Ветряной насос

– Ветряной насос это ветровое устройство, предназначенное для перекачивания воды .

Ветряные мельницы в Киндердейке в деревне Киндердейк , Нидерланды, являются ЮНЕСКО. объектом Всемирного наследия

Ветровые насосы использовались для перекачки воды, по крайней мере, с 9-го века на территории современного Афганистана , Ирана и Пакистана . ^{[ 1 ]} Использование ветряных насосов получило широкое распространение во всем мусульманском мире , а затем распространилось на Китай и Индию . ^{[ 2 ]} Позже ветряные мельницы широко использовались в Европе, особенно в Нидерландах и Восточной Англии , средневековья начиная с позднего , для осушения земель в сельскохозяйственных или строительных целях.

Саймона Стевина Работа в водном государстве включала усовершенствование шлюзов и водосбросов для борьбы с наводнениями . ветряные мельницы Для откачки воды уже использовались , но в книге Ван де Моленса ( «О мельницах ») он предложил улучшения, включая идею о том, что колеса должны двигаться медленно, и лучшую систему зацепления зубьев шестерни . Эти усовершенствования увеличили эффективность ветряных мельниц, используемых для откачки воды из польдеров , в три раза. он получил в 1586 году. Патент на свое изобретение ^{[ 3 ]}

использовались ветряные мельницы с восемью и десятью лопастями . В регионе Мурсия ( Испания ) для подъема воды для ирригации ^{[ 4 ]} Привод от ротора ветряной мельницы проводился вниз через башню и обратно через стену, чтобы вращать большое колесо, известное как нория . Нория поддерживала цепь ведер , свисавшую в колодец. Ведра традиционно изготавливались из дерева или глины. Эти ветряные мельницы использовались до 1950-х годов, а многие башни стоят до сих пор.

Первые иммигранты в Новый Свет принесли с собой технологию ветряных мельниц из Европы. ^{[ 5 ]} На фермах США, особенно на Великих равнинах , ветряные насосы использовались для перекачивания воды из колодцев для скота. В Калифорнии и некоторых других штатах ветряная мельница была частью автономной бытовой системы водоснабжения, включающей вырытый вручную колодец и водонапорную башню из красного дерева, поддерживающую резервуар из красного дерева и обнесенную сайдингом из красного дерева ( танк-хаус ). Саморегулирующийся фермерский ветряной насос был изобретен Дэниелом Халладеем в 1854 году. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} В конце концов, стальные лопасти и стальные башни заменили деревянные конструкции, и на пике их развития в 1930 году, по оценкам, использовалось около 600 000 единиц мощностью, эквивалентной 150 мегаваттам. ^{[ 7 ]} Очень большие легкие ветряные насосы в Австралии запускают насос напрямую с помощью ротора ветряной мельницы. Дополнительная задняя передача между небольшими роторами для зон с сильным ветром и кривошипом насоса предотвращает попытки толкнуть насосные штанги вниз при ходе вниз быстрее, чем они могут упасть под действием силы тяжести. В противном случае слишком быстрая перекачка приведет к короблению штоков насоса, возникновению течи в уплотнении сальника и износу стенки восходящей магистрали (Великобритания) или отводной трубы (США), в результате чего вся производительность будет потеряна.

Таким образом , многолопастной ветряной насос или ветряная турбина на вершине решетчатой башни из дерева или стали на многие годы стали неотъемлемой частью ландшафта всей сельской Америки. ^{[ 8 ]} Эти мельницы, изготовленные различными производителями, имели множество лопастей, поэтому они могли медленно вращаться со значительным крутящим моментом при умеренном ветре и саморегулироваться при сильном ветре. расположенные на вершине башни, Редуктор и коленчатый вал, преобразовывали вращательное движение в возвратно-поступательные ходы, переносимые вниз через шток к цилиндру насоса внизу. Сегодня растущие затраты на электроэнергию и совершенствование насосной технологии повышают интерес к использованию этой некогда пришедшей в упадок технологии.

Использование по всему миру

Нидерланды . хорошо известны своими ветряными мельницами Большинство из этих знаковых сооружений, расположенных вдоль края польдеров, на самом деле представляют собой ветряные насосы, предназначенные для осушения земли. Это особенно важно, поскольку большая часть страны находится ниже уровня моря .

В Великобритании термин ветряные насосы используется редко, и они более известны как дренажные ветряные мельницы . Многие из них были построены в районах Бродс и Фенс в Восточной Англии для осушения земель, но с тех пор большинство из них были заменены насосами с дизельным или электрическим приводом. ^{[ 9 ]} Многие из первоначальных ветряных мельниц до сих пор находятся в заброшенном состоянии, хотя некоторые из них были восстановлены. ^{[ нужна ссылка ]}

Ветровые насосы широко используются в Южной Африке , Австралии, а также на фермах и ранчо на центральных равнинах и юго-западе США. В Южной Африке и Намибии до сих пор работают тысячи ветряных насосов. Они в основном используются для обеспечения водой людей, а также питьевой водой для крупных поголовий овец.

Кения также получила выгоду от развития технологий ветряных насосов в Африке. В конце 1970-х годов британская НПО Intermediate Technology Development Group оказала инженерную 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 по всей Восточной Африке . ^{[ нужна ссылка ]}

Во многих частях мира веревочный насос используется в сочетании с ветряными турбинами. Этот простой в конструкции насос работает, протягивая веревку с узлами через трубу (обычно простую трубу из ПВХ), в результате чего вода втягивается в трубу. Этот тип насосов стал обычным явлением в Никарагуа и других местах. ^{[ нужна ссылка ]}

Строительство

Чтобы построить ветряной насос, лопастной ротор должен быть подобран к насосу. В случае неэлектрических ветряных насосов роторы высокой прочности лучше всего использовать в сочетании с поршневыми насосами объемного действия, поскольку поршневым насосам одностороннего действия требуется примерно в три раза больший крутящий момент для их запуска, чем для поддержания их работы. С другой стороны, роторы с низкой прочностью лучше всего использовать с центробежными насосами , лестничными насосами , а также цепными и омывающими насосами, где крутящий момент, необходимый насосу для запуска, меньше, чем тот, который необходим для работы на расчетной скорости. Роторы низкой прочности лучше всего использовать, если они предназначены для привода электрогенератора; который, в свою очередь, может привести в действие насос. ^{[ 10 ]}

Многолопастные ветряные насосы

Водяной насос с приводом от ветра 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. Широко известен в США и Канаде как «флюгер», потому что он ведет себя во многом как традиционный флюгер, перемещаясь в зависимости от направления ветра (но также измеряя скорость ветра). Бренд Butler внес усовершенствования в технологию ветряных насосов в 1897 году. 1898 и 1905 годы ^{[ 11 ]} Ветряной 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 проворачивают рукоятку поршневого насоса. Ветровые насосы не требуют особого обслуживания — обычно только ежегодная замена масла в коробке передач. ^{[ 13 ]} По оценкам, в Соединенных Штатах все еще используются 60 000 ветряных насосов. Они особенно привлекательны для использования на удаленных объектах, где нет электроэнергии и сложно обеспечить техническое обслуживание. ^{[ 14 ]} Обычный многолопастной ветряной насос эффективно перекачивает около 4–8% годовой мощности ветра, проходящей через охваченную им территорию. ^{[ 15 ]}^{[ 16 ]} Такая более низкая конверсия обусловлена плохим согласованием нагрузки между ветряными роторами и поршневыми насосами с фиксированным ходом.

Фундаментальные проблемы многолопастных ветряных насосов.

Неэффективный ротор

Основной конструктивной особенностью многолопастного ротора является «высокий пусковой момент», необходимый для запуска работы поршневого насоса. После запуска многолопастной ротор работает со слишком высоким передаточным числом и КПД ниже своего максимального значения в 30%. ^{[ 17 ]} С другой стороны, современные ветряные роторы могут работать с аэродинамической эффективностью более 40% при более высоком передаточном отношении, что приводит к меньшему завихрению, добавляемому и рассеиваемому ветром. ^{[ 17 ]} Но им понадобится механизм с регулируемым ходом, а не просто кривошипно-поршневой насос. ^{[ нужна ссылка ]}

Плохое согласование нагрузки

Многолопастной ветряк представляет собой 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 превышением скорости (большей скорости, чем необходимо), что приводит к потере аэродинамической эффективности.

Переменный ход будет соответствовать скорости ротора в зависимости от скорости ветра, действуя как «генератор с регулируемой скоростью». Производительность ветряного насоса с переменным 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 создает большой обратный крутящий момент на пусковом роторе, когда кривошип находится в горизонтальном положении и поднимается. Противовес на кривошипе в башне и отклонение от направления ветра может, по крайней мере, распределить крутящий момент на спуск кривошипа. ^{[ нужна ссылка ]}

Разработка улучшенных ветряных насосов

Патентный рисунок ветряной мельницы, винтаж 1889 года.

Чертеж патента на ветряную мельницу Олдрича 1889 года.

Хотя многолопастные ветряные насосы основаны на проверенной технологии и широко используются, они имеют фундаментальные проблемы, упомянутые выше, и нуждаются в практичном механизме с регулируемым ходом. ^{[ нужна ссылка ]}

Эксперименты Министерства сельского хозяйства США в Техасе

В период с 1988 по 1990 год ветряной насос с регулируемым ходом был испытан 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 г.). ^{[ 18 ]} Системы управления ветронасосами регулируемого хода были механическими и гидравлическими; однако эти эксперименты не привлекли внимания ни одного производителя ветряных насосов. После экспериментов с ветряным насосом с регулируемым ходом исследования были сосредоточены на ветроэлектрических системах водонасоса; Коммерческого ветряного насоса с регулируемым ходом пока не существует. ^{[ нужна ссылка ]}

Порхающие ветряные насосы

В Канаде были разработаны порхающие ветряные насосы, ход насоса которых сильно варьируется в зависимости от амплитуды, чтобы поглощать всю переменную мощность ветра и предотвращать раскачивание однолопастного насоса слишком далеко за горизонталь от его среднего вертикального положения. Они намного легче и используют меньше материала, чем многолопастные ветряные насосы, и могут эффективно перекачивать воду при слабом ветре. ^{[ 19 ]}^{[ 20 ]}

Ветряной насос с регулируемым ходом

Турецкий инженер модернизировал технологию ветряного насоса с регулируемым ходом, используя современное электронное оборудование управления. Исследования начались в 2004 году при государственной поддержке НИОКР. Первые коммерческие ветровые насосы нового поколения с регулируемым ходом были разработаны после десяти лет исследований и разработок. Конструкция ветряного насоса с регулируемым ходом мощностью 30 кВт включает в себя современный ветровой ротор типа Дарье, технологию противовеса и рекуперативного тормоза. ^{[ 21 ]}

Вертикально-осевой ветровой насос (ВВП)

Используя ветряную турбину с вертикальной осью, можно решить проблему перенаправления крутящего момента турбины с горизонтальной на вертикальную ось, создавая таким образом базовое соединение вала между турбиной и насосом. ^{[ 22 ]} Прямое соединение может обеспечить более эффективный ветряной насос. например, сочетание системы VAWP с системой капельного орошения высокого давления (HP-VAWP) может привести, при правильной оптимизации, к повышению эффективности в два-три раза по сравнению с традиционными ветряными насосами. ^{[ 23 ]}

Комбинации

Погоня

В Нидерландах тьаскер — это дренажная мельница с обычными парусами, соединенными с архимедовым винтом . Используется для перекачивания воды в местах, где требуется лишь небольшой подъемник. Ветровой вал установлен на треноге, которая позволяет ему поворачиваться. Винт Архимеда поднимает воду в коллекторное кольцо, откуда она отводится в канаву на более высоком уровне, осушая таким образом землю. ^{[ 24 ]}

Тайские ветряные насосы

В Таиланде ветряные насосы традиционно изготавливаются по китайской конструкции. Эти насосы состоят из бамбуковых шестов с проволокой, несущих тканевые или бамбуковые паруса; лопастной или лестничный насос крепится к тайскому ротору с лопастями. Они в основном используются в соляных резервуарах , где требуемый подъем воды обычно составляет менее одного метра. ^{[ 25 ]}

См. также

Aermotor Windmill Company — американский производитель ветряных насосов.
Прочность клинка
Змеевиковый насос , еще один часто используемый насос. ^{[ 26 ]}
Лорисфонтейн, Северный Кейп , где находится музей, посвященный ветряным мельницам, накачивающим воду.
Тьяскер в голландской Википедии
Ветряная турбина
Заансе-Сханс

Ссылки

^ Лукас, Адам (2006). Ветер, вода, работа: древние и средневековые технологии фрезерования . Издательство «Брилл». п. 61. ИСБН 90-04-14649-0 .
^ «История наук в исламском мире» . swipnet.se . Архивировано из оригинала 24 мая 2007 года . Проверено 20 августа 2021 г.
^ Сартон, Джордж (1934). «Симон Стевин Брюгге (1548-1620)». Исида . 21 (2): 241–303. дои : 10.1086/346851 . S2CID 144054163 .
^ Схинас, Джилл (2008). «Испанский водопровод» . Yachtmollymawk.com . Проверено 20 августа 2021 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Бейкер, Т. Линдси. «Краткая история ветряных мельниц в Новом Свете» . www.windmillersgazette.com . Архивировано из оригинала 7 октября 2011 года . Проверено 20 августа 2021 г.
^ Клементс, Элизабет (2003). «Исторические повороты в городе ветряных мельниц» . Новости Ферми . 26 (3). Фермилаб . Проверено 20 августа 2021 г.
^ Гайп, Пол (1995). Энергия ветра достигает зрелости . Джон Уайли и сыновья. стр. 123–127. ISBN 0-471-10924-Х .
^ Дюваль, Джордж (18 июля 2021 г.). «Ветряные турбины и ветряные мельницы: в чем разница?» . semprius.com . Проверено 20 августа 2021 г.
^ Уильямсон, Том (1997). Норфолкские Броды: ландшафтная история . Издательство Манчестерского университета. п. 106. ИСБН 9780719048005 .
^ Водоподъемные устройства; подбор лопастных роторов к насосам
^ «Иллюстрация Батлера» (PDF) . Проверено 30 июля 2023 г.
↑ Калькулятор производительности насосной станции на веб-сайте Iron Man Windmill , получено 15 января 2011 г.
↑ Часто задаваемые вопросы на веб-сайте Aermotor , получено 17 сентября 2008 г.
^ «Детали ветряной мельницы» .
^ Арго, Н., «Возобновляемая энергия для перекачивания воды в сельских деревнях», 2003 г., отчет NREL 30361, стр. 27.
^ Брайан Вик, Нолан Кларк «Производительность и экономическое сравнение механической ветряной мельницы с ветроэлектрической водонасосной системой», 1997, Служба сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США, см. Рисунок 2.
^ Перейти обратно: ^а ^б Хау, Эрих «Ветровые турбины», 2005, стр. 101, рис.5-10.
^ Перейти обратно: ^а ^б Кларк, Нолан «Насос с регулируемым ходом для механических ветряных мельниц», 1990, Труды AWEA.
^ «Эконология» .
^ Архивировано в Ghostarchive и Wayback Machine : «WING'D MILLS 2013: FLO'Pump и FLUTTER WELL Pump» . Ютуб .
^ ENA Yelkapan Technologies Ltd.
^ Хаген, Л.Дж., и Шариф, М., 1981, «Эффективность ветряной турбины Дарье и насосов для малонапорной ирригационной перекачки», Министерство сельского хозяйства США, Манхэттен, Канзас, отчет № DOE/ARS-3707-20741/81/ 1.
^ «Кейсар Д., Эйлан Б. и Гринблатт Д. (8 февраля 2021 г.). «Ветряной насос высокого давления с вертикальной осью». ASME. J. Fluids Eng. Май 2021 г.; 143 (5): 051204» .
^ «Виды ветряных мельниц» . Одур . Проверено 24 мая 2008 г.
^ Смолдерс, PT (январь 1996 г.). «Откачка ветровой воды: забытый вариант» (PDF) . Энергия для устойчивого развития . 11 (5).
^ Змеевиковый насос, часто используемый для строительства ветряных насосов.

Внешние ссылки

[1] Лукас, Адам (2006). Ветер, вода, работа: древние и средневековые технологии фрезерования . Издательство «Брилл». п. 61. ИСБН 90-04-14649-0 .

[2] «История наук в исламском мире» . swipnet.se . Архивировано из оригинала 24 мая 2007 года . Проверено 20 августа 2021 г.

[isis-3] Сартон, Джордж (1934). «Симон Стевин Брюгге (1548-1620)». Исида . 21 (2): 241–303. дои : 10.1086/346851 . S2CID 144054163 .

[4] Схинас, Джилл (2008). «Испанский водопровод» . Yachtmollymawk.com . Проверено 20 августа 2021 г.

[Brief_History-5] Перейти обратно: ^а ^б Бейкер, Т. Линдси. «Краткая история ветряных мельниц в Новом Свете» . www.windmillersgazette.com . Архивировано из оригинала 7 октября 2011 года . Проверено 20 августа 2021 г.

[6] Клементс, Элизабет (2003). «Исторические повороты в городе ветряных мельниц» . Новости Ферми . 26 (3). Фермилаб . Проверено 20 августа 2021 г.

[7] Гайп, Пол (1995). Энергия ветра достигает зрелости . Джон Уайли и сыновья. стр. 123–127. ISBN 0-471-10924-Х .

[8] Дюваль, Джордж (18 июля 2021 г.). «Ветряные турбины и ветряные мельницы: в чем разница?» . semprius.com . Проверено 20 августа 2021 г.

[9] Уильямсон, Том (1997). Норфолкские Броды: ландшафтная история . Издательство Манчестерского университета. п. 106. ИСБН 9780719048005 .

[10] Водоподъемные устройства; подбор лопастных роторов к насосам

[11] «Иллюстрация Батлера» (PDF) . Проверено 30 июля 2023 г.

[12] Калькулятор производительности насосной станции на веб-сайте Iron Man Windmill , получено 15 января 2011 г.

[13] Часто задаваемые вопросы на веб-сайте Aermotor , получено 17 сентября 2008 г.

[14] «Детали ветряной мельницы» .

[15] Арго, Н., «Возобновляемая энергия для перекачивания воды в сельских деревнях», 2003 г., отчет NREL 30361, стр. 27.

[16] Брайан Вик, Нолан Кларк «Производительность и экономическое сравнение механической ветряной мельницы с ветроэлектрической водонасосной системой», 1997, Служба сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США, см. Рисунок 2.

[Hau_2005,_page_101-17] Перейти обратно: ^а ^б Хау, Эрих «Ветровые турбины», 2005, стр. 101, рис.5-10.

[ena.com.tr-18] Перейти обратно: ^а ^б Кларк, Нолан «Насос с регулируемым ходом для механических ветряных мельниц», 1990, Труды AWEA.

[19] «Эконология» .

[20] Архивировано в Ghostarchive и Wayback Machine : «WING'D MILLS 2013: FLO'Pump и FLUTTER WELL Pump» . Ютуб .

[21] ENA Yelkapan Technologies Ltd.

[22] Хаген, Л.Дж., и Шариф, М., 1981, «Эффективность ветряной турбины Дарье и насосов для малонапорной ирригационной перекачки», Министерство сельского хозяйства США, Манхэттен, Канзас, отчет № DOE/ARS-3707-20741/81/ 1.

[23] «Кейсар Д., Эйлан Б. и Гринблатт Д. (8 февраля 2021 г.). «Ветряной насос высокого давления с вертикальной осью». ASME. J. Fluids Eng. Май 2021 г.; 143 (5): 051204» .

[Tjasker-24] «Виды ветряных мельниц» . Одур . Проверено 24 мая 2008 г.

[25] Смолдерс, PT (январь 1996 г.). «Откачка ветровой воды: забытый вариант» (PDF) . Энергия для устойчивого развития . 11 (5).

[26] Змеевиковый насос, часто используемый для строительства ветряных насосов.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

[ 24 ]

[ 25 ]

[ 26 ]