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工程2(2016)510研究水电工程-文章空心微型水轮机内山智美a,*,本田聪b,冈山智子c,出川智弘aa名古屋大学可持续性材料与系统研究所,名古屋464-8603,日本b名古屋大学信息科学研究生院,名古屋464-8601,日本c大正大学人类学系,日本东京170-8470ARt i clEINf oA b s tRAC t文章历史记录:2016年5月21日收到2016年6月21日修订2016年9月6日接受2016年12月6日保留字:微型水轮机发电连接点水力潜力本研究是关于利用管道中的污水流,利用微型水轮机发电的可行性首先,污水流量在两个连接点的丰川河流域污水,日本,进行了一年多的探索,以阐明污水的水力能源潜力。其次,通过实验室实验研究了微型水轮机的性能,假设水轮机安装在污水管道的连接点处。这项研究表明,连接点具有水力潜力,可用于全年发电。它还表明,皮水轮机可以有效地用于发电从污水在管道中流动的连接点。© 2016 The Bottoms.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是CCBY-NC-ND下的开放获取文章许可证(http://creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。1. 介绍污水由雨水和人类及生产活动排入下水道的水组成。下水道系统包含来自房屋,办公室和工厂的废水和人类废物。在日本,2011财年(FY)的污水量约为1.45 ×1010m3[1]。因此,污水被认为具有巨大的能源潜力。污泥沼气发电量为3.6 ×109 kW·h·a-1,污水水力发电量日本政府的目标是利用污水作为能源资源。但利用率极低,污泥能源利用率约为13%,污水供热设施14座,小水电13座[2]。污水设施包括排水设施,如污水管道、处理设施如处理厂、以及复杂设施如泵站。上述水力能潜力的估计似乎限于从处理设施排放的处理过的水。在日本,2012财年的污水管道总长度约为4.5 × 105 km[1],相当于地球赤道的11圈。这略长于4 × 105km的灌溉渠道的总长度[3]。因此,据推测,水力能潜力分散在全国各地的污水管道。因此,利用排水设施(污水管道)中流动的污水发电有望实现小型分布式发电,这可能有助于当地生产电力供当地消费。然而,这种污水发电从未进行过,排水设施中的水力能潜力尚未调查。在日本,水电也备受关注,因为它是一种很有前途的可再生能源,基本上不受天气影响。由于输出功率超过100 MW的大型水力发电厂需要巨大的水坝和长管道,因此此类发电厂的位置很少未开发。因此,人们越来越希望实现微型液压动力* 通讯作者。电子邮件地址:uchiyama@is.nagoya-u.ac.jphttp://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.04.0072095-8099/© 2016 THE COVERORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。 这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章(http://creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect工程杂志主页:www.elsevier.com/locate/engT. Uchiyama等人/工程2(2016)510511发电量小于100千瓦。这种发电可以利用小规模水力发电,日本的小河流和灌溉渠中广泛分布着小水电。因此,开发了几种小型水轮机[4这种微型水轮机经常被落叶、树枝、垃圾等异物堵塞,偶尔会失去功能。安装在微型水轮机上游的过滤器可以去除异物。但是,这种设备增加了微型水轮机的运行成本。我们正在开发一种在异物通过方面具有优异性能的微型水轮机[10,11]。流道具有围绕中心轴线的圆形中空部,使得异物可以穿过流道。通过实验室试验和小型河流示范试验,研究了这种微型空心水轮机污水中有来自家庭浴室和厨房的头发和蔬菜废物为了成功地从污水中发电,水轮机不被异物堵塞至关重要。因此,我们正在开发的空心微型水轮机有望有效地用于污水发电应用。这项研究的目的是寻找可能的水力利用管道中流动的污水发电。首先,本研究的重点是位于日本中部地区的爱知县丰川流域污水处理系统[12]它探讨了一年中两个连接点的污水流量,以澄清污水的水力能量其次,本研究调查的效率和杂质通道性能的中空皮水轮机在实验室实验中,假设涡轮机安装在污水管道的连接点。2. 丰川川流域污水系统的水流持续时间和水力潜力2.1. 丰川川流域污水处理丰川河流域污水处理系统处理日本爱知县东部地区四个城市(丰桥、丰川、蒲郡和新四郎)的污水[12]。总排水面积约46km2,人口约20万,处理能力为1.04×105m3·d丰川流域污水处理系统有四条主干线:丰桥、东武、西武和水户。全长约36公里。丰川污水处理厂处理后的污水排入三川湾。 图图1显示了干线、污水处理厂和美川湾之间的位置关系。丰川河流域污水处理系统与四个城市管理的公共污水处理系统相连连接的部分称为连接点。丰川河流域下水道时代有27个连接点。图1使用圆形符号来描述与丰川河流域污水系统的连接点在连接点,污水管为明渠,全年计量污水流量本研究调查了丰桥1号和东武11-2号两个连接点的流量,以探索污水水力发电的可能性图2显示了丰桥1号连接点处的污水管和污水2.2. 连接点在建设水力发电厂时,要在施工现场预先测定日平均水流量Fig. 1. 日本丰川流域污水处理系统的干线和连接点。图二、 污水管与污水的连接点丰桥1。在一年的过程中,准确地估计功率输出。通过将日平均水流量按降序排列,构造了流量历时曲线 图图3显示了2013年度丰桥1号和东武11-2号连接点的流量持续时间曲线。在流量历时曲线中,第95、185、275和355个最大流量分别称为高水流量、普通水流量、低水流量和干旱水流量。在图3中,这样的流速分别由Q1、Q2、Q3和Q4表示,并且它们在表1中列出。丰桥1号和东武11-2号连接点的高低水流量之差(Q1-Q3)与普通水流量Q2之比(Q1这也被Q2处的持续时间曲线的梯度较浅这一事实所证实图4显示了丰桥1号连接点的污水流量,其中显示了一年中每个月的平均流量、最小流量和最大流量。平均值和最小值几乎相同,它们几乎等于普通水流量Q2。然而,除了7月、11月、12月和1月外,每个月的最大年变化也大于平均和最小流量。作为丰川512T. Uchiyama等人/工程2(2016)510图3.第三章。2013财年连接点的流量持续时间。(a)Toyohashi 1;(b)Tobu 11-2。表1丰桥1和东武11-2的污水流量。丰桥1(m3·s东武11-2(m3·s高水流量Q10.1720.145普通排水量Q20.1590.140低水流量Q30.1500.132干水排放量Q40.1350.120图四、丰桥连接点的每月污水流量和降水量1.图五、东武11-2连接点的月污水流量和降水量。流域污水系统是一个独立的下水道系统,只有污水应该在污水管道中流动;然而,所谓的图4的上栏显示丰桥市的月降水量。观测点和连接点丰桥1之间的距离约为降水多的月份,污水流量也大。这种趋势在9月和10月最为明显。最大污水流量远高于平均值,且波动明显的原因是,9月丰桥1号和东武11-2号9月16日,当日降水量为120 mm时,日平均污水流量达到最大值,进一步证实了雨水增加了污水流量。2.3. 连接点以速度u流动的流体的液压势,即,P表示为也流入污水管。图图5显示了Tobu 11-2连接点的污水流量变化,以及P1Qu22其中,ρ是流体密度,Q是流速。(一)丰桥市平均流量和最小流量几乎相同,但最大流量在8月、9月和10月要高得多。这也可能是由于雨水流入污水管造成的。最大月污水流量在9月份达到最大值,如图所示。 4和图 五、图 6示出了污水管在Toyo- hashi 1连接点处的直径为1000 mm。污水并不总是流过管道的整个横截面;而是沿着管道的底部流动,如图2所示。如果假定污水占管道横截面积的10%,则速度u可由流速Q计算。当u在T. Uchiyama等人/工程2(2016)510513在正常排水量Q2为0.15 9m3·s-1的情况下(1)其中ρ用水的密度表示。对连接点Tobu 11-2应用类似的计算,得到222 W的输出P上述液压势P可以通过由水轮机驱动的发电机转换成电力。考虑到发电机和水轮机的效率,电功率估计为0.2P。在丰桥1和东武11-2连接点处的电力是分别为66 W和44 W假设这些值全年保持不变,因为污水流量的变化很小,如图3所示。直径为250 mm左右的换气扇的功耗约为25 W,亮度相当于60 W荧光灯的LED灯泡的功耗约为10 W。因此,由污水产生的电力可用于连接点处的通风和照明。3. 空心皮微型水轮机需要一台水轮机将Toyohashi 1和Tobu 11-2连接点处的水力潜能转换为水力。污水中含有来自家庭浴室和厨房的头发和蔬菜废物,以及人类废物。因此,迫切需要不会被这种异物堵塞的水轮机。微型水轮机可以安装在小河和灌溉渠中发电,但经常会被落叶、树枝和垃圾等异物由于这种堵塞导致涡轮性能的降低,因此期望开发具有优异的异物通过性能我们正在开发一种微型水轮机[10,11],其中转轮在中心轴周围有一个圆形中空部分,以便异物可以通过而不会阻塞水轮机。这种中空的微型水轮机被认为可用于污水发电本研究通过室内实验探讨了该方法的图7示出了中空的微型水力涡轮机的横截面。一个圆形管道(图中用红色阴影线表示)插在两个静止的管道之间,它们的轴线在一条线上。插入的管道由两个轴承支撑;因此,管道图六、丰桥1号和东武11-2号连接点9月的日平均流量和降水量。可以绕中心轴旋转。流道(在图中以蓝色显示)嵌入到插入(旋转)管道中。当水在管道中流动时,转轮和管道绕轴线整体旋转。固定管和旋转管的内径为80 mm,旋转管的轴向长度为195mm。导向叶片(绿色显示)安装在固定管道的末端,正好位于旋转管道的上游图8示出了流道的示例。它具有四个叶片,并且围绕旋转(中心)轴线提供圆形中空部,使得包含在水中的异物可以通过转轮 。 中 空 直 径 D2 与 80 mm 的 管 道 直 径 D1 之 比 定 义 为 中 空 比ε=D2/D1。图10所示流道的ε值。 8是0.375。转轮由平板叶栅组成。图9显示了2D开发视图,表2列出了刀片的规格。宽度B为23 mm,厚度t为5 mm,入口角α1和出口角α2分别为70°。本研究进行开拓性的实验,以探索一个皮水轮机的异物通道性能由于本研究中的转轮是初步设计的,因此可以修改规格以改善性能。图 10示出了导向叶片的示例图。一个空洞也是见图7。空心微型水轮机的横截面。见图8。转轮,ε= 0.375。见图9。转轮叶片二维展开图。514T. Uchiyama等人/工程2(2016)510围绕中心轴线设置直径与转轮相同图11示出了中空皮微型水力涡轮机的3D切割模型。流道与外管一起绕轴旋转。旋转运动被传递到发电机或扭矩传感器。通过皮带计量。涡轮机输出时,用涡轮机驱动的扭矩计测量扭矩。涡轮机的转速也由扭矩计测量,并由连接到扭矩计的粉末制动器控制。微微水轮机的效率η定义为:T/[Q(P P)]十二 (二)4. 空心微型水轮机4.1. 实验方法和条件为了研究微型水轮机的性能,使用图12所示的闭环试验台进行了实验室实验。水箱中的水通过泵循环,循环的水驱动微型水轮机。皮液压涡轮上游和下游的管道由透明丙烯酸树脂制成,以便可以观察到回路中夹带的异物的行为。在两个点测量压力,即微型水轮机上游320 mm和下游183水流量由安装在微型水轮机上游为了探测转向-表2刀片规格。值刀片宽度B23 mm叶片厚度t5 mm入口角α170°出口角α270°刀片数量4见图10。导叶,ε=0.25。见图11。空心微型水轮机的3D切割模型。其中,T是扭矩;ω是角速度;Q是流速;P1和P2分别是涡轮上游和下游的压力图13显示了本研究中使用的转轮。在先前的实验中使用了转轮1 [10,11]。转轮2是一个改进的转轮;叶片前缘是圆形的,因此不会钩住异物,半径为15 mm。图14示出了在该实验中使用的导向叶片。在先前的实验中采用了具有八个叶片的导叶1[10,11]。导叶2有八个锥角为30°的锥形叶片导向叶片3具有与导向叶片1相同的叶片,但叶片数量减少为四个。本研究调查了四种转轮和导叶组合的涡轮机性能,如表3所示。水流量Q为0.01m3·s为了研究在实验室条件下安装在污水管道中的微型水轮机的性能,污水中含有的异物应更换为实验室中易于处理的材料1 m3生活污水中的固体物质质量估计为0.2 97%的人类排泄物被认为是水分;因此,污水被认为几乎都是水。由于房屋排出的污水中含有的头发和纤维废物不易分解,它们沿着污水管道流动有图12个。用于实验室实验的闭环试验台。图13岁(a)亚军1;(b)亚军2。(D1= 80 mm,ε=0.25)T. Uchiyama等人/工程2(2016)510515图十四岁(a)导向叶片1;(b)导向叶片2;(c)导向叶片3。 (D1= 80 mm,ε =0.25)表3流道和导叶的组合。案例1案例2案例3案例4图十五岁聚酯纤维。浇道1导叶1浇道1导叶2浇道1导向叶片3Runner 2导向叶片3人们担心,微型水轮机很容易被头发和废物堵塞因此,本实验室采用聚酯纤维模拟污水管道中的异物.纤维如图所示。 十五岁每个球形纤维的直径和质量分别为约20 mm和0.2 g将纤维从位于微型水轮机上游的水箱的出口管释放到水中。释放之间的时间间隔为3min。4.2. 无光纤条件下的微微水轮机效率首先,在不将聚酯纤维释放到水中的情况下,研究了皮水力涡轮机的效率η。我们在以前的研究中研究了情况1的η[10,11]。 图图16示出了中空率ε对情况1的η与转速N之间的关系的影响。每种中空比的实验数据由三个测量值组成当转轮无空心(ε= 0)时,η的最大值ηmax为0.186,ηmax处的N值为Nmax= 496 r·min对于ε= 0.25的转轮,ηmax和Nmax略有降低,但降低不显著。当空心率ε进一步增大到0.375和0.5时,ηmax大大减小,Nmax也显著减小。这是因为叶片的面积减小了;因此,水的能量不能完全传递到微型水轮机。基于上述结果,对于情况2、3和4,探索了具有ε= 0.25的转轮的微微水轮机的性能图图17比较了情况1、2、3和4的微微水轮机效率,其中中空比ε为0.25,聚酯纤维未释放到水中。情况1的η值图16. 无纤维条件下涡轮效率对空心比的依赖性。图17. ε= 0.25时无纤维条件下的涡轮效率最高的对于情况2,采用带有锥形叶片的导叶(导叶2)降低了η。这是因为叶片的面积小于用于情况1的导叶的面积,因此水没有完全变直。情况3的η值低于情况2的η虽然情况3中的转轮与情况1和2中的转轮相同,但是导向叶片(导向叶片3)仅具有四个叶片。因此,水流上游的516T. Uchiyama等人/工程2(2016)510转轮没有完全拉直。情况4的η值最低,虽然导叶与情况3相同,但转轮(转轮2)的叶片前缘为圆角,r= 15 mm,且叶片小于转轮1。叶片面积的这种减小也使涡轮机性能恶化。4.3. 由于夹带纤维而导致图18示出了皮水力涡轮机效率η与释放到水中的纤维质量mf之间的关系。纤维以旋转速度Nmax释放,其中η在无纤维条件下达到最大值ηmax因此,mf= 0 g时的η对应于ηmax。释放的纤维导致η降低。采用锥形导叶的情况2的η值高于情况1(mf> 1.5 g)的η值。这是因为如后所述比较方案3和方案4的效率,当mf> 1.8g时,采用圆叶片转轮的方案4的效率比方案3的高如稍后所讨论的,纤维与流道的附着也被抑制图19比较了情况1、2和3的效率,其中η由ηmax归一化。情况1的比率η/ηmax与情况3的比率η/ηmax几乎相同,但情况2的比率η/ηmax较高。用于情况2的导向叶片(导向叶片2)被认为具有优异的纤维通过性能。图18. 由于夹带纤维导致涡轮机效率变化。图十九岁 案例1、2和3中由于夹带纤维导致的涡轮机标准化效率变化。图图20示出了在情况1、2和3的实验之后的导叶的照片。对于情况1,纤维附接到相比之下,对于情况2几乎没有观察到纤维。对于情况1、2和3,附着于导向叶片的纤维的质量分别为0.312 g、0.027 g和0.170 g。锥形导向叶片(导向叶片2)在抑制纤维附着方面具有优越性。图图21比较了情况3和情况4的效率;两种情况下都采用了导叶3。实例4的η/ηmax的减小量图22显示了情况3和4的实验后跑步者的照片。在情况3中,纤维附接到叶片的前缘。这是因为领先优势一个尖锐的末端,因此钩住了纤维对于情况4,不存在纤维。附着在转轮上的大量纤维图20. 案例1、2和3的导叶照片。图21. 案例3和案例4中由于夹带纤维导致的涡轮机标准化效率变化。图22. 案例3和案例4的跑步者照片。T. Uchiyama等人/工程2(2016)510517图23. 在连接点的污水管道中安装微型水轮机。例3和例4分别为0.06 g和0 g。发现采用圆形叶片(转轮2)对改善纤维的通过性能非常有用。微型水轮机可以安装在污水管道的连接点,如图所示。 23岁它被设计成由起重机悬挂,因为这对于方便其维护很重要。5. 结论为了研究管道中污水的微水力发电可能性,对丰川河流域污水收集系统两个连接点的水流持续时间进行了研究,并对污水的水力潜力进行了估算。分析表明,丰桥1号和东武11-2号连接点具有水力潜力,可用于全年发电。通过实验室试验,研究了空心微型水轮机的效率和杂质通过性能,假设微型水轮机安装在污水管道的连接点上。研究表明,采用圆形叶片的转轮和锥形叶片的导叶,可以抑制纤维附着在微型水轮机上,从而提高水轮机效率。因此,人们发现,空心微型水轮机可以用于从管道中流动的污水发电。遵守道德操守准则内山智美,本田聪,冈山智子,出川茂宏声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。引用[1] 日本污水处理协会。日本的污水处理厂。东京:日本污水处理厂协会; 2015。日本人[2] 资源/能源回收系统化[因特网]。东京:国土交通省; c2008-16 [引自2016年4月25日]。可从以下网址获得:http://www.mlit.go.jp/crd/sewerage/policy/09.html[3] 佐 藤 在 日 本 的 灌 溉 管 理 [ 互 联 网 ] 。 [2016 年 4 月 25 日 ] 。 可 查 阅 :http://www.maff.go.jp/e/nousin/kaigai/inwepf/i_document/pdf/sympo_japan.pdf。[4] 亚历山大KV,吉登斯EP,富勒AM。低水头微型水力系统用轴流式水轮机Renew Energ 2009;34(1):35-47.[5] Ikeda T,Iio S,Tatsuno K.利用 瀑布的纳 米水轮 机的性能 。Renew Energ2010;35(1):293[6] 作者:J.叶片高度和叶片数对低水头轴流式水轮机性能影响的试验研究。RenewEnerg 2011;36(1):272[7] 放大图片作者:Stark BH,Andrea E.小型虹吸式水力发电系统之模拟与性能。Renew Energ 2011;36(9):2451[8] Nishi Y,Inagaki T,Li Y,Omiya R,Fukutomi J.下冲贯流式水轮机的研究JTherm Sci 2014;23(3):239[9] Katayama Y,Iio S,Veerapun S,Uchiyama T.开式贯流转轮叶片角之研究。Int J Turbo Jet Eng 2015;32(1):65[10] 张文忠,张文忠.螺旋桨式无堵塞微型水轮机的研制In:Proceedings of theInternational Conference on Power Engineering:ICOPE 2015; 2015 Nov 30[11] Honda S,Uchiyama T,Ide Y,Okayama T.具有优良异物通过性能的螺旋桨式 微 型 水 轮 机 的 研 究 [CD-ROM] 。 In : Proceedings of the InternationalSymposium on EcoTopia Science 2015; 2015年11月27日[12] [Internet].名古屋:爱知县政府;[更新于2011年10月13日;引用于2016年4月25日]。可从以下网址获得:http://www.pref.aichi jp/0000020165.html。日本人
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