КейсыСегодня кейсов в Базе - 66

Введение

 

С точки зрения и в терминах законов развития технических систем (ЗРТС) многие задачи охлаждения можно интерпретировать как задачи сквозного переноса энергии с использованием доступных потоков вещества/энергии при соблюдении принципа согласования источника тепла с теплоносителем и/или окружающей средой.
Ключами к решению многих подобных задач могут стать следующие законы и принципы:
Закон полноты частей системы (наличие основных частей) [1];
Закон энергетической проводимости системы [1];
Закон повышения проводимости потоков вещества, энергии и информации [2];
Закон повышения эффективности использования потоков вещества, энергии и информации [2];
Закон повышения согласованности [2];
Принцип красоты: ЗАВЕРШЕННОСТЬ + МИНИМАЛЬНОСТЬ [3];
Принцип перераспределения функций (отделения функций от их материальных носителей, перераспределение их между элементами системы, т.е. достижение локальных целей другими средствами [3]).

 

История задачи

 

Научные сотрудники Tainjin университета в конце 2006 г. обратились в компанию IWINT с просьбой дать рекомендации по улучшению теплового режима генератора, работающего на одной из гидроэлектростанций КНР.

 

Задача как она дана

 

В летнее время, когда температура воды в водохранилище достигает 25 С, отдельные участки статора одного из гидрогенераторов нагреваются до температуры 110 С, что создает риск повреждения изоляции проводников обмотки статора и серьезного повреждения генератора в целом.

generator_1 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Система охлаждения генератора построена на основе 5 мощных вентиляторов, которые прогоняют воздух по кругу через водяные теплообменники, ротор и зазор между ротором и статором. Вода, проходящая через теплообменники, уносит тепло.

generator_2

 


Структурная схема системы охлаждения

 

Сведения, полученные от заказчика, а также некоторые общие представления о системах охлаждения позволяют построить структурную схему объекта исследования:

generator_3

 


 

 

Тестирование системы на соответствие ЗРТС

 

Перечислим наиболее важные типовые и/или предполагаемые проблемы охлаждения с точки зрения и в терминах ЗРТС:
1. Нарушение закона полноты, отсутствие ключевых элементов или их недостаточная работоспособность;
2. Недостаточное согласование источников тепла и охлаждающего воздуха;
3. Недостаточная энергетическая проводимость (теплоемкость и теплопроводность) воздуха;
4. Недостаточная энергетическая проводимость теплообменника;
5. Недостаточная энергетическая проводимость циркулирующей воды;
6. Недостаточная вещественная проводимость подсистем циркуляции.

Здесь перечислены вероятные системные корни проблемы охлаждения. Формулировки ЗРТС фактически дают концепции для решений на системном уровне и указывают на необходимость улучшения параметров энергетической проводимости и согласованности, как отдельных элементов, так и системы в целом.
В качестве примера рассмотрим факт нарушения принципа проводимости вещества и энергии, который повлек за собой перегрев двигателя авиамодели:

generator_4 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нарушение заключалось в том, что производитель авиамодели не предусмотрел выходного отверстия для нагретого воздуха, что привело к перегреву двигателя. Решение [3] задачи охлаждения двигателя состояло в том, чтобы прорезать отверстие в фюзеляже за крылом, т.е. фактически для обеспечения проводимости вещества (воздуха), уносившего избыток тепловой энергии:

generator_5 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Данное решение может быть истолковано как:
способ обеспечения энергетической проводимости;
способ обеспечения вещественной проводимости;
способ согласования источника тепла с окружающей средой.

Все три формулировки справедливы, отражают разные точки зрения и могут быть примером процедуры тестирования исследуемой системы на идеальность, т.е. на соответствие анализируемой системы ЗРТС.

 

Физические корни проблемы

 

Перечислим основные явления и факторы, приводящие к выделению тепла внутри генератора:

1. Вихревые токи (токи Фуко), возникающие под действием переменного магнитного поля в толще магнитопровода статора и ротора, приводят к их нагреву.
2. Электрические токи в обмотках ротора и статора также вносят вклад в нагрев генератора.
3. Воздух внутри генератора движется по замкнутому кругу, поэтому электрическая энергия, затраченная на вращение вентиляторов, полностью преобразуется в тепло. Мощность источника 5х16=80 кВт.

Последняя из причин нагрева генератора может быть устранена в первую очередь, с минимальными затратами и без существенных изменений в конструкции генератора. Отключение вентиляторов фактически устраняет источник тепла мощностью 80 кВт, однако это влечет за собой потерю функции вентиляторов. Данное обстоятельство побуждает искать иные способы, средства и доступные ресурсы для перемещения воздуха внутри генератора.

 

Мобилизация ресурсов энергии и вещества

 

Поток воды, окружающий генератор и вращающий турбину и ротор генератора, является мощным и доступным источником энергии и вещества. Т.е. мы имеем дешевую и доступную механическую энергию и поток относительно холодной воды. Механическая энергия может быть использована для циркуляции воздуха внутри турбины, а поток воды может быть задействован для более эффективного охлаждения воздуха внутри генератора и наружной части статора.

 

Перераспределение функций

 

Один из наиболее распространенных видов инерции мышления инженеров состоит в прочной связи компонентов системы и присущих им функций. Устранить эту связь, мысленно отделить функции от их материальных носителей [2, гл.3] - значит обрести новую степень свободы и возможность существенно улучшить функциональную схему системы без радикальных изменений ее материальной основы. В нашем случае, отключив вентиляторы как источник тепла мощностью 80 кВт, мы одновременно лишились функции вентилятора, которую следует перенести на другой наиболее подходящий элемент системы, например на ротор генератора:


generator_6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Концепция 1. Ротор-вентилятор:

 

Изменение в конструкции ротора позволяет превратить его в мощный вентилятор, который не потребляет электроэнергии:

generator_7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Генератор сам себя охлаждает за счет более дешевого ресурса - механической энергии воды, переданной на вал генератора от гидротурбины. Данная конструкция имеет еще одну важную особенность: она обеспечивает сквозной проход механической энергии, ее прямое преобразование в движение воздушного потока без электрического посредника. Это обстоятельство позволяет сэкономить 80 кВт электроэнергии, повышает к.п.д. генератора, а также устраняет один из наиболее мощных источников тепла внутри генератора.

 

Концепция 2. Прямая вентиляция

 

Прямая вентиляция генератора предусматривает использование ротора-вентилятора, но с открытым воздушным контуром, что позволяет более точно контролировать температуру и воздушную среду внутри генератора и упростить его обслуживание, поскольку в этом случае из корпуса генератора могут быть удалены не только мощные электрические вентиляторы, но и теплообменники, и обслуживающие их трубопроводы.

generator_8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Концепция 3. Охлаждение проточной водой

 

Данная концепция предусматривает усиление роли внешней оболочки генератора как уже имеющегося теплообменника, потенциал которого не исчерпан. Теплоотдача генератора может быть существенно улучшена за счет теплообменников, прикрепленных к оболочке генератора с внутренней стороны:

generator_9 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Однако здесь требуются более значительные изменения конструкции, поэтому данная концепция может быть рекомендована для вновь строящихся генераторов.

 

Заключение

 

Концепции, представленные в данном разборе, были получены автором в течение двухчасовой консультации, которая имела целью показать ученым университета возможности ТРИЗ, в частности, эффективность применения ЗРТС для решения часто встречающихся задач охлаждения.

 

Основания:

 

1. Альтшуллер Г.С. Творчество как точная наука. - М.: "Советское радио", 1979. - с. 122 - 127. ЗАКОНЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ
2. Любомирский А., Литвин С. Законы развития технических систем http://www.metodolog.ru/00826/00826.html
3. http://www.rcgroups.com/articles/ezonemag/2002/dec/e-streak/dcp03557.jpg
4. Кизевич Г. Принципы выживания, или Теория творчества на каждый день, М. 2000- 2004 г.

Для кого:  Инженер,Предприниматель

Тип решаемой задачи:  Физика,Техника

Приобретаемые навыки:  постановка задачи

Добавить в блокнотБлижайшие мероприятия
(Голосов: 0, Рейтинг: 0)



Добавить комментарий:

Комментарии:

    Для кого:  Инженер,Предприниматель

    Тип решаемой задачи:  Физика,Техника

    Приобретаемые навыки:  постановка задачи

    Добавить в блокнотБлижайшие мероприятия
    (Голосов: 0, Рейтинг: 0)



    Добавить комментарий:

    Комментарии: