一种低水头液气能转换装置和设计方法

摘要

本发明涉及一种低水头液气能转换装置和设计方法，所述装置包括：安装在水堰高水位一侧的上行管，上行管与折流管连接，折流管与水堰低水位一侧的下行管连接，下行管上设置通气点，通气点上设置连接空气涡轮机的吸气管，空气涡轮机与发电机连接。本发明所述的设计方法以系统输出最大为设计起点，设定各个约束条件，以此推出虹吸管液气转换装置的两个最基本参数：通气点的高度和虹吸管的截面积。与传统的虹吸管液气转换装置的设计方法相比，本发明所述的设计方法更加简单、实用。所提出的液气转换效率计算方法与实测更加接近，从理论推动了虹吸管液气转换装置的实际应用。理论表明，根据本发明所述设计方法设计的液气转换装置的效率最大可以达到86％。

主权项

一种低水头液气能转换装置的设计方法，所述的装置包括：安装在水堰高水位一侧的上行管，所述的上行管与折流管连接，所述的折流管与水堰低水位一侧的下行管连接，所述的下行管上设置通气点，所述的通气点上设置连接空气涡轮机的吸气管，所述的空气涡轮机与发电机连接，其特征在于，所述方法的步骤如下：计算通气点的空隙率、通气点的压强和上行管流速的步骤：用于以最大化水能转换为气能的效率η为依据计算通气点的空隙率、压强和流速，根据最大化效率公式：最大化η的约束条件是：c₂＝nV₁‑V_r   [6]0＜α_A＜0.3   [7]p_A＞p_v   [8]式中：α_A—通气点处的空隙率，p_A—通气点处的压强，V₁—上行管流速，p_v—当地液体的汽化压强，为已知量，H—作用水头，为已知量，L_A—通气点局部水头损失系数，为已知量，L_C—出水口局部水头损失系数，为已知量，L_AC—通气点到出水口之间的局部水头损失系数，为已知量，p_a—当地大气压强，为已知量，ρ_a—空气密度，为已知量，k—气体绝热指数，为已知量，g—重力加速度，为已知量，V_r—水流与气流的速度差，为已知量，n—通气点上游和下游管道面积比，当虹吸管截面面积沿程相同则n＝1，p_C—出水口处的压强，在计算分析过程中取p_C＝p_a为已知量，使用二层优化法计算通气点A的空隙率 α_A、压强p_A、上行管水流的断面平均流速V₁；计算通气点高程的步骤：用于通过公式：计算通气点在虹吸管下行管中的位置高度；计算虹吸管截面积的步骤：用于通过公式：A₁＝A＝Q/V₁计算虹吸管的截面积，式中：z_A—通气点的位置高程，z_C—下行管出口的位置高程，H—作用水头，p_A—通气点的压强，p_C—出水口处的压强，L_A—通气点局部水头损失系数，α_A—通气点处的空隙率，n—通气点上游和下游管道面积比，当虹吸管断面积沿程相同则n＝1，L_C—出水口局部水头损失系数，V₁—上行管流速，α_C—出水口处的空隙率，g—重力加速度，ρ—水的密度，A₁—通气点的虹吸管截面积，A—下行管截面积，Q—流量。