CC BY
51
УДК 697.7 - 027.45
МАТЕМАТИЧН1 МОДЕЛ1 ТА МЕТОДИ ДЛЯ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ НАД1ЙНОСТ1 СИСТЕМ ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ З ТРУБЧАСТИМИ ГАЗОВИМИ НАГР1ВАЧАМИ
В. В. Ткачова, к. т. н., доц.
Ключовi слова: трубчаст1 газов1 нагр1вач1, надттстъ, режимна керовамстъ, метод оценки, критерий надтност1
Постановка проблеми. В умовах зростаючо! дорожнечi енергоресуршв, ненадшно! роботи наявних систем теплопостачання, значних каштальних витрат на реконструкщю старих систем опалення або придбання i монтаж нових систем повггряно-водяного опалення особливо актуальне застосування енергозберiгальних технологiй та альтернативного опалювального обладнання. Свiтова практика показуе i доводить ефективнiсть застосування децентралiзованих систем теплопостачання. I вже накопичено достатнш досвiд у !х застосуваннi, в тому чи^ i систем газового променевого опалення.
Питання надшносп систем теплопостачання з газовими трубчастими на^вачами особливо актуальне в тепершнш час. Аналiз i керування надшшстю таких систем е одним i3 найважливiших у проектуваннi та експлуатацп.
Аналiз iснуючих р1шень. У 2002 рощ в Державних будiвельних нормах «Газопостачання» [1] з'явився термiн «шфрачервош трубчастi газовi обiгрiвачi№ (1ТГО). Це обладнання було охарактеризоване в загальних рисах. 1нших загальнодержавних стандартiв не було i зараз немае. Також у цьому рощ починаеться виробництво автоматичного газового пальника ДВМ-25 м в комплект з трубами для променевого опалення у вщповщносп з ТУ•У^29,2 - 13440098 -001 - 2002. З 2007 року виробляються нагрiвачi газовi трубчаст «Селект» у трьох модифiкацiях: для променевого опалення й обiгрiву, пов^ряного опалення й обiгрiву, нагрiву води.
Сьогодш в Роси також експлуатують понад сто великих i середнiх комплекшв та об'ектiв, теплопостачання яких здшснюють газовi обiгрiвачi. На росiйському ринку представлена велика кшьюсть як втизняних, так i зарубiжних газових обiгрiвачiв. Пальники 1ТГО сертифiкованi в Держстандарт Росшсько! Федераци (ГОСТР) i виробляються вщповщно [2].
Подiбнi обiгрiвачi широко використовують у кра!нах Свропи, США та Канадi. У Великобритани виробництвом i розробкою 1ТГО займаються понад 40 рокiв. На сьогодш системи «Space — Ray» обiгрiвають тисячi будiвель вiд Аляски до Австрали.
Американська компанiя «Roberts Gordon» юнуе з 1923 року i виробляе iнфрачервонi обiгрiвачi низько! штенсивноси, що працюють на природному г^ широкого спектра потужностi для рiзних будiвель i споруд. Сьогоднi «Roberts Gordon» експортуе свою продукщю у 38 кра!н свiту [3].
Метою статт е оцiнка рiвня надiйностi систем теплопостачання з трубчастими газовими на^вачами i забезпечення li шдвищення для економи капiтальних витрат на обладнання i економи експлуатацiйних витрат на паливно-енергетичш ресурси.
Виклад. Зпдно з [4 ], подiя - це всякий факт, який у результат досвщу може статися або не статися.
З позици надшносп вид^ються поди, що спричинюють до зниження рiвня працездатностi (вiдмови працездатноси), до зниження рiвня функцiонування (вщмови функцiонування), а також поди, що викликае обмеження наслщюв вiдмов i пiдвищення рiвня працездатностi або рiвня функцiонування (локалiзацiя вiдмови функцiонування, вщновлення) [5]. У цьому випадку поняття «аварiя» може бути вiднесене як до першо!, так i до друго! групи подiй (рис. 1).
Таким чином, випадковi поди, яю характеризують надiйнiсть - це «вгдмова працездатност1» i «в1дмова функц^онування».
Авари та вiдмови СТП з ТГН можуть використовувати таю причини: знос устаткування; помилки проектування; недолши конструкци устаткування; заводськi дефекти; недолiки вузлiв i деталей, нагрiвачiв; дефекти будiвництва, монтажу i наладки; дефекти проведення ремонтних робгг; невiдповiднiсть умов роботи устаткування проектним (розрахунковим) режимам тощо.
Вщмова працездатностi для СТП з ТГН повязна з можливою поломкою окремих елемеипв ТГН або елеменпв системи газопостачання. Наприклад: поломка газового пальника, витяжного вентилятора, автоматики безпеки тощо.
Подп, що характеризують надшшсть СТП з ТГН
що призводять до зниження рiвня роботоздатносп що призводять до зниження рiвня функцюнування що призводять до обмеження насладив вщмовч тдвищення рiвня роботоздатност або рiвня функцiонування
вiдмова роботоздатностi
аварiя вiдмова функцюнуванш
локалiзацiя вiдмови функцюнування
вiдновлення
ч: л га =г
Ш 5 о И
Рис. 1. Класифгкацгя подШ, що характеризують надШшсть системи теплопостачання
/з трубчастими газовими нагр1вачами
Вщмова функцюнування для цих систем пов'язана з можливим переходом з одного рiвня функцюнування на шший, бшьш низький. Ця подiя може бути пов'язана з вщмовою працездатностi, а може бути i не пов'язана з такою.
Вщмова функцiонування може виникати за рахунок: вщмови працездатностi, змiни зовнiшнiх умов, керування системою за змшних умов, неправильних рiшень (керування довгострокове). Наприклад: у вихiднi днi система теплопостачання примщення цеху була включена не на повну потужнiсть, температура пов^ря знизилась, тому в перший робочий день цех виявився не прогр^им. Таким чином вийшов недолiк функцюнування, не пов'язаний з вщмовою працездатносп.
Вiдмова працездатностi i вiдмова функцюнування можуть бути повними i частковими. Повна вщмова функцiонування переводить систему з повшстю або частково робочого стану в непрацездатний. Аналогiчно повна вщмова функцiонування спричинюе до перехщ системи з повнiстю або частково робочого стану в неробочий. При частковш вiдмовi працездатностi виникае або перехщ повнiстю працездатного об'екта у стан частково! працездатносп або подальше зниження рiвня працездатностi частково працездатного об'екта. Часткова вщмова функцiонування викликае або перехщ об'екта з повшстю робочого стану в частково робоче, або подальше зниження вщносного рiвня функцюнування об'екта, що перебував в частково робочому сташ. Частковi вщмови (як працездатностi, так i функцюнування) СТП з ТГН можуть бути пов'язаш з вiдмовами або виводами з роботи для проведення запобiжних ремонлв окремих елементiв. Наприклад: зламався регулятор температури, газовий клапан тощо.
Раптов1 або поступов1 вщмови працездатносп i функцiонування СТП з ТГН характеризуются вiдповiдно раптовим або поступовим зниженням рiвня працездатностi або рiвня функцiонування.
Незалежною може бути вщмова працездатностi (функцiонування), якщо вона не зумовлена вщмовами iнших елементiв системи, в шшому випадку вiдмова буде залежною. Наприклад: перебш у подачi газу може спричинити нестабiльнiсть полум'я, в результат чого спрацьовуе юшзацшний датчик контролю полум'я й автоматика системи вщключае нагрiвач.
СтШю / нестШю вiдмови працездатностi (функцiонування) видшяються у зв'язку з можливiстю поновлення об'ектiв. Прикладом тако! вiдмови може бути вщключення системи автоматики внаслщок порушення тяги з причини сильного поривчастого в^ру, яка зробить спробу знову перезапуститись. Якщо в цей момент знову налетить поривчастий в^ер i порушить тягу, то система автоматики знову не спрацюе (стшка вiдмова), в iншому випадку, коли система автоматики нормально перезапустилась (нестшка вщмова). Тому вiдмова буде називатися стшкою, якщо для поновлення працездатносп (функцiонування) потрiбно проведення ремонту, або нестшкою, якщо для поновлення працездатносп (функцюнування) достатньо змшити режим його роботи без проведення ремонту.
До групи вщмови функцюнування, окрiм розглянутих, входять також вгдмова спрацьовування, надм!рне спрацьовування 7 помилкове спрацьовування. Ц поняття характеризують вiдмови функцiонування об'ектiв дискретно! дн, наприклад систем автоматики: не вщбулося розпалювання, не вiдкрився газовий клапан. Факт виконання цiе!' функцп називаеться спрацьовуванням, а невиконання - вщмовою спрацьовування. Надм!рне спрацьовування полягае у спрацьовуванш об'екта за вимоги спрацьовування шших об'ектiв i вщсутносп вимоги спрацьовування даного об'екта. Наприклад, у системi працюе декiлька пальниюв, один з яких був вимкнений системою автоматики, тсля чого выключилась уся система.
Помилкове спрацьовування полягае у спрацьовуванш об'екта за вщсутносп вимоги спрацьовування цього та шших об'екпв. Наприклад, система контролю полум'я мае вимогу: датчик контролю полум'я не повинен спрацьовувати за наявност помилкового сигналу, але можуть виникати випадки, коли порушення потенщатв у системi у разi пошкодження iзоляцi! викликае помилкове спрацьовування датчика.
Ршення про наявшсть або вiдсутнiсть вiдмов щодо рiзних рiвнiв працездатностi та функцюнування приймаються на пiдставi критерi!в вщмов, якi повиннi спецiально встановлюватися iз функцiонального призначення системи та особливостей !! споживачiв. Формулювання критерi!в вщмови залежить вiд виконуваних звдань.
Далi будемо розглядати надiйнiсть як властивють виконувати заданi функцii в заданому обсязi за певних умов функцюнування. Сьогодш iснують сотнi визначень цього термша, що пояснюють тi або iншi його сторони.
Методологiя дослщження надiйностi СТП з ТГН передбачае вивчення таких важливих одиничних властивостей як безвгдмовшсть, режимна керовашсть 7 безпека.
Режимна керовашсть систем теплопостачання, зпдно з [4; 5] — це властивють системи шдтримувати або переходити в потрiбний режим за допомогою керування.
На разi не юнуе усталених уявлень про те, яким способом оцшювати режимну керовашсть СТП з ТГН. Викладеш математичш методи кориснi для розв'язання багатьох розрахункових задач, яю виникають шд час дослiдження надiйностi систем енергетики, але частина цих методiв не дозволить оцшити рiвень надiйностi СТП з ТГН. Разом iз тим можемо вщзначити працi, результати яких можуть бути застосоваш для оцшки режимно! керованостi СТП з ТГН [6 — 9]. Пращ [8; 9] базуються на розрахунку та керуванш тепловим режимом примщень.
Виникае необхщнють уводити новi критерi! режимно! керованость Це зумовлюе розробку спещальних математичних моделей i спецiальних методiв !х дослiдження.
Метод оцiнки режимно! керованосп СТП з ТГН був розроблений на основi iснуючих моделей i у стислому виглядi викладений у [10]. Цей метод викладаеться бiльш детально в даннш стат.
Розглянемо ряд елементарних подш о>1 О = ищ , де 7 — порядковый номер поди.
Запропонований комплекс режимно! керованосп к — теплове недопостачання :
(13)
QЛ >
К _ шея?
0Д _ в с х1 VI ~ —ли \
щ=+а\-Qhi -а, або АО,-О.
де: О - необидна теплова потужнiсть при настанш подi! I;
Ры, - необидна потужнiсть для опалення i вентиляцi! вiдповiдно; ^ - зовшшня температура при настаннi поди I; Оы , О - фактична потужнiсть для опалення i вентиляцi! вiдповiдно; АО/ - теплове недопостачання при настанш поди 7.
Я
Була отримана математична модель гiдравлiчного та теплового режимiв для розрахунку величин Qhi, Q t. Задача розрахунку теплового та гiдравлiчного режиму при проектуваннi
на^вача була сформульована в [11].
Математична модель теплового i гiдравлiчного режимiв наведена у виглядi системи рiвнянь теплообмiну i рiвнянь руху теплоношя. Р1вняння теплообм1ну:
dQ1K=pDdxd1(T-TJ; (14)
dQin = pDdxc0 е (Tl - (15)
dQ2=pDdx-(Twl-Two)- (16) о
dQ3 = pDdxc0 e (Tl - 7;4./l 0<s j (17)
dQ4=pDdxd2(Two-TJ; (18)
dQ1=dQ1K+dQin, (19)
d(cwFcpT) = -dQ; (20)
dQi - dQ2 ; (21)
dQ2=dQ3+dQ4; (22)
Рiвняння руху:
M = cwF = const, (23)
P = cRT; (24)
2
dP = -A-dx/D-c^- + dh\pa- p)-g, (25)
де h = h(x) - вщома функщя.
Тодi dh = h '(x)*dx, де h '(x) - вщома похвдна.
Система рiвнянь (14) - (25) являе собою математичну модель нагрiвача, починаючи вщ перетину повного згоряння пального газу до витяжного вентилятора. Це система звичайних диференщальних р1вияиь. Початковими умовами для дано! системи будуть значения основних параметр! в у перетиш повного згоряння пального газу, тобто значения w, р, р , Т, Twi, Two . hnni
параметри в даному перетиш можна легко розрахувати.
Перераховаш рiвняння математично! моделi повинш бути доповненi природною умовою для сумарних втрат тиску в на^вач^ яка по суп е рiвнянням другого закону Юрхгофа для нагр1вач1в як пдравл1чного ланцюга. Це р1вняння можна записати у виглядк
-АРа = 0, (26)
де шд штегралом - втрати тиску на тертя по шляху руху газопов1тряно1 сумшн в нагр1вач1, сума втрат тиску в мюцевих опорах по шляху руху газопов^ряно! сумiшi, враховуючи
втрату тиску пов^ря в газопальниковому блоцi вщ входу повiтря до зрiзу газового сопла.
Висновки. Наведено класифшащю подш, що характеризують надiйнiсть системи теплопостачання з трубчастими газовими на^вачами. Запропоновано критерш надiйностi для режимно! керованосп. Викладено метод та математичну модель його розрахунку.
ВИКОРИСТАН1 ДЖЕРЕЛА
1. ДБН. В 2.5 - 20 - 2001. Газопостачання. - К. : Держбуд Укра!ни, 2001. - 286 с.
2. ГОСТ Р 54446 - 2011. Нагреватели светового излучения газовые, не предназначенные для бытового применения. Ч. 1. Требования безопасности (EH 419 - 1:2009, MOD).
3. Sir Wm HERSCHEL. Infrared Handbook / Concepts of Radiant Heating. Roberts Gordon, 1994. - P. 17 - 35.
4. Надежность систем энергетики. Терминология : сб. рекомендуемых терминов. - М. : Наука, 1980. - Вып. 95. - 44 с.
5. Руденко Ю. Н. Надежность систем энергетики / Ю. Н. Руденко, И. А. Ушаков // М. : Наука, 1989. - 325 с.
6. Иродов В. Ф. Математическое моделирование элементарного участка системы воздушно-лучистого отопления / Л. В. Солод., А. В. Кобыща // Вюник Придншр. держ. акад. будiвниц. та архггект. - Д. : ПДАБА, 2001. - № 4. - С. 41 - 46.
7. Иродов Вячеслав. Расчет температурных удлинений инфракрасного трубчатого газового обогревателя / Валерия Ткачева, Леонтина Солод // Theoretical Foundations of Civil Engineering. - 2011. - V. 19. - P. 381 - 386.
8. Хацкевич Ю. В. Разработка алгоритма оперативного управления системами воздушно-лучистого отопления на газовом топливе / Ю. В. Хацкевич // Сб. науч. тр. НГУ. -2006. - № 26. - Т. 2 - С. 15 - 22.
9. Болотских Н. Н. Совершенствование методики расчета систем отопления газовыми трубчатыми инфракрасными нагревателями. // Наук. вюник бущвництва : ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2009. - Вип. 54. - C. 76 - 91.
10. Tkachova Valeriya. Controllability estimation for heating systems with infrares tube heaters // Технологический аудит и резервы производства. - 2013. - Ч. 1. - № 5/1(7). - С. 31 - 32.
11. Дудкин К. Расчет теплового и гидравлического режима при проектировании многоконтурных трубчатых газовых нагревателей / К. Дудкш, В. Ткачева, В. Данишевский // Theoretical Foudations of Civil Engineering, Polish - Ukrainian transactions. Vol. 20. - Warsaw : Warsaw University of Technology, 2013. - P. 531 - 536.
УДК 624.154:624.151
О ДОСТОВЕРНОСТИ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ РОСТВЕРКА СВАЙНОГО ФУНДАМЕНТА С ОСНОВАНИЕМ
А. Н. Моторный, маг., с. н. с., Н. А. Моторный, к. т. н., доц.
Ключевые слова: забивная свая, буронабивная свая, буроиньекционная свая, межсвайное пространство, межскважинное пространство, контакт подошвы ростверка с основанием
Введение. При анализе работы свай в делювиальных и аллювиально-делювиальных глинистых грунтах, а также в слабых водонасыщенных глинистых грунтах часто даются «рациональные» предложения об учёте или возможном учёте работы ростверка свайного фундамента с основанием. Это частично повышает несущую способность свайного фундамента, в целом достигается снижение материалоёмкости и стоимости работ нулевого цикла. В этом варианте предлагается следующая схема учёта дополнительной несущей способности свайного фундамента за счёт включения в работу ростверка.
а) Свайный фундамент по несущей способности разделяется на два блока:
Первый блок - несущая способность куста свай равная
N = (1)
где: п — колличество свай в кусте;
¥Л - несущая способность одиночных свай вычисленных согласно ДБН.В 2.1-10-2009. Змша 1, по предлагаемым формулам или по данным статических испытаний свай.
^ = у^ЯА+Шу^И) кН (2)
или ^ : = кН
где: ус - коэффициент условий работы сваи в грунте, принимается равным =1;
Я - расчётное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа; (табл. Н.2.1 ДБН).
Асв - площадь поперечного сечения ствола сваи в месте опирания его на грунт основания, м2;
и - наружный периметр поперечного сечения ствола сваи, м;
£ - расчётное сопротивление ьго слоя грунта на боковой поверхности сваи, кПа; (принимается по таблице Н.2.1 ДБН В 2.1-10-2009, змша 1).
к, - толщина >го слоя грунта соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;
