Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние исследований по разработке и примене нию электромагнитных насосов использующих во-зобновляемые источники энергии 7
1.1 Актуальность применения электромагнитных насосов использующих возобновляемые источники энергии 7
1.2 Анализ потребления воды в технологических процессах автономного фермерского хозяйства 14
1.3 Особенности электромагнитных насосов использующих энергию солнца и ветра 19
1.4 Состояние научных исследований по разработке электромагнитных насосов, перекачивающих жидкости 26
1.5 Выводы, цель и задачи исследований 36
2. Теоретическое обоснование параметров и методика инженерного расчета водоподъемной установки, работающей от возобновляемых источников энергии 38
2.1 Разработка блок-схемы и взаимодействия отдельных блоков электроимпульсного насоса 38
2.2 Обоснование электротехнических параметров накопительного конденсатора 40
2.3 Обоснование электротехнических параметров электромагнита 45
2.4 Анализ сил внешнего сопротивления, преодолеваемого якорем электромагнита и разработка принципиальной схемы насоса 57
2.5 Анализ системы электромагнит-насос и корректировка электромагнитной силы 66
2.6 Разработка блока управления и блока подзарядки 67
2.7 Программа для расчета водоподъемной установки работающей от фотоэлектрических преобразователей 71
3. Программа и общая методика экспериментальных исследований 73
3.1 Программа экспериментальных исследований 73
3.2 Общая методика экспериментальных исследований 73
3.3 Методика исследования электромагнитного привода водоподъемной установки 77
3.4 Методика исследования процесса зарядки-разрядки накопительного конденсатора при работе с возобновляемыми источниками энергии.. 79
4. Результаты экспериментальных исследованрш водоподъемной установки 83
4.1 Исследование электромагнитного привода водоподъемной установки 83
4.2 Исследование процесса зарядки-разрядки накопительного конденсатора при работе с возобновляемыми источниками энергии 85
4.3 Комплексное испытание всех узлов водоподъемной установки в производственных условиях 89
4.4 Проверка расчетных и опытных данных 92
5. Эффективность использования водоподъемной уста новки, работающей от солнечных фотопреобразователей, в фермерском хозяйстве 98
5.1 Расчет стоимости доставки воды 98
5.2 Экономическая эффективность использования водоподъемной установки 118
Основные выводы 125
Литература
- Анализ потребления воды в технологических процессах автономного фермерского хозяйства
- Обоснование электротехнических параметров электромагнита
- Общая методика экспериментальных исследований
- Исследование процесса зарядки-разрядки накопительного конденсатора при работе с возобновляемыми источниками энергии
Введение к работе
Современное развитие сельского хозяйства тесно связано с необходимостью скорейшего решения энергетической проблемы, на которую влияют принципы используемых энерготехнологий.
В нашей стране потребляется около 20% всего мирового производства первичных энергоресурсов, однако себестоимость ископаемого топлива растёт быстрыми темпами, что связано с ограниченностью запасов органического топлива, обостряются экологические проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды топливоиспользующими установками. В связи с этим становится всё более необходимым использование возобновляемых энергоресурсов. Особое значение приобретают возобновляемые источники энергии для использования в условиях децентрализованных потребителей энергии.
Основной фактор при оценке целесообразности использования возобновляемых источников энергии - стоимость производимой энергии в сравнении со стоимостью энергии, получаемой при использовании традиционных источников.
В сфере сельскохозяйственного производства применение возобновляемых источников энергии п оможет решить проблему водоснабжения автономных потребителей.
Основная проблема в использовании возобновляемых источников энергии - отсутствие массового производства оборудования использующего возобновляемые источники энергии. Ключевой вопрос - разработка, оптимизация и производство установок, имеющих высокую эффективность при доступных ка-питалловложениях.
Актуальность темы. В настоящее время для автономных фермерских хозяйств вопросы энергоснабжения и создание за счёт этого комфортных условий труда и быта, остаётся пока не решённой. Энергоснабжение таких объектов затруднено отсутствием централизованных систем, большой расредоточено-стыо по территории, передвижным характером работы и малой энергоёмко- стью. Энергообеспечение таких объектов в основном осуществляется с помощью дизель-электрических, ветроэнергетических агрегатов и солнечных установок.
В связи с ростом числа фермерских хозяйств возникает задача выбора рациональных вариантов энергоснабжения стационарных процессов и объектов. Актуальность вопроса обусловлена высокой стоимостью подведения линий электропередач, увеличением стоимости энергоносителей. Одним из перспективных направлений энергоснабжения малоэнергоёмких объектов является использование возобновляемых источников энергии для водоснабжения фермерских хозяйств с применением импульсных электромагнитных насосов.
Цель работы: обоснование параметров автономной установки для водоснабжения индивидуальных арендных, кооперативных и семейных предприятий.
Объект исследования: процесс работы импульсного электромагнитного насоса.
Предмет исследования: функциональная связь между параметрами импульсного электромагнитного насоса и его энергопотреблением.
Методы исследований: в работе использованы теория планирования экспериментальных исследований, элементы математической статистики, метод электротехнического расчёта, метод гидравлического расчета.
Научная новизна: оптимизация параметров и режимов работы импульсного электромагнитного насоса применительно к использованию в фермерском хозяйстве.
Практическая ценность: определены параметры водоподъемной установки; выполнен расчет водоподъемной установки, что позволяет изготовить ее для фермерского хозяйства; изготовлена водоподъемная установка; - экономический эффект от использования водоподъемной установки составляет 41071 руб.
6 На защиту выносятся: обоснование параметров электромагнитного насоса; обоснование параметров устройства для управления электромагнитным насосом; обоснование параметров зарядки-разрядки накопительного конденсатора для привода электромагнитного насоса; конструкция водоподъемной установки работающей от солнечных фотопреобразователей; эффективность использования водоподъемной установки работающей от солнечных фотопреобразователей.
Аппробация работы. Основные результаты исследования доложены на научно-технических конференциях ФГОУ ВПО СГАУ в 2002, 2003, 2004, 2005 годах, КубГАУ 2004 году, Азово-Черноморской государственной агроинженер-ной академии в 2005 году.
По результатам исследования опубликовано 8 статей в сборниках научных трудов СГАУ, КубГАУ, Ставропольского технологического института сервиса, Северо-Кавказского государственного технического университета, получен патент на изобретение.
Опытный образец водоподъемной установки был представлен на всероссийской выставке «Золотая осень 2005», по результатам которой награждён дипломом третьей степени и бронзовой медалью, на международном салоне инноваций и инвестиций в г. Санкт-Петербург в 2005 году был награжден дипломом третьей степени, а также на краевых выставках: «Агроуниверсал - 2003», «Агроуниверсал - 2004», «День урожай 2004», «Промышленная индустрия, станки и инструменты» в 2004 году, «День урожай 2005».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения , 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 110 наименований. Содержит 137 страниц основного текста, 55 рисунков, 26 таблиц, приложения на 18 страницах включают листинг программы, патенты, дипломы и акты внедрения.
Анализ потребления воды в технологических процессах автономного фермерского хозяйства
Опасна, с экологической точки зрения, также добыча нефти с морских платформ и транспортировка её танкерами. Многочисленные аварии танкеров и опрокидывания платформ уже нанесли ощутимый вред акватории и прибрежным районам.
Некоторые авторитетные и независимые международные организации на основании проведенных исследований предполагают /35, 89/, что, при сохранении темпов использования ископаемого топлива, катастрофические экологические изменения могут наступить уже в двадцать первом веке. Для объективности следует отметить, что такие утверждения базируются на результатах теоретических исследований и машинного моделирования. Однако, практически установленный факт того, что любые преобразования ископаемого топлива для производства энергии приводят к различным загрязнениям окружающей среды (включая атмосферу, геосферу, гидросферу и биосферу), не дает повода для сомнений в качестве прогноза крупных экологических проблем.
Социальные аспекты. В связи с тем что автономные фермерские хозяйства удалены от населенных пунктов и ЛЭП возникает проблема их обеспечения водой, так как транспортировка воды или подведение ЛЭП для привода насосных станций приводит к значительным экономическим затратам. По данным /22/ подведение ЛЭП при удалении фермерского хозяйства свыше 5 км. экономически невыгодно.
В этих условиях для подъема воды из скважин или подаче её из водоемов к потребителю рационально использовать ВИЭ.
На рисунке 1.1 показана схема бытового электро- и теплоснабжения сельской семьи с использованием возобновляющихся источников энергии
Ветроэлектрическая установка (ВЭУ) 2 малой мощности и фотоэлектрическая станция (ФЭС) с кремниевыми фотоэлементами через электронный блок управления (БУ) 4 обеспечивают непрерывную зарядку аккумуляторной батареи 3. Бытовая нагрузка в виде телевизора и видеомагнитофона 5, радиоприемника или рации 6, электролампы 7 и электронасоса 8 также подключена к БУ, который поддерживает требуемое качество электроэнергии, обеспечивает защиту от перегрузок и аварийное отключение. Эту схему можно дополнить холодильником и другими приборами мощностью до 100 Вт, напряжением 12 В.
Совместное использование ВЭУ и ФЭС повышает надёжность электро-и теплоснабжения /58, 62/. Электронасос 8 из скважины или водоема 9 наполняет водонапорный бак 12 при действии хотя бы одного источника. Ду шевая установка состоит из солнечных водяных коллекторов и бака-аккумулятора горячей воды. Она работает как термосифон, температура воды в ней достигает 80 С (для зон южнее 50 с. ш.).
Для сушки сельхозпродукции /72, 86/ (рыба, мясо, чай, зерно, мука, фрукты и др.) можно использовать установку 73 с воздушным коллектором и сушильным шкафом. Установка автономна и работает по принципу естественной конвекции. Для ускорения сушки можно применять электровентиляторы и теплоаккумулирующие устройства, например гравийные аккумуляторы. Бытовая печь 10 может быть сложена из местного материала (кирпич, камень, галька). В такой печи эффективнее сжигать топливо суррогатных видов: сухой навоз, солому, тростник, бурьян и др. Теплоту отходящих газов (дыма) от печи целесообразно использовать для выработки электроэнергии и подогрева воды с помощью полупроводникового термоэлектрогенератора (ТЭГ). При этом электроэнергия постоянного тока поступает через БУ для зарядки аккумуляторов и повышает надежность бытового электроснабжения. В качестве электронасоса 8 можно использовать электромагнитный насос. Такие насосы нашли использование на отгонных пастбищах /4/ так как особенности отгонного животноводства (сезонного использования пастбищ, кочевой способ содержания животных) ставят дополнительные задачи, заключающиеся в приемлемых массогабаритных размерах агрегатов, простоты их монтажа, демонтажа и транспортировки на другой водопойный пункт, возможности использования как ветровых так и солнечных источников энергии.
Следует особо отметить, что с использованием в фермерском хозяйстве коллекторов и концентраторов солнечной энергии большой мощности для теплоснабжения и горячего водоснабжения жилища /67/, обязательным элементом является насос для перекачивания жидкого теплоносителя в системе. В настоящее время для этого используются центробежные насосы с приводом от электромотора, питающегося от электросети. В качестве примера можно привести систему отопления и теплоснабжения, установленную Вен речь идет о надежном обеспечении теплотой, светом, водой людей, проживающих в районах автономного энергоснабжения (10 млн.чел.) и энергоди-фицитных (12 - 15 млн.чел.) /13, 38/, а также с постоянным расширением числа фермерских хозяйств, и интенсивным освоением загородных удаленных дачных участков.
Фермерские хозяйства обычно располагаются вдали от населенных пунктов и сельскохозяйственных производственных объектов, а значит, как правило на значительном удалении от источников энергоснабжения.
В начале 2002 года в России насчитывалось 265,5 тыс. фермерских хозяйств, в них работало около 0,9 млн. человек. Сельскохозяйственное производство они вели на 16,5 млн. га собственных и арендованных земель, куда входило 15,6 млн. га сельхозугодий.
Обоснование электротехнических параметров электромагнита
Проанализируем полученные уравнения и диаграммы зарядки и разрядки конденсатора: Поскольку: е = С (2Л4) работа электроимпульсного привода должна производится на верхних участках диаграммы, когда энергия запасенная конденсатором, и потенциал достигают максимума, то есть на участках Ati и At2 (см. рисунок 2.3)
Учитывая малое время срабатывания электроимпульсного привода, электрическая цепь соленоида после притягивания ярма электромагнита к магнитопроводу должна сразу же отключаться во избежания дальнейшей разрядки накопительного конденсатора.
В момент отключения в результате электромагнитной индукции в соленоиде будет поддерживаться ЭДС, которая способна возвратить часть электрической энергии в накопительный конденсатор.
Учитывая, кратковременность импульса, время At2 энергия израсходованная конденсатором может быть определена как среднее арифметическая величина: Краз=?тлЦошш.М2 (2Д5) где Рвкл - мощность электрического тока, Вт, в момент включения соленоида; Ротт. - мощность электрического тока, Вт, в момент выключения соленоида; At2 - время срабатывания электромагнита, с.
Учитывая, что мощность электрического тока равна Р = і U, сила тока і в моменты включения и выключения может быть определена из уравнения (2.13). В момент включения, когда t2 = 0 она равна: - -й рГ-—; = - —, (2.16) вкл _ ж , , _ R2 т2 R так как ехр( ) = 1 Івьіил = — -ехр( 2-) . (2.17) Напряжение в цепи соленоида в момент включения будет равно: а в момент выключения Увыкл 1выкл "-2. Учитывая выражение (2.15) расход энергии конденсатора составит:
В электроимпульсном насосе силовым элементом является электромагнит, а источником питания могут быть генератор постоянного тока, аккумуляторная батарея или накопительный конденсатор, заряжающийся от фотоэлектрического преобразователя (ФЭП), в качестве которого служит батарея преобразующая энергию солнечной радиации в электрическую.
Использование электроимпульсного насоса с накопительным конденсатором, как было обосновано ранее, позволяет использовать его в любом варианте.
Рабочий процесс электромагнита. Рассмотрим рабочий цикл электромагнита, действующего от накопительного конденсатора при кратковремен менном режиме включения (рисунок 2.4). Сі - конденсатор; R — активное сопротивление цепи; L - индуктивность. Рисунок 2.4 - Принципиальная схема электромагнита с накопительным конденсатором
Рабочим циклом электромагнита называется последовательность явлений в течение периода включения и отключения его обмотки /29, 53/.
Рабочий цикл электромагнита работающего от накопительного конденсатора будет существенным образом отличаться от стандартного рабочего цикла электромагнитов, работающих со стабильным напряжением по следующим причинам.
1. При включении обмотки электромагнита конденсатор начнет разря жаться, а напряжение на его клеммах быстро уменьшатся. Следовательно на растание тока в обмотке после ее включения будет нарастать менее интен сивно, чем это имеет место при использовании источника постоянного тока со стабильным напряжением.
2. Понижающее напряжение на клеммах конденсатора должно обеспечивать в обмотке ток, достаточный для образования электромагнитной силы Рм, способной преодолеть силу сопротивления Рс механизмов насоса.
3. Сила сопротивления движению якоря будет складываться из силы сопротивления инерции всех движущихся масс, а именно массы якоря электромагнита, насоса массы перемещаемой жидкости, а также сил трения в механизмах, гидравлических сопротивлений. Следовательно, при разработке конструкции насоса силы сопротивления системы электромагнит- насос должны быть максимальными.
Проанализируем диаграмму рабочего цикла электромагнита с накопительным конденсатором (рисунок 2.5)
При замыкании ключа S2 (см. рисунок 2.1 и 2.4) через катушку электромагнита пойдет ток /, создавая электромагнитную силу Рм.
После включения обмотки якорь еще некоторое время будет находится в начальном положении. Это время называется временем трогания t . Существование времени трогания обусловлено тем, что ток / в обмотке электромагнита в начальный период недостаточен для образования электромагнитной силы Рм, способной преодолеть силу сопротивления Рс механизмов насоса. За время tmp сила Рм достигает необходимой величины Рм Рс, после чего якорь начинает ускоренное движение. Закон движения якоря в этот период описывается уравнением: a2 S (2.19) тя =РМ-РС. а-г
Одновременно происходит и разрядка накопительного конденсатора до напряжения ира3р, которое должно обеспечить силу тока /, способную для поддержания силы Рм нужной величины.
Необходимо подчеркнуть, что при движении якоря зазор между ним и ярмом магнитопровода уменьшается, что способствует усилению магнитного потока, а как следствие, увеличению электромагнитной силы Рм, что в некотором отношении компенсирует снижение напряжения на клеммах накопительного конденсатора.
Таким образом, время срабатывания pa6 электромагнита будет равно сумме времени трогания і„р и движения tde якоря: сраб Imp " " дв \L.1\J)
В результате срабатывания электромагнита его якорь совершит определенную необходимую работу.
В момент отключения обмотки ее магнитное поле будет обладать некоторым запасом энергии, а на клеммах будет существовать некоторая ЭДС Е$І - самоиндукции.
Предлагается в момент отключения катушки ее клеммы переключить на дополнительный конденсатор С дот чтобы энергия самоиндукции могла быть использована для его зарядки (рисунок 2.6)
Общая методика экспериментальных исследований
В соответствии с теоретическими исследованиями процесса перекачивания жидкости с использованием электромагнитного насоса, работающего на основе ВИЭ и программой экспериментальных иследований общая методика предусматривает:
1. Выбор контролируемых параметров в проводимых экспериментах.
2. Определение необходимой надежности и допустимой ошибки измерений контролируемых параметров в соответствии с требованиями ГОСТов, отраслевых нормалей и методик в каждом конкретном случае.
3. Выбор средств измерений, исходя из пределов измеряемой величины, требуемой точности измерения, необходимости автоматической записи и способа обработки экспериментальных данных.
4. Обработку результатов экспериментов выполнять на основе статистических методов с использованием для анализа полученных результатов дисперсионного и регрессионного анализов с применением критериальной статистики.
Изучаемые явления настолько многообразны и сложны, что часто трудно, а иногда не возможно получить точное теоретическое решение, поэтому результаты расчета становятся ненадежными.
Теория должна соответствовать практике, иначе принятые исследователем положения и построения будут иметь предположительный характер. Правильно поставленный научный эксперимент является очень часто единственно надежным способом решения поставленной задачи.
В области техники нельзя разграничивать теоретические и экспериментальные исследования, так как в основе теоретического исследования лежит опыт, а обобщение опытных данных развивает теорию.
Приборы, используемые при измерениях должны проходить периодическую поверку. Перед проведением эксперимента следует выяснить, не будут ли действовать какие-либо факторы, дающие дополнительную ошибку.
Численное значение физической величины получается в результате ее измерения, то есть сравнения ее с другой величиной того же рода, принятой за единицу. При выбранной системе единиц результаты измерений выражаются определенными числами. Известно, что при достаточно точных измерениях одной и той же величины результаты измерений отличаются друг от друга, и следовательно содержат ошибки.
Ошибкой измерения называется разность между результатом измерения х и истинным значением а измеряемой величины /8, 19,21/. А=х-а, (3.1)
Ошибка измерения обычно неизвестна, как неизвестно и истинное значение измеряемой величины. Главной же задачей математической обработки результатов эксперимента является оценка истинного значения измеряемой величины по полученным результатам. То есть после неоднократного измерения величины а и получения ряда результатов, каждый из которых содержит некоторую неизвестную ошибку, ставится задача вычисления прибли женного значения а с возможно меньшей ошибкой. Необходимо измерять величину несколько раз и брать среднюю арифметическую этих измерений.
Эта величина является наиболее вероятным значением измеряемой величины при данном количестве измерений.
Ошибки измерений вызываются большим количеством разнообразных причин (факторов). Иногда в проведенной серии измерений удается выделить такие причины ошибок, эффект действия которых может рассчитан. Систематическая ошибка возникает из-за известной причины, действующей по определенным законам и в определенном направлении. Выявление систематических ошибок, вызываемых каждым отдельным фактором, требует специальных исследований ( например, измерений одной и той же величины разными методами или измерений одним и тем же прибором некоторых эталонов, известных величин). Но как только эти систематические ошибки обнаружены и их величины рассчитаны, они могут быть легко устранены путем введения соответствующих поправок в результаты измерения. Обычно это класс точности приборов. Поэтому мы будем считать что к началу математической обработки результатов измерений все систематические ошибки уже выявлены и устранены. При этом общая ошибка каждого результата остается неизвестной, так что речь идет не о выделении из общей ошибки некоторой части в виде систематической ошибки, а лишь о введение поправок на известный эффект действия тех факторов, которые удалось выявить.
Исследование процесса зарядки-разрядки накопительного конденсатора при работе с возобновляемыми источниками энергии
График представленный на рисунке 4.1 построен по результатам лабораторных испытаний привода электромагнитного насоса, из данного графика видна зависимость силы развиваемой электромагнитом конструкция которого представлена на рисунке 3.2 и схема на рисунке 2.7 от подводимого напряжения на различном ходе якоря. ее U 1 - ход 60 мм, 2 - ход 50 мм, 3 - ход 40 мм, 4 - ход 30 мм, 5 - ход 20 мм, 6 - ход 10 мм. Рисунок 4.1 - Зависимость силы развиваемой электромагнитом от подводимого напряжения
График представленный на рисунке 4.1 позволяет построить график зависимости силы развиваемой электромагнитом от хода якоря при постоян» ном напряжении рисунок 4.2.
Из графика представленного на рисунке 4.2 видно, что предположение о том, что длинноходовой электромагнит с коническим якорем наиболее приемлем для привода поршневого насоса, так как сила развиваемая электромагнитом с увеличением хода якоря меняется незначительно.
На рисунке 4.3 представлена осциллограмма зарядки-разрядки накопительного конденсатора в случае, когда напряжение источника питания равно напряжению срабатывания электромагнита. На рисунке 4.4 представлена осциллограмма зарядки-разрядки накопительного конденсатора в случае, когда напряжение источника питания в два раза больше напряжения срабатывания электромагнита. После обработки осциллограмм получили графики зависимости времени зарядки-разрядки накопительного конденсатора от напряжения источника питания, графики представлены на рисунках 4.5 и 4.6.
Как видно из графиков представленных на рисунках 4.5 и 4.6 предположение о том, что при напряжении источника питания превышающем напряжение срабатывания электромагнита процесс зарядки накопительного конденсатора идет быстрее /100/.
С целью обоснования использования емкостного делителя при использовании энергии самоиндукции электромагнитного привода водоподъемной установки были проведены исследования зарядки-разрядки накопительного конденсатора без использования энергии самоиндукции (рисунок 4.6), с использованием энергии самоиндукции, но без емкостного делителя (т.е. производилась подзарядка основного конденсатора) (рисунок 4.7) и с использованием энергии самоиндукции с использованием емкостного делителя (производилась подзарядка одного из конденсаторов делителя) (рисунок 4.8).
Как видно из графиков рисунки 4.6, 4.7, 4.8 использование емкостного делителя сокращает время зарядки накопительного конденсатора на треть, за счет понижения напряжения на обкладках конденсатора, а следовательно снижения сопротивления возникновению ЭДС самоиндукции в катушке электромагнита, а значит, увеличивается количество энергии самоиндукции используемое для подзарядки накопительного конденсатора /100/. Благодаря этому при тойже мощности источника питания увеличивается частота срабатывания электромагнитного насоса на треть, а значит и производительность.
Для получения модели мощности батареи в зависимости от подачи и напора применялась программа STATISTIC 5.5.
Получено уравнение регрессии второго порядка, выражающее необходимую мощность солнечных батарей в зависимости от необходимых подачи и напора, графическая интерпретация которого приведена на рисунке 4.13. W=-51f641+3f96*x^2,846*y+0,004*^ -3,925е-5*х*у+6,117е-5*у2. (4.1)
Проверку адекватности уравнения регрессии выражающего необходимую мощность солнечных батарей в зависимости от необходимых подачи и напора и опытных данных произведём на основе вычисления F - критерия Фишера
