CC BY
9
ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ГЕНЕРАТОРНЫХ ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В СИСТЕМАХ
КОММЕРЧЕСКОГО УЧЕТА ВОДЫ Андреев Сергей Андреевич, к.т.н., доцент Московский государственный аграрный университет «РГАУМСХА имени К.А.Тимирязева» (e-mail: [email protected]) Матвеев Андрис Илмарович, аспирант Московский государственный аграрный университет «РГАУМСХА имени К.А.Тимирязева» (e-mail: [email protected])
Обосновывается целесообразность создания автоматизированных систем коммерческого учета воды. Определяется роль средств измерения расхода воды, устанавливаемых у конечных потребителей. Формулируется проблема энергообеспечения этих средств и рассматриваются различные пути ее решения. Делается вывод о возможности использования в качестве автономных источников энергии генераторных первичных преобразователей. Приводятся результаты сравнения ротационных и вихревых расходомеров. Намечаются направления совершенствования вихревых первичных преобразователей для повышения их энергетической эффективности.
Ключевые слова: экономия и учет воды, средства измерения расхода, автономные источники энергии, вихревые и ротационные преобразователи.
Важной задачей организации производственной и бытовой сферы деятельности современного человека является комплексная экономия всех видов энергетических и материальных ресурсов. К числу таких ресурсов, безусловно, относится и вода. Экономию воды можно производить как за счет ее рационального использования, так и благодаря совершенствованию систем транспортировки для исключения всевозможных потерь.
Несмотря на различное смысловое содержание указанных задач, путь к их решению может быть одинаковым: создание автоматизированных систем коммерческого учета воды (АСКУВ). Такие системы могут строиться по принципу систем учета электроэнергии, которые на сегодняшний день широко распространены на территории РФ. При работе АСКУВ происходит измерение текущего расхода воды у каждого конечного потребителя (квартиры, частного жилого дома, отдельных объектов предприятия, узлов оросительных систем и т.д.), автоматизированная передача полученной информации в единый учетный центр, последующая ее обработка и формирование управляющего воздействия по отношению к вододобывающим и водоподготавливающим предприятиям. Одновременно АСКУВ позво-
ляют практически мгновенно получать информацию о повреждениях трубопроводов, способствуя минимизации потерь воды [1].
Большую роль в структуре АСКУВ играют средства измерения расхода воды (СИРВ), устанавливаемые у потребителей. В отличие от обычных приборов учета в задачи СИРВ входит не только само измерение мгновенного расхода или потребление воды за определенное время, но также частичная обработка полученной информации, ее накопление и передача в учетный центр. Для решения последней из перечисленных задач требуется некоторая энергия. Подключение СИРВ к промышленной электросети не всегда возможно. Во-первых, не везде такая сеть есть. Во-вторых, специальный монтаж системы подвода электроэнергии к каждому СИРВ может оказаться экономически нецелесообразным. В-третьих, использование электроэнергии в устройствах по учету расхода воды требует повышенного внимания к технике безопасности. В-четвертых, работа СИРВ оказывается зависимой от наличия электроэнергии, что не всегда допустимо. Наконец, в-пятых, сочетание в СИРВ двух видов ресурсов (воды и электроэнергии) предъявляет специфические требования к квалификации обслуживающего персонала. В то же время, оснащение СИРВ химическими источниками напряжения проблему не решает, поскольку такие источники требуют или периодической замены, или зарядки.
Один из перспективных способов обеспечения СИРВ электроэнергией основан на преобразовании кинетической энергии воды. При этом преобразование энергии может осуществляться как специальным устройством, так и входящим в состав СИРВ первичным преобразователем, измеряющим расход. Во избежание усложнения и удорожания конструкции СИРВ предпочтение следует отдавать второму варианту. Разумеется, помимо первичного преобразователя в устройство должен входить какой-нибудь небольшой накопитель электроэнергии, обеспечивающий работоспособность СИРВ при отсутствии или чрезмерно малом расходе воды. Наиболее простым решением в таком случае может стать использование химического аккумулятора.
Разумеется, первичный преобразователь такого СИРВ должен быть генераторного типа. При выборе первичного преобразователя необходимо принимать во внимание следующие требования: первичный преобразователь должен быть способным удовлетворительно выполнять обе функции (обладать приемлемой чувствительностью и погрешностью измерения, слабо зависеть от внешних факторов и одновременно иметь на своем выходе достаточную электрическую энергию, а также оказывать минимальное влияние на водный поток). Из всех известных современных первичных преобразователей генераторного типа наиболее подходящими для работы в составе СИРВ являются скоростные устройства: крыльчатые, турбинные, шариковые и вибрационные. Первые три типа устройств часто именуют ротационными, и последние - вихревыми.
На сегодняшний день наибольшее распространение получили ротационные первичные преобразователи. Эти устройства имеют относительно высокий КПД (п=0,6), бесшумны и имеют только две точки весьма редкого обслуживания: подшипники. Установлено, что для трубопроводов диаметром менее 50 мм и потоках с числом Рейнольдса до 4000 ротациион-ные первичные преобразователи более эффективны. В других случаях следует применять вихревые устройства. Несмотря на низкий КПД (п=0,1), вихревые первичные преобразователи привлекательны независимостью их характеристик от жесткости воды и температуры. Кроме того, они характеризуются низким перепадом давления на измеряемом участке [2] и отсутствием видимых глазом движений элементов конструкции. Принцип действия таких устройств основан на преобразовании поступательного движения жидкости в вихревую дорожку Кармана с последующим подсчетом частоты срыва вихрей. Для преобразования непрерывного потока в вихревой движение служит обтекатель (квантователь) - специальное тело, установленное в трубопроводе поперек движению воды [3]. В качестве воспринимающего узла первичного преобразователя служит пьезоэлемент, преобразующий переменные механические воздействия в электрическую энергию. Принято считать, что частота образования вихрей пропорциональна скорости потока, а их количество за промежуток времени - суммарному расходу воды. При использовании вихревого первичного преобразователя по двойному назначению необходимо принять меры по повышению его энгергетической эффективности. Для решения этой задачи можно выделить два направления: совершенствование конструкций обтекателя и воспринимающего узла. Поиск оптимальных параметров обтекателя будет сводиться к определению пропорций его геометрических характеристик и расположению в трубопроводе. По аналогии с результатами исследований кавитационных явлений можно предположить, что эффективность обтекателя будет связана с его упругостью. Совершенствование воспринимающего узла связано с поиском наиболее удачного химического состава пьезоэлемента, а также конструкции тела, которое воспринимает переменные механические воздействия потока. Обычно таким телом служит мембрана, крыло или лопатка, которые посредством микрорычажных механизмов связаны с пьезоэлементом. Например, в серийном пьезоэлектрическом датчике изгибающего момента типа 108М, выпускаемым научно-производственным предприятием «ПЬЕЗОЭЛЕКТРИК», для восприятия колебаний среды использована лопатка (см.рисунок). Улучшить энергетические показатели такого датчика представляется возможным за счет увеличения объема, занимаемого пьезоэлементом по контуру всей лопатки. Одновременно может оказаться эффективным увеличение ширины пьезоэлемента в основании датчика, поскольку именно там происходит максимальное преобразование динамических деформаций в электрическую энергию. Интерес также представляет увеличение поверхности самой лопатки, так как это является предпосылкой к улучшению условий взаимо-
действия вихрей с датчиком. Однако последнюю меру следует применять с осторожностью, поскольку поверхность лопатки не должна превышать размеры фронта вихря. С подобным явлением сталкиваются проектировщики сверхкрупных ветродвигателей, когда лопасти устройства становятся столь большими, что заходят в область пространства с другим направлением ветра и образующийся вращающие моменты частично компенсируют друг друга.
Рисунок 1. Общий вид пьезоэлектрического датчика изгибающего момента.
Кроме того, необходимо принимать во внимание, что при значительном количестве генераторных первичных преобразователей, входящих в состав СИРВ, их суммарная энергетичекая нагрузка на водопроводную сеть становится ощутимой, а это может потребовать увеличение мощности подающих насосов.
Список литературы
1. Андреев С. А., Матвеев А.И. Автоматизированная система коммерческого учета водопотребления в АПК. Труды 9-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», часть 5. Информационные технологии и нанотехнологии. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2014, 211-213 с.
2. Киясбейли А.Ш., Перельштейн М.Е. Вихревые измерительные приборы. М.: Машиностроение, 1978, 152 с.
3. Патент № 147360 U1 Российская Федерация МПК G01F1/075 (2006.01) Устройство для измерения количества потребленной жидкости/ Андреев С.А., Судник Ю.А., Матвеев А.И.//Заявка 2014116863 от 28.04.2014. Опубл. 10.11.2014; Приоритет полезной модели 28.04.2014.
Andreev Sergey Andreevich, Cand.Tech.Sci, associate professor
(e-mail: [email protected])
Russian State Agricultural University - Moscow Agricultural Academy, named after
K.A.Timiryazev
Matveev Andris Ilmarovich, postgraduate student
(e-mail: [email protected])
Russian State Agricultural University - Moscow Agricultural Academy, named after
K.A.Timiryazev
THE USE OF GENERATING PRIMARY TRASDUCERS IN SYSTEMS OF COMMERCIAL ACCOUNING WATER
Adsract: The expediency of automated systems for commercial accounting of water. The role of the means of measurement of water consumption, established at the end-users. We formulate the problem of power supply of these funds and discusses the various ways of solving it. The conclusion about the possibility of use as a stand-alone energy generating primary converters. Compared rotary and vortex flowmeters. Outlined ways of improving primary vortex converters to improve their energy efficiency
Keywords: economy and accounting of water consumption measuring, autonomous energy sources, whirlpool and rotary converters
ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОНАСОСНОЙ ОТОПИТЕЛЬНОЙ
СИСТЕМОЙ Андреев Сергей Андреевич, к.т.н., доцент Московский государственный аграрный университет «РГАУМСХА имени К.А.Тимирязева», г.Москва, Россия (e-mail: [email protected]) Флегонтов Евгений Александрович, аспирант Московский государственный аграрный университет «РГАУМСХА имени К.А.Тимирязева», г.Москва, Россия (e-mail: [email protected])
Перечисляются экологические проблемы, требующие решения при эксплуатации теплонасосных отопительных систем с грунтовыми теплообменниками. Выявляются недостатки механического управляющего устройства для поочередного подключения двух теплообменников. Приводится описание электронного устройства для автоматического управления теплонасосными отопительными системами. Рассматривается последовательность работы электронного устройства на примере теплона-сосной отопительной системы с тремя теплообменниками.
Ключевые слова: отопительная система, грунтовый теплообменник, промерзание грунта, поочередное подключение теплообменников.
Возрастающая роль в современных системах автономного отопления небольших сельскохозяйственных сооружений и односемейных жилых домов принадлежит теплонасосным системам. В этих системах большое место занимают конструкции, использующие естественную теплоту грунта. Как известно, в средней полосе России грунт на глубине 1,5 - 2,0 м практически не промерзает. Поэтому грунтовая среда вполне успешно может быть использована как источник тепловой энергии для обеспечения работоспособности испарительных контуров тепловых насосов.
К сожалению при чрезмерно интенсивном использовании теплоты грунта мы сталкиваемся с некоторыми технологическими и экологическими проблемами. Во-первых, теплоты грунта может просто оказаться недоста-
