CC BY
1УДК 62 МакаровД.С., ФилипасА.А.
Макаров Д.С.
студент Инженерной школы информационных технологий и робототехники, группа 8Т11 Томский политехнический университет (г. Томск, Россия)
Филипас А.А.
канд. тех. наук, доцент отделения автоматизации и робототехники Томский политехнический университет (г. Томск, Россия)
УСТАНОВКА ФИЗИЧЕСКОГО ПОДОБИЯ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СЛОЖНЫХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Аннотация: в данной исследовании рассматриваются сложные гидродинамические процессы с применением интегрированной гидравлической и пневматической систем на установке. Жидкость транспортируется по трубам с помощью насосов, а гидроаккумуляторы создают внешнее давление. Работа направлена на анализ влияния пневматики в поведение жидкостей.
Ключевые слова: установка физического подобия, пневматика, компрессор, рабочее давление, гидроаккумулятор.
Введение.
Исследование и моделирование сложных гидродинамических процессов являются актуальными задачами в современной науке и технике. Для эффективного изучения таких процессов широко применяются методы физического подобия и создание соответствующих стендов. В реализации данной установки одним из важных аспектов таких исследований является
анализ работы пневматической системы. Рассмотрим исследование пневматической системы, её структуру, функции и возможности применения для анализа процессов.
Описание алгоритма.
Как отмечалось ранее, стенды физического моделирования играют ключевую роль в обеспечении надежности, безопасности и отладки трубопроводных систем. Одной из таковых установок является создание симуляции реальных рабочих условий, где можно практиковаться и анализировать различные сценарии, которые могут возникнуть на трубопроводах.
Рассмотрим существующий метод контроля утечек, который будет использоваться в основе установки. Этот метод определения утечки основывается на измерении изменения давления вдоль трубопровода. При возникновении утечки на контролируемом участке наблюдается снижение давления. Предполагается, что алгоритм определения утечки может быть реализован с помощью четырех датчиков давления, размещенных вдоль трубопровода в соответствии с конфигурацией, представленной на рисунке 1.
На станции 1 и 2 установлены датчики давления, фиксирующие начальное давление в трубопроводе ^н) и конечное давление (Рк). Также предусмотрены два дополнительных датчика ^1) и ф2), которые измеряют давление на расстояниях (!1) и (!2) соответственно.
Нефтеперекачивающая станция 1 Рн 01 02 1 1 Нефтеперекачивающая станция 2 Рк
\
и | 1 12
[
Рис. 1. Схематичное представление алгоритма определения утечки.
Автоматизированная установка физического подобия состоит из следующих основных элеметнов:
- Насосы применяются для заполнения системы рабочей жидкостью, а также для последующей циркуляции по всей системе,
- Расходомер применяются для определения величины потока жидкости,
- Регулирующий клапан применяется для управления величиной потока рабочей жидкости,
- Датчик давления применяется для определения давления рабочей жидкости в системе,
- Манометр является аналогом датчика давления, также будет воспроизводить величину давления рабочей жидкости, только отображение будет непосредственно по месту работы установки,
- Компрессор применяется для подачи давления в пневматическую часть установки,
- Электропневматический пропорциональный клапан применяется для управления величиной давления в системе пропорционально управляющему электрическому сигналу,
- Пропорциональный клапан применяется для плавного стравливания избыточного воздуха и стабилизации давления в системе.
Ниже на рисунке 2 представлена трехмерная модель данной установки физического подобия.
Рис. 2. Трехмерная модель установки физического подобия.
Теперь отдельно рассмотрим пневматическую часть данной установки. В её состав входят компрессор, электропневматический пропорциональный клапан, а также гидроаккумулятор для накопления сжатого воздуха.
Гидроаккумулятор представляет собой сосуд, который работает под давлением, а также накапливает энергию и передает её в гидравлическую систему через поток жидкости под давлением. Вместе с гидроаккумуляторами создается давление в начале, середине и конце трубопровода всей установки, что является его основной частью.
Для поддержания определенного давления в системе и зарядки гидроаккумуляторов необходим компрессор — устройство для повышения давления газа или газовых смесей.
Для управления подачей давления компрессором используются электропневматические пропорциональные клапаны, позволяющие дистанционно регулировать поток среды.
Путем совместного использования компрессора, электропневматических пропорциональных клапанов и гидроаккумуляторов можно создать
высокочастотные колебания в пневматической системе с перекачиваемой жидкостью. Создание таких колебаний в системе позволяет анализировать пробои и утечки.
Высокочастотные колебания в пневматической части данной автоматизированной установки могут быть созданы путем модуляции давления, поступающего из компрессора, а также с помощью управляемых пропорциональных клапанов. Управляющие сигналы позволяют изменять подачу давления таким образом, чтобы генерировать высокочастотные колебания.
Гидроаккумуляторы также могут быть задействованы для сглаживания колебаний и обеспечения стабильного давления в системе, что важно для создания высокочастотных колебаний.
При создании высокочастотных колебаний система подвергается воздействию волн, которые могут быть использованы для выявления утечек или пробоев. Анализ реакции системы на такие колебания позволяет точно локализовать утечки и определить их местоположение.
Таким образом, можно рассмотреть применение акустического метода, который позволяет выявить утечки по звукам, которые возникают из-за протечек в системе. Высокочастотные колебания создают в системе характерные звуковые волны, которые можно прослушивать с помощью специальных датчиков или микрофонов.
Применение акустического метода для локализации утечек может позволить точно определить местонахождение проблемного участка в системе. Например, путем измерения акустических сигналов и анализа их спектра можно определить, где именно происходит утечка или неплотность в системе.
Также с помощью пневматической части можно создавать противодавление в гидравлической части. С помощью созданного противодавления можно регулировать уровень расхода утечки (увеличивать или уменьшать). Но стоит учесть, что при сильной подаче давления в гидравлической части системы компрессором могут возникнуть воздушные пробки, которые
могут привести к неполной или нестабильной передаче давления, что в итоге отразится на работе оборудования, этот фактор также стоит учитывать. Заключение.
В ходе выполнения данной работы были изучены основные законы пневматики, методы обнаружения утечек с помощью пневматики.
Ценность данной работы заключается в возможности различного применения установки физического подобия, например, обучение нового персонала технологическим процессам. На них можно демонстрировать работу оборудования, процессы производства без непосредственного воздействия на рабочее оборудование, также можно моделировать различные процессы реальных условий и проводить оптимизацию технологических процессов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Филипас А. А. Разработка стенда физического подобия «Трёхфазный сепаратор скважинной жидкости». Современные проблемы машиностроения: сборник конференции, Томский политехнический университет, 2020. — С. 216217;
2. Донской, А.С. Основы пневмоавтоматики: Учебное пособие // Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого: Политехнического университета, 2016. - 77 с;
3. Костенко, Л.Н. Обоснование параметров и разработка устройства противодавления впрыску регулировочных стендов топливных систем дизелей: диссертация ... кандидата технических наук. - Уфа, 2013. - 16 с;
4. Красильников А.В., Методика проектной оценки характеристик системы поддержания давления гидродинамического стенда//Известия высших учебных заведений. Приборостроение 2014.
Makarov D.S., Filipas A.A.
Makarov D.S.
Tomsk Polytechnic University (Tomsk, Russia)
Filipas A.A.
Tomsk Polytechnic University (Tomsk, Russia)
PHYSICAL SIMILARITY SETUP FOR STUDYING COMPLEX HYDRODYNAMIC PROCESSES
Abstract: this study deals with complex hydrodynamic processes using integrated hydraulic and pneumatic systems on a bench. Fluid is transported through pipes using pumps, and hydraulic accumulators create external pressure. The work aims to analyze the influence of pneumatics in the behavior of fluids.
Keywords: physical similarity setup, pneumatics, compressor, working pressure, hydraulic accumulator.
