WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Цель составления математической модели элемента заключается в определении температуры и влагосодержания проходящего через него сжатого воздуха на основе расчета отданного каждым элементом тепла. Так например, стационарный тепловой поток через поверхность элемента «B» (ресивера)

, (4)

где – коэффициент теплопроводности;

n – нормаль к поверхности ресивера;

t – температура поверхности ресивера;

F – площадь поверхности ресивера.

С учетом геометрического подобия тел (поверхности ресивера, соляных отложений, коррозионного слоя, эмалевого покрытия)

, (5)

где – функция формфактора; здесь - функция внутренней энергии в начале процесса tн; - функция внутренней энергии в конце процесса в конечный момент времени tк.

Поскольку ресивер рассматривался как многослойный коаксиальный цилиндр, то интенсивность теплообмена через многослойную стенку ресивера можно представить системой уравнений:

, (6)

Количество отданного ресивером тепла определилось в виде

. (7)

Учтем также выделение тепла при конденсации паров. Для этого запишем уравнение теплопроводности на поверхности охлаждения

, (8)

где – коэффициент теплоотдачи;

t// – температура конденсата в пленке;

tст – температура стенки.

Средняя температура конденсата

, (9)

где l – относительное переохлаждение конденсата;

– толщина пленки;

– скорость течения в жидкой фазе;

y – координата, нормальная к поверхности охлаждения;

- средняя температура конденсата.

Количество тепла, передаваемого поверхности при конденсации насыщенного пара

, (10)

где gn – весовая скорость конденсации;

Ср – теплоемкость сжатого воздуха при постоянном давлении;

r – теплота фазового перехода;

t2 - температура на границе раздела слоев.

Подставив правую часть данного уравнения в (4), получим окончательное выражение для количества тепла, выделяемого при конденсации паров.

На рис. 3 представлена расчетная схема теплового функционирования элемента «D» - дроссель и системы жалюзийных сепараторов.

Рис. 3. Расчетная схема элемента «D».

В качестве дросселирующего элемента был выбран дроссель ДРВ-100-10/2 (рис. 4), схематично изображенный на рис. 5.

Рис. 4. Управляемый дроссель Рис. 5. Схема дросселирующего элемента

Принцип работы управляемого дросселирующего элемента заключается в следующем: когда управляющее устройство У открывается, давление в верхней камере дросселя А снижается, и эффективное сечение отверстий стакана В увеличивается пропорционально величине прогиба мембраны управляющего устройства. Когда управляющее устройство У закрывается, давление в верхней камере возрастает. Разность давлений в верхней и нижней камерах закрывает дросселирующий стакан, что приводит к снижению проходного сечения дросселя А. Таким образом, путем изменения в нем эффективного проходного сечения, поддерживается разность давлений между входом и выходом дросселя.

Температура сжатого воздуха после дросселирования определялась следующей степенной зависимостью:

, (11)

где k – показатель адиабаты.

Коэффициент осаждения влаги в жалюзийном сепараторе определен с помощью логарифмической зависимости

Кос = ln (Fсеп0,37), (12)

где Кос – коэффициент осаждения.

Аналогичным образом были составлены математические модели теплового функционирования и остальных элементов пневмосистемы УЗОТ.

Окончательно математическая модель ТФП УЗОТ представлена в виде:

, (13)

где Xi – влагосодержание сжатого воздуха;

i – номер реализации эксперимента;

А* – эмпирический коэффициент;

; ; ;

;.

Третья глава посвящена реализации плана экспериментальных исследований тепловых режимов и влагоосаждающей способности элементов пневмосистемы УЗОТ, которые проводились по схеме промышленно-эксплуатационных испытаний. Объектом исследования являлась пневмосистема УЗОТ ПТО «Север» вагонного депо ст. Батайск.

Проведение экспериментов позволило получить подробную информацию: - о режимах теплового функционирования пневмосистемы;

- о влиянии температуры и относительной влажности наружного воздуха, расхода сжатого воздуха на его влагосодержание на выходе из УЗОТ;

- о влиянии конструктивных особенностей пневмосистем на места рационального расположения отдельных элементов;

- о влиянии типа эмалевого покрытия на режим теплового функционирования системы и величину коэффициента теплопередачи.

Эти сведения явились основой для принятия решений:

- о необходимости введения в пневмосистему дросселирующего элемента и координате его установки;

- о необходимости создания в системе дополнительной поверхности осаждения влаги из сжатого воздуха;

- о выборе и координатах установки оборудования для повышения эффективности осаждения влаги из сжатого воздуха;

- об определении величины давления за второй ступенью компрессора для обеспечения требуемого запаса по температуре точки росы при расширении сжатого воздуха в дросселирующем устройстве и последующем снижении давления до величины рабочего давления УЗОТ;

- о структуре схемы локализованного сбора влаги, сконденсировавшейся при охлаждении сжатого воздуха в различных элементах пневмосистемы, методе ее очистки с последующим возвратом в систему оборотного водоснабжения;

- о выборе типа эмалевого покрытия и системы защиты от инсоляции сжатого воздуха в пневмосистеме;

- об определении степени влияния термодинамических параметров влияния окружающей среды на режим тепловлажностного функционирования системы.

Результаты экспериментальных исследований представлены в графической форме на рис. 6 для зимнего цикла испытаний.

Данные диаграммы получены на основе расчетов с использованием компьютерной программы COOL PACK. Результаты натурных испытаний, представленные на графиках рис. 6 а, б, в, показывают степень взаимовлияния основных параметров функционирования пневмосистемы УЗОТ, а также влияния адиабатического расширения сжатого воздуха в управляемом дросселирующем элементе на его влагосодержание. Как видно из графика (рис. 6 а), при отсутствии снижения давления Р1 перед УЗОТ (Р1=Р2=0,8 МПа) сжатый воздух пересыщен влагой. При снижении давления на 0,1 МПа (Р1= 0,8 МПа, Р2=0,7 МПа) сжатый воздух (кривая 4, рис. 6 б) находится практически в стадии насыщения. И только при снижении давления на управляемом дросселе до Р2=0,6 МПа получен гарантированный запас по температуре точки росы до 5 0С при суточных колебаниях расхода воздуха от 0,9 л/мин до 16 л/мин.

Проведенные натурные испытания подтвердили гипотезу о возможности применения технологии адиабатического расширения сжатого воздуха и необходимости установки дополнительной поверхности для сепарации и локализации влаги. В качестве таких устройств были использованы жалюзийные сепараторы.

В четвертой главе представлены теоретические исследования режимов тепловлажностного функционирования пневмосистемы УЗОТ, с представлением данных численного анализа математической модели, их графической интерпретацией, а также анализом согласованности теоретически полученных данных с результатами эксперимента, подтверждающими адекватность созданной математической модели.

Прологарифмировав выражение (13), представим его в виде

, (14)

где ; ; ; ; ; ;.

Рис. 6. График взаимовлияния основных параметров функционирования пневмосистемы УЗОТ для Р1=Р2=0,8 МПа (а), Р1= 0,8 МПа Р2=0,7 МПа (б), Р1= 0,8 МПа Р2=0,6 МПа (в). Кривая «1» - температура сжатого воздуха перед УЗОТ; кривая «2» - влагосодержание атмосферного воздуха; кривая «3» - температура атмосферного воздуха; кривая «4» - влагосодержание сжатого воздуха перед УЗОТ; линия «5» - давление сжатого воздуха на выходе из компрессора; линия «6» - влагосодержание сжатого воздуха при t=20 0C; линия «7» - давление сжатого воздуха после дросселирования.

Составим систему уравнений для множества экспериментальных значений:

, (15)

где i =1, 2,…, n ; здесь n – количество реализаций эксперимента; n = 24168.

Характерной особенностью данной системы линейных алгебраических уравнений является то, что она переопределена, то есть число уравнений существенно превышает количество неизвестных. Решение данной системы уравнений может быть получено только в приближенном виде, причем степень приближения будет тем лучше, чем больше количество уравнений в системе. Для реализации численного решения системы уравнений представим ее в матричной форме

. (16)

или в сокращенной форме записи

, (17)

где ; ;.

Для использования стандартной процедуры пакета MATLAB, реализующей метод наименьших квадратов, матричное выражение (17) записывается в эквивалентной форме

.

Численное решение данного матричного уравнения реализуется на основе линейного преобразования к расширенной матрице, образованной из матриц и, при помощи стандартного метода решения алгебраических уравнений, который в пакете MATLAB условно обозначается как «метод \».

По результатам вычислений получены следующие значения степенных коэффициентов: у1 = 3,062; у2 = 2,020; у3 = 1,396; у4 = 4,890; у5 = 6,890.

Таким образом, уравнение, характеризующее процесс ТФП УЗОТ при реальных условиях, в обозначениях (13) окончательно приобретает вид:

. (18)

На рис. 7 представлен графический анализ изменения величин оснований каждого из степенных коэффициентов выражения (18).

Рис. 7. Графическая оценка численных значений A/, A//, B, C, D.

Анализ графических зависимостей показывает, что основания степеней в выражении (18) при всех режимах ТФП принимают значения, превышающие единицу. Это позволяет сделать вывод о том, что «вес ответственности» элементов пневмосистемы за изменение влагосодержания воздуха на выходе из УЗОТ, непосредственно связан с величинами показателей степени в выражении (18). Наибольшее значение имеет показатель степени у5=6,890, характеризующий влагоосаждающую способность элемента «D» (дроссель и система жалюзийных сепараторов). Наименьший по величине коэффициент у3=1,396 определяет состояние элемента «B» (ресивера). Как видно из расчетной схемы пневмосистемы (рис. 1), элемент «B» установлен сразу после компрессора. В него поступает горячий сжатый воздух с высокой способностью к удерживанию влаги. Даже при наличии значительной поверхности теплообмена снижение температуры сжатого воздуха в ресивере ниже точки насыщения не происходит, что указывает на необходимость поиска технологически обоснованного места расположения данного элемента в пневмосистеме. Предложенные и обоснованные в диссертации технические и технологические решения позволили дать конкретные рекомендации по размещению ресиверов и управляемых дросселей в пневмосистемах УЗОТ ПТО депо ст. Батайск и Лихая.

Анализ согласованности результатов численного исследования математической модели с данными экспериментов проведен путем наложения теоретических кривых на область экспериментально полученных значений. На рис. 8 показаны диаграммы, характеризующие температурно-влажностное состояния воздуха в пневмосистеме УЗОТ в зимний период времени.

Рис. 8. Т-Х диаграммы состояния влажного воздуха в пневмосистеме УЗОТ ПТО «Батайск-Север» в зимний период. Области экспериментальных данных:

1 – при атмосферном давлении воздуха; 2 – при давление сжатого воздуха на входе в УЗОТ Р2 =Р1= 0,8 МПа; 3 – то же при Р2 = 0,7 МПа; 4 – то же при

Р2 = 0,6 МПа. Теоретические зависимости изменения влагосодержания сжатого воздуха от температуры окружающей среды: 5 – при Р2 =Р1= 0,8 МПа;

6 – то же при Р2 = 0,7 МПа; 7 – то же при Р2 = 0,6 МПа.

Рис. 9. Схема очистки и возврата конденсата в систему оборотного водоснабжения депо: 1 – каскадный осадитель,

2 –дренаж; 3 – емкость для сбора и возврата воды в систему; 4 – песчано-гравийный фильтр; 5 – насос.

Как видно из графиков рис. 8 теоретические кривые 5, 6, 7 хорошо отражают особенности распределения экспериментальных данных в областях 4, 3, 2. Коэффициент корреляции при этом принимает значения не ниже 0,98, что свидетельствует об удовлетворительной сходимости теоретических и экспериментальных данных.

Глава 5 посвящена эколого-экономическому обоснованию выбранной технологии осушки сжатого воздуха. Суточные объемы получаемого конденсата определены с помощью правила «золотого сечения» и составляют 117,9 л/сутки. Схема очистки конденсата для его возврата в систему оборотного водоснабжения депо представлена на рис. 9.

Годовой экономический эффект от внедрения предложенной технологии определен по формуле

Эг = Е+ Ев – Ев – r(К1+К2), тыс. руб.,

где Е - суммарное снижение эксплуатационных расходов за счет внедрения технологии механической осушки сжатого воздуха, тыс. руб.;

Ев – годовая экономия на сборе воды, тыс. руб.;

Ев - суммарные расходы, связанные с организацией работ по сбору воды в процессе осушки сжатого воздуха в условиях ПТО, тыс. руб.;

r - коэффициент эффективности использования капитальных вложений;

К1 – полная стоимость комплекта оборудования для технологии механической осушки сжатого воздуха с учетом установки, тыс. руб.;

К2 – полная стоимость комплекта оборудования для технологии сбора воды в процессе осушки сжатого воздуха, тыс. руб.

и составляет 329,2 тысячи рублей при сроке окупаемости:

Ток = 12=9,24 мес.,

что свидетельствует не только об экологической эффективности, но и об экономической целесообразности внедрения предлагаемой технологии подготовки сжатого воздуха.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных в работе исследований можно сделать следующие выводы:

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»