Способ регулирования температуры воды в нижнем бьефе гэс и теплообменное устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к экологии водных систем, в частности к экологии нижних бьефов ГЭС, расположенных в районах Сибири и Дальнего Востока, также к гидроэнергетике и машиностроению. Цель изобретения - охлаждение сбрасываемой воды до бытовых параметров, существовавших до образования водохранилища, и выработка электроэнергии. Способ регулирования воды в нижнем бьефе ГЭС заключается в охлаждении вытекающего потока из турбин ГЭС охлажденными на воздухе металлическими конструкциями - резервуарами криогенного нагнетателя. В устройстве для охлаждения воды и выработки энергии - криогенном нагнетателе - новым является преобразование расширения воды при замерзании в энергию расхода воды для чего служат резервуары криогенного нагнетателя, выполненные в виде ротора , состоящих из парных полых цилиндров, диаметрально прикрепленных к общей ступице и установленных с возможностью принудительного вращения приводом на горизонтальной неподвижной оси, имеющем продольные сверления и выточки на поверхности, совпадающие с отверстиями в ступице. При вращении ротора верхний незатопленный резервуар охлаждается, вода в нем замерзает с увеличением объема. В результате перетекания жидкости из верхнего резервуара в нижний, затопленный под уровень нижнего бьефа через трубопровод гидромотор с электрогенератором, отверстия в ступице, выточки и сверления в неподвижной оси, вырабатывается электроэнергия При повороте ротора на полный оборот охлажденный незатопленный резервуар занимает место затопленного нижнего . В результате теплообмена вода, сбрасываемая в нижний бьеф, охлаждается. 2 с.п. ф-лы, 4 ил сл с ixi о 00 о о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

)s Е 02 В 9/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗО6РЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ! (.й

IQ (21) 4835367/15 (22) 28.О3.9О (46) 15.09.92. Бюл. N 34 (75) И,cD. Савченко (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 566111, кл. Е 02 В 3/02, 1975.

Патент Австрии ¹ 383158, кл. Е 02 В 9/04, 1987, (54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОДЫ В НИЖНЕМ БЬЕФЕ ГЭС Yi

ТEÏËООБМEННGЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к экологии водных систем, в частности к экологии нижних бьефов ГЭС, расположенных в районах Сибири и Дальнего Востока, также к гидроэнергетике и машиностроению. Цель изобретения — охлаждение сбрасываемой воды до бытовых параметров, существовавших до образования водохранилища, и выработка электроэнергии. Способ регулирования воды в нижнем бьефе ГЭС заключается в охлаждении вытекающего потока из турбин ГЭС охлажденными на воздухе металлическими конструкциями резервуарами криогенного нагнетателя. В устройстве для охлаждения воды и выработИзобретение относится к экологии водных систем, в частности к экологии нижних бьефов ГЭС, расположенных в районах Сибири и Дальнего Востока. Предлагаемое изобретение относится также к гидроэнергетике и машиностроению, При работе гидроузлов забор воды производится из горизонтов, имеющих температуру 2,2 — 4 С, Избыток тепла приводит к

„„Я12, „17611860 Al ки энергии — криогенном нагнетателе — новым является преобразование расширения воды при замерзании в энергию расхода воды для чего служат резервуары криогенного нагнетателя, выполненные в виде ротора, состоящих из парных полых цилиндров, диаметрально прикрепленных к общей ступице и установленных с воэможностью принудительного вращения приводом на горизонтальной неподвижной оси, имеющем продольные сверления и выточки на поверхности, совпадающие с отверстиями в ступице. При вращении ротора верхний незатопленный резервуар охлаждается, вода в нем замерзает с увеличением объема. В результате перетекания жидкости из верхнего резервуара в нижний, затопленный под уровень нижнего бьефа через трубопровод, гидромотор с электрогенератором, отверстия в ступице, выточки и сверления в неподвижной оси, вырабатывается электроэнергия. При повороте ротора на полный оборот охлажденный незатопленный резервуар занимает место затопленного нижнего. В результате теплообмена вода, сбрасываемая в нижний бьеф, охлаждается.

2 с.и. ф-л ы, 4 ил, образованию большой незамерзающей полыньи. Над полыньей и побережьем происходит усиленное туманообразование, повышается влажность воздуха, что резко ухудшает экологическую обстановку, вызывает простудные заболевания. На большом пространстве перекрываются зимние миграционные пути животных. Осложняются условия хозяйственной деятельности. Все

1761860

20

30

40

50 это приносит значительный зкономический ущерб, Снижение экологических отрицательных последствий достигается посредством селективного водозабора из разных по глубине слоев водохранилища. В зимнее время забор производят из верхних холодных горизонтов. Для этой цели предложен ряд водоприемных устройств, располагающихся в водохранилище. Они выполняются в виде башен, ограждающих жестких стенок. Существуют и эластичные завиральные стенки, Регулирование температурного режима soды в нижнем бьефе ГЭС указанными устройствами сводится лишь к ограничению 1 поступления воды с большей тепловой энергией, что обеспечивает сокращение размеров полыньи на 50 — 70%.

При работе ГЭС с отработанным водным потоком в нижний бьеф поступают большое количество тепловой энергии, которая и является причиной образования полыньи, Между полыньей и окружающим воздухом имеется температурный напор, 1 достигающий в зимнее время 30+50" С, Существуют устройства для выработки энергии, использующие тепловые напоры между водой и воздухом, между разными горизонтами воды. Во всех без исключения устройствах для преобразования тепловой энергии в механическую используют легкокипящие жидкости — фреоны. Устройства включают в себя большой набор блоков различного назначения. КПД таких установок равен 3 — 4%. Имеются моноблочные устройства, где парогенератор, турбина и конденсатор сосредоточены в одном рабочем теле.

Существует и роторная конструкция двигателя в виде рабочего колеса.

Известен водоприемник для забора поверхностных вод, содержащий забральную стенку, выполненную из эластичного материала, одна сторона которой прикреплена к дну водоема ГЗС растяжками и якорями, а другая снабжена колоколообразными по- 4 плавками, прикрепленными к стороне забральной стенки. К середине забральной стенки, обращенной к приемному водоводу, прикреплены грузы и перфорированная труба, соединенная с источником сжатого воздуха.

Из устройств, использующих температурные напоры между водой и окружающим воздухом наиболее близок по технической сути предлагаемому изобретению двига- 5 тель, представляющий собой рабочее колесо — герметичный тор, разделенный клапанами-перегородками одностороннего действия. Тор заполняется легкокипящей жидкостью и плавает на поверхности воды.

Нагреваясь от стенок тора, пары давят на жидкость, перекачивая ее в одну сторону и вращая колесо, Недостатком известного способа регулирования температуры воды в нижнем бьефе является неполная эффективнссть регулирования, TBK как в прототипе не предусмотрено охлаждение воды, а также сложность и непроизводительные затраты, снижающие экономическую эффективность

ГЭ С.

Двигатель, описанный в прототипе, способен использовать теплообмен лишь на поверхности воды, Для утилизации тепла водного потока такими двигателями необхо димо покрыть всю площадь полыньи и при менить громоздкие устройства для "сбора получаемой энергии, что экологически неприемлемо.

Цель изобретения — охлажденис воды в нижнем бьефе ГЗС до бытовых параме-„оь существовавших до строительства ГЗС. v получение рабочих расходов и давлений воды для выработки энергии гидромо гором.

Поставленная цель достигается тем, чтс в способе регулирования температуры водь в полынье нижнего бьефа ГЗС, согласие изобретению, на приплотинном участке нижнего бьефа в сбрасываемый поток периодически погружают охлажденный окружа ющим воздухом теплообменн.:.к в вид криогенного нагнетателя. Набегаюьций по. о: воды охлаждается до оь.-i uaoé темпсратуры омывая цилиндры теплообменника.

Поставленная цель получе:-ия махани ческой энергии достигается тем, что в ка-.е стае нагревателя используют водный пото: из водохранилища ГЗС, а в ка-IBGTBB холо дильника — окружающий воздух, и реализу ется тем, что изменения в объеме воды пр замерзании используют для создания рас ходов и давлений воды для работы гидромо тора или гидротурбины, причем цилиндрь теплообменника перемещают из нагревате ля в холодильник принудительно, Поставленная цель получения энерги,: основана на изменении объема воды пр переходе из жидкого состояния в твердо (лед) и на свойстве воды понижать точк замерзания (плавления) при увеличени давления, что отличает изобретение от про тотипа, где для этих целей используется лег кокипящая жидкость. В предлагаемо устройстве — теплообменнике в виде крис генного нагнетателя воды для гидромотор, рабочий ход (нагнетание) происходит npi охлаждении на воздухе цилиндров, напол ненных водой, до образования льда на стен ках цилиндра, а уменьшение объем (сжатие) — при нагревании цилиндров в на

1761860 бегающем потоке реки до (-0,1) — (-0,2) С, 0 которое сопровождается вытаиванием льда в цилиндрах. Обратный ход поршня тепловых двигателей в криогенном нагнетателе заменен подпиткой водой под давлением P

= 5 — 6 атм, что позволяет поддерживать воду в цилиндрах в переохлажденном состоянии и не изменять скрытую теплоту фазового перехода при смене режимов охлаждениенагрев.

Другое отличие криогенного нагнетателя от прототипа состоит в том, что в нем энергия криогенного расширения воды при замерзании используется для создания напоров и расходов воды в трубопроводе для питания гидромотора или гидротурбины, Криогенный нагнетатель, согласно изобретению, состоит из цилиндров высокого давления (Р=120 атм), которые для лучшего теплообмена снабжены оребрениями. Резервуары цилиндров в положении "нагнетание" гидравлически сообщены через распределительный клапан с высоконапорным (рабочим) трубопроводом и через него с гидромотором, В положении "сжатие" резервуары через клапан гидравлически сообщены с малонапорным трубопроводом подпитки от гидромотора, Резервуары нагнетателя выполнены в виде ротора, состоящего из двух полых цилиндров, диаметрально прикрепленных к общей ступице и установленных с возможностью принудительного вращения приводом на горизонтальной неподвижной оси. Ось ротора нагнетателя располагают на опорах с полным или частичным притоплением под поверхность воды для обогрева набегающим потоком.

На фиг.1 показана схема размещения криогенного нагнетателя воды в приплотинном участке нижнего бьефа ГЭС; на фиг,2 показана схема работы нагнетателя; на фиг.3 и 4 показаны осевое сечение цилиндров по нормали и по оси вращения и работа распределительных клапанов.

На опорах 1 в приплотинном участке нижнего бьефа (фиг.1,2) устанавливается рассчетное число роторов 2 криогенных нагнетателей, скомпанованных с напорным трубопроводом 3, гидромотором 4, электрогенератором 5, магистралью подпитки (обратным трубопроводом) 6, приводом 7 для вращения ротора 2. Ось 8 ротора 2 (фиг.3) устанавливается на поверхности воды или притапливается под поверхность, Регулирование температуры воды в нижнем бьефе осуществляется следующим образом. Из проектных условий или натурных наблюдений берутся данные о температурном режиме стока, проектных или

55 плановых расходах ГЭС, скоростях течения, температурном режиме воздуха и скоростях ветра. Устанавливают параметры снижения температуры воды. Рассчитывают мощность и режим теплового стока ГЭС в нижний бьеф и режим тепловых напоров в суточном и сезонном интервале. С учетом полученных данных и теплообменных характеристик металлических конструкций. которыми служат. цилиндры криогенного нагнетателя рассчитывают режим их охлаждения на воздухе и нагрева в воде, который определяется скоростью вращения роторов

2 от привода 7, Охлаждение воды осуществляется следующим образом. Цилиндры 9 охлаждаются потоком окружающего воздуха 10 и при вращении ротора 2 приводом 7 погружаются в воду, Поступающая вода 11 из турбин ГЭС омывает холодные цилиндры и охлаждается.

Теплообменное устройство в виде криогенного нагнетателя воды для гидромотороа (фиг.2,3,4) состоит из диаметрально спаренных полых цилиндров 9, прикрепленных к общей ступице 12. Цилиндры 9 имеют сквозные отверстия 13 в ступице 12 оси 8 ротора 2, ведущие к напорному трубопроводу 3 и к магистрали подпитки 6. Диаметр сверления 14 оси 8 равен размеру сквозно о отверстия 13 в нормальной плоскости (фиг,4). Продольные сверления 15 в неподвижной оси 8 располагаются одно под другим в вертикальной плоскости, при этом верхнее сверление сообщает цилиндры 9 в режиме "нагнетание" с рабочим напорным трубопроводом; а нижнее — с магистралью подпитки. Сверления 14 на поверхности оси

8, ступица 12 и сквозные отверстия 13, как показано на фиг.2, 3 и 4,.образуют распределительный клапан 16, обеспечивающий периодическое наполнение и опорожнение цилиндров 9 при принудительной смене режимов охлаждение-нагрев.

Криогенный нагнетатель воды работает следующим образом.

Замеряют скорость и температуру воды в реке, температуру и силу ветра, рассчитывают время нагрева и осты вания цилиндров и скорость вращения ротора. Для пуска нагнетателя его поднимают над водой, заполняют цилиндры и систему водопроводов водой. Охлаждают на воздухе до получения давления в системе до 3 — 6 атм, т.е. до образования переохлажденной воды, Производят спуск 2,5 — 4 объема воды цилиндров из магистрали подпитки и напорного трубопровода, затем устанавливают на опоры и охлаждают до получения рабочего давления, т.е. 60 — 120 атм, включают гидромотор

1761860 и привод ротора, вращают ротор с рассчитаннойй скоростью.

Использование изобретения позволяет поддерживать экологическую систему бьефа, близкую к бытовой (до зарегулирования) и этим ликвидировать экологическую напряженность, сократить число простудных заболеваний, сохранить зимние миграционные пути животных, Ликвидация туманов улучшит дорожно-транспортные условия на побережье. Применение изобретения позволит более полно использовать суммарную энергию потока воды ГЭС, стабилизировать суточные перепады расходов воды и в этой связи исключить зимние подтопления поймы.

Используемые в изобретении материалы металл и вода являются экологически безопасными и исключают загрязнение окружающей среды при авариях. Оребренные цилиндры при вращении ротора вспенивают воду, чем ее аэрируют, при этом улучшаются условия жизни водных организмов.

Сравнение гидродинамического и теплового потенциала Зейской ГЭС на Дальнем Востоке за зимний сезон приведено в таблице.

Из данных таблицы следует, что водный поток из водохранилища ГЭС обладает значительной тепловой энергией и в зимнее время может использоваться для получения энергии предлагаемым устройством — криогенным нагнетателем. Выработка энергии при этом сравнима с мощностью гидроагрегатов ГЭС и в этом заключается экономическая эффективность изобретения, Применять изобретение можно как на строящихся, так и на работающих ГЭС. Наибольшая эффективность выработки энергии с помощью нагнетателя приходится на самые холодные месяцы года, а в суточном режиме — на поздние ночные и утренние часы, т.е, время максимальных нагрузок, Кроме того, применение криогенного нагнетателя даст возможность сбора энергии низких тепловых напоров с больших площадей теплообмена и выработки энергии в агрегатах большой единичной мощности.

Формула изобретения

1. Способ регулирования температуры воды в нижнем бьефе ГЭС, включающий забор воды из водохранилища и теплообмен воды с окружающим воздухом перед ее сбросом в расположенный в нижнем бьефе естественный водоток, отличающийся тем, что, с целью охлаждения сбрасываемой воды до бытовых параметров, существовавших до образования водохранилища, на приплотинном участке нижнего бьефа в сбрасываемый поток периодически погр жают охлажденный окружающим воздухог, теплообменник, 2. Теплообменное устройство для р;: — :,лирования температуры воды в нижнем бьефе ГЭС в виде криогенного нагнетателя, включающего наполненные водой резервуары, гидравлически сообщенные между сбой трубопроводом, состоя цим напорного и подпиточного участков, cc.:.::; ленных клапаном, о т л и ч а ю ще е-..;". ек:, что, с целью повышения эффективности регулирования и выработки электроэнергии, устройство снабжено гидромотором, неподвижной осью вращения с двумя внутренними продольными сверлениями и выточками. ступицей с отверстиями, установленной на оси. приводом и электрогенератором, причем резервуары криогенного нагнетагелг. выполнены B виде ротора, cGñòîÿëeã". и:-. двух полых цилиндров, диаметрально прикрепленных к общей ступице и установлен ных с возможностью принудительного вращения приводом на неподвижной оси, два продольных сверления которой расположены одно под другим в вертикально, плоскости, каждое сверление выходит в выточку наружной поверхности оси, кроме того, при вертикальном расположении полы.-: цилиндров ротора нижний из них затоплен под уровень нижнего бьефа, а его внутренняя полость через отверстие в ступице, нижние выточку и сверление оси и подпиточный участок трубопровода гидравлически сообщена с гидромотором, кинематичеки связàHным с электрогенератором, при этом верхний полый цилиндр незатоплен и через напорный участок трубопровода, верхние сверление и выточку оси также сообщен с гидромотором.

1761860

1761860

Йидроматпру

Orn гидро ащода

Составитель И. Савченко

Техред М.Моргентал Корректор Т. Вашкович

Редактор Н.Соколова

Заказ 3238 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101