, (2.16)

где С_х - коэффициент набегания ветрового потока;

- плотность ветра, кг/м³;

v - скорость ветра, м/с.

Составим систему уравнений, в которую входят уравнения проекций действующих сил на оси X и Y, а также уравнения моментов этих сил относительно центра выбранной системы координат.

(2.17)

M_o=0: -G·2·cos50-F·2·sin50+Y₂·5,14=0; (2.18)

(2.19)

Y₁=G-Y₂=9702-2887.77=6814,23 Н; (2.20)

Разобьем опорную конструкцию на две части в месте соединения шарниром и укажем возникающие в нем силы реакции (рис. 2.3).

Рис. 2.3 - Часть опорной конструкции крыши

Составим систему уравнений аналогично предыдущей:

(2.21)

Y₃=G-Y₁=9702-6814,23=2887,23 Н; (2.22)

M_o=0: -G·2·cos50-F·2·sin50+X₃·4·sin50+Y₃·4·cos50=0; (2.23)

(2.24)

Из системы уравнений (2.26) следует:

X₁=F-X₃=1574,4-2419,43=-845,03 Н. (2.25)

Таким образом мы получили следующие составляющие X и Y сил реакции всех трех крепежных соединений (см. рис. 2.2):

(2.26)

Вычислим равнодействующие сил реакции:

; (2.27)

. (2.28)

2.4.3 Прочностной расчет болтового соединения

Расчет на срез болтового соединения будем вести по наибольшей силе реакции, возникающих в местах крепежа.

Для болтов класса прочности 5.8 допустимое напряжение среза лежит в пределах:

[_ср]=500-700 МПа. (2.34)

Наименьший диаметр болта находится из условия:

, (2.35)

где Fср=R1= 783 Н - усилие среза, равное максимальной силе реакции;

S - площадь поперечного сечения болта, мм².

Из формулы (2.35) следует, что:

. (2.36)

Тогда диаметр крепежного болта будет равен:

. (2.37)

Полученный диаметр крепёжного болта очень мал для нашей конструкции 4 мм, поэтому возьмём диаметр 6 мм.

2.5 Расчет структурной надежности системы гелиоводоснабжения

При расчете структурной надежности системы горячего водоснабжения необходимо для начала задаться средним временем наработки на отказ. Рассчитываемая гелиоустановка должна безотказно работать на протяжении времени от весеннего до осеннего равноденствия:

. (2.38)

Закон распределения времени между отказами экспоненциальный. Поэтому основные задаваемые характеристики надежности системы будут равны:

а) интенсивность отказов:

; (2.39)

б) вероятность безотказной работы:

; (2.40)

в) частота отказов:

; (2.41)

. (2.42)

Мы будем оперировать и руководствоваться вероятностью безотказной работы. Задача расчета состоит в том, чтобы сравнить заданную вероятность с расчетной:

P_расч?P_зад. (2.43)

Структурная схема системы гелиоводоснабжения представлена на рис. 2.4.

Рис. 2.4 - Структурная схема системы гелиоводоснабжения:

СТК - солнечный тепловой коллектор; НП - насос подачи жидкого

теплоносителя; ДИЭ - дополнительный источник энергии; БА - бак-

аккумулятор; ЭК - электроклапан подачи холодной воды; СУ - система

управления

Отдельно массив солнечного теплового коллектора изображен на рис. 2.5.

л_Мод=1,2·10^-6 час^-1; л_БА=1,6·10^-6 час^-1;

л_НП=2,3·10^-7 час^-1; л_ЭК=7,86·10^-6 час^-1;

л_ДИЭ=1,3·10^-5 час^-1; л_СУ=4,6·10^-6 час^-1. (2.44)



Рис. 2.5 - Массив СТК

Вычислим вероятности безотказной работы каждого элемента системы:

P_Мод(Т)=exp(-л_МодT)=exp(-1,2·10^-6·4380)=0,95; (2.45)

(2.46)

P_НП(Т)=exp(-л_НПT)=exp(-2,3·10^-7·4380)=0,999;

P_БА(Т)=exp(-л_БАT)=exp(-1,6·10^-6·4380)=0,993;

P_ЭК(Т)=exp(-л_ЭКT)=exp(-7,86·10^-6·4380)=0,975;

P_СУ(Т)=exp(-л_СУT)=exp(-4,6·10^-6·4380)=0,98;

P_ДИЭ(Т)=exp(-л_ДИЭT)=exp(-1,25·10^-5·4380)=0,95. (2.47)

Вероятность безотказной работы I контура установки, включающего массив СТК, насос подачи антифриза и дополнительный источник энергии равна:

P_{I конт}(Т)=P_CТК·P_НП(Т)=1·0,999=0,999. (2.48)

Интенсивность отказов I контура составит:

. (2.49)

Дополнительный источник энергии служит резервным элементом в системе подогрева воды и включается в работу при недостаточной интенсивности солнечного излучения, т.е. является параллельным резервом. Тогда вероятность безотказной работы при резервировании будет равна:

(2.50)

Вероятность безотказной работы и интенсивность отказов всей системы горячего водоснабжения составят:

P_c(Т)=P_Рез(Т)·P_БА(Т)·P_ЭК(Т)·P_СУ(Т)=0,99995·0,993·0,975·0,98=0,95; (2.51)

. (2.52)

Сравнивая расчетную вероятность с заданной, видно, что условие, поставленное в начале расчета надежности системы, выполняется:

P_расч=P_зад. (2.52)

Это означает, что в течение полугода (4380 часов) установка будет работать безотказно.

3. Технологическая часть

3.1 Конструкция детали и анализ её технологичности

Деталь имеет простой внешний контур, который состоит из фигуры, представляющей собой квадрат А = 48 мм. Имеется отверстие диаметром 7 мм на расстоянии 12 мм от центра детали. Толщина 2 мм. Деталь представлена на рисунке 3.1.

Рис. 3.1 - Эскиз детали

Под технологичностью [6] детали понимают сочетание конструктивных элементов, которые обеспечивают наиболее простое и экономическое изготовление детали при соблюдении технических и эксплуатационных требований.

Общими технологическими требованиями к конструкции плоских деталей, полученных вырубкой и пробивкой, являются:

· Необходимость избегания сложных конфигураций с узкими и удлиненными вырезами контура и прорезями: 7 >4.

· При применении цельных матриц сопряжений в узлах внутреннего контура необходимо выполнять с , 0 < 1.

· Наименьшие размеры пробиваемых отверстий , 7 > 1,6.

· Наименьшее расстояние от края отверстия до прямоугольного контура не менее S, до края - не менее 1.5^.S: 8,5 > 3.

Таким образом, деталь является технологичной, т.к. три критерия из четырех соответствуют параметрам технологичности.

Материал детали - сплав алюминия Д16АМ. Сплав обладает высокой коррозионной стойкостью, хорошо деформируется в горячем и холодном состоянии.

Механические свойства сплава Д16АМ [4]:

1. Предел прочности при растяжении .

2. Относительное удлинение .

3. Сопротивление срезу .

Химический состав Д16АМ

Al, %	Cu, %	Mg, %	Fe, %	Mn, %	Si, %	Ti, %	Zn, %
99.3	0.02	0.05	0.30	0.025	0,30	0,15	0,1

3.1.1 Размеры заготовки-полосы. Выбор оптимальной схемы

раскроя полосы

При проектировании следует учитывать, что даже незначительная экономия материала дает возможность удешевить изделия. Поэтому нужно выбрать оптимальную схему раскроя полосы

Согласно [4] для материала существуют стандартные листы с размерами:

1000х2000

1200х2000

1400х2000

1500х2000

1600х2000

1800х2000

2000х2000

2000х3000.

Листы можно разрезать продольно и поперечно (Рисунок 3.2), но в данном случае целесообразно рассматривать разрез листа поперечно - с тем, чтобы длина полосы не превышала 1 м, иначе с ней будет неудобно работать.

Рисунок 3.2 - Схема раскроя листа (а - продольный, б - поперечный)

Посчитаем площадь детали:

(3.2)

Для выбора размеров листа, рассмотрим несколько вариантов.

Рисунок 3.3 - Схема расположения деталей на полосе

Проанализировав приведенные выше раскрои полос, был сделан вывод что схема (а) является наиболее подходящей для выбора штамповки, она имеет меньше отходов и габариты штампа существенно меньше.

3.1.2 Схема штамповки и описание схемы изготовления детали

Для изготовления данной детали используется схема штамповки последовательного действия, в которой деталь будет изготавливаться за два перехода рядом пуансонов при последовательном перемещении заготовки в горизонтальном направлении. Полоса подается справа налево.

Схема штамповки представлена на рисунке 1.5. Обозначения на схеме:

3 - пуансон вырубной 10 - направляющая планка

4 - пуансон пробивной 15 - постоянный упоры

5 - плита подкладная 16 -временные упор

6 -матрица 21 - деталь

7 - съемник 22 - отход

8 - пуансонодержатель 23 - полоса

9 - ловитель 24 - направляющая планка

Опишем схему штамповки.

Начальное положение: пуансоны 3 и 4 вверху, рабочий подает полосу 23 по направляющим 10 на матрицу 6. Полоса упирается в первый временный упор 16, который находится в рабочей зоне перемещения полосы. Происходит смещение верхней блока вниз - рабочий ход штампа, пробивается отверстие диаметром 7 мм пуансоном для пробивки 3. Временный упор 11 убирается. Верхний блок поднимается вверх, полоса 23 снимается съемником 7 с пуансонов 3, 4, полоса 23 снимается съемником 7 и подается до постоянного упора 15. Далее происходит рабочий ход штампа, во время которого осуществляется пробивка отверстия и вырубка детали №1 по контуру. Далее аналогично до последней детали.

Во время вырубки-пробивки отход 22 и детали 21 падают через специальные отверстия в ящики.



Рисунок 3.4 - Схема штампа

3.1.3 Суммарное усилие штамповки

Суммарное усилие для изготовления детали можно определить по формуле:

где (3.3)

Р_выр - усилие, необходимое для вырубки детали;

Р_проб - усилие, необходимое для пробивки отверстия;

Р_прот - усилие, необходимое для проталкивания отхода и детали.

Усилие пробивки и вырубки можно определить по формуле:

, где (3.4)

- коэффициент, учитывающий неравномерность толщины материала, его механических свойств, затупление режущих кромок;

- сопротивление срезу

; (3.5)

L_дет = 192 мм - периметр вырубаемой детали;

L_отв = 43.96 мм - периметр пробиваемого отверстия;

S = 2 мм - толщина материала. Следовательно, усилие вырубки

.

Усилие пробивки

.

Усилие проталкивание детали и отхода определим по следующей зависимости:

, где (3.6)

= 0,08 - коэффициент, учитывающий толщину материала;

- усилие вырубки и пробивки:

- высота цилиндрического пояска матрицы:

(3.7)

(мм).

S = 2 мм - толщина материала.

.

Следовательно, суммарное усилие, которое необходимо для изготовления детали равно:

Определенное значение суммарного потребного усилия будет необходимо при подборе прессового оборудования и при расчете элементов штампа на прочность.

3.2 Проектирование штампа, выбор оборудования

3.2.1 Схема штампа

На основе расчетов и схемы штамповки выбираем штамп последовательного действия для пробивки отверстия и вырубки детали по контуру. По схеме штамп является:

· по роду выполняемой операции - для вырубки-пробивки;

· по совместности операции - двухоперационный;

· по способу воздействия на заготовку - последовательного действия;

· по количеству одновременно штампуемых деталей - одна;

· по способу фиксации заготовки в штампе - с помощью упоров.

3.2.2 Центр давления штампа

Определение центра давления является очень важной задачей, так как ось равнодействующей усилий штампа должна совпадать с осью хвостовика штампа [6]. Иначе может возникнуть перекос штампа, неравномерность зазоров между матрицей и пуансонами, износ направляющих колонок пресса и даже поломка штампа. Определению координат центра давления штампа предшествует определение координат центра давления отдельных штампуемых деталей. Центр давления штампа находят из равенства момента равнодействующей моменту усилий штамповки относительно одной и той же оси.

Рис. 3.5 - Для определения центра давлений

На рисунке 3.5.

Х1 = 24 мм Х2=X3 = 73.6 мм

У1 = 24 мм У2 = 12 мм У3 = 36 мм

Координаты центра тяжести определим по формулам [5]:

(3.8)

(3.9)

Координаты центра давления будут использованы при конструировании штампа: полоса в штампе должна располагаться таким образом, чтобы геометрически центр штампа и вертикальная ось хвостовика совпадали с центром давления.

3.2.3 Расчет конструктивных элементов штампа

Матрица и пуансон являются основными конструктивными элементами штампа. Они определяют работоспособность, надежность и долговечность штампа.

Расчет матрицы.

Форма матрицы определяется формой и размерами штампуемой детали. Размеры матрицы определяют исходя из размеров рабочей зоны (рисунок 2.2). Для данной детали размер рабочей зоны 52х99.2 мм. По [6] выберем матрицу с габаритными размерами 160х125 м. (А_г х В_г).

Толщину матрицы H_m определяем из эмпирической зависимости:

, где (3.10)

S - толщина штампуемого материала;

- длина и ширина рабочей зоны матрицы;

- коэффициент, зависящий от материала.

S = 1 мм, = 100 мм, = 68 мм, для стали У10А при =800 МПа =1,3.

.

Проверим достаточность толщины матрицы по формуле:

, где (3.11)

Р - суммарное усилие в кН; Р = 156 кН.

мм.

Следовательно, выбранная в дальнейшем матрица должна иметь толщину более 25 мм. Возьмем из стандартного ряда значений толщин матриц толщину матрицы Н_м = 25 мм.

Рис. 3.6 - Расчетная схема матрицы

3.2.4 Конструирование штампа, допуски и посадки в сопряженных

элементах. Описание работы штампа

Разрабатываемый штамп должен обеспечить получение детали в соответствии с технической документацией, безопасность работы и возможность ремонта. Штамп должен удовлетворять так же ряду специальных требований, оговариваемых технологическими условиями.

Поэтому по [6] назначим следующие допуски и посадки:

· нижняя плита и направляющая колонка: посадка с натягом S7/h6;

· верхняя плита и втулка: посадка с натягом H7/s6;

· направляющая колонка и втулка: скользящая посадка H7/h6;

· пуансоны и пуансонодержатель: посадка с натягом N7/h6;

· штифты: посадка с натягом H7/n6;

· винты: посадка с натягом H7/g8;

· хвостовик и верхняя плита: посадка с натягом H7/s6;

· ловитель и вырубной пуансон: посадка с натягом H7/n6.

Проектируемый штамп состоит из стандартного пакета, пробивного (4) и вырубного (3) пуансонов, которые запрессованы в пуансонодержатель(8), разового упора (16) и одного постоянного (15), также матрицы (6) и съемника (7), выполненных вместе с направляющими планками(10). Кроме того в штампе имеются крепежные детали: винты (11, 12) и штифты (18, 19, 20).

К верхней (1) и нижней (2) плите крепятся рабочие детали штампа. Пуансонодержатель (8) предназначен для крепления пуансонов (3, 4). Хвостовик (17) штампа предназначен для крепления верхней части штампа. Верхняя плоскость его шлифуется в сборе с пуансонами (3, 4) для обеспечения соосности последних с матрицей (6). Отверстия для запрессовки пуансонов(3,4) должны быть строго перпендикулярны к опорной плоскости пуансонодержателя (8). Пуансонодержатель (8) крепится к верхней плите (1) винтами (11), что предотвращает смещение пуансонов (3, 4) относительно матрицы (6) при работе штампа и его ремонте. Направляющие колонки (14) и втулки (13) служат для направления верхней части штампа относительно нижней. Втулки (13) запрессовываются в верхнюю плиту (1) штампа, а колонки (14) - в нижнюю плиту (2).

Упор (15) предназначен для фиксации подачи полосы на шаг. Для снятия деталей и отходов с пуансонов (3, 4) и матрицы (6) применяют съемник (7).

Крепление штампа к ползуну и столу пресса.

Верхняя плита (1) штампа крепится к ползуну с помощью хвостовика (17). Нижняя плита (2) штампа прижимается к столу направляющие планками (10). Для винтов, которые прижимают планки в столе пресса предусмотрены пазы.

Начальное положение. Пуансоны (3, 4) вверху. Заранее отрезанная от листа полоса подается справа налево между направляющими планками (10) и съемником (7) на плоскость матрицы (6) до первого разового упора (16). Штамп совершает рабочий ход, осуществляя пробивку отверстия пуансоном (4). После этой операции упор (16) убирают и в дальнейшем не используют.

Верхний блок поднимается вверх (холостой ход штампа) и во время этого процесса, полоса, снятая с пуансонов (3, 4) съемником (6), подается до постоянного упора (15), который задает шаг штамповки. Рабочий ход аналогичен ходу, описанного в предыдущем абзаце.

Во время рабочего и холостого направление движения полосы задается направляющими планками (10). Снятие полосы с пуансонов (3, 4) обеспечивается съемником (6).

Отходы и детали падают в ящики через отверстия в нижней плите(9) и столе.

Технология сборки штампа.

1. Запрессовать направляющие колонки (14) в нижнюю плиту (2) штампа.

2. Установить матрицу (6), направляющие планки (10), съемник (7) на нижнюю плиту (2). Засверлить 4 отверстия диаметром 8 мм. Наживить полученную конструкцию на винты (12)

3. Запрессовать ловитель (9) в пуансон для вырубки (3), затем запрессовать пуансоны (3, 4) в пуансонодержатель (8).

4. Отшлифовать пуансоны (3, 4) с пуансонодержателем (8) в сборе.

5. Запрессовать втулки (13) и хвостовик (17) в верхнюю плиту (1) штампа.

6. Установить пуансонодержатель (8) с пуансонами (3, 4), подкладную плиту (5) на верхнюю плиту (1). Засверлить 4 отверстия диаметром 5 мм, одно отверстие диаметром 5 мм и 4 отверстия диаметром 8 мм. При помощи винтов (12) и штифтов (20) собрать верхний подвижный блок.

7. Опустить верхний блок по направляющим колонкам (14) и выставить зазоры между пуансонами (3, 4) и матрицей (6) со съемником (7). Затянуть винты (11).

8. Засверлить в нижнем блоке 4 отверстия диаметром 8 мм. Запрессовать штифты (20).

3.2.5 Технологическая документация на процесс штамповки детали

На технологический процесс листовой штамповки создан комплект технологической документации, который состоит из набора: титульный лист, форма 2 - один лист; маршрутная карта, форма 1 - один лист, содержит описание методики изготовления данной детали; операционная карта, форма 1б - два листа, содержит более подробное описание способа изготовления детали; карта эскизов, форма 7 - один лист, на ней наглядно представлена форма и размеры детали.

Заполнение технологической документации осуществлялось по следующим принципам:

1. Строка А - содержит в себе номер цеха, участка и рабочего места, номер, код и наименование операции, обозначение документов.

2. Строка Б - содержит код, наименование оборудования и информацию по трудозатратам.

3. Строка М - содержит информацию о применяемом материале, количество на изделие и нормы расхода.

4. Строка О - содержит описание операции и переходов, при отсутствии карты эскизов обработки здесь записывают размеры обработки отдельных поверхностей.

5. Строка Т - содержит информацию о технологической оснастке в последовательности:

· приспособление;

· вспомогательные инструменты;

· режущий инструмент;

· слесарно-монтажный инструмент;

· средства измерения.

6. Строка Р - строка вводится для указания информации о режимах обработки: частота двойного хода, требуемое усилие, штучное и подготовительно-заключительное время.

4. Экономическая часть

4.1 Расчет экономической эффективности СТК

Расчет экономической эффективности СТК включает в себя определение стоимости газа и электроэнергии, необходимых для полного нагрева воды без участия солнечного коллектора, и их экономии при его сезонном использовании.

Расчет экономии газа (м³) за каждый месяц ведется по следующей схеме:

, (4.1)

где - степень замещения топлива за счет СТК в покрытии тепловой нагрузки (см табл. 4.1);

n - количество дней в месяце;

Q_н - тепловая нагрузка горячего водоснабжения за сутки, МДж:

; (4.2)

q_г=3,52·10⁷ Дж/кг - теплота сгорания природного газа;

=1,7 кг/м³ - плотность газа;

з_гк=0,7 - КПД газового котла;

B_г.полн - расход газа при условии полного подогрева без СТК.

Стоимость 1 м³ газа составляет 0,46 грн. Тогда стоимость какого-либо количество газа в денежном эквиваленте будет составлять:

. (4.3)

Результаты расчета приведены в табл. 4.1 для периода весна-лето-осень.

Расчет экономии электроэнергии (кВт·ч) при использовании в качестве дополнительного источника энергии электронагревателя аналогичен предыдущему.

, (4.4)

где з_эн=0,7 - КПД электронагревателя;

B_{э/э.полн} - расход электроэнергии при условии полного подогрева без СТК.

Стоимость 1 кВт·ч электроэнергии на момент написания данной работы составила 0,24 грн. Поэтому стоимость затраченной электроэнергии будет равна:

. (4.5)

Результаты расчета сведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Месяц	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X
n, дни	31	30	31	30	31	31	30	31
f	0,26	0,4	0,58	0,72	0,58	0,4	0,3	0,2
Bг, м3	20,03	29,82	44,68	53,67	44,68	30,81	22,36	15,41
Bг.полн, м3	77,03	74,54	77,03	74,54	77,03	77,03	74,54	77,03
Сг, грн	9,28	13,82	20,71	24,88	20,71	14,28	10,37	7,14
Сг.полн, грн	35,71	34,56	35,71	34,56	35,71	35,71	34,56	35,71
Bэ/э, кВт·ч	115,19	171,50	256,96	308,70	256,96	177,22	128,63	88,61
Bэ/э.полн, кВт·ч	443,04	428,75	443,04	428,75	443,04	443,04	428,75	443,04
Сэ/э, грн	27,65	41,16	61,67	74,09	61,67	42,53	30,87	21,27
Сэ/э.полн, грн	106,33	102,90	106,33	102,90	106,33	106,33	102,90	106,33

В сумме за период весна-лето-осень мы экономим:

1. При использовании газового котла как дополнительного источника энергии - 121 гривен из 282, в случае полного подогрева газом.

2. При использовании электронагревателя - 361 гривен из 840.

С учетом стоимости газа и электроэнергии выгоднее использовать газовый котел.

5. Монтаж и эксплуатация СТК

5.1 Особенности монтажа и эксплуатации

водоснабжение солнечный тепловой коллектор энергоприход

По сравнению с обычными системами горячего водоснабжения солнечные установки требуют более тщательного проектирования, конструирования, монтажа и эксплуатации. Для обеспечения надежной и эффективной работы солнечных установок в течение всего расчетного периода необходимо осуществить правильный выбор гелиотехнического оборудования и материалов для его изготовления и произвести качественно работы по установке, монтажу и эксплуатации оборудования.

Коллектор крепится к строительной конструкции крыши, включающей деревянную балку и стропило. Осуществляя монтаж СТК, следует соблюдать меры предосторожности.

При монтаже и установке гелиосистем теплоснабжения рекомендуется следующая последовательность выполнения работ.

Последовательность монтажа и установки жидкостной гелиосистемы горячего водоснабжения такова:

1. Установка водяного аккумулятора теплоты включает следующие этапы:

- сооружение опорной конструкции;

- установку бака-аккумулятора;

- монтаж обвязочных трубопроводов;

- заполнение системы водой и проведение испытаний на плотность соединений;

- монтаж тепловой изоляции.

2. Установка коллектора солнечной энергии включает в себя:

- изготовление и установку опорной конструкции - при изготовлении каркаса, рамы, стропил и других строительных элементов крыши дома;

- монтаж опорной конструкции и установку солнечного коллектора на крыше;

- монтаж соединительных трубопроводов;

- испытание контура солнечного коллектора на плотность соединений;

- проведение теплоизоляционных работ на трубопроводах.

3. Установка теплообменников и дополнительного источника энергии включает следующие этапы:

- монтаж трубопроводов, насосов и арматуры;

- испытание трубопроводов на плотность соединений;

- проведение теплоизоляционных работ на трубопроводах;

- установку дополнительного источника энергии.

4. Установка приборов и датчиков системы управления состоит из:

- установки датчиков и приборов управления и регулирования по месту;

- монтажа щита управления с приборами.

При монтаже трубопроводов необходимо выполнять следующие правила:

1) для уменьшения тепловых потерь и гидравлического сопротивления длина основных трубопроводов и ответвлений должна быть минимально возможной, а ответвления должны иметь одинаковый диаметр, чтобы обеспечивалось равномерное распределение теплоносителя между отдельными модулями коллектора;

2) следует использовать минимальное количество соединительных деталей, арматуры и т. п.; колена и повороты трубопроводов необходимо изготовлять с помощью гибочного станка;

3) для предотвращения контактной коррозии при установке арматуры из медных сплавов на стальных трубопроводах необходимо использовать соединительные элементы из диэлектрических материалов;

4) на длинных прямых участках трубопроводов должны быть предусмотрены компенсаторы температурных удлинений и соответствующие опоры;

5) в самых верхних точках системы должны быть установлены воздушники и должен быть предусмотрен слив жидкости из нижних точек системы.

При использовании в контуре коллектора антифриза должен быть предусмотрен правила безопасной расширительный бак, емкость которого составляет приблизительно 1-2% емкости контура, включая сам коллектор.

При пуске жидкостного коллектора солнечной энергии должны соблюдаться определенные правила безопасной работы, предотвращающие его повреждение. В солнечный полдень температура лучепоглощающей поверхности СТК, не заполненного теплоносителем, может достигать температуры 200 °С и более. При поступлении холодной жидкости возникает тепловой удар, приводящий к разрушению остекления и образованию трещин и вздутий в каналах для теплоносителя. Для предотвращения этих нежелательных явлений заполнение коллектора теплоносителем необходимо производил тогда, когда температура лучепоглощающей поверхности невелика, т.е. утром или вечером. Это в первую очередь относится к СТК, в которых предусмотрен дренаж теплоносителя. Аналогичная ситуация возникает при отключении насоса по той или иной причине. При наличии системы автоматического управления в ней должен быть предусмотрен датчик максимальной температуры, не допускающий включение насоса при опасно высокой температуре абсорбера. Перед первым пуском смонтированной установки производятся ее внешний осмотр, гидравлические испытания давлением 250 кПа, проверку воздушника и полноты слива жидкости при дренаже.

При перегреве аккумулятора теплоты возможно образование пара, для предотвращения повышении давления предусматривается предохранительный клапан. Для автоматического удаления воздуха из контура солнечного коллектора в верхней точке должен быть расположен воздушник. Все материалы должны выдерживать максимальные температуры, которые могут иметь место при холостом ходе (без теплоносителя) коллектора. Это относится к материалам тепловой изоляции и деталям корпуса, соприкасающимся с лучепоглощающей поверхностью, температура которой может достигать 170-250°С в зависимости от типа коллектора.

Что касается эксплуатации, то по сравнению с обычными установками они требуют мало ухода. Для обеспечения контроля за работой установки необходимо установить приборы: манометр для измерения давления в закрытых системах, термометры или термопары для контроля температуры на входе и выходе коллектора, в аккумуляторе. Если перепад температур в коллекторе уменьшается, это свидетельствует о забивании теплообменника. Загрязнение остекления, попадание воздуха в коллектор снижают теплопроизводительность коллектора.

При появлении протечек в жидкостных гелиосистемах из-за повреждения труб, возникновения неплотностей в местах сварки и уплотнений система должна быть выключена.

При нарушении целостности остекления коллектора, его разгерметизации внутрь коллектора попадают осадки, которые ухудшают качество материалов, в том числе тепловой изоляции, и снижают теплотехнические показатели коллектора в целом.

Также могут возникнуть трудности в связи с оледенением и скоплением снега на крыше и поверхности коллектора. Для устранения этих неудобств можно использовать устройство для оттаивания, которое прокачивает нагретый теплоноситель из аккумулятора в коллектор, при этом остекление прогревается и снег соскальзывает с коллектора. В иных случаях приходится удалять снег вручную с соблюдением мер предосторожности.

5.2 Факторы воздействия при монтаже и эксплуатации СТК

При монтаже СТК специальной ремонтно-монтажной службой работники подвергаются таким опасным факторам, как работы на высоте, повышенная солнечная радиация (вследствие чего могут возникнуть перегрев организма, ухудшение самочувствие и потеря сознания), опасность повреждения молнией и электрическим током. При выполнении сварочных работ существует вероятность ожога или ухудшения зрения.

Во время эксплуатации необходимо наличие заземления и зануления электрических устройств, а также молниезащиты здания и сооружения. Что касается непосредственно СТК, то очень важным является следить за температурой антифриза в коллекторе и температурой воды в баке-аккумуляторе во избежание вскипания жидкостей о взрыва составных частей солнечной установки. Кроме этого необходимо уделять внимание значениям давлений перекачивающих насосов, для чего имеются специальные датчики и системы автоматического регулирования.

5.3 Заземление и молниеотвод СТК

Согласно Инструкции по проектированию и устройству молниезащиты зданий и сооружений (СН 305-77) рассматриваемый в этой работе загородный дом относится ко II категории устройства молниезащиты. Такая защита может быть выполнена в виде установленных на зданиях неизолированных стержневых и тросовых молниеотводов, обеспечивающих соответствующую зону защиты. По возможности, рекомендуется объединение заземлителей защиты от прямых ударов молнии, защитного заземления электрооборудования и заземлителя защиты от электростатической индукции.

Молниеприемники изготавливаются из стали любых марок различного профиля сечением не менее 100 мм² и длиной не менее 200 мм. Допускается также применение любого другого металла. Молниеприемники следует предохранять от коррозии оцинкованием, лужением или покраской. Токоотводы для соединения молниеприемника с заземлителем выполняются стальными различной формы.

Что касается заземления, то все электроустановки, подлежащие занулению или заземлению, должны быть присоединены к сети зануления/заземления при помощи отдельного ответвления (см. Инструкцию по устройству сетей заземления и зануления в электроустановках. СН 102-76). В качестве заземлителей и нулевых проводов должны в первую очередь использоваться нулевые рабочие проводники: специально предусмотренные для этой цели провода, металлические и железобетонные конструкции зданий, стальные трубы электропроводок, алюминиевые оболочки кабелей, проложенные в земле металлические трубопроводы, кроме тех, по которым протекают горючие и легковоспламеняющиеся жидкости и газы, также коммунально-бытового назначения.

При устройстве заземления главным образом применяют искусственные электроды.

Для искусственных заземлителей применяют, обычно, вертикальные и горизонтальные электроды.

В качестве вертикальных электродов используют стальные трубы диаметром до 200 мм и стальные уголки размером от 40х40 до 60х60 мм длиной 2 … 3 м. В последнее время находят применение стальные прутки диаметром 10 … 12 мм и длиной до 10 м.

В качестве самостоятельного горизонтального электрода, а также для связи вертикальных электродов, используют стальные полосы сечением не менее 4 Ч 12 мм или стальные прутки диаметром не менее 6 мм.

Расчет защитного заземления сводится к определению величин, обеспечивающих необходимое значение сопротивления заземляющего устройства.

В качестве вертикальных электродов выбираем стальные трубы длиной 1,5 м и диаметром 140 мм. Определим сопротивления растекания тока для такого одиночного электрода:

, (5.1)

где с = 2·10² Ом·м - удельное сопротивление грунта;

l_ТР - длина трубы, м;

d - диаметр трубы, м.

. (5.2)

Найдем число заземлителей:

, (5.3)

где з_С=1,6 - коэффициент сезонности;

R_З=3,8 Ом - сопротивление заземлителя.

. (5.4)

Вертикальные электроды расположим по круговому контуру вокруг установки с диаметром контура D=10 м. При этом шаг электродов составит:

. (5.5)

Соотношение расстояния между электродами к их длине равно:

. (5.6)

Для такого количества электродов и соотношения расстояния между электродами к их длине найдем по таблицам коэффициенты экранирования труб и полосы:

з_Э.ТР=0,55; з_Э.П=0,34. (5.7)

Определим сопротивление растеканию тока для соединительной полосы без учета экранирования:

, (5.8)

где B=0,14 м - ширина полосы;

l_П=4 м - длина полосы.

. (5.9)

Определим сопротивление растеканию тока всего заземлительного устройства:

. (5.10)

Полученное значение меньше, чем сопротивление заземляющего устройства по нормам ПУЭ, а значит, устройство способно выполнять свою функцию.

6. Спецчасть

Традиционная и альтернативная энергетика.

Преобразованием энергии человечество занимаются не одну сотню лет. Производство энергии предполагает ее получение в удобном для использования виде, а само получение - только преобразование из одного вида в другой. Современная наука знает следующие три способа освобождения энергии, заключенной в веществе:

1) за счет изменения электронных связей атомов в процессе химических реакций; получаемую в результате этого энергию называют химической, а точнее атомной, поскольку освобождение ее связано с существованием атомов (т.е. ядер с электронными оболочками);

2) за счет разрушения и изменения связи между нуклонами тяжелых ядер при ядерных реакциях деления (ядерная энергия) или соединения нуклонов легких ядер при ядерных реакциях синтеза (термоядерная энергия);

3) за счет полного превращения вещества в поле при реакциях аннигиляции обычного и антиобычного веществ; эту энергию за отсутствием лучшего термина можно назвать аннигиляционной.

Первые два способа, как известно, являются основой современной энергетики, последний же относительно недавно обнаружен и находится в стадии первого этапа исследования.

Запасы различных источников энергии на Земле (без термоядерной и аннигиляционной энергии) показаны в таблице 6.1.

Таблица 6.1

Вид энергии	Запасы, кВт*ч
Ядерная энергия	547 000*
Химическая энергия горючих веществ	55000*
Внутреннее тепло Земли	134*
Энергия солнечных лучей	580000*
Энергия морских приливов	70000*
Энергия ветра	1700*
Энергия рек	18*

Основой энергетики сегодняшнего дня являются топливные запасы угля, нефти и газа, а также энергия рек, запасы которых составляют около 5% всех запасов энергии на Земле. И, тем не менее, они удовлетворяют примерно девяносто процентов энергетических потребностей человечества. Подсчитано, что при сегодняшнем уровне потребления энергии, даже без учета его роста, ископаемых источников энергии хватит еще максимум на 100 лет. В этот расчет не входят альтернативные источники энергии, такие как энергия ветра, морских приливов, геотермальная, солнечного излучения, биогаза и некоторые другие. А ведь энергия одних только морских приливов превышает суммарную энергию всех химических горючих веществ (табл. 1).

Кроме того, практически все направления альтернативной энергетики безопасны в экологическом отношении, чего не скажешь о традиционной энергетике. С экономической же точки зрения, именно ветровая энергетика (ВЭ) выглядит гораздо привлекательнее всех остальных альтернативных источников энергии. Действительно, энергию приливов можно получать не везде, а только на побережье больших водоемов, но даже если использовать все потенциальные источники, вырабатываемой энергии все равно не хватило бы для обеспечения даже текущих потребностей человечества. Энергию солнца, хотя и можно добывать повсеместно, но с ее внедрением связан выход больших площадей из землепользования, кроме того, величина энергии вырабатываемой солнечными электростанциями очень сильно зависит от климатических условий. Впрочем, этот недостаток, в большей или меньшей степени свойственен практически всей альтернативной энергетике. Солнечное излучение доступно практически в любой точке Земли. Мощность приходящего на Землю излучения составляет примерно 2 МВт*ч/м2 в год. Солнечная энергия также весьма универсальна - ее можно использовать как в виде тепла, так и преобразовывать в механическую и электрическую. К недостаткам СЭ можно отнести присущее всей альтернативной энергетике непостоянство вырабатываемой энергии.

6.1 Вакуумный солнечный коллектор

Тема персональной научной работы: «Изучение вакуумных коллекторов и разработка их на основе лампового производства».

Вакуумным солнечным коллектором - называют устройство, представляющее собой тонкую трубку отделенную от окружающей среды вакуумированым пространством, установленную на теплоизолирующем основании, и поглощающую солнечное излучение.

Основным элементом солнечного горячего водоснабжения является Вакуумный тепловой солнечный коллектор (ВТК). Коллектор представляет собой круглые медные трубки, помещенные в герметические стеклянные трубки, с которых выкачан воздух. Выходы медных труб помещены в изолированный корпус. Изображенные на рисунке конструкции не раскрывают полноты технических решений поглощающей поверхности коллектора, но дают представление о сложности подхода к построению наиболее эффективного коллектора. Основным достоинством вакуумного коллектора является большое КПД, возможность использования при температурах до минус 15 градусов Цельсия.

Энергетические возможности солнечного коллектора можно оценить из анализа уравнения энергетического баланса для стационарных условий работы. Такой баланс выражается разностью поглощенного солнечного излучения и тепловых потерь в окружающую среду. Тогда теплопроизводительность

, (6.1)

где F - коэффициент эффективности, характеризующий изотермичность абсорбера, зависящий от конструкции абсорбента, т.е. определяющий степень неравномерности температурного поля в поперечном сечении или просто эффективность переноса поглощенного солнечного излучения к потоку теплоносителя;

A - площадь тепловоспринимающей поверхности,

_о=_сс - оптический КПД коллектора, определяемый произведением пропускательной способности защитного остекления _с коллектора на поглощательную способность абсорбера _с;

E_к - количество солнечной энергии, поступающей на коллектор;

k_тп - общий коэффициент теплопередачи от коллектора в окружающую среду;

t_жср - средняя температура теплоносителя в коллекторе;

t_возд - температура воздуха.

Для сравнительного анализа солнечных коллекторов теплопроизводительность определяют на единицу площади тепловоспринимающей поверхности, т.е. A=1. Из уравнения (2.54) следует, что при проектировании коллектора необходимо максимально увеличивать F и _о и минимизировать k_тп. Коэффициент эффективности коллектора F принимает максимальное значение 1 при бесконечной теплопроводности материала листовой части, нулевом значении теплового сопротивления между трубками и листом и бесконечном значении коэффициента передачи между трубкой и теплоносителем. Для качественных коллекторов F=0,92…0,99. Теоретически максимальное значение _о принимает при единичных значениях коэффициента пропускания остекления коллектора и поглощательной способности абсорбера, но на практике уже при одинарном остеклении не превышает значения 0,8. Коэффициент теплопередачи в окружающую среду зависит от скорости ветра, обдувающего коллектор, уровня тепловой изоляции и степени черноты поглощающей поверхности.

Показателем эффективности гелиоколлектора является коэффициент полезного действия, определяемый как отношение его теплопроизводительности к солнечной энергии, поступающей на поверхность:

. (6.2)

Тогда из (2.54) КПД для единичной площади коллектора

. (6.3)

Таким образом, КПД коллектора определяют как мгновенное значение, зависящее от интенсивности солнечного излучения, рабочих параметров теплоносителя и конструктивных параметров лучепоглощающей поверхности. Поскольку интенсивность солнечного излучения изменяется за время дня от нуля до максимума в полдень, то и КПД меняется аналогичным образом, поэтому среднедневной КПД будет значительно ниже максимального значения. Тепловой характеристикой коллектора является прямая, описывающая зависимость _о от (t_жср-t_возд)/E_к. При этом КПД теоретически может принимать значения от максимального, равного F_о при t_жср= t_возд, до нуля при t_жср= t_max. Параметры F_о и Fk_тп характеризуют степень совершенства коллектора и применяются для сравнительной оценки коллекторов. Сравнительная оценка может проводиться и с учетом F_r - коэффициента отвода теплоты из коллектора, который связан с F соотношением

, (6.4)

где q - удельный расход теплоносителя на единицу площади коллектора, C_p - удельная теплоемкость теплоносителя.

Тогда теплопроизводительность коллектора на единицу площади можно выразить через температуру теплоносителя на входе

. (6.5)

В этом случае качество коллектора может характеризоваться параметрами: F_rо - эффективный оптический КПД и F_r k_тп - общий коэффициент теплопотерь.

6.2 Эффективность солнечного коллектора

Независимо от конструкции теплоэнергетическая эффективность ВТК определяется следующими факторами:

- высокой пропускной способностью светопроницаемого элемента для коротковолнового потока солнечной радиации и низкой способностью собственного инфракрасного абсорбера;

- высокой поглощающей способностью абсорбера для коротковолнового солнечного излучения;

Поиск новых решений коллекторов проводится в двух направлениях:

- поиск новых неметаллических конструкционных материалов;

- усовершенствование оптико-тепловых характеристик наиболее ответственного узла «абсорбер - светопроницаемый элемент».

Применение селективных покрытий с высокой чувствительностью по отношению к радиационному обмену позволяет получать СК с высокими оптико-тепловыми показателями.

В перспективе прогнозируется использование в Украине 3·10⁶…6·10⁶ м² солнечных коллекторов. Такая площадь солнечных коллекторов может обеспечить выработку 3,2·10⁹…8,6·10⁹ кВтч энергии.

В Институте электродинамики НАН Украины были проведены исследования абсорберов солнечных коллекторов из металла и теплопроводных полимерных композиций с новым селективным покрытием - низковакуумным алюминиевым конденсатом, осаждаемым на алюминиевую фольгу. Селективные свойства такого покрытия не хуже, а даже немного лучше по сравнению с покрытиями из черного хрома или черного никеля. При этом технология его нанесения проще и чище, поскольку из нее исключены процессы гальванизации. [9]

6.3 Люминесцентные лампы

Люминесцемнтная лампа - газоразрядный источник света, световой поток которого определяется в основном свечением люминофоров под воздействием ультрафиолетового излучения разряда; видимое свечение разряда не превышает нескольких процентов. Люминесцентные лампы широко применяются для общего освещения, при этом их световая отдача в несколько раз больше, чем у ламп накаливания того же назначения. Срок службы люминесцентных ламп может до 20 раз превышать срок службы ламп накаливания при условии обеспечения достаточного качества электропитания, балласта и соблюдения ограничений по числу коммутаций, в противном случае быстро выходят из строя. Наиболее распространённой разновидностью подобных источников является ртутная люминесцентная лампа. Она представляет собой стеклянную трубку, заполненную парами ртути, с нанесённым на внутреннюю поверхность слоем люминофора.

Все люминесцентные лампы содержат ртуть (в дозах от 40 до 70 мг), ядовитое вещество. Эта доза может причинить вред здоровью, если лампа разбилась, и если постоянно подвергаться пагубному воздействию паров ртути, то они будут накапливаться в организме человека, нанося вред здоровью. По истечении срока службы лампу, как правило, выбрасывают куда попало. На проблемы утилизации этой продукции не обращают внимания ни потребители, ни производители.

Выводы

Стоимость оборудования и монтажа гелиосистем на сегодняшний день не самое дешевое и не самое простое решение. Но с учетом того, что солнечная энергия ничего не стоит, а стоимость на невозобновляемые энергоносители постоянно растет, оборудование окупится за 2-3 года и будет служить до полного износа (15-20 лет).

В современных системах солнечного горячего водоснабжения и отопления применяются два типа солнечных коллекторов: плоские солнечные коллекторы на основе «горячего ящика» и вакуумные коллекторы на основе вакуумированных солнечных теплоприемников.

Исследования в области вакуумных коллекторов, их промышленное применение и натурные испытания позволяют выделить ряд преимуществ перед коллекторами типа «горячий ящик»:

1. Прежде всего это повышенные температуры рабочего тела за счет высокого теплового сопротивления вакуумированной трубки теплоприемника (трубки Девара). Изоляция, которую обеспечивает вакуумное пространство между внутренней и внешней трубками, позволяет устранить потери энергии на нагрев воздуха и его конвекцию. В обычных коллекторах между остеклением и абсорбером возникают конвективные воздушные потоки, отбирающие часть солнечной энергии, поступающей на поверхность коллектора.

2. Второй особенностью является использование низкоконцентрированного солнечного излучения с помощью специально профилированной задней стенки коллектора, изготовленной из зеркальной стали. Рассеянные лучи в пасмурную погоду или косые падающие лучи зимой, отражаясь от задней стенки, идут на нагрев теплоносителя в трубках. В коллекторах типа «горячий ящик» применение зеркальной отражающей поверхности конструктивно невозможно, так как трубки, по которым циркулирует теплоноситель, накрываются гофрированным листом металла с нанесенным селективным покрытием.

3. Третьим важным преимуществом выступает высокая степень герметичности и повышенная надежность конструкции. Благодаря применению двустенных стеклянных трубок Девара отсутствуют какие-либо уплотнительные соединения металлического абсорбера и защитного остекления с корпусом. Как известно, в обычных коллекторах это является серьезной проблемой, потому что вследствие нагрева и теплового расширения в этих частях конструкции могут возникать трещины и деформации.

Сравнивая КПД обоих типов СТК видно, что в среднем разница между ними составляет 10%. Причем с увеличением плотности потока солнечного излучения (более 1000 Вт/м²) эта разница уменьшается, а при незначительных потоках (менее 500 Вт/м²) - растет. Поэтому для таких стран северного полушария как Украина, Россия, Швеция, Дания, США и др., где присутствуют сезонные изменения климатических условий и плотность солнечного энергетического потока, соответственно, непостоянна, целесообразнее внедрять именно солнечные вакуумные коллекторы.

Но наряду с преимуществами вакуумные коллекторы имеют и свои недостатки, которые заключаются в их высокой стоимости по сравнению с обычными коллекторами. Связано это, во-первых, с применением дорогостоящих материалов (высокопрочное боросиликатное стекло, селективное покрытие в виде тонкого слоя черного никеля или черного хрома, зеркальная благородная сталь) и, во-вторых, с особенностями технологии изготовления (получение вакуума до 10^-5, 10^-6 атм, нанесение селективного покрытия, создание конструкции приточно-отточных труб для циркуляции теплоносителя по вакуумным трубкам). Поэтому основное направление развития гелиотехники заключается не только в ее дальнейшем совершенствовании, но и в удешевлении ее себестоимости. В связи с этим важным является проведение научно-исследовательских работ по совершенствованию технологии производства солнечных вакуумных коллекторов, применение ионно-плазменных технологий и комбинирование коллекторов с фотоэлектрическими преобразователями.

Использование СТК на основе поликарбоната дает возможность уменьшить вес, что в свою очередь приводит к уменьшению нагрузок действующих на конструкцию. В связи с особенностями конструкции и материалов, такая установка уступает по производительность классической

Список литературы

1. Авезов Р.Р., Орлов А.Ю. Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения. - Ташкент: Фанб, 1988.

2. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1982.

3. Дж. А. Даффи, У.А. Бекман. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии./ Пер. с англ. под ред. д-ра техн. наук Ю.Н. Малевского. - М.: «Мир», 1977.

4. Денисенко Г.И. Возобновляемые источники энергии. - Киев: Вища школа, 1983.

5. Сборник документов по охране труда в строительстве. / Под общ. ред. И.А. Колесникова / Мин-во стр-ва предприятий тяжелой индустрии СССР. - М.: Стройиздат, 1984. - 600 с.