Μοντέλο συσχέτισης υδραυλικών παραμέτρων λειτουργίας δικτύου ύδρευσης με μηχανική ισχύ εξόδου υδροστροβίλου

• Κύριος συγγραφέας: Χουλιαρά, Ευαγγελία
• Άλλοι συγγραφείς: Chouliara, Evangelia
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2022
• Θέματα: Υδροπαραγωγή; Δίκτυο ύδρευσης; Υδροστρόβιλοι; Αξονική ροή; Αντλίε; Hydropower; Water supply network; Water turbines; Axial flow; Pumps; Straflo

Οι διαρκώς αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις των σύγχρονων αστικών κέντρων, έχουν στρέψει το ενδιαφέρον στην εύρεση καινοτόμων τρόπων ενσωμάτωσης, «πράσινων» πηγών ενέργειας στο ενεργειακό μείγμα κάθε χώρας. Σε αυτό το πλαίσιο θα κινηθεί η παρούσα διπλωματική εργασία, καθώς αποσκοπεί στην εκμετάλλευση του νερού των δικτύων ύδρευσης προκειμένου να παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια, μέσω υδροστροβίλου αξονικής ροής. Επιπρόσθετα, θα προσφέρει μια εναλλακτική λύση στον τρόπο ρύθμισης της πίεσης του νερού, με την προοπτική να αντικαταστήσει μελλοντικά τα μέσα που χρησιμοποιούνται γι’ αυτό τον σκοπό, χωρίς να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Συγκεκριμένα, στόχο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, αποτελεί η διαμόρφωση του μαθηματικού μοντέλου που λαμβάνει ως είσοδο ορισμένα λειτουργικά χαρακτηριστικά του δικτύου, καθώς και τη βασική διαστασιολόγηση του υδροστροβίλου, ενώ επιστρέφει ως έξοδο τις κύριες παραμέτρους που απαρτίζουν την γεωμετρία του και την αποδιδόμενη ισχύ στον άξονά του. Ταυτόχρονα, το συγκεκριμένο μοντέλο, προτείνει την αλλαγή ενός από τα λειτουργικά χαρακτηριστικά, που αναμένεται να οδηγήσει στην απόδοση μέγιστης ισχύος, για την εκάστοτε περίπτωση που μελετάται. Επίσης, καθίσταται εφικτή η εκτίμηση του εύρους στο οποίο μπορεί να κινηθεί η πίεση του νερού, άρα και η ρύθμιση αυτής, ανάλογα με τις ανάγκες του δικτύου στο οποίο θα ενσωματωθεί. Η ρύθμιση της πίεσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τον διαχειριστή του δικτύου για την εξοικονόμηση νερού. Μελλοντικά, θα ήταν ιδιαίτερα χρήσιμο το μοντέλο να μπορεί να επιλέγει τον ιδανικό υδροστρόβιλο ανάμεσα στους διάφορους τύπους που υπάρχουν, για την εκάστοτε περιοχή στην οποία θέλουμε να ενσωματωθεί, ώστε να μην περιορίζεται μόνο στους υδροστροβίλους αξονικής ροής. Στο εισαγωγικό κεφάλαιο, αρχικά περιγράφεται το ενεργειακό πρόβλημα που παρουσιάζεται στα σύγχρονα αστικά κέντρα και η άμεση λύση που προσφέρουν σε αυτό, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Στη συνέχεια, ακολουθεί η επεξήγηση της έννοιας της υδροπαραγωγής και η δυνατότητα ένταξης υδροστροβίλου στο δίκτυο ύδρευσης. Τέλος, γίνεται σύντομη παρουσίαση των διάφορων τύπων υδροστροβίλου που υπάρχουν, καθώς και τα κριτήρια σύμφωνα με τα οποία επιλέγεται ο Straflo ως ο βέλτιστος τύπος για ένα αστικό δίκτυο ύδρευσης. Στο 2ο κεφάλαιο, μελετώνται τέσσερις διαφορετικές μέθοδοι υπολογισμού της ισχύος υδροστροβίλων, κατηγορίας Straflo. Ακολουθεί σύγκριση των αποτελεσμάτων που προκύπτουν από τις μαθηματικές σχέσεις κάθε μεθόδου, χρησιμοποιώντας ως κοινή βάση αναφοράς, ορισμένα δεδομένα που προήλθαν από προσομοιώσεις του λογισμικού CFD. Tέλος, από τα αποτελέσματα των συγκρίσεων, διαμορφώνεται ένα υβριδικό μοντέλο που συνδυάζει τα πλεονεκτήματα της κάθε μεθόδου. Στο 3ο κεφάλαιο, πραγματοποιείται κατάλληλη αποτύπωση του μαθηματικού μοντέλου που διαμορφώθηκε, με τη βοήθεια του περιβάλλοντος της Matlab/Simulink. Επιπλέον, γίνεται αναπαράσταση ορισμένων εξισώσεων μεγεθών, τα οποία αντιστοιχούν στη βασική διαστασιολόγηση ενός υδροστροβίλου κατηγορίας Straflo. Ακολουθεί τμηματική παρουσίαση και αναλυτική περιγραφή του μοντέλου. Στο 4ο κεφάλαιο χρησιμοποιείται το λογισμικό της Matlab, ώστε να αξιοποιηθεί κατάλληλα το μαθηματικό μοντέλο που σχεδιάστηκε στο γραφικό περιβάλλον της Simulink. Μέσω αυτού του λογισμικού, διαμορφώνεται ένας αλγόριθμος που τροποποιεί κατάλληλα υδροστροβίλους αξονικής ροής, συγκεκριμένης γεωμετρίας, ώστε να αποδίδεται μεγαλύτερη ισχύς. Ο αλγόριθμος, μελετάται τμηματικά και διεξοδικά με την βοήθεια αντίστοιχων διαγραμμάτων ροής. Το 5ο κεφάλαιο αφιερώνεται στην παρουσίαση πληθώρας αντιπροσωπευτικών παραδειγμάτων εκτέλεσης του αλγορίθμου που σχεδιάστηκε. Γίνεται προσπάθεια μέσα από αυτά τα παραδείγματα, να επεξηγηθεί λεπτομερώς ο αλγόριθμος και τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την εκτέλεση του. Επίσης, προκειμένου να αξιολογηθεί η αποτελεσματικότητα του αλγορίθμου, εξετάζεται το ενδεχόμενο εγκατάστασης ενός υδροστροβίλου-αντλίας σε κατάλληλο σημείο ενός υφιστάμενου δικτύου ύδρευσης. Προς αυτόν τον σκοπό, λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα του αλγορίθμου σχετικά με τη βασική διαστασιολόγηση του στροβίλου, κατασκευάζεται η βασική γεωμετρία του υδροστροβίλου με τη χρήση κατάλληλου σχεδιαστικού προγράμματος (CAD) και προσομοιώνεται η συμπεριφορά του κάτω από το δεδομένο σενάριο ροής μέσω λογισμικού CFD. Στο τελευταίο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα στα οποία καταλήξαμε μετά το πέρας της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Τέλος, αναδεικνύονται πιθανές μελλοντικές βελτιώσεις στον πυρήνα του αλγορίθμου που διαμορφώθηκε, καθώς και η προοπτική που προσφέρεται μέσα από την προτεινόμενη εφαρμογή ως εργαλείο σχεδίασης υδροστροβίλων κατάλληλων για δίκτυο ύδρευσης.