Возможности рационального использования воды и возобновляемой гидроэнергии с техническими устройствами в промышленной энергетике

В статье приводятся принципиальные схемы работы активных и реактивных турбин, которые с помощью движущийся воды совершают работу. Показано, что при переходе воды из более широкой части трубы в узкую, скорость потока возрастает, и увеличивается кинетическая энергия.

Дефицит пресной воды ощущается на территории более 40 стран, расположенных главным образом в аридных, а также засушливых областях и составляет около 60 % всей поверхности земной суши и по расчётам, к началу 21 века достигло 120–150^.10⁹ м³ в год [1, 4, 5].

Следует отметить что, углубляющийся процесс урбанизации современной жизни, то есть переход все большей части населения к городскому образу жизни, повлечет за собой дополнительное увеличение потребления воды в связи с улучшением санитарно-гигиенических условий жизни людей. Действительно, если суточная потребность человека воде составляла в древности всего лишь 5 и в средневековые 12 л, то сейчас в городах на коммунально-бытовые нужды расходуется от 400 до 1000 л [5]. Поэтому проблема обеспечения человечества пресной водой приобретает сейчас все общее международное значение.

Подсчитано, что для выращивания и получения одной тонны зерна или сахара требуется не менее 1000, риса — 4000, а хлопка — даже 6000–8000 м³ воды. Если принять средний расход воды на гектар 10000 м³, тогда нынешняя потребность только орошаемого земледелия составляет не менее 1600 км³ воды в год, или почти 4,3 % мирового речного стока.

Велико потребление воды в промышленности, особенно химической. Так, например, на каждую тонну продукта требуется израсходовать следующее количество воды, м³, угля 2,5, нефти 70, стали 90, бумаги 200, химических удобрений 450, синтетических материалов и пластмасс 700, химических волокон 1500.

Чтобы получить тонну резины, надо израсходовать 2,5 тыс. м³ воды, тонну никеля — 4000 м³, капрона — 5000 м³.Если же учесть, что развитие мировой экономики не приостановится, а будет продолжаться с еще большим размахом то потребление воды промышленностью будет неуклонно расти [5].

Поэтому, человечеству придется изменить стратегию водопользования. Необходимость заставляет изолировать антропогенный водный цикл от природного. Практически это означает переход на замкнутое водоснабжение, на маловодную или малоотходную, а затем на «сухую» или безотходную технологию, сопровождающуюся резким уменьшением объемов потребления воды и очищенных сточных вод. Запасы пресной воды потенциально велики. Однако в любом районе мира они могут истощиться из-за нерационального водопользования или загрязнения.

Использованию энергии рек в мире и в нашей стране уделяется большое внимание. Построено много мелких и средних гидроэлектростанций, преобразующие энергию воды в электрическую энергию, а также для электрификации населенных пунктов, удаленных от мощных энергетических баз [1, 2, 3].

Жизненный опыт подсказал человеку, что быстротекущая вода обладает большей энергией, чем спокойная, что низвергающиеся с водопадов сотни тонн ревущей воды способны совершить огромную работу.

Известно, что движущаяся вода обладает энергией. Встречая препятствия и производя на них давления, она может совершить работу- привести в движение водяное колесо (рис.1) или турбину. Поток воды обладает прежде всего кинетической энергией, определяемой по формуле , где -масса некоторого объема воды, а -скорость движения потока. Кинетическая энергия определяет величину динамического давления, производимого водой на препятствия. Во-вторых, поток обладает потенциальной энергией, которая складывается из энергии положения и энергии упругости воды (последнее обусловливает статическое давление). Таким образом, полная энергия определяется по формуле (1)

.                                                                                                  (1)

Если вода падает с некоторой высоты  (рис 2) то потенциальная энергия  в положении 1 больше, чем в положении 2 (). При движении воды по горизонтальной трубе разность уровней , поэтому потенциальная энергия потока будет определяется только энергией упругости, зависящей от производимого на жидкость давления (т. е. от сжатия жидкости).

Рис. 1. Схема водяного колеса, использующего скоростную энергию водного потока. Колесо используется для подъема воды посредством укрепленных на нем ковшей-ящиков 1, поднимающих воду в лоток 2.

Пропустим теперь воду через трубу переменного сечения. Известно, что при переходе воды из более широкой части трубы в узкую скорость потока возрастает. С возрастанием же скорости увеличивается кинетическая энергия (динамическое давление). Но, согласно закону сохранения энергии, энергия не может исчезнуть бесследно и не может возникнуть ниоткуда. Следовательно, с увеличением доли кинетической энергии потока уменьшается доля потенциальной энергии (понижается статическое давление жидкости) [3].

Рис. 2. К выводу уравнения Бернулли.

Таким образом, при переходе потока жидкости из более широкой трубы в узкую динамическое давление возрастает, а статическое –падает. Это и есть основное положение Бернулли. Математически (в энергетическом обозначении) оно может быть записано так:

.                                                                                                      (2)

Работа, получаемая от потока воды, как показывает уравнение Бернулли, зависит от полного напора воды. Если расход воды Q выразить в литрах в минуту, а напор Н в метрах, то мощность N двигателя выразится весьма простой формулой (3), т. е.

                                                                                                          (3)

Рассмотрим два примера.

1.                  Из высокогорного озера, расположенного на высоте 1500 м, на турбину падает 60 л воды за одну секунду. К.п.д. равен 0,6.

В данном случае мы можем рассчитывать на мощность

2.                  Уровень реки поднят плотиной на 4 м, а расход воды в реке равен 16 900 л. в секунду. К.п.д. турбины 0,8.

Мощность в этом случае равна

В обоих случаях мощность одна и та же, но получена она по-разному. В зависимости от характера использования механических свойств жидкости (динамическое или статическое давление) турбины подразделяются на активные и реактивные [2].

В активной турбине (рис.3) в конце напорного трубопровода устанавливается сужающаяся насадка 1, в которой потенциальная энергия полностью преобразуется в кинетическую. При этом давление воды становится равным атмосферному и не меняется при прохождении воды через лопатки 2 турбины. Чтобы воды поступала на лопатки турбины без удара и изменяла свое направление на противоположное (на 180⁰), лопаткам придают форму сдвоенного ковша 3 с острым ножом. А для лучшей передачи энергии воды лопаткам турбины нужно скорость воды на выходе сделать равной нулю.

Рис. 3. Схема работы высоконапорной активной гидравлической турбины.

Таким образом, активные турбины характеризуются тем, что в них потенциальная энергия воды полностью преобразуется в кинетическую только в насадке (лопатка воспринимает только кинетическую энергию) и давление воды до и после лопаток одно и то же и равно атмосферному.

Рис. 4. Схема активной гидравлической турбины.

Нельзя не учитывать и экономические сопоставления вариантов использования различных видов энергии [4]. Чем больше будет использоваться гидроэнергия, тем больше придется обращаться к менее выгодным вариантом. Поэтому, несмотря на техническую зрелость и расцвет отечественной гидроэнергетики, несмотря на ее количественный рост, ее доля в общей выработке энергии, составляющая за последние десятилетия примерно 15 %,, после использования наиболее экономичных гидроресурсов начнет падать. Таким образом, быстрый расцвет отечественной энергетики в относительно недалеком будущем приведет к использованию всех наших гидроресурсов, пополняемых природной.

Литература:

1.             Бляшко Я. И. Опыт «МНТО ИНСЕТ» по созданию и эксплуатации оборудования для микро-и малых ГЭС.//Возобновляемая энергия; 1998-№ 4. –с. 7–10.

2.             Умаров А. Ю. Гидравлика. Изд-ство., «Узбекистан» г.Ташкент, 2002 г. –460 с.

3.             Жабо В. В., Уваров В. В. Гидравлика и насосы. Изд-ство. «Энергоатомиздат» г.Москва, 1194 г. 328 с.

4.             Вардияшвили Асф.А., Вардияшвили А. Б., Камбарова Н. К. Комбинированная солнечная многофункциональная установка «Теплица-опреснитель-овощехранилище». Сб. матер. междун. научн-техн.конфер. ТошГТУ, Том 1., -г. Ташкент. -2011 г. –с. 202–204.

5.             Энергия, природа и климат/В. В. Клименко, А. В. Клименко, Т. Н. Андрейченко и др. М.: Изд-во МЭИ, 1997.