Производство автотранспортных средств

Энергоемкость конструкции АТС определяется суммарной энергией, вложенной в нее на стадии изготовления, и зависит от объема производства, характеристик станочного парка и обо­рудования, массы объекта, номенклатуры используемых мате­риалов и пр. Структура энергопотребления, %, в автомобиле­
строении такова: приведение в действие станков и оборудова­ния — 46, электротермия — 19, получение сжатого воздуха — 16,электролиз — 6, вентиляция и кондиционирование — 6, осве­щение — 5, водопользование — 2. Значения КПД машин, меха­низмов и оборудования, применяемых в основных энергетичес­ких процессах, представлены в табл. 5.1 [7].

Энергозатраты, кВт • ч/кг, при производстве материалов, ис­пользуемых в жизненном цикле (ЖЦ) АТС, таковы: сталь, чугун — 15; алюминий — 58; медь — 26; свинец — 23; пластмассы — 34; ре­зина — 41; лаки, химикаты — 7; кислоты — 0,18; бензин — 5; ди­зельное топливо — 3,5; СНГ — 0,14; СПГ — 0,23; масло — 50; антифриз — 4 (здесь и далее выделены данные, которые пона­добятся при выполнении расчетов в подразд. 5.8.2). Энергоем­кость АТС коррелирует с их массой. На рис. 5.1 представлены данные о содержании материалов в конструкциях АТС [18, 19].

Рис. 5.1. Доля различных материалов в конструкциях автомобилей

Энергозатраты на изготовление узлов и сборку легкового ав­томобиля массой 1,16 fи грузового массой 18 т приведены в табл. 5.2 [19].

Таблица 5.2 Энергозатраты, ГДж (%), на изготовление АТС

Насколько высок уровень этих затрат? Воспользуемся дан­ными табл. 5.2. В мире существует 460 млн легковых автомоби­лей, которые обладают вложенной энергией 460 • • 8,06 ГДж =. = 0,126 Гт у.т., и 140 млн грузовых автомобилей с вложенной энергией 140 • • 523 ГДж = 2,5 Гт у. т., что в сумме численно равно 1/6 части мирового потребления энергии за год.

5.2. Строительство и содержание автомобильных дорог

Система производств в дорожном строительстве. Энер­гетический эквивалент 1 км автомагистрали определяется рас­ходом топлива транспортного потока интенсивностью 10 тыс. автомобилей/сут при движении его по этому отрезку в течение 4 лет и составляет около 5 • Дж. Это немало.

Схема системы производств в дорожном строительстве при­ведена на рис. 5.2. Она включает в себя добычу сырья, произ­водство строительных материалов и полуфабрикатов, собствен­но строительство (прокладка трассы, отсыпка полотна, возведе­ние сооружений, укладка основания, нанесение покрытия), а также содержание и ремонт дороги (техническая эксплуатация, ремонт, утилизация отходов). Неоднократное использование пе­ревозок отображено в виде двухслойной схемы взаимодействия, где затемненными стрелками представлен слой потока транс­портных услуг, а светлыми — слой передачи энергии, вложен­ной в объекты.

Строительство автомобильных дорог (АД) осуществляется с применением машин и механизмов, работа которых требует определенных энергозатрат. АД заключает в себе вложенную энергию, т.е. суммарные энергозатраты на всех стадиях ЖЦ этого объекта. Энергозатраты в дорожном строительстве удоб­но представлять как сумму энергозатрат по видам работ.

Энергетика строительных материалов. Объемы и темпы строительства и содержания АД определяют развитие производ­ства дорожно-строительных материалов на камнедробильных заводах, базах по приготовлению вяжущих материалов,

Рис. 5.2. Схема системы производств в дорожном строительстве и транс­портных услуг:

поток транспортных услуг; передаваемый поток энергии, вложенной в объекты эмульсий, заводах по переработке гудрона в битум, асфальтобетонных (АБЗ) и цементобетонных (ЦБЗ) заводах, заводах железобетон­ных конструкций (ЖБК) [19].

Энергозатраты на исходные материалы — это то количе­ство энергии, которое необходимо для подготовки (в карьере, на заводе) 1 т материала к использованию в дорожном строитель­стве. Среднее количество вложенной энергии, МДж/т, состав­ляет: природный песок, гравий — 20; щебень — 60; отходы в ка­рьерах — 70; битум — 620; цемент — 8000 [32].

Песок и гравий. Разброс затрат энергии на выемку и первичную обработку составляет 4... 45 МДж/т при среднем зна­чении 20 МДж/т.

Щебень. При приготовлении щебня 17 % энергии расходу­ется на бурение и взрывные работы, 10 % — на погрузку и пере­мещение в технологическом цикле и 73 % — на дробление по­роды. Энергия, необходимая для производства щебня, изме­няется в зависимости от типа камня, расположения, конфигу­рации и оснащенности карьера, положения слоев, толщины вскрыши и составляет 40...80 МДж/т. Средняя энергия, затра­чиваемая на обработку 1 т заполнителей всех типов, равна 60 МДж, что эквивалентно 1,5 л дизельного топлива.

Битумные материалы. Потребность в энергии для по­лучения битума находится в пределах 300...700 МДж/т и зави­сит от качества сырья и совершенства технологических процес­сов.

Цемент. Энергозатраты на производство цемента в 10 —13 раз больше, чем на изготовление битума. Источниками энергии слу­жат уголь, нефть, подземный газ и электрический ток. В сред­нем для производства 1 т цемента требуется 8,0 ГДж энергии. Лучшие мировые показатели приближаются к 3,5 ГДж/т.

Стальная арматура для цементобетонных покрытий. Средний уровень затрат энергии на производство стали для арматуры 27 ГДж/т.

Энергия строительства автомобильных дорог. Энергопо­требности собственно строительства АД включают в себя две категории:

1. энергию в виде топлива, используемого при транспорти­ровании материалов и полуфабрикатов;

2. энергию, применяемую в виде топлива в дорожно-строи-тельных машинах и оборудовании.

Показатели потребления топлива по видам работ приведены в табл. 5.3 [32].

Земляные работы. На возведение полотна АД прихо­дится 50...60% общих энергозатрат. При возведении полотна основные энергозатраты связаны с транспортом. Они зависят от дальности возки и грузоподъемности самосвалов. В табл. 5.4

Таблица 5.3 Показатели потребления топлива при строительстве АД

приведены потребные объемы земляного полотна [19]. При со­оружении полотна в равнинной местности из выемок получают 40 % объемов насыпей, в пересеченной — 60 %, в горных усло­виях — 100 %. На строительство из боковых резервов приходит­ся 20 % общей протяженности дорог.

При проведении земляных работ важным является соблюде­ние геометрических параметров, что требует многократных энергоемких проходов техники — грейдеров, бульдозеров. Обя­зательное уплотнение грунта, щебня и асфальтобетона являет­ся главной операцией, обеспечивающей прочность и долговеч­ность полотна АД.

Существует несколько видов технических средств грунтоуп-лотнения, но основным является самоходный одновалыдовый виброкаток, шарнирно сочлененный с пневмоколесным тягачом и имеющий в качестве рабочего органа гладкий или кулачковый валец. Уплотнение грунта происходит под воздействием двух факторов: вибрации и динамических частоударных нагружений.

Таблица 5.4 Потребные объемы земляного полотна, тыс. дороги

Относительная значимость этих факторов, в том числе частоты и амплитуды колебательных процессов (виброускорения до а также давления на грунт зависит от типа и состояния грунта. Толщина обрабатываемого слоя может состав­лять 2 м. Поэтому общая масса катков может достигать 25 т, виб­ровальцового модуля — 18 т, а требуемая мощность для их ра­боты — 150 кВт.

Энергетические потребности для возведения слоев ос­нований АД. На устройство дорожной одежды приходится 15...30% общих энергозатрат. Строительство и реконструкция дорог и инженерных сооружений на них связаны с потреблени­ем значительных объемов не только природных строительных материалов, но и битума, металла, краски, термопласта. Удель­ное потребление битума и металла составляет соответственно 610 и 820 кг/км [19].

Укладка слоев основания и их уплотнение могут отличаться по энергопотреблению из-за изменения состава смеси. Для нанесе­ния связующих слоев, укладки битумных оснований и асфальто­бетонных смесей потребность в энергии составляет 18 МДж/т.

Исходные материалы для основания под дорожное покрытие доставляют на смесительный пункт, а затем укладывают смеси. Каждая операция требует расхода определенного количества энергии. Энергопотребление, при укладке слоя дорожного основания толщиной 1 см с учетом работы смесителя, ТС, укладчиков и катков следующее: из щебня — 5... 8; тощего бето­на — 16; укрепленного цементом — 10... 20; битумопесчаного —10; битумогравийного — 12; укрепленного золой — 5...8.

Видно, что битумное основание с точки зрения экономии энергии остается конкурентоспособным по отношению к це­ментному.

Сумма энергии строительства и энергии транспортирова­ния определяет количество прямой топливной энергии. Об уровне энергозатрат на транспортирование можно судить исхо­дя из примера возведения основания из дробленого щебня: при расстоянии перевозки 32 км составляет 60 % общей энергии, а при 208 км — 89 % общей энергии.

Прямая топливная энергия строительства бетонных основа­ний превосходит соответствующую энергию для щебеночного или обработанного битумной эмульсией основания: энергия производства цемента значительно увеличивает общую энергию для всех категорий оснований.

Асфальтобетонные покрытия. Из энергии, необходимой для приготовления и укладки асфальтобетонной смеси, на по­лучение смеси на АБЗ в условиях России расходуется 38 %, транспортирование смеси к месту строительства (на расстоя­ние 20 км) — 59,5 %, укладку и уплотнение — 2,5 %.

Энергоемкость асфальтосмесителей формируется в соот­ветствии с реализацией составляющих рабочих процессов на АБЗ: сушки и нагревания заполнителя; хранения и нагрева­ния битума; транспортирования холодного заполнителя; при­ведения в действие сушильного барабана и отсоса пыли; пе­ремешивания.

Сушка и нагревание заполнителя. Для снижения на 1 % влажности 1 т заполнителя требуется 29,5 МДж энергии. Для сушки 1 т заполнителя с 5%-ной влажностью с нагревани­ем от температуры 21 до 163 °С и сопутствующими сушке про­чими процессами необходимо около 240 МДж/т.

Хранение и нагревание битума. Затраты энергии, связанные с хранением битума, составляют около 7 МДж/т. За­траты на поддержание температуры разогретого битума — того же уровня. Передовые технологии, при использовании которых битум нагревают один раз на НПЗ и доставляют на АБЗ по ча­совому графику, в России пока не применяются повсеместно. Крайний случай — повторный разогрев холодного битума — требует энергии до 700 МДж/т.

Транспортирование холодного заполнителя. При расходе бензина погрузчиком 25 л/ч и часовой подаче им в питатель 200 т заполнителя энергоемкость этой операции при­близительно равна 5 МДж/т.

Сушильный барабан и отсос пыли. Расход энер­гии на приведение в действие сушильного барабана и отсос пыли составляет около 5 МДж/т.

Приготовление смеси. Если оборудование состоит из теплого элеватора, теплого грохота, насоса для подачи связую­щего материала, дозатора заполнителя, смесителя с принуди­тельным перемешиванием и бункера готового материала, энер­гоемкость смеси приблизительно равна 4 МДж/т.

Таким образом, энергоемкость приготовления 1 т асфальто­бетонной смеси в традиционной асфальтосмесительной уста­новке при сухом заполнителе составляет около 21 МДж/т. При использовании барабанного смесителя этот показатель на 16 % меньше.

В среднем расход топлива на приготовление асфальтобетон­ной смеси составляет 11,3 л/т, в том числе на нагревание и суш­ку заполнителей — 7,5 л/т, перевозку, укладку и уплотнение — 3,8 л/т.

Укладка теплой с м е с и. Производительность укладки асфальтобетонных смесей зависит от применяемой технологии и производительности дорожно-строительных машин. Допустим в качестве примера, что часовая производительность при уклад­ке составляет 150 т/ч. Для распределения и уплотнения смеси имеется один асфальтоукладчик и три катка. Расход дизельного топлива каждой машиной 17 л/ч. Тогда удельный расход энер­гии на укладку составляет 4 • 17 • 38,7/150 = 17,5 МДж/т.

Поверхностная обработка — это процесс создания на до­рожных покрытиях тонкого слоя с целью обеспечения их шеро­ховатости, водонепроницаемости, износостойкости и плотнос­ти. Процесс разбрызгивания битума состоит из двух частей: нагрева связующего материала и собственно разбрызгивания. В табл. 5.5 приведена энергоемкость рабочих операций для раз­личных связующих материалов.

Поверхностное распределение измельченно­го щебня. При мощности распределителя щебня 44 кВт, ско­рости его движения 137 м/мин, ширине разбрасывания 3,7 м энергия, необходимая для распределения, составляет 12 кДж/ .

Уплотнение холодной с м е с и. Усредненный показа­тель расхода топлива укатывающими катками составляет 13... 17л/ч. При толщине слоя 2,5 см и ширине 3,7 м уплотнение обеспечивается за четыре прохода катка. При скорости катка 4,8 км/ч его производительность 4440 /ч. При этом удельная энер­гоемкость на 1 см толщины слоя равна 60 кДж/

Изготовление покрытия. Для получения покрытия из 1 т смеси (распределение смеси асфальтоукладчиком и уплот­нение катками) требуется 2 л дизельного топлива. -

На изготовление 1000 двухслойного асфальтобетонного покрытия с од­нократной поверхностной обработкой расходуется 506...737 щебня и 36 песка при использовании щебня в качестве мате­риала основания [19].

Цементобетонные покрытия. В передовых странах затраты энергии на получение покрытий из цементобетона в три раза выше, чем из асфальтобетона.

Цементобетонные заводы. Цементобетонные смеси приготавливают на ЦБЗ. Транспортирование заполнителя на ЦБЗ по энергоемкости аналогично его транспортированию на АБЗ (5 МДж/т). Расход энергии при использовании бетоносме­сителя производительностью 230 /ч вместе с пневмотранспор­тером, автоматическим дозатором и погрузчиком составляет 7,3 МДж/т.

Изготовление покрытия. Рассмотрим следующий пример. Укладка цементобетонного покрытия осуществляется с помощью бетонораспределителя и бетоноукладчика, каждый мощностью 130 кВт, с производительностью 230 /ч и расходом энергии 1,54 ГДж/ч. Две машины для отделки и выглаживания (мощностью 7,5 кВт каждая), работающие на бензине, потреб­ляют энергию 120 МДж/ч. Общее потребление энергии состав­ляет 1,66 ГДж/ч. Машина для нарезки швов с двигателем мощ­ностью 32 кВт и производительностью 3 м/мин потребляет энергию 1 МДж/л на 1 пог. м шва [32].

На 1000 однослойного цементобетонного покрытия на подстилающем слое из песка расходуется, , песка — 371 и щеб­ня — 190, при получении двуслойного покрытия необходимо песка — 280 и щебня — 208 [19].

Сравнение по виду покрытия показывает, что строительство дорог с цементобетонным покрытием менее энергоемко, чем с асфальтобетонным: для дороги Iкатегории различие составля­ет 11,4%,IIIкатегории — 4,7 %. При формировании дорожной одежды из асфальтобетона энергозатраты ниже, чем при исполь­зовании цементобетона. Однако приготовление асфальтобетон­ных смесей более энергоемко, чем цементобетонных, что и обусловливает указанную разницу в общих энергозатратах.

Средние значения энергозатрат, МДж/м, на изготовление основных видов дорожного покрытия при толщине слоя 1 см составляют:

Нижний слой асфальтобетонного покрытия 12... 14

Асфальтобетонное покрытие на основе гравия 12

Асфальтобетонное покрытие 14

Асфальтобетонное покрытие с крупным щебнем 15

Литой асфальт 22

Шероховатое покрытие 15

Цементобетонное покрытие 28

Энергозатраты на уплотнение катком асфальтобетона раз­личных типов примерно одинаковы. Высокая энергоемкость ли­того асфальта по сравнению с асфальтобетоном объясняется значительно (в три раза) большим содержанием битума и мине­рального порошка, высокой температурой (220...260°С), кото­рую необходимо поддерживать при транспортировании в специ­альных асфальтовозах. Но существенные энергозатраты ком­пенсируются более продолжительным сроком службы. Энерго­затраты на строительство цементобетонного покрытия вдвое больше, чем асфальтобетонного.

Энергия транспортирования асфальто- и цементобетона от­личается незначительно при одинаковых расстояниях возки, однако она различается при транспортировании на короткие и длинные дистанции. Энергия обработки (исключая тепловую энергию) для асфальтобетона значительно ниже, чем для цемен­тобетона или армированного бетона. Однако если учесть расход тепловой энергии, то общие энергетические потребности для асфальтобетона превышают потребности для цементобетона.

Анализ с использованием удельных энергозатрат. Энер­гозатраты при строительстве участка дороги связаны с расходом моторного топлива в двигателях строительно-дорожных машин и энергоресурсов в технологических процессах строительства. Удельные энергозатраты при строительстве АД зависят от вида дорожного покрытия и других факторов (табл. 5.6) [19].

Удельные энергозатраты в технологических процессах строи­тельства приводят к толщине соответствующего слоя покрытия в 1 см. Эти данные используют для оценок энергозатрат в строи­тельстве дорог при известной толщине каждого слоя покрытия. Так, для сооружения 1 м²дороги, имеющей толщину, см, моро-зозащитного слоя грунта — 25, укрепленного слоя грунта — 15, несущего — 15, битумно-связующего — 10, слоя асфальта — 10, расход энергоресурсов составляет около 535 МДж/м² [19].

Энергия содержания и ремонта АД. Содержание АД вклю­чает в себя обустройство и эксплуатацию инженерных объектов, средств связи, сигнализации и управления движением, средств контроля технического состояния АД и др. Все названные объекты и действия являются энергоемкими.

Осветим один аспект — уборку снега с городских дорог (в Москве за год вывозится 35 млн м³снега [11]). Наличие в снеж­ной массе большого числа веществ с превышением ПДК в сотни раз обусловливает ее вывоз в те места, где при ее плавлении мож­но осуществить очистку. Три основных способа утилизации — речной сплав, «сухие» снегосвалки и снегосплавные пункты — требуют энергозатратной уборки и транспортирование снега, а последний способ — существенных энергозатрат на плавку сне­га и операции с оседающим мусором.

Таблица 5.6