Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ НИЗКОНАПОРНЫХ ПОТОКОВ ВОДЫ ДЛЯ АВТОНОМНОГО ТЕПЛО И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Миронов В.В. 1 Миронов Д.В. 1 Гульбинас А.С. 1
1 ФГБОУ ВПО Тюменский Государственный Архитектурно-строительный университет
Гидроэнергия имеет ряд весомых преимуществ по сравнению с традиционными в наше время не возобновляемыми энергоресурсами (уголь, газ, дизельное топливо). Предлагаемый способ преобразования энергии водного потока в тепловую и/или электрическую мощность базируется на преобразовании энергии водного потока при инициировании в замкнутом объеме жидкости периодического гидравлического удара за короткий промежуток времени. Под действием потенциальной энергии (энергии давления воды) совершается механическая работа по радиальному перемещению подвижных нагнетательных клапанов-мембран. Подвижные стенки клапанов-мембран соединены с рабочими органами линейных тепло и электрогенераторов, которые вырабатывают тепловую и электрическую энергию для автономного тепло и/или энергоснабжения. Описаны аналитические зависимости, описывающие преобразование энергии потока воды маловодных низконапорных водотоков в механическую мощность, достаточную для автономного тепло и/или энергоснабжения зданий и сооружений.
автономное тепло- и энергоснабжение
малая гидроэнергетика
энергия гидравлического удара
1. Высоцкий В.Е. Линейный генератор с постоянными магнитами для систем электропитания автономных объектов // Известия вузов. Электромеханика. - 2010. - №1. - С. 80-82.
2. Патент РФ № 2412302, 20.02.2011 Способ строительства малых гидроэлектростанций.
3. Патент РФ № 2431758, 20.10.2011 Способ получения электроэнергии и устройство для его реализации.
4. Хитерер М.Я., Овчинников И. Е. Синхронные электрические машины возвратно-поступательного движения. - СПб.: КОРОНА принт, 2004. - 368с.
5. Штеренлихт Д.В. Гидравлика. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 840 с.
6. WO 2011/102750 A1, 25.08.2011 // Международная заявка PCT на изобретение «Способ получения гидроэлектроэнергии».
Автономная энергетика в последнее десятилетие в России начинает развиваться бурными темпами. Несмотря на высокий темп развития основные виды оборудования автономных установок, такие как энергоблоки на базе ДВС, турбинное оборудование и парогазовые установки, остаются, претерпевая только небольшие преобразования. Только отойдя от традиционных невозобновляемых ресурсов (уголь, газ, дизельное топливо) и сделав основным источником тепло- и электроэнергии возобновляемые источники, например, гидроэнергию, можно добиться качественного изменения в автономной энергетике.

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 и только для производства электроэнергии с необходимостью сооружения высоких и массивных  плотин. К сожалению, гидроэнергетический потенциал малых рек остается почти без внимания.

 Предлагаемый в статье способ получения тепловой и электрической энергии [2,3,6] 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.

Величина кинетической энергии  объема воды плотностью ρ, движущейся в установке с первоначальной скоростью υ, на длине водовода равной c определяется по известной физической формуле

 

где,

υ0 - первоначальная скорость движения воды, м/с;

ρ - плотность воды, кг/м3;

D - внутренний диаметр водовода, м.           

Механическая работа A, совершаемая за счет энергии инициированного в водоводе гидравлического удара при последовательном перемещении подвижных клапанов-мембран установки на величину Δh, на длине c от ударного клапана к началу трубопровода в течение одной секунды, за счет среднего во времени ударного давления в водоводе, равного половине его максимального значения, определяется по формуле

 

 где,

D1

-

поперечный размер подвижных частей стенок водовода, м;

h

-

радиальные перемещения подвижных нагнетательных клапанов-мембран водовода при совершении механической работы под действием давления P, м;

с

-

скорость распространения ударной волны от автоматического клапана установки к началу водовода, м/с;

ΔP

-

величина ударного давления, Па.

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.

Процесс преобразования кинетической энергии движущейся в водоводе жидкости в механическую работу при помощи установки является дискретным и периодическим. Полезная механическая работа 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. Для непрерывного во времени снятия механической мощности необходимо наличие, как минимум, двух одинаковых гидроагрегатов, работающих в противофазе.

При пробеге волны давления ΔP в течение одной секунды на расстояние  средняя удельная энергия единицы объема жидкости будет равна половине величины ударного давления, значение которого определяется по известной формуле Н.Е. Жуковского (5). Волна  давления распространяется в водоводе со скоростью c, в свою очередь, скорость зависит от упругих свойств воды и стенок водовода, от площади подвижных частей стенок водовода и величины их радиального перемещения. Скорость распространения ударной волны  c  в водоводе и величина ударного давления  ΔP определяется, решая совместно систему уравнений:

;

(3)

,

(4)

где

E1

-

модуль упругости воды,  Па;

E2

-

модуль упругости материала стенок водовода, Па;

δ

-

толщина стенок водовода, м;

k

-

коэффициент, учитывающий долю подвижных частей стенок водовода в периметре его поперечного сечения,

На рис.1 приведены результаты расчета механической мощности гидроагрегата, работающего по вышеизложенному способу, выполненного из водовода (трубопровода)  диаметром Dнар=1,42м  с толщиной стенки δ=0,025м, поперечный размер подвижных частей стенок водовода и радиальные перемещения подвижных нагнетательных клапанов-мембран принимаются D1=0,3м  и h=0,01м соответственно. Коэффициент расхода трубопроводной системы гидроагрегата μ, характеризующий потери энергии в гидравлических сопротивлениях,  зависящий в основном от конструкции автоматического ударного клапана установки, принимается, для примера, равным  0,2. 


Рис.1 Результаты расчета механической работы

1 - Ек (кДж/с=кВт), величина кинетической энергии объема воды, движущегося в водоводе с первоначальной скоростью которая преобразуется в гидроагрегате в течение одной секунды в потенциальную энергию упругой деформации и полезную механическую работу (мощность); 2 - А (кВт), механическая работа, совершаемая в единицу времени при последовательном перемещении подвижных частей стенок водовода на величину h.

Как видно из графика на рис.1, 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.

При механической работе по радиальному перемещению подвижных частей стенок водовода, соединенных с подвижными рабочими органами линейных тепло- и электрогенераторов, происходит нагрев и выделение значительного количества тепловой энергии. Заключив линейные электрогенераторы в теплоизолированные рубашки, по которым прокачиваются жидкие теплоносители, последние могут быть также использованы в качестве теплогенераторов.  В этом случае энергия потока воды более полно преобразуется в полезную мощность. Для выработки только тепловой энергии можно использовать специальные линейные генераторы, в которых механическая работа непосредственно превращается в тепловую энергию.

Описанный способ получения энергии позволяет снимать значительную механическую мощность с маловодных низконапорных водотоков, достаточную для автономного тепло- и энергоснабжения зданий и сооружений. Кроме того, описанный способ имеет ряд описанных выше преимуществ перед автономным энергоснабжением, основанным на использовании сырьевых ресурсов.

Рецензенты:

  • Моисеев Б.В., д.т.н., профессор кафедры 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.

Библиографическая ссылка

Миронов В.В., Миронов Д.В., Гульбинас А.С. ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ НИЗКОНАПОРНЫХ ПОТОКОВ ВОДЫ ДЛЯ АВТОНОМНОГО ТЕПЛО И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ // Современные проблемы науки и образования. – 2011. – № 6. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=5172 (дата обращения: 24.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074