CC BY
35
Осипов Сергей Юрьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры менеджмента Тверского государственного технического университета, докторант Череповецкого государственного университета.
Тел.: 8 (0822) 44-33-90; 32-67-00; 8-910-533-46-66.
Семенова Ирина Викторовна - преподаватель кафедры высшей математики Вологодского государственного технического университета.
Тел.: 8 (8172) 72-50-93 доб. 118; 75-20-47.
Осипов Юрий Романович - заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор технических наук, профессор кафедры теории и проектирования машин и механизмов Вологодского государственного технического университета.
Тел.: 8 (8172) 72-47-70 доб. 169; 53-18-22; 8-921-121-53-78.
Bystroumov, Valerian Arkadievich - Candidate of Science (Technology), Associate Professor, Department of Higher Mathematics, Vologda State Technical University.
Tel.: 8 (8172) 72-50-93 extention 118.
Osipov, Sergey Yurievich - Candidate of Science (Technology), Associate Professor, Department of Management, Tver State Technical University, Cherepovets State University Doctorate.
Tel.: 8 (0822) 44-33-90; 32-67-00; 8-910-533-46-66.
Semenova, Irina Victorovna - Lecturer, Department of Higher Mathematics, Vologda State Technical University.
Tel.: 8 (8172) 72-50-93 extention 118; 75-20-47.
Osipov, Yury Romanovich - Honored scientist of the Russian Federation, Doctor of Science (Technology), Professor, Department of Theory and Design for Machines and Mechanisms, Vologda State Technical University.
Tel.: 8 (8172) 72-47-70 extention 169; 53-18-22; 8-921-121-53-78.
УДК 621.311.22
В.И. Игонин, О.В. Стратунов
МАКРОУРОВНЕВАЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ ЭНТРОПИЙНОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭНЕРГИИ
V. I. Igonin, O. V. Stratunov
MACRO-LEVEL P ARAME TRICAL
IDENTIFICATION OF ENTROPY MODEL OF ELECTRIC-THERMAL-HYDROLIC
ENERGY CONVERTER
В настоящее время вопросы преобразования электротеплогидравлических форм энергии в электротеплогенераторах трансзвукового типа изучены недостаточно. Методики расчета подобных устройств, как правило, не публикуются и поэтому все это делает актуальными вопросы разработки моделей диссипационного типа, которые учитывают все формы энергопреобразования энергии в явном виде. В данной работе отражена реализация разработанной методики, определяются дис-сипационные составляющие потока энтропии и коэффициенты преобразования, трансформации и полезного действия.
Формы энергии, методики расчета, диссипация, диссипационные составляющие потока энтропии, коэффициенты преобразования, трансформации, коэффициенты полезного действия.
At present, the problems of transformation electric-thermal-hydraulic energy in electric-thermal-hydraulic generators of transonic type are studied insufficiently. Design procedures of similar devices, as a rule, are not published and, consequently, this makes the problems of developing models of dissipation type that consider all forms of power transformation of energy in an explicit form very urgent. The paper presents the realization of the worked out method, discusses dissipation components of an entropy flow and the factors of conversion, transformation and efficiency.
Forms of energy, design methods, dissipation, dissipation components of entropy flow, factors of conversion, transformation and efficiency.
В данной работе для построения макроуров-невой параметрической энтропийной модели в качестве первичной реальности для моделирования элементарного преобразователя энергии использован теплогенератор трансзвуковой Фисенко ТТФ-6, который преобразует электрическую форму энергии в тепловую.
Задача идентификации в данном случае ставится так: по результатам наблюдений входных и выходных переменных некоторой системы построить ее математическую модель [1].
Из-за отсутствия в литературе априорной информации приходится решать не только целый ряд подготовительных задач, но апробировать разные модели представления изучаемой системы [2].
В работе для построения одной из версий вторичной реальности физико-математической модели наряду с диссипационными энтропийными законами неравновесной термодинамики [3, 4] использованы её феноменологические законы Джоуля - Ленца, Дарси - Вейсбаха.
Гидравлические, термогидравлические параметры работы электротеплогенератора (ЭТГ) получены расчетно-экспериментальным путем на созданной авторами установке, а также с помощью эмпирических формул из разных источников [5 - 7].
Лабораторная установка состоит из стандартных элементов системы теплоснабжения (рис. 1). К основным типовым элементам схемы относятся: электротеплогенератор 1, баки аккумуляторы 7, термоконвекторы 8, насос 4, трубопроводные транспортные системы 9.
Ввод энергии А£о с1 в систему совершается в
электротеплогенераторе (ЭТГ) с регистрацией его электрических параметров управления 13 и 5. Теплоноситель в одно- или двухфазном состояниях фиксируется видеосистемой 14. Энергия поступает в баки-аккумуляторы 7 либо в термоконвекторы 8. Далее потоки жидкой фазы могут быть возвращены в ЭТГ.
Рис. 1. Схемотехническое решение электротеплогидравлического преобразователя энергии: 1 - электротеплогенератор; 2 - подвод электрической энергии к ЭТГ; 3 - энергопроводы подвода термогидравлической энергии к ЭТГ; 4 - насос для транспорта рабочего тела; 5 - подвод электрической энергии к насосу; 6 - вывод термогидравлической энергии из ЭТГ; 7 - баки-накопители теплогидравлической энергии; 8 - термоконвективные теплоотдатчики энергии; 9 - система трубопроводов распределителей и передатчиков энергии; 10 - участок визуального наблюдения за состоянием рабочего тела; 11 - измерители сил давления; 12 - измерители и регистраторы температурных сил;
13 - измерители и регистраторы тока и напряжения; 14 - видеосистема
На рис. 2 показана схема сбора и обработки экспериментальной и расчетной информации.
Рис. 2. Схема сбора и обработки информации: 1 - блоки регистрации электрической энергии; 2 - участок визуального наблюдения теплоносителя; 3 - компьютер; 4 - потребители энергии; 5 - циркуляционный насос; 6 - регулятор мощности электрической энергии; 7 - аналогово-цифровой преобразователь
Использование схемы измерений и сбора информации дает возможность заполнить матрицы экспериментальных параметров Мэ опытными данными измерений, которые реализуются в алгоритме обработки:
четырем сечениям проточной части скорости , расходы теплоносителя О и тока I, временные характеристики испытуемой системы т, а также расчетные коэффициенты теплоотдачи от жидкости к поверхности теплообменника аж и к воздуху от нее ав. Диссипацион-ные потери от теплообмена Д^ с поверхности изделия и воспроизводство энтропии Д^ за время режима т определялись с помощью стационарных зависимостей для коэффициента теплопередачи К, выведенных для цилиндрического тела в [6].
Распределение полной энергии в элементарной термодинамической системе, работающей по обратному циклу, с затратами работы в единицу времени описывается уравнениями [5]:
А^с. с1 ^ Q = +АЦдис + м + Мдис ] ^ Д£0. с2;
(2)
Мэ ={Мп, Мт, Мсч, Мск . р. нас \ ?
(1)
где Мп - матрица давлений теплоносителя; Мт -матрица показаний термопар, Мсч - данные теплового и электрического счетчиков; Мск р нас -
характеристики сети и насоса.
Из элементов матрицы (1) формируется матрица параметров М
пар
для термодинамического ана-
лиза:
пар
{Мк, М
т, Мсв. р. т,Мк. мат, -^^геом, -Мтерм. функ } ,
где Мк - калорические свойства; Мт - термические свойства; мсв р т - свойства рабочего тела; Мк мат - свойства конструкционных материалов;
Мгеом - геометрические гараметры; Мтерм. функ -
термодинамические функции и т.д.
В параметрическую матрицу (табл. 1) входят опытные данные среднеарифметической от всех
термопар температуры жидкости ?жр и средней по
ли Лидис Л1 ЛL
Л£ =-+-^ + — + —5^
т т т т
= ЛSи + Л^дИс и +ЛSL + Л£дИс ь,
(3)
где ЛЕ0.с1, ЛЕ0.с2 - энергия, подводимая и отводимая из системы; ЛSU, ЛSдИс и, ЛSL, ЛSдИс L -
потоки энтропии с количеством внутренней энергии Ли, ее диссипацией Лидис, механической
работы ЛL, диссипативной составляющей Л^ис,
которые находятся на основе формулы Дарси -Вейсбаха [6] для единицы веса рабочего тела. Здесь принято, что эквивалентная теплота Л Q = Т dS, определяется по характерной температуре цикла Т.
Сопоставляя (2) и (3) за цикл режимного времени т, имеем
лsх Е ^ лsх = лsлU + лsх + лs; + лstис г, (4)
Ли дис и L дис ^
где ЛSх Е - энтропия подведенного потока энер-
Элементы параметрической матрицы
гии Д£0.сь которая реализуется в форме электрической энергии на ТВЭЛы и насос:
Таблица 1 ASх
AS х, AS:
диси
,aS? , AS;
дис L
Наименование и обозначение единицы Номер эксперимента
1 2 3 4 5 6
¿ж, ос 44,90 29,31 47,38 47,06 37,93 48,09
t ос 43,18 26,92 46,69 44,15 35,02 45,18
G, кг/ч 780 660 300 280 420 600
I, А 23,00 18,00 18,00 12,00 18,00 14,00
т, с 32,00 20,00 60,00 266,00 32,00 300,00
<, м/с 0,32 0,28 0,12 0,13 0,18 0,25
аж, Вт / (м2 • оС) 364,43 331,29 371,32 366,38 347,84 368,41
ав, Вт / (м2 • оС) 5,49 4,17 5,71 5,55 4,85 5,59
К, Вт / (м2 • оС) 0,481 0,341 0,523 0,519 0,463 0,543
AQT, Дж 813 128 93 649 505 998 2 065 991 221 654 5 208 628
AS, Дж / оС 18 124 3202 10702 44001 5939 108 452
= ¥ \в, и, ?ст, , I],
где г = 1...6 - число исследуемых режимов; ¥ - оператор состояния системы; [С, и, tст,
?жр, I] - условия принужде-
ния;
asu , AS^U , ASL ,
выходные парамет-
А^цис L J
ры системы.
Поделив уравнение (4) на
ASхЕ , получим коэффициенты
Кк
Кд
Ka, , Кд
ко-
V VхE _ отE. эл о
t E. эл
S
Sr
хЕ эл ТВЭЛ
0E эл ТВЭЛ
T
^АП, -'^-дисУ, ^АЬ, -^дис Ь ■■
торые указывают на безразмерные соотношения основных потоков энтропии (см. табл. 2, пункты 4 - 7).
Энергетическую оценку режимов работы элементарного преобразователя удобно вести с помощью коэффициентов, указывающих на формопреобразования в пределах одной или разных форм изменения энергии.
Например, коэффициенты трансформации механической и тепловой форм энергии определяются по формулам:
S
хЕ эл
(H • m • g) h • T
1эл ц
х;
¡^мех Ктрансф
ASL - AS^ l ASL +ASдXис l
К
ASU
трансф
ASU + AS^ и
ОЕвЭЛ = 3 • I • и • cos j,
электрической формы энергии (см. табл. 2, пункты 1-3) по формуле
где U - линейное напряжение в сети; cos j -учитывается в случае симметричного распределения тока между фазами; 3 - число ТВЭЛов; H, h^ - напор и электрический КПД насоса.
Опыт обработки результатов эксперимента показывает, что элементы матриц не только отражают свойства нелинейности собираемой информации, но и разные по информационному представлению параметры системы.
Основные результаты моделирования для нескольких характерных режимов работы установки сведены в табл. 1.
Они обобщаются с учетом (4) функционалом:
К
преобр
ASU +АУдХИсц +ASL + AS^ l
отЕ эл + о тЕ эл ^ТВЭЛ + S насос
AS х
AS
хЕ
Коэффициент полезного действия для данного аппарата вычисляется как отношение энергии, идущей для использования потребителем, к количеству энергии, затраченной в цикле во всех формах ее преобразования (см. табл. 2, пункт 3)
Лп.д =
ASX -А^дхиси
AS
хЕ
(5)
т
т
и
X
Таблица 2
Матрицы коэффициентов, характеризующих энергоформопреобразование для экспериментальных режимов работы ЭТГ
Наименование Обозначение величины Номер режима
1 2 3 4 5 6
1. Коэффициент трансформации механической формы энергии К мех К траснф 0,73 0,78 0,90 0,92 0,85 0,81
2. Коэффициент трансформации тепловой формы энергии К тепл Ктрансф 1,000 1,000 0,999 0,999 0,999 0,999
3. Коэффициент преобразования электрической энергии в теплоту К преобр 0,967 0,538 0,586 0,830 0,560 1,603
4. Коэффициент полезного действия ^п.д 0,968 0,538 0,588 0,832 0,560 1,605
5. Составляющая механической работы 0,0004 0,002 0,0005 0,0005 0,0009 0,0005
6. Составляющая изменения внутренней энергии КЛи 0,967 0,538 0,586 0,830 0,560 1,603
7. Составляющая тепловой диссипации Кдис и 0,0005 0,0005 0,002 0,002 0,001 0,0009
Результаты сравнения функций суммарных мгновенных потоков воспроизводства энтропии в формах внутренней и электрической энергии в зависимости от расхода теплоносителя показаны на (рис. 3). Из рис. 3 виден устойчивый колебательный процесс под воздействием оператора формопреобразования энергии (5) при изменении силы тока и расхода нагреваемой жидкости.
Завышенные значения коэффициентов табл. 2 в пунктах 2-4, 6 при работе установки на режиме № 6 объясняются влиянием изменения силы тока на процессы, сопровождающие преобразования энергопотока за время опыта, что указывает на направление работы по совершенствованию процессов энергоформопреобразования.
Таким образом, разработана методика моделирования воспроизводства энтропии в преобразователе энергии диссипационного типа, который
460 560
Расход жидкости, кг/ч
Рис. 3. Функции изменения скорости энтропии ЛS х/т от расхода жидкости: —•— - при изменении внутренней энергии; А - электрической энергии ТВЭЛов
является элементом системы теплоснабжения.
Методика позволяет найти каждую из дисси-пационных составляющих суммарного потока воспроизводства энтропии, регулировать их через условия принуждения с целью удержания оптимального производства энергии в форме теплоты и работы.
Построен функционал для параметров изучаемой термодинамической системы, который указывает на связь между данными выходной траектории энергетического состояния системы и группой параметров в условиях принуждения.
Показана возможность вычисления коэффициентов трансформации, преобразования и полезного действия, характеризующих работу ЭТГ.
Особенность модели состоит в том, что для анализа нестационарных процессов энергоформо-преобразования взяты формулы из различных источников, предназначенные для расчета стационарных термогидравлических процессов теплотехнических устройств другого типа и назначения.
По мнению авторов, осреднен-ное макроуровневое представление объекта моделирования относится к особенностям первичной структурной идентификации диссипа-ционной модели электротеплогид-равлического преобразователя энергии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Эйкхофф, П. Современные методы идентификации систем / П. Эйкхофф; пер. с англ.; под ред. П. Эйкхоффа. -М.: Мир, 1983. - 400 с.
2. Ладиков, Ю.П. Стабилизация процессов в сплошных средах / Ю.П. Ладиков. - М.: Наука, 1978. - 400 с. - (Сер. «Теоретические основы технической кибернетики»).
3.Дьярмати, И. Неравновесная термодинамика. Теория поля и вариационные принципы / И. Дьярмати. - М.: Мир, 1974. - 303 с.
4. Игонин, В.И. Пути повышения эффективности теплоэнергетических систем: моногр. / В.И. Игонин. - Вологда: ВоГТУ, 2007. - 119 с.
5. Недужий, И.А. Техническая термодинамика и теплопередача / И.А. Недужный, А.Н. Алабовский. - Киев: Высш. шк., 1978. - 224 с.
6. Альтшуль, А.Д. Гидравлика и аэродинамика: учеб. для вузов / А.Д. Альтшуль, Л.С. Животовский, А. П. Иванов. - М.: Стройиздат, 1987. - 414 с.
7. Ухин, Б.В. Гидравлика: учеб. пособие / Б.В. Ухин. -М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2009. - 464 с.
Игонин Владимир Иванович - доктор технических наук, профессор кафедры теплогазоснабжения и вентиляции Вологодского государственного технического университета.
Тел.: 8 (8172) 53-60-22; 53-19-49; 8-981-509-74-94; е-mail: igonvlad@yandex.ru
Стратунов Олег Владимирович - ассистент кафедры теплогазоснабжения и вентиляции Вологодского государственного технического университета.
Тел.: 8 (8172) 53-05-89; 53-19-49; 8-921-531-80-07; е-mail: oleg-stratunov@yandex.ru
Igonin, Vladimir Ivanovich - Doctor of Science (Technology), Professor, Department of Heat-Gas Supply and Ventilation, Vologda State Technical University.
Тек: 8 (8172) 53-60-22; 53-19-49; 8-981-509-74-94; е-mail: igonvlad@yandex.ru
Stratunov, Oleg Vladimirovich - Assistant, Department of Heat-Gas Supply and Ventilation, Vologda State Technical University.
Те!.: 8 (8172) 53-05-89; 53-19-49; 8-921-531-80-07; е-mail: oleg-stratunov@yandex.ru
УДК 691.4. 004. 8/669. 184
Т.Н. Меньшакова, Н.И. Шестаков, Е.Л. Никонова, Н.Н. Синицын
ТЕПЛООБМЕН В ЗАГОТОВКЕ ПРИ ОБРАБОТКЕ СИЛИКАТНОГО КИРПИЧА
С ДОБАВКАМИ ШЛАМА
T.N. Menshakova, N.I. Shestakov, E.L. Nikonova, N.N. Sinitzin
HEAT EXCHANGE IN THE PROCESSING OF CRUDE LIME-SAND BRICK WITH
SLIME ADDITIVES
Рассматриваются тепловые процессы, протекающие в заготовке при изготовлении силикатного кирпича с добавками шлама, являющегося отходом кислородно-конвертерного производства металлургических предприятий.
Теплообмен, шлам, утилизация, силикатный кирпич.
The paper investigates heat processes taking place in the processing of crude lime-sand brick with slime additives that are waste products of the basic oxygen steel production.
Heat exchange, slime, waste recycling, lime-sand brick.
В настоящее время утилизация шламов, накопленных в шламохранилищах, производится недостаточно из-за отсутствия промышленных технологий их переработки. С учетом негативного влияния на окружающую природную среду и ограни-
ченных возможностей по расширению объема накопителей, их применение в различных отраслях промышленности является важной экономической и экологической задачей.
Одним из наиболее рациональных и эффектив-
