Σχεδιασμός φυγοκεντρικής αντλίας ως στρόβιλος για χρήση σε εγκατάσταση αντλησιοταμίευσης μικρής κλίμακας

Abstract

Οι αυξημένες ενεργειακές ανάγκες του σύγχρονου πολιτισμού, σε συνδυασμό με τα ζητήματα που προκύπτουν από την παραγωγή ενέργειας μέσω μη ανανεώσιμων πηγών, επιτείνουν την ανάγκη για περαιτέρω ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Προκειμένου η λύση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας να είναι βιώσιμη, θα πρέπει να συνοδεύεται από μια αξιόπιστη τεχνολογία μαζικής αποθήκευσης ενέργειας. Μία από τις πιο ενδιαφέρουσες προτάσεις για την προώθηση αυτής της τεχνολογίας είναι η δημιουργία μικρών αντλησιοταμιευτικών έργων, όπου θα χρησιμοποιείται πιο οικονομικός ηλεκτρομηχανολογικός εξοπλισμός. Στόχος λοιπόν της παρούσας εργασίας είναι ο σχεδιασμός και η διερεύνηση της λειτουργίας μιας αντλίας ως στρόβιλος (PAT), η οποία δύναται να αξιοποιηθεί σε μια εγκατάσταση αντλησιοταμίευσης μικρής κλίμακας. Αρχικά, παρουσιάζεται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση των αντλησιοταμιευτικών εγκαταστάσεων και της λειτουργίας των αντλιών ως στροβίλων σε αυτές. Εξετάζεται η κατηγοριοποίηση των εγκαταστάσεων βάσει της ισχύος τους και τα όρια λειτουργίας των PAT. Επίσης γίνεται μια βιβλιογραφική αναφορά σε μερικές μεθόδους πρόβλεψης της αντίστροφης λειτουργίας των αντλιών. Ακολουθεί η ανάλυση των βασικών αρχών λειτουργίας στροβιλομηχανών, με έμφαση στην εξίσωση του Euler για τις στροβιλομηχανές και στον προσδιορισμό της απόδοσης των αντλιών και στροβίλων. Στην συνέχεια, αναλύονται οι μαθηματικές σχέσεις που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της αντλίας, ενώ παρουσιάζεται και η μεθοδολογία υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD) που χρησιμοποιήθηκε για τη ροϊκή ανάλυση της πτερωτής και του κελύφους της αντλίας. Η ανάλυση προχωρά με τη μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για τον σχεδιασμό της αντλίας, όπου υπολογίζονται οι παράμετροι λειτουργίας και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της πτερωτής. Ο σχεδιασμός και ο ρευστοδυναμικός έλεγχος για την κανονική και την αντίστροφη λειτουργία της αντλίας πραγματοποιήθηκαν με την βοήθεια του εμπορικού λογισμικού ANSYS. Η ρευστοδυναμική ανάλυση πραγματοποιείται μέσω αριθμητικών προσομοιώσεων της ροής που διέρχεται από την μηχανή, και συλλέγονται δεδομένα σχετικά με τα χαρακτηριστικά της ροής και τις επιδόσεις της αντλίας ως στρόβιλος. Η εργασία ολοκληρώνεται με την σύγκριση των αποτελεσμάτων για τις δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν για την κανονική και την αντίστροφη λειτουργία της μηχανής. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι η συγκεκριμένη ΡΑΤ μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά για την παραγωγή μικρών τιμών ισχύος. Η ανάλυση αποκάλυψε διαφοροποιήσεις στη ροή, όπως αποκολλήσεις και ανακυκλοφορίες κατά την αντίστροφη λειτουργία. Δοκιμές σε δύο διαφορετικές περιστροφικές ταχύτητες (1450rpm, 1550rpm) έδειξαν ότι η αύξηση της ταχύτητας βελτιώνει την απόδοση της αντίστροφης λειτουργίας. Επιπλέον, επιβεβαιώθηκε ότι η αντλία λειτουργεί σε μεγαλύτερες παροχές και ύψη πίεσης στην αντίστροφη λειτουργία.