Підручник Гідравлічні та аеродінамічні машіни

Цією формулою користуються при перерахуванні об’єму газу, який ви- значено при нормальних фізичних умовах.

Опір тертя по довжині.

Швидкість повітря в повітроводах приймають в межах v = 4...5 м/с. Для газопроводу втрати тиску ∆pтр на тертя по довжині можливо знайти

за формулою Дарсі

де Rг - гідравлічний радіус: для круглої труби R г = dтр / 4 ; для прямокутної труби R г = ав/[ 2(а+в) ], λ - коефіцієнт гідравлічного опору по довжині, зна- ходять за формулами гідравліки. Для орієнтовних розрахунків λ = 0,02.

Місцеві опори.

Запірні пристрої, фасонні частини, в яких в наслідок зміни напряму течії виникають втрати напору, називають місцевими опорами. Втрати тиску в цих опорах знаходять за формулою

Розглянемо деякі з місцевих опорів, рис. 11.13.

Зміна напряму потоку. В плавних відводах коефіцієнт місцевого опору (КМО) визначається за формулою

де С1 С2 С3 - коефіцієнти, які враховують відповідно радіус повороту, кут повороту, форму перерізу повітроводу. Коефіцієнт С3 відноситься тільки до прямокутних повітроводів.

Рис. 11.13. Схеми місцевих опорів повітропроводів: 1- коліна; 2- відвід; 3- по-

двійний відвід; 4- скоба; 5- засувка (шибер); 6- дросельний клапан; 7- трійник

269

де R-радіус заокруглення; b - сторона повітроводу прямокутного перерізу, в площині якої проходить поворот; α - кут повороту; a - зогнута сторона.

Радіус заокруглення для круглих повітроводів 1,5 d , для прямокутних - дорівнює ширині повітроводу в площині повороту. Для коліна круглого пе- рерізу ζ = 1,1; для прямокутного ζ = 1,1С3. Опір колін можна знизити в 3-4 рази шляхом встановлення в них напрямних лопатей.

Значення КМО елементів трійників.

Прикриваючи засувкою або дросельним клапаном переріз повітроводу, збі- льшують його опір. Ця обставина використовується при регулюванні систем повітроводу для зменшення тиску на ділянках, гілках і відводах.

Аеродинамічний розрахунок повітропроводів.

Є технологічні і вентиляційні повітроводи. Вони бувають прості, скла- дені і розгалужені, а також з рівномірною роздачею повітря. Повітроводи поділяються на всмоктувальні і напірні. Перші - під вакуумом, другі з над- лишковим тиском.

Аеродинамічний розрахунок зводиться до того, що за заданою витратою повітря і прийнятим швидкостям за допомогою таблиці 11.1 і номограм ви- значають діаметри і лінійні втрати тиску на кожній ділянці. Одночасно на схемі виявляють місцеві опори і з таблиць вибирають КМО, підраховують втрати тиску на місцеві опори ∆pм. Загальні втрати тиску на кожній ділянці

На відміну від водопроводів в необхідний тиск для мережі повітропро- водів входять тільки втрати тиску (вільний напір і геометричний напір не включаються).

Пояснимо користування таблицею 11.1.

270

аналізу роботи вентилятора використовується метод накладання характерис- тик вентилятора і мережі. При цьому для заданих характеристик мережі і ве- нтилятора існує одна робоча точка (РТ) і відповідають їй розрахункові зна- чення параметрів pр = pв = pс; Qр = Qв = Qс; Потужність і к.к.д вентилятора визначаються з його характеристики за значенням подачі Qв, як це показано на рис. 11.14.

Особливості регулювання турбокомпресорів

Взалежності від виду споживачів стисненого повітря компресорні уста- новки поділяють на дві основні групи:

1) Споживачі потребують подачі постійної кількості повітря при змінно- му тиску (домені печі, вагранки, спеціальні апарати хімічної технології);

2) Споживачі потребують подачі повітря з постійним тиском при змінній подачі (пневматичний інструмент, відбійні молотки, пневматичний привід, вібратори різних типів).

Впершому випадку зміну режиму роботи компресора називають регу- люванням на постійну подачі, в другому – на постійний тиск.

Розглянемо характеристику ε=f(M) компресора сумісно з характеристи- кою мережі, рис. 11.15. Остання в випадку повітряних мереж високого тиску

ними клапанами, що відрегульовані на кінцеве значення тиску рк=0,9εтахр1. Це дає можливість уникнути помпажних режимів. Якщо до компресора пред’являються вимоги підтримання постійної степені підвищення тиску ε=const при змінній подачі, то можливі режимні точки повинні розташовува- тися на лінії СF.

272

Точка С визначає граничне мінімальне значення подачі за умовами пом- пажу .В цьому випадку компресор повинен бути забезпечений автоматичним антипомпажним пристроєм, датчиком в якому слугує динамічний імпульс с2/2 або тиск всмоктування, який залежить від подачі. Різні режими роботи компресора досягаються зміною частоти обертання.

Якщо приводним двигуном компресора є парова або газова турбіна, то зміна частоти обертання досягається без ускладнень регулюванням турбіни. У випадку електроприводу компресора необхідно застосування спеціальних типів двигунів з регульованою частотою обертання.

Дросельне регулювання компресора при n=const є доступним в усіх ви- падках і простим способом регулювання. Проте він діє тільки на зменшення подачі. Регулювання можливо проводити дроселем на напірному і всмокту- вальному патрубках компресора.

Питання для самоконтролю

1.В яких умовах використовують різні типи аеродинамічних машин?

2.Що називається вентилятором?

3.Як здійснюється робочий процес вентилятора?

4.В яких умовах використовують різні типи вентиляторів?

5.Яка конструкція повітродувної машини?

6.Що називається компресором?

7.Які конструктивні особливості компресорів динамічної дії?

8.Які існують типи компресорів об’ємної дії?

9.Як визначають параметри вентиляторів?

10.Як визначають параметри повітродувних машин і компресорів?

11.Які існують характеристики повітродувних машин

12.Як визначають безрозмірні параметри вентиляторів?

13.Як виглядає безрозмірна характеристика радіального вентилятора?

14.Як добирають тип і марку вентилятора?

15.Що називається характеристикою компресора?

16.Як визначають параметри роботи вентилятора на мережу?

273

12.ВІТРОЕНЕРГЕТИЧНІ УСТАНОВКИ

12.1Вітер як джерело енергії

За останні 50 років у світі спожито стільки енергії, скільки її використали за 10 попередніх століть. Недалеко той час, коли світові запаси мінерального палива і води будуть вичерпані. Значний крок вперед – використання атомної енергії. Проте цей вид енергії має недоліки – дорожнеча, небезпека для об- слуговуючого персоналу, невирішеність питань видалення радіоактивних відходів. Тому тепер більше уваги приділяють одному з дуже поширених і невичерпних джерел енергії – енергії вітру. В невеликих об’ємах ця енергія використовувалась з давніх давен – вітряні млини.

Що розуміється під енергією вітру?

Вітер фактично є похідною формою сонячної енергії: рух повітряних по- токів – це наслідок нерівномірного нагрівання Сонцем поверхні Землі.

Вітер – це переміщення повітряних мас, яке спричинене глобальними пе- репадами тиску на різних географічних широтах між морями та суходолами.

На перепади тиску впливає нерівномірний розподіл сонячного випромі- нювання по поверхні землі від екватора до полюса. Вітер має швидкість та напрям. Із області з високим тиском відбувається відтік повітря у місце з більш низьким тиском. Відтік повітря продовжується то тих пір, поки не зни- кне різниця тисків.

Величина різниці тисків характеризується баричним градієнтом, тобто горизонтальним градієнтом тиску, який дорівнює різниці тисків, що прихо- диться на одиницю відстані. За останню прийнято радіус меридіану (111,1 км). Чим більше баричний градієнт тим більша швидкість вітру.

Сукупність повітряних течій великого масштабу складає загальну цирку- ляцію атмосфери. Безпосереднім механізмом переміщення повітряних мас є циклони і антициклони. Ці хвильові і вихрові рухи великого масштабу є дже- релом сильних вітрів.

Використання енергії вітру є одним з найбільш економічних способів отримання електроенергії. Енергія вітру відрізняється своєю доступністю та дешевизною. Повсюдність, екологічна чистота, практична невичерпність – основні переваги вітрової енергії.

Вадами цієї енергії є мала концентрація на одиницю поверхні, нерегуляр- ність у просторі та часі, низькі питомі значення потенціалу ( наприклад, пи- тома потужність вітрового потоку зі швидкістю вітру 12 м/с складає близько 300 Вт/м2), залежність швидкості вітру від метеорологічних, кліматичних і топографічних умов, а також поривчастість вітру, яка впливає на якість здо- бутої енергії.

Людина почала використовувати енергію вітру ще до того, як навчилась приборкувати річки. Спочатку силу вітру використовували мореплавці ще за 3500 років до Н.Е. Прості вітряки використовувалися у Китаї 2200 років то- му. Млини персів з вертикальною віссю для перемелювання зерна складалися

274

з в’язок очерету і кріпилися до дерев’яної рами, яка оберталася від подуву вітру.

Після ХІ сторіччя в Європі вітряні млини поступово вдосконалювалися голландцями та англійцями і нарешті набули горизонтальну вісь. У ХУІІІ сторіччі тільки у Нідерландах було більше ста тисяч вітряних млинів для пе- ремелювання зерна, для подавання води та розпилювання деревини. В старих вітряках лопаті були дерев’яні і спроможні використовувати близько 7% ене- ргії вітру. Ефективність установки збільшилась удвічі ( до 15%) після заміни дерев’яних лопатей на лопаті з вигнутого металу.

В Україні у 1917 р. налічувалося 20…30 тисяч вітряків, які виробляли 150…200 тисяч кВт.год енергії. Але поступово до 1955 р число вітряків зме- ншилось до 8500. В теперішній час на Україні розпочалося інтенсивне будів- ництво вітроенергетичних установок потужністю 100 кВт кожна переважно в Кримський області.

За кордоном є приклади вмілого використання енергії вітру. Так на горі Грандіас-Ноб (штат Вемонт США) споруджений вітроагрегат потужністю 1000 кВт з діаметром робочого колеса 54 м. Існує багато установок з потуж- ністю 100…500 кВт.

Використання всього 0,2% від наявних запасів вітроенергії дозволяє по- крити сучасне енергонавантаження всього сільського господарства.

12.2 Елементи теорії використання енергії вітру.

12.2.1 Класифікація вітрів.

Вітрові умови районів характеризуються гідроенергетичним кадастром, який містить в собі характеристики, що приводяться також у довідковій літе- ратурі: середньорічні та середньомісячні швидкості вітру, повторність зна- чень та напрямків швидкості вітру на протязі року, місяця, доби; дані про поривчастість, затишшя та максимальне значення швидкості вітру; зміну швидкості вітру з висотою тощо.

Увітроенергетиці використовується вітер приземного шару, який харак- теризується напрямком, швидкістю переміщення та структурою.

Уметеорології напрямок вітру визначається флюгером, а швидкість вітру анемометром з анемографом. Роза вітрів вказує напрямок характерних вітрів.

За способом утворення вітрового потоку вітер поділяється на три катего- рії: а) вітер у вигляді потужних вихорів, б) місцеві вітри: неперіодичні холо- дні (бора, містраль, кривець); неперіодичні теплі (сироко, фен, самун); пері- одичні (мусони, бризи), в) вітри загальної циркуляції атмосфери, які включа- ють регулярні вітри теплої зони і домінуючі вітри помірної та полярної зони

Силу вітру та межі зміни швидкості можна визначити за шкалою, яка роз- роблена у 1809 р. адміралом британського флоту Френсіском Бофортом, табл.

12.1.

12.2.2 Особливості енергії вітру.

Енергія вітру має цілий ряд особливостей, які відрізняють її від інших джерел енергії (палива, води і ін.). До цих властивостей можливо віднести змінність за часом, розкиданість в просторі, повсюдна розповсюдженість,

275

безперервна відновлюваність, залежність швидкості вітру від рельєфу місце- вості і характеру поверхні землі:

1.В долинах швидкість вітру навіть при загальному напрямі вздовж до- лини, все ж зменшується.

2.В гірських плато спостерігається значне підсилення вітру на підви- щеннях з правильними, добре обтічними повітрям схилами без різкої зміни рельєфу.

Таблиця 12.1 - Класифікація вітрів за шкалою Бофорта.

3.Пункти, хоча й найбільш підвищені, але з крутими кам’янистими схи- лами, відрізняються малими швидкостями.

4.На рівнині великого протягу (до 200 км) при одноманітному, але не рі- зко виявленому рельєфі мають місце великі швидкості в тих точках, які роз- ташовані вище загального рівня долини.

276

де m –маса повітря, що рухається, кг; w – швидкість руху повітря, м/с. Маса повітря, яке проходить крізь контур площею F (м2) за одну секунду визнача- ється рівнянням

де ρп – густина повітря, кг/м3; F – площа поверхні, яка окреслюється колесом вітродвигуна, м2; рис. 12.1.

Рис. 12.1. Типи крильчастих вітродвигунів: а- площа F, яка окреслюєть- ся колесом вітродвигуна; б- крильчастий вітродвигун; 1,2,3- швидкохід- ні малолопатеві; 4- тихохідний багато лопатевий

Підставивши (12.2) у (12.1), одержимо енергію, яка утримується у повіт- ряному потоці, що проходить в одну секунду крізь контур площею F

З цього виразу видно, що енергія вітру пропорційна кубу швидкості. В механічну роботу вітродвигун може перетворювати тільки частину цієї енер- гії, яка визначається коефіцієнтом використання енергії вітру ξ. Тоді секунд-

Коефіцієнт використання енергії вітру в залежності від типу вітроколеса і режиму його роботи дорівнює ξ = 0,25…0,35. Фактично вираз (12.4) дає по- тужність вітроколеса у ватах. Густина повітря приймається ρп = 1,23 кг/м3

формула (12.4) для визначення потужності вітроколеса в кВт набуває такого вигляду

278