家用管道余压回收发电装置设计

庄　浩，谢希锐，许少锋，陈伟江，赖学江，李　锐

( 广东海洋大学工程学院，湛江 524094 )

家用管道余压回收发电装置设计

庄浩，谢希锐，许少锋，陈伟江，赖学江，李锐

( 广东海洋大学工程学院，湛江 524094 )

[摘要]本文介绍一种家用管道余压能回收发电装置的设计方案，并进行了实验室运行模拟实验。本装置利用供水管道的富余压能，驱动与轴流式叶轮同轴的发电装置转子转动，使转子上均布的磁片做切割定子中嵌有的阵列线圈运动，实现了电能输出及管网的余压能收集。本装置结构简单，运动部件封装于管路中，磁场的变化通过装置外壳被定子的阵列线圈感应，解决水利发电装置的轴密封问题，从而实现余压能的高效收集。

[关键词]余压能；阵列线圈；发电

作者简介：庄浩(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为建筑环境与能源应用。

通讯作者：赖学江。教授。Email：82289412@qq.com

文章编号：ISSN1005-9180(2015)04-082-05

中图分类号：TE43文献标示码：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

一般在供水的过程中，需要多次加压和减压，才能完成供水任务，这为减压段利用管道余压能回收发电装置代替其他减压装置带来契机。目前，已设计研发的同类装置较少，且存在结构复杂，维护困难的问题；某些装置所设置的转动轴密封结构造成部件运动阻力增大，一方面降低了能量的转换效率，另一方面装置耗能过多而影响到用户的正常用水[1]。本文所设计家用管道余压能回收发电装置，结构简单，易于拆卸，便于维护，无需轴封，不影响用户正常用水，且成本低，具有一定的实用推广价值。

2装置介绍

2.1工作原理概述

如图1所示，本设计家用管道余压能回收发电装置的主体置于管段2，利用叶轮前后的压差，驱动放置在管段2的叶轮转动。转子部件完全封装在管路内部，采用外置均布磁片，叶轮轴带动转子转动。上端盖中布置阵列铁芯线圈组成定子，透过聚四氟乙烯密封部件感应转子的磁场变化，实现电能输出。

图3　电能输出装置电路图

图1　管道余压能回收装置剖视图

2.2电路设计

图2为电能输出装置方框图、图3为电能输出装置电路图，本设计中电能输出装置中发电机产生的交变电流先经过整流器进行整流，然后经过升压器升压。当蓄电池未充满电时，升压后输出的直流电全部经过控制器进入蓄电池充电；当蓄电池充满电时，稳压后输出的直流电经控制器监控和保护处理，不再对蓄电池充电，避免过充和过放对蓄电池的损害。电路将稳压后输出的直流电供给负载。当发电机不工作或处于低转速时，蓄电池储存的电也可通过控制器接通负载工作。

图2电能输出装置方框图

2.3系统特点

本装置结构简单，易于拆装维护。定子内置于上端盖，转子内置于管路，该结构巧妙地避免使用轴密封部件，减少阻力损失，不影响用户正常用水，实现余压能的高效收集，效率高。

2.4建筑不同楼层总水压调查

本校供水管网布置形式为上行下给式，我们针对本校东区16栋学生宿舍楼进行水压调查。

具体位置：浴室自来水管

具体操作：关闭水管总闸，卸下浴室水龙头，将水压测试设备的一端接入水管，打开水管总闸，记录水压表的示数(静水压)。然后逐层重复此操作进行测试、记录，测试结果如表1所示。

根据以上调查数据，得出学生宿舍各楼层的管路富余压力分布情况如图4所示：

表1学生宿舍各楼层水压情况(楼顶设水箱供水)

楼层1楼2楼3楼4楼5楼6楼7楼压力(MPa)0.250.220.180.150.120.080.05水头(m)25.5122.4518.3715.3112.248.165.15

图4　管路富余压力分布图

根据水力计算分析，普通家庭正常用水的最大压头要求是11.03m(即0.108MPa)由表1和图4得知，1至5楼总压头均超过11.03m，即5楼以下的楼层具有比较充足的管路余压，楼层越低，可收集的余压越大。为实现装置最大适用性，现取五楼的工况(总水头为12m)作系统设计计算(在无电梯的住宅中，最高层数通常为9层，具有管路富余能量的楼层将会进一步增加，7层或以下的楼层均可以布置本装置)。

图5　实验室模拟系统运行图

2.5系统运行模拟实验

系统模拟运行图如图5所示，将六个线圈以绕向交替变化布置，进行系统运行电压测试实验，实验测得数据如表2所示。

表2实验数据表

流量(m3/h)0.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.2电压(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叶轮设计参数

进口安装角β1(°)45出口安装角β2(°)35叶轮外径D(m)0.018

图6　发电机输出电压与流量的关系图

图7　叶轮示意图

3理论设计计算[3-5]

3.1叶轮设计计算

(1)

叶轮的实际转速:

(2)

式中：nS—叶轮实际转速(r/min)；η—叶轮效率；ν—总管流速(m/s)；D—叶轮外径(m);β1—进口安装角(°)。

3.2发电转子的设计计算

表4转子设计参数

磁铁半径R1(mm)3线圈半径R2(mm)3磁铁布圆半径R3(mm)12.5转盘半径R4(mm)20均布磁铁数n(个)6线圈圈数N50磁铁磁场强度B(T)1.2管内径(mm)20

发电机转子参数见表4，图8为转子示意图,图9为线圈相对运动示意图

图8　转子示意图

图9　线圈相对运动示意图

(3)

式中：E— 感应电动势(V)； n— 线圈匝数；dФ/dt— 磁通量变化率；

以磁铁为参考系，发电时，线圈相对磁铁转动，可视为在恒定磁场下线圈作切割磁感线运动。

(4)

线圈与磁场重合面积：

(5)

式中：S阴影——线圈与磁场边界交点所连成的直线与处在磁场中的线圈部分所围成的面积(m2)；Ss—∠α所对应的扇形面积(m2)；St—∠α所对应的三角形面积(m2)；r—线圈半径(m)；l—线圈圆心到线圈与磁场边界交点所连成的直线的距离(m)；b—线圈与磁场边界交点所连成的直线的一半。

(6)

式中：R—转盘中心到磁场中心的距离(m)；θ—磁场中心到转盘中心连线与线圈中心到转盘中心连线的夹角(rad)；ω—转盘的角速度(rad/s)。

联立式(5)(6)，得：

(7)

重合面积变化率：

(8)

联立式(3)(4)(8)，得：感应电动势：

(9)

一个周期内单个线圈感应电动势的积分平均值：

(10)

式中：

e—单个线圈瞬时输出电压，V;

S—线圈截面积，m2。

装置中六个线圈串联连接，输出总电压：

U=6E=72NBSns

(11)

根据表2可知，装置的算术平均输入功率：

(12)

一般水能发电机的发电效率能达到60%以上，取60%为装置的发电效率，则装置的平均输出功率：

(13)

4创新点及应用

4.1创新点

(1)本装置采用轴流式叶轮，能高效回收楼房低层住户的用水余压能；

(2)本装置转子采用圆形阵列磁铁，且磁铁的N-S级交替紧凑布置，增大了磁场变化率；

(3)本装置线圈围绕顺磁性硅钢制成，使线圈接受的磁感线更集中；

(4)本装置转子部件完全封装在管路内部，解决了装置的密封问题，减小了摩擦阻力损失，可适用于高压流体管路中的余压能量回收；

(5)本装置结构紧凑，适用性广，可广泛应用于用水和排水管路中，且由于密封问题的解决，装置可放于总管和高压管路。

4.2应用及推广价值

(1)系统发电功率约为8.14W，年发电量可达14.85度。其单日所储存电能可以供一枚3W的LED灯工作约10小时以上，完全能替代普通电灯日常使用。另外，本说明书以余能富余较小的5层楼为计算标准，总水头为12m，若应用于5层楼以下的低层用户，发电量会明显增大。

(2)结构简单，安装方便，发电量大，推广价值高。

(3)本装置的应用场合比较广泛。本文的设计应用场合虽然是住宅用户的总管，但可以根据不同的场合按比例放大装置的尺寸，再适当添加若干适应部件，应用于水流速度大且持续流动的管路。如：在建筑的排水管道中利用，收集的能量更加可观；对于远距离输送管道，本装置所转换电能还可以为管道的各种测量仪表供电，解决远距离供电能耗大，维护成本高的问题。

参考文献5

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