Ветряной насос - Windpump

Многолопастный ветряной насос на ферме в Айова

А ветряной насос это тип мельница который используется для перекачивания воды.

Де Олифант в Burdaard, Фрисландия

Ветровые насосы использовались для перекачивания воды по крайней мере с 9 века на территории современной Афганистан, Иран и Пакистан.[1] Использование ветряных насосов стало широко распространенным в Мусульманский мир а позже распространился на Китай и Индия.[2] Позднее ветряные мельницы широко использовались в Европе, особенно в Нидерланды и восточная Англия зона Великобритания, с конца Средний возраст и далее, чтобы осушить землю для сельскохозяйственных или строительных целей.

Саймон Стевин работает в гидростат включал улучшения в шлюзы и водосбросы контролировать наводнение. Ветряные мельницы уже использовались для откачки воды, но в Ван де Моленс (На мельницах), он предложил улучшения, в том числе идею о том, что колеса должны двигаться медленно, а также лучшую систему для зацепления колес. зубья шестерни. Эти улучшения повысили эффективность ветряных мельниц, используемых для откачки воды из польдеры в три раза.[3] Он получил патент о его нововведении в 1586 году.[4]

Ветряные мельницы от восьми до десяти использовались в Регион Мерсия, Испания, чтобы поднять воду для орошения.[5] Привод от ротора ветряной мельницы проходил вниз через башню и обратно через стену, чтобы вращать большое колесо, известное как нория. В нория поддерживал цепь ведра, которая свисала в колодец. Ведра традиционно делались из дерева или глины. Эти ветряные мельницы использовались до 1950-х годов, и многие башни до сих пор стоят.

Ранние иммигранты в Новый мир привезли из Европы технологию ветряных мельниц.[6] На фермах США, особенно на Великие равнины, ветряные насосы использовались для откачки воды из сельскохозяйственных колодцев для скота. В Калифорнии и некоторых других штатах ветряная мельница была частью автономной домашней системы водоснабжения, включая выкопанный вручную колодец и водонапорную башню из красного дерева, поддерживающую резервуар из красного дерева, и огражденную сайдингом из красного дерева (резервуар ). Саморегулирующийся ветряной насос для фермы был изобретен Дэниел Халладей в 1854 г.[6][7][8] В конце концов, стальные лопасти и стальные башни заменили деревянную конструкцию, и на пике своего развития в 1930 году в эксплуатации находилось около 600 000 единиц мощности, эквивалентной 150 мегаваттам.[9] Очень большие легкие ветряные насосы в Австралии напрямую вращают насос с ротором ветряной мельницы. Дополнительная обратная передача между небольшими роторами для районов с сильным ветром и кривошипом насоса предотвращает попытки толкнуть штоки насоса вниз при ходе вниз быстрее, чем они могут упасть под действием силы тяжести. В противном случае слишком быстрое перекачивание приведет к изгибу насосных штоков, что приведет к утечке уплотнения сальника и износу стенки поднимающегося трубопровода (Великобритания) или отводной трубы (США), что приведет к потере всей производительности.

Многолопастный ветряк или ветряк турбина на решетчатой ​​башне, сделанной из дерева или стали, на многие годы стала неотъемлемой частью ландшафта сельской Америки. Эти мельницы, изготовленные различными производителями, имели множество лезвий, поэтому они могли медленно вращаться со значительными крутящий момент при умеренном ветре и саморегулирующемся при сильном ветре. На вершине башни коробка передач и коленчатый вал преобразовал вращательное движение в возвратно-поступательные ходы, передаваемые вниз через шток к цилиндру насоса внизу. Сегодня растущие затраты на электроэнергию и усовершенствованные насосные технологии увеличивают интерес к использованию этой, когда-то находящейся в упадке технологии.

Использование по всему миру

Рабочий деревянный ветряной насос на Болота в Кембриджшир, ВЕЛИКОБРИТАНИЯ

В Нидерланды хорошо известен своими ветряными мельницами. Большинство этих знаковых построек расположены на окраине польдеры на самом деле ветряные насосы, предназначенные для осушения земли. Это особенно важно, поскольку большая часть страны находится ниже уровень моря.

В Великобритании термин ветряной насос редко используется, и они более известны как дренажные ветряки. Многие из них были построены в Broads и Болота из восточная Англия для осушения земель, но большинство из них с тех пор были заменены дизель или насосы с электрическим приводом. Многие из оригинальных ветряных мельниц до сих пор находятся в заброшенном состоянии, хотя некоторые были восстановлены.

Ветряные насосы широко используются в Южная Африка, Австралия, а также на фермах и ранчо в центральных равнинах и на юго-западе Соединенных Штатов. В Южной Африке и Намибии до сих пор работают тысячи ветряных насосов. В основном они используются для обеспечения водой людей, а также питьевой водой для крупных овец.

Кения также извлекла выгоду из развития технологий ветряных насосов в Африке. В конце 1970-х годов Великобритания НПО Группа разработки промежуточных технологий оказал техническую поддержку кенийской компании Bobs Harries Engineering Ltd в разработке ветряных насосов Kijito. Bobs Harries Engineering Ltd до сих пор производит ветряные насосы Kijito, и более 300 из них работают во всем Восточная Африка.

Во многих частях мира канатный насос используется вместе с ветряными турбинами. Этот простой в сборке насос работает, протягивая веревку с узлами через трубу (обычно простую трубу из ПВХ), заставляя воду втягиваться в трубу. Этот тип насоса стал распространенным в Никарагуа и другие места.

строительство

Чтобы построить ветряной насос, необходимо согласовать лопастной ротор с насосом. С неэлектрическими ветряными насосами высокая солидность роторы лучше всего использовать в сочетании с поршневыми насосами прямого вытеснения, потому что поршневым насосам одностороннего действия для запуска требуется примерно в три раза больше крутящего момента, чем для поддержания их работы. С другой стороны, роторы с низкой прочностью лучше всего использовать с центробежные насосы, водяные насосы и цепные насосы и насосы омывателя, в которых крутящий момент, необходимый насосу для запуска, меньше, чем крутящий момент, необходимый для работы с расчетной скоростью. Роторы с низкой прочностью лучше всего использовать, если они предназначены для привода электрогенератора; который, в свою очередь, может управлять насосом.[10]

Многолопастные ветряные насосы

Водяной насос с ветровым приводом на ферме Оук-Парк, Шедд, Орегон.

Многолопастные ветряные насосы можно найти по всему миру, они производятся в США, Аргентине, Китае, Новой Зеландии, Южной Африке и Австралии. Обычно известный в США и Канаде как «флюгер», потому что он ведет себя так же, как традиционный флюгер, движется вместе с направлением ветра (но также измеряет скорость ветра). Бренд Butler внес усовершенствования в технологию ветряных насосов в 1897 году. 1898 и 1905 гг.[11] Ветровой насос диаметром 16 футов (4,8 м) может поднимать до 1600 галлонов США (около 6,4 метрических тонн) воды в час на высоту 100 футов при скорости ветра от 15 до 20 миль в час (24–32 км / ч).[12] Однако для запуска им нужен сильный ветер, поэтому они поворачивают кривошип поршневого насоса. Ветряные насосы не требуют особого обслуживания - обычно меняют только масло в коробке передач ежегодно.[13] Приблизительно 60 000 ветряных насосов все еще используются в Соединенных Штатах. Они особенно привлекательны для использования на удаленных объектах, где нет электричества и трудно обеспечить техническое обслуживание.[14]Обычный многолопастный ветряной насос эффективно перекачивает около 4-8% годовой ветровой энергии, проходящей через площадь, которую он охватывает.[15][16] Это меньшее преобразование связано с плохим согласованием нагрузки между ветряными роторами и поршневыми насосами с фиксированным ходом.

Основные проблемы многолопастных ветряных насосов

Неэффективный ротор

Заброшенный резервуар для воды с ветряной мельницей на заднем плане

Основной конструктивной особенностью многолопастного ротора является «высокий пусковой момент», необходимый для запуска поршневого насоса. После пуска многолопастный ротор работает со слишком высоким передаточным числом, при этом КПД меньше 30%.[17] С другой стороны, современные ветряные роторы могут работать с аэродинамической эффективностью более 40% при более высоком передаточном числе для меньшего завихрения, добавляемого и рассеиваемого ветром.[17] Но им понадобится механизм с очень регулируемым ходом, а не просто кривошипно-поршневой насос.

Плохое согласование нагрузки

Многолопастная ветряная мельница - это механическое устройство с поршневым насосом. Поскольку поршневой насос имеет фиксированный ход, потребность в энергии этого типа насоса пропорциональна только скорости насоса. С другой стороны, запас энергии ветряного ротора пропорционален кубу скорости ветра. Из-за этого ветряной ротор работает с избыточной скоростью (больше, чем необходимо), что приводит к потере аэродинамической эффективности.

Регулируемый ход будет соответствовать скорости ротора в зависимости от скорости ветра, работая как «генератор переменной скорости». Скорость потока ветряных насосов с регулируемым ходом можно увеличить в два раза по сравнению с ветряными насосами с фиксированным ходом при той же скорости ветра.[18]

Циклическое изменение крутящего момента

Поршневой насос имеет очень легкую фазу всасывания, но ход вверх тяжелый и вызывает большой обратный момент на пусковом роторе, когда кривошип находится в горизонтальном положении и поднимается. Противовес на кривошипе вверх в башне и отклонение от курса в зависимости от направления ветра может, по крайней мере, распространить крутящий момент на спуск кривошипа.

Разработка улучшенных ветряных насосов

Ветряная мельница-патент-рисунок-из-1889-винтаж-выдержка
Патент на ветряную мельницу Олдрича из 1889 г.

Хотя многолопастные ветряные насосы основаны на проверенной технологии и широко используются, они имеют фундаментальные проблемы, упомянутые выше, и требуют практического механизма переменного хода.

Эксперименты Министерства сельского хозяйства США в Техасе

Между 1988 и 1990 годами ветряная помпа с регулируемым ходом была испытана в Центре сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США в Техасе на основе двух запатентованных конструкций (Патент Дона Э. Эйвери № 4.392.785, 1983 г. и Патент Элмо Г. Харриса № 617.877, 1899).[18] Системы управления ветровыми насосами переменного хода были механическими и гидравлическими; однако эти эксперименты не привлекли внимания ни одного производителя ветряных насосов. После экспериментов с этим ветряным насосом с регулируемым ходом, исследования сосредоточились на ветроэлектрических системах водоснабжения; коммерческой ветряной насосы с регулируемым ходом еще не существует.

Трепещущие ветряки

В Канаде были разработаны порхающие ветряные насосы, в которых ход насоса сильно варьируется с амплитудой, чтобы поглощать всю переменную мощность ветра и не позволять лопасти качаться слишком далеко за горизонтальное расстояние от его среднего вертикального положения. Они намного легче и используют меньше материала, чем многолопастные ветряные насосы, и могут эффективно перекачивать при более слабых ветровых режимах.[19][20]

Турецкие эксперименты

Турецкий инженер переработал технологию ветряного насоса с регулируемым ходом, используя современное электронное оборудование управления. Исследования начались в 2004 году при государственной поддержке НИОКР. Первые коммерческие ветряные насосы с регулируемым ходом нового поколения были разработаны после десяти лет исследований и разработок. Конструкция ветряного насоса с регулируемым ходом 30 кВт включает современный ветряной ротор типа Дарье, противовес и технологию рекуперативного торможения.[21]

Комбинации

Тяскер

Основная статья: Тяскер
В Тяскер

в Нидерланды, то Тяскер дренажная мельница с общие паруса подключен к Архимедов винт. Он используется для откачки воды в областях, где требуется лишь небольшой подъемник. Маховик установлен на штатив, что позволяет ему поворачиваться. Архимедов винт поднимает воду в сборное кольцо, откуда она сбрасывается в канаву на более высоком уровне, осушая землю.[22]

Тайские ветряные туфли

В Таиланде ветряные насосы традиционно строятся по китайским конструкциям. Эти насосы сделаны из бамбуковых шестов с проволочными скобками, несущих паруса из ткани или бамбуковых циновок; лопастной насос или водяной насос закреплен на Тайский ротор с лопастями. В основном они используются в солонки где требуемый подъем воды обычно составляет менее одного метра.[23]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Лукас, Адам (2006), Ветер, вода, работа: древние и средневековые технологии фрезерования, Brill Publishers, стр. 65, ISBN  90-04-14649-0
  2. ^ Дональд Рутледж Хилл, "Машиностроение на Средневековом Ближнем Востоке", Scientific American, Май 1991 г., стр. 64-69. (ср. Дональд Рутледж Хилл, Машиностроение )
  3. ^ История науки: сила, доказательство и страсть - EP4: Можем ли мы иметь неограниченную власть?
  4. ^ Сартон, Джордж (1934). "Симон Стевин Брюгге (1548-1620)". Исида. 21 (2): 241–303. Дои:10.1086/346851.
  5. ^ http://www.yachtmollymawk.com/2008/11/spanish-water-works/ Водоподъемные мельницы в Регион Мерсия, Испания
  6. ^ а б «Краткая история ветряных мельниц в Новом Свете»
  7. ^ americanheritage.com
  8. ^ fnal.gov
  9. ^ Пол Джип, Энергия ветра достигает зрелости, Джон Уайли и сыновья, 1995 ISBN  0-471-10924-X, страницы 123-127
  10. ^ Водоподъемные устройства; согласование лопастных роторов с насосами
  11. ^ http://www.vintagewindmillpartslist.com/sitebuildercontent/sitebuilderfiles/butlerpictorial.pdf
  12. ^ Калькулятор производительности веб-сайта ветряной мельницы Железного человека, получено 15 января 2011 г.
  13. ^ Часто задаваемые вопросы на сайте Aermotor, получено 17 сентября 2008 г.
  14. ^ http://www.windmill-parts.com/index.html
  15. ^ Аргав, Н., «Возобновляемые источники энергии для перекачивания воды в сельских деревнях», 2003 г., Отчет NREL 30361, стр. 27
  16. ^ Брайан Вик, Нолан Кларк «Сравнение производительности и экономичности механической ветряной мельницы с ветроэлектрической водонасосной системой», 1997, Служба сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США, см. Рисунок 2.
  17. ^ а б Хау, Эрих «Ветровые турбины», 2005, стр. 101, рис. 5-10
  18. ^ а б Кларк, Нолан "Насос с регулируемым ходом для механических ветряных мельниц", 1990, Материалы AWEA
  19. ^ http://www.econologica.org
  20. ^ https://www.youtube.com/watch?v=6zIj7LCtX0U
  21. ^ ENA Yelkapan Technologies Ltd.
  22. ^ «Виды ветряков». Odur. Получено 2008-05-24.
  23. ^ Смолдерс, П. (Январь 1996 г.). «Ветровая перекачка воды: забытый вариант» (PDF). Энергия для устойчивого развития. 11 (5).
  24. ^ Змеевиковый насос, часто используемый при строительстве ветряных насосов

внешние ссылки