Аналіз пристроїв застосування вітрогенератора для утилізації енергії теплих висхідних потоків повітря в системах вентиляції

Аналіз пристроїв ЗАСТОСУВАННЯ ВІТРОГЕНЕРАТОРА ДЛЯ УТИЛІЗАЦІЇ енергії теплих Висхідних потоків ПОВІТРЯ в системах вентиляції

, асп., К. І. Габрильчук, магістр

Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського

в, 39600, м. Кременчук, Полтавської обл. Україна, e-mail: [e-mail]

Вступ. Димові гази, що викидаються промисловими підприємствами в атмосферу, є причиною великих втрат тепла. Викиди в атмосферу високотемпературних газів негативно позначаються на екологічній обстановці. У зв'язку з цим утилізація тепла із систем вентиляції є одним з важливих завдань енергозбереження та раціонального витрачання теплової енергії.

Мета роботи. Підвищення ефективності систем вентиляції промислового підприємства.

Матеріал і результати дослідження. У ряді наукових досліджень робилися спроби створення повітряних енергетичних установок, при роботі яких здійснюється спосіб отримання енергії на поновлюваних джерелах.

Розглянемо спосіб перетворення енергії потоку суцільного середовища в механічну енергію, при якому потоку надають обертальний момент, направляючи його у систему каналів 1, створюють в ньому знижений тиск, забезпечуючи тим самим підсмоктування середовища з зовнішнього простору і концентрацію потужності в сформованому потоці, а потім перетворення накопиченої таким чином енергії руху потоку за допомогою механізму обертальної дії 2 (рис. 1, а). Щілини 3 у вежі відкриті з навітряної сторони та закриті з підвітряного боку. Проходячи крізь ці щілини, потік повітря набуває тангенційної складової швидкості, що означає виникнення закрученої течії всередині башти. В ядрі такого потоку утворюється зона зниженого тиску, що забезпечує всмоктування всередину башти додаткових мас повітря, що надходять через її нижній торець, встановлений на спеціальний пристрій-піддувало. Повітря можна не підігрівати, а використовувати потік теплого повітря, що виходить з димової труби промислового підприємства [1].

а) б) в)

Рисунок 1 – Схема автономної повітряної енергетичної установки

Підвищити к. к.д. вітроустановки можна за допомогою встановлення в ній з можливістю обертання в протилежному напрямку двох вітроколіс барабанного типу 4 (рис. 1, б). В цій установці вітродвигун забезпечений генератором і підключеними до нього за допомогою реле та діода електроакумуляторами. При виникненні вітру вітроколесо починає обертатися, але генератор не підключається до навантаження, тому що реле включає свої контакти тільки при досить сильному вітрі, забезпечуючи розгін вітроколеса на холостому ходу, що зменшує їх знос і збільшує термін служби і надійність [2]. "Організовані" потоки повітря, завжди піднімаються в трубі через різницю щільності у верхнього і нижнього кінців труби, своїм тиском на лопаті рушіїв змушують їх обертатися одну пару за годинниковою, іншу проти годинникової стрілки. Вироблена електроенергія вітроустановки складається з електроенергії, одержуваної вітроагрегатами, і електроенергії, утвореною електрогенераторами, на осях роторів яких ці вітроагрегати встановлені.

Крім того більша розрахункова кількість вітроколіс може бути використана автономно як вихоростворювачі без кінематичного взаємозв'язку з генераторами 5, а тільки з пневматичним зв'язком з вітроколесами 6, які в даному виконанні пов'язані з електричними генераторами 5 (рис. 1, в). В запропонованій установці нижнє вітроколесо виконує роль вихоростворювача висхідного повітряного потоку всередині напірної труби [3].

Для пошуку способу підвищення к. к.д. установок необхідно проаналізувати конструкцію вітроколеса. Вітрове колесо, розміщене у вільному потоці повітря, може в кращому випадку теоретично перетворити в потужність на його валу 0,59 (критерій Бетца) потужності потоку повітря, що проходить через площу перетину, яка ометається вітровим колесом. Цей коефіцієнт можна назвати теоретичним к. п.д. ідеального вітрового колеса. У дійсності к. к.д. нижче і досягає для кращих вітрових коліс приблизно 0,45 [4].

Одним із конструктивних параметрів при виборі вітроколеса є профіль лопаті. Вітроколесо крильчатого вітродвигуна працює за рахунок підйомної сили , яка виникає на крилі при набіганні на нього повітряного потоку. Ця сила аналогічна силі, що виникає на крилі літака при русі його в повітрі під дією гвинта, що обертається мотором. Силу можна розкласти на дві: силу , перпендикулярну потоку, та , що йде за потоком, яка викликає втрати енергії повітряного потоку (рис. 2, а). Співвідношення між і буде залежати від форми крила і кута нахилу його поверхні до потоку.

На рисунку 2,б показані профілі крил: плоский, у вигляді дужки і обтічний. Найбільша підйомна сила і найменша сила опору виходять у крила з обтічним профілем. Вітроколеса з таким профілем крила будуть працювати найбільш ефективно.

а) б)

Рисунок 2,а – підйомна сила на крилі; 2,б - зміна величина підйомної сили і сили опору в залежності від форми профілю крила

Найбільше значення коефіцієнту використання вітру ξ мають дво - і трилопатеві колеса з горизонтальною віссю обертання. Для них високий ξ зберігається в широкому діапазоні швидкохідності Z. Від кількості лопатей вітроколеса залежить його номінальна швидкість обертання, при якій досягається максимальний к. к.д. Чим більше лопатей містить вітроколесо, тим більше його номінальний момент обертання, але тим менше його ж номінальна швидкість обертання. Момент на валу генератора від вітроколеса визначається за формулою: .

Рис. 3 – Залежність коефіцієнту використання вітру ξ від швидкохідності вітроколеса Z: 1 - ідеальне крильчате вітроколесо; 2,3 і 4 – двох-, трьох - і багатолопатеві крильчаті вітроколеса; 5 - ротор Дарії; 6 - ротор Савоніуса; 7 - четирех лопатеве вітроколес

У силу того, що необхідно мати максимальний момент на валу генератора, а не вітроколеса, то не можна без розрахунків стверджувати, що вітроколесо з великою кількістю лопатей, а значить і з великим крутним моментом, буде більш ефективне. Крутний момент вітроколіс залежать від профілю лопаті, який вибирається виходячи з з призначення і потужності вітроустановки. Найбільш ефективними для всіх генераторів є вітроколеса з числом лопатей від 3 до 6, але вітроколесо з трьома лопатями

володіє найбільшою перевантажувальною здатністю і найбільшим діапазоном робочих швидкостей.

Висновки. Як один із варіантів підвищення ефективності систем вентиляції промислового підприємства встановлення установки для утилізації енергії теплих потоків з використанням трилопатевого вітроколеса з обтічним профілем крила. Пристрій може бути виконано варіантах співвісного розташування розрахункової кількості вітроколіс в будь-якій комбінації кінематичного і електричного зв'язку між вітроколесами і генераторами. Перспективою є удосконалення одного із варіантів запропонованих установок, що дозволить зекономити деяку частину коштів, яка витрачається підприємством на плату за споживання електричної енергії.

література

1. Патент РФ /06 «Способ и устройство получения єлектроєнергии на возобновляеміх источниках єнергии» / Крохалев В. В.; заяв. 10.04.2010, опубл. 20.07.2010.

2. Патент РФ /06 «Ветроустановка для производства электрической энергии» / , , ; заяв. 17.06.1994, опуб. 27.10.1997.

3. Патент Российской Федерации RU2138684 «Устройство для преобразования воздушніх потоков в єлектрическую єнергию» / ; опубл. 10.02.2007.

4.. О методике ветроэнергетических расчетов, Электрические станции, 1992, №7.

, К. І. Габрильчук Аналіз пристроїв застосування вітрогенератора для утилізації енергії нагрітого повітря в системах вентиляції Енергетика та енергетичні системи. Збірник наукових праць X Міжнародної науково-технічної конференції молодих учених і спеціалістів у місті Кременчук 28–29 березня 2012 р. – Кременчук: КрНУ, 2012. – С. хх–хх. Розглянуто роботу декількох варіантів існуючих пристроїв для перетворення кінетичної енергії нагрітих повітряних потоків в електричну енергію. Проаналізовано сили, що діють на вітроколесо та лопаті під час їх роботи, визначено оптимальну кількість лопатей.

D. Sereda, K. Gabrylchuk Analysis of the use of devices for utilization of wind power generator power heated air in ventilation systems Power and energy systems. The 10th International conference of students and young researchers in Kremenchuk march 28–29, 2012. – Kremenchuk: КrNU, 2012. – P. хх– хх. Work of a few variants of existent devices is considered for converting of kinetic energy of the heated currents of air into electric energy. Forces that operate on a wind wheel and blades during their work are analysed, the optimal amount of blades is determined.