Малую гидроэнергетику как одно из направлений возобновляемой энергии в Российской Федерации можно считать наиболее перспективным. Гидроэнергия имеет ряд весомых преимуществ по сравнению с традиционными в наше время энергоресурсами. Для гидроэнергетики нет необходимости добывать, обрабатывать и транспортировать сырье (как например топливо для дизельных генераторов). Но в нашей стране используется гидроэнергетический потенциал в основном только крупных рек с необходимостью сооружения высоких и массивных плотин, наносящих ущерб прилегающим территориям. К сожалению, гидроэнергетический потенциал малых рек остается почти без внимания.
Предлагаемый в работе способ получения тепловой и электрической энергии [2, 3]
базируется на преобразовании кинетической энергии всего объема воды, движущегося с начальной скоростью в замкнутом водоводе низконапорных водотоков, в энергию гидравлического удара за короткий промежуток времени при помощи автоматического клапана гидротаранной установки. Под действием гидравлического удара в установке начинается волновой процесс, давление в трубопроводе повышается, совершается механическая работа по радиальному перемещению подвижных нагнетательных клапанов-мембран гидропривода, соединенных с подвижными рабочими органами линейных тепло и электрогенераторов [1, 4]. При работе линейных электрогенераторов происходит нагрев и выделение значительного количества тепловой и электрической энергии. Волнообразный процесс изменения давления в установке приводит к дискретности ее работы.
При резком закрывании клапана гидротаранной установки в трубопроводе происходит остановка некоторого объема воды ∆W за время ∆t, находящегося в непосредственной близости от закрытого автоматического клапана. Этот объем ∆W представляет собой сумму трех объемов ∆W1, ∆W2, ∆W3.
Элементарный объем ∆W1, образуется за счет упругой деформации стенок трубопровода при повышении ударного давления на ∆P. Элементарный объем ∆W2 образуется за счет сжатия самой жидкости при повышении ударного давления на ∆P. Элементарный объем ∆W3 образуется за счет совершения механической работы по радиальному перемещению подвижных нагнетательных клапанов-мембран гидропривода при повышении ударного давления на ∆P.
Эти элементарные объемы могут быть представлены следующими зависимостями:
(1)
(2)
(3)
где D - диаметр водовода, м; D1 - поперечный размер подвижных частей стенок водовода, м; ∆L - элементарная длина водовода, на которой происходит остановка движения элементарного объема воды при гидроударе, м; ∆r - элементарное изменение радиуса водовода при его упругой деформации под действием давления ∆P, м; Е1 - модуль упругости воды, Па; ω0 - площадь поперечного сечения водовода, м2; ∆ω - приращение площади поперечного сечения водовода за счет упругой деформации его стенок, м2; ∆h - радиальные перемещения подвижных нагнетательных клапанов-мембран водовода при совершении механической работы под действием давления ∆P, м.
С другой стороны, элементарный объем ∆W, остановившийся на отрезке длины водовода ∆L при закрытии автоматического клапана гидротаранной установки, можно представить в виде зависимости
(4)
где Q - объемный расход воды в водоводе до гидравлического удара, м3/с; υ0 - скорость движения воды в водоводе до гидроудара, м/с.
Исходя из вышесказанного, получим уравнение:
(5)
Введем коэффициент, учитывающий долю подвижных частей стенок водовода в периметре его поперечного сечения
(6)
С учетом коэффициента k уравнение (6) преобразуется к виду
(7)
После математических преобразований, принимая во внимание, что согласно работе [2]
(8)
где r - радиус водовода, м; E2 - модуль упругости твердых стенок водовода, Па; δ - толщина твердых стенок водовода, м, что при прямом гидравлическом ударе ударное давление ∆P определяется по формуле [5],
(9)
где с - скорость распространения ударной волны от автоматического клапана гидротаранной установки к началу водовода, м/с; ρ - плотность воды кг/м3.
Получим систему уравнений
(10)
, (11)
решая которую при заданных значениях ее параметров можно найти скорость распространения ударной волны c в водоводе и ударное давление ∆P.
Механическая работа A, совершаемая при последовательном перемещении на длине c от ударного клапана к началу трубопровода подвижных клапанов-мембран водовода на величину ∆h, в течение одной секунды, за счет среднего во времени ударного давления в водоводе, равного половине его максимального значения, определяется по формуле
(12)
Эта механическая работа приводит в действие линейные тепло- и электрогенераторы [1, 4], соединенные с подвижными нагнетательными клапанами-мембранами и равномерно распределенные по всей его длине. Выполненная механическая работа по радиальному перемещению подвижных частей водовода и соответственно рабочих органов линейных тепло- и электрогенераторов, соединенных с ними, является одновременно снимаемой механической мощностью, так как выполняется эта работа в течение одной секунды.
Спустя некоторое время после закрытия ударного клапана, давление в установке падает, ударный клапан автоматически открывается; начинается новый цикл, протекающий так же, как и первый. Установка начинает работать автоматически. Полезная механическая мощность снимается на первой фазе гидравлического удара в водоводе, когда потери энергии незначительны, далее следует пауза для накопления кинетической энергии воды в водоводе и процесс повторяется.
Рассмотрим на примере преобразование кинетической энергии потока воды, движущейся в замкнутом водоводе, в энергию гидравлического удара (потенциальную энергию), за счет которой совершается механическая работа по радиальному перемещению подвижных частей стенок водовода, и преобразование, в конечном итоге, этой энергии в тепловую и электрическую. Плотность воды ρ = 1000 кг/м3.
Диаметр водовода D = 1,4 м. Толщина стенок водовода δ = 0,025 м. Модуль упругости воды E1 = 2000000000 Па. Модуль упругости твердых стенок водовода E2 = 200000000000 Па. Первоначальная скорость движения воды в водоводе до инициирования гидравлического удара υ0 = 0,5 м/с. Длина хода (радиальных перемещений) подвижных частей стенок водовода ∆h = 0,02 м. Поперечный и продольный размеры подвижных частей стенок водовода D1 = 0,1 м. Согласно расчетам по формулам (10)-(12), скорость распространения ударной волны составит с = 348,65 м/с, а повышение ударного давления в водоводе - ∆P = 1,74∙105 Па. Совершаемая механическая работа за период времени, равный одной секунде A = 60770 Дж, что представляет собой снимаемую механическую мощность 60,77 кВт.
Кинетическая энергия Ek замкнутого объема воды, движущейся в водоводе до инициирования гидравлического удара, на длине водовода, равной с, определяется по известной физической формуле,
(13)
согласно которой кинетическая энергия для нашего примера составит Ek = 67090 Дж. Анализ величин А и Ek показывает, часть кинетической энергии потока воды, движущегося с первоначальной скоростью, преобразуется в потенциальную энергию упругой деформации самой жидкости и стенок водовода. Остальная, большая часть кинетической энергии расходуется на совершение механической работы по перемещению подвижных частей стенок водовода.
Скорость движения воды υ0 = 0,5 м/с в трубопроводе с подвижными в радиальном направлении стенками, диаметром 1,4 м, можно обеспечить при фиксированном коэффициенте расхода трубопроводной системы μ = 0,2. Коэффициент учитывает все гидравлические сопротивления в ней, включая потери напора на трение в трубопроводе и потери напора в клапане гидротарана.
Для сравнения, для получения одинаковой механической мощности 60,77 кВт при одинаковом объемном расходе жидкости и при таких же скоростях движения воды используют традиционные гидротурбины, для которых необходимы различные значения напоров на входе в гидроагрегаты. Напор на входе в гидроагрегат, в котором энергия потока воды преобразуется в механическую работу с использованием явления гидравлического удара, составляет всего - 0,32 м, а для традиционной гидротурбины необходим напор - 7,9 м. Такой напор для турбины предусматривает сооружение достаточно высокой подпорной плотины.
Описанный способ получения энергии позволяет снимать значительную механическую мощность с маловодных низконапорных водотоков, достаточную для автономного тепло- и энергоснабжения зданий и сооружений. Такой способ получения энергии не требует сооружения массивных плотин, исключает подтопление прилегающих территорий и является экологически чистым. Кроме того, описанный способ имеет ряд преимуществ перед автономным энергоснабжением, основанным на использовании сырьевых ресурсов.
Рецензенты:
-
Степанов О.А., д.т.н., зав. кафедрой промышленной теплоэнергетики, Тюменский государственный архитектурно-строительный университет, г. Тюмень;
-
Чекардовский М.Н., д.т.н., зав. кафедрой теплогазоснабжения и вентиляции, Тюменский государственный архитектурно-строительный университет, г. Тюмень.
Работа поступила в редакцию 14.02.2012.
Библиографическая ссылка
Миронов В.В., Миронов Д.В., Гульбинас А.С. АВТОНОМНОЕ ТЕПЛО- И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ НИЗКОНАПОРНЫХ ВОДОТОКОВ // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 3-2. – С. 396-398;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=29616 (дата обращения: 19.04.2024).