Русский текст Ивана Игнаткина (ivan.ignatkin@dhbc.de)
Мы представим вам новую конструкцию компактной паровой турбины.
Если сказать точнее, это небольшая встраиваемая электростанция. Она также может быть применена как основной компонент теплоэлектростанции. Используя принцип децентрализованного получения электроэнергии, комбинированного с подогревом отопительной воды, эффективность использования полученной энергии может быть значительно выше чем при использовании централизованных электростанций.
Чтобы принцип децентрализованного энергоснабжения был конкурентоспособным, необходимы новые идеи. Двигатель Стерлинга или дизельный двигатель слишком дороги, для разумного применения в энергообеспечении домов отдельных семей.
В тех областях, где нужны небольшие мощности (как и в отдельных домах), может быть применен турбинный двигатель с циклом Ренкина с органической жидкостью. Он применяется в КТД, т.е. в компактном турбинном двигателе. Габариты КТД составляют примерно30 смв диаметре и примерно30 см. высоту. Но как изготовить такой двигатель с инженерной точки зрения? Испаритель, конденсатор и насос составляют единую вращающуюся систему. Мы получаем полноценную электростанцию, добавив к установке электрогенератор.
КТД очень прост в изготовлении, состоит из нескольких деталей, и количество материалов тоже незначительно, что является несомненным преимуществом, и поэтому есть возможность производить такую ТЭЦ по низкой цене.
Основные требования для электростанции.
В привычной для инженеров Теплоэлектростанции как отдельные взаимодействующие компоненты работают испаритель, турбина, конденсатор и насос.
В КТД конструкция упрощена: все термодинамические компоненты объединены в единое целое. Но в этом комплексе существуют отдельные камеры, которые применяются как испаритель и конденсатор.
Поэтому появляется важная задача – испаритель и конденсатор должны быть герметично изолированы. Это достигается с помощью вращения цилиндра с жидкостью в нем. Вращающаяся жидкость используется как уплотнитель
Основной принцип. Ведро Ньютона
Этот слайд показывает принцип действия так называемого ведра Ньютона. Этот принцип лежит в основе работы КТД. Под ведром Ньютона понимают эффект, который возникает, когда заполненный жидкостью цилиндр начинает вращаться. Когда частично заполненный цилиндр начинает вращаться со скоростью ω, тогда свободная поверхность жидкости становится параболической, а затем принимает форму кольцевидной трубы. Радиус этой трубы на этом эскизе отмечен буквой r. Давление на стенках этой трубы – сумма атмосферного давления и геодезического давления, возникающего из-за центробежных сил вызванных вращающейся жидкостью.
Вращающася тепловая труба.
Как это видно из рисунка, КТД это дальнейшее развитие вращающейся тепловой трубы (RHP). Особенность заключается в большом коэффициенте теплопередачи. Пограничный слой из-за вращения будет тоньше, и поэтому теплопередача будет осуществляться гораздо эффективнее. В КТД принцип работы, переноса массы и тепла такой же, однако, в обычной тепловой трубе отсутствует разделительная пластина. На одном конце трубы происходит испарение рабочей жидкости, а на другом конденсация. КТД имеет в испарителе больший внутренний радиус, чем в конденсаторе. С помощью вращения и специальной геометрической конструкции цилиндра, жидкость будет переноситься из конденсатора. Цикл представлен следующим образом: Жидкость испаряется, пар следует через форсунку в конденсатор, там пар конденсируется и конденсат снова возвращается в испаритель. В основе лежит принцип сохранения массы потока. Скорость обратного течения конденсата в испаритель усиливается за счет того, что испаритель имеет больший радиус. Имеется большой опыт использования тепловых труб, который может быть использован в проектировании ГТД. Пример применения вращающихся тепловых труб – охлаждение валов электромоторов.
От вращающейся тепловой трубы до КТД
Из рисунка следует, что прибегнув к небольшим изменениям конструкции тепловой трубы, можно получить КТД. В качестве дополнительного элемента используется разделительная пластина. Для придания потоку газа кинетической энергии имеются 2 раздельные камеры, образованные уплотняющей жидкостью. Нагрев может осуществляться с одной или нескольких точек. Здесь показана упрощенная схема.
Баланс давления/рабочее состояние
Здесь показан простой расчет для большой угловой скорости ω. Внутри отсека конденсатора и испарителя давления представляют собой Pa1 и Pa2. Полная совершаемая работа представляет собой разность этих давлений. Это сформулировано в строке 1.
После некоторых преобразований получаем отношения выбранных радиусов к разнице давления газов, к плотности и трем другим радиусам. С помощью соответствующего выбора этих параметров можно найти оптимальное решение и выбрать величину всех радиусов. Die Pumpleistung wird hier genauer berechnet: Pumpleistung9web
Баланс давления/условий работы
Таким образом, различные давления пара приводят к различным радиусам жидкостной трубы в двух камерах. Это означает, что разница давлений пара может быть уравновешена центробежной силой.
Давление и радиусы КТД.
Здесь перечислены параметры давлений, радиусов и плотностей. Подогрев осуществляется в области испарителя. Плотность в рабочих камерах не меняется, хотя различаются радиусы и давления. Поток проходит из конденсатора в испаритель. Этот процесс происходит, с одной стороны, в соответствии с законом сохранения массы потока, и за счет эффекта откачивании потока, который мы получаем с помощью увеличения радиуса. Силой тяжести в данном случае можно пренебречь.
КТД: первые эксперименты
На следующей картинке вы видите первый прототип КТД. Мы изначально создали конструкцию из оргстекла, чтобы получить возможность наблюдать за процессами течения в КТД, кроме того мы хотели испытать уплотняющую способность КТД. Мы выяснили, как ведет себя система на резонансных частотах вращения. Было исследовано поведение вращающейся жидкости при низких давлениях. В исследовании было использовано подсолнечное масло, т.к. оно имеет одинаковую с Ксилолом вязкость.
Эксперимент: Потери мощности вращающегося цилиндра КТД.
Были проведены некоторые измерения. Трение вращающегося цилиндра должно было быть приблизительно измерено и сравнено с моделью от Тильмана и Дириха-Герстена. Сверху вы видите данные, это зависимость угловой скорости относительно времени. При известных моментах инерции энергия вращения может быть поставлена в зависимость по времени. При этом можно построить полином. При дифференцировании этой кривой могут быть получены временные значения потерей мощности, которые возникают в результате трения вращающегося цилиндра в воздухе и трение подшипников цилиндра. Трение подшипника оценивается из каталога данных производителя подшипников SKF. В результате всех подсчетов получилась немного большая потеря мощности. Тем не менее эта модель будет использоваться для подобных оценок.
КТД и импульс
До сих пор мы рассматривали лишь цилиндр с двумя раздельными камерами, и не говорили о силе тяги этого механизма. На этом простом чертеже показана простейшая конструкция тяговых элементов КТД выполненных в виде сопел Лаваля. Они приводятся в движение реактивной
силой, такой же, которая заставляет ракету лететь.
Форсунки закреплены на разделительной пластине. Жидкость разогревается и испаряется в испарителе. Затем поток пара ускоряется в соплах Лаваля и впрыскивается в конденсатор. Конструкция с форсунками – это лишь первый этап разработок. В дальнейшем этот элемент можно будет заменить сопловым аппаратом и рабочим колесом турбины. Затем рабочая жидкость вновь переносится в испаритель через пространство между пластиной и цилиндром. Работа насоса в этом случае осуществляется за счет центробежных сил. Таким образом, осуществляется полноценный термодинамический цикл электростанции.
Дизайн экспериментальной КТД
Здесь показана модель, нарисованная в Автокад, созданная для дальнейших измерений и изучения КТД. В статоре установлены провода для осуществления измерений, а также для охлаждения и электрического подогрева системы.
Результаты изучения вращающейся трубы.
Есть очень интересные публикации от Зонга и др, где процесс переноса тепла в математической модели тепловой трубы, вращающейся при больших скоростях, сравнивается с реальным процессом. В этой модели были отражены относительно высокие скорости вращения. Такие силы могут привести к центробежному ускорению, сравнимому с тем, которое мы должны получить в КТД. Он разработал сложную модель и получил хорошее соответствие с экспериментальными данными Поннаппена и др. Модель Нуссельта хорошо соответствует реальным измерениям при теплопередаче около 100-200 КВт/м2
Больше результатов от RHP
Данные, полученные Хашимото, а также полученные другими специалистами из Митсубиши показали, что при высоких скоростях вращения растет коэффициент теплопередачи в воде и жидком метаноле. Практические измерения и теоретические модели тепловых труб показывают обнадеживающие результаты.
Достоинства и Борьба с недостатками.
Достоинствами КТД является – меньшее число вращающихся частей, отсутствие насоса, нет клапанов и труб, простота и дешевизна будущего серийного изготовления. Самым большим недостатком является небольшой объем переноса рабочего тела. Поэтому использование органической жидкости цикла может решить эту проблему. На следующих слайдах будет показан расчет, проведенный для Ксилола, как рабочей жидкости. Коэффициент передачи тепла имеет решающее значение. У органической жидкости цикла он ниже, чем у воды. И не стоит забывать, что ОЖЦ горючая.
Подсчеты
Здесь вы видите T-S диаграмму которая показывает теоретическую оценку мощности КТД на базе следующих исходных параметров: теплота сжигания топлива равна 20 КВт, используется Ксилол, как рабочая жидкость, полезная работа теоретического термодинамического процесса равна 85%, при обычной для микро-ТЭЦ температуре конденсатора 85 и начальной температуре паров равной 300 С.
Термический коэффициент процесса составляет около 20.6%. Для компьютерного моделирования использовались программы Fluidprop технического университета Delft и др. Полученные данные хорошо совпали с новыми расчетами от Лаи, Фишера и Вендланд, которые с помощью других моделей получили коэффициент равный 20.4%. Кроме того, наши данные о потерях трения в цилиндре соответствуют с данными, полученными Дирихо и Герстеном. Система, приводящая ротор в движение, состоит из форсунок, направленных противоположно вращению колеса и соответствует модели, разработанной в МЭИ. Механические потери, потери на трение в подшипниках и потери в направляющем аппарате также учитываются.
Результаты подсчетов.
Результаты сравнений показаны здесь: был проведен анализ погрешностей и было получено, что эффективность этой системы равна 11% с ошибкой около +/- 2%. Из-за этой неопределенности мы опять возвращаемся к сравнениям.
Больше информации в бюллетене РУДН
Подробности можно найти в ближайшее время в биллютене РУДН под редакцией Белозерова и др.
Борьба с недостатками/следующие шаги
Чтобы получить работоспособную конструкцию КТД необходимо применить два теплообменника. Имеет смысл использовать теорию струйного потока. Струи потока будут представляться в определенных термодинамических состояниях, как для ОЖЦ, так и для воды. Свойства жидкости при конденсации и испарении должны быть описаны и измерены. Также должно быть описана зависимость угловой скорости вращения внутреннего цилиндра от расхода пара. Несколько устаревшие измерения можно найти в работах Тильмана. Здесь описано как изменяется сила трения в цилиндре, вращающемся в неподвижном внешнем цилиндре. Целью всей работы является построение прототипа с эффективностью равной 10%.
Тестирование
На этом фото показан прототип, построенный в немецком университете в Аалене.
Конструкторский подход к исследованиям.
Этот эскиз показывает один из возможных подходов к изучению поведения ОЖЦ и воды в колесе Юнга и вращающемся конденсаторе.
Возможные применения этой технологии:
- Вместо того, чтобы сжигать уголь на обычной ТЭЦ без утилизации тепла уходящих газов, в Германии можно применить 10 млн. КТД и тем самым предотвратить образование 85 млн тонн CO2. В будущем возможна установка примерно 700000 новых отопительных систем каждый год.
2. Ожидается, что установка большого количества децентрализованных точек энергоснабжения окажет позитивное влияние на электрическую сеть. Обратная сторона заключается в том, что некоторые крупные электростанции придется вывести из эксплуатации, а остальные электростанции будут закрыты в следующие 9 лет. Таким образом, в общей сети уже не будет 20 ГВт. Децентрализованное энергообеспечение в купе с современными технологиями может снизить риски при смене типов электростанций. Микро ТЭЦ обеспечивает энергией даже в пасмурную погоду и при отсутствии ветра. Благодаря этой новой технологии возникнут новые модели ведения бизнеса в энергетике. Владельцы домов в Германии уже готовы заплатить за покупку такой отдельной электростанции. Важен также тот факт, что цены на газ и электричество сильно различаются, и вложить средства в такой двигатель будет выгодно для домовладельца. Возможно, этот двигатель также поможет в борьбе за повышения спроса на газ в российской энергетике. EON и другие уже пробовали это с двигателем Стерлинга, но он уже в течение 200 лет не оправдывает себя. Есть лишь небольшое количество микро ТЭЦ с двигателем Стерлинга. Некоторые фирмы, занимавшиеся этими двигателями, потерпели неудачу и обанкротились. Было растрачено множество ресурсов.
Подсчет стоимости одной установки
Простой подсчет показывает, что серийное производство КТД экономически оправдывает себя, даже для миллионов потребителей. При экономии около 500 евро в год, миллионы домовладельцев будут готовы купить эту технологию. Даже без субсидий. Кроме того, полезно и то, что электрическая нагрузка равномерно распределится между отдельными микро ТЭЦ и централизованными ТЭЦ.
КТД предлагает дальнейшую сферу деятельности для конструирования и исследований. Это признали многие. РУДН и Ааленский Университет будут занимать особое место в ведении проекта. Развитие новых вариантов прототипа означает, что проект будет расширен. Мы ищем партнеров на международном уровне.
Заключение о КТД.
Мы оптимистично смотрим на достижения в различных областях исследований КТД: классическая механика лежит в основе процесса сжатия и эффекта насоса. Исследования тепловой трубы показали, что эффект переноса потока обеспечивает достаточную работу по переносу рабочей жидкости, чтобы осуществить тепловой цикл обычной электростанции. Проведенные с использованием Ксилола и органической жидкости эксперименты привели нас к заключению, что целесообразней использовать обычную воду в качестве рабочей жидкости в цикле.