Avaliação da perda de energia de sistemas de bombas de fluxo axial em operações de geração de energia reversa com base na teoria de produção de entropia

Oct 06, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 8667 (2022) Citar este artigo

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O uso de grandes equipamentos de estação de bombeamento existentes para geração de energia reversa de água residual a montante é um projeto de energia renovável não realizado, mas valioso. Atualmente, algumas grandes estações de bombeamento de fluxo axial começaram a realizar operações de geração de energia reversa; no entanto, pesquisas relacionadas ainda não foram iniciadas. Neste artigo, a teoria da geração de entropia é aplicada a um sistema de estação de bombeamento de fluxo axial em grande escala em operações de geração de energia reversa, e o método de geração de entropia é usado para investigar o tamanho e a distribuição precisos da dissipação de energia mecânica de cada componente sob diferentes fluxos condições. Primeiro, as características de energia e as flutuações de pressão na bomba do sistema de estação de bombeamento de grande fluxo axial são testadas experimentalmente sob condições de geração de energia reversa. A confiabilidade do cálculo numérico da geração de entropia é verificada tanto experimental quanto teoricamente. Em seguida, a proporção de cada componente na produção total de entropia é comparada para ilustrar como cada componente contribui para a produção total de entropia do sistema e como essa contribuição muda conforme as condições operacionais variam. Em seguida, o tipo de produção de entropia de cada componente é determinado com precisão sob diferentes condições de fluxo, revelando as mudanças nas proporções dos diferentes tipos de produção de entropia de cada componente. Finalmente, componentes com grandes dissipações de energia mecânica são selecionados, e as mudanças e causas da distribuição de dissipação de energia dos componentes são minuciosamente analisadas sob diferentes condições de fluxo. Os resultados da pesquisa podem ajudar a entender melhor o mecanismo de dissipação de energia de grandes sistemas de bombas de fluxo axial em operações de geração de energia reversa.

Nos últimos anos, a reversão da bomba tornou-se um método cada vez mais popular para substituir as operações da turbina na engenharia1,2,3,4,5,6, e muitas micro e pequenas usinas hidrelétricas em áreas remotas começaram a usar a reversão da bomba de fluxo axial para substituir operações da turbina7,8,9,10,11. Alguns administradores de sistemas de estações de bombeamento de fluxo axial em grande escala na China descobriram que a geração reversa de energia usando água de entrada a montante pode gerar uma grande quantidade de energia limpa, ao mesmo tempo em que oferece benefícios econômicos consideráveis. Portanto, algumas tentativas de geração de energia reversa usando estações de bombeamento de fluxo axial têm sido usadas em operações reais.

A operação atual de várias grandes estações de bombeamento de fluxo axial para geração de energia reversa12 mostrou que é tecnicamente viável usar a operação reversa de um grande sistema de bombeamento de fluxo axial para gerar energia. No entanto, para o uso generalizado de estações de bombeamento de fluxo axial para geração de energia reversa, a taxa de utilização da energia da água de baixa pressão e os benefícios energéticos oferecidos pela geração de energia reversa de grandes sistemas de bombas de fluxo axial devem ser investigados primeiro. Isso requer um estudo aprofundado dos mecanismos de perda de carga e dissipação de energia de grandes sistemas de bombas de fluxo axial em operações de geração de energia reversa.

Pesquisadores na China e no exterior estudaram as características de geração de energia reversa de bombas de fluxo axial, focando principalmente na otimização do impulsor de pequenas bombas de fluxo axial para melhorar o desempenho hidráulico de bombas de fluxo axial operando como turbinas na Central Hidrelétrica do Pico13,14. Até o momento, ainda faltam pesquisas sobre as características de energia e os mecanismos de dissipação de energia de grandes sistemas de bombas de fluxo axial em operações de geração de energia reversa.

O método da queda de pressão tem sido o método mais utilizado para estudar perdas hidráulicas e dissipação de energia em máquinas hidráulicas nas últimas décadas. No entanto, o método de queda de pressão não pode determinar a localização específica da dissipação de energia ou quantificar a dissipação de energia. Nos últimos anos, alguns estudiosos propuseram introduzir a teoria da produção de entropia em máquinas de fluidos rotativos para avaliar os mecanismos de dissipação de energia em máquinas de fluidos15,16,17,18,19,20,21. Gong et al.19 usaram pela primeira vez a teoria da produção de entropia para avaliar a perda de fluxo interno das turbinas Francis e determinaram a localização específica e a intensidade da perda de fluxo interno nas turbinas. Chang et al.20 aplicaram a teoria da produção de entropia para estudar os mecanismos de perda de fluxo interno e dissipação de energia de uma bomba autoescorvante e otimizaram o perfil da pá da bomba autoescorvante com base nos resultados da análise de produção de entropia. Pei et al.22 projetaram seis grupos com diferentes distâncias entre o impulsor e a palheta guia em uma bomba de fluxo axial de baixa queda. A teoria da produção de entropia foi usada para estudar a dissipação de energia na bomba de fluxo axial sob diferentes esquemas. Verificou-se que a dissipação turbulenta dominou o consumo de energia mecânica da bomba de fluxo axial. Mohammad et al.23 analisaram o mecanismo de dissipação de energia de uma pequena bomba centrífuga acionada por uma turbina reversa sob diferentes condições de fluxo usando a teoria de produção de entropia. O vórtice na entrada do impulsor e a separação do fluxo na saída do impulsor foram as principais causas de geração de entropia na pequena bomba centrífuga operada pela turbina reversa. A perda de produção de entropia do tubo de sucção foi mais aparente na perda de produção de entropia dos componentes PAT.