ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ - СОФИЯ ЕНЕРГОМАШИНОСТРОИТЕЛЕН ФАКУЛТЕТ

Катедра: “Хидроаедодинамика и хидравлични машини“

АВТОРЕФЕРАТ

на дисертационен труд за получаване на образователна и научна степен “Доктор”

По научна специалност:

„Хидравлични и пневматични машини и съоръжения”

тема: „Изследване на хидравлични енергопреобразуващи

системи”

маг.инж. Александър Стоилов Станилов

Научни ръководители: доц. д-р инж. Миладин Лазаров

доц. д-р инж. Огнян Бекриев

Рецензенти: проф. д-р инж. Милчо Стоянов Ангелов

доц. д-р инж. Иван Неделчев Дуков

София 2013г.

2

Дисертационният труд е с обем 128 страници и съдържа увод, шест глави, заключение, приноси и литература. Включва 84 фигури и 10 таблици. Цитирани са 76 литературни източника.

Номерацията на главите, фигурите и таблиците в автореферата отговаря на тази в дисертацията.

Дисертационният труд е обсъден и насочен за публична защита на заседание на Катедрен съвет на катедра “Хидоаеродинамика и хидравлични машини” на Енергомашиностроителен факултет на Технически университет – София, проведено на 13.12.2012г.

Изследванията по дисертационния труд са извършени в Технически

университет – София. Защитата на дисертационния труд ще се състои на 02.04.2013г. от 14:00 часа

в зала 2100А, блок 2 на Технически университет – София на открито заседание на научното жури, определено със заповед № ОП-720/19.11.2012 на Ректора на ТУ – София.

Научно жури: 1. доц. д-р инж. Огнян Никифоров Бекриев - Научен секретар 2. доц. д-р инж. Иван Неделчев Дуков - Председател 3. проф. дтн Михаил Димитров Комитовски 4. проф. д-р инж. Милчо Стоянов Ангелов 5. доц. д-р инж. Тодор Николов Чакъров Материалите по защитата са на разположение на интересуващите се в

канцеларията на “Енргомашиностроителен факултет”, на адрес: гр. София, бул. „Климент Охридски” №8, бл.2, ет.3, каб. 2344.

Автор: маг. инж. Александър Стоилов Станилов Заглавие: „Изследване на хидравлични енергопреобразуващи системи” Печатна база: Издателство на ТУ - София

3

ГЛАВА ПЪРВА

Въведение

В настоящата работа са изследвани хидравлични енергопреобразуващи

системи, при които се и използва енергията, която се “гаси” в регулиращ елемент.

Този начин на преобразуване на енергия се нарича възстановяване.

Хидравлична енерговъзстановяваща система (ХЕВС) представлява

съвкупност от машини и съоръжения, свързани помежду си, които имат за задача

да възстановят (възобновят) част от консумираната енергия от дадена машина за

извършване на определен процес. В чуждестранната литература този вид

системи са известни като ERS (energy recovery system) [11], [19], [21], [37] и [45].

1.1 Област на приложение на ХЕВС.

Хидравличните енерговъзстановяващи системи намират приложение в

дестилационни, водоснабдителни, топлопреносни, газоснабдителни и други

енергийни системи. На фиг.1.1 са показани в количествено отношение цитираните

по-горе области на приложение на ХЕВС. От фиг. 1.1. се вижда, че с най-голям

дял ХЕВС намират приложение в дестилационните системи. Примери за

реализирани системи има в САЩ [20], Насау [45], следвани от водоснабдителните

[4], „EnergieSchweiz für Infrastrukturanlagen” [51], топлопреносните „ОЦ Люлин” [1] и

газопреработвателните системи Baytown, Texas [65].

ПРИЛОЖЕНИЕ НА ХЕС

ДЕСТИЛАЦИОННИ

СИСТЕМИ

ТОПЛОПРЕНОСНИ

СИСТЕМИ

ВОДОСНАБДИТЕЛНИ

СИСТЕМИ

ГАЗОСНАБДИТЕЛНИ

СИСТЕМИ

Фиг. 1.1. Приложение на ЕВС

1.2 Сравнителен анализ на помпа в турбинен и помпен режим.

Основното средство за трансформиране на хидравличната енергия в механична в

ХЕВС са водните турбини, но при малки мощности за енергийно възстановяване

се използват и центробежни помпи, работещи в турбинен режим [4], [14], [48], [54]

и [55].

65% 15%

5% 15%

4

Центробежна помпа, работеща в турбинен режим.

В повечето случаи изборът на помпа за работа като турбина би трябвало да

е също толкова лесен, колкото избора на една серийно произвеждана

центробежна помпа. Правилният избор за дадени конкретни условия се оказва

доста сериозен проблем, тъй като липсва или е крайно недостатъчна

необходимата информация за поведението на една серийно произвеждана помпа

при работата й като турбина.

На фиг. 1.26. е показана работната характеристика на една и съща

центробежна помпа, работеща като турбина и като помпа [16].

Турбинен режим Помпен режим

QT

QP

HP

HTopt

HPopt

QTopt

QTopt QPopt

QPopt

HT-QT

PT-QT

PP-QP

QT

QP

HT

HP-Qp

PPPT

n1T

n1p

Фиг. 1.26. Работна характеристика на центробежна помпа, работеща като турбина

и помпа. От характеристиките е видно, че максималният к.п.д при помпен и турбинен

режим се получава при различни стойности на напора и дебита на машината или:

QTopt > QPopt и HTopt > HPopt.

където:

QPopt, QTopt – дебит на помпата съответно в помпен и турбинен режим при

максимална стойност на коефициента на полезно действие, m3/s

НPopt, НTopt – напор на помпата съответно в помпен и турбинен режим при

максимална стойност на коефициента на полезно действие, m

5

При изразяването на съотношенията на оптималните напори и дебити на

една помпа съответно в помпен и турбинен режим се получава:

opt

opt

T

H

P

Hk

H и opt

opt

T

Q

P

Qk

Q където: (1)

kH – коефициент, отчитащ отношението между напора на една помпа,

работеща като турбина и напора на същата хидравлична машина като помпа при

максимална стойност на коефициента на полезно действие.

kQ – коефициент, отчитащ отношението между напора на една помпа,

работеща като турбина и напора на същата хидравлична машина като помпа при

максимална стойност на коефициента на полезно действие.

Извършени са голям обем изследвания за определяне големината на

коефициентите kH и kQ, при което те се изменят в широки граници. Според

Stepanoff [55] отношението между напорите и дебитите се изразява с

произведението на хидравличните коефициенти на полезно действие на

машината при работата й в помпен и турбинен режим.

opt

T popt opt

opt

p

h h

T

H

H и opt

popt

opt

p

h

T

Q

Q (6)

Thorne, Mc Claskey и Lundquist [69] и [70] дават малко по-друг запис на

същата формула като заместват хидравличните коефициенти на полезно

действие с пълният к.п.д, като приемат следното условие:

p Toptopt

h h opt

Така, че за коефициентите kH и kQ, се получават следните изрази:

opt

opt

p

T

opt

HH и

opt

opt

p

T

opt

QQ (7)

За помпи със специфична честота в интервала 10<nqp<50 според Grover [27]

са в сила изразите:

2,693 0,0229opt

T

opt

T

q

P

Hn

H и 2,643 0,0264opt

T

opt

T

q

P

Qn

Q (8)

Gopalakrishnan [71] изразява връзката между напорите и дебитите за двата

режима на работа изцяло като функция на к.п.д на машината в помпен режим.

2opt

opt

opt

p

p

T

H

H и opt

opt

opt

p

p

T

Q

Q (9)

От казаното следва, че едно експериментално изследване на

енерговъзстановяващи системи в лабораторни и експлоатационни условия при

6

дадена честота на въртене, свързано с определянето и на коефициентите kH и kQ

определено представлява интерес.

Цел и задачи на дисертационния труд

Целта на дисертационния труд е да бъде създадена високоефективна

хидравлична енерговъзстановяваща система, съставена от серийно

произведени центробежни помпи.

За постигане на така поставената цел на дисертационния труд е необходимо

изпълнението на следните задачи:

Синтез и реализиране на лабораторен стенд за изследване на

различни видове хидравлични енерговъзстановяващи системи.

Провеждане на лабораторни моделни изследвания на ХЕВС.

Провеждане на натурни изследвания на ХЕВС.

Разработване на техникоикономически модел за оценка на

хидравлични енерговъзстановяващи системи.

ГЛАВА ВТОРА

Мощностен баланс и енергийна ефективност на енерговъзстановяващи

системи.

2.1 Коефициенти на полезно действие на помпа, турбина и хидравлична

енерговъзстановяваща система (турбина-помпа).

Коефициентите на полезно действие на работна, силова машина или

хидравлична енерговъзстановяваща система се изразяват като отношение на

получената енергия за единица време на техния изход към вложената на входа

им. Разбира се от само себе си, че целта е стойността на к.п.д. да е колкото е

възможно по-висока.

Общият коефициент на полезно действие на системата турбина-помпа се

пресмята от израза:

7

.

.

p pизхТ Р ХЕВС

вх T T

gQ HP

Р gQ H

(2.9)

Като се използва обстоятелството, че турбината и помпата са монтирани на

общ вал, което означава, че МТ=МР и ωТ=ωР (механичната енергия на изхода на

турбината и входа на помпата е една и съща), следва, че:

p p p Т Т ТТ Р ХЕВС Q H m Q H m

(2.11)

Общият к.п.д. на хидравлична енерговъзстановяваща система е

произведение от този на турбината и помпата. В по-нататъшното изложение ще

бъдат определени к.п.д. на отделните видове енерговъзстановяващи системи.

2.2 Мощностен баланс и к.п.д. (коефициент на ефективност) на

енерговъзстановяващи системи.

Като се използва изложеното до тук и изразите за енергийния баланс, се

определят к.п.д. (коефициент на ефективност кЕ) на различните видове

енерговъзстановяващи системи. За по-добро онагледяване схемите и

коефициентите на ефективност са представени в таблична форма.

1 QT HT

MT ωT

MP ωP

QP HP

Pвхр

PвхТ

PeТ

Pep

P

T

e p p P P PЕ

T Tвх T T

T

P gQ H Mк

MР gQ H

p p p T T TЕ p T H Q m H Q mк

2 QT HT

MT ωT

G

PвхТ

PeТ

PвхG

PeG

G G T

T G T

e e e

E

вх вх вх

P P Pk

Р Р Р

T T TE T G H Q m Gk

3

G

QT HT

PвхТ

MT ωT

PeТ

PвхG

PeG

G G T

T G T

e e e

E

вх вх вх

P P Pk

Р Р Р

T T TE T G rp H Q m G rpk

4

MT ωT

MP ωP

QP HP

G M

PeТ

Pep

PвхG

PeG

Pвхр

PeM

PвхM

ηelpr

QT HT

PвхТ

p p p el G T

T p el G T T

e e вх вх e e

E

вх вх вх e e вх

P P Р Р P Pk

Р Р Р P Р Р

pr

T T T pr T T T

E p M el T G

H Q m M el H Q m G

k

8

5

MT ωT

GMP ωP

Pвхр

PвхG

PeТ

PeG

Pep

QP HP

QT HT

PвхТ

3 cosp G

T

e e p p

E

вх T T

P P gQ H UIk

Р gQ H

6

MT ωT

MPeM

PвхM MP ωP

Pвхр

Pep

QP HP

QT HT

PвхТ

PeТ

3 cos

p

T M

e p p

E

вх вх T T

P gQ Hk

Р P gQ H UI

7

MT ωT

MP ωP

M/G

PeM

PвхM

Pвхр PвхG

PeG

Pep

QP HP QT HT

PвхТ

PeТ

Генераторен режим

T p Ge e вхP P Р

Двигателен режим

p el Tвх e eР P Р

Двигателен режим

3 cos

p

T M

e p p

E

вх вх T T

P gQ Hk

Р P gQ H UI

Генераторен режим

p G p GT

p T T

e e e ee

E T

вх e e

P P P PPk

Р P Р

ГЛАВА ТРЕТА

Стенд за експериментални изследвания на енерговъзстановяващи системи.

3.1 Синтез на принципни схеми.

Енерговъзстановяващите системи се изпълняват както по отворен, така и по

затворен контур и са известни съответно като отворени и затворени ХEВС. При

отворените енерговъзстановяващи системи силовата и работната хидравлични

машини работят в отделни един от друг контури, докато при затворените те са

свързани последователно в една обща хидравлична система.

В съответствие с изложеното до тук на фиг. 3.3. е дадена синтезираната

принципна схема за изследване на енерговъзстановяващи системи. Тя дава

възможност да се извършват изследвания както на отворени, така и на затворени

енерговъзстановяващи системи. Основните елементи, от които е изградена

системата са 1 - захранваща помпа; 2 - помпа, работеща в турбинен режим; 3 -

9

помпа, 4 - основен резервоар, 5 - допълнителен резервоар, 6 - затворна и

регулираща арматура.

M

M

1

2

3

4

56

6

6

6

Фиг. 3.3.

За по-голяма яснота на фиг. 3.4. са показани както контурите на затворена и

отворената ХЕВС, така и посоките на протичане на флуида при реализирането на

единия или другия вид система.

M

M

Затворена ХЕВС

Отворена ХЕВС

Фиг. 3.4.

10

Освен показаните до сега елементи, които изграждат стендът е необходимо

в него да бъдат включени и технически средства (ТСИ) за измерване. Така

окончателната принципна схема, по която ще бъде изграден стендът, е дадена на

фиг. 3.5.

M

MM

G

`

M

M

W2W1

M4 M3

M2M1

2

1

16

3 4

5

6

15

14

1

7

8

9

11

12

13

1010

10 10

Фиг. 3.5.

3.2. Лабораторен стенд за изследване на енерговъзстановяващи системи.

На базата на окончателния вариант на синтезираната принципна схема,

дадена на фиг. 3.5. е проектиран и реализиран лабораторен стенд за изследване

на енерговъзстановяващи системи. За по-голяма прегледност същият е показан в

аксонометрична проекция Той се състои от следните елементи: захранващ

помпен агрегат - 1; хидравлична енерговъзстановяваща система, включваща:

помпа, работеща в турбинен режим - 2, трифазен асинхронен електродвигател - 3,

помпа - 4 и честотен регулатор тип Altivar 61 с максимална мощност 4 kW и

диапазон на регулиране от 0 до 50 Hz - 5 резервоар - 6 с обем 12 m3; резервоар -

12 с обем 4,5 m3; спирателна и регулираща арматура - 7 и 8, ремъчна предавка -

13; технически средства за измерване на: дебит - електромагнитен разходомер

тип MAG FLOW 6000, DN 100 с обхват от 11 до 128 m3/h - 9 и електромагнитен

разходомер тип АВВ MAG ХМ - 11, налягане – чрез калибратор за налягане WIKA

тип CPH6000 с обхват от 0 до 16 bar - 10, механична мощност – чрез

пенделгенератор - 12, честота на въртене – с помощта на оптичен тахометър

MASTECH тип М2234-А с обхват от 5 до 99999 оборота, електрическа мощност –

чрез два ватметъра.

11

Фиг. 3.5.

Захранващ помпен агрегат - 1; помпа, работеща в турбинен режим - 2, трифазен асинхронен електродвигател - 3, помпа - 4,

честотен регулатор - 5 резервоар - 6, резервоар-14, спирателна и регулираща арматура - 7 и 8, електромагнитен разходомер - 9

калибратор за налягане - 10, електромагнитен разходомер - 11, , пенделгенератор - 12, ремъчна предавка - 13

1

2

3

4

5

6

12

7

8

8

8

13

9

11

10

14

12

ГЛАВА ЧЕТВЪРТА

Експериментално изследване в лабораторни условия на

енерговъзстановяващи системи.

Изпитанията на ХЕВС и основните машини, които ги изграждат се извършват

на показния в глава трета универсален лабораторен стенд.

Целите на провежданите изпитания са:

- Определяне характеристиките на помпа от ХЕВС;

- Определяне характеристиките на помпа работеща в турбинен режим от

ХЕВС;

- Изследване на съвместната работа на двете машини при отворена и

затворена ХЕВС.

13

Проведени са изпитания на четири работни колела със следните параметри:

Модел 1 Модел 2

Параметри на работните колела в

помпен режим

Геометрични параметри

Параметри на работните колела в помпен режим

Геометрични параметри

H=7 m Q=10 l/s n=1500 min-1

D1=0,085m D2=0,148m b1=0,030m b2=0,020m z=6

H=7,3 m Q=12,5 l/s n=1500 min-1

D1=0,068m D2=0,159m b1=0,028m b2=0,020m z=8

Модел 3 Модел 4

Параметри на работните колела в

помпен режим

Геометрични параметри

Параметри на работните колела в помпен режим

Геометрични параметри

H=7,4 m Q=10 l/s n=1500

D1=0,068m D2=0,146m b1=0,025m b2=0,015m z=6

H= 4,7 m Q=7 l/s n=1500

D1=0,068m D2=0,116m b1=0,034m b2=0,024m z=8

Където: D1 – диаметър на входа на работното колело, m D2 – диаметър на изхода на работното колело, m b1 – широчина на канала на входа на работното колело, m b2 – широчина на канала на входа на работното колело, m z=6 – брой работни лопатки

Първоначалният избор на колелата е направен въз основа на различните

им геометрични параметри. При избора им се взимат под внимание основните им

геометрични параметри (D, b и общата им дължина) за да може да бъдат

монтирани в еднакви спирални камери. След провеждане на различни изпитания

са получени и показаните им основните параметри в помпен режим.

14

4.1 Определяне на характеристиките на помпата, влизаща в състава на

ХЕВС.

Лабораторен стенд.

Стендът, на който са проведени изпитанията на помпа влизаща в състава на

ХЕВС част от показния в глава 3 лабораторен стенд.

Експериментални резултати.

На фиг. 4.2. са дадени получените характеристики на моделните колела в

помпен режим при 1500min-1.

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00

Q,l/s

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

модел 1

модел 2

модел 3

модел 4

H,m η,%

Фиг. 4.2. Характеристики на изпитваните модели в помпен режим

4.2 Определяне на характеристиките на помпа, работеща в турбинен

режим.

Лабораторен стенд.

Стендът, на който са проведени изпитанията на помпа, работеща в турбинен

режим е част от показния в глава 3 лабораторен стенд за изпитване на ХЕВС.

(H-Q)1500

(η-Q)1500

15

Експериментални резултати.

На фиг. 4.6. са дадени получените характеристики на колелата в турбинен

режим, получени при 1500min-1.

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00

Q,l/s

0

10

20

30

40

50

60

модел 1

модел 2

модел 3

модел 4

H,m η,%

Фиг. 4.6. Характеристики на моделите в турбинен режим 4.3 Анализ на получените резултати.

Анализа на резултатите, получени от изпитание на помпи, работещи в

турбинен режим, е извършен на база на:

– сравняване на получените резултати с подобни тестови резултати;

– сравняване на получените резултати с моделите, дадени за теоретично

определяне на коефициентите kQ и kH.

(H-Q)1500

(η-Q)1500

16

Сравняване на получените с подобни тестови резултати. Получените резултати от изпитанието на показаните работни колела се

сравняват с данни, получени от изследване на помпи, работещи в турбинен

режим в Университета в Карлсруе Германия. Повече подробности относно стенда,

на който са проведени изпитанията и условията, при които са проведени са

дадени в [48]. На фиг. 4.9. и в таблица 4.1 са показани видът и параметрите при

оптимални условия на работните колела, с които ще бъде направено

сравнението. Избрани са работни колела с близки специфична честота на

въртене.

Фиг. 4.9.

Таблица 4.1

nqp D nqТ φTopt ψTopt kQ opt kH opt φp opt ψp opt

- mm - - - - - - -

24.5 258 18,6 0,117 11,17 1,9 2,2 0,06 5,08

34 (модел 1) 148 28,70 0,155 9,4 1,23 1,78 0,13 5,27

35.3 206 28,1 0,151 7,64 1,3 1,61 0,12 4,75

36.4 174 30,1 0,185 8 1,54 1,72 0,12 4,65

37 (модел 2) 159 31,94 0,139 9,18 1,28 1,96 0,11 4,68

39.7 264 35,7 0,2 6,7 1,35 1,4 0,15 4,79

Където:

3

2

Q

nD

и

2 2

2

gH

n D (4.1)

На фиг. 4.10. са показани характеристиките на изпитаните помпи, работещи в

турбинен режим. С тънки линии са показани φ-к.п.д характеристиките на

изпитаните в Карлсруе колела, а с удебелена - изпитаните на проектирания стенд.

Модел 3 и 4, за които също са проведени изпитания, не са изобразени върху

характеристиката (не са избрани за сравняване) заради ниските си стойности на

к.п.д (модел 3) и намалените външни диаметри (предварителното си подрязване -

модел 4).

На фиг. 4.10. с прекъсната и символ е дадена опитно получената в Карлсруе

(φ-ψ)opt характеристика на оптималните режими на работа, а със символи и

са дадени опитно получените стойности на изпитаните колела.

17

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

модел 1

модел 2

Фиг. 4.10.

Извод: Получено е сходство между дадената характеристика (φ-ψ)ηmax и

получените резултати при изпитанието на колело модел 1 и модел 2;

Сравняване на получените резултати с моделите, дадени за

теоретично определяне на коефициентите kQ и kH.

В таблица 4.2 и на фигури 4.11., 4.12., 4.13. и 4.14. са дадени резултатите за

коефициентите kQ и kH, получени по опитен път и чрез пресмятане по методите

описани в т. 1.2.3.

Таблица 4.2

H Q n D2 nqp nqP φT ψT kQ kH φp ψp

m l/s min-1 mm - - - - - - - -

Модел 1

7,4 10,2 1500 148 34 28,70 0,155 9,4 1,23 1,78 0,126 5,27

Stepanoff ηHT 0,5815 ηHp 0,726 1,38 2,37

Thorne, Mc Claskey и

Lundquist η 0,6700

1,22 1,49

Grover 1,89 2,04

Gopalakrishnan ηp 0,670 1,49 2,23

ηT

φT

ψT

nq=24.5

nq=35.3

nq=36.4

nq=39.7

nq=34

nq=37

18

Модел 2

7,2 11,9 1500 159 37 31,94 0,139 9,18 1,28 1,96 0,109 4,68

Stepanoff ηHT 0,5542 ηHp 0,766 1,31 2,36

Thorne, Mc Claskey и

Lundquist η 0,7450

1,16 1,34

Grover 1,80 1,96

Gopalakrishnan ηp 0,745 1,34 1,80

Модел 1

Фиг. 4.11.

Модел 1

Фиг. 4.12.

Модел 2

Фиг. 4.13.

Модел 2

Фиг. 4.14.

19

На база на показаните по-горе сравнявания могат да се направят следните

изводи:

Получено е сходство между дадената характеристика (φ-ψ)ηmax и

получените резултати при изпитанието на колело модел 1 и модел 2;

Получени са сравнително близки резултати между опитно

определените kQ и kH.( таблица 4.1);

Сравняването на получените резултати с дадените модели за

определяне на kQ и kH показва, че най-близко до тестовите резултати

за kQ са всички модели, без този на Grover. За предпочитане са

моделите, при които се използват известни стойности и не се налагат

допълнителни изчисления;

Относно kH тестовите резултати се доближават най-много до модела

предложен от Grover;

4.4 Изследване на затворена ХЕВС. Стенд за изпитване на затворена ХЕВС.

На фиг. 4.15. е показана част от стенда, на който се правят изпитания на

затворени ХЕВС.

Фиг. 4.15. Лабораторен стенд за изпитване на затворени ХЕВС

Избор на помпа и помпа, работеща в турбинен режим.

Изборът на помпа и турбина, влизащи в състава на ХЕВС се осъществява,

като на една обща характеристика и в един и същи мащаб се нанасят

20

мощностните характеристики на двете машини. Пресечната точка на мощностните

характеристики е работната точка на ХЕВС. Тя показва дебита, с който ще работи

системата. При избора на помпа и турбина за ХЕВС основното изискване е двете

машини да работят с режими, попадащи в зоната им на оптимален к.п.д.

На база на общата мощностна характеристика фиг. 4.21 и двете

характеристики на машините в таблица 4.3 са определени теоретично режимите и

параметрите на помпата и турбината при работата им в затворена ХЕВС с и без

стабилизиращо звено.

Фиг. 4.21. Мощностна характеристика

При работата на ХЕВС със стабилизиращо звено стойността на Pel е

получена опитно като е измерена консумацията на електрическа енергия на

ненатоварен електродвигател.

Таблица 4.3

ХЕВС без стабилизиращо звено

n Qхевс Hp HT kE

min-1 l/s m m -

1000 9,75 2 8,2 0,24

1250 11,2 3,1 10,9 0,28

1500 12,9 4,3 15 0,29

21

ХЕВС със стабилизиращо звено

n Q Hp HT Pel kE

min-1 l/s m m kW -

1500 12,9 4,3 15 0,110 0,23

Експериментални резултати.

Фиг. 4.22. Характеристика на затворена ХЕВС без стабилизиращо звено

На фиг. 4.22. с удебелена линия е показана получената по опитен път

характеристиката на затворена ХЕВС без стабилизиращо звено. На същата

фигура за по-голяма яснота са показани и характеристиките на силовата и

работната хидравлични машини.

На фиг. 4.23. е показана получената характеристика от изпитването на

затворена ХЕВС със стабилизиращо звено. С плътна линия са дадени

характеристиките на ХЕВС, а с тънка - предварително снетите характеристики на

силовата и работната хидравлични машини при честота на въртене n=1500min-1.

Фиг. 4.23.

22

Анализ на получените резултати.

За проведените изпитания на затворени ХЕВС в табличен и графичен вид

(таблица 4.4 и фиг. 4.24.) са дадени стойностите на коефициента на ефективност.

На база на получените резултати могат да се направят следните изводи:

При ХЕВС без стабилизиращо звено се получава малко по-висок

коефициент на ефективност кЕ. По-високият коефициент на ефективност се

дължи на факта, че макар и да работи почти не натоварен ел. двигателя

консумира минимално количество енергия.

Диапазонът на работа на ХЕВС със стабилизиращо звено е много по-голям

от този без стабилизиращо звено. При системите без стабилизиращо звено

работата на двете машини зависи от параметрите в системата. При тях

минимална промяна на дебита и налягането в системата води до промяна на

честота на въртенете. При системите със стабилизиращо звено

минималните изменения на параметрите в системата не оказват голямо

влияние на нейната работа, тъй като стабилизиращото звено компенсира до

известна степен тези изменения. Тези особености в работата на двата вида

системи правят избора на хидравлични машини за ХЕВС без стабилизиращо

звено по-труден.

Фиг. 4.24.

Таблица 4.4

Q КЕ ХЕВС без стабилизиращо звено

КЕ ХЕВС със стабилизиращо звено l/s

13,2 0,26 0,25

11,2 0,28 0,31

9,4 0,28 0,33

23

От таблица 4.5 се вижда, че е налице съвпадение между предлагания модел

за пресмятане в глава 2 и опитно получените параметри на затворени ХЕВС

с и без стабилизиращо звено.

Таблица 4.5

ХЕВС без стабилизиращо звено

Опитни стойности Теоретични стойности

n Qхевс Hp HT kE Qхевс Hp HT kE

min-1 l/s m m - l/s m m -

1000 9,42 2,1 8,06 0,25 9,75 2 8,2 0,24

1250 11,20 3,1 11,34 0,28 11,2 3,1 10,9 0,28

1500 13,16 4,3 15,09 0,28 12,9 4,3 15 0,29

ХЕВС със стабилизиращо звено

n Q Hp HT Pel kE

min-1 l/s m m kW -

1500 13,16 3,6 15,5 0,110 0,23

4.5 Изследване на отворени ХЕВС. Стенд за изпитване на отворени ХЕВС.

На фиг. 4.25. е показана част от стенда, на който се правят изпитания на

отворени ХЕВС.

Фиг. 4.25. Лабораторен стенд за изпитване на отворени ХЕВС

Експериментални резултати. На фиг. 4.28. е показана работната характеристика на отворена ХЕВС без

стабилизиращо звено.

24

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

16.0

18.0

20.0

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00

Q, l/s

H,m

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

Ke

Фиг. 4.28. Отворена ХЕВС без стабилизиращо звено

На фиг. 4.28. с непрекъснати линии са показани получените по опитен път

характеристики на отворена ХЕВС без стабилизиращо звено за три честоти на

въртене. На същата фигура с пунктирани линии са показани и предварително

получените характеристики на силовата и работната хидравлични машини.

Анализ на получените резултати. Отворена ХЕВС без стабилизиращо звено.

От проведените изпитания на отворени ХЕВС в табличен и графичен вид са

дадени стойностите на коефициента на ефективност.

На база на получените резултати могат да се направят следните изводи:

Има сходство в получените резултати за кЕ по опитен път и теоретичен път.

Опитни данни Теоретични данни

n Qp Hp QT HT kE ηp ηT kE

min-1 l/s m l/s m - - - -

1500 12,28 6,9 14,12 15,24 0.393 0,74 0.53 0.392

1250 8,22 5,7 10,50 10,33 0.392 0,74 0.53 0.392

1000 7,17 3,9 9,88 7,32 0.384 0,7 0.55 0.385

25

За разлика от затворените ХЕВС без стабилизиращо звено при отворените

работният режим е в по-широки граници на дебита, т.е не е една точка от

характеристиките на помпата и турбината.

Отворена ХЕВС със стабилизиращо звено.

От проведените изпитания на отворени ХЕВС със стабилизиращо звено и

въз основа на получените резултати могат да се направят следните изводи:

Режимът на работа на двете машини трябва да се подбере така, че да

не се допуска възвръщане (предаване) на прекалено голяма мощност

към електродвигателя.

В заключение на фиг. 4.31. е показан с прекъсната линия диапазонът на

работа на така изпитаната ХЕВС.

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

0.4 0.6 0.8 1

Фиг. 4.31.

ГЛАВА ПЕТА

Експериментално изследване на хидравлична енерговъзстановяваща

система в експлоатационни условия.

5.1 Обект на изследване. На фиг. 5.1. е показана схема на Отоплителна Централа – Люлин към

Топлофикация-София. Централата има три топлопреносни магистрали, като на

фиг. 5.1. са дадени осреднените стойности на дебитите и наляганията в тях при

зимен режим на работа. Вижда се, че се „гасят” налягания в подаващите

тръбопроводи на трета (от 12,7 bar до 11,5 bar), на втора (от 12,7 до 9,9 bar) и

връщащия тръбопровод на първа магистрала (от 6,0 bar до 3,6 bar). В

Pel/Pelmax

Pin/Pinmax

Режим при оптимален коефициент на

ефективност

ХЕВС със стабилизиращо звено при n=1500min-1

26

разглежданият случай по-голям интерес представлява намаляването на

дроселирането във втора и трета магистрала.

Фиг. 5.1. Схема на Отоплителна Централа – Люлин към Топлофикация-

София

Оползотворяване на разполагаемата енергия на връщащия тръбопровод на

първа магистрала може да се осъществи с хидравлична енерговъзстановяваща

система (ХЕВС).

5.2 Хидравлична енергопреобразуваща система.

На фиг. 5.2. е показана схема на предлаганата ХЕВС. Състои се от турбина и

помпа без стабилизиращо звено.

Фиг. 5.2. Схема на предлаганата ХЕВС

Като най-удачен вариант за избор на турбина, която да използва гасеното

налягане на връщащия тръбопровод на първа магистрала, е използването на

стандартна центробежна помпа, която да работи в обратим режим.

27

5.3 Експериментални резултати

На фиг. 5.3. е показана снимка на изградената ХЕВС.

Фиг. 5.3. Снимка на изградената ЕВС

Към нея са монтирани измервателни средства, които отчитат дебита на

първа магистрала, наляганията преди и след помпата и турбината, честота на

въртенете на вала на ХЕВС. На фиг. 5.4. е показана характеристиката на

използваната помпа в ХЕВС. С прекъсната линия на фигурата е показана

каталожната характеристика на помпата. Със символа са дадени измерени

режими на работа на помпата, преизчислени към честота на въртене n=970min-1.

Фиг. 5.4. Експериментални данни от работа на помпата на ХЕВС

Фиг. 5.5. Резултати от извършени измервания на параметрите на ХЕВС за

отоплителен сезон

кЕ

28

На фиг. 5.5. са дадени резултати за извършените измервания на напора на

турбината Ht, напора на помпата Hp и дебита Q на ХЕВС за четири летни и пет

зимни месеца от отоплителния сезон.

За оценка на степента на възстановяване, извършено от ХЕВС, е въведен и

показан на фиг. 5.5. коефициент на ефективност kЕ. Той се определя по модела за

затворени ХЕВС без стабилизиращо звено, даден в глава втора.

5.4 Оценка на енергийната ефективност от ХЕВС. Икономисаната електрическа енергия за девет месеца на отоплителен сезон

2007г. е 845669 kWh.

5.5 Сравняване на моделна и експлоатационна ХЕВС

0

0 . 2

0 . 4

0 . 6

0 . 8

1

0 . 4 0 . 6 0 . 8 1

Q/Qmax

kE /kEma x

0

0 . 2

0 . 4

0 . 6

0 . 8

1

kE

ХЕВС Люлин

Моделна ХЕВС

Фиг. 5.7.

За да се сравнят получените резултати от проведените изпитания на

лабораторната и експлоатационна ХЕВС е необходимо да бъдат определени

максималните коефициенти на ефективност, които могат да бъдат постигнати при

реализирането на двете ХЕВС. Да работят с максимални коефициенти на

ефективност означава, че и помпата и турбината работят в режим с максимален

к.п.д.

kE/kEmax-Q/Qmax

kE-Q/Qmax

kE-Q/Qmax

29

От фиг. 5.7. се вижда, че и лабораторната и експлоатационната системи са с

добре подбрани машини за конкретният случай, за който работят, тоест

характеристиките им kE/ kEmax -Q/Qmax достигат почти максималните си стойности.

От така получените характеристики се вижда, че при правилно прилагане на

описаните методики за избор на машини от ХЕВС може да бъде разработена

експлоатационна високоефективна енерговъзстановяваща система

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Извършена работа

Създаден е универсален стенд за изпитване на различни видове

хидравлични енерговъзстановяващи системи и основните хидравлични

машини, влизащи в състава им.

Разработени са математични модели за коефициента на ефективност кЕ за

различните видове хидравлични енерговъзстановяващи системи.

Извършени са изпитания на четири моделни работни колела в помпен и в

турбинен режим.

Извършени са изпитания на затворени и отворени хидравлични

енерговъзстановяващи системи.

Изпитана е ХЕВС в експлоатационни условия и е оценена големината на

икономисаната електроенергия от внедряването й.

Научно-приложни приноси.

Чрез експериментални изследвания са оценени съществуващи модели за

определяне на основни параметри на помпа, работеща в турбинен режим.

Експериментално са проверени математичните модели за коефициента на

ефективност при затворени и отворени ХЕВС.

Извършено е изследване за определяне влиянието на стабилизиращо

звено на честота на въртене в затворени и отворени хидравлични

енерговъзстановяващи системи.

Предложен е метод за разработване на високоефективна ХЕВС на базата

на проведен лабораторен експеримент с хидравлични машини, имащи

значително по-ниски коефициенти на полезно действие.

Практическо приложение: С предложените в дисертацията методики може да

бъде проектирана високоефективна ХЕВС, съставена от серийно произведени

центробежни помпи.

30

ГЛАВА ШЕСТА

Сравнителен анализ на енергийната ефективност и пресмятане на

енерговъзстановяваща система.

6.1 Сравнителен анализ.

Извършването на сравнителен анализ на енергийната ефективност е

едновременно и метод за пресмятане на дадена енерговъзстановяваща система.

В крайна сметка се стига до правилния избор както на съставните части на

системата (турбина-помпа, турбина-генератор), така и на самата ХЕВС или ЕВС

като цяло.

6.1.1 Избор на турбина или помпа в турбинен режим.

Разглежда се основно изборът на турбината, при което направените

разглеждания и получените резултати се отнасят за работа на помпа в турбинен

режим.

1 1 2 2

1 1 2 2

ЕЕT

3600( ..... )к

( ..... )n n

n n

T T T T T T

T T T T T T

M M M

g Q H Q H Q H (6.1)

Израз (6.1) е в сила, при условие че всички режими на работа са с еднаква

продължителност, което в действителност е изключение. Това налага да се

отчетат времевите периоди за всеки отделен режим на работа на

енерговъзстановяваща система. Като се вземе предвид продължителността на

работа на отделните режими на турбината или помпа, работеща в турбинен

режим се стига до:

1 1 2 21 2

1 2

.....

....n n

срп срп

T T T T T T n

T T

n

M t M t M tM

t t t (6.2)

Среднопретеглените стойности за дебита и напора се определят чрез

изразите:

1 21 2

1 2

.....

....n

срп

T T T n

T

n

Q t Q t Q tQ

t t t

1 21 2

1 2

.....

....n

срп

T T T n

T

n

H t H t H tH

t t t

(6.3)

По аналогия с израз (6.1) за коректна окончателна стойност на коефициента

на енергийна ефективност за всяка една турбина, участваща в сравнителния

анализ, се получава:

српЕЕTк срп срп

срп срп

T T

T T

AM

Q H (6.4)

С извършването на сравнителния анализ съгласно израз (6.1) се вижда, коя

от сравняваните турбини или помпи в турбинен режим е с най-висок коефициент

31

на енергийна ефективност, което я прави най-подходяща за дадена хидравлична

енерговъзстановяваща система.

6.1.2 Избор на помпа.

При избора на подходяща помпа за енерговъзстановяваща система се

използва подход, подобен на този при избора на помпа работеща в турбинен

режим.

Коефициентът на енергийна ефективност на помпата се изразява с

отношението на енергетичните параметри на изхода и входа на помпата чрез

израза:

1 1 2 2

1 1 2 2

ЕЕp

( ..... )к

3600( ..... )n n

n n

p p p p p p

p p p p p p

g Q H Q H Q H

M M M

(6.5)

Извършва се чрез пресмятането на средно претеглените стойности на

дебита и напора на помпата:

1 21 2

1 2

.....

....n

срп

p p p n

p

n

Q t Q t Q tQ

t t t

1 21 2

1 2

.....

....n

срп

p p p n

p

n

H t H t H tH

t t t

(6.7)

Действителната стойност на коефициента на енергийната ефективност на

помпата е равна на:

српЕЕpк3600

срп срп

срп срп

p p

T T

gQ H

M (6.8)

Помпата с най-голямата му стойност е най-подходяща тъй като е с най-

висока енергийна ефективност за разглежданата хидравлична

енерговъзстановяваща система.

6.1.3 Проверка на енергийната ефективност на енерговъзстановяваща

система.

Коефициентът на енергийна ефективност на хидравлична

енерговъзстановяваща система се пресмята по израза:

срп срп

срп срп

p p

T T

Q H

Q HХЕВСЕЕк (6.9)

Енерговъзстановяващата система с най-голяма стойност на коефициента на

енергийна ефективност най-пълно оползотворява разполагаемата енергия.

Системата с най-ниска стойност показва, че в нея са налице възможности за

промяна с цел повишаване на енергийната ефективност.

32

СТАТИИ ПО ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

1. Станилов А. - Експериментално изпитване на затворени хидравлични

енерговъзстановяващи системи - Сборник доклади - ХVІ Научна конференция с

международно участие ЕМФ 2011, том ІІ, 2011, стр. 57-63

2. Станилов А. - Хидравлични енерговъзстановяващи системи - Сборник

доклади - ХІІ Научна конференция с международно участие ЕМФ 2007, том ІІ,

2007, стр. 56-60

3. Бекриев О., М. Лазаров, А. Станилов - Изследване в лабораторни условия

на енерговъзстановяващи системи - Механика на машините - бр. 67, година XV,

книга 1,2007, стр. 79-82

4. Бекриев О., А.Станилов. Экспериментальное исследование в условиях

эксплуатации на гидравлическая система для востановление энергии.

Международной научно-технической конференции “Гидравлические машины,

гидропневмоприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и

перспективы развития”.10–11 июня 2010 г.Санкт–Петербург

INVESTIGATING OF ENERGY RECOVERY SYSTEMS

Summary

The paper studies the synthesis of an experimental equipment for investigating

energy recovery systems. The use of excessive hydraulic power is achieved by means

of a centrifugal pump operating in turbine mode. The resulting mechanical power can be

applied for driving a pump or an electric generator. When this power is insufficient,

additional power can be introduced into the system using an electric motor. The

proposed experimental equipment allows both combined and separate operation of the

applied sources and power consumers.