CC BY
41
Два последних направления позволяют создавать многообразие регулирующих органов узкоспециализированного назначения, нередко имеющих чисто формальную новизну. Дальнейшее совершенствование этих устройств связано с повышением точности, быстродействия, надежности, расширением диапазона регулирования.
Направление развития регуляторов расхода, регулирующий орган которых представляет собой регулирующий клапан, неперспективно в настоящее время.
Таким образом, в ближайшие 20 лет наиболее перспективным направлением
остается направление, объединяющее регуляторы расхода, регулирующий орган которых является одновременно и чувствительным к потоку текучей среды.
Библиографический список
1. Кузьмин П.И, Выбор и расчет дросселирующих регулирующих органов. - М.; Л.: ГЭИ, 1960,- 150 с.
2. Патент РФ № 1709274 юг. в 05 Г> 7/01.
3. Патент РФ № 17111120 кл. в 05 О 7/01.
4. Патент РФ № 1711121 кл. в 05 Б 7/01.
5. Патент РФ № 1735813 кл. в 05 0 7/01.
ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ КОНСТРУКЦИЙ СТАБИЛИЗАТОРОВ
РАСХОДА ВОЗДУХА
Н.И* Капустин, В.Н. Капу стин
Обеспечение параметров микроклимата в помещениях любого назначения достигается системами вентиляции. Общими для систем естественной и искусственной вентиляции по целевому назначению являются следующие устройства: побудители движения воздуха, воздуховоды, приточные и вытяжные устройства, устройства контроля и управления режимом работы системы вентиляции. При отсутствии систем управления погрешность регулирования по отдельным параметрам достигает 600%, что ведет не только к снижению эксплуатационной надежности производственного оборудования а, зачастую, к неоправданно повышенным энергозатратам на обеспечение микроклимата.
Отечественная наука и промышленность разработала достаточно эффективные системы контроля и управления, но они не находят практического применения в сельском хозяйстве ввиду их дороговизны и сложности в эксплуатаций, причем САУ требуют обязательного наличия источника электрической энергии. Учитывая, что в помещениях для производства и переработки сельскохозяйственной продукции естественная вентиляция является основной, то применение САУ, зависимого от источника электроэнергии, лишает ее
основного достоинства - независимости от дополнительных источников энергии. В России и за рубежом активно ведется разработка регуляторов прямого действия для систем вентиляции и, в частности, стабилизаторов расхода и давления воздуха. *' Система вентиляции должна удовлетворять следующим требованиям: подавать (или удалять) воздух в заданное время, в требуемом количестве и качестве и в заданное место. Чем точнее выдерживаются налагаемые требования, тем меньше перерасход энергии на обеспечение параметров и, соответственно, ниже материалоемкость систем вентиляции, однако надежность работы регулирующих устройств должна быть очень высокой - близкой к 1. Это легко понять из известных примеров управления системами вентиляции. При нахождении человека в скафандре (водолаз, космонавт) ему подается воздух, удовлетворяющий всем налагаемым требованиям, количество воздуха приближается к физиологически достаточному, а соответственно энергозатраты минимально необходимые - локальная система вентиляции. При общеобменной системе вентиляции не выдерживается требование подачи (или удаления) воздуха в заданное место, что и определило нормируемые расходы возду-
ха, превышающие минимально достаточные иногда в 20-40 раз, а соответственно возрастает материалоемкость системы и ее установочная мощность,
Для систем искусственной вентиляции наиболее материалоемким, а соответственно дорогим, является воздуховод, поэтому в сельском хозяйстве находят широкое применение пленочные воздуховоды, но они при монтаже в кольцах имеют низкую эксплуатационную надежность ввиду наличия аэродинамического удара в период запуска системы, что ведет к отрыву пленочного воздуховода от жесткого патрубка магистрального воздуховода или его порыву на участке длиной до 6 диаметров от места крепления пленочного воздуховода.
Монтаж на продольных струнах повышает надежность эксплуатации, но незначительно. В период пуска системы необходимо уменьшить скорость и величину возрастания давления, т.е. изменить разгонную характеристику запуска воздуховода. Попытки установить регулятор давления в конце пленочного воздуховода дают малый эффект, так как он частично гасит только продольную ударную волну. Для гашения поперечной ударной волны на участке, близком к жесткому патрубку, также необходим безинерционный регулятор давления прямого действия.
Регуляторы расхода и давления воздуха прямого действия аналогичны по принципу действия и составляющим элементам и могут быть отнесены к одному классу устройств. Нас в первую очередь интересуют стабилизаторы расхода и давления воздуха.
Стабилизаторы используются для поддержания постоянства заданного физического параметра. Их действие основано на использовании внутренних свойств элементов, входящих в устройство стабилизатора, главным образом нелинейностей, чем компенсируется изменение переменного параметра. Наибольший интерес представляет регулирование по замкнутому контуру (с обратной связью), что обеспечивает высокую точность и достаточное быстродействие регулирования, причем для систем вентиляции целесообразно применение регуляторов прямого действия с жест-
кой характеристикой и компенсацией по возмущению с минимизацией инерционных звеньев.
В составе стабилизатора обязательно наличие подвижного и неподвижного регулирующих элементов, а также элемента противодействия усилию возмущающего воздействия - уравновешивающего элемента. Все входящие в состав элементы можно классифицировать по конструктивному исполнению, а подвижный и по виду перемещения. Всё в совокупности определяет закон и диапазон регулирования.
Подвижные регулирующие элементы могут иметь возможность линейного, криволинейного перемещения, быть вращающимися относительно оси или обладать возможностью упругой деформации. Конструктивное исполнение подвижного и неподвижного регулирующих элементов может быть в виде плоских или криволинейных поверхностей, возможно с перфорацией, из жестких или гибких материалов, причем подвижный элемент должен иметь крепление, обеспечивающее, по крайней мере, одну степень свободы. Ось подвижного регулирующего элемента может располагаться как на поверхности регулирующего элемента, параллельно или перпендикулярно последней, так и в точке, общей для образующих поверхностей подвижного и неподвижного регулирующих элементов.
Элемент противодействия усилию возмущающего воздействия может быть выполнен в виде одного или нескольких грузовых противовесов, упругих элементов различной конфигурации или электро-, пневмо-, гидрокомпенсаторов, или их комбинации с изменяемым плечом и усилием противодействия.
Взаиморасположение подвижного и неподвижного регулирующих элементов может быть разнообразным, но наиболее распространено: для плоских поверхностей
- параллельное, а для криволинейных -концентричное (коаксиальное, симметричное) и эксцентричное.
В общей теории автоматического регулирования [4] глубоко изучены характеристики различных элементов как в отдельности, так и в совокупности [1].
На базе проведенных патентных исследований Алтайского НИПТИЖ с анализом патентных источников по классу Р 24 Р и разработок ИТАИ АГАУ кафедры МПСП
предложена классификация стабилизаторов расхода воздуха, позволяющая осуществлять выбор устройства для конкретного решения задачи (рис. I).
Рис. 1. Классификация стабилизаторов расхода воздуха
- Системный анализ позволил выявить наиболее простые и эффективные устройства для каждой конкретной задачи. Предпосылкой для систематизации явилось теоретическое описание процесса регулирования расхода и давление воздуха для простейших регуляторов прямого действия
[4].
Вне зависимости от конструктивного исполнения регуляторов прямого действия, обеспечивающих регулирование расхода или давления, общим является то, что возмущающее воздействие возникает от разности статических давлений до и после подвижного регулирующего элемента, или от динамического давления на поверхность последнего, или от их комбинации. Это может быть представлено выражением й:
Р = / А Р<гг> Рдин > 5р, (1)
где X? - суммарное давление, Па;
Рст - разность статистических давлений, Па;
Рдин - динамическое давление, Па;
8Р - площадь подвижного регулирующего элемента, м2.
При линейном перемещении подвижного регулирующего элемента суммарное давление воздействует на поверхность по нормали к плоскости поверхности, и возмущающее воздействие зависит от площади поверхности, а для плоского регулирующего элемента запишется в виде:
X Р= ( ДРСТ + Рдан)8р. (2)
При криволинейной поверхности подвижного регулирующего элемента за рабочую площадь принимаем также площадь, расположенную по нормали к оси перемещения:
^ (А Рст^~ Рдин“ соза) 8Р, (3)
где а - угол между осью потока воздуха и плоскостью регулирующего элемента.
При остальных видах перемещения возмущающее воздействие от разности статических давлений зависит не только от рабочей площади регулирующего элемента, расположенной по нормали к направлению движения воздушного потока (прилагаемых сил от разности давлений), но и от плеча между центром площади и осью
крепления регулирующего элемента и запишется в общем виде:
^ Р— (А Рст + Рдин собсх) * а • Бр, (4)
где а расстояние между геометрическим центром подвижного элемента и осью крепления.
Возможны частные случаи, когда возмущающее воздействие возникает только от какой-либо одной составляющей статического или динамического давлений. Если при линейном перемещении коэффициент усиления регуляторов определяется только площадью подвижного регулирующего элемента, то при иных видах перемещения коэффициент усиления зависит и от плеча, создающего крутящий момент.
Реакция противодействующего элемента в начальной и конечной точках регулирования обеспечивает начальное и конечное положение подвижного регулирующего элемента, чем и обеспечивает заданный диапазон регулирования. При линейном перемещении элемент противодействия выполнен в виде груза или пружины [2]. В случае использования подвижного регулирующего элемента с перемещением в виде вращения реакция противодействующего элемента имеет более сложный вид, так как имеется шарнирно закрепленный рычаг, взаимодействующий с противодействующим элементом в виде груза или пружины, и реакция противодействующего на общую ось крепления подвижного регулирующего элемента запишется в виде выражения:
- для грузового противовеса:
Я = ш • а ' итр, (5)
где Я - уравновешивающая сила (внешняя сосредоточенная), Н-м;
т - масса груза, Н;
р - угол отклонения рычага противодействующего элемента; з - с
- для пружины:
Я = а • Бшр (вх + с), (6)
где (вх + с) - жесткость пружины.
В любой точке нахождения подвижного регулирующего элемента возмущающее воздействие уравнивается реакцией противодействующего элемента (рис. 2):
£ р,= х (?)
Рис. 2. Регулятор расхода воздуха с одним уравновешивающим элементом:
1 - неподвижный регулирующий элемент;
" 2 - подвижный регулирующий элемент;
3 - уравновешивающий элемент - груз;
4 - уравновешивающий элемент - пружина
При отсутствии возмущающего воздействия и диапазоне регулирования от О ДоР,:
~ в начальной точке для регулятора давления:
(Рст+Рдин* cosa) а- Sp = a- sinP(BX + с) = ~ та sinp = 0; (8)
- в конечной точке:
- • >4, е ч I Рх=Х R«; . с
(Per + Рдин * cosa) а Sp - а* sinP(BX + с) = = та sinp = £ Рк. (9)
Для регулятора расхода в режиме стабилизации постоянство расхода при изменении давления должно обеспечиваться соответствующим изменением сечения воздуховыпускного отверстия в соответствии с условием неразрывности струи по известным зависимостям:
So; (10)
_ Р'»
дин
(11)
1
где V/ - расход воздуха, м /с:
о - скорость движения воздуха, м/с;
Б - площадь сечения отверстия на участке перемещения подвижного элемента, м2;
р - удельный вес воздуха.
Характер изменения воздуховыпускного отверстия описывается следующей зависимостью:
Кривые возмущающих воздействий и противодействующих реакций могут пересекаться только в двух точках, а соответственно обеспечить требуемый закон регулирования во всем диапазоне с заданной точностью невозможно (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость погрешности управления от сил давления воздуха на подвижный регулирующий элемент и реакции сосредоточен-ных уравновешивающих сил -гг I при одном подвижном и одном уравновешивающем элементах
Применяя последовательно взаимодействующие подвижные регулирующие элементы (рис. 4) или противодействующие элементы (рис. 5) можно обеспечить заданный закон регулирования с заданной точностью, но это конструктивно сложно, так как требуется ввод дополнительных поправочных коэффициентов для первоначального положения подвижного регулирующего противодействующего элемента. Определение поправочных коэффициентов для каждого конкретного случая считается практически невозможным, так как они зависят от характера движения газа и являются функцией критерия (числа) Рейнольдса.
д?г
л/2 Р
*,ь-10 КЗ*
то SO 90
а
б
Рис. 4. Регулятор расхода воздуха: а - с несколькими подвижными регулирующими элементами; б - с несколькими последовательно взаимодействующими уравновешивающими элементами
' Исходя из аналитической зависимости (12) другим эффективным способом является предварительное задание площади воздуха, выпускных отверстий и их формы в неподвижном и подвижном регулирующих элементах для одних типов устройств или кривизны неподвижного регулирующего элемента на участке перемещения подвижного регулирующего элемента для других устройств.
При этом возможна настройка устройства по месту на любой закон регулирования с заданной точностью, причем с изменением целевого назначения от стабилизации давления до стабилизации расхода при наличии ориентированного расчета для диапазона и закона регулирования.
Проведенный системный анализ и разработанная классификация позволила разработать ряд конструкций регуляторов расхода, отличающихся по целевому назначению и признанных изобретениями [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9].
го зс ‘fO so 4о 7о за Ljs
Рис. 5. Зависимость погрешности регулирования от нескольких уравновешивающих и регулирующих элементов
Библиографический список
1. Гейлер Л.Б. Введение в теорию автоматического регулирования. - Минск: Наука и техника, 1967. - 516 с.
2. Сотников А.Г. Системы кондиционирования и вентиляции с переменным расходом воздуха. - Л.: Стройиздат / Ленинградское отд-ние, 1984. - 146 с.
3. СССР А.С. № 779755 М.Кл3 Р24Р 13/10. Устройство для регулирования расхода воздуха. Заявл. 01.06.78. Опубл. 15.11.80 Б.И. № 42. Н.И. Капустин.
4. СССР А.С. № 1260644 А1 Р24Р 11/04, Р16К 3/06. Устройство для регулирования расхода воздуха. Заявл. 10.12.84. Опубл. 30.09.86. Б.И. № 36. Н.И. Капустин, Ф.Я. Изаков, Ю.И. Бурдаков.
5. СССР А.С. № 951018 М.Кл3 Р24Р 13/08. Заявл. 27.06.80. Опубл. 15.08.82. Б.И. № 30. Н.И. Капустин, В.И. Галанов, Л.И. Поляков.
6. СССР А.С. № 1439363 А1 Р24Р 13/08, 11/04. Устройство для регулирования расхода воздуха. Заявл. 30.01.87. Опубл. 23.11.88. Б.И. № 43. Н.И. Капустин.
7. СССР А.С. № 1492193 А2 Р24Р 11/04,13/06, 13/08, Р16К 3/06. Устройство для регулирования расхода воздуха. Заявл. 16.11.87. Опубл. 07.07.89 Б.И. № 25. Н.И. Капустин, Л.И. Егорова.
8. СССР А.С. № 1601467 А2 Р24Р 11/04, 13/06, Р16К 3/06. Устройство для регулирования расхода воздуха. Заявл. 14.11.88. Опубл. 23.10.90. Б.И. № 39. В.М. Пучков, Л.И. Егорова, Н.И. Капустин.
9. СССР А.С. № 1622731 А1 Р24Р 13/08. Устройство для регулирования расхода воздуха. Заявл. 06.01.89. Опубл. 23.01.91. Б.И. № 3. В.М. Пучков, Л.И. Егорова, Н.И. Капустин.
