Ruajtja e energjisë. Informacion i përgjithshëm në lidhje me ruajtjen e energjisë mekanike

Magazinimi mekanik(MH), ose akumulatori i energjisë mekanike, është një pajisje për ruajtjen dhe ruajtjen e energjisë kinetike ose potenciale me lëshimin e saj të mëvonshëm për punë të dobishme.

Si për çdo lloj pajisjeje për ruajtjen e energjisë (EE), mënyrat karakteristike të funksionimit të MN janë ngarkuar(akumulim) dhe shkarkimi(kthimi i energjisë). Magazinimi energjia shërben si një mënyrë e ndërmjetme MN. Në modalitetin e karikimit, energjia mekanike furnizohet në MN nga një burim i jashtëm, dhe zbatimi specifik teknik i burimit të energjisë përcaktohet nga lloji i MN. Kur MN shkarkohet, pjesa kryesore e energjisë së ruajtur prej tij transferohet te konsumatori. Një pjesë e energjisë së akumuluar shpenzohet për kompensimin e humbjeve që ndodhin në mënyrën e shkarkimit, dhe në shumicën e llojeve të MN - dhe në mënyrat e ruajtjes.

Meqenëse në një numër instalimesh magazinimi koha e ngarkimit D3 mund të jetë shumë më e gjatë se koha e shkarkimit (r3 "g), është e mundur një tejkalim i konsiderueshëm i shkallës mesatare të shkarkimit. R P mbi fuqinë mesatare P3 ngarkoni MN. Kështu, është e lejueshme të grumbullohet energji në MP duke përdorur burime relativisht të ulëta të energjisë.

Llojet kryesore të MN ndahen në pajisje statike, dinamike dhe të kombinuara.

Statike MN ruan energjinë potenciale nga ndryshimi elastik në formën ose vëllimin e lëngut të punës, ose kur ai lëviz kundër drejtimit të gravitetit në fushën gravitacionale. Lëngu i ngurtë, i lëngët ose i gaztë i këtyre MN ka një gjendje statike në mënyrën e ruajtjes së energjisë, dhe ngarkesa dhe shkarkimi i NE shoqërohen me lëvizjen e lëngut të punës.

Dinamik MN grumbullojnë energji kinetike kryesisht në masat rrotulluese të lëndëve të ngurta. Me kusht - pajisjet e ruajtjes së përshpejtuesve të grimcave elementare të ngarkuara, në të cilat ruhet energjia kinetike e elektroneve ose protoneve, që lëvizin në mënyrë ciklike përgjatë trajektoreve të mbyllura, gjithashtu mund t'i referohen deputetëve dinamikë.

Kombinuar MN ruan energjinë kinetike dhe potenciale. Një shembull i një MH të kombinuar është një super volant i bërë nga një material fijor me forcë të lartë me një modul relativisht të ulët elasticiteti. Kur një MI i caktuar rrotullohet, energjia potenciale e deformimit elastik ruhet në të së bashku me energjinë kinetike. Gjatë nxjerrjes së energjisë së akumuluar nga një MN e tillë, arrihet përdorimi i të dy llojeve të tij.

Për sa i përket nivelit të energjisë së akumuluar specifike për njësi të masës ose vëllimit të elementit akumulues, MN inerciale dinamike është dukshëm më e lartë se disa lloje të tjera të NE (për shembull, ruajtja induktive dhe kapacitative). Prandaj, MN janë me interes të madh praktik për aplikime të ndryshme në degë të ndryshme të teknologjisë dhe kërkimit shkencor.

Disa lloje të MP kanë gjetur aplikim në shkallë të gjerë deri tani në industrinë e energjisë elektrike, për shembull, udhëzues - Instalimet e magazinimit në çati të termocentraleve. Ngarkimi - Cikli i shkarkimit të punës së tyre arrin dhjetëra orë.

Për deputetët inerciale, mënyrat e shkarkimit afatshkurtër janë karakteristike. Nxjerrja e energjisë nga MP shoqërohet me një ulje të shpejtësisë këndore të volantit në nivelin e lejuar. Në disa raste, frenimi mund të ndodhë deri në ndalimin e plotë të volantit. Shkarkimet e mundshme "goditëse", të karakterizuara nga një tërheqje një herë ose ciklike e energjisë së ruajtur, dhe për shkak të momentit të madh këndor dhe kohës së shkurtër të shkarkimit të MN, ulja e shpejtësisë këndore të rotorit të tij është relativisht e vogël, megjithëse fuqia furnizuar mund të arrijë vlera mjaftueshëm të larta. Në këtë modalitet MN, vendosen kërkesa të veçanta për sigurimin e forcës së boshtit. Nën ndikimin e çift rrotullues, lindin sforcime të rrezikshme prerëse në bosht, h. energjia kinetike e rotorit shndërrohet në energji potenciale të deformimeve elastike të përdredhjes së boshtit. Për të kapërcyer vështirësitë e mësipërme, sigurohen bashkime elastike ose fërkuese në modele individuale MH.

MN-të statike ruajnë energjinë e ruajtur, duke qenë në gjendje të palëvizshme. Bartësit e energjisë potenciale në to janë lëndë të ngurta të deformuara në mënyrë elastike ose gazra të ngjeshur nën presion të tepërt, si dhe masa të ngritura në një lartësi në lidhje me sipërfaqen e tokës. Shembuj tipikë të MN statike janë: sustat e shtrira ose të ngjeshura, gomat; akumulatorë gazi dhe akumulatorë pneumatikë; pajisjet e goditjes së shtyllave të ndryshme, për shembull, për drejtimin e shtyllave, duke përdorur energjinë e masave në një gjendje të ngritur; rezervuarët e termocentraleve të depozitimit të pompuar, rezervuarët e instalimeve me presion uji. Këtu janë raportet kryesore të energjisë dhe parametrat karakteristikë të disa pajisjeve tipike.

Konsideroni një MN me elastike elementet.

Ne besojmë gjendje e ngurtë sistemi është linear, atëherë elementi elastik i ruajtjes ka ngurtësi (ose elasticitet) konstante N= Konst. Forca që vepron mbi të F= Nx proporcionale me deformimin linear NS. Puna elementare perfekte kur ngarkohet me MH dW= Fdx. Energjia totale e ruajtur

W = J Fdx = J Nxdx = NAh2 / 2-FaAh / 2, Oo

Ku Ah - deformimi që rezulton, i kufizuar, për shembull, E pranueshme tensioni ar material; Fn = NAh - forca e aplikuar.

Le të vlerësojmë energjinë specifike Wya = Wj M, për njësi masë M= yV= ySh volumi i sustës ose i shufrës V dhe seksioni S, materiali i të cilit ka një dendësi y dhe punon për t'u çarë brenda kufijve të ligjit të Hukut a= xfE, për më tepër X* = xfh- deformim relativ, E-moduli i elasticitetit (Young), G ^ Gp. duke prezantuar da= Edx„ ne mund të shkruajmë DW= Fhdx* = Fhdo/ E dhe dWya= dW/ ySh= Fda/ ySE, prej nga në C= F/ S Gjej

Wya =] (aljE) da = a2J (2jE).O

Për çelikundo të pranojmë burime me "= 8 108 N / m "E = 2 , 1-1011 N / m2,y = 7800 kg / m3, atëherëWya ^200 J/ kg. Ana Një llogaritje logjike për gomën teknike jep ^ rrahje ^ 350 J / kg, megjithatë, për shkak të natyrës së histerezës së varësisë F= F(X) Në ciklin ngarkim-shkarkim, humbjet dhe ngrohja që rezultojnë çojnë në TE plakja graduale (shkatërrimi) i gomës, paqëndrueshmëria dhe përkeqësimi i vetive elastike të saj.

Magazinimi i gazit sistemi është në një gjendje mekanikisht jo ekuilibër në lidhje me mjedisin: kur temperaturat e sistemit dhe mjedisit janë të barabarta (T = T0C) presioni i sistemit p> p0, c, prandaj sistemi mund të funksionojë. Rezerva e energjisë elastike e ngjeshur në një cilindër me një vëllim V gazi është

W= P (vdp = v (p2-pi) .. (4.1)

Sipas (4.1), për njësinë e masës M të çdo gazi të ngjeshur, ekziston një energji specifike

Wya = W / M = V (p2-Pl) IM = Aply. (4.2)

Bazuar në (4.2) në K = 1m3, vlera W- WysM numerikisht e barabartë me rënien e presionit Ap = p1-p1. Për shembull, nëse A /? = 250 105 Pa (presioni fillestar p! = 105 Pa), pastaj IL = 25-106 J pavarësisht nga përbërja kimike e gazit. Vlera maksimale e Wya gjatë zgjerimit të gazit të ngjeshur në presion zero në një temperaturë të caktuar sipas ekuacionit Mendeleev - Clapeyron PV- MvRyTështë

Wya= WlM = RyTI ", (4.3)

Ku c = M / Mts - masa molare (kg / kmol); Ry & ~ 8,314 kJ / (kmol K) - konstante universale e gazit në Тх273 К; /? "105Pa; Mm është numri i kilomoleve në një gaz me masë M.

Mund të shihet nga (4.3) se përdorimi i gazeve të lehta në ML është më efektiv. Për gazin më të lehtë, hidrogjenin (μ = 2 kg / kmol) në T = 300 K, energjia specifike është ~ 1250 kJ / kg (ose 1250 J / g). Në (4.3), presioni nuk është përfshirë në mënyrë eksplicite, pasi Wya përcaktohet nga (4.2) nga raporti i presionit të tepërt të gazit me densitetin e tij. Kjo e fundit me rritjen e presionit dhe Г = konst rritet në mënyrë lineare (në procesin izotermik PV= Konst). Duhet të theksohet se presionet e larta që janë të arsyeshme për aplikimin efektiv të MN në shqyrtim shkaktojnë, për arsye fortësie, një masë të konsiderueshme të cilindrave të gazit, duke marrë parasysh të cilat vlera e Wya e instalimit në tërësi mund të ulet me pothuajse një rend i madhësisë në krahasim me fVya nga (4.2), (4.3). Vlerësimi i forcës së cilindrave mund të kryhet duke përdorur Marrëdhëniet e Projektimit § 4.5.7.

Konsideroni gravitacionale pajisjet e ruajtjes së energjisë.

Energjia gravistatike e gravitetit të Tokës (në nivelin e orisë) vlerësohet nga një tregues mjaft i lartë "rreh = 61.6 MJ / kg, i cili karakterizon punën e nevojshme për lëvizjen uniforme të një trupi me një masë Mx = Kg nga sipërfaqja e tokës në hapësirën e jashtme (për krahasim, ne tregojmë se kjo vlerë PVya është afërsisht dyfishi i energjisë kimike të 1 kg vajguri). M deri në lartësi h= x2 - xl energji potenciale e ruajtur

W= jgMdx = gMh , (4.4)

Ku M = konst, g = 9,8l m / s2. Sipas (4.4), energjia specifike Wya= WjM= gh varet vetëm nga lartësia h. Energjia e ruajtur lirohet kur ngarkesa bie dhe kryhet puna e dobishme përkatëse si rezultat i shndërrimit të energjisë potenciale në kinetike. Energjia kinetike specifike më e lartë në natyrë kur bie mund të zhvillohet nga meteoritët, për të cilët Wya ^ 60 MJ / kg (pa marrë parasysh konsumin e energjisë për fërkime në atmosferë).

Përdorimi i drejtpërdrejtë i forcave gravistatike të krijuara nga masat natyrore është praktikisht i pamundur. Megjithatë, duke pompuar ujin në rezervuarë artificialë të ngritur ose nga rezervuarët nëntokësorë në sipërfaqe, një sasi mjaft e madhe e energjisë potenciale mund të grumbullohet për aplikime në shkallë të gjerë në sistemet e energjisë elektrike. Nëse diferenca e nivelit h= 200 m, atëherë, bazuar në masën e ujit M = 103 kg, energjia e ruajtur sipas (4.4) është e barabartë me I> "= 1962 kJ, energji specifike Wya= WjM= 1.962 kJ / kg.

Konsideroni kinetike inerciale MN

Në parim, energjia kinetike mund të ruhet për çdo lëvizje të masës. Për lëvizje të njëtrajtshme përkthimore të një trupi me masë M me shpejtësi v energjia kinetike W= Mv2 / 2. Energji specifike Wya= W/ M= v2 j2 varet (në mënyrë katrore) vetëm nga shpejtësia lineare e trupit. Një trup që lëviz me shpejtësinë e parë kozmike km/s ka një specifikë

Energjia Wyax32 MJ / kg.

Për një sërë aplikimesh të energjisë dhe transportit, MN-të e lëvizjes rrotulluese janë MN racionale - inerciale (volant). Energjia kinetike e ruajtur W = J & / ~ përcaktohet nga katrori i shpejtësisë këndore P= 2nn (NS- shpejtësia) dhe momenti i inercisë J volant në lidhje me boshtin e rrotullimit. Nëse volanti ka rreze G dhe masës M =yV (V-vëllimi, në- dendësia e materialit), t °

J ^ Mr2 / 2 = yVr2j2 dhe W = n2Mr2n2 = n2yVr2n2. Energjia specifike përkatëse (për njësi M ose V)është FV/ M= n* r2n2 , J / kg dhe lV0 vjeç= W/ V= n2 vjeç2n2 , J / m3. Vlerat e Q dhe n për një madhësi të caktuar r janë të kufizuara nga shpejtësia lineare periferike v= Q.r= 2 mr, lidhur me sforcimin e lejuar të thyerjes së materialit ar. Dihet se tensioni a në një disk ose rotor cilindrik MH varet nga v2. Në varësi të formës gjeometrike të volanteve metalikë, ato karakterizohen nga shpejtësi maksimale të lejueshme në periferi prej përafërsisht 200 deri në 500 m/s.

Energjia e ruajtur, veçanërisht për një volant me buzë të hollë, W= Mv /2 (Mështë masa e unazës rrotulluese). Energji specifike Wya= W/ M= v2 /2 nuk varet nga madhësia e unazës dhe përcaktohet nga raporti i parametrave Op/y të materialit të saj (shih seksionin 4.5.1, ku tregohet se v2 = opj Y). Duhet të theksohet se një model i ngjashëm për Wya ~ avjу ndodh gjithashtu në pajisjet e ruajtjes së energjisë induktive (shih Kapitullin 2), megjithëse ato ndryshojnë ndjeshëm nga MN në natyrën fizike. Në rastin e përgjithshëm, në prodhimin e elementeve të ruajtjes MN, është e nevojshme të përdoren materiale me vlera të rritura të Gp / y> 105 J / kg. Materialet më të përshtatshme janë çeliqet me aliazh me qëndrueshmëri të lartë, lidhjet e titanit, si dhe lidhjet e lehta të aluminit (lloji duralumin) dhe lidhjet e magnezit (lloji elektronik). Duke përdorur materiale metalike, është e mundur të merret energjia specifike MN deri në Wm = 200-300 deri në J / kg.

Të projektuara për krijimin e volantëve me energji specifike veçanërisht të larta (super volant), materialet me fibra të imta teorikisht mund të ofrojnë nivelet e mëposhtme të indeksit Wya: filamente qelqi - 650 kJ / kg, fije kuarci - 5000 kJ / kg, fibra karboni ( me një strukturë diamanti) -15000 kJ / kg ... Filamentet (ose shiritat e bërë prej tyre) dhe rrëshirat ngjitëse formojnë një strukturë të përbërë, forca e së cilës është më e ulët se ajo e fibrave origjinale. Duke marrë parasysh elementët e fiksimit në super-volantët realë, praktikisht arrihen vlerat e Zhud, të cilat janë më të vogla se ato të treguara, por gjithsesi relativisht më të larta se në varietetet e tjera të MN. Super volantët lejojnë shpejtësi periferike deri në v"1000 m/s. Zbatimi teknik i pajisjeve të tilla kërkon kushte të veçanta. Për shembull, është e nevojshme të instaloni një volant në një shtresë të evakuuar, pasi vlerat e treguara v korrespondojnë me shpejtësitë supersonike në ajër (numri Mach Ma> 1), të cilat në rastin e përgjithshëm mund të shkaktojnë një sërë efektesh të papranueshme: shfaqjen e goditjeve të ngjeshjes në ajër dhe valët goditëse, një rritje të mprehtë të tërheqjes dhe temperaturës aerodinamike.

Super volantet me fije shumë shtresore kanë një besueshmëri mjaft të lartë dhe janë më të sigurta në funksionim sesa volantët e ngurtë. Nën ngarkesa të papranueshme të shkaktuara nga forcat inerciale, vetëm shtresat e jashtme më të stresuara të strukturës së përbërë të fibrave të super volantit shkatërrohen, ndërsa shkatërrimi i një volant masiv shoqërohet me shpërndarjen e pjesëve të tij të grisura.

Kombinimi i vetive të MN statike dhe dinamike ndodh në pajisje të ndryshme. Më e thjeshta prej tyre është lavjerrësi lëkundës. Procesi ciklik i shndërrimit të ndërsjellë të energjisë potenciale në energji kinetike mund të mbahet për një kohë mjaft të gjatë nëse kompensohen humbjet në mekanizmin e lavjerrësit.

Le të shqyrtojmë shembuj ilustrues të MN-ve që ruajnë energjitë kinetike dhe potenciale në të njëjtën kohë kur ngarkohen. Ato demonstrojnë mundësitë themelore të përdorimit praktik të përbashkët të të dy llojeve të energjisë së akumuluar mekanike. Në fig. 4.1, a tregohet pesha M, duke u rrotulluar rreth qendrës O në një varg absolutisht të ngurtë me gjatësi /, devijuar nga pozicioni vertikal me një kënd cp. Shpejtësia Lineare v korrespondon me lëvizjen rrotulluese të M përgjatë një rrethi me rreze G. Energjia e mundshme e ngarkesës Wn= gMh për shkak të ngritjes së tij në një lartësi h si rezultat i refuzimit. Energjia kinetike e ngarkesës është 1FK = 0,5 Z2 . Në ngarkesë vepron një forcë F = F „+ Fr. Komponenti i tij inercial është i barabartë me FK = Mv lr> vlera e komponentit gravitacional F T= gM. Meqenëse F „/ Fr = r2 / rg = tg (D, për aq sa Wn/ Vk= 2 orë/ rtg^>. Nëse Uchest ^! se A = / (l - coscp) dhe r = / sincp, pastaj / y / r = (1 - coscp) / sinср. Kështu, W"L lFK = 2coscp / (l + cos (p), dhe në rastin e cp-> 0 marrim Wn / WK-> 1. Rrjedhimisht, në kënde të vogla cp, energjia e ruajtur fV = JVK + Wn mund të shpërndahet në mënyrë të barabartë frekuencat (W Vlera e Wn mund të rritet, nëse fiksoni ngarkesën në një pezullim elastik (shirit ose varg).

Një shembull tjetër i akumulimit të përbashkët W„ dhe Vk shërben si një volant rrotullues me buzë të imta (Figura 4.1, b), i cili kishte elasticitet (ngurtësi) N. Tensioni në buzë ^ p = NAI është proporcional me zgjatjen elastike A / = 2n (r - r0) të shkaktuar nga forcat inerciale AFr= AMv2 /G, të shpërndara Nymi përgjatë perimetrit të buzës me rreze r. Ekuilibri i një elementi buzë me masë 2DM = 2 (A // 2l;) A (p përcaktohet nga relacioni 2A / v = 2A / 7 (() sinAcp ^ Ai ^ Acp , prej nga 0.5 Z2 = 2K2 (r- r0 ) N. Prandaj, energjia kinetike e buzës lVK= 2n2 (r- r0 ) N. Meqenëse energjia potenciale e ruajtur)