Обзор специфики математического моделирования теплоэнергетических установок Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ШепломассооВменные процессы в конструкциях ЯЛ, энергетических.установоки систем жизнеобеспечения

УДК 658.26; 621.165.1

ОБЗОР СПЕЦИФИКИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

А. Г. Лоскутова, О. О. Федорчук, А. А. Брот

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Рассмотрены примеры и приведены принципиальные схемы тепловых энергетических установок. Подобные установки, преобразующие тепло и энергию, получили в настоящее время широкое распространение. В настоящей работе представлен подход к математическому моделированию таких систем.

Ключевые слова: теплоэнергетическая установка, математическое моделирование.

REVIEWING THE MATHEMATICAL MODELING OF THERMAL POWER UNITS

A. G. Loskutova, O. O. Fedorchuk, A. A. Brot

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

This article covers the examples and the concepts of thermal engineering power unit systems. An approach to the mathematical modeling of such systems is presented.

Keywords: thermal power unit, mathematical modeling.

Современный этап развития техники требует перехода к оптимизации проектируемых теплоэнергетических установок (ТЭУ) с целью повышения их эффективности, сокращения энергозатрат и капитальных вложений. Между тем, на основе математической модели установки как тепловой технической системы становится возможным решение широкого спектра задач, включая и оптимизацию. В настоящей работе предпринята попытка разработки подхода к моделированию ТЭУ, работающих по замкнутому контуру.

Достаточно широко рассмотрены вопросы проектирования и расчётной оптимизации отдельных процессов в машинах и аппаратах, такие как интенсификация теплообмена, повышение эффективности работы компрессоров, насосов и т. д. Но общая задача моделирования теплоэнергетической установки как сложной системы взаимосвязанных элементов, в достаточной степени еще не решена [1].

В рамках данной работы под тепловой технической системой понимается любая техническая система, основным процессом в которой будет обмен тепловыми потоками и энергией между элементами системы и с окружающей средой. Это широкий класс систем, включающий в себя холодильные машины, паро- и газотурбинные установки, двигатели внутреннего сгорания и т. д. Ввиду такого разнообразия ограничимся рассмотрением систем с замкнутым циклом: рабочее тело циркулирует внутри такой системы без обмена массой с окружающей средой.

Работу такой системы можно изобразить на диаграмме замкнутой линией. Форма цикла зависит от процессов, протекающих в элементах системы, - по

этому признаку можно различить цикл Карно, Ренки-на, Калины и т. д. Различают также прямой или обратный циклы.

Наиболее простой и самый распространенный -цикл Карно, прямой и обратный (см. рисунок). Цикл состоит из четырех процессов, с помощью него можно описать значительную часть простых моделей теплоэнергетических систем. Структура цикла обусловливает наличие четырех составных элементов системы:

- два теплообменника (испаритель, конденсатор);

- нагнетатель (насос, компрессор);

- сопротивление (капилляр, турбина).

В качестве примера прямого цикла можно рассматривать паротурбинную установку (ПТУ). ПТУ имеет в своем составе испаритель, турбину, конденсатор и насос. Обмен тепловыми потоками происходит на испарителе - от источника тепла к рабочему телу, и на конденсаторе - от рабочего тела к холодильнику. Турбина производит техническую работу, забираемую из системы.

В качестве примера обратного цикла можно рассматривать холодильную установку. Холодильная машина имеет в своем составе испаритель, компрессор, конденсатор и капиллярную трубку. Обмен тепловыми потоками происходит на испарителе - от охлаждаемого продукта к рабочему телу и на конденсаторе - от рабочего тела в окружающую среду. На привод компрессора затрачивается работа. Общие закономерности в технических системах преобразования тепла, которые можно выделить на уровне протекающих в них процессов, позволяют говорить о единой математической модели ТЭУ.

1Региетмевскме чтения. 2016

Структурные модели ТЭУ (прямой и обратный цикл): ПТУ - паротурбинная установка; ХМ - холодильная машина; И - испаритель; КД - конденсатор; Т - турбина; КМ - компрессор; Н - насос; КТ - капиллярная трубка; стрелками обозначено направление потоков вещества и энергии

Решение задач проектирования целесообразно вести с использованием математических моделей [2; 3]. Создание математических моделей теплоэнергетических установок, работающих по прямым и обратным циклам, является перспективным направлением в современных исследованиях [4; 5]. Модель позволяет рассчитать основные параметры процесса при известных граничных условиях по конструкции и окружающей среде, получить их изменение при варьировании входных данных, оценить влияние различных факторов на работу установки.

Библиографические ссылки

1. Теплосиловые системы: Оптимизационные исследования / А. М. Клер, Н. П. Деканова, Э. А. Тюрина и др. Новосибирск : Наука. Сиб. отд-ние, 2005. 236 с.

2. Тарасик В. П. Математическое моделирование технических систем : учебник для вузов. Минск : ДизайнПРО, 2004. 640 с.

3. Хубка В. Теория технических систем : пер. с нем. М., 1987. 208 с.

4. Воронин А. В. Моделирование технических систем : учеб. пособие. Томск : Изд-во Томск. поли-технич. ун-та, 2013. 130 с.

5. Делков А. В., Ходенков А. А., Шевченко Ю. Н. Сравнение прямого и обратного цикла в системах терморегулирования космических аппаратов негерметичного исполнения // Вестник СибГАУ. 2014. № 4 (56). С. 154-159.

References

1. Kler A. M., Dekanova N. P., Tyurina E'. A. Te-plosilovy'e sistemy': Optimizacionny'e issledovaniya [Thermal power system: Optimization studies] Novosibirsk : Nauka. Sib. otd-nie publ., 2005. 236 р.

2. Tarasik V. P. Matematicheskoye modelirovaniye tekhnicheskikh system [Mathematical modeling of technical systems]. Minsk : DizaynPRO publ., 2004. 640 p.

3. Hubka V. Teoriya tekhnicheskikh system [Theory of technical systems]. M., 1987. 208 p.

4. Voronin A. V. Modelirovanie texnicheskix sistem [Modelling of Technical Systems], Tomsk : Tomsk. politexnich. un-ta, 2013. 130 p.

5. Delkov A. V., Xodenkov A. A., Shevchenko Yu. N. [Comparison of direct and reverse cycle systems, thermal control of spacecraft leaking execution] // Vestnik SibSAU. 2014. № 4 (56). P. 154-159. (In Russ.)

© Лоскутова А. Г., Федорчук О. О., Брот А. А., 2016

УДК 629.783:536

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ТЕПЛОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ БОРТОВОЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ С ПЛОСКИМИ ТЕПЛОВЫМИ ТРУБАМИ

Д. А. Нестеров1*, В. В. Деревянко1, С. Б. Сунцов2

1Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44

2АО «Информационные спутниковые системы» имени академика M. Ф. Решетнёва» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

E-mail: *[email protected]

Разработан программный комплекс для проведения тепловых расчетов бортовой электронной аппаратуры с использованием плоских тепловых труб для отвода тепла от электронных компонентов. Программный комплекс учитывает математические модели теплопередачи в плоских тепловых трубах и является эффективным инструментов теплового проектирования бортовой РЭА в АО «ИСС».

Ключевые слова: плоская тепловая труба, охлаждение электронных компонентов, вычислительное моделирование, программный комплекс