8523
.pdf
|
|
|
|
|
|
Таблица 4.2 |
|
|
Таблица значений критерия Фурье |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Теплотехническая |
|
|
Отношение теплоемкости потоков, W |
|
||
эффективность |
0,2 |
|
0,4 |
0,8 |
1,6 |
3,2 |
Θt, у |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
0,9 |
2,75 |
|
- |
- |
- |
- |
|
|
|
|
|
|
|
0,8 |
1,8 |
|
2,2 |
3,0 |
- |
- |
|
|
|
|
|
|
|
0,7 |
1,3 |
|
1,5 |
1,9 |
- |
- |
|
|
|
|
|
|
|
0,6 |
1,0 |
|
1,15 |
1,3 |
3,0 |
- |
|
|
|
|
|
|
|
0,5 |
0,75 |
|
0,8 |
0,9 |
1,4 |
- |
|
|
|
|
|
|
|
0,4 |
0,55 |
|
0,6 |
0,7 |
0,85 |
- |
|
|
|
|
|
|
|
0,3 |
0,4 |
|
0,45 |
0,45 |
0,5 |
1,0 |
|
|
|
|
|
|
|
0,2 |
0,25 |
|
0,26 |
0,27 |
0,3 |
0,4 |
|
|
|
|
|
|
|
0,1 |
0,2 |
|
0,2 |
0,2 |
0,22 |
0,25 |
|
|
|
|
|
|
|
KFп 1,5 4600 1,8 3450 Вт/°C. 3,6
Задаваясь массовой скоростью 2,5 кг/м2с находим фронтальное сечение теплоотдающего теплообменника fф,п, м2:
fф,п |
|
Gп |
|
. |
(4.21) |
||
|
|
|
|||||
|
|
Fф 3600 |
|
||||
fф,п |
4600 |
2,2 |
м2. |
||||
|
|
|
|||||
0,581 |
3600 |
||||||
|
|
|
|
Требуемая поверхность теплообменника Fтр, м2, равна:
F |
KFп |
|
2670 |
89 м2. |
|
|
|||
тр |
Kп |
29,9 |
|
|
|
|
К расчету принимаем медноалюминиевые теплообменники фирмы ВЕЗА. Наиболее близко подходит теплообменник ВНВ 243 № 10 с F = 15,9 м2, площадью сечения трубок для прохода теплоносителя fw = 0,000475 м2 и площадью фронтального сечения Fф = 0,581 м2.
Фактическая массовая скорость составит:
V ф |
Gп |
2,2 кг/м2·с. |
|
Fф 3600 |
|||
|
|
80
Вычисляем скорость теплоносителя в трубках, предварительно задавшись тем, что этиленгликоль будет идти по двум теплообменникам параллельно:
|
Gаф |
|
5170 |
1,43 |
м/с. |
|
3600 афtw 2 |
|
3600 1055 0,000475 2 |
||||
|
|
|
|
|
||
Коэффициент теплоотдачи Kп, Вт/(м2·°C) составляет: |
|
|||||
Kп 20,94 V 0,37 0,18 |
20,94 2,20,371,430,18 29,9 Вт/(м2·°C). |
Число теплообменников N, шт, установленных последовательно, равно:
NFFтр 1589,9 5,6 шт.
Кустановке принимаем 6 теплообменников, аэродинамическое сопротив-
ление по воздуху p, Па, которых составляет: |
|
|
|
|
p 7,96 V 1,59 N . |
(4.22) |
|||
p 7,96 2,21,59 6 167 Па. |
|
|||
Гидравлическое сопротивление теплообменников |
(3 группы по 2 парал- |
|||
лельно) pж, кПа, определяется по формуле: |
|
|
|
|
1,69 |
N |
, |
(4.23) |
|
pж 1,968lх |
|
|||
2 |
||||
|
|
|
где lх – длина трубок в одном ходе, м, lх = 1,155 м.
pж 1,968 1,155 1,431,69 62 12,5 кПа.
Аналогичные расчеты для вытяжной установки дали следующие конеч-
ные результаты: число последовательно соединенных воздухонагревателей ВНВ 243 № 10 N = 8 шт; аэродинамическое сопротивление блока p = 223 Па;
гидравлическое сопротивление блока pж = 16,6 кПа [21].
81
4.5. Контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы
1)Перечислите основные пути снижения потребления тепловой энергии на нагрев вентиляционного воздуха.
2)Назовите основные типы рекуперативных теплообменников.
3)Опишите принцип работы и конструкцию пластинчатого воздухо-
воздушного рекуперативного теплообменника.
4) В чем заключается принцип работы регенеративных утилизаторов теп-
лоты вращающегося и переключающегося типов?
5) Опишите основные принципиальные схемы работы воздухоподогрева-
тельных центров с регенеративными теплообменниками.
6)Перечислите основные схемы работы тепломассообменных аппаратов утилизации теплоты с промежуточным теплоносителем.
7)В ходе самостоятельной работы изучите принцип работы пластинчатых теплообменников с регенерацией влаги (мембранных рекуператоров), работа-
ющих на основе встречно-перекрестного метода.
8) Самостоятельно изучите принципиальные схемы контуров этиленгли-
колепроводов для теплообменников систем утилизации теплоты с промежуточ-
ным теплоносителем.
82
Глава 5. ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
5.1.Ветроэнергетические установки
5.1.1.Общие сведения о ветроэнергетических установках
Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) – устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию или механическую рабо-
ту. Первые ветродвигатели применялись в Вавилоне, Древнем Египте, Китае и Японии еще во 2 тысячелетии до н.э. В странах Европы (Италия, Франция, Ис-
пания, Англия, Нидерланды) ветрогенераторы стали применяться начиная с XIXII веков [22, 23]. К концу XVII века первые ветродвигатели появились в Рос-
сии. Вплоть до девятнадцатого века ветровые и водяные турбины были основ-
ными источниками энергии, пока не были вытеснены устройствами, использу-
ющими энергию пара. Изобретателем первой ВЭУ, вырабатывающей электро-
энергию, является шотландский инженер-изобретатель Дж. Блит, переоборудо-
вавший для данной цели свою мельницу.
В разное время вклад в развитие ВЭУ внесли многие отечественные и за-
рубежные ученые и изобретатели: П. Ла Кур, Ч. Ф. Браш, Й. Джул, А. Бетц,
братья Якобсы, В.Г. Залевский, Н.Е. Жуковский и др.
В 20-30 гг. XX века произошло широкое внедрение ветрогенераторов в
СССР и США. В 1931 г. в Крыму была построена крупнейшая на тот момент в мире ветроэлектростанция (ВЭС) мощностью P = 100 кВт, в 1941 г. ВЭС номи-
нальной мощностью P = 1,25 МВт была построена в США. Дополнительный толчок в развитии ВЭУ получили в 70-х годах двадцатого века под влиянием мирового энергетического кризиса.
На данный момент серийное производство ВЭУ налажено в Нидерландах,
Дании, Швеции, Великобритании, Германии, США и других странах. Самой мощной в мире ВЭУ в настоящее время является германский ветроэлектроге-
нератор «Enercon-126», высотой h = 198 м, размахом лопастей l = 127 м и но-
минальной мощностью P = 7,58 МВт [24] (рис. 5.1).
83
Рис. 5.1. Сравнительные размеры ВЭУ «Enercon E-126» с известными сооружениями
В настоящее время ВЭУ в нашей стране используют преимущественно для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию для подъема воды в сельской местности или электрическую на нужды бытовых и промышленных потребителей. Применение ВЭУ в России тормозит, в первую очередь, их высокая удельная капиталоемкость по сравнению с традиционными установками, использующими невозобновляемые энергетические ресурсы. Ос-
новным требованием для места строительства ВЭС является наличие высокой среднегодовой скорости ветра vветр ≥ 6 м/c [22].
В зависимости от геометрии ветроприемного устройства и его положе-
ния относительно направления потока ветра ветроэнергетические установки классифицируются на ВЭУ с горизонтальной или вертикальной осью враще-
ния и безлопастные. С точки зрения принципа действия ветроэнергетические установки делятся на [23, 24, 25, 26]:
− использующие подъемную силу (однолопастные, двухлопастные, трех-
лопастные, многолопастные, ротор Флеттнера, парусный ротор, буксировочный ротор, ротор Дарье, H-ротор Дарье);
− концентраторные (турбина в канале, ветроагрегат с диффузором, ка-
нального типа, дельта-концентратор, концентратор Бервиана); − использующие силу лобового сопротивления (ротор Савониуса, чашеч-
ный анемометр и др.).
84
В соответствии с типом используемого генератора ветроэнергетические установки подразделяют на ВЭУ с синхронным и асинхронным генераторами.
Ветроэнергетические установки также классифицируются по отношению соб-
ственной электрической мощности P, кВт, к полной мощности энергосистемы
Pc, к которой они подключаются [23]:
− класс A (P > Pc); ветроэнергетические установки не подключаются к энергосистеме, а предназначаются для поддержания определенного процесса,
например, уличного освещения или работы водяного насоса;
− класс B (P ≈ Pc); ветроэнергетические установки подключаются к не-
большой изолированной отдаленной энергосистеме; в таких случаях ВЭУ явля-
ется дополнительным источником электроэнергии, позволяющим сэкономить дизельное топливо, затрачиваемое на работу дизельгенератора;
− класс C (P < Pc); ветроэнергетические установки подключаются к ком-
мунальным энергосистемам большой мощности; в этом случае ВЭУ использу-
ются по прямому назначению, при наличии излишков электроэнергии она по-
дается в городскую энергосистему.
Внешний вид наиболее распространенных типов ветроприемных устройств ветроэнергетических установок приведен на рисунке 5.2.
5.1.2. Конструкция и принцип работы промышленных ВЭУ
Наиболее широко в настоящий момент в качестве промышленных ВЭУ применяются трехлопастные ветроэнергетические установки с горизонтальной осью вращения и синхронным двигателем, принципиальная схема работы кото-
рых приведена на рисунке 5.3. В конструкции гондолы 4 содержится генератор
8 и редуктор 5. Редуктор предназначен для связи вала ветроприемного устрой-
ства, состоящего из ступицы 2, лопастей 1 и обтекателя 3, с генератором и по-
вышения частоты его вращения. В башне имеется лестница для обслуживающе-
го персонала с целью подъема в гондолу и доступа к генератору и редуктору.
Гондола крепится на башню 11, устанавливаемую на фундамент 16.
85
Рис. 5.2. Типы ветроприемных устройств: с горизонтальной осью вращения (1 – однолопастной, 2 – двухлопастной, 3 – трехлопастной, 4 – многолопастной, 5 – многолопастной с наклонными лопастями, 6 – парусного типа); безлопастной 7; с вертикальной осью вращения (8 – ротор Савониуса, 9 – ротор Дарье, 10 – барабанного типа)
86
При изменении направления ветра, которое фиксируется измерительным оборудованием 9, происходит поворот гондолы по направлению против ветра с помощью поворотного механизма 12, приводимого в движение азимутальным приводом 13. Основные и дополнительные тормоза 6, 10, 14 предназначены для выведения ветроэнергетическая установка из эксплуатации при аварийных си-
туациях или в условиях буревых скоростей.
Принцип работы ветроэнергетической установки заключается в преобра-
зовании лопастями кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения вала ветроприемного устройства с последующей передачей её ротору генератора. В генераторе 8 происходит преобразование механической энергии вращения ротора в электрическую энергию. Вырабатываемый в гене-
раторе переменный ток направляется в выпрямитель переменного тока, где он преобразуется в постоянный ток, и затем поступает в контроллер 18. После это-
го постоянный ток поступает в инвертор 20, в котором он преобразуется в пе-
ременный ток с изменением частоты и напряжения.
Полученная электрическая энергия направляется через блок автоматиче-
ского включения резерва (АВР) к потребителю.
Блок АВР предназначен для обеспечения электрической энергией потре-
бителя из центральной системы электроснабжения в случае, если ветроэлектро-
генератор будет не в состоянии обеспечить потребителя электроэнергией в полном объеме в периоды с фактически более низкой, чем расчетная, скоро-
стью ветра vветр. Аккумуляторные батареи 19 предназначены для накопления электроэнергии и использования её при слабом ветре.
Данная схема подключения ВЭУ к электрической сети называется непря-
мой и позволяет аэродинамически оптимально использовать установку при различных скоростях ветра. Однако, она имеет значительные недостатки, а
именно: дополнительные капитальные затраты на её реализацию и значитель-
ные потери электроэнергии на нужды инвертора (до 5…10 % от вырабатывае-
мой мощности P, кВт).
87
Рис. 5.3. Принципиальная схема промышленной трехлопастной ветроэнергетической установки с синхронным двигателем и горизонтальной осью вращения: 1 – лопасть; 2 – ступица; 3 – обтекатель; 4 – гондола (машинное отделение); 5 – редуктор; 6 – резервный тормоз; 7 – гидродинамическое соединение; 8 – генератор; 9 – измерительное оборудование; 10 – азимутальный тормоз; 11 – башня; 12 – поворотный механизм; 13 – азимутальный привод; 14
– тормоз; 15 – автоматический ввод резерва; 16 – фундамент башни; 17 – переключатель и предохранители; 18 – контроллер генератора; 19 – блок аккумуляторов; 20 – инвертор
88
Промышленные ВЭУ, объединяемые в концентрированные на ограни-
ченном участке местности ветряные фермы (они же ВЭС), одним из крупней-
ших примером которых является ферма «San Gorgonio Pass» в США (P = 615
МВт), имеют более сложные схемы передачи электрической энергии от генера-
тора к конечному потребителю и являются объектами, возведенными в резуль-
тате уникального нетипового строительства.
5.1.3. Основные характеристики ветроприемного устройства ВЭУ
Основными характеристиками ветроприемного устройства (ветроколеса)
являются коэффициент использования мощности Cp, коэффициент момента окружных сил Cм и быстроходность Z [23, 26].
Коэффициент использования мощности определяется по формуле:
|
|
|
N |
в |
|
(v2 |
v2 )(v v |
2 |
) |
|
|
|
С |
|
|
|
|
|
1 |
2 1 |
|
, |
(5.1) |
||
p |
N |
|
|
|
2v3 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
ветр |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
где Nв – мощность ветроколеса, использованная ветроколесом в процессе его вращательного движения, Вт; Nветр – полная энергия набегающего ветрового потока, Вт; v1, v2 – скорость ветра до и после ветроколеса, м/c.
Максимальное значение коэффициента Cp достигается при соотношении скоростей v2/v1 = 1/3 и составляет Cp = CБ = 0,593 (где CБ – критерий Бетца). Ко-
эффициент полезного действия ветроколеса, исходя из данного критерия, опре-
деляется по следующей зависимости:
ηв |
С p |
. |
(5.2) |
|
CБ |
||||
|
|
|
Быстроходность Z ветроколеса является отношением линейной скорости конца лопасти к скорости набегающего ветрового потока и применяется в каче-
стве базовой характеристики ветроколеса и определяется по формуле:
Z |
2 nR |
, |
(5.3) |
|
|||
|
vветр |
|
где n – частота вращения, об/с; R – радиус ветроколеса, м.
89