Текст книги "Энергетика глазами молодых (сборник)"

Полупроводниковый элемент памяти для кодовых систем защиты

Хан Г. В. – студент группы Э-34, Иванов И. А. – студент группы Э-44, Стальная М. И. – к.т.н., профессор РФ, Алтайский край, г. Барнаул, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова»

Повсеместно нас окружают различные автоматизированные системы, которые имеют необходимость в запоминании различных данных, которые могут в себе содержать важную информацию о работе, положении, функционировании различных приводов. Для исполнения этой потребности были созданы и применяются элементы памяти, которые возможно реализовать с помощью магнитных дисков, гидравлических, пневматических, электромеханических реле – устройств запоминания и хранения информации. Так же в связи с потребностью в сохранении не только информационных данных, но и в ограничении доступа к физическим объектам, материальным ценностям, помещениям, данные устройства нашли свое применения для хранения различных кодов, шифров, механических положений, формы предметов, которые необходимы для получения доступа. Все эти устройства различаются между собой и оказывают свое влияние на параметры безопасность систем защиты, сложность изготовления и стоимость конечных устройств. На сегодняшний день наибольшее распространение для задач хранения материальных ценностей получили электронные кодовые системы защиты, основанные на полупроводниковых элементах благодаря их малым габаритам, невысокой стоимости, высокой надежности, долговечности, скорости записи и перезаписи.

Самым наиболее простым и достаточно часто используемым элементом памяти, выполненным на полупроводниках, является RS-триггер. Он способен хранить 1 бит данных так как является бистабильный элементом который, как правило, реализуется на двух элементах И-НЕ рисунок 1 (Б) или на двух элементах ИЛИ-НЕ рисунок 1 (А).

Рисунок 1 – Структурная схема RS-триггера

Работа RS-триггера представлена в таблице 1, и в ней не трудно заметить недостаток данного триггера – наличие так называемых «запрещенных комбинации», отмеченные в таблице 1 символом «X». Кроме того, запрещенные комбинации зависят от того на каких элементах был исполнен RS-триггер, что заставляет учитывать его структурную схему во время использования и применения в схемах и устройствах, что является существенным недостатком.

Для исключения подобных запрещенных комбинации была разработана структурная схема полупроводникового элемента памяти, представленная на рисунке 2 и его таблица истинности (таблица 2).

Не трудно видеть, что данное устройство имеет и более простую схему. А из таблицы истинности 2 видно, что устройство не имеет запрещенных комбинаций.

Таблица 1 – Таблица истинности RS-триггера

Рисунок 2 – Структурная схема элемента памяти

Работает данный элемент памяти таким образом: для запоминания логической единицы, подается входной сигнал на вход A, и одновременно единичный импульс на вход B. При одновременном поступлении этих сигналов, на выходе элемента И появится логическая единица которая проходя по положительной обратной связи на вход элемента DD2 встанет на самоподхват и таким образом при снятии сигнала со входа B значение логической единицы на выходе будет сохранено. Для обнуления записанной информации необходимо всего лишь снять сигнал со входа A. При необходимости использовать инверсный выход можно установить параллельно на выход Q инверсию (рисунок 3).

Рисунок 3 – Структурная схема элемента памяти с инверсией

Таким образом, описанная схема компактного полупроводникового элемента памяти работает как логическое полупроводниковое устройство, с двумя стабильными логическими состояниями «1» и «0» на выходе. Кроме того, представленная схема содержит не имеет запрещенных комбинаций, реализует необходимость в запоминании и хранит 1 бит данных. Поэтому эту схему более целесообразно использовать в кодовых системах защиты

Таблица 2 – Таблица истинности разработанного элемента памяти

Рисунок 4 – Схема кодовой системы защиты

Данное устройство может содержит в себе максимум 11 входов и 1 выход. Код может иметь любую длину n символов состоящий из произвольного сочетания цифр от 0 до 9, но при этом хотя бы одна цифра должна быть связанна с датчиком сигнализации перебора кода.

Устройство работает следующим образом, при постановки ключа он будет замыкать контакты подавая сигнал, который установит единичный логический уровень на вход схемы A, тем самым разрешая ввод числового кода, после чего вводиться цифровая последовательность, которая при нажатии на соответствующие кнопки подает «1» на вход элемента памяти, и с выхода элемента памяти поступает сигнал на вход следующего элемента памяти разрешая ввод последующего числа. Например, зададим код: «53264» тогда имеем схему, представленную на рисунке 5. На которой входы X1-X0 соответствуют цифрам 1–0, выход Y подает сигнал на открывание.

Как итог можно отметить следующее: предложенный вариант элемента полупроводниковой памяти не имеет запрещенных комбинации, а, следовательно, работает более четко, однозначно и надежно так как не имеет запрещенных комбинации.

Рисунок 5 – Схема для устройства с заданным кодом «53242»

Список использованных источников:

1. Шило, В. Л. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. Москва, «Радио и связь», 1987 г. 352 с.

2. Устройство для выделения единичного импульса: пат. 961126 СССР: Кл. Н.03.К.5/153 УДК 621.374.(088.8), / Стальная М. И., Лабузова Л. П.; заявитель и патентообладатель Алтайский политехнический ин-т – № 3001169/18-21; заявлен. 03.11.1980; опубл. 23.09.1982 бюл. № 35.

Электрический аппарат тепловой обработки зернового материала

Часовщиков Д. Г. – аспирант, Сологубов А. В. – студент группы 8Э-63, Гусейнова С.А. – аспирант РФ, Алтайский край, г. Барнаул, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова» Азербайджанская Республика, г. Баку, Институт физики Национальной академии наук Азербайджана

Алтайский край – житница не только Сибири, но и всей страны. Это крупнейший производитель зерна в Российской Федерации, регион входит в число российских субъектов – лидеров по развитию животноводческой отрасли и располагает серьезными перспективами дальнейшего развития производства сельскохозяйственной продукции.

Земли сельскохозяйственного назначения в Алтайском крае занимают 11,6 млн га, в том числе сельскохозяйственные угодья – 10,6 млн га, из них пашня – 6,5 млн га (это самая большая площадь пашни в РФ). По объёмам производства зерна и в первую очередь высококачественной пшеницы край входит в первую пятёрку регионов России.

К настоящему времени остается актуальным вопрос создания энергоэффективных технологий и технических средств предварительного подогрева зернового материала на зерноперерабатывающих предприятиях АПК. В данной статье рассматривается система подогрева зерна с использованием электрического аппарата подогрева зерна (ЭАПЗ) на основе многоэлектродных композиционных электрообогревателей (МКЭ).

Для переработки зерна в муку необходим его подогрев до +15 ºС для соблюдения технологического регламента переработки и сохранения биологических свойств зерна, т. к. температура зерна, поступающего на переработку, составляет от –5 ºС зимой до +10 ºС летом.

В настоящее время наиболее распространенными являются технические средства, использующие косвенный обогрев. Косвенный обогрев на основе следующих теплоносителей: подогретый воздух – НЗШ (нагреватель зерна шахтного типа); перегретый пар – БПЗ (блок подогрева зерна); горячая вода – ПЗ (подогреватель зерна) [1, 2]. В мировой практике также используются установки типа НЗШ и ПЗ (Польша, Канада, США и др.) по ценам на 20–40 % дороже российских аналогов (таблица 1) [3].

Выполненный анализ известных устройств и установок подогрева зерна выявил их следующие недостатки:

– низкую эффективность процесса тепловой обработки зернового материала, обусловленную высокими энергозатратами при больших потерях тепловой энергии, связанных с применением вторичного энергоносителя, в качестве которого используют горячую воду, насыщенный пар и подогретый воздух;

– полное или частичное отсутствие автоматического управления процессом тепловой обработки зернового материала, исключающее возможность регулирования температуры при контакте со стенками кольцевых паропроводов или с объемом подогретого воздуха;

– повышенную трудоемкость процесса технического обслуживания оборудования и невозможность использования вышеназванных способов в фермерских хозяйствах, малых мельницах при отсутствии котельных и значительные энергетические затраты для получения большого объема подогретого воздуха;

– малый коэффициент полезного действия (КПД), порядка 35–40 %.

Таблица 1– Технические характеристики

При проектировании системы автоматического регулирования процессом тепловой обработки зернового материала требуется обеспечить:

– автоматическое управление процессом тепловой обработки зернового материала для повышения надежности работы ЭАПЗ;

– выполнение условий электро-, пожаробезопасности, надежности функционирования аппарата;

– энергоэффективность и экономическую целесообразность применения системы автоматического регулирования процессом тепловой обработки зернового материала в ЭАПЗ;

– снижение материалоемкости аппарата, повышение КПД конструкции;

– разработку САР, позволяющей обеспечить надежный и эффективный электрический подогрев зерна для фермерских хозяйств, удаленных от центрального теплоснабжения.

ЭАПЗ может быть использован в агропромышленном комплексе при переработке зерна в муку или крупу, а также для других технологических процессов тепловой обработки зерновых культур и комбикормов.

Преимущества ЭАПЗ [4]:

1. Обеспечивает высокотехнологичный прямой контактный подогрев и тепловую обработку зернового материала, снижает материалоемкость и эксплуатационные затраты, повышает КПД до 85–90 % в отличии от аналогов, применяющих косвенный обогрев и имеющих КПД, не более 60 %.

2. Надежность системы управления, позволяющей в автоматическом режиме контролировать параметры технологического процесса подогрева и тепловой обработки зернового материала, выполнение условий электро-, пожаробезопасности.

3. МКЭ обеспечивают уменьшение удельных энергозатрат до 8,6 кВт∙ч/т в отличии от известных аналогов, в т. ч. мировых, имеющих этот показатель: НЗШ -14,0 кВт∙ч/т, БПЗ – 21,0 кВт∙ч/т, ПЗ -10,0 кВт∙ч/т.

4. Установленная электрическая мощность ЭАПЗ составляет 7,0 кВт, производительность – 2,2 т/ч, подогрев и тепловая обработка зернового материала осуществляются в диапазоне температур от -5 °C до +15 °C±1 °C.

ЭАПЗ состоит из нескольких основных блоков: корпуса аппарата шахтного типа, включающего МКЭ; шкафа управления ШУ, включающего цепи управления и защиты; выпускного устройства (рисунок 1).

Рисунок 1 – Основные блоки и габаритные размеры ЭАПЗ

Для осуществления технологического процесса подогрева или тепловой обработки в корпусе предусмотрены три нагревательные секции с МКЭ-1/4 и вспомогательное оборудование: датчик температурного реле 7, контролирующий температуру на поверхности МКЭ; термопреобразователь сопротивления 8, измеряющий температуру зернового материала в бункере – накопителе; термопреобразователи сопротивления 9, 10, измеряющие температуру подогреваемого зерна при поступлении в верхнюю нагревательную секцию (рисунок 2). Выпускное устройство включает привод дозатора – распределителя 12; дозатор – распределитель 3, реечную задвижку 13, привод шнека 14; шнек 15. В корпусе привода дозатора – распределителя расположен датчик контроля скорости 16, осуществляющий контроль за работой дозатора, а в корпусе шнека – сигнализатор уровня мембранный 17, контролирующий уровень зерна в шнеке [5].

Рисунок 2 – Схематическое изображение электрического аппарата подогрева зерна на основе многоэлектродных композиционных электрообогревателей

Способ автоматического управления процессом подогрева и тепловой обработки предусматривает непрерывную подачу зернового материала из бункера – накопителя в ЭАПЗ, которое самотеком поступает в шахту, проходя между поярусно расположенными в шахматном порядке плоскими МКЭ, нагрев зернового материала, прохождение через дозатор-распределитель, подачу на шнековый транспортер и выгрузку норией. Расположение МКЭ в шахматном порядке обеспечивает перемешивание зерна, увеличение зоны тепловой обработки и площади его контакта с электрообогревателями, что повышает энергоэффективность и КПД установки. Системой автоматического управления осуществляется контролирование технологических параметров процесса подогрева и тепловой обработки зернового материала в автоматическом режиме, включающее предварительное измерение температуры зерна в бункере-накопителе, регулирование мощности нагрева электрообогревателей, контроль за подачей зерна из бункера-накопителя в ЭАПЗ, контроль за подогревом и тепловой обработкой зернового материала вверху и внизу аппарата, регулирование температуры зернового материала на выходе из аппарата, автоматическое регулирование частоты вращения двигателя привода дозатора-распределителя, осуществляющего своевременный выпуск зернового материала из зоны тепловой обработки и регулирующего производительность установки и выравнивающего поток движения зернового материала из аппарата, а также автоматическое аварийное отключение электрооборудования при перегреве зернового материала.

В корпусе ЭАПЗ расположены три нагревательные секции с МКЭ, два термопреобразователя сопротивления ТСМ-50. Электрошкаф выполнен в виде металлического шкафа с односторонним обслуживанием.

Мощность электрообогревателя МКЭ может быть изменена на стадии изготовления для обеспечения требуемой температуры на его поверхности. Так, например, для обеспечения на поверхности температуры 80ºС МКЭ-1/4 будет иметь мощность 100 Вт и при этом установленная мощность ЭАПЗ составит 12,5 кВт.

Список использованных источников:

1. Технологическое оборудование предприятий отрасли (зерноперерабатывающие предприятия) [Текст]: учебник /Л. А. Глебов [и др.]. – Москва: ДеЛипринт, 2006. – 816 с.

2. Соколов, А. Я. Технологическое оборудование предприятий по хранению и переработке зерна[Текст] /А. Я. Соколов, В. Ф. Журавлев, В. Н.; под ред. А. Я. Соколова. – 5-е изд., перераб. и доп. – Москва: Колос, 1984. – 445 с.

3. Подогреватели зерна ПЗ // http://www.olis-2.ru [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.olis-2.ru/equipments/proizvodstvomukiikrup /podogrevateli-zerna. – Загл. с экрана.

4. Строков, М. Н. Технология и технические средства подогрева зерна на основе композиционных электрообогревателей [Текст]: дис. канд. техн. наук: 05.20.02: защищена 26.06.09: утв. 17.10.09. / М. Н. Строков; Алт. гос. техн. ун-т им. И. И. Ползунова. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2009. – 116 с.

5. Разработка проектно-конструкторской документации для создания устройств и установок на основе многоэлектродных композиционных электрообогревателей [Текст]: отчет о НИОКР / Т. М. Халина[и др.]. – Барнаул, 2009. – № ГР 02200953368, Инв. № 5922р/6815. – 178 с.

Низкопотенциальное тепло поверхностных слоев земли – доступный источник теплоснабжения в условиях юга Западной Сибири

Шарипов Н. Б. – стажер, Федянин В. Я. – д.т.н., профессор Республика Таджикистан, г. Курган-Тюбе, Институт энергетики РФ, Алтайский край, г. Барнаул ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова»

Проблема использования возобновляемых источников для теплоснабжения жилых домов актуальна для сельских регионов Алтайского края, где проживает около половины всего населения. Цель данной работы – исследование технологий снабжения зданий теплом для обеспечения в них комфортного микроклимата за счет тепловой энергии поверхностных слоев Земли.

Применение теплонасосных установок (ТНУ) для отопления дает заметный экономический и энергосберегающий эффект за счет высокой эффективности преобразования электроэнергии по сравнению с электронагревателями и электрическими отопительными котлами.

Для изучения работы теплонасосной системы отопления разработана и смонтирована система теплоснабжение жилого здания, построенного в районе малоэтажной застройки города Барнаула.

При проектировании здания была поставлена цель – уменьшить удельный расход тепловой энергии на отопление на 60÷65 % по сравнению требуемым расходом в соответствие с территориальными строительными нормами Алтайского края [1].

Основные теплоэнергетические параметры здания рассчитанны с помощью компьютерной программы [2]. Расчеты показывают, что удельный расход тепловой энергии на отопление ниже нормативного [1] на 36 %.

Основные расходы энергии в эксплуатируемых зданиях связаны с возмещением тепловых потерь через ограждающие конструкции, с горячим и холодным водоснабжением, водоотведением, освещением, приготовлением пищи, работой лифтов в многоэтажных домах, использованием электрических бытовых машин, приборов и средств технической коммуникации. Проблема состоит в том, чтобы, поддерживая комфортные условия микроклимата, минимизировать потери энергии. Исходя из этого и рассматривая возможный вклад возобновляемых источников энергии в топливно-энергетическом балансе здания, необходимо рассматривать здание как единую энергетическую систему, в которой взаимодействуют потоки энергии разного вида. Поскольку капитальные вложения, связанные с использованием возобновляемых источников, значительны, а плотности потоков этих видов энергии невелики, здания должны иметь минимальные потери энергии в окружающую среду.

Система сбора низкопотенциального тепла с вертикальным грунтовым теплообменником представляла собой шесть скважин глубиной от 23 до 71 м, размещенных на приусадебном участке.

Рисунок 1 – Схема размещения вертикальных грунтовых теплообменников

В каждую скважину был помещен U-образный грунтовый теплообменник, по одной ветви которого теплоноситель подается вниз, а по другой – возвращается в систему. В качестве теплоносителя системы сбора низкопотенциального тепла грунта, исходя из имеющегося опыта использования грунтовых теплообменников в условиях юга Западной Сибири, выбран 36 %-ый водный раствор этиленгликоля с температурой кристаллизации -20 °C. Герметичный грунтовый теплообменник, предварительно испытанный под давлением, погружался в скважину. Перед погружением в заполненную буровым раствором скважину U-образный теплообменник заполняется водой и к нижнему концу теплообменника подвешивается дополнительный груз, чтобы предотвратить его всплытие. Количество теплообменников было выбрано с большим избытком для проведения серии предварительных исследований с целью выявления факторов, влияющих на удельный теплосъем вертикального теплообменника. Результаты предварительных исследований показали, что средний тепловой поток в расчете на погонный метр скважины практически не зависит от глубины. Основные факторы, определяющие интенсивность теплосъема – температурно-гидравлический режим теплообменника и влажность грунта Производительность рассмотренных грунтовых теплообменников лежит в интервале 25÷50 Вт/м.

В процессе опытной эксплуатации системы проводились измерения следующих параметров: температуры теплоносителя на входе и выходе грунтового теплообменника и расход теплоносителя в контуре «грунтовый теплообменник – испаритель теплового насоса»; температуры теплоносителя на входе и выходе теплообменника-конденсатора и расход теплоносителя в контуре «конденсатор теплового насоса – бак-накопитель тепла» системы теплоснабжения здания; электрической энергии, потребляемой компрессором и циркуляционными насосами грунтового теплообменника и отопительного контура. Фиксировалась температура наружного воздуха.

Величины энергетических потоков тепла и электроэнергии за три месяца отопительного периода 2015/2016 г.г. приведены в Таблице 1.

Коэффициент преобразования (КОП) теплонасосной системы отопления рассчитывался по формуле:

КОП = Q/E,

где Q – тепло, отданное в систему отопления, кВтч;

E – электроэнергия, затраченная на работу теплового и циркуляционных насосов, кВтч.

Таблица 1

Средняя величина КОП = 3,17.

Полученные значения коэффициента трансформации позволяют оценить, сколько привозного топлива можно заместить на низкопотенциальное тепло с помощью теплонасосных систем.

Для примера рассмотрим два варианта системы отопления жилого дома с отапливаемой площадью 100 м². Приведем краткую характеристику климатических факторов места расположения здания. Расчетные температуры наружного воздуха (°С):

– наиболее холодной пятидневки – 39;

– средней за отопительный период – 7,7.

Продолжительность отопительного периода – 221 сут.

С учетом регионального норматива [3] удельный расход тепловой энергии на отопление такого здания равен 125 кДж/(м²ºС. сут). Сезонная потребность в отопительном тепле рассматриваемого здания составит:

Загрязнения окружающей среды уменьшаются на еще более значительную величину, т. к. при сжигании топлива на ТЭЦ производят очистку продуктов сгорания перед их выбросом в атмосферу, а деревенские печи выбрасывают продукты сгорания без очистки и на небольшом расстоянии от поверхности почвы.

Основные результаты экспериментальных исследований:

– удельный теплосъем U-образного теплообменника зависит от расхода теплоносителя и может устойчиво поддерживаться в диапазоне 20÷35 Вт на погонный метр скважины;

– значение эффективного коэффициента трансформации теплонасосной системы (с учетом электроэнергии, потребляемой циркуляционными насосами) поддерживается в диапазоне 3,0÷3,5 путем эффективного погодозависимого регулирования режимов работы установки;

– оценка потенциала возобновляемого тепла, поступающего в поверхностные слои Земли за счет поглощения солнечной радиации, показывает, что энергии, поглощаемой поверхностью 3÷3,5 м² почвы, достаточно для обеспечения теплом одного квадратного метра отапливаемой площади малоэтажного здания с нормативным уровнем теплозащиты.

Список использованных источников:

1. Федянин В. Я., Мещеряков В. А. Инновационные технологии для повышения эффективности алтайской энергетики: Монография Барнаул: Изд-во ААЭП, 2010. – 192 с.

2. Климат Барнаула [Текст]: научное издание / Под ред. С. Д Кошинского и В. Л. Кухарской. – Ленинград: Гидрометеоиздат, 1984. – 139 с.

3. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий. – М. Госстрой России, 2004. – 42 с.