Разработка устройства для замораживания полыньи Енисея

Размещено на http://www.allbest.ru/

Управление образованием администрации г. Красноярска

Разработка устройства для замораживания полыньи Енисея

Разработали: Сергиенко Роман Борисович,

Сергиенко Антон Борисович

ученики 10 кл. Красноярской Городской

Аэрокосмической школы

Научный руководитель: Дмитриев Сергей Анатольевич,

преподаватель ТРИЗ Красноярской Городской

Аэрокосмической школы

Красноярск

2003

Содержание

Введение

1. Описание проблемной ситуации

2. Концепции

2.1 Использование процесса парообразования для охлаждения воды

2.2 Использование кинетической энергии потока воды для создания разрежения в холодильной камере

Введение

Аннотация

В городе Красноярске существует экологическая проблема, связанная с незамерзанием Енисея. Проблема связана с ошибками, допущенными при сооружении плотины Красноярской ГЭС. В результате этих ошибок на участке Енисея, расположенного в пределах Красноярска, в зимнее время образуется полынья. Данная ситуация приводит к повышению влажности воздуха в городе, а это негативно сказывается на здоровье горожан. В 1998г. учениками Аэрокосмической школы города Красноярск был предложен и запатентован способ решения данной проблемы, однако в нём не были проработаны технические устройства, был предложен лишь общий принцип действия установки. В данной работе предложена техническая схема по реализации вышеназванного способа. В результате анализа научно-технической информации и различных технических данных, связанных с данной проблемой, разработано оптимальное техническое решение, позволяющее использовать в устройстве дешёвые и бесплатные ресурсы, а также обеспечить необходимую производительность установки.

Главная проблема по реализации проекта заключалась в значительных энергетических затратах (предлагалось целиком использовать один из двенадцати энергоблоков Красноярской ГЭС - одной из мощнейших в мире). В данной работе эта проблема решена с использованием некоторых физических эффектов, позволяющих значительно сократить затраты. Расчёты показали, что предложенные технические решения являются вполне работоспособными.

1. Описание проблемной ситуации

Красноярская ГЭС является первым гидроузлом Енисейского каскада. Установленная мощность - 6000 МВт. В машинном зале Красноярской ГЭС установлено 12 гидроагрегатов по 500 МВт с радиально-осевыми турбинами. В состав гидроузла входит бетонная плотина, длиной 1060 метров и высотой 124 метра. Плотина Красноярской ГЭС образует огромное водохранилище длиной 380 километров и площадью 2000 километров квадратных с объемом 73 километра кубических. Красноярская ГЭС - одна из самых экономичных электростанций страны. Прогрессивные проектные решения в сочетании с благоприятными топографическими и геологическими условиями позволили значительно сократить удельный объем бетонных работ на киловатт установленной мощности (0.8 метров кубических на 1 киловатт в час).

Особенность конструкции Красноярской ГЭС - глубинный водозабор, решил проблему обледенения водослива в условиях холодной зимы. Но создала новые проблемы.

В связи с тем, что в 1967 году запустили первые два генератора по 500 МВт на Красноярской ГЭС, значительно ухудшилась экологическая обстановка в Дивногорске, Красноярске и его пригородах. Обусловлена эта экологическая проблема, отсутствием ледяного покрова на поверхности Енисея, протяженностью до 250 км., что приводит к интенсивному испарению, а испарение в свою очередь - предпосылка влажности содержащейся в воздухе. Влажность - это повышенное содержание молекул воды в воздухе. Влажный воздух вредит здоровью:

В 1998 году учениками Красноярской Городской Аэрокосмической школы было найдено решение данной проблемы (Патент №2151975). Суть их решения заключается в следующем: из Енисея осуществляется забор незначительной части воды. Производится её глубокое переохлаждение, Для того чтобы заморозить 1 кг воды с температурой +4оС нужно:

охладить ее до точки кристаллизации - 0оС, забрав энергию, равную 16 кДж;

отнять 332 кДж для кристаллизации воды, при этом температура остается постоянной и равной нулю.

Затем вода смешивается с предварительно охлажденным воздухом, и полученная смесь распыляется в толще Енисея. На поверхности Енисея образуется ледяная шуга, которая промораживается на холодном воздухе. В итоге образуется ледяное покрытие, толщиной более 5 мм.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1 Принципиальная схема работы устройства для замораживания Енисея

Данный проект является, в принципе, реализуемым и работоспособным, он был одобрен и запатентован. Однако в нём не рассмотрено техническое устройство для реализации способа. В частности, необходимо разработать холодильноё устройство, которое будет использоваться для охлаждения воды.

2. Концепции

2.1 Использование процесса парообразования для охлаждения воды

Аннотация

Для охлаждения воды в установке для замораживания Енисея предлагается использовать процесс парообразования воды

Существующее положение

В настоящее время наиболее распространены компрессионные холодильники, действие которых основано на взаимодействии охлаждаемого тела с хладагентом посредством теплопередачи.

Использование в установке для замораживания Енисея таких холодильных устройств нецелесообразно. Во-первых, из-за низкого КПД такие холодильники потребляли бы 75 % мощности одного из 12 агрегатов Красноярской ГЭС (суммарная мощность ГЭС - 6000 МВт, одного агрегата - 500 МВт). Патент 2151975. Способ производства льда на поверхности реки. Во-вторых, в компрессионных холодильниках используются такие небезопасные в экологическом отношении вещества, как фреоны или аммиак.

Описание сущности концепции

Наиболее выгодно в экономическом и экологическом отношении использовать для охлаждения саму воду. И этого можно достичь с помощью процесса парообразования воды. Известно, что при парообразовании вода охлаждается - данный процесс является эндотермическим (т.е. сопровождается поглощением энергии). Таким образом, если испарить часть воды, то оставшаяся часть воды будет охлаждена.

Чтобы вода охлаждалась наиболее интенсивно, необходимо чтобы и парообразование происходило быстро. А наиболее эффективная форма этого процесса - кипение. Вода в Енисее зимой имеет температуру 3-4 градусов Цельсия, следовательно, температура кипения воды должна находиться на этом же уровне. Этого можно достичь созданием разрежения в испарительных камерах, куда поступает вода для охлаждения, - при понижении давления точка кипения воды тоже понижается. Можно достичь такого разрежения, чтобы вода кипела при необходимой нам температуре: 0 градусов. Согласно, Справочник по физике. М.: «Наука» 1990г.,давление должно составить 0,0062 атмосферы.

Таким образом, охлаждение воды будет происходить следующим образом. Вода поступает в специальные камеры, в которых создано значительное разрежение, она начинает кипеть (или, по крайней мере, интенсивно испаряться), часть её превращается в пар, происходит охлаждение. экологический енисей разрежение испарительный

Специальные насосы будут захватывать пар (и вместе с ним часть энергии воды). Затем охлаждённая вода будет поступать для дальнейшего смешения с воздухом.

Согласно проекту, необходимо отнять у 1 кг воды энергию, равную:

Qобщ = (c (t2 - t1) + л) = (4200 * 4 + 3,4*105) =356800 Дж (

см. описание проблемной ситуации). Удельная теплота парообразования воды при 00С равна 2257 *103 Дж. Значит, тепло, забираемое при парообразовании 1 кг, больше теплоты, которую надо забрать у 1кг воды примерно в 6.3 раз.

Следовательно, чтобы получить 1 кг переохлаждённой воды необходимо в камеру запустить 1,19 кг воды, и превратить в пар 0,19 кг этой воды (то есть 16%).

Исходя из физических параметров Енисея, была рассчитана производительность установки по нанесению ледяного покрытия на поверхность Енисея:

Длина незамерзающей части Енисея - 250*103 м

Расчетная ширина Енисея -1000 м.

Расчетный слой льда - 5*10-3м,

Проектируемая продолжительность замораживания полыньи - 15 дней. (15*24*3600 = 1,296*106 с.)

Производительность установки по льду (воде):

Q=250*103*1000*5*10-3/1,296*106=0.96 м3/с (приблизительно 1м3/с) .

Следовательно, в секунду в пар должно превращаться 190 кг воды. Объем камеры составит около 200 кубических метров.

Обоснование концепции

Использование парообразования воды для охлаждения воды подтверждается законами термодинамики: парообразование всегда сопровождается поглощением энергии, а в данной системе существует только внутренняя энергия самой воды.

Поэтому вода должна охлаждаться. Создание разрежения для повышения эффективности парообразования также согласуется с законами физики.

С позиций ТРИЗ предлагаемая концепция является идеальной: охлаждение происходит за счёт внутренних ресурсов технической системы, повышается эффективность ТС.

Достоинства

Предлагаемый способ охлаждения воды обладает следующими достоинствами:

· вода - безвредное вещество, а значит, предлагаемая установка будет экологически безопасной;

· будут существенно сокращены энергетические затраты: насосы, используемые для захвата пара будут иметь мощность на порядок меньше, чем компрессоры в традиционной холодильной установке. Необходимая мощность компрессоров составила бы

· P=Q**(q*+qвн)= 0.96*1.0*1000*(4,212*4+332)=335 МВт.

Насосы в предлагаемой установке должны иметь производительность около 200 м3/с (исходя из объёма камеры). Это соответствует производительности 2-х турбовинтовых двигателей самолёта Ан-22 "Антей". Их суммарная мощность - 22 МВт. 2

2.2 Использование кинетической энергии потока воды для создания разрежения в холодильной камере

Аннотация

В разрабатываемой холодильной установке предлагается создавать разрежение за счёт энергии потока воды.

Существующее положение

При разработке холодильной камеры для охлаждения воды возникла проблема, связанная с тем, каким образом поддерживать разрежение в камере. Можно использовать мощные вакуумные насосы, однако это увеличит энергетические затраты. Кроме того, использование вакуумных устройств трудно реализовать технически: в холодильной камере вместе с воздухом и паром, вероятно, захватываться будет и сама вода.

Описание сущности концепции

Для создания разрежения можно использовать кинетическую энергию потока воды. Выглядеть это будет следующим образом.

Холодильная камера будет представлять собой большой вертикально расположенный конус, находящийся вблизи плотины Красноярской ГЭС. В нижней части цилиндра расположена эжекторная камера. Вода из водохранилища в конус поступает по трубопроводу, огибающего плотину. В верхней части камера соединяется с паропроводом, соединенным с компрессором (насосом). Внутренняя поверхность камеры имеет спиралевидную поверхность. Охлажденный и сжатый воздух подается от компрессора к эжекторной камере по воздухопроводу.

Труба, через которую вода поступает в камеру, должна иметь диаметр значительно меньше диаметра камеры. За счёт этого при вхождении в неё воды происходит моментальное расширение потока. Вследствие этого создаётся разрежение.

Для того чтобы размеры камеры не были чрезвычайно громоздкими, диаметр входящей трубы должен быть небольшим. Однако пропускная способность трубы должна соответствовать производительности. Поэтому поток воды должен обладать большой скоростью. Для этого создаётся разность в высоте между уровнем забора воды и уровнем верхней части камеры: вода, поступающая в камеру для охлаждения, забирается за плотиной, то есть там, где уровень воды выше; камера имеет высоту ниже этого уровня.

Чтобы избежать захватывания воды насосами, которые используются для отвода пара, поток воды должен поступать в камеру по касательной (см. рис.3). Вследствие этого поток начнёт закручиваться. Центробежные силы будут компенсировать всасывающую силу насоса. Внутреннюю поверхность выполнена винтообразной с целью увеличения поверхности испарения воды в камере. Шаг вина выбран таким образом, чтобы прирост кинетической энергии потока движущейся воды компенсировал потери на трение воды об стенки камеры. При этом, линейная скорость потока оставалась неизменной, предлагается внутренний объём камеры сужать книзу, то есть выполнить в виде конуса. За счёт этих усовершенствований центробежная сила потока при снижении будет расти.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Помимо охлаждения воды в камере предлагается осуществлять другой важный процесс, связанный с замораживанием Енисея - смешивание переохлаждённой воды с воздухом. Воздух во внешних установках должен быть охлажден и сжат до давления, равному динамическому давлению в потоке воды в нижней части камеры (около 6 атмосфер. В этом случае, при смешении, сжатый воздух не может нарушить разрежение, поддерживаемое в камере. Поэтому подавать воздух нужно в самой нижней части камеры - гидродинамическое давление вращающегося потока вводы будет компенсировать избыточное давление сжатого воздуха.

Смешение воздуха и потока воды производится в эжекторной камере.

Для полного описания установки необходимо указать, как будет использоваться пар, образуемый при испарении воды. Здесь возможно несколько вариантов: распыление в Енисее, в атмосфере. Однако наиболее выгодным способом является сжатие и конденсация пара в специальных камерах - при этом выделяется тепло, которое может быть использовано для обогрева прилежащих насёлённых пунктов.

Обоснование концепции

Использование потока воды для создания разрежения согласуется с законами физики.

Согласно, закону Бойля-Мариотта, давление обратно пропорционально объёму. Т.е. P1*V1=P2*V2. В нашем случае Р1=1 атм, Р2=0,0062 атм. Объём, протекающий за 1с, равен произведению площади сечения трубы на скорость течения. Максимальная скорость течения воды в трубе - 5 м/с. Необходимая производительность - 1 м3/с. Находим площадь сечения входящей трубы - 0,2 м2 (R=0,25 м ). Теперь мы можем найти площадь сечения камеры:

S=P1*S1/P2 = 1*0,2/0,0062 = 32 м2 (R=5.7 м)

Как видно из расчётов, габариты камеры будут вполне приемлемыми, а разрежение будет создаваться достаточное.

Согласно формуле mu2/r, при снижении радиуса с 5.7 метров до 0.9 м гидродинамическое давление возрастёт в 6 раз и составит 6 атмосфер.

Исходя из объёма выделяющегося пара, производительности насосов и площади сечения камеры, её высота должна находиться на уровне 40-50 метров. Так как высота плотины Красноярской ГЭС составляет 120 метров, то разность в высоте позволяет разогнать поток воды до желаемой скорости - 5м/с

Достоинства

Предлагаемая концепция использования потока воды для создания разрежения и компоновки холодильной камеры обладает следующими достоинствами:

· разрежение в камере создаётся за счёт использования бесплатных ресурсов: 1

· отсутствует недостаток, связанный с захватыванием потока воды насосами

· имеется возможность объединения процессов охлаждения воды и смешивания с воздухом в одном устройстве

· имеется возможность использования пара для обогрева населённых пунктов.

Размещено на Allbest.ru