Valutazione della perdita di energia di sistemi di pompe a flusso assiale in operazioni di generazione di energia inversa basate sulla teoria della produzione di entropia

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8667 (2022) Citare questo articolo

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L’utilizzo delle apparecchiature esistenti delle grandi stazioni di pompaggio per la generazione di energia inversa dell’acqua residua a monte è un progetto di energia rinnovabile non realizzato ma prezioso. Attualmente, alcune grandi stazioni di pompaggio a flusso assiale hanno iniziato a eseguire operazioni di generazione di energia inversa; tuttavia, la ricerca correlata non è ancora iniziata. In questo articolo, la teoria della generazione di entropia viene applicata a un sistema di stazioni di pompaggio a flusso assiale su larga scala nelle operazioni di generazione di energia inversa e il metodo di generazione di entropia viene utilizzato per studiare la dimensione accurata e la distribuzione della dissipazione di energia meccanica di ciascun componente sottoposto a flussi diversi. condizioni. Innanzitutto, le caratteristiche energetiche e le fluttuazioni di pressione nella pompa del grande sistema di stazioni di pompaggio a flusso assiale vengono testate sperimentalmente in condizioni di generazione di energia inversa. L'affidabilità del calcolo numerico della generazione dell'entropia è verificata sia sperimentalmente che teoricamente. Quindi, la proporzione di ciascun componente nella produzione totale di entropia viene confrontata per illustrare come ciascun componente contribuisce alla produzione totale di entropia del sistema e come questo contributo cambia al variare delle condizioni operative. Quindi, il tipo di produzione di entropia di ciascun componente viene determinato accuratamente in diverse condizioni di flusso, rivelando i cambiamenti nelle proporzioni dei diversi tipi di produzione di entropia di ciascun componente. Infine, vengono selezionati i componenti con grandi dissipazioni di energia meccanica e i cambiamenti e le cause della distribuzione della dissipazione di energia dei componenti vengono analizzati approfonditamente in diverse condizioni di flusso. I risultati della ricerca possono aiutare a comprendere meglio il meccanismo di dissipazione dell'energia dei grandi sistemi di pompe a flusso assiale nelle operazioni di generazione di energia inversa.

Negli ultimi anni, l’inversione della pompa è diventata un metodo sempre più popolare per sostituire il funzionamento delle turbine in ingegneria1,2,3,4,5,6, e molte micro e piccole centrali idroelettriche in aree remote hanno iniziato a utilizzare l’inversione della pompa a flusso assiale per sostituire operazioni sulle turbine7,8,9,10,11. Alcuni amministratori di sistemi di stazioni di pompaggio a flusso assiale su larga scala in Cina hanno scoperto che la generazione di energia inversa utilizzando l’acqua di afflusso a monte può generare una grande quantità di energia pulita fornendo allo stesso tempo notevoli vantaggi economici. Pertanto, alcuni tentativi di generazione di energia inversa utilizzando stazioni di pompaggio a flusso assiale sono stati utilizzati nelle operazioni reali.

L’attuale funzionamento di varie grandi stazioni di pompaggio a flusso assiale per la generazione di energia inversa12 ha dimostrato che è tecnicamente fattibile utilizzare il funzionamento inverso di un grande sistema di pompaggio a flusso assiale per generare energia. Tuttavia, per un uso diffuso di stazioni di pompaggio a flusso assiale per la generazione di energia inversa, è necessario prima studiare il tasso di utilizzo dell’energia idrica a basso salto e i vantaggi energetici offerti dalla generazione di energia inversa di grandi sistemi di pompaggio a flusso assiale. Ciò richiede uno studio approfondito delle perdite di carico e dei meccanismi di dissipazione dell'energia dei grandi sistemi di pompe a flusso assiale nelle operazioni di generazione di energia inversa.

Ricercatori in Cina e all'estero hanno studiato le caratteristiche di generazione di energia inversa delle pompe a flusso assiale, concentrandosi principalmente sull'ottimizzazione della girante di piccole pompe a flusso assiale per migliorare le prestazioni idrauliche delle pompe a flusso assiale che funzionano come turbine nella centrale idroelettrica di Pico13,14. Ad oggi, manca ancora la ricerca sulle caratteristiche energetiche e sui meccanismi di dissipazione dell’energia dei grandi sistemi di pompe a flusso assiale nelle operazioni di generazione di energia inversa.

Il metodo della caduta di pressione è stato il metodo più utilizzato negli ultimi decenni per studiare la perdita idraulica e la dissipazione di energia nelle macchine idrauliche. Tuttavia, il metodo della caduta di pressione non può determinare la posizione specifica della dissipazione di energia o quantificare la dissipazione di energia. Negli ultimi anni, alcuni studiosi hanno proposto di introdurre la teoria della produzione di entropia nelle macchine a fluido rotante per valutare i meccanismi di dissipazione dell'energia nelle macchine a fluido15,16,17,18,19,20,21. Gong et al.19 hanno utilizzato per primi la teoria della produzione di entropia per valutare la perdita di flusso interno delle turbine Francis e hanno determinato la posizione specifica e l'intensità della perdita di flusso interno nelle turbine. Chang et al.20 hanno applicato la teoria della produzione di entropia per studiare la perdita di flusso interno e i meccanismi di dissipazione dell'energia di una pompa autoadescante e hanno ottimizzato il profilo della pala della pompa autoadescante sulla base dei risultati dell'analisi della produzione di entropia. Pei et al.22 hanno progettato sei gruppi con diverse distanze tra la girante e la pala guida in una pompa a flusso assiale a bassa prevalenza. La teoria della produzione di entropia è stata utilizzata per studiare la dissipazione di energia nella pompa a flusso assiale secondo diversi schemi. Si è riscontrato che la dissipazione turbolenta dominava il consumo di energia meccanica della pompa a flusso assiale. Mohammad et al.23 hanno analizzato il meccanismo di dissipazione dell'energia di una piccola pompa centrifuga alimentata da una turbina inversa in diverse condizioni di flusso utilizzando la teoria della produzione di entropia. Si è scoperto che il vortice all'ingresso della girante e la separazione del flusso all'uscita della girante sono le principali cause di generazione di entropia nella piccola pompa centrifuga azionata dalla turbina inversa. La perdita di produzione di entropia del tubo di pescaggio era più evidente nella perdita di produzione di entropia dei componenti PAT.