Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние использования нетрадиционных источников энергии в автономном теплоснабжении 10
1.1. Современный взгляд на проблему автономного теплоснабжения 14
1.2. Анализ существующих автономных установок систем отопления и кондиционирования воздуха зданий и сооружений
1.2.1. Системы автономного теплоснабжения на базе двигателей внутреннего сгорания, в том числе с использованием биотоплива 19
1.2.2. Системы автономного теплоснабжения на основе геотермальной энергии и низкопотенциальной энергии земли 25
1.2.3 Системы автономного теплоснабжения на основе энергии ветра и солнца 29
1.2.4. Системы комплексного автономного энергоснабжения типа «умный дом» 32
1.2.5 Существующие технологии преобразования природной гидравлической энергии в полезную мощность (турбины, гидротараны,
энергия приливов) 36
1.3 Выводы по главе 1 47
1.4. Общая постановка задачи исследования. Цель и задачи исследования 48
ГЛАВА 2. Разработка технических решений автономного энергоснабжения с применением модифицированных гидротаранных агрегатов 50
2.1 Устройство модифицированного гидротаранного привода линейных генераторов полезной мощности 50
2.2. Принципиальные схемы автономного энергоснабжения с приводом гидроагрегата-генератора пневматической энергии 55
2.2.1 Применение гидроагрегатов совместно с системами пневмопривода в замкнутом воздушном цикле 55
2.2.3 Применение гидроагрегатов совместно с системами пневмопривода в открытом воздушном цикле 58
2.2.4. Применение гидроагрегатов совместно с линейными короткозамкнутыми теплоэлектрогенераторами 61
2.3. Выводы по главе 2 64
ГЛАВА 3. Основы теории преобразования энергии малых низконапорных водотоков в энергию сжатого воздуха 65
3.1 Расчет процесса преобразования гидравлической энергии в полезную мощность 65
3.2 Аналитические зависимости, характеризующие работу гидроагрегатов в замкнутом воздушном цикле 79
3.3 Выводы по главе 3 90
Глава 4. Экспериментальные исследования гидроагрегатов – генераторов пневматической энергии 92
4.1 Методологический подход и вывод аналитических зависимостей для определения коэффициента расхода гидравлической системы генераторов пневматической энергии 92
4.2 Схемы экспериментальных установок гидроагрегатов 95
4.3 Методика экспериментального определения коэффициента расхода 99
4.4 Обработка результатов экспериментальных исследований. Оценка точности результатов измерений 102
4.6. Выводы по главе 4 112
Заключение 113
Список литературы
- Системы автономного теплоснабжения на основе энергии ветра и солнца
- Принципиальные схемы автономного энергоснабжения с приводом гидроагрегата-генератора пневматической энергии
- Аналитические зависимости, характеризующие работу гидроагрегатов в замкнутом воздушном цикле
- Схемы экспериментальных установок гидроагрегатов
Введение к работе
Актуальность работы:
Для Российской Федерации в условиях современной экономической
ситуации неизбежна разработка энергоресурсосберегающих мероприятий и
проведение соответствующей политики государством, которая нашла свое
отражение в нормативных документах: указ Президента РФ от 04.06.2008 «О
некоторых мерах по повышению энергетической и экологической
эффективности российской экономики»; постановление Правительства РФ от 13.11.2009 N 1715-p «Энергетическая стратегия России на период до 2030 г.».
По оценкам, технический потенциал возобновляемых источников энергии составляет порядка 4,6 млрд. т.у.т. в год, то есть в пять раз превышает объем потребления всех топливно-энергетических ресурсов России, а экономический потенциал определен в 270 млн. т.у.т. в год, что, для сравнения, немногим более 25 процентов от годового внутреннего потребления энергоресурсов в стране
Высокий потенциал энергосбережения имеется, в том числе и в сфере теплоснабжения. Ежегодно в Российской Федерации производится свыше 8 млрд. ГДж/год (около 2 млрд. Гкал/год) тепловой энергии, из них 28% в децентрализованных системах, из которых 18% - это автономные потребители. Территориально, эти системы обслуживают практически 2/3 площади РФ с населением порядка 20 млн. человек, и именно в них использование ВИЭ рационально и экономически оправдано.
В этой связи возрастает интерес к использованию малых рек и водотоков, как источников энергии, которые составляют 94% в общей длине гидрографической сети России. Потенциал данных источников на сегодняшний день не освоен для целей теплоснабжения и кондиционирования воздуха, а малая гидроэнергетика ориентирована на электрогенерерацию.
С учетом расположения потребителей в непосредственной близости от водотоков, преобразование энергии низконапорных водотоков – одно из перспективных направлений повышения эффективности автономных систем энергоснабжения зданий и сооружений путм использования возобновляемых источников энергии.
Следовательно, разработка технологии использования энергии
низконапорных водотоков для автономного теплоснабжения и
кондиционирования воздуха является актуальным и практически значимым направлением исследований.
Объект исследования: природные и техногенные низконапорные водотоки.
Предмет исследования: системы автономного теплоснабжения и кондиционирования воздуха.
Цель работы: повышение эффективности автономного энергоснабжения зданий и сооружений, путем использования энергии низконапорных, природных и техногенных водотоков.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка новых эффективных технических решений по
преобразованию энергии низконапорных, природных и техногенных водотоков
в полезную мощность, с последующим использованием е в системах
автономного теплоснабжения и кондиционирования воздуха;
2. Теоретические исследования процессов преобразования
гидравлической энергии низконапорных природных и техногенных водных
потоков в полезную мощность для автономного энергоснабжения зданий и
сооружений;
3. Разработка и расчт технологической схемы автономного
энергоснабжения зданий и сооружений с применением нового технического
решения по генерации энергии, предполагающее использование
гидроагрегатов, бесступенчато преобразующих энергию низконапорных
водотоков в полезную потенциальную энергию сжатого газа;
4. Конструирование и экспериментальные исследования гидроагрегатов,
реализующих новый способ генерации полезной мощности с природных и
техногенных водотоков для автономного теплоснабжения и
кондиционирования воздуха.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
1.Теоретически обоснована возможность применения энергии
низконапорных, природных и техногенных водотоков в системе автономного теплоснабжения и кондиционирования воздуха, путем преобразования гидравлической энергии водных потоков в пневматическую мощность с последующим использованием е в системе автономного теплоснабжения и кондиционирования воздуха, в том числе с отбором низкопотенциального тепла водотоков.
2. Получены аналитические зависимости, связывающие гидрологические
параметры водных низконапорных, природных и техногенных потоков,
размеры гидроагрегатов и полезную мощность на выходе гидроагрегатов-
генераторов энергии.
3. Разработана методика расчета технологической схемы по
преобразованию энергии низконапорных водных потоков в различные виды
полезной мощности для автономного теплоснабжения и кондиционирования
воздуха.
4. С использованием теории моделирования физических процессов при
истечении жидкости получена аналитическая зависимость в безразмерном виде,
учитывающая влияние геометрических параметров ударных клапанов
гидроагрегата на его коэффициент расхода. Разработана методика
экспериментального определения коэффициентов расхода гидроагрегатов
различных конструкций с любыми заданными геометрическими параметрами и
количеством ударных клапанов.
Практическая значимость работы заключается в:
- разработке нового способа генерации полезной мощности с низконапорных, природных и техногенных водотоков.
- разработке конструкции гидроагрегатов, реализующих новый способ
генерации полезной мощности с низконапорных, природных и техногенных
водотоков, исходя из возможности использования вторичных материальных
ресурсов и их минимальной материалоемкости.
- разработке технологической схемы преобразования энергии
низконапорных водных потоков в различные виды полезной мощности для
автономного энергоснабжения зданий и сооружений.
Применяемые методы исследований:
В процессе работы применялись методы экспериментальных
исследований, методы моделирования физических явлений, аналитические
методы исследования и методы численной обработки результатов
экспериментов.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным
применением классических положений физики, гидромеханики, строительной
теплофизики, теории теплообмена. Достоверность экспериментов
подтверждена использованием известных статистических методов обработки экспериментальных данных.
Реализация результатов работы:
Результаты работы использованы при подготовке учебного пособия, рекомендованного УМО для обучения магистров, выполненного в рамках проекта ТЕМПУС 530620-TEMPUS-1-2012-1-IT-TEMPUS-JPCR: «Жизненный цикл энергии. Энергетический менеджмент и принятие оптимальных решений».
Результаты диссертационной работы используются при подготовке лекционных и практических занятий в ФГБОУ ВПО «ТюмГАСУ» в рамках образовательных программ для бакалавров и магистров.
Личный вклад автора состоит в выполнении теоретических и экспериментальных исследовании, включая обработку полученных данных, разработку методики проведения экспериментальных исследований, анализ и оформление результатов в виде публикаций и научных докладов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Новое техническое решение по генерации полезной мощности для
автономного теплоснабжения и кондиционирования воздуха с использованием
гидравлической энергии низконапорных природных и техногенных водотоков.
2. Аналитические зависимости, описывающие процесс прямого,
бесступенчатого преобразования гидроагрегатами энергии низконапорных,
природных и техногенных водотоков в полезную пневматическую мощность.
-
Методика расчета технологических схем автономного теплоснабжения и кондиционирования воздуха с применением гидроагрегатов, преобразующих энергию низконапорных, природных и техногенных водотоков в полезную пневматическую мощность, в том числе с использованием низкопотенциального тепла водотоков;
-
Методика определения интегральной гидравлической характеристики генераторов энергии - коэффициента расхода гидравлической системы,
учитывающего все гидравлические сопротивления гидроагрегатов-генераторов энергии и существенно влияющего на величину снимаемой полезной мощности и полученные экспериментальные зависимости.
Апробация работы. Основные положения диссертации и практические результаты были представлены и обсуждены на XII, XIII, XIV, XV научно-практических конференциях молодых ученых, аспирантов и соискателей (ТюмГАСУ, 2012, 2013, 2014, 2015 гг.); Международной НПК «Стратегические проекты освоения водных ресурсов в XXI веке: правовые, социально-экономические и экологические аспекты» (г. Тюмень, 2013 г.); IV Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: «Водоснабжение, водоотведение и системы защиты окружающей среды» (г. Уфа, 2013 г.); Международной НПК «Земля, вода, климат Сибири и Арктики в XXI веке: проблемы и решения» (г. Тюмень, 2014 г.); Всероссийской НПК «Актуальные проблемы архитектуры, строительства, экологии и ресурсосбережения в условиях Западной Сибири» (г. Тюмень, 2014 г.); Международной НПК «Актуальные проблемы архитектуры, строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири» (г. Тюмень, 2015 г.); Международной НПК «Водные ресурсы и ландшафтно-усадебная урбанизация в XXI веке» (г. Тюмень, 2015 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК, из них 1 представлена в БД «Scopus». По результатам работы получено 2 патента РФ на изобретение, получено положительное решение о выдачи патента РФ на изобретение.
Специальность, которой соответствует диссертация. Согласно сформулированной цели работы, научной новизне и практической значимости результатов тема диссертация соответствует паспорту специальности 05.23.03 -Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение, а именно п. 1 «Совершенствование, оптимизация и повышение надежности систем теплогазоснабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования, методов их расчета и проектирования. Использование нетрадиционных источников энергии».
Объм и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырх глав, общих выводов, списка литературы, 2 приложений. Результаты исследования изложены на 133 страницах основного текста, включает 17 таблиц, 31 рисунок и список литературы из 176 наименований.
Системы автономного теплоснабжения на основе энергии ветра и солнца
Важную роль в структуре энергетики Российской Федерации играет отрасль теплоснабжения. Отопительный сезон в Российской Федерации в зависимости от района длится 6-9 месяцев, и большую часть времени, люди проводят, находясь в отапливаемых помещениях. Отметим, что из всего количества произведенной мировой централизованной тепловой энергии в 2005 г. на долю страны пришлось 44% [170], а это свыше 8,3 млрд. ГДж (около 2 млрд. Гкал) [143]. Так как большинство территории государства находится в зонах с умеренных и холодным климатом, проблема обеспечения потребителей бесперебойной энергией предназначенной для отопления жилых, общественных зданий и производственных сооружений различного назначения достаточно актуальна.
Развитие малой энергетики также актуально для государства, так как большая часть территорий имеет децентрализованное энергоснабжение, которое жестко зависит от доставки традиционного органического топлива, а разница в плотности населения различных территорий приводит к нецелесообразности, а иногда и невозможности повсеместного развития централизованных энергосетей. На этих территориях расположены 70 городов, более 360 поселков городского типа и около 1400 сельских населенных пунктов. Районы Крайнего Севера и приравненные к ним территории включают в себя 14 краев и областей, 6 республик, 10 автономных округов; суммарно площадью 10,4 млн. км2 и населением – более 10 млн. человек [139]. Себестоимость выработки энергии в таких регионах достигает 60 руб./кВтч и более [44]. В зависимости от источника можно выделить три основных типа систем теплоснабжения. Согласно [83, 143], к первому типу относятся централизованные системы, где генераторами тепловой энергии выступают все ТЭЦ, включая атомные, промышленно-производственные котельные, промышленные теплогенерирующие установки различных типов (теплоутилизирующие и пр.), а также отопительные котельные мощностью от 23,3 МВт (20 Гкал/ч). Ко второму типу относится децентрализованное теплоснабжение потребителей (обычно непромышленных) от котельных мощностью менее 23,3 МВт. Третий тип – это автономные системы, где источниками выступают индивидуальные теплогенераторы, включая домовые печи, работающие на различных видах топлива. В общем виде система автономного теплоснабжения предполагает строительство независимых от централизованных систем генерирующих станций, принадлежащих или самим потребителям или относительно небольшим генерирующим компаниям для выработки тепла в непосредственной близости от потребителя с учетом их требований.
Опыт применения автономных систем в различных государствах неоднороден. В республике Беларусь значительное развитие получили местные системы отопления с использованием электроэнергии, на Украине особо ускоренными темпами внедрялись крышные модульные котельные, в республике Азербайджан принято решение об ограничении радиуса действия крупных котельных с их последующей ликвидацией и заменой [102].
Тем не менее, страны Восточной Европы, как и Россия, сохраняют высокую централизацию. Но ввиду особенностей (географических, исторических, климатических) в РФ проблема централизации выражена особенно ярко.
Выполнено сравнение систем теплоснабжения и анализ их эффективности [153] по двум показателям: коэффициенту энергетической эффективности (учитывает энергопотери от производства ресурса до транспортировки потребителю) и величине себестоимости единицы отпускаемого тепла таблица 1.1. На коэффициент энергетической эффективности оказывает влияние вид и расположение генератора тепла, вид энергоносителя, используемой оборудование, экологичность, энергоэффективность носителя и энергосберегающие мероприятия.
Потери тепла неизбежны. Самые минимальные определяются только потерями при выработке тепла и снижаются по мере удаления производственных мощностей до конечного потребителя. Поэтому, как показано в таблице 1.1, при централизованной системе коэффициент энергетической эффективности самый минимальный и означает самые высокие потери.
Параллельно проанализирована величина себестоимости единицы отпускаемого тепла. При централизованной системе наибольшие расходы, за исключением выработки, связаны с необходимостью транспортировки тепла до потребителя.
По данным [12, 108], теплоснабжение в России обеспечивают 485 ТЭЦ, более 190 тыс. котельных установок и 600 тыс. автономных индивидуальных теплогенераторов (при этом почти половина всех индивидуальных котлов в России работают на природном газе [58]). К тому же доля тепловой энергии, отпускаемой всеми видами котельных, достигает 35-45% суммарного годового теплопотребления городов и промышленных предприятий [4, 143]. В настоящее время теплоснабжение около 80% городского жилого фонда России осуществляется от централизованных и децентрализованных источников. Общая протяженность тепловых сетей, согласно [143], на 2007 г. составляет 173,1 тыс. км; из них магистральных участков тепловых сетей диаметром 600-1400 мм - 13 тыс. км, а протяженность распределительных и внутриквартальных участков трубопроводов диаметром 50-500 мм достигает 125 тыс. км (в пересчете на двухтрубную систему) [11,12].
Принципиальные схемы автономного энергоснабжения с приводом гидроагрегата-генератора пневматической энергии
Энергосистемы производства компании «Lucid Energy Technologies» (Портленд, США). Агрегат представляет собой трубу с установленными внутри сферическими турбинами с вертикальной осью. Изготовителем заявлены следующие технические характеристики: в трубе диаметром 1,5м и длиной 12,2м, устанавливаются 3-4 сферические турбины. Каждая из турбин способна вырабатывать до 100 кВт энергии при скорости потока воды равной 2,13 м/с и перепаде давления на турбине – 35 кПа., что составляет 3,5 метра водного столба. В области «аномально» низких напоров и расходов воды такие гидротурбины неэффективны, ввиду малого значения снимаемой с потока воды мощности [89].
Гидротурбинная система производства «Seabell International Co., Ltd.» (Токио, Япония). Генерирующая установка представляет собой раму, на которой крепятся две направляющие и две турбины с вертикальной осью вращения, причем вращение турбин предусмотрено к центру потока. Заявленная область применения – природные и техногенные потоки открытого русла. Конструкция применима для автономного энергоснабжения группы зданий, малого населенного пункта, промышленных предприятий. Величина снимаемой мощности составляет 0,4-44 кВт. Компанией разработан ряд моделей, каждая из которых имеет свой рабочий диапазон. В целом данные гидротурбинные системы применимы при расходах потока 0,15-4,6 м3/с, и напорах 0,5-3,5 м. В области «аномально» низких напоров и расходов воды эти аналоги не могут генерировать коммерчески значимую мощность [89].
Энергосистемы производства «Bourne Energy» (Малибу, США). Основным элементом конструкции является четырехлопастная турбина с горизонтальной осью вращения. Агрегат жестко закреплен с «поплавковым стабилизатором», необходимым для поддержания установки в плавучем состоянии. Величина снимаемой мощности составляет порядка 50 кВт. Диаметр турбины составляет 6,09 метра, как следствие, основной недостаток установки – наличие больших размеров поперечного сечения русла водотока для получения коммерчески значимой полезной мощности. Однако, при проектировании энергостанций на малых реках необходимо учитывать категорию водопользования водного объекта. Так как большинство рек относится к рыбохозяйственной категории, требуются компромиссные решения, предусматривающие рыбозащитные мероприятия или сооружение рыбопропускных сооружений [84]. Как указал автор в работе [74] для освоения энергетического потенциала малых рек требуется: разработать новые технические средства позволяющие использовать энергию малых водотоков в естественном состоянии, то есть без строительства плотин, а также индивидуально рассчитывать геометрические и гидродинамические параметры новых технических средств, исходя из параметров водотока в том месте, где намечается использование этих технических средств.
Кольский полуостров обладает значительными ресурсами приливной энергии. И хотя сооружение приливных электростанций возможно далеко не повсеместно, технический потенциал составляет порядка 2 млрд. кВтч [84].
В середине ХХ века в сельскохозяйственном водоснабжении локально получили распространение водоподъемники – гидравлические тараны, как механические устройства для подъема воды на высоту, значительно превышающую уровень источника, и не требующие для работы каких-либо внешних движителей. Принцип их действия основан на явлении гидравлического удара – кратковременного резкого повышения давления при внезапной остановке потока жидкости в трубе.
В 1775 году англичанин Джозеф Уайтхст впервые опубликовал описание «пульсирующего двигателя» - прообраза гидравлического тарана, построенного им тремя годами ранее. Устройство управлялось вручную. В 1776 году эту конструкцию дорабатывает и затем получает патент француз Монгольфье. В течение последующих лет получены еще несколько патентов на аналогичные конструкции: M. Bulton (Англия) – 1797 г., J. Cernay, S. Hallet (США) – 1809 г. В 1834 г. промышленное производство гидравлических таранов начал американец Строубридж (H. Strawbridge) [29,30]. Первоначально расчт подобных устройств основывался на эмпирических закономерностях, лишь в 1897-1898 гг. профессором Н.Е. Жуковским разрабатывается теория гидравлического удара [54]. В 1927 г. Д.И. Трембовельским разработан гидротаран ТГ-2 [140]. В 1930 г. профессором С.Д. Чистопольским представлена методика расчета таких устройств [150].
В общем случае гидравлический таран состоит из питательного бака, нагнетательной трубы, ударного клапана, нагнетательного клапана, воздушного колпака и отводящей трубы.
Его работа происходит следующим образом [29, 30, 31, 130, 150, 166]: вода из питательного бака поступает по нагнетательной трубе к открытому ударному клапану и под напором h изливается в атмосферу с возрастающей скоростью. При некоторой скорости воды гидродинамическое давление превышает силу, удерживающую клапан в открытом состоянии (например, сила упругости или сила тяжести), за счет чего происходит срабатывание клапана и перекрытие сечения потока. В нагнетательной трубе происходит гидравлический удар, и в ее пространстве от ударного клапана до нагнетательного клапана давление воды за короткий промежуток времени поднимается до величины, соответствующей напору H [31].
Аналитические зависимости, характеризующие работу гидроагрегатов в замкнутом воздушном цикле
Выбор длины гидроагрегата, осуществляется, во-первых исходя из условия расположения требуемого количества мембран с учетом установки камер сжатия и соблюдения между ними технологических разрывов. Во-вторых, зависит от заданной величины ударного давления. Чем ниже величина ударного давления, тем меньше необходимая длина гидроагрегатов, обеспечивающая прямой гидравлический удар в его напорных трубопроводах.
Скорость распространения волны повышенного давления, м/с, которая при прямом гидравлическом ударе определяется по формуле [156]: Средний расход воды в напорном трубопроводе Qср, м3/с, находится из уравнения неразрывности [156], в предположении, что средняя скорость при наборе кинетической энергии в напорном трубопроводе гидроагрегата равна половине максимальной:
С использованием формулы (3.25) определяется требуемый расход воды на один модуль гидроагрегата. Максимально возможное количество располагаемых установок определяется, исходя из гидрологических возможностей водотока с учетом формулы (3.25).
За счет возвратно-поступательного движения мембран осуществляется сжатие воздуха поступающего в воздушные камеры гидроагрегата. Поскольку привод камер сжатия прямодействующий, это означает, что камеры сжатия за цикл работы могут сжать, объем воздуха Wм, первоначально находившегося над мембранами при атмосферном давлении. Из этого условия выполняется расчет необходимого количества камер сжатия. При проектировании генерирующих станций, работающих по предлагаемой технологии, необходимо учитывать, что конструктивно суммарный объем полостей камер сжатия воздуха, из-за наличия «мертвого» пространства, может быть несколько ниже, чем полученный по формуле (3.16). Ввиду быстроты сжатия воздуха мембранными компрессорами, в первом приближении можно считать процесс сжатия воздуха адиабатным, то есть без внешнего теплообмена [165] Энергия Асж, которую необходимо затратить на осуществление работы по всасыванию, сжатию и нагнетанию объема воздуха VM с Рь соответствующего гидростатическому давлению под мембранами гидроагрегата, до абсолютного давления р2 = ра + Руд можно определить из уравнения [5]:
В реальных условиях производительность установки будет отличаться от теоретической. Так действительная производительность компрессора будет несколько отличаться от рассчитанной по формулам (3.27) или (3.28). Это связано с такими факторами, как наличие вредного пространства в камере сжатия, приводящее к уменьшению количества всасываемого воздуха, его утечки через неплотности компрессора (например, клапаны) частичное дросселирование воздуха в клапанах, а также теплообмен всасываемого воздуха с окружающей средой (внутренняя поверхность компрессора будет иметь температуру выше температуры окружающей среды в зимний период за счет нагрева в процессе работы и теплообмена между потоком воды и всасываемым воздухом). Первый фактор характеризуется объемным КПД компрессора к0, второй - коэффициентом герметичности кг, третий - коэффициентом дросселирования Лдр, четвертый термическим коэффициентом кт. Их произведение называется коэффициентом подачи, который показывает, как действительная подача компрессора отличается от теоретической [117, 149]: Х = Х0-Хг-Хдр-Хт. (3.29)
Значения этих коэффициентов устанавливаются на основе экспериментальных данных и, в основном, зависят от температур на входе и выходе из компрессора.
Степень использования механической энергии прямодействующего привода для совершения всасывания, адиабатного сжатия воздуха и его нагнетания характеризуется коэффициентом полезного действия ц2:
Суммарный КПД генерации пневматической энергии гидроагрегатами, определяется произведением: г/0=г/гг/2-Л. (3.31) С использованием известных зависимостей для нахождения работы по адиабатному сжатию и полученных зависимостей, характеризующих процесс преобразования, построены рабочие характеристики гидроагрегатов-генераторов энергии заданной конструкции с различным подпором воды, при изменении величины ударного давления (рисунок 3.3). Отметим, что процесс сжатия сопровождается приростом температуры рабочего тела, именно это свойство используется для осуществления целей теплоснабжения зданий и сооружений, что рассмотрено в разделе 3.2. АН = 3 м.в.ст. Рисунок 3.3 - Рабочие характеристики гидроагрегата-генератора пневматической энергии Анализ результатов показал, что рабочая область напоров находится в диапазоне 1,0-3,0 метров. Кроме того, эффективная область работы гидроагрегатов-генераторов пневматической энергии ограничена верхним пределом развиваемого абсолютного давления/ - 7 атм. и нижним - 3 атм.
Были выполнены расчты на гипотетическом примере. В таблице 3.1 приведены результаты расчта полезной пневматической мощности при переменном напоре на входе в гидроагрегат Н = 1,0-3,0 м.в.ст:: наружный диаметр напорного стального трубопровода DH = 1420 мм, толщина стенки трубы д = 10 мм, длина трубопровода L = 40 м. Плотность воды р = 1000 кг/м3, ускорение свободного падения g = 9,81 м/с, модуль упругости воды Ев = 2-Ю9 Па, модуль упругости материала трубопровода (стали) Етр = 2-Ю11 Па. Коэффициент расхода, характеризующий все гидравлические сопротивления гидроагрегата, в том числе автоматического ударного клапана ju0 = 0,40. Заданное значение ударного давления ру = 2-Ю5 Па. Коэффициент подачи камер сжатия принят равным X = 0,85. В первом приближении предполагается адиабатное сжатие с показателем адиабаты к = 1,4.
Схемы экспериментальных установок гидроагрегатов
Напорный бак представляет собой цилиндрическую стальную емкость объемом 0,2 м3, в нижней части, которого на высоте, исключающей влияние на процесс сжатия потока основания бака, присоединен напорный трубопровод. Трубопровод жестко и герметично закреплен с баком, выполнен из полиэтиленовых труб наружным диаметром 110 мм при толщине стенки 2,7 мм. Трубопровод и напорный бак находятся в горизонтальной плоскости. Соединения труб раструбное, усиленное саморезами. На конечной части напорного трубопровода устанавливается клапанная коробка, представляющая патрубок с выполненным ударным (-ми) клапаном. Оголовок патрубка заглушен. Для излившегося объема воды предусматривается приемный резервуар, выполненный в качестве гидроизолированной земляной выемки. В схеме установлен дренажный насос, для перекачки отработанного объема воды в напорный бак. Для отслеживания понижения уровня воды бак оборудован трубкой-пьезометром и снабжен градировочной метрической шкалой с нулевой отметкой на уровне выходного сечения ударных клапанов.
Разработаны конструкции ударного клапана с различной формой и размерами. Внешний вид конструкции клапанов представлен на рисунке 4.3. По существующей классификации разработанные клапаны наиболее близки к тарельчатым с подвижным штоком [77]. На штоке осуществляется регулирование высоты рабочего хода клапана.
Внешний вид исследуемых ударных клапанов модельной установки а) круглый в плане (далее клапан №1); б) клапаны вытянутой формы (далее клапан №2 и №3) Ударные клапаны сконструированы из условия минимальной материалоемкости. Клапаны снабжены металлическими пластинами, перекрывающими сечение трубопровода. Сечение клапанов усиливается металлическими хомутами, вследствие низкого модуля упругости материала клапанной коробки. Диаметр отверстия выходного сечения клапана №1 в плане – 0,09 м; размеры клапана №2 в плане: общая длина - 0,16 м, ширина – 0,08 м, радиус скругления – 0,04 м. Рабочий ход h свободно регулируется на величину до 0,05 м. Длина напорного трубопровода 4,5 м, при общей длине – 5 м.
Перед проведением экспериментальных исследований по определению коэффициента расхода гидроагрегата проведено испытание модельной установки при работе ее в автоматическом, циклическом режиме с принудительной циркуляцией воды дренажным насосом (имитация постоянного напора воды), проверена стабильность работы ударных клапанов, общая прочность конструкции и е герметичность.
Принципиальная схема второй модельной экспериментальной установки больших размеров представлена на рисунке 4.4.
Напорный трубопровод выполнен из стальных труб с их фланцевым соединением. По длине напорного трубопровода установлены подвижные элементы мембраны. Клапанная коробка состоит из шести ударных клапанов одинакового размера, рабочий ход клапанов зафиксирован и составляет 20 мм.
В автоматическом, циклическом режиме установка работает следующим образом. Водовод некруглого сечения 1 и напорный бак 2 полностью заполняются рабочим телом (водой). Подвижные элементы 3 жестко и герметично соединены с поверхностью водовода. В начальный момент времени ударные клапаны 4, в совокупности образующие клапанную коробку 5, закрыты. В дальнейшем за счет скачков силы гидродинамического давления они с определенной периодичностью открываются/закрываются. Излив воды происходит в промежуток времени, когда ударные клапаны открыты. Для приема отработанной воды, параллельно водоводу, устроен лоток, по которому она поступает в приемный резервуар насоса 7, поднимающий ее в напорный бак 2. Насос подобран с некоторым запасом по производительности. Для поддержания постоянного уровня (для имитации постоянного подпора столба воды в реальных условиях – на водотоке) в напорном баке предусматривается перелив 8, сбрасывающий излишек обратно в приемный резервуар. Управление насосным агрегатом осуществляется посредством блока автоматики. Общий вид второй модельной экспериментальной установки представлен на рисунке 45.
Внешний вид второй модельной экспериментальной установки Перед проведением экспериментальных исследований по коэффициенту расхода при работе ее в автоматическом циклическом режиме проверены основы теории преобразования гидравлической энергии воды в механическую работу подвижных элементов, стабильность работы ударных клапанов, общая работоспособность системы и ее герметичность. Конструктивные параметры натурной установки: общая длина L = 16,94 м, из них: длина водовода / = 11,18 м, длина клапанной коробки / = 3,00 м, длина напорного бака а = 2,76 м. Ширина напорного бака Ъ = 0,475 м, высота от верхней стенки водовода до его кромки - 0,98 м, до перелива (соответствует максимальному уровню воды в баке Щ) - 0,88 м. Высота цилиндрического насадка на отверстии клапана (соответствует минимальному уровню воды в баке Н2) 0,07 м. Водовод сделан из стальной неновой трубы наружным диаметром Dm = 0,53 м с толщиной стенки 8 = 0,01 м, изготовленной по ГОСТ 10704-91. Ширина полки водовода Ь = 0,45 м. Диаметр отверстия клапана Dome = 0,207 м, диаметр ударного клапана dm = 0,40 м. Рабочий ход клапана Ah = 0,02 м. Максимальная толщина клапана дт 0,15 м.