Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,674

SMALL WATER FLOWS ENERGY USAGE FOR AUTONOMOUS POWER SUPPLY BUILDINGS AND FACILITIES

Mironov V.V. 1 Mironov D.V. 1 Gulbinas A.S. 1
1 Tyumen State University of Architecture and Civil Engineering
The use of alternative and renewable energy sources is one of the solutions to the problems of heat and electricity for industrial, municipal and agricultural-governmental facilities. Of all the renewable resources of the most common is hydropower. Hydroelectric dam is the necessary part of hydroelectric power generation plant. But it makes a lot of ecological problems e.g. adjacent area flooding, environmental damage, etc. The article contains a description of the method anticipating water current kinetic energy conversion into potential energy using the effect of hydraulic impact. Water potential energy converting to mechanical energy of relocation of the pipeline wall parts. Moving wall parts of the pipeline are connected to a special linear generators that can produce electrical and thermal power for independent suppliers.
autonomous power generation
small-scale hydropower industry
hydraulic impact
1. Visozkyi V.Е. Linear permanent magnet generator for power supply systems of autonomous objects. News of Higher Educational Institutions. Electrical engineering. 2010. no. 1. pp. 80-82.
2. Patent RU № 2009110379/03, 20.03.2009 Method for construction of small hydropower stations.
3. Patent RU № 2431758, 20.10.2011 Method of producing electricity and a device for its implementation.
4. Chitterer М.Y. Оvchinnikov I.Е. Synchronous electric machines of recurrent and progressive movement. St. Petersburg: СORONA print, 2004. 368 p.
5. Sterenlicht D.V. Hydraulik, Moskwa, Energoisdat, 1984. 840 p. (in Russian).

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.