура, характеристики, эффективность). – Ростов н/Д: ЮНЦ РАН, 2004. – 116 с.

5. Шишкин Н. Д. Эффективное использование возобновляемых источников энергии для автономного теплоснабжения различных объектов: моногр. – Астрахань: Изд-во АГТУ, 2012. – 208 с.

6. Шишкин Н. Д., Манченко Е. А. Оценка эффективности экологически чистой комбинированной солнечно-ветровой установки для туристического комплекса // Экология и безопасность жизнедеятельности: материалы Междунар. конф. – Астрахань: Изд-во АГТУ, 2010. – С. 84–89.

7. Шишкин Н. Д., Манченко Е. А. Оценка технико-экономических показателей комбинированных солнечно-ветровых установок для автономного теплоснабжения // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса: материалы Междунар. науч. конф. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2011. – С. 138–142.

8. Шишкин Н. Д., Манченко Е. А. Аналитическое исследование параметров ветродвигателей с вертикальными полуцилиндрическими лопастями // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. – 2013. – № 1. – С. 155–161.

9. Рыжков С. С., Рыжкова Т. С. Теплообменное устройство прямого преобразования энергии ветра в тепловую // Материалы IV Минского междунар. форума. Т. 10. Тепломассообмен в энергетических установках. – Минск, 2000. – С. 273–279.

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

11. Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии: в 2 кн. – М.: Химия, 1995. – 400 с.