Во многих областях промышленности — нефтегазовой, деревоперерабатывающей, энергетической, в качестве источника энергии используются газотурбинные установки. Газовая турбина представляет собой тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива преобразуется сначала в теплоту, а затем в механическую энергию. Они очень надежны и высокопроизводительны. Применение таких установок на электростанциях обеспечивает население теплом, светом и другой энергией в больших количествах. При разработке наземных газотурбинных установок важно соблюдать параметры экономичности вне зависимости от климатических условий. Повышенные температуры наружного воздуха отрицательно воздействуют на энергетическую и экономическую эффективность установок. В связи с этим актуальна разработка решений, которые сократят негативное влияние высоких температур. Ученые Пермского Политеха предложили способ охлаждения воздуха для газотурбинной установки на основе полного испарения капель воды в оросительной камере.
Статья опубликована в журнале «Математические методы в технологиях и технике», №5, 2023 год. Работа выполнена по заказу «Газпром добыча Оренбург». Специалисты инженерно-технического центра компании содействовали проведению исследования.
Одним из важных факторов работы газотурбинной установки является коэффициент полезного действия. Это характеристика эффективности устройства в отношении преобразования или передачи энергии. Жаркие климатические условия приводят к падению этого показателя, для его повышения нужно охладить воздух, поступающий в установку. Решением проблемы является адиабатическое охлаждение, это процесс понижения температуры воздуха без изменения общего теплосодержания системы. Это означает, что тепло никуда не отводится (как, например, в кондиционере).
— Самым простым примером адиабатического охлаждения является фонтан. Вокруг фонтана всегда прохладно, так как воздух охлаждается за счет того, что отдает свое тепло каплям воды, а те, в свою очередь, частично испаряются. Водяной пар при этом смешивается с воздухом. Таким образом, сумма теплоты в воздухе не поменялась, но произошло ее перераспределение: от воздуха теплота перешла к пару. Пар при этом относительно холодный. На этом принципе основана работа оросительных камер, по сути своей напоминающие фонтаны, только лишь спрятанных в некий корпус, — объясняет аспирант кафедры «Общая физика» Пермского Политеха Алексей Костыря.
По мнению исследователей, осуществить адиабатическое охлаждение воздуха возможно методом непосредственного впрыска воды в воздушный поток. Однако при технической реализации такого охлаждения важно, чтобы капли жидкости не попали во входное устройство установки. Из-за этого может возникнуть опасность образования влажной пыли, которая быстро образует плотный слой и резко повышает гидравлическое сопротивление. Ученые предлагают решить данную проблему, организовав полное испарение капли во время ее нахождения в оросительной камере.
В ходе работы рассматривалось испарение капли, движущейся равномерно в потоке сухого воздуха. Воздух обтекает каплю с определенной постоянной скоростью. Так как он не насыщен влагой, то вода из капли непрерывно испаряется и отводится набегающим воздушным потоком. Ученые определили зависимость уменьшения радиуса капли от времени контакта с воздухом. И выяснили, что изменение размера капли при начальном радиусе 1 мм составило 0,75% за 10 секунд.
Исследователи отмечают, что оросительная камера в газотурбинной установке ограничена в объеме, поэтому для внедрения технологии с полным испарением капли необходимо выбирать меньшие радиусы капель. В связи с этим необходимо применять мелкодисперсный (вплоть до туманообразования) распыл воды. Осуществление такого распыла возможно с помощью использования форсунок или ультразвука.
Ученые доказали, что применение технологии охлаждения воздуха для газотурбинной установки результативна и перспективна. Ее реализация сократит отрицательное воздействие повышенных температур наружного воздуха на экономическую эффективность энергетических установок, основанных на газотурбинных технологиях.