XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
3Д проект электростанции
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Природное топливо не безгранично, современное энергообеспечение может оказаться не решенными вопросами. Решение этой проблемы — альтернативные источники энергии, которые представляют собой комплекс способов добычи энергии из возобновляемых или практически неисчерпаемых ресурсов. Каждый день специалисты занимаются поиском новых видов топлива для замены традиционных источников. Мы предлагаем вам наш проект на тему «Использование потерь воздуха для генерирования электрической энергии» имеет место для рассмотрения. Тема нашего проекта возникла после ознакомительной экскурсии в ООО «Башкирская медь» Рис.1 крупное промышленное предприятие Республики Башкортостан, который входит в ОАО «УГМК-Холдинг». Рис.2 1Организовано в 2005 году. Ведет производственно-хозяйственную деятельность с 1 мая 2006 года. Владеет лицензиями на отработку «Юбилейного» и группы «Подольских» месторождений с общими запасами около 200 миллионов тонн руды. Генеральный директор - Александр Федорович Туленков. Производственная площадь – 15 660 000 м 2. Основная деятельность - добыча и переработка медесодержащих руд. Производимая продукция – медь в медном концентрате; цинк в цинковом концентрате; драгоценные металлы в составе концентратов. Сфера деятельности – цветная металлургия. Общая численность работающих свыше 1000 человек. В настоящее время объем годовой добычи составляет около 700 тыс. тонн руды. Максимальная производительность первой очереди обогатительной фабрики - 1,5 млн тонн руды в год. Глубина карьера составляет более 300 метров. Сегодня ООО «Башкирская медь» состоит из нескольких структурных подразделений: рудник «Хайбуллинский», включающий участок открытых горных работ, строящийся Юбилейный подземный рудник, автотранспортный цех, обогатительная фабрика. Практическое применение нашего проекта можно использовать на горнодобывающем предприятие «БашМедь».
Тема нашего проекта «Использование потерь воздуха в горнодобывающем предприятии как источник энергии для получения электроэнергии актуальна, так как рассматриваем использование альтернативного источника энергии для охраны окружающей среды и бережного отношение к энергоресурсам.
Производственная проблематика: на предприятии ООО «Башкирская медь» имеются не использованные потери энергии воздуха, которые образуются при работе воздуходувной станцией LAMSON 2406. Рис.3
В своей работе предлагаем использовать данные потери.
В данный момент установлены воздуходувки данной марки производительностью 20500 кубов в час.
При переработке руды фабрика использует всего 14350 кубов в час, это составляет 70% и около 30% в байпас. Этот поток воздуха 4305 кубов в час можно использовать как источник энергии для турбинного генератора, который будет генерировать дополнительную электроэнергию.
Гипотеза: мы предполагаем, что можно использовать потери воздуха в предприятиях для технического и технологического совершенствования генерирования электроэнергии, для этого предлагаем 3Д проект электростанции.
Цель: предлагаем 3Д проект электростанции, использующий потери избыточного воздуха для получения электроэнергии на Обогатительной фабрике .
Для достижения нашей цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Провести ознакомительную экскурсия в ООО «Башкирская медь»;
2. Выявить проблему использования потерь воздуха для генерации электроэнергии;
3.Изучить и проанализировать соответствующую литературу, интернет-источники по получению электроэнергии как альтернативный источник энергии;
4. Провести расчеты на создание нового проекта;
5. Разработать 3д модель для электростанции с альтернативным источником энергии.
Предложенное решение: создать модель электрогенератора и 3Д проект, который использует энергию воздуха для образования электроэнергии.
Методы исследования:
1.Анализ литературы по данному вопросу;
2.Проектирование и конструирование;
3. Проведение расчетов по эффективности нашего проекта;
4.Работа с макетом и 3д моделью
Ожидаемый эффект от внедрения: после проведенных расчетов по использованию полученной энергии пришли к выводу, что есть экономическая выгода внедрения нашего проекта в действие.
1.Устройство и конструкция генератора переменного тока - ГПТ
После экскурсии на ООО «Башкирская медь» нам стало известно, что для обогащения руды используются две воздуходуйки. Один находится в резерве, если количество руды увеличится, второе устройство находится в рабочем режиме. Выяснили, что есть проблема с потерями воздуха, которые «выбрасываются» наружу без дальнейшего использования. Рис.4
Само собой возникает идея использовать такие большие потоки энергии для альтернативного источника энергии. Рис. 5
Если направить эти потоки воздуха на лопасти турбины, то турбина с ротором начнут вращаться внутри стартера. Можно конструировать Генератор Переменного Тока.
ГПТ – это устройство, которые преобразует механическую энергию, в электрическую. Состоит он из неподвижной части, которая называется статор или якорь (см. рисунок) и вращающейся части — ротор или индуктор. В генераторе переменного тока ротор — это электромагнит, который обеспечивает магнитное поле, которое передается на статор. (Рис.6)
В основу работы генератора, преобразующих энергию, положен закон Фарадея об электродвижущей силе (ЭДС). Учёный открыл закон, который объяснил природу появления тока в металлическом контуре (рамке), вращающемуся в однородном магнитном поле (явление индукции) (Рис.7).
Демонстрация прибора с помощью простого магнита и контура появилось еще в 1832 г. благодаря стараниям Никола Тесла. Создал первый однофазный синхронный ГПТ (Электрический) (Рис.8).
Ученые электротехники Э.Х Ленц, Б.С. Якоби, М.И.Доливо – Добровольский внесли большую роль в усовершенствовании и конструирования современных ГПТ. (Рис.9)
Отличительными чертами каждого генератора являются формы и размеры, а также источник энергии, используемый для вращения вала. Кроме генератора, электростанция состоит из турбин и котлов, трансформаторов и распределительных устройств, средств коммутации, автоматики и релейной защиты.
2.Виды электростанций (Рис.10)
1.Тепловые электростанции (ТЭС), использующие природное топливо;
2.Гидроэлектростанции (ГЭС), использующие энергию падающей воды запруженных рек;
3.Атомные электростанции (АЭС), использующие ядерную энергию;
4. Солнечные электростанции, используют энергию солнечного излучения;
4. Нетрадиционные электростанции: ветровые, приливные и геотермальные источники электропитания, которые слабо применяются в нашей стране. У них есть ряд недостатков природного характера, и они представляют собой альтернативные виды выработки электроэнергии.
Во многих больших предприятиях имеются не использованные потери энергии. В своей работе предлагаем использовать энергию потерь воздуха, которые остаются не использованные после накачивания воздуходувками.
3. Воздуходувки компании Gardner Denver (Рис.4)
Воздуходувки применяются на промышленных предприятиях для подачи воздуха под большим давлением. Благодаря особенностям конструкции они могут подавать сильно запыленный воздух, содержащий большое количество мелких твердых частиц. В отличие от компрессора, при этом не происходит заклинивания рабочего механизма.
Основным элементом воздуходувки является колесо с лопатками, которое вращается электрическим мотором. Из-за высокой частоте вращения формируется мощный поток воздуха, который используется в производственных нуждах. Устройства могут эксплуатироваться с большой интенсивностью и длительное время. Нет необходимости делать паузы для охлаждения оборудования.
Воздуходувки производства Gardner Denver могут подключаться к электрической сети через частотный преобразователь. Изменение частоты переменного тока, который подается на электромотор, дает возможность увеличить количество оборотов до 6 тыс. в минуту. Это увеличивает производительность производственного оборудования.
Устройства Gardner Denver имеют следующие особенности:
1.Изготавливаются с использованием специальных подшипников запатентованной конструкции. Производитель гарантирует до 20 тыс. часов работы без необходимости технического обслуживания с заменой износившихся частей. В ассортименте представлены также модели с гарантированным сроком службы подшипников до 40 тыс. часов.
2.Воздуходувки этого типа имеют небольшие размеры корпуса и высокую мощность. В зависимости т выбранной модели мощность устройства достигает 22 кВт, чего достаточно практически для любых сфер применения.
3.Агрегаты из этой серии могут подавать воздух с температурой до 200оС. Использование жаропрочных материалов позволяет избежать их расширения при нагреве, что может привести к заклиниванию рабочего элемента и выходу оборудования из строя.
В данный момент установленные воздуходувки марки LAMSON 2406 производительностью 20500 кубов в час
При переработке руды фабрика использует всего 14350 кубов в час, это составляет 70% и около 30% в байпас, которое можно использовать как дополнительное энергия путем установки генератора турбинного, для получения электроэнергии.(Рис.11)
4.Принцип работы ГПТ на потерях сжатого воздуха
Основные преимущества нашего проекта
1.Повседневность и доступность. Энергию сжатого воздуха и пара можно собирать и использовать каждый день.
2.Неисчерпаемость. Такого вида энергетику нельзя перерасходовать, потому что без потока воздуха не может работать фабрика, эти потоки всегда под большим давлением выпускается из фабрики.
3.Экологичность. Безопасность для окружающей среды. Экологическая чистота. Принципиальный фактор в добывании энергии для человеческих нужд на территории предприятия.
4.Доступность основных составляющих материалов. Трубы для подвода воздуха которые реализуются для промышленного применения и небольшая электростанция.
5. Выгода. Постоянно снижающаяся себестоимость.
6.Легкость обслуживания. Несколько раз в году следует очищать трубы от загрязнений.
Среди недостатков использования энергии сжатого воздуха выделяем:
1. Нестабильность, снижение производительности зависит от давления сжатого воздуха.
2. Необходимость в аккумулировании энергии. Генерировать энергию возможно только при потоке воздуха.
3.Наличие больших шумов.
План вырабатывания электроэнергии на потерях сжатого воздуха
Наш проект состоит из трех частей. Рис.12. Рис.13
1 часть. Накопитель сжатого воздуха это компрессор, дающий потоки воздуха. направленный на лопасти генератора.
2 часть – это генератор переменного тока. Образованный сжатый воздух под давлением около 6 атм по трубке поступает на вторую часть прибора. Вторая часть прибора вырабатывает электрический ток. На железном штативе закреплен самовозбуждающийся генератор. К турбине генератора закреплен ротор, который раскручивается сжатыми потоками воздуха внутри катушки. Турбина, вращаясь, передает крутящий момент на ротор, а в катушке тем временем вырабатывает электрический ток. От генератора выведено два провода, подключенных к потребителям (светодиодные лампочки).
3 часть - это территория фабрики. Лампочки загораются, доказывая наличия электрического тока. Электрический ток поступает на фабрику и на фонарные столбы.
5. Работа с 3Д проектом Рис.14
1.Изучили работу по программе 3Д проекта («BLENDER 3D»)
2.изучили принцип работы игрового двигателя («Anreal Engen 5»)
3.Сделали модели для проекта
4.Загрузили их в программу
6. Расчеты по внедрению нашего проекта в действительность минимизация себестоимости и сроков окупаемости
На данный момент установлены в задании главного корпуса 96 шт. светильников модностью каждый 300 Вт и освещения территории обогатительной фабрики 109 шт. светильников модностью каждый 150 Вт
Р=96 шт.*300 Вт *12 час * 365дней = 181332 кВт/час/год Экономия электроэнергии за 1 год от использования генератора составит:
В денежном выражении при стоимости 1 кВт*час = 3,46 руб. (тариф ВН) величина экономии от использования генератора составит:
Е (1 год, руб.) = 181332кВт/час * 3,46 руб./кВт/час = 627408,72 руб. без НДС
Р=109 шт.*150 Вт *24 час * 365дней = 143226 кВт/час/год
Е (1 год, руб.) = 143226кВт/час * 3,46 руб./кВт/час = 495561,96 руб. без НДС
Итого; 495561,96+ 627408,72 = 1122970,68 руб./год
Стоимость ветрогенератора (турбинного генератора) мощностью до 50 кВт составляет 2850000 рублей + установка хозяйственным способом составить 150000 рублей из этого выводим срок окупаемости данного проекта:
С (окупаемости генератора) = (3000000/1122970,68) = 2,67 год
7. Вывод: при выполнении исследовательской работы поставленная гипотеза подтвердилась, используя потери сжатого воздуха в горнодобывающих предприятиях можно генерировать электроэнергию. Поставленную цель выполнили, при решении поставленных задач:
1.Изучили необходимую научную и техническую литературу по учебникам, книгам и сайт интернета.
2.Подобрали необходимые материалы и приборы для реализации нашего проекта.
3.Создали модель электростанции, которая использует энергию воздуха для выработки электроэнергии.
4.Собрали макет рабочего генератора.
5.Провели собственные испытания. Конечный результат – получили электроэнергию для освещения макета фабрики и территорию.
6. Изучили теорию и программу для 3Д проекта.
7. При выполнении работы соблюдали все правила ОТ.
Экономический эффект использования данного проекта при внедрении в промышленном масштабе приведет к дополнительной выработке электроэнергии.
8. Провели расчеты по внедрению нашего проекта в действительность минимизация себестоимости и сроков окупаемости.
9. При выполнении работы выяснили, что наш проект можно внедрить для получения дополнительной электрической энергии, чтобы освещать помещение и территорию Обогатительной фабрики. Он позволяет технически и технологически совершенствовать подачу энергии ГПТ для ресурсосбережения.
Использовать энергию потерь сжатого воздуха для генерирования электричества на территории фабрики.
10.Мы предлагаем экологически чистый проект, который имеет возможность дальнейшего совершенствования.
8. Литература:
1.Физика 9 класс, Е.М. Перышкин, Е.М.Гутник .2018 г.ДРОФА.
2.Источник:https://radio-blog.ru/master/theory/printsip-raboty-i-shema-generatora-peremennogo-toka;
https://electric-220.ru/news/vidy_ehlektrostancij/2019-04-06-1673;
https://nauka.club/geografiya/vidy-elektrostantsyi.html;
3.Википедия – свободная энциклопедия;
8. Приложение
Рис.1 Карьера. Фабрика
Рис.2
Рис.3
Рис.4
Вывод потоков воздуха из воздуходувки на обогащение руды
Рис.5 Вывод потоков воздуха из фабрики на улицу
Ртс.6 Общий вид генератора переменного тока
Рис.7 Опыт Фарадея
Рис.8 ГПТ Никола Тесла
Рис. 9 Ученые электротехники
Рис. 10
Рис.11 Вывод потоков воздуха из фабрики на улицу
Рис.12
Рис.12. Наш проект
Рис.13
Рис.13 За работой над проектом
Рис.14 Работа над 3Д проектом электростанции
3д модель воздуходувки
Модель генератора -3Д
проекта
3 Д проект фабрики