CC BY
111
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
УДК 621.928.93+004.67+004.421 Кулаков Алексей Юрьевич,
аспирант каф. автоматизации и электроснабжения промышленных предприятий (АиЭПП) Ангарской государственной технической академии (АГТА), е-mail: alexei.kulakov@rambler.ru
Асламов Александр Анатольевич, канд. техн. наук, профессор каф. машин и аппаратов химических производств АГТА
Кулакова Ирина Михайловна, канд. техн. наук, доцент каф. вычислительных машин, систем и сетей АГТА,
тел. 8395(5)674396, факс 8395(5)673418 Аршинский Максим Иннокентьевич, инженер, ОАО «Ангарская нефтехимическая компания»
Асламова Вера Сергеевна, д-р техн. наук, профессор, зав. каф. АиЭПП АГТА, е-mail: weras@agta.irmail.ru
АВТОМАТИЗАЦИЯ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПРЯМОТОЧНОГО ЦИКЛОНА
A. Yu. Kulakov, A.A. Aslamov, I.M. Kulakova, M.I. Arshinskii, V.S. Aslamova
THE AUTOMATIZATION OF CALCULATION AND DESIGNING OF DETAILS OF A DIRECT-FLOW CYCLONE
Аннотация. Представлена автоматизированная система расчета и проектирования деталей прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли, в состав которой входят: автоматизированные подсистемы расчета и проектирования осевого направляющего аппарата, раскручивающего аппарата и вытеснителя. Система позволяет снизить трудоемкость обработки данных за счет автоматического геометрического профилирования деталей циклона, сократить сроки проектирования и выдавать на печать готовые чертежи.
Ключевые слова: автоматизированная система, моделирование, проектирование, прямоточный циклон.
Abstract. It's the presentation of the computer-aided system of calculation and designing of details of a direct-flow cyclone with the intermediate selection of dust which consists of computer-aided parts of system of calculation and designing of axial guide apparatus, untwisting appliance and displacer. The system permits to decrease the labour-consume of data machining because of the computer-aided geometric making sections of details of cyclone, to reduce terms of designing and to send prepared sketches for printing.
Keywords: computer-aided system, modelling, designing, direct-flow cyclone.
Введение
Проблема инженерной защиты атмосферного воздуха от техногенных выбросов промышленных предприятий в мире и в России чрезвычайно
актуальна. По данным ООН, ежегодно в атмосферу выбрасывается 2,5 млн т. пыли. В отечественной промышленности для очистки газа от пыли в основном используются низкоэффективные, малопроизводительные противоточные циклоны. Высокую эффективность очистки могут обеспечить высокопроизводительные прямоточные циклоны с промежуточным отбором пыли (ПЦПО), основными преимуществами которых являются: возможность стабильного и эффективного разделения в широком диапазоне варьирования расхода газа и концентрации пыли при сравнительно небольшом гидравлическом сопротивлении.
На рис. 1 представлена схема ПЦПО, который работает следующим образом [1]. Запыленный газ, поступающий в прямоточный циклон, посредством осевого направляющего аппарата 2 (ОНА) приводится во вращательное движение. Частицы пыли под действием центробежной силы перемещаются радиально к стенке корпуса 1 и, совершая по поверхности стенки винтообразное движение, удаляются через кольцевой зазор 6 в промежуточную пылесборную камеру 7 и камеру основного отбора пыли 10. Радиальные перегородки 5 служат для раскручивания поступающего в камеру 7 потока и не препятствуют нормальному перемещению пыли к пылеотводному патрубку 8. При своем движении вдоль стенки корпуса 1 мелкие частицы пыли с потоком очищенного газа будут отходить от оси циклона, поэтому вытеснитель 3 позволяет, с одной стороны, обеспечить минимальное расстояние в радиальном направлении до стенки, что способствует повышению эф-
иркутским государственный университет путей сообщения
фективности пылеулавливания, а с другой стороны, наличие сужения 4 способствует уменьшению скорости газа в зоне промежуточного отбора, тем самым снижая вторичный унос отсепарированных частиц пыли.
При производстве прямоточного циклона основную сложность представляет изготовление следующих элементов: осевого направляющего аппарата 2, ответственного за качество очистки газа; раскручивающего аппарата 9, позволяющего снизить гидравлическое сопротивление циклона; вытеснителя центрального вихря 3.
• в осевой проекции ОНА лопатки должны перекрывать друг друга, чтобы не было проскока потока без его закрутки;
• на выходе из ОНА не должно быть срыва потока с лопаток, что обеспечивается скосом задней кромки лопаток.
Геометрическое профилирование Для ПЦПО выполнено геометрическое профилирование лопастного закручивателя (рис. 2)
[3].
Рис. 1. Прямоточный циклон с промежуточным отбором пыли
К проектированию ОНА предъявляется ряд требований [2]:
• угол на входе в ОНА должен составлять 90°;
• для качественной закрутки потока угол установки лопаток к радиальной плоскости на выходе из ОНА должен быть 28-35°;
• лопатки ОНА должны быть спрофилированы таким образом, чтобы вход газа в ОНА был безударным; для этого лопатки изготовлены бици-линдрическими и загнутыми по двум радиусам;
Рис. 2. Лопастной закручиватель
В цилиндрическом циклоне диаметром В имеется соосная цилиндрическая вставка диаметром В2. В кольцевом зазоре между ними находятся радиальные лопасти, закручивающие проходящий между ними поток. Лопасти имеют бицилиндри-ческую форму с двумя последовательными радиусами загиба г1 и г2. На этих участках углы загиба составляют а и а2 соответственно. Высота лопастного закручивателя к. Входная кромка лопасти расположена по радиусу циклона. Выходная кромка обеспечивает угол закрутки потока у . Необходимые для геометрических вычислений вспомогательные размеры к1, к2, I, 11, 12 и угол а изображены на рис. 3.
Расчет построен из условия исключения проскока потока, т. е. нулевого просвета закручи-вателя в осевом направлении (осевая проекция всех лопастей по срединной поверхности заполняет весь кольцевой зазор).
Исходные данные: диаметры В, В2, угол закрутки у , высота закручивателя к, количество лопастей п. Также необходимо задать варьируемый угол загиба а < 90° - у.
Проведем расчет радиусов загиба.
Угол а :
а2 = 90° - у-а .
(1)
В дальнейшем углы пересчитаны в радианы. Промежуточный коэффициент К, радиусы загиба гь г2 определяются по формулам:
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
ш
K =
r =
eos»
j -cos« + a2)
sin (a + a2 ) - sin a
D ■ ln ifu
— sin--Kh
2 n
1 1 - cos«! - K sin«j
h - r sin a
sin (ax + a2)- sin«
(2)
(3)
(4)
Проекция лопатки ОНА представлена на рис. 4.
Тангенциальные проекционные размеры /1, /2, / вычисляются по формулам:
l1 = r1(1 - eosa1),
(5)
Рис. 4. Развертка лопатки ОНА
Координаты наружной кромки лопасти y: на участке 0 < x < xx :
h = r2 (eos« - cos« + a2 )), (6)
l = li +12. (7) Осевые проекционные размеры h¡, h2, h определяются по формулам:
h = Г sin a, (8)
h2 = r2 (sin(a + a2) - sin«), (9)
h = h + h. (10) Установочный угол о, необходимый при монтаже лопастей, находится по выражению:
о = arcsin(—• r (1 - eos a) +
D Ji •
y - eosaresin
на участке x < x < x2:
(
Dl 2
. V
1- eos
'1J
(14)
D . r (1 -eos«i) y =—(1 - eosaresin(—--- +
1 2 D/ 2
^ir2(eosa1 - eos(«1 + i-Ü)))).
D/2 гг
(15)
Координаты внутренней кромки лопасти y2: на участке 0 < x < x :
DJ2
(11)
+r [eos « - eos (« + a2)]).
При расчете развертки лопатки (рис. 4) используются формулы (12)—(17).
Длина первого участка с радиусом загиба r: x = r«. (12)
Длина лопатки х2:
x2 = xi + ^2 . (13)
D D2 J
y =---i eosaresin
2 2 2 [
на участке x < x < x :
DJ2
1 x 1 - eos—
ri J
(16)
D D ■ Л (1 -eosaL)
y =----eosaresin(-
2 2
D2/2
+-^-(eosai - eos(«i + ^^))). Dl2 r2
(17)
r2 =
r
1
r
иркутский государственный университет путей сообщения
Таким образом, смоделирована срединная поверхность лопаток ОНА.
При геометрическом моделировании раскручивающего лопастного аппарата в ПЦПО необходимо учитывать угол /3 установки лопаток на входе в раскручивающий аппарат относительно радиальной плоскости, который в свою очередь зависит от диаметра циклона В, осевого направляющего аппарата й2, выходного патрубка чистого воздуха й20 и раскручивающего аппарата йг, угла закрутки у ОНА, скорости и1 и давления Р1 на входе в закручиватель потока, а также перепада давления в циклоне АР .
Исходные данные для расчета угла /3 : диаметры В, й20, йг, угол закрутки у, скорость на входе в ОНА и1, давление на входе в ОНА Р1, гидравлические потери аАР .
Находим относительное изменение объема газа при прохождении через циклон АУ:
АУ = р /(р - АР) . (18)
Характеристики сечений: Площадь на входе в ОНА, площадь на входе «2 из раскручивателя:
5 =
^ =
л- (р2 - 2).
4 ;
л- (а202 -аг2) 4
Момент инерции входного сечения мент инерции выходного сечения ./2:
=
л-(Р4 -а,4).
12 =
2
л- (d204 - dr 4)
2
Скорость на выходе и2 и скорость на
*
с учетом гидравлических потерь и 2 :
5 .
и, = и,
и 2 = и2 - АУ. Окружная скорость на входе w1: щ = и - tg (у- л/180°) . Угловая скорость на входе а :
а = Щ / р .
Момент импульса на входе Ь\ равен ту импульса на выходе Ь2:
— = Ь2 = а -1. Угловая скорость на выходе а2:
Окружная скорость на выходе W2:
— аа^ - .
(19)
(20) мо-
(21)
(22) выходе
(23)
(24)
(25)
(26) момен-
(27)
(28) (29)
шшт
Угол установки лопаток /3 на входе в раскручивающий аппарат относительно радиальной плоскости:
/3 = аг^(и VЩ)/ л-180°) . (30)
Геометрическое профилирование раскручивающего лопастного аппарата
В выхлопном патрубке ПЦПО диаметром й20 имеется соосная цилиндрическая вставка диаметром йг. В кольцевом зазоре между ними находятся радиальные бицилиндрические лопасти, раскручивающие проходящий между ними поток. Лопасти имеют бицилиндрическую форму с двумя последовательными радиусами загиба г и г2. На этих участках углы загиба составляют ах и а2 соответственно. Высота лопастного раскручивателя кг. Входная кромка лопасти обеспечивает угол раскрутки потока /3 . Выходная кромка расположена
по радиусу циклона. Необходимые для геометрических вычислений вспомогательные размеры к],
к2, /, 1\ и 12 изображены на рис. 5.
Рис. 5. Проекция лопатки раскручивателя
Исходные данные: диаметры й20, йг, угол раскрутки /3 , высота раскручивателя кг, количество лопаток п. Также необходимо задать варьируемые радиус загиба г1 и угол загиба ах < 90° - /3.
Угол загиба а1, радиус загиба г2, проекционные характеристики лопастей рассчитываются по формулам 1, 4, 5-10.
Установочные углы ах ,а2 по внутренним диаметрам йг и й20, необходимые при монтаже лопастей, вычисляются по формулам (31), (32) (см. рис. 6).
а = шгат-
(1 -008а1) + г2 [ео8а1 -008(а1 +а2)]
ё /2
ё /2
Г (1 - 008 а) Г [оо8а1 - 008 (а1 +а2)]
dю!2
А?2^2
. (32)
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
ш
Рис. 6. Проекционные установочные углы
Угол, образующийся между двумя лопатками на выходе потока относительно оси закручива-
теля а
36С - n -а
а =-
■ + а
(33)
Расчет развертки лопастей осуществляется по формулам 12-17.
Программная реализация Для автоматизированного геометрического профилирования бицилиндрического ОНА, раскручивающего аппарата и вытеснителя разработана автоматизированная система расчета и проектирования деталей прямоточного циклона (АСРПДЦ) в среде разработки Borland Delphi с использованием системы автоматизированного проектирования AutoCAD.
АСРПДЦ объединяет в себе следующие мо-
дули:
• автоматизированная подсистема расчета и проектирования циклона (АПРПЦ);
• автоматизированная подсистема расчета и проектирования вытеснителя (АПРПВ);
• автоматизированная подсистема расчета и проектирования осевого направляющего аппарата (АПРПЗ);
• автоматизированная подсистема расчета и проектирования раскручивающего аппарата (АПРПРА);
• программный модуль «Расчет угла раскрутки».
На рис. 7 приведена структура АСРПДЦ. АСРПДЦ ориентирована на решение следующих основных задач:
1. Вычисление размеров оптимальной модели циклона и пересчет размеров для геометрически подобного циклона требуемого диаметра, а также вычерчивание общего вида ПЦПО в системе AutoCAD (подсистема АПРПЦ).
2. Расчет и построение по введенным размерам чертежей конического, цилиндрокониче-ского вытеснителей или профилированного вытеснителя переменного сечения в системе AutoCAD (подсистема АПРПВ).
3. Нахождение по введенным параметрам ОНА углов и радиусов загиба, проекционных характеристик и развертки лопатки закручивателя, а также размеров цилиндрических вставок и построение чертежей в системе AutoCAD (подсистема АПРПЗ).
Рис. 7. Структура АСРПДЦ
*
n
иркутским государственный университет путей сообщения
4. Определение угла установки лопаток на входе в раскручивающий аппарат относительно радиальной плоскости в зависимости от конструкции ОНА и характеристик циклона (программный модуль «Расчет угла раскрутки»).
5. Расчет углов и радиусов загиба, проекционных характеристик и развертки лопастей раскручивающего аппарата, а также размеров цилиндрической вставки и построение чертежей в системе AutoCAD (подсистема АПРПР).
6. Сохранение рассчитанных значений и имени файла чертежа AutoCAD.
7. Автоматизированное построение чертежей и рамок формата А3, А4 в соответствии с ЕСКД, с возможностью масштабирования рамки при выходе чертежа за ее поля, а также удобная печать каждого чертежа из одного файла.
В подсистеме АПРПЗ вводятся габаритные размеры ОНА, угол закрутки, количество лопастей, варьируемый угол загиба лопасти и по методике, описанной выше, производится расчет недостающих размеров ОНА для построения чертежей в системе AutoCAD. Есть возможность построения четырех чертежей: общего вида ОНА, лопатки, внутренней и внешней втулки. Рассчитанные значения и название чертежа, созданного в программе AutoCAD (*.dwg), сохраняются в файле с расширением *.ona. На рис. 8 приведен пример
расчета
и построения ОНА в АПРПЗ по алгоритму, блок-схема которого представлена на рис. 9.
Для автоматизации расчета угла установки лопаток на входе в раскручивающий аппарат относительно радиальной плоскости был разработан программный модуль «Расчет угла раскрутки».
Подсистема АПРПЦ (рис. 10) имеет три вкладки: «Основные размеры», «Размеры вытеснителя», «Дополнительные размеры», в которых вводятся размеры деталей циклона, указанные на рисунке вкладки. По окончании ввода программа рассчитывает коэффициенты для введенных размеров и строит чертеж общего вида ПЦПО. Коэффициенты позволяют пересчитать размеры для требуемого диаметра циклона в интервале от 100 мм до 1000 мм. Рассчитанные значения и название чертежа, созданного в программе AutoCAD (*.dwg), сохраняются в файле с расширением *.cik.
Прямоточный циклон может иметь вытеснитель одного из трех типов: конический, цилиндро-конический и профилированный переменного сечения. В подсистеме АПРПВ возможен расчет по введенным размерам вытеснителя и построение чертежа общего вида в системе AutoCAD. Рассчитанные значения и название чертежа, созданного в программе AutoCAD (*.dwg) сохраняются в файле с расширением *.vit.
Рис. 8. Пример расчета и построения ОНА
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
ш
^ Конец ^
Рис. 9. Пример блок-схемы расчета и построения ОНА
Заключение. АСРПДЦ строит чертежи деталей в удобном для печати виде. Распечатать чертежи деталей можно на листах формата А3 и А4 в соответствии с ЕСКД; при этом выполняется автоматическое масштабирование чертежей под заданные размеры бумажного носителя.
По полученным чертежам была изготовлена лабораторная модель прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли для визуальных наблюдений за процессом сепарации пыли в ПЦПО (см. рис. 11) и ОНА с углом установки лопаток к радиальной плоскости 20° и 30° (см. рис. 12). Диаметр циклона 114 мм. На данном этапе проводятся экспериментальные исследования процесса сепарации оксида алюминия.
Рис. 11. ПЦПО для визуальных наблюдений
Рис. 10. Пример расчета и построения ПЦПО
Рис. 12. Изготовленный осевой направляющий аппарат
Программная поддержка реализована в среде разработки Borland Delphi с использованием системы автоматизированного проектирования AutoCAD. Представленная автоматизированная система позволяет снизить трудоемкость обработки данных за счет автоматического расчета оптимальных размеров деталей циклона, сократить сроки проектирования и выдавать на печать готовые чертежи.
иркутский государственный университет путей сообщения
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Асламова В. С. Прямоточные циклоны. Теория, расчет, практика. - Ангарск : АГТА, 2008. - 233 с.
2. Аршинский М. И., Кулаков А. Ю., Асламова В. С. Разработка прямоточного циклона для визуального наблюдения // Сб. тр. молодых ученых
и студентов : в 2 ч. - Ангарск : АГТА, 2010. -С.20-22.
3. Геометрическая модель лопастного бицилинд-рического закручивателя / А. А. Асламов, М. И. Аршинский, А. Ю. Кулаков, В. С. Асламова // Сб. тр. молод. ученых и студентов : в 2-х ч. -Ангарск: АГТА, 2010. - С. 23-25.
УДК 681.5.015 Воронов Антон Юрьевич,
аспирант кафедры электрооборудования, автоматизации и технологии ДВФУ (г. Владивосток), тел. 89147048864, e-mail: voronov86@gmail.com
Герасимов Владимир Александрович, канд. техн. наук, профессор кафедры электрооборудования, автоматизации и технологии ДВФУ (г. Владивосток), тел. 89025223824, e-mail: fobos_v@mail.ru
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОКА СЖАТОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ В КАНАЛЕ ПЛАЗМАТРОНА
A.Yu. Voronov, V.A. Gerasimov
AUTOMATIC CONTROL SYSTEM OF COMPRESSED ELECTRIC ARC CURRENT INSIDE PLASMATRON CHANNEL
Аннотация. Наилучшим вариантом реализации источника питания сжатой электрической дуги на малых токах является замкнутая система автоматического регулирования с обратной связью по току. В статье рассмотрены структура системы и ее отдельных звеньев, показаны различные методы аппроксимации, произведена проверка результатов теоретических расчетов на математической модели.
Ключевые слова: плазма, сжатая электрическая дуга, система автоматического регулирования, математическое моделирование.
Abstract. Automatic control system with current feedback is the best option for creation of power supply for compressed electric arc on small current. System structure and its separate elements structure are analyzed and various methods of approximation are applied in the article. Results of theoretical calculations are checked on mathematic model as well.
Keywords: plasma, compressed electric arc, automatic control system, mathematic modeling.
Введение. Анализ возможных методов физико-химического воздействия на горючие смеси показывает, что весьма перспективным методом является использование электродугового разряда в виде струи низкотемпературной плазмы [1]. Наибольшие затруднения на пути внедрения ука-
занной технологии вызывают отсутствие требуемых плазматронов, имеющих значительный ресурс при работе в зоне высоких температур, и необходимость разработки специализированных источников питания, способных обеспечить стабильное горение дуги. Последняя проблема особенно актуальна для области малых токов, где процесс горения дуги наименее стабилен.
Основными задачами данной работы являются определение оптимальной структуры источника питания электрической дуги на малых токах, определение общих соотношений между параметрами источника питания при определенных допущениях относительно характеристик объекта регулирования, а также синтез регулятора тока. Цель математического моделирования состоит в оценке точности теоретических расчетов и в исследовании работы источника питания с учетом всех особенностей реальной системы.
Обзор источников питания
Для обеспечения устойчивого горения сжатой дуги на малых токах источник питания должен иметь круто падающую вольт-амперную характеристику, то есть обладать свойствами источника тока. Самым примитивным способом создания такого источника питания является введение последовательно в цепь источника напряжения балластного резистора, сопротивление которого мно-
