Аналіз впливу закону регулювання температури теплоносіїв на економічні характеристики тепловозу. Методика розрахунку зміни нестаціонарного тиску в пневматичних елементах і приладах, що застосовуються на тепловозах, викликаного зміною температури газу.
При низкой оригинальности работы "Підвищення ефективності тепловозних систем охолоджування оптимізацією температурних режимів теплоносіїв", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Особливе значення ця задача набуває стосовно до автономних тягових транспортних установок - тепловозів, у яких істотна частка енергії витрачується на допоміжні потреби, що зрештою, потенційно знижує показники ефективності тепловозної тяги. Одним з можливих шляхів вирішення цієї задачі є оптимізація температурних режимів теплоносіїв систем охолоджування тепловозів шляхом розробки та застосування ефективних, високоточних регулюючих приладів автоматики, що може забезпечити істотний позитивний ефект в технічному, економічному і соціальному аспектах - зменшення зносу, зниження непродуктивних витрат енргії як самих систем, так і обєктів регулювання, зменшити експлуатаційні видатки, підвищити безпеку руху поїздів та їх конкурентноздатність на світовому ринку. Враховуючи вищезгадане, автор обрав в якості обєкту дослідження автоматичні системи регулювання температури теплоносіії тепловозів, в яких використані пневматичні аналогові та дискретні елементи контролю і управління. Дослідженню термодинамічної похибки пневматичних регуляторів температури теплоносіїв тепловозу приділяється недостатньо уваги, тому залишається актуальною задача розробки теоретичних основ розрахунку нестаціонарного теплообміну, аналізу причин виникнення термодинамічної похибки регуляторів та засобів її усунення.
План
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Список литературы
За результатами досліджень опубліковано 12 праць, з них 3 статті в збірниках наукових праць, два патенти України, одна заявка на винахід, три рукописи, що депонувалися, і три тези доповідей на науково-технічних конференціях. У роботах, що опубліковані у співавторстві, пошукачу належить постановка задачі, аналіз отриманих результатів та висновки. Список основних публікацій наведений в кінці реферату.
Практичне значення одержаних результатів.
Отримані результати досліджень реалізовані при використанні двох науково-дослідницьких робіт по господарським договорам. Розроблена методика розрахунку нестаціонарного теплообміну і програма її реалізації використані в НДР та ОКР на ЛМЗ, в державній холдінговій компанії «Луганськтепловоз» при розробці системи регулювання температури теплоносіївв сучасного тепловозу, а також в навчальному прцесі в курсовому та дипломному проектуванні при підготовці інженерів-механіків.
Структура дисертації.
Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури з 100 найменувань і додатка. Загальний обсяг роботи - 126 сторінок основного тексту, 2 таблиці і 40 малюнків.
ОСНОВНА ЧАСТИНА
У вступі показані актуальність та новизна теми дисертаційної роботи, обгрунтований вибір обєктів дослідження, окреслене коло питань, що вирішуються, сформульовані мета і основні задачі дослідження, дана загальна характеристика роботи.
Перший розділ являє собою розгорнутий огляд стану проблеми в галузі локомотивобудуванні та інших сферах, в емпіричному, теоретичному і практичному аспектах.
Відзначений конкретний вклад в рішенні даної проблеми як учених, працюючих в області локомативобудування, так і в галузі дослідження та вдосконаленнясистем охолоджування теплоносіїв силових установок локомотивів, нестаціонарного теплообміну та автоматики (П.Н.Андренко, В.І.Барабащук, Т.К.Берендс, Б.Б.Булгаков, А.І.Борисенко,Є.В.Герц, О.А.Денісов, В.Н.Дмітриєв, І.М.Єлімелех, В.П.Єпіфанов, Т.К.Євфремова, Л.А.Залмазон, І.А.Ібрагімов, В.П.Ісаченко, А.М.Коняєв, Б.П.Креденцер, І.І. Кринецький, А.І.Кубрак, Ю.А.Куліков, С.С.Кутателадзе, М.М.Луков, А.В.Ликов,М.С.Малінов, Є.С.Маєвеєв, В.С.Нагорний, М.І.Панов, І.Л.Повх, Д.М.Попов, Ю.Н.Потєпалов, М.В.Прохоров, В.С.Прусенко, В.Я.Ротач,А.А.Тагаєвська, В.С.Ткаля, І.Хинце, В.А.Чиншин, Є..Б.Черток, С.А.Юдицький, Л.Д.Ярощук та інші), а також ряду зарубіжних учених.
Показано, що оптимальним законом регулювання температури теплоносіїв для тепловозного двигуна внутрішнього ссгорання є ПІ-закон, що забезпечує постійну температуру при будь-яких навантаженнях. В цьому випадку значно зменшується знос деталей двигуна і збільшується його ефективна потужність. Відзначено також, що при збереженні теплової напруженості деталей двигуна на рівні, відповідному номінальної потужності, оптимальне значення температури теплоносіїв збільшується з зростанням потужності, що вимагає застосування в системі регулювання оптимальних регуляторів. Як Пі-регулятор, так і оптимальний повинні мати мінімальну статичну та динамічну похибки.
В процесі аналізу похибок тепловозних пневматичних приладів зясовано, що в літературі недостатньо повно освітлені питання, звязані з визначенням термодинамічної похибкки. Наявні методики розроблені в основному для розрахунку силового пневматичного приводу.
При аналізі теоретичних досліджень нестаціонарного теплообміну в елементах пневмоавтоматики показано, що невирішеним є питання методики визначення типу граничних умов для рішення цієї задачі і розрахунку нестаціонарного тиску, викликаного зміною температури, оцінки допущень, прийнятих при рішенні різноманітних конкретних задач.
Аналіз виконаних експериментальних досліджень показав, що в переважній більшості випадків їхньою метою є отримання залежності критерію Нусельта від нестаціонарних граничних умов. Тут найбільш повно вивчені наступні типи нестаціонарних граничних умов: стрибкоподібне збільшення температури стінки; плавне збільшення приблизно по лінійному закону тепловиділення на стінці; зниження температури стінки при стрибкоподібному зменшенні тепловиділення. Експериментальних же робіт, присвячених вивченню нестаціонарного теплообміну безпосередньо в елементах і приладах пневмоавтоматики, небагато і в них не приводяться ані методики проведення експерименту, ані характеристики вимірювальної і реєструючої апаратури. Тому тяжко судити про вірогідність отриманих результатів і, тим більш, розповсюдити їх на розрахунок інших типових елементів, зокрема, систем регулювання температури теплоносіїв тепловозів.
На підставі виконаного огляду теоретичних та експериментальних робіт по темі дисертації сформульовані мета і конкретні задачі дослідження, наведені на початку автореферату.
Другий розділ присвячений розробці і аналізу математичних моделей процесу нестаціонарного теплообміну в елементах регулювання температури теплоносіїв тепловозів. Складна модель цього процесу в зосереджених параметрах, що відповідає граничним умовам третього роду, модель для довільних граничних умов.
При укладенні математичних моделей належна увага приділена аналізу прийнятих допущень та ідеалізацій. Для рішення математичних моделей автором запропонована методика визначення типу граничних умов і отриманні асимптотичні рішення з допомогою розкладу функцій Бесселя в ряд причому, в одній з моделей використане асимптотичне наближення Бесселевих функцій V -го порядку першого роду. Таким чином, отримані вирази для визначення миттєвого значення температури газу.
При стрибкоподібній зміні температури стінки тс зміна температури газу тг у випадку, якщо його коефіцієнт теплопровідності значно більше коефіцієнта теплопередачі від газу до стінки, описується вираженням
Показник ступеня при експоненті може бути висловлений через безрозмірні критерії Ві та F0
Для довільних граничних умов за відсутності внутрішніх джерел тепла відносна температура газу
Де KNR - позитивний корінь рівняння J0 (KNR), а постійна часу
Використовуючи асимптотичне наближення функцій Бесселя, зміна відносної температури в центрі циліндричної ємності для r>0
Де KNR - n-ий позитивний корінь рівняння
Jo (K n *R) =0
Порівняння результатів розрахунку відносної температури по різноманітним моделям показало, що математична модель нестаціонарного процесу теплообміну в зосереджених параметрах дає менш інерційний перехідний процес. Асимптотична та повна моделі практично дають ідентичні результати вже при числі членів апроксимації функцій Бесселя більш чотирьох. Висновок про те, яка з моделей адекватно описує процес теплообміну, був зроблений після проведення серії фізичних експериментів.
Для розрахунку процесу теплообміну в пневматичних ємностях довільної форми був використаний метод скінчених різниць. При його реалізації велика увага була приділена побудові розрахункової сітки, бо розрахунок на сітці, не відповідній задачі, що вирішується, міг дати незадовільний результат.
Грунтуючись на вимогах, що подаються до додаткових сіток (відображення повинно бути однозначним; лінії сітки повинні бути гладкими; сітка повинна бути густою в тих частинах фізичної області, де можливо виникнення великих чисельних помилок) автором вибраний засіб, оснований на рішенні допоміжного диференціального рівняння. Таким рівнянням для задач теплообміну є рівняння Лапласа. В циліндричних координатах: V k=0, V l =0
З граничними умовами r=r0; l=l; Q=0; k=1;
r=r; l=lmax; Q=2p ; k=kmax.
Розрахункові сітки, побудовані на його основі, задовільняють всім перерахованим вимогам і дають , як показала практика, гарні резуьтати.
Оскільки газ в перехідних режимах знаходиться в неврівноваженому стані по ткемпературі, звичайні формули для розрахунку тиску по рівнянню газового стану не придатні. Автором запропонована методика розрахунку нестаціонарного тиску, що полягає в наступному.
Де R - універсальна газова постійна;
M - молярна маса повітря.
T= T( x,y,z,t) є рішенням рівняння теплопровідності, а інтеграл береться по всьому обсягу.
Грунтуючись на викладеному вище, автором розроблений алгоритм чисельного рішення рівнянь нестаціонарного теплообміну в типових елементах пневмоавтоматики і програма його реалізації.
В третьому розділі приведені результати експериментального дослідження нестаціонарного процесу теплообміну в елементах і приладах пневмоавтоматики систем автоматичного регулювання температури теплоносіїв на тепловозах і виконана перевірка адекватності математичних моделей.
Спроектований та виготовлений стенд і вибрана контрольно-вимірювальна апаратура дозволяла завдавати ріщзноманітного роду і інтенсивності випробовувальні сигнали і реєструвати зміну в часу тиску газу всередині ємності.
При участі автора розроблений спеціальний електронний посилювач. Необхідність його розробки викликана прагненням спростити та здешевити експеримент за рахунок застосування електронно-променевого осциографа з памяттю. Розроблений посилювач перетворює зміну тиску газу на вході в датчик в пропорційний сигнал напруги постійного струму, що дозволило використати елктронно-променевий осциограф.
Однією з задач при проведенні експерименту є вибір випробовувального сигналу. Аналіз типових характеристичних сигналів (стрибкоподібного, імпульсивного та гармонійного) показав, що з точки зору простоти організації, точності відтворення і спектральних властивостей ддля досліджень найбільш підхожим є стрибкоподібний сигнал. Немаловажною обставиною є також те, що в цьому випадку средньоквадратична і максимальна похибка перетворення будь-якого монотонного обмеженого сигналу не перебільшує відповідних похибок перетворення східчастого сигналу. Тому, якщо модель процесу нестаціонарного теплообміну буде адекватна при іспитах на стрипкоподібний сигнал, вона зазнаки буде адекватна описувати цей процес при будь-яких інших монотонних сигналах, що мають місце в практиці.
Зрозуміло, що здійснити на практиці ідеальний стрибкоподібний сигнал неможливо, тому в роботі виконана оцінка похибки, викликаної відзнакою випробовуваного сигналу від ідеального.
Аналіз наведенних залежностей показав, для того, щоб динамічна похибка, що визначається вхідним сигналом, не перевищувала 2%, його тривалість повинна складати менш 0.05 постійної часу ланки, що досліджується. Мінімальне значення постійної часу визначене попередніми експериментами і математичною моделлю складає величину с, тому тривалість вхідного сигналу в експериментах не перевищувала 0.05 с. Контроль цієї величини здійснювався по оцилограмі.
Оцінка адекватності моделей виконувалася за допомогою критерія Фішера. Обробка резуьтатів експериметнів показала, що адекватно описують процес нестаціонарного теплообміну повна та апроксимаційна моделі (розрахункове значення кратерію Фішера рівно ~0.08, в той час як табличне -1.9 при довірчій імовірності 0.95).
Таким чином, визначені адекватні математичні моделі, що використані для аналізу різноманітних приладів пневмоавтоматики середнього тиску, що застосовуються в системах автоматичного регулювання температури теплоносіїв на тепловозах.
В четвертому розділі використаний аналіз роботи деяких стандартних конструкцій та приладів тепловозних пневматичних регуляторів температури теплоносіїв і визначені шляхи зменшення їх термодинамічної похибки.
Виділені чотири групи приладів, що використають пневматичні ємності, де в найбільшому ступені виявляється процес теплообміну: Пульсуючий лінійний пневматичний опір.
Аналогові приклади пневмоавтоматики середнього тиску.
Приклади безупинно-дискретного чинності, елементи памяті і оптимізатори.
Прилади силового пневматичного приведення, де використовуються замкнуті ємності.
Одним з базових елементів пневмоавтоматики є пневматичний опір. Для систем середнього та високого тиску завдяки стисливості робочої середи (звичайно газу) практично неможливо створити регульований пневматичний опір значної провідності з лінійною характеристикою, що використовується при побудові обчислювальних приладів на базі операційних посилювачів і в значній мірі визначає точність виконання таких операцій, як інтегрування, диференціювання, множення вхідного сигналу на постійний коефіцієнт та ряду інших алгебраїчних операцій.
Для рішення цієї задачі звичайно використовується пульсуючий пневматичний опір, що складається з двох пневматичних контактів, що почергово приєднують ємність до вхідних та вихідних ліній з різноманітним тиском.
Основна характеристика опору - його провідність величина якої, окрім звичайних параметрів, залежить від частоти f керуючого генератора.
Як видно з останнього вираження, характеристика пульсуючого опору в даному порушенні (залажність масового видатку від перепаду тиску) лінійна при будь-яких перепадах.
Однак, експериментальні дослідження характеристик такого опору встановленого в інерційній ланці, виконані автором, показали, що провідність не залишається постійною величиною. Ретельний аналіз робочого процесу з використанням роздроблених адекватних математичних моделей, показав, що основна причина нелінійності характеристики є процес теплообміну між газом та навколишніми його стінками. При наповненні ємності газом температура його підвищується, в момент пауз, коли обидва пневматичних контакта закриті, відбувається охолодження газу шляхом теплооддачі через стінки і падіння тиску в ємності. Коли відкривається другий пневматичний контакт, відбувається витікання газу з ємності з пониженням статичної температури. Саме ці зміни температури є причиною порушення лінійності характеристики пульсуючого опору.
Для того, щоб звести до мінімуму вплив змінної температури і тиску в ємності, до керуючого генератора повинно бути подана вимога: він повинен забезпечити однакові по тривалості паузи.
Ця задача вирішена автором шляхом застосування розподілювача з нульовим перекриттям, в якості якого використане реле РУП-1М (УСЭППА).
Основною характеристикою пневматичної ємності є її акумулююча спроможність, чисельно рівна
Оскільки наповнення та спорудження ємності відбувається при змінних тиску і температурі газу, іде процес теплообміну між газом і стінками ємності, що призводить до несталості величини Т , що в свою чергу визначає величину постійної часу Ті інерційноі ланки, збільшуючи її при підвищенні тиску і зменшуючи при пониженні.
Одним із шляхів усунення такої неоднозначності є інтенсифікація процесу вирівнювання температури в ємності в періоди її заповнення і споживання. Це можна досягнути за рахунок зміни форми пневматичної ємності, збільшення площі контакту її поверхні з газом, застосуванням спеціальних наповнювачів та інше. В такій конструкції швидкість розповсюдження пружних збурень потрібно розраховувати по формулі для ізотермічного процесу.
Аналогові регулятори є по суті діла основним елементом автоматизації і, якщо в пропорційному (П) регуляторі немає пневматичних ємностей, то часові операції в інтегральному (І), пропорійно-інтегральному (ПІ), пропорційно-диференціальному (ПД) і пропорційно-інтегрально-диференціальному (ПІД) здійснюються за допомогою пневматичних ємностей.
Відзначимо, що астатичні регулятори (І, ПІ, ПІД) забезпечують постійність регульованої величини і відсутність статичної помилки регулювання. Це особливо ваажливо для систем автоматичного регулювання температури теплоносіїв на тепловозі. Стабільне підтримання температури теплоносіїв на тепловозіі. Стабільне підтримання температури теплоносіїв дизеля сприятливо впливає на довговічність його деталей і вузлів, а також підвищує економічність роботи, що і підтвердила практика використання астатичних регуляторів на тепловозі 2ТЕ121.
Автором на основі розробленої математичної моделі нестаціонарного процесу теплообміну виконаний теоретичний і експериментальний аналіз роботи інтегрального і диференційованого осередків, запропоновані і випробувані їхні модернізовані варіанти, що дозволило значно зменшити термодинамічну похибку тих регуляторів, де встановлені ці елементи.
Особливо важливо враховувати термодинамічну похибку в регуляторах безупинно-дискретної дії, безупинно-дискретних оптимізаторах та інших приладах, де запамятовування сигналу відбувається шляхом герметизації порції газу в ємності. Такі прилади є складником оптимальних регуляторів, що як вказувалося вище, забезпечують найбільш сприятливий температурний режим роботи двигуна локомотива. Теоретичний і експериментальний аналіз теплових процесів в елементі безперервної затримки на такт, вузлах запамятовування максимуму, мінімуму та інше, показав, що запропоновані автором рішення дозволили зменшити або звести до нуля термодинамічну похибку регуляторів, де встановлені ці елементи.
Необхідно відзначити наступне: Хоча всі експериментальні роботи проводилися на приладах і елементах УСЭППА, запропоновані і апробовані засоби зменшення термодинамічної похтбки можуть бути застосовані в повній міірі і до інших систем пневмоавтоматики середнього тиску таких, як НЭМП, КЭМП, ПОІСК та інші.
Математична модель, засоби її рішення, визначення граничних умов, створення розрахункових сіток при чисельному моделюванні і запропоновані конструкції можуть бути використані і при рішенні подібних інженерних задач в інших галузях техніки.
ВИСНОВКИ
Виконані теоретичні та експериментальні дослідження дозволили встановити, що в нинішній час існують резерви підвищення ефективності систем охолоджування сучасних тепловозів, звязані з підвищенням точності регулювання температури теплоносіїв. Підтримання на кожному режимі роботи двигуна певних оптимальних значень температур теплоносіїв забезпечить як економію палива, так і деяке підвищення надійності і довговічності окремих систем тепловозу, рівно як і теловозу в цілому.
Найбільш прийнятне і раціональне рішення цієї задачі полягає в застосуванні в системах охолоджування тепловозу пневматичних пропорційно-інтегральних регуляторів з мінімальною похибкою, що дозволить уникнути дорогих змін конструкції, що охолоджує тепловоз.
Розроблена математична модель і її апроксимаційні варіанти, що адекватно описують процес нестаціонарного теплообміну в пневматичних елементах системи охолодження тепловозу. Модель базується на лаві узвичаєних допущень, що дозволили спростити її рішення без порушення адекватності. Для того, щоб уникнути громіздкого обчислення функцій громіздкого обчислення функцій Бесселя, розроблені апроксимаційні варіанти рішення, що дозволяють при невеликому числі членів розкладу достатньо точно розраховувати розподіл нестаціонарної температури газу в середині пневматичної ємності.
Запропонований алгоритм реалізації математичної моделі на ЕОМ, оснований на чисельному інтегруванні розроблених математичних моделей методом скінчених різниць. При цьому показана важливість правильгного вибору розрахункової сітки, зокрема, переваги методу диференціальних рівнянь.
Показаний підхід до визначення початкових і граничних умов для рішення задачі нестаціонарного теплообміну і продемонстрований на прикладі розрахунку пневматичної ємності. Первісна оцінка може бути виконана на основі рівняння збереження енергії, динаміку процесу теплообміну запрпоновано враховувати з допомогою критерія Біо.
Запропонована і апробована методика розрахунку нестаціонарного тиску в пневматичних елементах регулятора температури теплоносіїв двигуна тепловозу по значенням нестаціонарної температури. Це є важливим етапом визначення термодинамічної похибки регулятора, бо рівняння стану Клапейрона в його класичному варіанті не може бути застосоване до всього обсягу газу зважаючи на те, що температура газу в середині пневматичної ємності змінюється не тільки з часом, але й по радіусу.
Розроблений ряд патентноспроможних конструкцій і приладів регуляторів температури, що мають покращені метрологічні характеристики, серед яких пневматичних пульсуючий опір з лінійною характеристикою, термостатована пневматична ємність. Виконано конструкторсько-технологічне оформлення цих приладів, що забезпечує їхню адаптацію до особливостей тепловозу і штатних умов його експлуатації.
Реалізація розроблених рекомендацій щодо технікоексплуатаційних особливостей тепловозу 2ТЕ121 дозволить за рахунок застосування а астатичній системі регулювання температури дизеля розробленого пропорційно-інтегрального регулятора з термостатовою ємністю і лінійним пульсуючим пневматичним опором досягнути зменшення видатку палива на 1.3 г/к.с.ч. і відповідно підвищити ККД двигуна на 0.35%.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1.Башнак Фади. Пути снижения термодинамической погрешности элементов и устройств пневмоавтоматики. Луганск: Издательство Восточноукраинского государственного университета, 1997.-13 с.
Башнак Фади. Влияние регуляторов температуры теплоносителей на эффективность тепловозных систем // Транспорт.Зб.наук.Пр.Східноукраїнського державноукраїнського університету.-Луганськ.: 1998.-с.132-136.
3.Башнак Фади, Коваленко А.А. О граничных условиях теплообмена в элементах пневматических регуляторов системы охлаждения дизеля локомотива //Придніпровський науковий вісник.-1998.-№78(145)с.41-45.
Башнак Фади. Математическая модель температурного поля в пневматической емкости // Тезисы докладов конференции «Інформаційні технології у науці та освіті».- Черкаси, 1997.-с.113.
Коваленко А.А., Соколов В.И., Башнак Фади. Моделирование температурных полей в элементах пневмоавтоматики // Тезисы докладов 4-той международной конференции «Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР мікроелектроніки».- Львів, 1997.-с.88
Коваленко А.А., Соколов В.И., Башнак Фади. Термодинамическая погрешность устройств пневмоавтоматики.//Тезисы докладов международной конференции «Состояние и перспективы развития електроподвижного состава».-Новочеркаск, 1997.- с.108.
Коваленко А.А., Дядичев К.М., Сорока С.И., Башнак Фади. Экспериментальное исследование теплообмена между газом и стеками пневматической емкости./Восточноукр. Гос.ун-т.-Луганск: 1997.- 42с., ил.-Рус.-Деп. В Укр ИНТЭИ № 459 - Уі 97 от 1.07.97.
Коваленко А.А., Дядичев К.М., Башнак Фади. Влияние теплообмена на характеристики пульсирующего пневматического сопротивления./ Восточноукр. Гос.ун-т.-Луганск: 1997.-10 с., ил.- Рус.-Деп. В Укр ИНТЭИ № 421-Уі97 от2.06.97
Коваленко А.А., Дядичев К.М., Мартемьянов А.В., Башнак Фади. Оптимизация цикла работы для опрессовки литых изделий / Восточноукр. Гос.ун-т.-Луганск:1997.-13с., ил.-Рус.-Деп. В Укр ИНТЭИ № 460-Уі97 от 1.07.97.
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
