SimulTURB uživatelská příručka

Simulace technicko-ekonomických úloh

SimulTURB uživatelská příručka Základní použití Rolling Fluid Machine Model pro simulaci běhu mikrozdroje elektrické energie

Obsah: Úvod .................................................................................5 O aplikaci SimulTURB 3.0 ................................................5 Systémové požadavky .....................................................5 Dokumentace aplikace .....................................................5 Základní popis aplikace....................................................6 Struktura aplikace v. 2.0 ...................................................6 Matematický základ v. 2.0 ................................................7 Ovládání aplikace .............................................................8 Ovládání simulace ..........................................................13 Teoretický základ............................................................15 Rozšíření aplikace v. 3.0 ................................................20 Matematický základ v. 3.0 ..............................................24 Literatura ........................................................................26

Rolling Fluid Machine Model

Nositel VZ: Řešitel VZ: Zadavatel VZ:

Fakulta Stavební ČVUT v Praze Katedra Ekonomiky a řízení ve stavebnictví Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy: MSM684077006

© Dlask Petr, Sedláček Miroslav, 2011

ISBN

4


5

Úvod O aplikaci SimulTURB 3.0

Software SimulTURB vznikl v rámci činnosti výzkumného záměru MSM684077006 na ČVUT v Praze. Jedná se prostředek modelování různých podmínek pro běh mikrozdroje elektrické energie. Uživateli se tak dostává do rukou nástroj, který může potvrdit nebo vyvrátit opodstatněnost instalace stroje do provozu. Model je možné provozovat ve stabilních podmínkách nebo využít generaci náhodných čísel pro simulaci nestabilních faktorů ovlivňujících výsledný výkon. Z průběhu simulace se na závěr sestaví základní popisná statistika, která uživatele informuje o předpokládaném chování.

Systémové požadavky

Produkt je možné provozovat v běžném tabulkovém procesoru MS Excel. Podmínkou správné funkčnosti je povolení maker v menu Nástroje/Makro/Zabezpečení… na úroveň Střední. Bez této volby je aplikace nefunkční. Aplikace byla vyvinuta a testována ve verzi MS Excel 2003. Aktuální verze programu je k dispozici ke stažení a provozování na adrese http://people.fsv.cvut.cz/~dlaskpet/Science/VZ05/SimulTURB_v_3.0.html, případně je možné stáhnout přímo soubor s aplikací SimulTURB z odkazu http://people.fsv.cvut.cz/~dlaskpet/Science/VZ05/Turbine%203.0.xls.

Dokumentace aplikace

K dokumentaci je určena tištěná verze tohoto manuálu. Kompletní aktuální verze příručky je obsažena na přiloženém instalačním CD nebo k dispozici zde http://people.fsv.cvut.cz/…/VZ05/SimulTURB_VZ05.html,.


6

Základní popis aplikace Struktura aplikace v. 2.0

Aplikace je navržena v prostředí tabulkového procesoru MS Excel. Pro běžného uživatele se předpokládá jeho základní znalost, která mu umožňuje pracovat ve známém prostředí. Zadavatel může také ovládat celý model prostřednictvím kompaktního aplikačního dialogu, ze kterého jsou všechny základní funkce dostupné. Mezi dialogem a prací v listu lze libovolně přecházet podle aktuálních potřeb úlohy. Oba režimy jsou vzájemně ekvivalentní. Zkušený zadavatel může otevřený systém výpočtových a uživatelských procedur využívat ve svých modulech při doplňování specifických funkcí, které nejsou v aktuální verzi obsaženy. Není tak u své úlohy odkázán pouze na softwarový produkt, ale má možnost si samostatně řešení úloh obohatit. Po otevření souboru je dostupné zadávání uvedené na obr. 1.

RFM Turbine Model

xl.v.

Rolling Fluid Machine Turbine Model, 2009

2.0

Status : [nothing] Pz,basic =

Vstupní veličiny zařízení Stroj I - test

Input data

Press key :

26,26098 W

1

2

Výška spádu

H=

2,34 m

3

4

Velikost průtoku Gravitační konstanta Koeficient ztrát Účinnost turbíny Účinnost generátoru Časový krok Interval simulace Výkon výroby el. en.

Q= g= c= γt = γg = t= T= Pz=H.Q.g.c.γt.γg

5,5 9,81 0,8 0,5 0,52 1 60 0

Q

Výška spádu

10 %

Velikost průtoku

20 %

Koeficient ztrát

5%

Účinnost turbíny

4%

Účinnost generátoru

3%

Run Turbine

Load Default

lt ms -2 s s W

Save as Default Archive

Riziko Press key :

W E R T

Interval

Obr. 1 Základní zobrazení SimulTURB. V horní části se zadávají parametry stroje nutné pro jeho běh. Jedná se o popis lokality a nastavení časového průběhu simulace. Data je možné zadat


7

přímo do sešitu nebo stiskem tlačítka Input data otevřít dialogové zadávací okno popsané dále na obr. 3.

Matematický základ v. 2.0 Teoretický rozbor problematiky odvalovacího stroje je uveden v závěrečné části. Výpočet základního výkonu stroje se počítá podle vzorce

Pe ,basic = H × Q × g × c × γ t × γ g

(1)

kde Pe,basic H Q g c

elektrický výkon stroje výška spádu velikost průtoku gravitační konstanta koeficient ztrát

γt γg

účinnost turbíny

[-]

účinnost generátoru

[-]

Pro časové nastavení simulace je možné zadat t časový krok T délka (interval) simulace

[W] [m] [lts-1] [ms-2] [-]

[s] [s]

Obr. 2 Úvodní záložka ovládacího dialogu SimulTURB.


8

Ovládání aplikace Po stisku tlačítka Input data na obr. 1 se objeví dialog s výchozí záložkou uvedenou na obr. 2. Ostatní zadávací režimy je možné přepínat pomocí záložek v pravé části dialogu. Pro úpravu vstupních hodnot je třeba přejít na záložku Data. Zde se zadávají parametry uvedené ve vzorci (1). Její obsah je uveden na obr. 3.

Obr. 3 Základní data pro SimulTURB. Po modifikaci vstupních parametrů se stiskem tlačítka Zavři hodnoty předají do správných pozic na listu TurbineInputs a aplikace je připravena pro spuštění simulace. Hodnoty je také možné zadat přímo do listu TurbineInputs, ale musí být zachovány jejich původní formáty a pozice. Dialog tyto operace zajistí automaticky bez nutných zásahů uživatele.


9

Obr. 4 Ukázka průběhu simulace běhu turbíny. Stisknutím Run Turbine dojde k předání nastavených hodnot do výpočtu a simulace je začne zpracovávat. Uživatel může poprvé sledovat stabilní běh stroje pro nastavené podmínky. Celá simulace trvá podle hodnoty nastavené v proměnné T (interval simulace). Při běhu simulace se současně zobrazují simulované hodnoty do grafu uvedeného na obr. 5, který se průběžně překresluje.

Obr. 5 Grafický výstup základního elektrického výkonu stroje v průběhu simulačního intervalu.


10

Obr. 6 Ukázka základního Reportu výsledků. Po ukončení simulace je možné na záložce výstupy sestavit Report výsledků ze simulovaných hodnot (viz obr. 6). V uvedeném příkladu můžeme sledovat stabilní výkon stroje, který nebyl narušen žádnými rizikovými faktory. V praxi se ovšem objevuje více faktorů, které takto stabilní výkon narušují. Jejich vliv na běh stroje je možné do modelu zadávat pomocí vstupů uvedených na obr. 7.

Obr. 7 Zadání rizikových faktorů do simulace. Pro simulování různé velikosti průtoku je možné zaškrtnout příslušnou volbu Riziko (viz obr. 8). Pokud by chtěl uživatel simulovat více nestabilních faktorů najednou, zvolila by se vícenásobná volba Riziko samostatně pro každý vliv.

Obr. 8 Zadání nestabilního faktoru Velikost průtoku.


11

V pravé části obr. 8 je zadáván rozptyl nestabilní hodnoty. Je tak definovaný interval od zadané střední hodnoty, ve kterém se bude výsledná veličina vyskytovat.

Obr. 9 Sledování nestabilního faktoru Velikost průtoku (Quantity of flowage). Na obr. 9 je symbolicky zobrazena vazba mezi nestabilním faktorem a výslednou hodnotou základního elektrického výkonu stroje. V každém intervalu simulace je do zvolené nestabilní veličiny generováno náhodné číslo z intervalu definovaného podle zadání obr. 8. Základní výkon stroje je pak uveden za celé simulované období na obr. 10. Při simulaci je tento grafický výstup průběžně překreslován. V případě stabilních vstupních parametrů je průběh konstantní (viz obr. 5). V opačném případě je rozkolísaný v závislosti na velikosti rozptylů pro jednotlivé nestabilní faktory. Křivka by měla oscilovat okolo základního výkonu spočteného pro stabilní faktory.


Power Production [W]

35

Power Product. [W]

12

30 25 20 15 10 5

Time

0 1

3

5

7

9

11 13 15 17 19 21 23

25 27 29 31 33 35 37 39 41 43

45 47 49

Obr. 10 Základní výkon stroje narušený nestabilním faktorem. Z průběhu simulace na obr. 10 je možné opět sestavit Report výsledků, ze kterého se získají informace o průměrném základním výkonu, který lze od stroje ve skutečných podmínkách očekávat.

Obr. 11 Statistické vyhodnocení nestabilního výkonu stroje. Z veličin uvedených na obr. 11 je pro budoucího uživatele podstatná střední hodnota Výkonu a Velikosti průtoku. Výkon stroje nenarušený nestabilním výkonem je 26,26 W. Průměrná hodnota v simulovaném intervalu byla dopočtena 26,74 W. Stabilní průtok 5,5 ls-1 na obr. 6 je možné porovnat s dopočtenou střední hodnotou 5,60 ls-1. Rozptyl hodnoty je dopočten 0,66 ls1 . Pokud bude průtok uvažován jako stabilní veličina je rozptyl 0,00 ls-1, jak je uvedeno na obr. 6. Dalšími zajímavými údaji jsou Minimum a Maximum výkonu, které představují limity stroje na dolní a horní hranici (špička výkonu). V porovnání se stabilním výkonem 26,74 W je podle obr. 11 minimální hodnota 21,15 W a maximální očekávaný výkon 31,11 W.


13

Ovládání simulace Spuštěnou simulaci je možné pro změnu vstupních parametrů ovládat zvenčí pomocí definovaných kláves. V aktuální verzi jsou modifikovatelné hodnoty Výška spádu a Velikost průtoku pomocí kláves 1, 2, 3, 4. Klávesy 1 a 3 navyšují hodnoty parametrů. Klávesy 2 a 4 tyto veličiny snižují o definovaný krok 0,05 m a 0,1 lt. Power Production [W]

Power Product. [W]

28

27,5

27

26,5

26

Time

25,5 1

3

5

7

9

11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49

Obr. 12 Statistické vyhodnocení nestabilního výkonu stroje. Obr. 12 uvádí modifikaci parametrů v průběhu simulace. Uživatel tak může zjišťovat, jak se mění základní výkon stroje při změně Výšky spádu a následně při změně Velikosti průtoku. 2,46

6 H

2,44

Q

2,42

5,9

Výška spádu [m]

5,7 2,38 5,6 2,36 5,5 2,34 5,4

2,32 2,3

5,3 Čas

2,28

5,2 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49

Obr. 13 Změna vstupních parametrů během simulace.

Velikost průtoku [lts-1]

5,8

2,4


14

Všechny vstupní parametry v každé periodě simulace jsou ukládány do listu TurbineResults. Obr. 13 uvádí grafickou interpretaci změny Výšky spádu a Velikosti průtoku. Jednotlivé změny (nárůsty a poklesy) korespondují se změnou základního výkonu stroje uvedeného na obr. 12.

Obr. 13a Změna vstupních parametrů během simulace.

Obr. 13b Změna vstupních parametrů během simulace. Při simulaci je také možné kombinovat stabilní stavy bez vlivu výkyvů vstupních parametrů a interval, kdy jsou aktivované nestabilní faktory. Na obr. 13a je v první fázi prezentován nestabilní stav a v závěru je ověřován výkon při poklesu průtoku z 5,5 lts-1 na 3,2 lts-1. Obr. 13b. představuje navyšování průtoku na 6,4 lts-1 a v závěru ověření nestabilního průtoku. Ukázky mají pouze ilustrační charakter možností aplikace. Pro vyhodnocení reálný podmínek by bylo zapotřebí realizovat simulaci delšího časového období.


15

Teoretický základ

Úvod do teorie odvalovacího principu (Maršík František, Prof., Ing., DrSc., Ústav termomechaniky, v.v.i., AV ČR)

Precesní (odvalovací) kapalinová turbína je vodní motor, sestávající ze statoru, který je tvořen dutým zužujícím se válcem ve směru výtoku kapaliny, přičemž v místech vstupu kapaliny do statoru je na hřídeli uložen rotor osově symetrického tvaru. Tvar rotoru by měl být navržen tak, aby případné odtržení mezní vrstvy bylo posunuto co nejdále k jeho odtokové části. Zvlášť výhodná se jeví alternativní formulace bilance hybnosti ve vazké tekutině formulovaná pomocí tzv. Croccovy věty. Tato věta explicitně vyjadřuje nezastupitelnou roli vířivosti w = rot v proudového pole pro generaci silové interakce mezi tekutinou a obtékaným tělesem. Silové účinky na každý element tekutiny jsou ve směru úhlové (angular) souřadnice ϕ , (viz obr. 1) dány vztahem

∂ 2 vϕ N ∂hc ∂s −T −ν = ( v × w )ϕ = − v r w z = fϕ   2 r ∂ϕ r ∂ϕ ( ∂r )  kg 

(2)

kde  J  v2 (2a) +φ   ρ 2  kg  je celková energie nějakého materiálového bodu tekutiny. Tekutina pak přes povrchové síly (statický tlak a tření) působí na obtékané těleso. Vnitřní energie u (T , ρ ) = konst , protože jak teplota T tak i hustota ρ se v případě hc = u +

p

+

proudění kapalin (vody) nemění. Dochází k přeměně pouze mechanických energií, tj. energie potenciální φ = gL na energii tlakovou p / ρ a energii kinetickou v 2 / 2 . Je zřejmé, že síla na těleso tak vzniká jen následkem disipativních procesů v mezních (obecně smykových) vrstvách, rovnice (2), které jsou důsledkem velikého gradientu rychlosti ∂vϕ / ∂r u stěny obtékaného tělesa (vnitřní kužel, viz obr. 1). Mezní vrstvy existují na tělese jen v důsledku kinematické viskozity ν [m2 /s] a jejich důsledkem je generace vířivosti w z , jejíž největší složka má směr podélné osy válce.


16

Obr. 14 Schéma turbíny a obtékaného tělesa. Pro vyvolání vířivosti musí mezikruží tvořit difuzor, ve kterém se následkem existence radiální rychlosti v r stává poloha vnitřního válce nestabilní. Vychýlením válce z osy dochází k nesymetrickému obtékání kuželového válce a ke vzniku vířivosti w z , která působí na každý element tekutiny

uvnitř mezikruží objemovou silou fϕ [ N/kg ] , viz rovnice (2). Velikost objemové síly fϕ = − v r wz je určena rychlostním polem v prostoru mezi válci. Ve zjednodušené geometrii, viz obr. 14, jsou rozhodujícími parametry: úhel difuzoru arctgγ , sevřený vnitřním povrchem statoru a povrchem


17

rotoru, poměrem poloměrů rotoru a statoru η = R1 a velikostí rychlosti R2

v z 0 vstupující tekutiny. Hodnota rychlosti v z 0 je určena tlakovým či výškovým spádem tekutiny. Tekutina v mezikruží pak rotuje takovou rychlostí, která odpovídá rotaci vnitřního kuželového válce úhlovou rychlostí Ω1 , kterou stanovíme podle vzorce

(3) Neznámou vstupní rychlost

v z 0 můžeme nahradit dobře měřitelným

množstvím protékající tekutiny (vody) ze vztahu

(

)

(

)

(

)

•  kg  (3a) Q = ρv z0π R22 − R12 (0) = ρv z0πR22 1 − η 02 = ρv z0π R22 − R12 ( z )    s  Následkem dotyku s vnitřní stěnou vnějšího válce (o poloměru R2 ) dojde

k odvalování vnitřního válce odvalovací rychlostí Ω=

(4).

η0Ω1 1 − η0

Vnitřní objemová síla fϕ [ N/kg ] působící na tekutiny je kompenzována vnějšími povrchovými silami působícími jak na vnitřní stěnu vnějšího válce, tak i na vnější stěnu vnitřního kuželového válce. Právě síla působící na vnitřní pohyblivý válec bude konat práci a bude tak převádět potenciální energii na mechanickou energii rotačního pohybu. Přibližný vztah pro výkon turbiny, jejíž geometrie je uvedena na obr. 14, za předpokladu, že zanedbáváme ztráty vířením vody (v důsledku turbulence a kavitace) má tvar 2 ɺ 3 2 (5) 4 ( Qγ ) Lη0 (1 − η0 ) ( 2 − η0 − η0 ) Wɺ

=

3

(πρ )

2

(

R25 1 − η02

)

8

[W]

Pro otestování funkce navrženého principu přeměny energie a ověření navržené teorie byl vyroben prototyp odvalovací turbíny, jejíž schematický náčrt je uveden na obr. 15, která měla kuželový stator, o vstupním poloměru R2 = 67.2 mm a kulový rotor o poloměru R1 = 62.4 mm . Rotor byl zadní (z hlediska směru proudu) polovinou zanořen do statoru, viz obr. 15. Tudíž hodnota geometrického parametru byla η0 = R1 / R2 = 0.93 . Vzhledem k tomu, že teoretické úvahy byly prováděny pro zjednodušenou geometrii válcového statoru a kuželového rotoru, viz. obr.1, není možno vycházet ze geometrické velikosti úhlu artg γ , ale je třeba jeho velikost stanovit podle


18

jakéhosi efektivního úhlu difuzoru artg γ ef podle vztahu (2), a to z

ɺ = 6.2 kg/s . naměřených otáček Ω1 = 12.9 rad/s a průtočného množství Q Tudíž 2 2 (6) πρΩ1R23η0 (1 − η 02 ) 3.14 ⋅ 103 ⋅ 12 ⋅ 9 ⋅ (0.0672)3 ⋅ 0.93 ⋅ (1 − 0.932 ) γ= = = 0.0337 • 6.2

Q

což odpovídá úhlu 2.1° viz obr. 15. Toto je střední úhel pod kterým obtéká kapalina kulový rotor. Pro kulový tvar rotoru nelze vztah (5) pro výpočet výkonu použít přímo (obtékání koule je pro vysoká Reynoldsova čísla Re matematicky velmi komplikovaný problém) a je třeba vztah upravit a zjednodušit, i za cenu, že má pak více kvalitativní charakter • (7) • γ ef R22η 06 (4 − η 02 )Ω 2 Q 0.0337 ⋅ 0.0672 2 ⋅ 0.936 ⋅ (4 − 0.932 )⋅ 12.9 2 ⋅ 6.2 W =ξ

(

2 1 − η 02

)

4

=ξ

(

2 ⋅ 1 − 0.932

)

4

= 478 ⋅ ξ [W ]

V přímém kontaktu s tekutinou je jen část kulové plochy, především proto, že při vyšších číslech Re dochází k nestacionárnímu odtržení proudící tekutiny, a to v případě obtékání koule již v rozmezí úhlů 93° až 130°. Z tohoto důvodu je zaveden empirický koeficient ξ , který je roven 1 v případě laminárního (Stokesova) obtékání. Předpokládáme-li, že je obtékáno jen asi 25% polokoule vnořené do statoru (což přibližně odpovídá velikosti oblasti přimknutého proudění) lze volit s ohledem na provedený experiment ξ = 0.23 . Za těchto předpokladů lze výkon zkušební turbiny s ohledem na obecnější výraz (7) stanovit podle konkrétního vzorce ɺ [ W] ɺ = 1.167 ⋅10−3 ⋅ nt2 ⋅ Q (8), W

ɺ = 1.167 ⋅10−3 ⋅ (123) 2 ⋅ 6.2 = 109 Poznámka: např. pro nt = 123 ot / min W kde nt je počet otáček rotoru za minutu. Po zohlednění účinnosti elektrické měřící sestavy byl naměřený mechanický výkon testovací turbíny při průtoku 5.8 – 7.6 l/s v rozmezí 100 až 120 W, přičemž ztráty na potenciální energii způsobené ztrátami v přívodním potrubí nebyly započítány. Porovnání uvedené kvalitativní teorie je ukázáno na obr. 3. Ideální mechanický výkon proudící vody o průtoku 6,2 l/sec na definovaném spádu

ɺ ɺ id = QgH H = 3.6 m je W = 6.2 ⋅ 9.81 ⋅ 3.6 = 219 W . Rozdíl

mezi naměřeným výkonem a výkonem teoretickým, viz (7), popř. výkonem ideálním je způsoben jednak zjednodušením geometrickým a zjednodušením při řešení proudových polí (anulární proudění s kuželovým vnitřním válcem) a jednak ztrátami v proudovém poli vlivem odtržení proudu a kavitace a reálnými hydraulickými ztrátami v přívodním potrubí.


19

Obr. 15 Schéma testovací turbíny. Na obr. 15 je znázorněno schéma testovací turbíny. Při testování měl rotor tvar koule o poloměru R1 = 62.4 mm jejíž střed byl v rovině vtoku do statoru. Vstupní poloměr statoru byl R2 = 67.2 mm . Spád vody byl H = 3.6 m . Voda vstupovala do turbíny vstupním otvorem 6, kde v rozvaděči 5 byla usměrněna do válcového statoru 1, který se ve směru proudu tekutiny zužoval. Na hřídeli 3 byl uspořádán kulový rotor 2, přičemž svojí polokoulí na straně hřídele byl zanořen do statoru 1 a druhou svojí polokoulí se nacházel v rozvaděči 5. Hřídel 3 byla uložena v kardanovém kloubu 4, který byl uspořádán pomocí neznázorněného ložiskového domku před čelní stěnou statoru 8 uvnitř statoru 1 a umožňoval otáčení hřídele 3 okolo podélné osy a její úhlové vychylování všemi směry. Na vnější straně čelní stěny statoru 8 byly uspořádány držáky generátoru 9, které nesly generátor 11, na který byl přenášen výkon turbíny cestou hřídele generátoru 10. Voda, která obtékala rotor a odvalovala ho po vnitřní stěně statoru, vytékala výtokovými otvory 7. V místech dotyku rotoru a statoru bylo uspořádáno neznázorněné ozubení, aby nedocházelo k prokluzování rotoru po vnitřní stěně statoru.


20

Obr. 16 Porovnání naměřených hodnot s kvalitativní teorií. Na obr. 16 je znázorněno porovnání naměřených hodnot na testovací turbíně s kvalitativní teorií (8). Vzhledem k tomu, že teorie je formulována jen pro ustálený stav, není oblast náběhu (průtok od 0 do 5 l/s) zahrnuta.

Rozšíření aplikace v. 3.0

Ověřovací poloprovozy předchozí verze prokázaly nutnost doplnění vytvořeného SW nástroje pro další parametry mikrozdroje. Jedná se o zavedení nového typu stroje – kotlové turbíny – pro simulační vyjádření jeho výkonu (produkované energie). Zpracovaný SW nástroj obsahuje možnost volby modelovaného zařízení. Původní varianta byla zachována (verze 2.0 v pravé části obr. 17) a je doplněna novým zařízením (verze 3.0 v levé části obr. 17). Kliknutím na požadovanou variantu se zadavatel přepne do odpovídajícího režimu zadávání.


21

Obr. 17 Volba požadovaného stroje pro zadávání. Pro práci s modelem turbíny jsou určeny dva základní režimy uvedené na obr. 18. První z nich Input data je určen pro zadávání vstupních dat pro výpočet. Druhý režim Run Turbine spouští vlastní simulaci běhu stroje. Po stisku tlačítka Input data se objeví dialog uvedený na obr.19. V jeho pravé časti jsou záložky přepínající jednotlivé sekce zadávání.

Obr. 18. Základní režimy práce s modelem. Na záložce Data jsou základní parametry popisující instalaci stroje. Jejich význam je obdobný jako v případě stroje v Simul TURB v.2.0. Obě zadání se


22

však zásadně liší v tom, že kotlová verze nezavádí koeficient ztrát. Ztráty na přívodním potrubí zde v důsledku instalace kotle nevznikají.

Obr. 19 Úvodní informace modelu RFM (Rolling Fluid Machine).

Obr. 20 Zadání parametrů pro kotlovou verzi turbíny. Současně s dialogovým zadáváním vstupních hodnot je ponechána možnost zadání přímo do buněk na listu tabulky, jak je uvedeno v obr. 23. Oba způsoby jsou možné a jsou ekvivalentní, jak bylo uvedeno výše. Při zadávaná parametrů na obr. 23 je třeba kalkulovat s uvedenými intervaly účinností: Pro instalaci kotlové turbíny na spádech 1-1,5 m se mechanická účinnost mění v závislosti na dvou faktorech: 1. na úrovni tangenciálního přívodu vody,


23

2. na precesním pohybu hřídele v intervalu cca od 42 do 54%. Na spádu 1,5-2 m je tento procentní interval posunutý ve své horní hranici spádu maximálně o 2 % – tedy pohybuje se v rozmezí 42 až 56 %. Zadá-li uživatel mechanickou účinnost stroje v uvedených intervalech, bude mít s velkou pravděpodobností přesnou odpověď na otázku, jaký mechanický výkon může na svojí instalaci očekávat? Doporučené intervaly rozmezí účinnosti jsou uvedeny v rámci zadávání. Pokud jsou dodrženy doporučené hodnoty, je zadání označeno zelenou barvou, jak je uvedeno na obr. 23. Před výpočtem jsou vstupní údaje kontrolovány, a pokud dojde k vybočení mimo ověřené rozmezí, objeví se informační hláška uvedená na obr. 21. Uživatel má možnost rozhodnout, zda chce pokračovat ve výpočtu se zadanými hodnotami nebo chce opravit vstupy podle doporučení na obr. 23.

Obr. 21 Upozornění na odchylky od doporučených hodnot. Pokud výpočet proběhne s vybočenými hodnotami, je vstupní oblast zadávaného koeficientu ztráty označena červenou barvou (viz obr. 22).

Obr. 22Zvýraznění parametru mimo doporučený rozsah.

Obr. 23 Zadání parametrů pro kotlovou verzi turbíny do listu tabulky.


24

Matematický základ v. 3.0 Funkční podstata nového stroje (kotlové turbíny) vychází z předchozí teorie miniturbíny. Analýzou a praktickou formou pokusů byl modifikován vztah pro výpočet základního výkonu stroje jako

Peboiler ,basic = H × Q × g × γ t × γ g

(9)

kde

Peboiler ,basic

elektrický výkon stroje

[W]

H Q g

výška spádu velikost průtoku gravitační konstanta účinnost turbíny účinnost generátoru

[m] [lts-1] [ms-2] [-] [-]

γt γg

Pro časové nastavení simulace je možné zadat t časový krok T délka (interval) simulace Pro porovnání je uveden také původní výraz pro miniturbínu

Pe ,basic = H × Q × g × c × γ t × γ g

[s] [s] (10)

kde c

koeficient ztrát [-] (vyjadřuje ztráty, které vznikají v přívodním potrubí, v sacím koši a dalších součástech přívodu), ...ostatní symbolika zůstává stejná jako ve výraze (9).

Propočtem byly ověřovány různé varianty ztrát u kotlových verzí. Vzhledem ke koncepci konstrukce vychází, že jsou v praxi zanedbatelné, protože je způsobuje pouze precesně se pohybující hřídel a zvláště špatně uspořádaný tangenciální přívod. Není tedy nutno do vzorce koeficient ztrát c vůbec zadávat (viz porovnání výrazu (9) a (10)). Po zadání uvedených parametrů se zvolí druhý režim uvedený na obr. 18, týkající se výhradně simulačního běhu modelu. Během spuštění se ukládají průběžně spočtené informace (viz obr. 24) k jejich závěrečnému vyhodnocení (viz obr. 25).


25 Power Production [W]

40

Power Product. [W]

35 30 25 20 15 10 5

Time

0 1

3

5

7

9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59

Obr. 24 Výsledky simulačního běhu modelu.

Obr. 25 Rekapitulace základní statistiky. Základní výsledky simulačního výpočtu jsou průběžně zobrazovány do grafu aktuálně spočteného výkonu na obr. 24. Na závěr je možné sestavit zprávu se statisticky zpracovanými základními veličinami. Tabulka uvedená na obr. 25 informuje o průměrném výkonu a průtoku včetně jejich rozptylu, minimální a maximální hodnotě, což jsou údaje limitující předpokládanou realizaci. Na jejich základě se uživatel o budoucí investici rozhodne.


26

Literatura [1] Účinnost mikroturbíny Setur, In: Alternativní energie 2003, č. 2. Sedláček, M., Spousta, J., Kalina, F. [2] Použitie multifunkčného hydromotora Setur pre spracovanie zvyšného hydropotenciálu (Application of multi-functional hydromotor setur for utilization of residual hydropotential), Stanislav Hostin – Martin Ondruška – Miroslav Sedláček, Medzinárodná vedecká konferencia k 10. Výročiu vzniku FEVT, 5. – 7. September 2006, STU Košice. [3] Precesní kapalinová turbína, užitný vzor CZ číslo 20444, s. 2 – 5. [4] Projekt PHARE 95/04-01: Small Hydroelectric Power Plant, Final Report, Aqua Energy Association, Mlynarovičova 11, Bratislava SK, July 1997. [5] Projekt PHARE 95/04-01: Malý hydroenergentický zdroj, Příloha ĆKD Blansko Engineering, a.s., Zpráva „Měření turbíny Setur“, červen 1997. [6] Technická zpráva – průběžná z vývoje jednotlivých realizovaných měření a zkoušek na domácí vodní elektrárně DVE 120, MECHANIKA s.r.o., Tovární 381, Králův Dvůr, listopad 2003. [7] Technická zpráva – závěrečná z vývoje jednotlivých realizovaných měření a zkoušek na domácí vodní elektrárně DVE 120, MECHANIKA s.r.o., Tovární 381, Králův Dvůr, březen 2008. [8] Měření průtoků DVE 120 na spádech 3 – 8,5 m, Katedra Mechaniky a strojnictví, Technická fakulta ČZU, únor 2009. [9] Sedláček, M. Frková, J.: Experimentální poloprovoz barelové bezlopatkové miniturbíny (poloprovoz ČOV Stříbro), ČVUT v Praze, ISBN 978-80-01-04624-1, 2011. [10] Hellmich, M., Frková, J., Sedláček, M., Kalina, F., Spousta, J.: Poloprovoz monitorovacího a rozvodného systému elektrického výstupu z odvalovací miniturbíny (poloprovoz Tannenberg), ČVUT v Praze, ISBN : 978-80-01-04786-6, 2011. [11] Falta, J., UT AV CR, Marsik, F., UT AV CR, Sedlacek, M., FSv CVUT: Aktuální problémy mechaniky tekutin 2011, konference Ústav termomechaniky AV ČR, Dolejškova 5, Praha, 16.–17. února 2011. [12] Maršík, F., Falta, J., Sedláček M.: Výkon a účinnost odvalovací turbíny, odborná zpráva, Ústav termomechaniky AV ČR, Dolejškova 5, Praha, červen 2011


Autor: doc. Ing. Petr Dlask, Ph.D. (editor) Ing. Miroslav Sedláček, CSc. SimulTURB – uživatelská příručka Základní použití modelu RFM – Rolling Fluid Machine Vydalo: Zpracovala:

České vysoké učení technické v Praze Fakulta stavební Katedra ekonomiky a řízení ve stavebnictví Kontakt. adresa: doc. Ing. P. Dlask, Ph.D., [email protected] Tel.: 224353729 Vytiskla: Česká technika – nakladatelství ČVUT, výroba Adresa tiskárny: Zikova 4, Praha 6 Počet stran: 50 Vydání: druhé, rozšířené

ISBN

27

SimulTURB uživatelská příručka

Recommend Documents