Фундаментальные знания в области ветроэнергетики

Краткий обзор был бы не полным для настоящей программы , если не дать оценку некоторых достигнутых фундаментальных знаний в области ветроэнергетики. На рис. 2.2.4 приведена схема различных областей знаний применительно к ветроэнергетике [191] с экспертной оценкой нерешенных задач.

Соотношения между решенными и нерешенными задачами для ветроэенергетической технологии.

- фундаментальные знания достаточные для их использования.

ххх-узкие места в фундаментальных знаниях .

Рис. 2.2.4

На примере совершенствования модели ветра можно показать что углубление знаний в этой области позволило приблизиться к адекватной модели преобразования энергии На рис. 2.2.5 показаны: использование упрощенной модели ветра с осредненными параметрами по времени и в пространстве до 70 годов, учет изменения скорости ветра по высоте в 75 годы, использование турбулентной модели ветра в 85 годы.

а) б) в)

Модели ветра. а) Осреднение по времени и пространству, б) Изменение скорости ветра по высоте, в) Турбулентная модель ветра

Рис. 2.2.5

Вихревые трубки

Содержание

В основе работы вихревой трубы лежит т.н. эффект Ранка-Хилша (1933 г). Вихревая труба представляет собой газодинамическое устройство с тангенциальным входом газа, рис. 2.3.1.

Схема вихревой трубы.

Рис. 2.3.1.

Как известно, [194] в закрученных потоках вязкого газа при наличии поперечного градиента скорости поверхности тока взаимодействуют между собой из-за наличия касательных сил вязкости. Работа, затраченная на преодоление этих сил преобразуется в тепло. При этом разные струйки могут обладать разными запасами полной энергии . Наличие в потоке градиента температур предопределяет теплообмен между слоями газа. Однако, большой вклад в перераспределение полной энергии принадлежит турбулентному механизму переноса.

Вихревая труба состоит из корпуса, выполненного в виде цилиндрической или диффузорной трубы с диаметром начального сечения и длиной , тангенциально расположенных по отношению к корпусу вводных сопел с площадью проходного сечения , диафрагмы с диаметром отверстия , расположенной вблизи соплового входа, и конического регулировочного вентиля на противоположном от диафрагмы конце корпуса.

Интенсивность энергетического разделения газов в вихревой трубе обычно оценивают по зависимости величин избыточных температур газа и от доли охлажденного потока . При этом

где - температура торможения на входе в вихревую трубу, на выходе из нее охлажденного и горячего потоков соответственно;

и - массовые расходы исходного и охлажденного потоков газа соответственно.

Температура газа на выходе из ВТ.

Рис. 2.3.2

Типичные экспериментальные зависимости величин и от относительного расхода холодного потока приведены на рисунке 2.3.2.[195].

Обычно каждой паре кривых соответствуют определенные условия проведения экспериментов: отношение давлений газа на входе в вихревую трубу и выходе охлажденного потока из диафрагмы , температура газа на входе в вихревую трубу , безразмерная площадь вводных сопел и др.

В работах [194, 195] показано, что эффект энергетического разделения газа неразрывно связан с перестройкой затухающего вихревого турбулентного движения и происходит в довольно протяженной области течения, простирающейся от соплового входа на расстояние от одного до нескольких десятков диаметров вихревой трубы. При большой длине области происходящие в ней явления не будут определяться детальной структурой потока на входе в вихревую трубу и должны зависеть от переменных, характеризующих течение в целом. т.е. от интегральных величин, таких как массовый расход поступающего в трубу газа , поток импульса в направлении оси трубы , поток энергии и массовый расход отбираемого через отверстие диафрагмы холодного газа . К этим интегральным характеристикам, необходимо, добавить характерный размер - диаметр трубы .

Следует отметить, что поток газа в вихревой трубе является развитым турбулентным потоком. Можно предположить, что турбулентность, возбуждаемая струями, истекающими из вводных сопел вихревой трубы, имеет высокий уровень, превышающий во всей области энергетического разделения уровень турбулентности, порождаемый в пограничном слое на стенках трубы.

Рабочая величина давления на входе в вихревую трубу может меняться в широких пределах; по имеющимся данным вихревая труба устойчиво работает при полном давлении на входе 0,5-0,7 МПа, известны эксперименты с пропусканием через ВТ газа с давлением до 25 МПа. Температура теплого и холодного потоков зависит от начальной температуры газа на входе; рисунок дает представление о перепаде температур в потоках; этот перепад, как правило, сохраняется. Потери энергии в ВТ связаны с трением высокоскоростного газового потока о стенки.

Таким образом, вихревая труба является весьма удобным инструментом для получения высокотемпературных (+60, +80⁰С) и низкотемпературного (-20, -40⁰С) газовых потоков, которые можно использовать для отопительных целей и холодильной техники.

В настоящее время вихревая техника широко внедрена в промышленность: вихревые управляющие клапаны в системах управления тягой ракетных двигателей, вихревые холодильники, вихревые системы очистки, осушки газа в газовой промышленности, вихревые системы газоподготовки для нужд пневмо-газоавтоматики [198].