CC BY
19
Рисунок 3. Изменение плотности тепловых потоков на теплой и холодной поверхностях пластины со временем
Результаты экспериментального определения термического сопротивления и теплопроводности базальто -композиционного материала представлены в таблице 1.
Таблица 1
Значения термического сопротивления и теплопроводности базальто-армированной композиционной пластины
№ эксперимента
Rk, (м2-°С)/Вт
X, Вт/(м-°С)
Хср, Вт/(м-°С)
1
0,450
0,055
0,467
0,053
0,054
0,462
0,054
2
3
Выводы
Значение теплопроводности исследуемого композиционного базальто-армированного композиционного материала составило 0,054 Вт/(м-°С). Этот показатель теплопроводности, относит его к классу теплоизоляционных материалов, таких как минерало-плитные ваты, стекловаты и др.
Таким образом, наряду с такими свойствами как коррозионная стойкость, высокая прочность и малый вес, применяемый в конструкциях при построении экранопла-нов, исследуемый композиционный материал, обладает хорошими теплоизоляционными свойствами; что позволяет решить проблему материалоемкости, актуальную при конструировании легких летательных аппаратов.
Список литературы 1. Оснос С.П. О характеристиках базальтовых волокон и областях их применения [электронный ресурс] URL:
2. http://basaltfm.com/ru/articles/article01.html (Дата обращения 01.03.2015).
3. Оснос С. П., Садков В. Н., Киселев М. Н. Коэффициент линейного расширения базальтопластика [электронный ресурс] URL: http://www. specpolymer.com /arm/articles/pages6.php (Дата обращения 05.03.2015)
4. Заричняк Ю.П., Иванов В.А. Зависимость теплофи-зических свойств наполненных фторопластов от температуры и концентрации наполнителей « Пластические массы» 2013 №7, с. 35-37
5. ГОСТ 7076-99 Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме.
ОСНОВНЫЕ ЭПОХИ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ
Мартынова Светлана Геннадьевна
Магистрант кафедры электроснабжения и электротехники, ФГБОУВПО «Тольяттинский государственный
университет», г.Тольятти Мартынов Николай Олегович
Магистрант кафедры электроснабжения и электротехники, ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный
университет», г.Тольятти
В течение следующих десятилетий ожидается значительное увеличение энергопотребления, связанное с развитием экономики и приростом населения. Это приведет к росту давления на систему энергоснабжения и по-
требует повышенного внимания к эффективности использования энергии. Это проблемы современной энергетики, которые надо решать прямо сейчас. Доступность энергоресурсов является ключевым фактором для развития эко-
номики и способствует улучшению качества жизни. Ускоряющиеся темпы потребления в сочетании с большой численностью населения, которая продолжает расти, позволяют сделать вывод о том, что новая волна роста энергопотребления в значительной степени придется на развивающиеся страны. Человек только начинает осознавать ограниченность ископаемых ресурсов, в условиях необходимости рационального их использования. Нефти с 1960 по 1970 год было израсходовано столько же, сколько за предыдущие 100 лет. К 2030 году доля нефти как энергоносителя сократится до 16 %. Между тем из разведанных и эксплуатируемых скважин извлекалось до недавнего времени всего 30 % нефти. Уголь может снова стать важнейшим источником энергии. Другой альтернативой всё чаще называется - атомная энергия. Плодами экономического роста пользуется порядка 15 % населения Земли (в основном, страны Запада), а энергетические ресурсы сосредоточены преимущественно в развивающихся странах. США, ЕЭС, Канада, Япония потребляют 1/2 всей мировой энергии, 1/3 удобрений, 2/3 всех металлов, 2/3 деловой древесины. Они же производят более 2/3 мирового валового продукта, обеспечивают 2/3 мировой торговли, выбрасывают 3/4 всех загрязнителей. Вложение энергии на 100 000 человек в Нидерландах составляет 914 пентаджо-улей, Германии - 418, Великобритании - 355, Японии -352, США - 74, в России - только 16. Борьба за обладание энергоресурсами часто кончается военными конфликтами. В современных условиях усилия в этих конфликтах все чаще направляются не на захват территорий противника, а на подавление военно-экономического потенциала - устранение «конкурента» и обеспечение господства победителя на рынках сырья и сбыта. Это мнение особенно актуально для сегодняшней ситуации в мире. В настоящее время основными источниками энергии являются углеводороды и урановые руды. Их мировые запасы примерно уже известны, и, даже по самым оптимистическим оценкам, вряд ли разведка даст увеличение их объемов в разы. Поскольку известен и уровень потребления этих ресурсов, то уже подсчитан и срок, после которого они будут полностью исчерпаны. Очевидно, что никакой режим экономии невозобновляемых источников энергии не в состоянии исключить того момента в будущем, когда они будут полностью исчерпаны. Ситуация усугубляется при этом еще несколькими факторами. Во-первых, экспоненциальным ростом промышленного производства. Поскольку даже при сохранении потребления ресурсов на сегодняшнем уровне их хватит не более чем на несколько десятков лет, то прирост промышленности катастрофически ускоряет приближение всемирной ресурсной катастрофы. В этом отношении переход к термоядерной энергии (возможно, и в более широком смысле - к плазменной энергетике вообще) - единственный из реально известных выходов из грядущего тупика. Но даже если термоядерные реакции в будущем удастся обуздать, останутся нерешенными другие проблемы современной энергетики.
В настоящее время всю историю развития энергетики можно разделить на четыре эпохи:
Эпоха энергии воды. Европа, которая обладала большими площадями водно-энергетического потенциала, получала выгоду от использования энергии производимой путем перемещения воды. Вертикальное водяное колесо, изобретённое, возможно, за два века до рождества Христова, распространилось по всей Европе в течение нескольких сотен лет. К концу римской эпохи, водяные мельницы обеспечивали энергией помол зерна, производство ткани, выделку кожи, распиловку дерева, плавку и формовку железа, и выполняли множество других ранних
промышленных процессов. Производительность увеличивалась, зависимость от человеческой и животной мышечной силы постепенно снижались, и места с хорошими водно-энергетическими ресурсами стали центрами экономической и промышленной деятельности. В средние века, инженеры-гидравлики устанавливают мельницы на лодках и мостах, и вместе с этим появляются плотины для аккумуляции энергии воды и направления её по каналам на колёса. В пятнадцатом веке большие фрезерные комплексы во Франции реально зависели только от энергии воды. Изобретение и распространение распределительного коленчатого валов, позволило применить энергию воды к задачам, которые требуют возвратно-поступательного движения (например, работа молота и дутьё кузнечных мехов), и произвели революцию в черной металлургии. Количество водяных мельниц в Европе неуклонно возрастает. Появляется все больше и больше водно-промышленных комплексов, таких как большие водяные хлопчатобумажных фабрики Уильям Струтта и Ричарда Окрайта, действовавшие в течение 1770-х годов в Англии. Между тем, освоение энергии ветра для движения парусных судов позволило пересечь океанские просторы, открыв европейцам Америку. Колонисты привезли с собой водяные мельницы, которые распространились от Латинской Америки до Канады. К 1800 году граждане вновь созданных Соединенных Штатов импортировали текстильные английские фабрики, и в течении двух десятилетий экспансивного водно-энергетического развития промышленные города появились в штатах Лоуэлл, Массачусетс и других местах новой Англии. К тому времени промышленной революции, евро-американская промышленность зависела почти исключительно от энергии воды.
Эпоха пара. Современная эпоха началась с восемнадцатого века с внедрения паровой энергии на английских угольных шахтах Томаса Сейвери и Томаса Ньюко-мена. Их паровые двигатели и двигатель Джеймса Ватта вытеснили географически зависимые водяные установки. Взаимоотношения в областях добычи угля, железной промышленности и паросиловых установок привело к достижениям в области паровой техники, и с 1800 годов паровые двигатели дополняли водяные колёса на английских текстильных фабриках. Предприниматели поняли, что сила пара преодолела географическую зависимость от энергии воды, что один паровой двигатель может работать на несколько заводов, в то время как водяные колеса были подвержены остановкам, вызванными засухой, наводнениями, и замерзанием рек. Хотя энергия воды по-прежнему являлась доминирующим энергоносителем для производства на протяжении большей части девятнадцатого века, особенно во Франции и Соединенных Штатах, паровая энергия в конечном счете, оказалась более гибкой и экономически эффективной. В девятнадцатом веке, паровые двигатели существенно улучшились. Американские бизнесмены привезли паровые двигатели из Англии, и в 1840-х годах они начали успешно конкурировать с водяными колёсами. Филадельфийский изобретатель Оливер Эванс, известный в среде автоматизации производства муки с использованием энергии воды, запатентовал один из первых успешных паровых двигателей высокого давления. Его двигатель и другие по его образцу вскоре распространились на речных судах и железных дорогах, что ознаменовало транспортную революцию в Америке XIX века. В Филадельфии в 1876 году огромный паровой двигатель Корлисса возвышался над главным залом и обеспечивал сотни машин показываемых на выставке Centennial. Паровой двигатель установил постоянную связь между
ископаемыми энергетическими ресурсами и индустриализацией. На тихоокеанском побережье, производители и перевозчики продолжали использовать дерево, но предпочитали использовать уголь и импортировали его по высокой цене из таких далеких мест, как Австралия. Дефицит и высокая стоимость хорошего угля на побережье Тихого океана в сочетании с открытием нефти в южной Калифорнии привели к использованию нефти в качестве топлива для паровых двигателей, которая вытеснила уголь, как топливо в течение первой половины двадцатого столетия.
Эпоха электричества. Одна из основных технологических проблем в использовании энергии — это её передача. К концу восемнадцатого века, увлечение феноменом электричества захватывает множество людей. Производство электроэнергии с помощью первых батарей, затем на основе явления электромагнитной индукции, передача электроэнергии по медным проводам, и развитие электродвигателей в конечном счете произвели революцию в транспортировке энергии. К концу XIX века, ограниченное и зависимое прямое подключение мануфактурных машин от водяных, ветряных мельниц и паровых двигателей через приводные валы и ремни уступило место электрическому приводу, получающему энергию по проводам протянутым от удалённых гидроэлектростанций и паротурбинных установок. Форма и характер заводов в ХХ веке изменилась кардинально, так как машины с электроприводом можно было установить где угодно. Кроме того, электроэнергия вытеснила конные и паровые повозки троллейбусами. Так же электроэнергия заменила газ для наружного освещения, керосин для домашнего освещения, дрова и уголь в печах и обогревателях. Томас Эдисон внёс важнейший вклад в развитие электричества. Как отмечается в исследованиях Института Франклина, инновационный подход Эдисона к изобретению и продвижению развития электрического освещения, плюс развитие производства и распределения, позволили системе заработать. В 1880 году его лампы накаливания сделали возможным широкое распространение, надежной, коммерческой системы внутреннего освещения, и его центральная электростанция на Pearl Street в Манхэттене стала образцом для систем выработки и распределения электроэнергии. Не менее важным Эдисон считал вклад ряда других исследователей электроэнергетических технологий, в том числе Фрэнка Спарга, который построил первый коммерчески успешный электрический трамвай в Ричмонде, штат Вирджиния в 1887 году и Никола Теслу, который разработал генератор переменного тока. К началу двадцатого века, электричество стало излюбленным методом для передачи энергии, но применение его человеком зависит от многих ученых и техников, работающих вместе. Возможно, самым важным изобретением Эдисона была лаборатория промышленных исследований, и в начале двадцатого века исследовательская лаборатория General Electric выступила в качестве модели для развития науки и техники. Там постоянно исследуются возможности по улучшению применения электричества человеком. Среди исследователей можно выделить Уильяма Кулиджа. Его внедрение вольфрамовой нити для ламп накаливания Эдисона, а затем рентгеновской трубки принесли ему самое почетное место в рядах выдающихся учёных и инженеров двадцатого века.
Эпоха атомной энергетики. Так как в течение двадцатого века электроэнергия стала повсеместным явлением, использование энергетических ресурсов возросло неимоверно. Гидроэнергетика продолжала играть важную роль в современной энергетической системе, но доступ-
ные участки для неё иссякали. Инженеры постоянно улучшали паротурбинные установки, для наибольшей выработки электроэнергии из меньшего количества топлива. Так как размер и эффективность электростанций увеличились, стоимость электроэнергии резко снизилась, что стимулировало еще большее потребление электроэнергии. Ископаемые виды топлива во-первых уголь, во-вторых нефть, стали важнейшими ресурсами для производства электроэнергии. К сожалению, в 1960-х годах, рост эффективности электростанций почти прекратился, стоимость электроэнергии стала расти. Кроме того, растущее загрязнение, сопровождающееся кислотными дождями и других негативными воздействиями на окружающую среду было результатом активного использования ископаемого топлива. Поиски альтернативы ископаемым видам топлива для выработки электроэнергии привели многих людей к атомной энергии. Исследования в области физики привели к открытию явления радиации. Наиболее значимые работы в этой области принадлежат Марии Складовской-Кюри, чьи исследования излучения соединений урана подготовили почву для последующих разработок в атомной структуре и внутренней энергии атома. Итальянский физик Энрико Ферми в университете Рима был одним из первых среди ученых, работающих в этой захватывающей области, а в 1930-х годах он сосредоточился на производстве искусственного радиоактивного излучения при бомбардировке атомов урана нейтронами. Так как с подъемом нацистской Германии европейский мир становился все более и более нестабильным, на волне союза Германии с итальянскими фашистами и накала антисемитского движения, Ферми и другие физики-ядерщики стали покидать свои университеты и научно-исследовательские лаборатории для того, чтобы уехать в Северную Америку. Обстоятельства эмиграции Ферми были весьма примечательными, потому что он был удостоен Нобелевской премии в 1938 году и получил разрешение от фашистского правительства Италии поехать в Стокгольм, чтобы получить награду. Однако, вместо возвращения в Италию, он и его жена-еврейка, и дети отправились в Соединенные Штаты, где Ферми стал профессором Колумбийского университета в Нью-Йорке. С началом второй мировой войны в 1940 году, Ферми и другие физики в Европе и Америке поняли, что атом урана расщепленный нейтроном приводит к самовоспроизводящейся цепной реакции расщепления атомов, что позволяет высвободить огромную энергию. Этот процесс, называемый ядерной реакцией, предполагал возможное военное применение, и Ферми и его коллеги из Колумбийского университета вместе с Альбертом Эйнштейном, убедили правительство США изучить эту идею. Между тем, в университете, Ферми стремится к получению управляемой ядерной цепной реакции деления. В 1942 году, когда президент Франклин Рузвельт санкционировал разработку «Проекта Манхэттен», работа Ферми была передислоцирована в Университет Чикаго, где в декабре того же года он и его команда получили первой контролируемую цепную ядерную реакцию. По результатам Второй Мировой войны, Соединенные Штаты создали комиссию по атомной энергетике (AEC) для наблюдения за разработкой ядерного оружия, а также для использования наработок ядерной энергетики в мирных целях. В 1950-е комиссия приступила к сотрудничеству с энергетическими компаниями, такими как Pacific Gas и Энергетическая Компания Калифорнии для развития производства электроэнергии с использованием ядерной реакции. Вскоре ядерная энергия стала одной из самых расхваливаемых решений энергетической проблемы. Промышленно развитые страны во всем мире строили
электростанции для удовлетворения постоянно повышающегося спроса на электроэнергию, но и в ядерной энергетике не обошлось без недостатков. К концу 1970-х годов, сейсмическая безопасность стала достаточно важным вопросом для калифорнийцев, что повлекло за собой мораторий на строительство новых атомных электростанций, и катастрофа на атомной станции «Three Mile Island» в 1979 году в Пенсильвании возбудила противников атомной энергетики. Эти инциденты в сочетании с нерешенной проблемой захоронения радиоактивных ядерных отходов, а также с увеличение времени строительства эффективных и безопасных объектов положили конец дальнейшему развитию АЭС в Соединенных Штатах. В 1986 году авария на Чернобыльской АЭС в Украине и последующее распространение радиационного отравления, направила Италию, Германию и другие страны по пути к прекращению зависимости от ядерной энергетики. Хотя атомная
энергетика не исчезла и по-прежнему рассматривается многими людьми как одно из лучших решений для удовлетворения человеческих потребностей в энергии, использование других ресурсов, таких как энергия солнца, ветра и биомассы, выглядит также достаточно многообещающе.
Список литературы
1. Горбачев В. В. КСЕ. - М.: ОНИКС 21 век, 2010.- 69 с.
2. Карпенков С. X. Концепции современного естествознания. - М., 2004. - 98 с.
3. Садохин А. П. Концепции современного естествознания. - М., 2007- 76 с.
4. Быстрицкий Г.В. Основы энергетики. - М., 2013.102 с.
РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТРЕЩИНОСТОИКОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ
Матохин Геннадий Владимирович
д.т.н., профессор, генеральный директор ООО «РЦ ДИС», г. Владивосток
Игуменов Александр Анатольевич заместитель директора ООО «Тихоокеанский ГАЦ», г. Владивосток
Лютарь Виталий Станиславович
зав. отделом экспертизы объектов угольной горнорудной промышленности, ООО «РЦ ДИС», г. Владивосток
При ремонте тяжело-нагруженных металлоконструкций технических устройств часто возникает необходимость подобрать материал, который бы по своим свойствам был не хуже того, из которого изготовлен ремонтируемый элемент конструкции. Как показывает опыт, подбор материала только по химическому составу и механическим свойствам недостаточно адекватно отражает его эксплуатационную надежность. Это связано с тем обстоятельством, что разрушению большинства нагруженных элементов металлоконструкций предшествует появление усталостных или хрупких трещин. Поэтому целесообразно подбирать такие материалы, которые бы имели характеристики трещиностойкости не хуже чем материалы, использованные при изготовлении. Для практики важно, чтобы характеристики трещиностойко-сти определялись без больших трудозатрат и в тоже время всесторонне отражали свойства материалов элементов конструкции при работе в эксплуатационных условиях. Наиболее подходящими для этих целей являются критерии механики разрушения (К1с,51с), которые оценивают способность металла элементов конструкции сопротивляться разрушению в наиболее неблагоприятных, с точки зрения напряженно-деформированного состояния (плоская деформация), условиях.
Критерии (К1с, 51с) являются критическими характеристиками, которые определяют начало нестабильного, неуправляемого, самопроизвольного развития разрушения. Расчетную оценку указанных критериев возможно произвести на основе структурно-механической модели развития трещин [3]. Модель предполагает дискретное развитие трещины (это подтверждается многочисленными экспериментальными результатами исследования кинетики разрушения), которое реализуется в пластичных металлах. Дискретный рост трещины определяется процессами пластической деформации, протекающими в зоне
предразрушения и приводящими к образованию несплош-ностей на некотором расстоянии от вершины макротрещины. Одномоментный разрыв перемычки между вершиной макротрещины и образовавшейся микронес-плошности и является "шагом" трещины. Для того чтобы трещина дальше развивалась, необходимо следующая порция накачки энергии в зону предразрушения.
Критическая ситуация наступает тогда, когда в процессе разрыва перемычки выделяется достаточно энергии для последующего шага, иначе достижение критического состояния определяется величиной такого расстояния между вершиной макротрещины и местом впереди вершины трещины, где достигается критическая плотность энергии деформации. Таким образом, для расчетной оценки (К1с) необходимо определить условия образования микронесплошностей в зоне предразрушения и определить размер "критического" шага трещины.
В соответствии со структурно-механической моделью [3] на линии продолжения развития трещины условие, при котором образуются микронесплошности (суб-микротрещины) запишется:
R
м„т
а
а
2
а
(1)
где: - ЯМСе - сопротивление микросколу сдеформирован-ного металла; al -напряжение течения в условиях сложно-напряженного состояния (СНС); а2 - второе главное напряжение; ai - интенсивность нормальных напряжений. При СНС:
а1 =аг ! D; a2 = а (2)
где: - D - коэффициент перенапряжения; q = const. Учитывая (2) из условия (1) получим:
