Материал: Безопасность жизнедеятельности в экологически неблагоприятных условиях. Суровцев И.С., Борисов Ю.М
период года - от 3 до 6 кВт·ч/(м2·день) и от 3,5 до 6,5 кВт·ч/(м2·день) – в летние месяцы [1]. Наиболее высокими значениями удельной солнечной энергии характеризуются южные регионы: Северный Кавказ, Приморье, юг Сибири. Однако и в других широтах ресурсы солнечной радиации достаточно велики. Более 60 % территории России, в том числе и часть северных районов, имеют среднегодовые поступления от 3,5 до 4,5 кВт·ч/(м2·день) [1]. Следовательно, по актинометрическим сведениям гелиоустановки могут быть успешно применены в ряде регионов России и даже в климате Крайнего Севера при определенных условиях можно развивать некоторые направления солнечного отопления и горячего водоснабжения и в первую очередь сезонных, работающих в летнее время года сооружений.
Целесообразность экспериментального или серийного строительства гелиотехнических зданий в том или ином районе должна выявляться на основании анализа солнечных энергоресурсов и сопутствующих погодных факторов, непосредственно влияющих на тепловой баланс системы солнечного теплоснабжения и наружных ограждений. В комплексную актиноклиматологическую характеристику условий региона помимо данных о солнечной радиации входят сведения о суточном и сезонном ходе облачности, о температуре и влажности воздуха, скорости ветра, осадках и туманах, что обеспечивает возможность статистического анализа указанных параметров.
Соотношение солнечной энергообеспеченности здания или его частей с другими факторами климата, все многообразие возможных случаев расхода и компенсирующего поступления энергии в различных регионах принципиально сводится к следующим вариантам решений [2]:
I – солнечной энергии, поступающей к зданию в отопительном сезоне, достаточно (с учетом реального кпд гелиотехнической системы) для отопления всего проектируемого полезного объема здания (на основании статически достоверных данных, полученных с помощью многолетних наблюдений);
II – посредством солнечной радиации обеспечивается отопление отдельных объемных элементовилиячеекзданиясограждениямиэнергетическивыгодныхориентацийиихсочетаний; III – альтернативной энергии недостаточно для возмещения тепловых потерь здания в целом, но дефицит может быть покрыт подачей к объекту концентрированной теплоты, по-
лученной в солнечные дни отопительного сезона;
IV - энергии недостаточно; дефицит теплоты в отопительном сезоне может быть покрыт лишь с использованием межсезонной аккумуляции солнечной энергии;
V – солнечная энергия в отопительном сезоне к зданиям и сооружениям не поступает, и возможна лишь ее летняя аккумуляция, в том числе с использованием эффективных концентраторов различных систем.
В соответствии с рассмотренными ситуациями технические решения солнечного энергозамещения тепловых потерь проектируемых объектов целесообразно представить в виде следующих основных направлений:
разработка зданий и сооружений, весь полезный объем которых отапливается с использованием солнечной энергии (I вариант проектирования для альтернативной системы теплоснабжения);
разработка в системе строящихся или реконструируемых зданий объемных ячеек (квартир, секций и т.п.) с одно-, двух-, трех- и четырехфасадным облучением (для ситуации I и II);
комплексное соединение двух и более функционально разнотипных зданий, одно или часть из которых отапливаются с использованием солнечной энергии, а другие не отапливаются или не требуют использования солнечной энергии (II-V);
использование отдельных ограждений сооружений из числа ближайших к гелиотехническому объекту в качестве переотражателей с целью концентрации солнечной энергии на объекте облучения (II-V);
создание гелиопоселков с единой или мульти-системами солнечного термостатирования
(I-III);
215
проектирование зданий или комплексов с пообъектным или централизованным межсезонным аккумулированием солнечной теплоты (III-V).
Вкаждом конкретном случае проектирования необходимо принимать ряд системных решений с использованием высокоэффективных средств по улавливанию солнечной радиации и с последующим аккумулированием теплоты на длительный период времени, учитывая климатическую нестабильность значительной части регионов РФ.
Для обоснования выбора наиболее экономически целесообразной схемы альтернативного теплоснабжения автономного потребителя были проведены численные
исследования для различных регионов на базовой модели объекта, которая представляет собой одноквартирный двухэтажный жилой дом полезной площадью 250 м2 с количеством проживающих – 5 человек [3]. Как показал технико-экономический анализ, для большинства климатических зон РФ наиболее эффективными являются установки солнечного горячего водоснабжения. При современных мировых ценах на энергоносители срок окупаемости таких систем составляет от 3 до 7 лет. При этом следует отметить, что существующая глобальная тенденция роста цен на топливные ресурсы делает очевидным целесообразность внедрения в дальнейшем гелиоустановок для теплоснабжения сооружений на большей части территории России.
Приведенные на рис. 1, 2 графики замещения потребляемой теплоты зданием указанных параметров за счет солнечной энергии, уловленной коллекторами с южной ориентацией и установленными под углом наклона, соответствующем широте района расположения, подтверждают значительное сокращение расхода топлива на горячее водоснабжение.
Выработка теплоты, кВт·ч
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Янв. Фев. Мар. Апр. Май. Июн. Июл. Авг. Сен. Окт. Ноя. Дек.
Месяц года
Традиционная система теплоснабжения (доводчик) 
Солнечная система теплоснабжения
Рис. 1. Выработка теплоты солнечной системой горячего водоснабжения и доводчиком для автономного потребителя в течение года, расположенного г. Краснодар
Изменения в нагрузках систем теплоснабжения (рис. 1, 2) показывают необходимость обустройства сооружений коллекторами более высокой производительности, для обеспечения требуемого расхода горячей воды в летние месяцы и получения избытка теплоты с последующим его длительным хранением, предполагающим применение аккумуляторов теплоты, которые повышают надежность установок за счет своевременного покрытия потребления пикового и в условиях повышенной облачности.
216
Выработка теплоты, кВт·ч
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Янв. Фев. Мар. Апр. Май. Июн. Июл. Авг. Сен. Окт. Ноя. Дек.
Месяц года
Традиционная система теплоснабжения (доводчик)
Солнечная система теплоснабжения
Рис. 2. Выработка теплоты солнечной системой горячего водоснабжения и доводчиком для автономного потребителя в течение года для климатических условий г. Москвы
Актинометрические исследования [1], как отмечалось выше, опровергли существовавшую ранее концепцию о недостаточной энергооблученности значительных территорий РФ и выявили ряд регионов, где системы солнечного теплоснабжения могут успешно эксплуатироваться. Однако, темпы их реализации в средней полосе России и в более северных широтах, в основном сдерживаются из-за значительных сроков окупаемости капитальных затрат [3]. Чтобы добиться широкого распространения данного вида нетрадиционного теплоснабжения необходимо разрабатывать более совершенные конструкции улавливающего, теплопередающего и аккумулирующего оборудования с высокими теплотехническими показателями, доступного с точки зрения цены и имеющего достаточно продолжительный срок безотказной эксплуатации. Повышая кпд каждого элемента гелиосистем, в особенности теплового коллектора, можно получить высокий уровень использования солнечной энергии и, как следствие, интенсивное распространение в коммунальном секторе объектов с экологически чистыми и безопасными источниками теплоты.
Библиографический список
1.Попель О.С., Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г. Анализ показателей эффективности использования солнечных водонагревательных установок// Сантехника, отопление, кондицио-
нирование. - 2004.- № 5. – С. 106-107.
2.Щукина Т.В. Солнечное теплоснабжение зданий и сооружений: Воронеж. гос. арх.- строит. ун-т., Воронеж, 2007 – 120 с.
3.Сотникова О.А., Чудинов Д.М. Экономическая эффективность использования солнечных систем горячего водоснабжения// АВОК. - 2007. - № 2. - С. 88-94.
References
1.Popel O. S, Frid S.E., Kolomiets JU.G. Analys of indicators of efficiency of use of solar water-heating installations//the Sanitary technician, heating, air-conditioning. - 2004. № 5. - P. 106107.
2.Schukina T.V. Solar a heat supply of buildings and constructions: Voronezh. State Arh.- build. University, Voronezh, 2007 - 120 p.
3.Sotnikova O. A, CHudinov D.M. Economic efficienc of use of solar systems of hot water supply//AVHAC. - 2007. - № 2. - P. 88-94.
217
МЕХАНИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА, СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ И МЕХАНИЗМЫ
УДК 512 |
|
Воронежский государственный |
Voronezh State University of Architecture |
архитектурно-строительный университет |
and Civil Engineering |
Канд. техн. наук, проф. кафедры высшей |
D.Sc. ( Engineering), Prof. of the mathematical |
математики М.Д. Гончаров |
Dept. M.D. Goncharov |
Россия, г. Воронеж, тел. +7(4732)71-53-62 |
Russia, Voronezh, tel. +7(4732)71-53-62 |
e-mail: GMD@vgasu.vrn.ru |
e-mail: GMD@vgasu.vrn.ru |
М.Д. Гончаров
БАЗИСНЫЕ ФУНКЦИИ АВТОНОМНОГО ВАЛА ШПИНДЕЛЯ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ РЕЖИМОВ УСИЛЕННЫХ ПОПЕРЕЧНЫХ ВИБРАЦИЙ
Рассматривается дифференциальное уравнение, описывающее собственные поперечные колебания автономного (изолированного) вала шпинделя турбинного забойного двигателя в режимах усиленных вибраций. Приводится методика нахождения его базисных функций для приближенного решения.
Ключевые слова: усиленные вибрации, базисные функции, частоты и формы колебаний.
M.D. Goncharov
BASIC FUNCTIONS OF AUTONOMOUS SHAFT SPINDLE ON THE INVESTIGATION
OF THE INTENSIVE CROSS VIBRATIONS MODE
Under consideration is the differential equation, which describes the proper cross vibrations of the autonomous (isolated) shaft spindle of the turbine bottomhole engine on the intensive vibrations mode. The method of finding the basic functions of its approximate solution is given.
Keywords: Intensive vibrations, basic functions, frequency and shape of oscillation.
В многосекционных турбинных забойных двигателях (для бурения нефтяных и газовых скважин) с независимой подвеской секций валы турбинных секций и вал шпинделя образуют ротор, который взаимодействует с неподвижным статором.
Для исследования режимов усиленных поперечных вибраций во всем диапазоне изменения скоростей вращения двигателя необходимо знать собственные частоты и формы колебаний автономных систем: изолированных статора, вала секции и вала шпинделя. Автономные системы в общем случае приходится рассматривать как стержни с переменной жесткостью на изгиб и переменной погонной массой, загруженные по длине переменной продольной силой, которая меняется вследствие массыстержней и перепада давления промывочной жидкости.
Дифференциальные уравнения поперечных колебаний таких стержней не интегрируются в квадратурах и поэтому приходится применять один из приближенных методов, в частности вариационный метод Бубнова-Галеркина [1]. Следуя методу, решение исходного уравнения с соответствующими граничными условиями ищется в виде суммы
© Гончаров М.Д., 2009
218
n |
~ |
(1) |
|
||
y(x) ai yi (x) , |
||
i 1
где ai – постоянные коэффициенты, подлежащие определению, а ~yi (x) – базисные функции. За базисные функции берутся формы собственных поперечных колебаний стержня постоянного сечения при отсутствии распределенных нагрузок, но с теми же самыми граничными условиями. В работах [2, 3] найдены базисные функции для автономного вала сек-
ции и статора.
Отыскание базисных функций автономного вала шпинделя, как и для автономных вала секции и статора, представляет собой самостоятельную задачу.
Ниже представлена расчетная схема изолированного вала шпинделя (рис.), находящегося под воздействием распределенных нагрузок с соответствующими граничными условиями.
Дифференциальное уравнение поперечных колебаний для расчетной схемы (рис.) в общем случае имеет вид
|
|
|
|
|
|
2 |
m(x) y(x) 0. |
(2) |
EJ (x) y (x) |
P(x) y (x) |
|
||||||
Здесь - собственная частота, а |
y(x) соответствующая форма колебаний, подлежа- |
|||||||
x
щая определению; P(x) q( )d - осевая нагрузка от действия собственного веса вала и
0
распределенной нагрузки от перепада давления промывочной жидкости, прокачиваемой через двигатель.
x
|
y(x) |
|
m 2 d |
|
|
|
q d |
С |
|
|
|
y |
|
|
P0
Рис. Расчетная схема вала шпинделя
Нижний конец вала шпинделя, заканчивающийся долотом, находится под действием силы реакции забоя P0 , а верхний – свободен. Параметр C характеризует жесткость нижней опоры (забоя) на поперечное смещение. Поэтому граничные условия математически представляются так:
при x 0 |
y (0 ) 0, |
y ( 0 ) Cy( 0 ) P0 y ( 0 ); |
|
|||
|
|
|
|
y (1) 0 |
|
(3) |
при x 1 |
y (1) 0, |
; |
||||
|
|
|
|
|
|
|
Решение уравнения (2) с граничными условиями (3) ищется в виде (1).
За базисные функции ~yi (x) вала шпинделя (рис.) возьмем формы собственных попе-
речных колебаний стержня постоянного сечения при отсутствии распределенных нагрузок, ностемижесамымиграничнымиусловиями(3). Уравнениеколебанийтакогостержняимеетвид:
~ IV |
4 |
~ |
(4) |
yi |
(x) i |
yi (x) 0, |
219