RESEARCH OF PARAMETERS OF MECHANICAL WIND HEAT GENERATORS FOR THE SEA OIL-EXTRACTING PLATFORMS
Authors:
1.
Saratov Scientific Center, Russian Academy of Sciences
2.
Astrakhan State Technical University
(Doctor of Sciences in Technology, Professor; Professor of the Department of Technological Machines and Equipment )
Type:
Article
Pages:
from 163
to 168
Status:
Published
Received:
20.10.2013
Accepted:
21.02.2020
Published:
25.10.2013
Subject area:
UDK [621.548:621.311.24]:[532:536.24]
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
BBK 31.62:35.111
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
BBK 31.62:35.111
Language:
Russian
Keywords:
sea platform, orthogonal wind turbine, mechanical heat generator, hot water supply, desalting of sea water
Abstract (English):
For economy of fuel and energy resources on sea oil-extracting platforms, renewable energy sources, in particular, wind power can be used. It is more effectively to use orthogonal wind turbine on the basis of Savonius and Darya's rotors. Wind energy can be applied to develop not only electric, but also thermal energy. The formulas are received and calculations of the key parameters of mechanical wind heat generator (MWHG): power and the excess temperature of mechanical heat generator and also power of an orthogonal wind turbine as a part of MWHG are executed. At change of frequency of rotation from 550 to 1 350 rpm the excess temperature of high viscosity liquid can increase from 12 to 156 °C. With a frequency of rotation of a shaft of the heat generator to 850 rpm MWHG can be used for hot water supply, and with a frequency of rotation over 1 000 rpm MWHG can be applied to desalting of sea water, as well.
For economy of fuel and energy resources on sea oil-extracting platforms, renewable energy sources, in particular, wind power can be used. It is more effectively to use orthogonal wind turbine on the basis of Savonius and Darya's rotors. Wind energy can be applied to develop not only electric, but also thermal energy. The formulas are received and calculations of the key parameters of mechanical wind heat generator (MWHG): power and the excess temperature of mechanical heat generator and also power of an orthogonal wind turbine as a part of MWHG are executed. At change of frequency of rotation from 550 to 1 350 rpm the excess temperature of high viscosity liquid can increase from 12 to 156 °C. With a frequency of rotation of a shaft of the heat generator to 850 rpm MWHG can be used for hot water supply, and with a frequency of rotation over 1 000 rpm MWHG can be applied to desalting of sea water, as well.
Keywords:
sea platform, orthogonal wind turbine, mechanical heat generator, hot water supply, desalting of sea water
sea platform, orthogonal wind turbine, mechanical heat generator, hot water supply, desalting of sea water
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. Semkin B. V. Ispol'zovanie vozobnovlyaemyh istochnikov energii v maloy energetike / B. V. Semkin, M. I. Stal'naya, P. P. Svit // 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. Effektivnoe ispol'zovanie vozobnovlyaemyh istochnikov energii dlya avtonomnogo teplosnabzheniya razlichnyh ob'ektov / N. D. Shishkin: monogr. Astrahan': Izd-vo AGTU, 2012. 208 s.
4. Shishkin N. D. Ispol'zovanie vozobnovlyaemyh istochnikov energii dlya energosnabzheniya neftedobyvayuschih morskih platform / N. D. Shishkin, I. V. Baltan'yazov, V. N. Gerlov // Vestn. Astahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Morskaya tehnika i tehnologiya. 2009. № 2. S. 193–197.
5. Shishkin N. D. Analiticheskoe issledovanie parametrov vetrodvigateley s vertikal'nymi polucilindricheskimi lopastyami / N. D. Shishkin, E. A. Manchenko // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Morskaya tehnika i tehnologiya. 2013. № S. 155–161.
6. Ryzhkov S. S. Teploobmennoe ustroystvo pryamogo preobrazovaniya energii vetra v teplovuyu / S. S. Ryzhkov, T. S. Ryzhkova // Materialy IV Minskogo mezhdunar. foruma. T. 10. Teplomassoobmen v energeticheskih ustanovkah. Minsk, 2000. S. 273–279.
7. Barabash V. M. Peremeshivanie v zhidkih sredah (Obzor) / V. M. Barabash, N. N. Smirnov / Zhurnal prikladnoy himii. 1994. T. 67, vyp. 2. S. 196–203.
8. Shishkin N. D. Analiticheskoe issledovanie parametrov mehanicheskih vetroteplogeneratorov / N. D. Shishkin, E. A. Manchenko, V. S. Gerlov // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. 2013. № 1 (55). S. 42–47.
