CC BY
80
ЭНЕРГЕТИКА МЕТАЛЛУРГИИ, ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ
УДК 621.926.2
Пожидаев Ю.А., Кадошников В.И., Савочкина Л.В.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДЕМПФИРУЮЩИХ СИСТЕМ ДЛЯ РЕКУПЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ
По мере расширения спектра и масштаба воздействий человека на природу в условиях функционирования «фронтальной» экономики изменения природной среды по своей величине приблизились к предельным значениям, что спровоцировало сначала формирование локальных экологических нарушений в районах растущих индустриальных центров, а в последующем - глобальных изменений окружающей среды.
Одним из первых, кто подверг критике существующую модель экономического развития, построенную по принципу открытой системы с потребительским образом жизни, был американский экономист К. Боул-динг, который в статье «Экономика будущего космического корабля Земля» (1972 г.) обосновал необжди-мость перехода от «ковбойской экономики» к «экономике космонавтов», работающей в режиме замкнутой системы. Точкой отсчета бурного развития процесса изучения окружающей среды, наблюдений за отдельными элементами биосферы, законодательного творчества в области охраны окружающей среды, разработки ресурсосберегающих технологий служит Стокгольмская конференция, посвященная проблемам окружающей среды (1972 г.). Она же является вежш пережда на модель, концептуальная характеристика которой определяется как «охрана окружающей среды».
В настоящее время существует более 50 определений понятия устойчивого развития (<^ш1атаЫ1йуёеуе1-ортепЪ>). Большинство из них характеризуют устойчивое развитие с точки зрения экоэффекгивности как экологически сбалансированное решение социальноэкономических задач, устраняющее сложившиеся противоречия и обеспечивающее удовлетворение жизненных потребностей человеческого общества в настоящем без ущерба интересов будущих поколений, ибо любое экономическое развитие без учета экологического фактора ведет к превращению нашей планеты в безжизненную пустыню, а гипертрофированное внимание к экологии закрепляет нищету и несправедливость [1].
Для любого производства в каждый данный момент необходимо выполнение двух условий: 1) наличие некоторого ресурса и 2) существование некоторой технологии переработки этого ресурса в продукцию. Все ресурсы для производственной деятельности предоставляет природа, а вот технология - это человеческое изобретение. Цивилизация развивается волнообразно:
периоды эволюции, т. е. накопления опыта использования какого-либо природного ресурса по уже известной технологии (тиражирование продукции), сменяются интервалами освоения нового ресурса (или нового качества уже известного ресурса) и рождением новой технологии. То есть технологической революции, которая переводит цивилизацию на качественно более вы-сокийуровень, на котором снова начинается эволюционирующее тиражирование, и т. д.
Появление новыхвидовэнергетическихисточников, транспортных средств способствовали развитию новых видов деятельности (скотоводство, земледелие), появился избыточный товар, создались условия для разделения труда. Обеспечение дополнительного роста энергетических и других возможностей человека нарушило основы родового строя. Создалась ситуация, когда собственной энергии членов рода и силы животных стало не хватать.
Только острый недостаток энергии заставлял человечество искать новые ее источники, не говоря уже о рациональном использовании. Некоторые страны, в том числе и Россия, до сих пор наждятся во власти подобного энергетического синдрома. Необходимость
- мать изобретений.
Сложившаяся ситуация в мире вновь подталкивает человечество к освоению новых источников энергии. На этот раз к наиболее трудно утилизируемым, таким как: солнечная энергия, ветровая энергия, энергия океана, биологическая энергия.
В наше время на каждом шагу приходится сталкиваться с различными противоречиями. Почти ежедневно приходится читать о нехватке топлива или дефицитного сырья и одновременно о том, что имеющижя запасов угля и ядерного горючего хватит для обеспечения энергоснабжения мира на сотни лет, хотя расширение масштабов их использования может вызвать серьезные последствия для окружающей среды. Говорят, что необоснованные решения, принимаемые правительствами разных стран, являются причиной перебоев в снабжении населения других стран топливом и что рост цен на топливо приведет к росту его дефицита. Говорят также, что государственное регулирование охраны воздушного и водного бассейнов влияет на рост цен на энергию, но что без этого состояние здоровья людей существенно ухудшилось бы. Жизнь, кажется, действительно становится все сложнее.
Тенденция к постоянному росту энергопотребления очевидна. Если не заниматься проблемой рацио -нальности использования невозобновляемых источников энергии, то есть риск, что человечество попадет в энергетический кризис. Насколько это реально, будет ясно уже в ближайшем будущем, так что возможный «апокалипсис» будет определять энергетическая составляющая, а именно ее энергосберегающая часть.
Этому свидетельствуют материалы XV конгресса Мирового энергетического совета, состоявшегося в 1992 году. Основные выводы этого конгресса:
- органические топлива останутся основой энергообеспечения; ихабсолютное потребление возрастет при любых реалистических сценариях Не просматривается ни одного нового источника энергии, по крайней мере, на ближайшие 30 лет;
- в этих условиях первоочередной задачей мирового сообщества является повышение эффективности использования природных энергетических ресурсов, без чего невозможно будет в перспективе решать глобальные проблемы обеспечения устойчивого энергоснабжения и охраны окружающей среды.
По данным экономического обозрения в 2006 г. представлены сведения о первичном потреблении энер -гетических ресурсов миллионов тонн нефтяного эквивалента (млн т н. э.), которые сведены в табл. 1 [11].
Количественное отражение ресурсов энергии - в табл. 2 [2].
То есть в обозримом будущем на состояние динамического равновесия между промышленным производством и окружающей средой можно надеется только через энергосбережение, рациональное ресурсопользование.
Даже при самом оптимистичном развитии событий ясно, что необждимо осваивать возобновляющиеся источники энергии, при этом стремиться к максимальному КПД агрегатов и механизмов. Разработки
Таблица 1
Первичное потребление энергии, млн т н.э., данные на 2004 г.
Потребитель Нефть Газ Уголь Атомная энергия Прочее Всего
Мир 3989 2303 2731 624 1540 11187
Большая восьмерка 1631 1294 901 463 538 4826
США 916 512 557 188 159 2332
ЕС=25 687 413 318 291 80 1789
Россия 129 362 106 32 40 669
Африка 133 68 99 3 255 558
Ближний Восток 393 203 10 0 4 609
Европа 761 463 373 235 187 2019
Страны СНГ 280 520 185 52 45 1082
АТР* 1043 311 1449 119 715 3636
Северная Америка 1027 590 588 208 174 2587
Латинская Америка 353 147 27 7 161 695
новых технологий необходимо вести с учётом внедрения энергосберегающих технологий. Именно технологии энергосбережения позволят рационально пользоваться ресурсами.
Проблема поиска возобновляемых источников энергии сегодня более чем актуальна. Правительство Российской Федерации выражает большую заинтересованность в инновационных технологиях энергосбережения. Использование энергии солнца, ветра, волн, биотоплива является приоритетным направлением. Поэтому разработка и внедрение рекуператоров энергии колебательных систем, которые нас окружают, не должны оставаться без внимания.
В современной технике много различных колебательных систем и устройств. Резонанс, выражающийся в нежелательных колебательных процессах многих систем и устройств, гасится применением различных амортизаторов, демпферов и пружин, энергия которых рассеивается в окружающей среде и, как правило, безвозвратно теряется.
В любой колебательной системе или устройстве присутствует система демпфирования. От того, как качественно работают демпферы, зависит технологичность колебательной системы и устройства. Конструктивно демпферы подразделяются по способу демпфирования, что определяет характеристику затухания колебаний. Основные характеристики затухания колебаний - постоянное трение; регрессивное затухание; линейное затухание; квадратичное затухание. В современных демпферах эти характеристики комбинируются для получения эффективного гашения колебаний.
По результатам исследования колебательных систем металлургического оборудования, объектами, в которых присутствуют подобные системы, являются дробилки и мельницы, кузнечно-прессовое оборудование, транспортёры, электродвигатели большой мощности, авто- и железнодорожный транспорт и др. Объектом для дальнейших исследований выбрана
Таблица 2
Ресурсы энергии на Земле в 2000 г.
Наименование ресурсов Количество энергии, МВт/ч
Невозобновляющиеся (общие запасы):
Термоядерная энергия 100000 1012
Ядерная энергия деления 547 1012
Химическая энергия ископаемых органических горючих 55-1012
Внутреннее тепло Земли (геотермальная энергия) 0,13410'2
Возобновляющиеся в течение года:
Энергия солнечных лучей, достигающих земной поверхности 580-1012
Энергия солнечных лучей, аккумулирующаяся в верхних слоях атмосферы (150-200 км) в виде атомарного кислорода 0,000012-1012
Энергия морских приливов и отливов 70-1012
Энергия ветра 1,7-1012
Энергия рек 0,018-1012
ш
б
Рис. 1. Гидравлические подушки: а - отдельная подушка; б - зависимые подушки
Рис. 2. Винтовые амортизаторы для преобразования амплитудных колебаний в электрическую энергию: а - с генератором на винте: 1- генератор,
2 - муфта, 3 - винт, 4 - гайка; б - с генератором на гайке: 1 - генератор,
2 - гайка-вал, 3 - винт
четырёхвалковая дробилка. Большее количество энергии посредствам дробления переходит в кинетическую энергию пружин в верхней паре валков.
Наиболее широкое использование получила электрическая энергия. Постиндустриальное общество сегодня не может представить своё существование без наличия источника электрической энергии. В Российской Федерации на сегодняшний день издан целый свод законов об «Энергосбережении и энергетической эффективности» [4, 5], которые разъясняют направленность современного отечественного прогресса и правила реализации энергоресурсов.
Как один из рациональных вариантов реализации технологии сбережения энергии - это рекуперация упругостной энергии пружин в электроэнергию.
Спроектировано несколько вариантов электромеханических демпферов для реку пер ацииэнер гии [10].
Для преобразованиямалоамплитудныхи высокочастотных колебаний предлагается использовать демпфирующие устройства в виде гидравлических подушек двух типов: зависимых (объединённых) и независимых (отдельных) (рис. 1).
Отдельная подушка (рис. 1, а) демпфирует колебания посредством поршня 1, находящегося в цилиндре подушки 2. Система заполнена рабочей жидко-
стью, которая передаёт колебания от подушки по соединительным трубкам бегунку (магниту) 6 генератора. Генератор выполнен в виде цилиндра 4, в котором находится бегунок, а снаружи цилиндра намотана обмотка 5. Бак 7, заполненный частично жидкостью, находящейся под создаваемым газом (азот) давлением, - аккумулятор.
Принцип работы зависимых подушек (рис. 1, б) аналогичен, только применение их возможно там, где колебания согласованы (опоры ДВС, электродвигателей и т.д.).
Желательно применение подобных устройств при установившихся коле бате ль ных процессах Это требование позволит более рационально проработать кинематику системы и выбрать электрогенератор.
Для преобразования колебаний с большой амплитудой в электрическую энергию применимы также амортизаторы с генератором на винте (рис. 2, а) или гайке (рис. 2, б). Для практического применения возможно изменение кинематических схем для эффективного и технологичного функционирования демпфирующей системы.
Амортизаторы при восприятии нагрузки превращают поступательное перемещение элементов (винта или гайки, изготовленных с большим шагом р>7Л, где ^ - средний диаметр, во вращательное движение гайки (винта). Один из элементов жестко закрепляется, а на другой устанавливается электрогенератор, который вырабатывает электроэнергию.
Особенностью таких амортизаторов является наличие электрогенератора, который вырабатывает электроэнергию и обеспечивает требуемый коэффициент сопротивления демпфирующей системы. Коэффициент сопротивления зависит не только от спектра возмущений, но и от параметров самой демпфирующей системы. Данные системы демпфирования с электромеханическим амортизатором позволяют учитывать все возможные факторы, влияющие на характер колебаний, с использованием блока управления, который определяет рациональный параметр коэффициента сопротивления, а также долю рекуперируемой энергии.
С развитием техники и кибернетики появилось новое подразделение демпфирования - активное демпфирование и демпфирование с временно постоянным коэффициентом сопротивления. Однако наиболее рациональное решение - это применение системы демпферов с регулируемым коэффициентом демпфирования. Однако на сегодняшний день очень мала доля демпфирующих систем или устройств по преобразованию энер-гии колебательных систем. Наиболее ярким примером является поплавково-волновая электростанция, которая преобразуетэнергию колебанияволнв электроэнергию.
При незначительных конструктивных изменениях экономия теряемой энергии на демпфировании со -
ставляет 10%, что подтверждено экспериментально [8]. Поскольку задача рекуперации энергии обусловливает наличие генератора в демпфирующей системе, то генератором выступает электрическая машина, тип которой определяется режимами работы. Электрогенератор при рациональном выборе и компоновке демпфирующей системы позволяет в широком спектре варьировать коэффициент демпфирования. Данное качество позволяет системе демпферов оперативно стабилизировать колебательный процесс.
При внедрении подобных систем в машиностроении и металлургии к системе демпферов предъявляются определённые критерии. Как правило, это минимизация перемещений, ускорений, снижение количества резонансных режимов, вредных вибраций и акустических шумов. Не всегда при проектировании и моделировании удаётся правильно скомпоновать демпферы и безошибочно построить амплитудно-частотную характеристику. Иногда в силу других обстоятельств система демпферов перестает выполнять свои функции полно -ценно. Система демпферов для рекуперации энергии позволяет не только корректно выполнять все задачи по минимизации параметров колебаний, но и рекуперировать энергию. Утилизация рекуперируемой электроэнергии возможна для местного освещения, отопления и других хозяйственных нужд.
Но до сих пор не сформулирована методология проектирования подобных устройств. Целесообразно объединить подходы к решению задачи рекуперации энер-гии колебанийвэлектрическуюэнергию. Такимобразом, будет представлена попытка создать методологию проектирования демпфирующих систем для рекуперации энергии - это и есть задел для дальнейшей работы.
Список литературы
1. Развитие энергоэффективных технологий ите<ники: введение в хрестоматию энергосбережения для юношества / Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков, В.ГЛисиенко. Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс, 2004. 144 с.
2. Хрестоматия энергосбережения: в 2-х кн. / под ред. В.Г. Лисиенко. М.: Теплоэнергетик, 2002. Кн. 2. 768 с.
3. БушуевВ.В. Энергоэффективность как направление новой энергетической политики России // Энергосбережение. 1999. № 4. С. 32-35.
4. Концепция перех ода Российской Федерации к устойчивому развитию [Электронный ресурс]: Указ Президента РФ от 01.04.96 г. № 440 // Юридическая Россия: Федеральный правовой портал (у.3.2). и^: http://law.edu.ru.
5. ГОСТ Р 51541-99. Энергосбережение. Заголовок: Энергетическая эффективность. Состав показателей. Общие положения [Электронный ресурс]. и^: www.e-safe.prom-res.ru.
6. ЧоджойМ. X. Энергосбережение в промышленности: пер. с англ. М.: Металлургия, 1982. 272 с.
7. Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов / А.П. Егоричев, В.Г. Лисиенко, С.Е. Розин, Я.М. Щелоков. М.: Металлургия, 1990. 149 с.
8. Пожидаев Ю.А., Кадошников В.И. Проектирование экспериментальной установки для оценки доли рекуперации кинетической энергии колебательных процессов // Процессы и оборудование металлургического производства: межрегион. сб. науч. тр. / ГОУ ВПО «МГТУ». Магнитогорск, 2009. Вып. 8. С. 177-179.
9. Пожидаев Ю.А. Исследование процессов колебательных систем металлу ргического оборудования // Аюуальныепроблемы современной нау ки, техники и образования: матфиапы 68-й межрегион. науч.-техн. конференции / ГОУ ВПО «МГТУ». Магнитогорск, 2010. Т. 1. С. 254-256.
10. Пожидаев Ю.А. Энергосберегающая технологиярекуперации энергии колебательных процессов // Процессы и оборудование металлургического производства: межрегион. сб. науч. тр. / ГОУ ВПО «МГТУ». Магнитогорск, 2006. Вып. 7. С. 137-139.
11. Экономическое обозрение энфгетическая безопасность: материалы Между нар. форума неправительственных организаций и экспертов / Ин-т энергетики и финансов. СПб., 2006. № 4. 85 с.
Bibliografy
1. Danilov N.I. The development of energy-efficient technologies and techniques: an introduction to chrestomathies of energy saving for young adults / N.I. Danilov, YA. M. Shchelokov, V.G. Lisienko. Ekaterinburg: Uralenergo-Press, 2004. 144 p.
2. Lisienko V.G. Hrestomatiya energy saving: Reference book: In 2 books. Book 2./ Edited by V. G. Lisienko/ V. G. Lisienko, YA. M. Shchelokov, M. G. Ladigichev. M.: Power engineering, 2002. 768 pp.
3. Bushuev V. V. Energy efficiency as a direction of new energy policy of Russia/ V. V. Bushuev // Energy Saving. 1999. num. 4. P. 32-35.
4. The concept of transition Russian Federation to sustainable development [Electronic resource]: the Presidential Decree from 01.04.96 y. num.440 // Terms of Russia: the Federal law portal (v.3.2). URL: http://law.edu.ru.
5. GOST R 51541-99 Energy saving. Title: Energy efficiency. The set of indicaors. General provisions [Electronic resource]. URL: www.e-safe.prom-res.ru.
6. Chojoy M.H. Energy efficiency in industry. Translation from English / M.H. Chojoy. M.: Metallurgy, 1982. 272 pp.
7. Egoriychev A P. Rational use of fuel and energy resources / A.P. Egoriy chev, V.G. Lisienko, S.E Rozin, YA. M. Shchelokov. M.: Metallurgy, 1990. 149 pp.
8. Pozhidaev Yu.A. Design of the experimental setup for the assessment of recovery of the kinetic energy of oscillatory processes / Yu.A. Pozhidaev, V.I. Kadoshnikov // Processes and equipment of metallurgical production: Interregional collection of scientific papers / The state general educational establishment the supreme professional association «Magnitogorsk state technical university named after G.I. Nosov». Magnitogorsk, 2009. Vol. 8. P. 177-179.
9. Pozhidaev Yu.A. Investigation processes of the oscillatory systems of metallurgical equpment / Yu.A. Pozhidaev // Actual problems of modern science, technology and education: materials of the 68-th inter-regional scientific-technical conference / The state general educational establishment hie supremeprcfessional association «Magnitogorsk state technical university named after G.I. Nosov» Magnitogorsk, 2010. Book num. 1. P. 254-256.
Ю Pozhidaev Yu.A. Energy-saving technology for recovery energy of oscillatory processes / YuA. Pozhidaev // Processes and equipment of metallurgical production: Interregional collection of scientific papers / The state general educational establishment the supreme professional association «Magnitogorsk state technical university named after G.I. Nosov». Magnitogorsk, 2006. Vol. 7. P. 137-139.
11. Economic review: energy security: Materials of the International forum of non-governmental organizations and experts / Institute for energy and finance. SPb., 2006, № 4, 85pp.
