Регулирование давления в тепловых сетях с помощью гидравлических турбин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.512

В.П. Черненков, И.Д. Лихачев

ЧЕРНЕНКОВ Владимир Петрович - кандидат технических наук, доцент кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: [email protected], ЛИХАЧЕВ Илья Дмитриевич - магистрант кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: [email protected] © Черненков В.П., Лихачев И. Д., 2012

Регулирование давления в тепловых сетях с помощью гидравлических турбин

Обосновывается использование мини-гидравлической турбины для демпфирования избыточного давления трубопроводов. Регулирование давления в системах теплоснабжения осуществляется за счет дросселирования напора на тепловых сетях.

Ключевые слова: гидротурбина, давление, дросселирование, напор, регулирующие клапаны, гидравлическое сопротивление.

Control the pressure in heating systems with hydraulic turbines. Vladimir P. Chernenkov, Ilya D. Likhachev -School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).

It is proposed the use of a mini hydraulic turbine for damping pressure pipelines. Regulation of pressure in the heating systems at the expense of throttling pressure on thermal networks. Key words: turbine, pressure, choking, fall, control valves, hydraulic resistance.

const

const

Требуемый режим давления и потокораспределение в системах теплоснабжения в настоящее время поддерживается с помощью гидравлической автоматики, к которой относятся регуляторы давления и перепада давления, их работа основана на принципе дросселирования. Они применяются в системах теплоснабжения для поддержания давления или перепада давления на заданном уровне [1]. Процесс регулирования осуществляется за счет изменения проходного сечения между седлом и плунжером клапана при воздействии регулирующего органа. Дроссельные регулирующие клапаны различаются конструктивным исполнением плунжера и седла и выполняются в форме игольчатых, тарельчатых, плунжерных, двухседельчатых и шиберных.

Процесс дросселирования является необратимым процессом, сопровождающимся диссипацией энергии и потерей части располагаемой работы, причем чем больше дросселирование, тем больше потери работы [2], следовательно, дросселирование паров, газов и жидкостей в технологических процессах неэкономично. Если имеется возможность осуществить необходимое изменение параметров различными способами, включая дросселирование, то в каждом конкретном случае делают технико-экономическую оценку имеющихся способов и предпочтение отдают наиболее экономичному способу. Для термодинамической оценки процесса дросселирования рассмотрим поток в трубе с диафрагмой (дросселем) (рис. 1).

Сечение 1 и 2 трубы до и после дросселя одинаково - скорости тоже одинаковы: = ^^ = процесс - адиабатный.

Тогда общее уравнение 1-го закона термодинамики для потока, а оно справедливо для любого потока (в том числе и для потока с трением):

dq = аЬ + ^^ + Ш' + gdz + <1Г;

или для двух:

^ = (Ь - Ь ) + (1/2)^2 - Wl2 ) + 1' + g(z2 - ^ ) + 1''; где Ь - напор; w - скорость течения жидкости; g - расход; 1 - совершаемая работа; превращается при заданных условиях 1-го и 2-го сечения в очень простое, но важное:

Ь1 + w2 = Ь2 + w2 или Ь1 = Ь2,

Рис. 1. Термодинамические характеристики дросселируемого потока

что показывает постоянство энтальпии и обратимого и необратимого горизонтального адиабатного потока малой скорости, не совершающего технической работы.

Из-за сужения (уменьшения сечения) w растет, кинетическая энергия растет, энтальпия падает, а поскольку общее уравнение 1-го закона термодинамики: dq = dh - v dp при dq = 0 пишется как dh = v dp, то давление падает.

После диафрагмы поток завихряется, кинетическая энергия затрачивается на работу против сил трения слоев жидкости между собой, при этом выделяется тепло, оно целиком (так как процесс адиабатный) воспринимается потоком, его энтальпия возрастает, скорость потока падает.

Часть энергии необратимо теряется из-за природы почти всех протекающих процессов - они термодинамически необратимы, и диссипация энергии неизбежна. Например, необратимы затраты на преодоление гидравлического сопротивления потоков в аппаратах и трубопроводах. К системе подводится высокопотенциальная энергия, но в технологическом процессе образуется много низкопотенциальных потоков, работоспособность которых ниже исходных, несмотря на содержащееся в них такое же или даже несколько большее общее количество энергии.

Применение мини-гидравлической турбины для демпфирования избыточного давления трубопроводов позволит использовать энергию, затрачиваемую на преодоление силы сопротивления, снизить потери располагаемой работы [3]. Гидравлические турбины в этом случае соответствуют всем требованием регулирования давления в тепловых сетях. Такая турбина выполняет функцию традиционно используемых дросселирующих устройств, на которых происходит потеря энергии рабочего потока [4]. Срабатываемый на гидротурбине перепад давления трансформируется в электрическую энергию, при этом обеспечивается заданный закон регулирования, соответствующий работе штатных дросселей.

Данные исследования проводятся на поверочной расходомерной установке «ДВГТУ - ЭСКО». На стенд установлено дополнительное оборудование, которое позволит учитывать перепад давления, срабатываемый на гидротурбине, и измерительные приборы для фиксации мощности и силы электрического тока. В качестве гидротурбины применяется центробежный насос, установленный против хода напора, условным диаметром 40 мм, соединенный с автомобильным генератором постоянного тока. Также используется оборудование для изменения нагрузки на генератор (рис. 2).

С помощью изменения нагрузки на генератор можно использовать данное устройство для регулировки тепловой сети: при большей нагрузке генератора происходит больший перепад давлений. Это позволит заменить дроссельные шайбы и ручные регуляторы давления на гидротурбину, что поможет более точно отрегулировать сеть. Система автоматизации в зависимости от погодных условий будет изменять нагрузку генератора и тем самым осуществлять регулирование.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Волков А.В., Парыгин А.Г., Рыженков В.А., Щербаков С.Н. Получение электрической энергии в системах тепло- и водоснабжения на основе рекуперации избыточного магистрального давления // Новости теплоснабжения. 2007. № 10. С. 46-50.

2. Каганович Б.М., Кейко А.В., Шаманский В.А. Равновесное термодинамическое моделирование диссипативных макроскопических систем. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2007. 76 с.

3. Манюк В.И., Каплинский Я.И. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей: справочник. М.: Стройиздат, 1988. 432 с.

4. Проектирование, серийное изготовление и монтаж мини-ГЭС и микро-ГЭС. URL: http://www.inset.ru/r/index.htm (дата обращения: 10.05.2012)

Рис. 2. Стенд испытаний