Почему вода сильнее ветра ?
Oct. 27th, 2020 11:02 am![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
vlkamov.livejournal.com posting in ![[community profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/community.png){kind=small}
engineering_ruВетер, ветер! Ты могуч,
Ты гоняешь стаи туч,
Ты волнуешь сине море,
Всюду веешь на просторе.
...
Отвечает ветер буйный,—
Там за речкой тихоструйной
Есть высокая гора,
В ней глубокая нора
Читал в давние времена в Scientific American, что теоретический предел КПД ветроколеса - 40%, однако недавно прозвучали 60%. Действительно
От этого свойства существенно зависит КПД ветротурбины. Теоретические КПД равны: для первого типа 0,22, для второго – 0,59 (согласно теории Жуковского Бетца).
С другой стороны КПД гидротурбины мало не 100%
Полный кпд гидротурбины h = hг · hm · h0 — отношение полезной мощности, отдаваемой турбинным валом, к мощности пропускаемой через Г. воды. В современной Г. полный кпд равен 0,85—0,92; при благоприятных условиях работы лучших образцов Г. он достигает 0,94—0,95.
Собственно нет отдельной науки для газов и жидкостей, все это гидродинамика, газы и жидкости же в ней грубо различаются сжимаемостью. Но в случае с ветроколесом сжимаемость роли не играет, т.к. в формуле Бетца плотность воздуха фиксированная.
В чем тут дело, отчего разница в КПД ? "Нора", в которую заключен поток воды ?
![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
no subject
Date: 2020-10-27 07:17 am (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 08:00 am (UTC)Своими словами ответ на Ваш вопрос "В чем тут дело, отчего разница в КПД ?".
На малых скоростях воздух считается несжимаемым, разницы между водой и воздухом в свойствах нет. При одинаковом устройстве ветряка и гидротурбины формулы были бы одинаковые.
Однако, устройство не одинаковое.
Если перекрыть плотиной русло реки, ВСЯ вода протечет через гидротурбину.
Если поставить ветряк с некой площадью ометания S, то поток воздуха через турбину будет отнюдь не "скорость воздуха * S". Часть воздуха протечет ВОКРУГ ветроколеса и не примет участия в выработке электроэнергии.
Если мы не перекрываем реку, а просто опускаем в поток воды небольшую (по сравнению с сечением реки) водяную турбинку, то она начинает подчиняться закону Беца. На парусных яхтах иногда использует электрогенераторы, работающие не от ветра, а от скорости яхты относительно воды. То же самое - когда обмакиваем эту турбинку в воду, то она подчиняется закону Беца.
Верно и в другую сторону. Если воздух не может обойти вокруг турбинки (например, направили воздух по шлангу в пневматический гайковерт), то на малых давлениях можно использовать почти всю энергию потока.
И еще . В законе Беца не кпд, а коэффициент использования мощности потока (коэффициент использования энергии ветра).
no subject
Date: 2020-10-27 08:02 am (UTC)Ну и строение турбины у воды - другое.
В приципе, теоретический КПД некоторых пропеллеров может достигать почти 90% - но это только при определённых условиях.
Вот, например:
Пиковый КПД некоего пропеллера здесь - 87%
no subject
Date: 2020-10-27 08:25 am (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 08:26 am (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 08:33 am (UTC)Они работают в обе стороны - но там оптимизация идёт по разному.
Вообще же, для водяных колёс и турбин более характерен статический напор, а не динамический. Т.е. скорости потоков - изначально незначительны.
И соотв., организация потоков там совсем другая.
В случае же ветряков - пространство остаётся свободным, и уже по этому утилизуется лишь незначительная доля энергии ветра.
Кпд
Date: 2020-10-27 09:16 am (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 09:55 am (UTC)Re: Кпд
Date: 2020-10-27 10:15 am (UTC)https://www.tyazhmash.com/f/1/projects/toachi_pilaton/chapparal_turbine_2.png
no subject
Date: 2020-10-27 10:39 am (UTC)А в случае ветряков - напор утилизуется - скоростной.
Так что да - разные энергии.
no subject
Date: 2020-10-27 10:41 am (UTC)"Гидродинамические" тоже бывают - но это, обычно - мелкие и дял горных рек с высоким скоростным напором.
no subject
Date: 2020-10-27 11:01 am (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 11:40 am (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 11:42 am (UTC)а) Совершенно не факт.
б) Даже если и преобразуется - то локально, "по месту", непосредственно в турбине - или прямо "возле неё".
no subject
Date: 2020-10-27 12:25 pm (UTC)С учётом того, как организуются там потоки - статические вещи там играют важную роль.
Вообще, там напор водяного столба преобразуется в.
no subject
Date: 2020-10-27 12:43 pm (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 12:58 pm (UTC)RE: Кпд
Date: 2020-10-27 01:00 pm (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 03:54 pm (UTC)А это - именно гидростатический источник энергии.
Именно высота столба воды в верхнем бьефе над нижним - и является источником энергии.
Плотину можно на какое-то время "закрыть" - и энергия воды никуда не денется, вода будет просто накапливаться перед плотиной, повышая уровень водохранилища.
В динамическом эе источнике энергии - у того же ветра - никаких плотин нет и быть не может, и перепад давления - можно получить только за счёт скоростного напора, который "накопить" нельзя.
no subject
Date: 2020-10-27 03:58 pm (UTC)Источником энергии являются те массы воды, что торчат в верхнем бьефе, нависая над нижним.
Кинетическая энергия течения реки в этом случае - практически вообще не заметна.
no subject
Date: 2020-10-27 04:05 pm (UTC)Источником энергии для ГЭС - служит перепад уровней воды между верхним и нижним бьефами, и в норме, что характерно - в процессе работы он практически не меняется.
Водозабор для турбин ГЭС - стараются сделать как можно короче и выводится он максимально низко - с минимальным превышением над впуском в турбину, т.е. потоки воды стараются организовать максимально ламинарными.
И лишь в месте установки турбины - коридор сужается.
P.S. Гидравлика - это практически вся сплошная гидростатика. Гидродинамика - это глиссирующие суда с динамической поддержкой.
no subject
Date: 2020-10-27 04:08 pm (UTC)Куда оная вода при этом будет перемещаться - не уть важно. основное давление определяется не той массой воды, которая перемещается.
no subject
Date: 2020-10-27 04:08 pm (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 04:10 pm (UTC)Ветер - создаёт "динамическое" давление, скоростной напор.
no subject
Date: 2020-10-27 04:17 pm (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 04:27 pm (UTC)Вообще же, та вода, что движется через турбину - является как-бы рабочим телом, и разгоняется давлением той воды, что остаётся в водохранилище.
И двигаться в процессе работы на турбине - она может как угодно - сверху вниз, горизонтально вбок, снизу вверх (хоть в последнем случае - возможны некоторые потери).
no subject
Date: 2020-10-27 04:35 pm (UTC)Направление движения не важно ничуть. Важно что рабочее тело движется, с большой скоростью. То есть имеет кинетическую энергию.
no subject
Date: 2020-10-27 04:46 pm (UTC)А в подводяще канале - скорость потока может быть весьма умеренной.
no subject
Date: 2020-10-27 05:10 pm (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 05:59 pm (UTC)В условиях ГЭС - перепад уровней, обычно - можно считать постоянным. А расход воды - регулируется "ручками" по желанию - поворотом лопастей рабочего колеса турбины, изменением проходного сечения подводящего канала и/или как-то ещё.
no subject
Date: 2020-10-27 07:26 pm (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 07:28 pm (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 07:34 pm (UTC)Если взять воронку, налить жидкость и позволить ей вытекать, в тоже время возмещая расход жидкости в воронке, то скорость вытекания не изменится никогда, хотя на жидкость в воронке тоже постоянно действует сила тяжести, как на камень. Но жидкость от этого действия силы не ускоряет своего течения. Её кинетическая энергия не зависит от времени действия силы тяжести и не зависит от массы жидкости в воронке. Главное, чтобы высота столба жидкости была одинаковой (в воронках разного объёма). Жидкость лишь преобразует энергию гравитационного поля в механическую, за что, наверное, удачно названа "рабочим телом". Точнее, наверное, сказать, она преобразует силу тяжести в механическую силу - давление, т.к. без "рабочего тела" нельзя заставить силу тяжести воздействовать на турбину. Своей энергии у жидкости нет, и она не учитывается.
Если механическая энергия камня зависит от его массы, то у жидкости - совершенно не зависит (от объёма резервуара), а зависит, повторю, только от высоты столба жидкости. Т.е. статического давления, а оно, давление, является собственно силой тяжести. Убери гравитацию, и поток остановится, и статического давления не будет. А падающий камень будет двигаться и дальше, если гравитация исчезнет, только без ускорения.
Никакой аналогии между камнем и потоком нет.
Вы можете увеличить скорость потока, если уменьшите площадь выходного отверстия, и наоборот. Таким образом вы измените такой параметр, как расход массы в единицу времени. Но приток жидкости в резервуар для поддержания уровня вам изменять не придётся.
Не представляю, как можно видеть аналогию между механическим движением твёрдого тела (или не твёрдого, но тела, например капли) и движением среды - потоком?
У aso просто замечательные коменты.
Водяную турбину можно считать вечным двигателем в том смысле, что гравитация практически постоянная и относительно вечная сила.
no subject
Date: 2020-10-28 06:27 am (UTC)"Источником энергии ДВС служит химическая энергия топлива - нет, в двигателе топливо сгорает, и движение обеспечивается горючими газами и потоком воздуха на впуске, обеспечивающим распыление топлива в карбюраторе!!!"
Вот приблизительно такая же дискуссия - и у нас.
ГЭС плотиной архитектуры - работает от статического давления.
Все технические особенности работы ГЭС - происходят из этого факта.
Т.е. такая ГЭС может накапливать энергию - т.е. воду - просто перекрыв сток, может регулировать сток в соответствии с потребностями по выработке электроэнергии.
Ограничения и потери при этом есть - но они не связаны с самим принципом работы ГЭС - ну и.е. существуют требования по минимальному стоку, который должна пропускать ГЭС в любом случае, есть максимально допустимый уровень воды в водохранилище, есть потери на испарение и фильтрацию - но это не имеет отношения к самому принципу функционирования ГЭС.
Кстати, органы регулирования потока протекающего через турбину - могут иметь средства непосредственного регулирования потока, вплоть до его полного перекрытия.
Причом это может быть осуществимо даже средствами самой турбины.
no subject
Date: 2020-10-28 06:40 am (UTC)> работает от статического давления
От статического не работает, работа = сила * перемещение.
Просто выбросьте это слово.
no subject
Date: 2020-10-28 06:59 am (UTC)"Работает" - в бытовом смысле.
Источником энергии является статическое давление, которое практически не зависит от расхода.
no subject
Date: 2020-10-28 07:01 am (UTC)no subject
Date: 2020-10-28 07:05 am (UTC)no subject
Date: 2020-10-28 07:23 am (UTC)"Фонарик работает от батарейки."
"Машина работает на бензине."
)))
no subject
Date: 2020-10-28 08:27 am (UTC)no subject
Date: 2020-10-28 08:42 am (UTC)Рация - на бронепоезде!!!