莊　浩，謝希銳，許少鋒，陳偉江，賴學(xué)江，李　銳

( 廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院，湛江 524094 )

家用管道余壓回收發(fā)電裝置設(shè)計

莊浩，謝希銳，許少鋒，陳偉江，賴學(xué)江，李銳

( 廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院，湛江 524094 )

[摘要]本文介紹一種家用管道余壓能回收發(fā)電裝置的設(shè)計方案，并進行了實驗室運行模擬實驗。本裝置利用供水管道的富余壓能，驅(qū)動與軸流式葉輪同軸的發(fā)電裝置轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子上均布的磁片做切割定子中嵌有的陣列線圈運動，實現(xiàn)了電能輸出及管網(wǎng)的余壓能收集。本裝置結(jié)構(gòu)簡單，運動部件封裝于管路中，磁場的變化通過裝置外殼被定子的陣列線圈感應(yīng)，解決水利發(fā)電裝置的軸密封問題，從而實現(xiàn)余壓能的高效收集。

[關(guān)鍵詞]余壓能；陣列線圈；發(fā)電

作者簡介：莊浩(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用。

通訊作者：賴學(xué)江。教授。Email：82289412@qq.com

文章編號：ISSN1005-9180(2015)04-082-05

中圖分類號：TE43文獻標(biāo)示碼：A

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.04.015

Abstract：Design of the domestic water pipe remaining pressure recovery generation unit is introduced，and simulation experiments in the laboratory is made.The unit utilizes remaining pressure of water supply pipe，and drives the generator rotor turning which has the same shaft with axial-flow impeller.The magnetic pieces on the rotor moves roundly the uniform array coils that are embedded in the stator.The power output is realized and water pipe network remaining pressure is collected.This unit is simple in structure，moving parts packaged in pipeline，Changes in magnetic field is inducted by using the array coils in the shell of stator，the hydropower unit shaft seal problem is solved，remaining pressure energy is efficiently collected.

Design of The Domestic Water Pipe Remaining

Pressure Recovery Generation Unit

ZHUANG Hao，XIE Xirui，XU Shaofeng，CHEN Weijiang，LAI Xuejiang，LI Rui

( Engineering College,Guangdong Ocean University,Zhanjiang, 524094 China )

Key words:Remaining pressure recovery energy;Array coils;Generation

1引言

一般在供水的過程中，需要多次加壓和減壓，才能完成供水任務(wù)，這為減壓段利用管道余壓能回收發(fā)電裝置代替其他減壓裝置帶來契機。目前，已設(shè)計研發(fā)的同類裝置較少，且存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護困難的問題；某些裝置所設(shè)置的轉(zhuǎn)動軸密封結(jié)構(gòu)造成部件運動阻力增大，一方面降低了能量的轉(zhuǎn)換效率，另一方面裝置耗能過多而影響到用戶的正常用水[1]。本文所設(shè)計家用管道余壓能回收發(fā)電裝置，結(jié)構(gòu)簡單，易于拆卸，便于維護，無需軸封，不影響用戶正常用水，且成本低，具有一定的實用推廣價值。

2裝置介紹

2.1工作原理概述

如圖1所示，本設(shè)計家用管道余壓能回收發(fā)電裝置的主體置于管段2，利用葉輪前后的壓差，驅(qū)動放置在管段2的葉輪轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子部件完全封裝在管路內(nèi)部，采用外置均布磁片，葉輪軸帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。上端蓋中布置陣列鐵芯線圈組成定子，透過聚四氟乙烯密封部件感應(yīng)轉(zhuǎn)子的磁場變化，實現(xiàn)電能輸出。

圖3　電能輸出裝置電路圖

圖1　管道余壓能回收裝置剖視圖

2.2電路設(shè)計

圖2為電能輸出裝置方框圖、圖3為電能輸出裝置電路圖，本設(shè)計中電能輸出裝置中發(fā)電機產(chǎn)生的交變電流先經(jīng)過整流器進行整流，然后經(jīng)過升壓器升壓。當(dāng)蓄電池未充滿電時，升壓后輸出的直流電全部經(jīng)過控制器進入蓄電池充電；當(dāng)蓄電池充滿電時，穩(wěn)壓后輸出的直流電經(jīng)控制器監(jiān)控和保護處理，不再對蓄電池充電，避免過充和過放對蓄電池的損害。電路將穩(wěn)壓后輸出的直流電供給負載。當(dāng)發(fā)電機不工作或處于低轉(zhuǎn)速時，蓄電池儲存的電也可通過控制器接通負載工作。

圖2電能輸出裝置方框圖

2.3系統(tǒng)特點

本裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于拆裝維護。定子內(nèi)置于上端蓋，轉(zhuǎn)子內(nèi)置于管路，該結(jié)構(gòu)巧妙地避免使用軸密封部件，減少阻力損失，不影響用戶正常用水，實現(xiàn)余壓能的高效收集，效率高。

2.4建筑不同樓層總水壓調(diào)查

本校供水管網(wǎng)布置形式為上行下給式，我們針對本校東區(qū)16棟學(xué)生宿舍樓進行水壓調(diào)查。

具體位置：浴室自來水管

具體操作：關(guān)閉水管總閘，卸下浴室水龍頭，將水壓測試設(shè)備的一端接入水管，打開水管總閘，記錄水壓表的示數(shù)(靜水壓)。然后逐層重復(fù)此操作進行測試、記錄，測試結(jié)果如表1所示。

根據(jù)以上調(diào)查數(shù)據(jù)，得出學(xué)生宿舍各樓層的管路富余壓力分布情況如圖4所示：

表1學(xué)生宿舍各樓層水壓情況(樓頂設(shè)水箱供水)

樓層1樓2樓3樓4樓5樓6樓7樓壓力(MPa)0.250.220.180.150.120.080.05水頭(m)25.5122.4518.3715.3112.248.165.15

圖4　管路富余壓力分布圖

根據(jù)水力計算分析，普通家庭正常用水的最大壓頭要求是11.03m(即0.108MPa)由表1和圖4得知，1至5樓總壓頭均超過11.03m，即5樓以下的樓層具有比較充足的管路余壓，樓層越低，可收集的余壓越大。為實現(xiàn)裝置最大適用性，現(xiàn)取五樓的工況(總水頭為12m)作系統(tǒng)設(shè)計計算(在無電梯的住宅中，最高層數(shù)通常為9層，具有管路富余能量的樓層將會進一步增加，7層或以下的樓層均可以布置本裝置)。

圖5　實驗室模擬系統(tǒng)運行圖

2.5系統(tǒng)運行模擬實驗

系統(tǒng)模擬運行圖如圖5所示，將六個線圈以繞向交替變化布置，進行系統(tǒng)運行電壓測試實驗，實驗測得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2實驗數(shù)據(jù)表

流量(m3/h)0.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.2電壓(V)0.280.40.540.70.881.021.181.381.51.661.71.872.082.28功率(W)0.5521.1272.0543.4515.4547.3279.80613.41115.84519.40620.35224.62630.46836.608

表3葉輪設(shè)計參數(shù)

進口安裝角β1(°)45出口安裝角β2(°)35葉輪外徑D(m)0.018

圖6　發(fā)電機輸出電壓與流量的關(guān)系圖

圖7　葉輪示意圖

3理論設(shè)計計算[3-5]

3.1葉輪設(shè)計計算

(1)

葉輪的實際轉(zhuǎn)速:

(2)

式中：nS—葉輪實際轉(zhuǎn)速(r/min)；η—葉輪效率；ν—總管流速(m/s)；D—葉輪外徑(m);β1—進口安裝角(°)。

3.2發(fā)電轉(zhuǎn)子的設(shè)計計算

表4轉(zhuǎn)子設(shè)計參數(shù)

磁鐵半徑R1(mm)3線圈半徑R2(mm)3磁鐵布圓半徑R3(mm)12.5轉(zhuǎn)盤半徑R4(mm)20均布磁鐵數(shù)n(個)6線圈圈數(shù)N50磁鐵磁場強度B(T)1.2管內(nèi)徑(mm)20

發(fā)電機轉(zhuǎn)子參數(shù)見表4，圖8為轉(zhuǎn)子示意圖,圖9為線圈相對運動示意圖

圖8　轉(zhuǎn)子示意圖

圖9　線圈相對運動示意圖

(3)

式中：E— 感應(yīng)電動勢(V)； n— 線圈匝數(shù)；dФ/dt— 磁通量變化率；

以磁鐵為參考系，發(fā)電時，線圈相對磁鐵轉(zhuǎn)動，可視為在恒定磁場下線圈作切割磁感線運動。

(4)

線圈與磁場重合面積：

(5)

式中：S陰影——線圈與磁場邊界交點所連成的直線與處在磁場中的線圈部分所圍成的面積(m2)；Ss—∠α所對應(yīng)的扇形面積(m2)；St—∠α所對應(yīng)的三角形面積(m2)；r—線圈半徑(m)；l—線圈圓心到線圈與磁場邊界交點所連成的直線的距離(m)；b—線圈與磁場邊界交點所連成的直線的一半。

(6)

式中：R—轉(zhuǎn)盤中心到磁場中心的距離(m)；θ—磁場中心到轉(zhuǎn)盤中心連線與線圈中心到轉(zhuǎn)盤中心連線的夾角(rad)；ω—轉(zhuǎn)盤的角速度(rad/s)。

聯(lián)立式(5)(6)，得：

(7)

重合面積變化率：

(8)

聯(lián)立式(3)(4)(8)，得：感應(yīng)電動勢：

(9)

一個周期內(nèi)單個線圈感應(yīng)電動勢的積分平均值：

(10)

式中：

e—單個線圈瞬時輸出電壓，V;

S—線圈截面積，m2。

裝置中六個線圈串聯(lián)連接，輸出總電壓：

U=6E=72NBSns

(11)

根據(jù)表2可知，裝置的算術(shù)平均輸入功率：

(12)

一般水能發(fā)電機的發(fā)電效率能達到60%以上，取60%為裝置的發(fā)電效率，則裝置的平均輸出功率：

(13)

4創(chuàng)新點及應(yīng)用

4.1創(chuàng)新點

(1)本裝置采用軸流式葉輪，能高效回收樓房低層住戶的用水余壓能；

(2)本裝置轉(zhuǎn)子采用圓形陣列磁鐵，且磁鐵的N-S級交替緊湊布置，增大了磁場變化率；

(3)本裝置線圈圍繞順磁性硅鋼制成，使線圈接受的磁感線更集中；

(4)本裝置轉(zhuǎn)子部件完全封裝在管路內(nèi)部，解決了裝置的密封問題，減小了摩擦阻力損失，可適用于高壓流體管路中的余壓能量回收；

(5)本裝置結(jié)構(gòu)緊湊，適用性廣，可廣泛應(yīng)用于用水和排水管路中，且由于密封問題的解決，裝置可放于總管和高壓管路。

4.2應(yīng)用及推廣價值

(1)系統(tǒng)發(fā)電功率約為8.14W，年發(fā)電量可達14.85度。其單日所儲存電能可以供一枚3W的LED燈工作約10小時以上，完全能替代普通電燈日常使用。另外，本說明書以余能富余較小的5層樓為計算標(biāo)準(zhǔn)，總水頭為12m，若應(yīng)用于5層樓以下的低層用戶，發(fā)電量會明顯增大。

(2)結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，發(fā)電量大，推廣價值高。

(3)本裝置的應(yīng)用場合比較廣泛。本文的設(shè)計應(yīng)用場合雖然是住宅用戶的總管，但可以根據(jù)不同的場合按比例放大裝置的尺寸，再適當(dāng)添加若干適應(yīng)部件，應(yīng)用于水流速度大且持續(xù)流動的管路。如：在建筑的排水管道中利用，收集的能量更加可觀；對于遠距離輸送管道，本裝置所轉(zhuǎn)換電能還可以為管道的各種測量儀表供電，解決遠距離供電能耗大，維護成本高的問題。

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