| Cím: | Gép és energia | ||
| Szerző(k): | Fáy Árpád | ||
| Füzet: | 1963/május, 225 - 231. oldal |  PDF | MathML |
|
| Témakör(ök): | Szakmai cikkek | ||
|
A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre. Életünkhöz sokféle gép kapcsolódik. Képzeljük el, hány fajta gép dolgozik például a bányaiparban, mezőgazdaságban, élelmiszeriparban, nehéziparban, könnyűiparban stb. Ez a felsorolás egyáltalán nem teljes, de már ez is mutatja, hogy a gépek áttekinthetetlen sokaságához jutottunk. Néhány fizikai és műszaki elv segítségével azonban sikerül ebben a rengetegben eligazodni. Ennek alapja az, hogy a gépek több közös, általános érvényű tulajdonsággal rendelkeznek. Ebben a cikkben a legegyszerűbb ilyen tulajdonságokkal foglalkozunk. A gőzturbina tengelyéhez közvetlenül kapcsolódik a generátor, ezért itt a közlőmű elmaradt.  Korunkban az a törekvés, hogy az energia termelése (természeti ős állapotából műszakilag könnyebben használható formára való átalakítása) minél nagyobb egységekben történjék. A felhasználás viszont kis egységekben történik. Ezért egyre jobban előtérbe kerülnek az olyan ,,közlő művek'', amelyek kényelmesen használhatók az energia nagyobb távolságra való továbbítására és elosztására. A főbb megoldásokat már említettük: gőzvezeték, légvezeték, villamos vezetékhálózat. Mindennapi életünkhöz anyagokra (ruha, élelem, víz) és energiákra (hő, villany, gáz, stb.) van szükségünk. Ha végigkövetjük valamely anyag vagy energia útját a gépek sorozatán keresztül, míg a fogyasztóhoz jut, megállapíthatjuk, hogy két általános fizikai törvénynek kell érvényesülnie: az anyagmegmaradás és az energia-megmaradás törvényének. Ez azonban csak fizikus szemmel van így. Amikor egy súlyú acélöntvényből a megmunkálás során súlyú kész alkatrész lesz, a műszaki ember a súlyú hulladékot veszteségnek tekinti. Az anyag kihasználása csak -os. Ugyanígy az energiák átalakításánál is beszélhetünk veszteségről és hatásfokról. Amint az erőmű példáján az előbb láttuk, műszaki szempontból minden egyes gépnek megvan a maga szerepe és feladata az energiaátalakítás folyamatában. A bevezetett energiának az a hányada, amely a gép feladatának megfelel, hasznos, az energia többi része veszteség. A gép üzemét egy adott időtartam alatt vizsgálva, a hasznosított és bevezetett energiák hányadosa a hatásfok. Egy gépegység veszteségéről és hatásfokáról természetesen csak akkor beszélhetünk, ha a hármas tagozás segítségével a gép szerepét tisztáztuk. (Külön hatásfoka van egy erőgépnek vagy egy közlőműnek, ill. munkálógépnek. Pl. az erőmű esetében a gőzkazánnak, gőzvezetéknek, gőzturbinának.) Szó lehet azonban egész gépcsoportok hatásfokáról is. (Az erőmű hatásfoka: a hálózaton távozó villamos munka és a bevezetett kémiai energia hányadosa.) Az anyagkihasználás és az energiaátalakítás hatásfokának fogalma és számértéke a felhasználás céljától függ, és ezért bizonyos mértékig önkényes. Ezt a következőkből láthatjuk. Az előbb említett hulladékot ismét be lehet olvasztani, tehát nem veszett el véglegesen. ‐ Ehhez hasonlóan az erőműnél is a gőzturbinából távozó (fáradt) gőz hőtartalmát hasznosítani lehet: a gőzt csőkígyóban áramoltatott hideg vízzel (a kondenzátorban) lehűtjük. Ezáltal a gőz lecsapódik, hőtartalmát átadja a hűtővíznek. (A lecsapódott gőzt egy vízszivattyú a kazánba nyomja vissza.) A felmelegedett hűtővizet az erőmű környezetében lakótelepek fűtésére lehet használni! ‐ Az erőmű hatásfokának számértéke tehát függ attól, hogy a villamos munkán kívül ezt a hőhasznosítást figyelembe vesszük-e. (A hatásfok számításánál nem szokták figyelembe venni, de az erőmű gazdaságosságának számításánál igen.) Itt alkalmunk nyílik a fizikai és a technikai szemlélet közötti különbség jellemzésére. A fizikus a jelenségeket vizsgálja, leírja és magyarázza (pl.: az energiamegmaradás törvénye) az ember tudatától és céljaitól függetlenül. ‐ A technikus a jelenségeket az emberek céljainak megfelelően értékeli (pl.: hatásfok), tervezi és valósítja meg. A két szemlélet nincs ellentétben, sőt kölcsönösen kiegészítik egymást. Csak arról van szó, hogy ezen cikk anyagának nagy része is megtalálható dr. Pattantyús Á. Géza: Gépek üzemtana c. könyvében. A gépek előbb ismertetett hármas tagozásának előnye akkor is látszik, ha a gépek jelleggörbéit vizsgáljuk. A jelleggörbe arról tájékoztat, hogy ha egy gép sebességét változtatjuk, akkor az erőhatások hogyan alakulnak. Egészen különböző gépek jelleggörbéi is hasonlóak, ezért a jelleggörbék alapján nagyon általános törvényszerűségeket lehet megállapítani. Ezekkel itt nem foglalkozunk. A gépek mentesítették az embereket a mechanikai munka végzésétől. A technika fejlődésével fokozatosan a gépek irányításának feladatát is gépek vették át. Ha az ilyen célra készített szabályozó vagy vezérlő berendezéseket energetikai szempontból nézzük, megállapíthatjuk, hogy ezeknek a rendeltetése nem az energia termelése, továbbítása, vagy felhasználása, tehát az előbb szereplő hármas tagozás ezekre nem alkalmazható. Így a hármas tagozás egy negyedikkel egészíthető ki: a negyedik egység az egész folyamatot szabályozó vagy vezérlő berendezés. Ezek célját a következőkkel világíthatjuk meg. Előbb a termelést úgy képzeltük el, mint az anyagok és energiák áramlását, sorozatos helyváltoztatását és átalakulását. Ebbe a folyamatba avatkoznak be a vezérlő és szabályozó berendezések. A beavatkozás célja lehet egy folyamat elindítása, fenntartása, megváltoztatása és leállítása. Az általános tulajdonságok megállapítása előtt néhány példát említünk: 1. Egyszerű példa vezérlésre egy nagy villamos motor indítása távolról. (Az ábrán a felső vázlat.) Az indító gombot benyomva egy elektromágnes áramköre zárul. Az elektromágnes a motor közelében levő nagy indító kapcsolót bekapcsolja, és a motor elindul.  2. Szabályozásról van szó, ha az a feladat, hogy egy vízmedencében a vízszintet állandó értéken kell tartani, annak ellenére, hogy a vízfogyasztás a medencéből változó mértékű. A középső vázlaton látható szerkezettel célt érünk. A medencében elhelyezett úszó a víz színén van, és egy középen csuklósan rögzített rudat mozgat, melynek másik végéhez a befolyó víz vezetékébe érő elzárólap kapcsolódik. Ha a vízfogyasztás valamilyen oknál fogva megváltozik, például csökken, akkor a medencében a vízszint emelkedni kezd, az úszó is emelkedik, az elzárólap annyira zár, hogy az időegység alatt beáramló víz térfogata egyenlő lesz az elfolyó víz térfogatával. ‐ Ha a vízfogyasztás nő, a folyamat fordítva játszódik le, a lap nyit. ‐ A vízszint a medencében nem mindig ugyanazon az értéken áll meg. Nagyobb vízfogyasztás esetén a szint alacsonyabb. A vízszint a medencében az elzárólap lezárt és teljesen nyitott állásának megfelelő helyzetek között változhat. Ezek a szintváltozások több esetben megengedhetők. 3. Sok esetben az elzárólap mozgatásához a súrlódás miatt nagy erőhatás szükséges, ezért az úszó nem bírja mozgatni. Ilyen esetben a lap mozgatására segédenergiát használunk. Az alsó vázlaton szereplő esetben nagynyomású olaj szolgáltatja a segédenergiát. A lapot egy hengerben mozgó dugattyú emeli, melynek egyik vagy másik oldalára hat az olajnyomás. Az úszónak csak az olaj útjába helyezett kis vezérlő szelepet kell mozgatnia. Ha a vízszint emelkedik, akkor a kettős dugattyúval ellátott vezérlő szelep is emelkedik. Ezzel az olaj útja kétfelé válik szabaddá: a nagynyomású olaj a lapot mozgató dugattyú felső oldala felé megindul, míg a dugattyú alsó oldaláról az olaj a vezérlő szelepen keresztül a szabadba távozhat. A dugattyú felső oldalán közelítőleg a tápolaj nyomása, alsó oldalán a légköri nyomás hat; végeredményben tekintélyes erőhatás mozdítja a dugattyút lefelé. Vízszint csökkenés esetén a fordított folyamat játszódik le. ‐ Ennél a szerkezetnél a vízszint mindig ugyanazon értéken áll meg. A 2. példában a folyamat maga szolgáltatja a beavatkozáshoz szükséges munkát (elzárólap mozgatása), a 3. példában segédenergia szerepel. A segédenergia szerepét még a következőkkel világítjuk meg. A vízszintet érzékelő szerv az úszó. A beavatkozó szerv a csövet elzáró lap. A segédenergia alkalmazása az érzékelő szervet mentesíti az erőhatásoktól, így nagyon érzékennyé válik (pontosan követi a vízszint alakulását). Másrészt a beavatkozó szervnél biztosítja a beavatkozáshoz szükséges munkát. A segédenergia előállítása természetesen munkát igényel. (Ezt olajnyomás esetén úgy szokták megoldani, hogy a vezérlő szelepből elfolyó olajat egy olajszivattyúval nagynyomású tartályba nyomják, innen jut az olaj a vezérszelepbe. Így az olaj körforgást végez. Az olajszivattyú hajtására fordított munka szolgáltatja lényegében a beavatkozáshoz szükséges munkát.) A szabályozás és vezérlés közötti döntő különbség az irányítási folyamat elindításában van. Vezérlésnél valamely külső ok hozza mozgásba az egymáshoz kapcsolódó szerveket (az 1. példában az indító gomb megnyomása). A szabályozás esetében az anyag- vagy energia áramlás hat az érzékelő szervre, tehát maga a folyamat hozza mozgásba a szabályozó szerveit (2. és 3. példa). A beavatkozó szerv elmozdulása azután szabályozáskor az anyag- vagy energia áramlás megváltozásán keresztül ismét az érzékelő szervre hat. ‐ A szabályozás és vezérlés közötti különbséget tehát így fogalmazhatjuk meg: vezérlés esetében a hatás nyílt láncon egy irányban halad, szabályozásnál a hatás zárt körön halad végig. Szabályozóval ellátott berendezések legnagyobb veszélye a lengés. Lengések lehetősége következik abból, hogy a hatás zárt körön halad. Ezt a 3. példa esetében a következőkből láthatjuk. Tegyük fel, hogy a vízfogyasztás egy állandó érték, és a vízszint az előírt érték alatt van. A szabályozó az elzáró lapot nyitja, a szint emelkedni kezd. Abban a pillanatban, amikor a vízszint az előírt értéken van, az olaj útja elzárul, és a dugattyú megáll. Az elzáró lap azonban magasabban van, mint kellene, mert a beáramló víz nemcsak a fogyasztást, hanem a medence töltődését is fedezi. Azaz az egy alatt beáramló víz térfogata annyival nagyobb az egy alatt kiáramló víz térfogatánál, amennyivel a medence egy alatt töltődött. ‐ Mivel az elzárólap magasabban van, a vízszint tovább emelkedik, és az elzárólap megindul lefelé. Abban a pillanatban, amikor a vízszint megáll, az elfolyó víz mennyisége egyenlő a befolyó víz mennyiségével, tehát az elzárólap éppen a helyén van, de most a vezérlő szelep van magasabban, ezért az elzárólapot tovább mozgatja lefelé. A játék tovább folytatódik, a másik irányba történő kilendüléssel. A berendezés méreteitől függ, hogy ez a lengés lecsillapodik-e, vagy ,,felhintázódik''. Ha a lengések egyre erősödnek, akkor a szabályozó nem felel meg a feladatának, és könnyen törésre is vezethet. A szabályozók tervezésénél fő szempont a lengések elkerülése. Érdemes megjegyezni, hogy a lengéseknek sok közös tulajdonsága van. Ezért aki ismeri a lengéstant, sok esetben előre is meg tudja jósolni a lengések létrejöttét, anélkül, hogy a berendezést részletesen ismerné. Egyik általános törvényszerűség, hogy a lengések fenntartásához vagy erősítéséhez energia befektetés szükséges, különben lecsillapodnak. Szabályozások esetén ez az energia származhat magából a folyamatból, de származhat a segédenergiából is. Segédenergia nélküli szabályozót csak ritkán, egészen egyszerű esetekben alkalmaznak. A segédenergiával működő szabályozó berendezések közt három főbb rendszer alakult ki a segédenergia fajtája szerint: a nagynyomású olajjal működő hidraulikus, a légnyomással működő pneumatikus és a villamos elveken alapuló elektromos rendszer. Mindegyiknél az érzékelő szervtől elég távol helyezkedhet el a beavatkozó szerv, közöttük csővezetéken (olaj, levegő) vagy villamos vezetéken terjed a hatás. Bonyolultabb szabályozásoknál ezek a rendszerek vegyesen is előfordulnak. Eddig anyag-áramlások szabályozása szerepelt. Energiaáramlások esetében is szükség van szabályozásra. Az előbb tárgyalt hőerőművel kapcsolatban csupán a szabályozási feladatokat említjük: a termelt hőenergiának, gőznek és villamos fogyasztásnak összhangban kell lennie, különben energia felhalmozódás, vagy energia hiány lépne fel. Például, ha a villamos fogyasztás hirtelen nagy értékkel csökken, akkor a turbinába áramló gőz mennyiségét is csökkenteni kell. Ha ugyanis hosszú ideig nagyobb teljesítmény áramlik be, mint távozik, ez csak úgy lehetséges, hogy a különbség a turbina és a generátor forgó részének mozgási energiáját növeli, a fordulatszám állandóan emelkedik, ami egy idő után katasztrófához vezet. (Általában olyan szabályozót alkalmaznak, amely a turbina fordulatszámát érzékeli és igyekszik állandó értéken tartani. Ilyen a hidraulikus szabályozó, amely a gőzelzáró szervnél avatkozik be.) Kisebb gőzfogyasztás esetén a hőtermelést is csökkenteni kell, különben a hőmérséklet emelkedik túl magasra. (Pneumatikus szabályozó az égéstér levegőellátását módosítja). Az egyre bonyolultabb szabályozások (teljes gyárak), és az igen kicsiny idő alatt szükséges beavatkozások (radar, pilóta nélküli repülőgép, rakéta) a szabályozási rendszerek új felépítésére vezettek. Az érzékelő szervek a jeleket egy elektronikus számológépbe adagolják. Ez a jeleket kiértékeli, összehasonlítja, esetleg megjósolja, ellentétes hatások esetén a legjobb megoldást kiválasztja, és megadja az utasításokat a beavatkozó szerveknek. (Az ilyen típusú szabályozásokat annyira kifejlesztették, hogy újabban érdemes ilyet alkalmazni egyszerűbb feladatok elvégzésére is.) A technikai haladásnak ezeket a csodálatos eredményeit matematikusok, fizikusok, műszakiak szoros együttműködése hozta létre. |