Расчет параметров гидравлического удара

Гидравлический удар зависит от: закона изменения скорости потока, длины и вида трубопровода, материала и геометрии труб, транспортируемой среды и т. д. Учет их приводит к усложнению расчетов и не всегда обоснован. Расчетная схема гидравлической системы представлена на рисунке 3.4.

1 - насос; 2 - задвижка; 3 - обратный клапан; 4 - нагнетательный трубопровод; 5 – резервуар.

Рисунок 3.4 - Расчетная схема гидравлической системы

Известно, что гидравлический удар в трубопроводах вызывается быстрым изменением скорости движения воды, что сопровождается большим изменением давления. В низконапорных системах в общем случае резкие изменения скорости движения воды могут возникнуть в насосных установках при пуске, остановке и регулировании. Особенно опасные колебания давления наблюдаются при внезапном отключении привода насосного агрегата [1,2].

Расчет гидравлического удара для случая отключения насоса производится при следующих основных допущениях:

- изменение скорости потока происходит мгновенно (ротор насосного агрегата безынерционен);

- распределенное по длине сопротивление концентрируется в одной точке;

- сечение труб постоянное по всей длине, транспортируется вода без примеси воздуха.

3.3. Расчет гидротаранной электростанции малой мощности с низконапорным водотоком

Общепринятого понятия малой гидроэлектростанции нет, в качестве характеристики таких ГЭС принята их установленная мощность, так принято считать - оборудование для мини-ГЭС - это гидроэлектростанции мощностью до 100 кВт, микро-ГЭС - это гидроэлектростанции мощностью до 1000 кВт.

Одним из направлений увеличения гидроэнергетического потенциала является использование энергии малых рек, на которых строятся плотинные и бесплотинные гидроэлектростанции.

Как было сказано выше, одним из вариантов использования бесплотинных гидроэлектростанций является мини гидроэлектростанции, основу которых составляет гидравлический таран.

В качестве автономного источника получения электрической энергии используется асинхронный генератор с конденсаторным возбуждением. Он соединен с гидротараном, подводящим и напорным трубопроводами. Одна из структурных схем мини-ГЭС, с турбиной и асинхронным генератор изображена на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 - Автономная гидротаранная электроустановка

с низконапорным водотоком

Алгоритм расчета гидротаранной электростанции малой мощности с низконапорным водотоком заключается в следующем.

1. Расчет режимных и геометрических параметров гидротаранного водоподъемника.

2. Расчёт электрической мощности генератора

3.3.1. Расчет режимных и геометрических параметров гидротаранного водоподъемника

Повышение давления в трубе равно:

(3.3)

(3.4)

где ρ – плотность жидкости; v – скорость жидкости в трубе; b – толщина стенок трубы; с – скорость распространения ударной волны; E₁ – модуль упругости жидкости; E₂ – модуль упругости стенок трубы; D₁ – внутренний диаметр трубы.

Длина трубы в формулу давления не входит. Длинные трубы и короткие трубы будут работать теоретически одинаково. У коротких труб будет лишь короче рабочий цикл.

3.3.2. Расчёт электрической мощности генератора

Для точного определения области применения и пригодности любого электроагрегата для выполнения поставленных задач необходимо, прежде всего, определить суммарную мощность потребителей тока. Только таким образом можно определить, какой электроагрегат может быть использован для данных целей. При выборе необходимой мощности электроагрегата можно использовать приведённые ниже эмпирические формулы.

1. Потребители, являющиеся только активной нагрузкой (например, электронагреватели, лампы накаливания и подобные им приборы с чисто омическим сопротивлением).

Суммарную мощность можно рассчитать путём простого сложения мощностей отдельных потребителей, которые могут быть подключены к генератору. В данном случае полная электрическая мощность, измеряемая в ВА или VA (Вольт-ампер) равна активной мощности, измеряемой в Вт или W (Ватт). Необходимая мощность электроагрегата определяется путём увеличения суммарной мощности подключаемых потребителей на 10% (т.е. с учётом определённых технических факторов).

Пример: Суммарная мощность потребителей × 110% = Мощность, требуемая от электроагрегата.

Если суммарная мощность всех потребителей 2000 Вт (в данном случае 2000 Вт = 2000 ВА), то требуемая мощность электроагрегата будет: 2000 ВА × 110% = 2200ВА

2. Потребители, имеющие индуктивную составляющую мощности (компрессоры, насосы и прочие электродвигатели). Эти нагрузки потребляют очень большой ток при пуске и выходе на рабочий режим. В данном случае, сначала необходимо определить точное значение мощности одновременно подключаемых потребителей. Далее следует выбрать мощность электроагрегата.

Полная мощность такого электроагрегата должна быть не менее, чем в 3,5 раза больше суммарной мощности потребителей. В исключительных случаях она должна превышать мощность потребителей в 4-5 раз.

Пример: Суммарная мощность потребителей × 3,5 = Мощность, требуемая от электроагрегата.

Если суммарная мощность всех потребителей 2000 ВА, то требуемая мощность электроагрегата будет: 2000 ВА× 3,5 = 7000 ВА

Определение гидравлической мощности, создаваемой гидротараном и эквивалентных им электрических параметров напряжения и силы тока генератора

Давление, создаваемое гидротараном, составит:

P = ρ·v·c = 1000·0,2·476 = 95200 Па

Расход жидкости через трубу равен:

Q = (πD²/4) · ν = 3,14 · 1,277 · 0,2 = 0,2004,06 м³

Гидромеханическая мощность равна:

N = γ·Q·H = 1000·0,2·5 = 1000 Вт

Принимая N=P и напряжение генератора, равное 220 В, сила тока составит:

I = P/U = 1000/220 = 4,5 A

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.