Удосконалювання аеродинамічних пристроїв трубопровідного пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Східноукраїнський національний університет

УДК 621.867.8

Удосконалювання аеродинамічних пристроїв трубопровідного пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів

05.22.12 - Промисловий транспорт

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Єпіфанова Ольга Вікторівна

Луганськ 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті (СНУ), кафедра “Гідрогазодинаміка“.

Міністерство освіти і науки України.

Провідна установа: Національна гірнича академія України, кафедра рудникового транспорту Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться 2 липня 2001р. о 13 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д29.051.03 при Східноукраїнському національному університеті за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а, СНУ, корпус 1, зал засідань. З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського національного університету за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а, СНУ, бібліотека.Автореферат розісланий: "28" травня 2001р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Осенін Ю.І.

аеродинамічний турбулентність пневмотранспорт

АНОТАЦІЯ

Єпіфанова О.В. Удосконалювання аеродинамічних пристроїв трубопровідного пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.12 - Промисловий транспорт. - Східноукраїнський національний університет, Луганськ, 2001 р.

Захищаються 9 наукових робіт, серед них авторське свідоцтво СРСР і 2 позитивні рішення на видачу патенту України на винахід, що містять дослідження питань підвищення надійності та економічності систем трубопровідного пневматичного транспорту шляхом використання оригінальних вихрових і струминних елементів, які не містять рухливих механічних частин, що працюють в абразивному середовищі.

Розроблені адекватні математичні моделі робочого процесу вихрового і ежекційного живильників та пакет прикладних програм розрахунку потокових частин цих елементів. Виконаний розрахунок стійкості і визначені оптимальні параметри настроювання регулятора аналогової системи регулювання подачі цементу для системи пневмотранспорту.

Показано, що використання розроблених пристроїв у системах пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів дозволяє зменшити експлуатаційні витрати і підвищити їхню надійність та економічність.

Ключові слова: пневматичний транспорт, струминні і вихрові пристрої, аеродинамічні характеристики, математична модель.

АННОТАЦИЯ

Епифанова О.В. Совершенствование аэродинамических устройств трубопроводного пневмотранспорта тонкодисперсных грузов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.12- Промышленный транспорт. - Восточноукраинский национальный университет, Луганск, 2001 г.

Защищаются 9 научных работ, в том числе авторское свидетельство СССР и 2 положительных решения на выдачу патента Украины на изобретение, содержащие исследования вопросов повышения надежности и экономичности систем трубопроводного пневматического транспорта тонкодисперсных грузов путем использования оригинальных вихревых и струйных элементов, не содержащих подвижных механических частей, работающих в абразивной среде.

В диссертации проведен анализ, рассмотрены элементы системы пневматического транспорта, методы моделирования и расчета их характеристик.

В настоящее время в системах пневмотранспорта применяются ряд механических элементов с подвижными механическими частями (например, питатели) конструкция которых не отвечает повышенным требованиям таких систем к уровню автоматизации, экономичности и надежности

Исходя из цели и задач исследований, были предложены оригинальные конструкции струйных и вихревых устройств, обладающие повышенной надежностью и экономичностью, а также автоматическая система пневматического транспорта цемента с использованием этих элементов.

Разработаны адекватные математическая модель и ее упрощенные варианты, которые позволили достаточно точно рассчитать аэродинамические характеристики вихревых элементов, входящих в состав системы пневмотранспорта, а также их динамические характеристики. Для замыкания системы дифференциальных уравнений, входящих в математическую модель, использована k-e модель турбулентности. Решения системы осуществлялось конечно-разностным методом, все вычисления производились в среде пакета прикладных программ MATLAB for Windows. Разработана также адекватная математическая модель рабочего процесса эжекционного питателя, основой которой являются уравнения неразрывности, сохранения энергии, сохранения импульса.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили проверить адекватность математических моделей. Физический эксперимент выполнен с использованием ортогонального планирования второго порядка. Методом Паде-аппроксимации получены уравнения функции отклика, позволяющие рассчитать основные параметры подающего и дозирующего (эжекционного и вихревого) устройств.

Разработан пакет прикладных программ расчета поточных частей, реализованный на языке TURBO PASCAL, в диалоговом режиме. Выполнен расчет устойчивости и определены оптимальные параметры настройки регулятора аналоговой системы регулирования подачи цемента для системы пневмотранспорта завода крупнопанельного домостроения г. Луганска.

Показано, что использование разработанных устройств в системах пневмотранспорта тонкодисперсных грузов позволяет уменьшить эксплуатационные затраты и повысить их надежность и экономичность.

Ключевые слова: пневматический транспорт, струйные и вихревые устройства, аэродинамические характеристики, математическая модель.

SUMMERY

Epifanova O.V. Perfecting of aerodynamic devices of a pipeline pneumotransport of fine cargos. - Manuscript.

Thesis in competition of scientific degree of the candidate of technical science on a speciality 05.22.12 - Industrial transport. - East Ukrainian National University, Lugansk, 2001.

9 scientific papers, including the USSR inventor's certificate and two positive solutions of the patents of Ukraine, are defended, containing researches of a reliability and profitability of pipeline transportation systems by using of original vortex and jet elements that have no moving mechanical parts working in abrasive medium.

The adequate mathematical models of working processes of vortex and ejection feeders and program's package for setting calculation of these elements are designed. The stability calculation is carried out and the optimal analogue controller's parameters of a regulating system of cement feeding for a system of a pneumotransport are defined.

Key word: pneumotransport, jet and vortex devices, aerodynamic characteristics, mathematical simulation.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. В останні роки трубопровідний пневматичний транспорт став важливим засобом механізації та автоматизації практично в усіх галузях промисловості України. Його інтенсивний розвиток обумовлений рядом переваг, серед яких перш за все - ідеальна можливість пристосування траси до будь-яких місцевих умов, сама траса та її обладнання займають порівняно мало місця, екологічність і високий ступінь автоматизації. У цьому зв'язку розумне сполучення різних видів транспортуючих пристроїв є важливим фактором, що обумовлює рентабельність транспортних перевезень у цілому.

Актуальність теми. Пневмотранспорт застосовується для переміщення сухих легкосипучих, пилоподібних, зернистих і дрібнокускових вантажів (дробленого вугілля, вугільного пилу, цементу, піску, щебеню, золи, зерна і т.п.). Продуктивність пристроїв пневматичного транспорту досягає 300 т/годину, дальність транспортування (однією установкою без перевантаження) до 2 км, висота підйому вантажу - до 100 м. Це обумовило найбільш широке застосування пневмотранспорту в будівельній, вугільній, харчовій промисловості, де його питома вага в ряді випадків досягає 70. . .80%. Подальше поширення галузі застосування, підвищення ефективності проектування й експлуатації пневмотранспорту стримується з одного боку невисокою надійністю та значними експлуатаційними витратами деяких з його пристроїв (зокрема, живильників), а з іншого боку - відсутністю оперативних методів розрахунку аеродинамічних пристроїв (струминних і вихрових елементів), що можуть бути використані як живильники трубопровідного пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів.

Тому зниження витрати потужності на переміщення вантажів, зменшення експлуатаційних витрат, підвищення надійності пристроїв пневмотранспортних установок є актуальною задачею, рішення якої забезпечує ефективне і раціональне використання можливостей цього виду транспорту. Перспективним напрямком рішення цієї задачі є використання струминних і вихрових елементів, що не мають рухомих механічних частин, для дозування та транспортування тонкодисперсних вантажів При цьому створюються умови не тільки для економії енергії на одиницю ваги переміщуваного вантажу, але і для зменшення зносу та підвищення довговічності деталей і вузлів установки, завдяки відсутності рухомих механічних частин, що перебувають в абразивному середовищі.

У цьому зв'язку також актуальної є задача розробки адекватної математичної моделі аеродинамічних процесів у вихрових і струминних елементах і оптимізація їх геометричних параметрів, а також створення пакета прикладних програм розрахунку проточної частини цих елементів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота виконана в рамках державної програми «Розвиток залізничного транспорту соціального призначення і для комунального господарства України», на основі досліджень за держбюджетною науково-дослідною роботою «Дослідження можливості створення системи дозування і розподілу рідких компонентів» (ГР № 193U002392), де використані аналітичні залежності. що одержані автором, і ряду господарсько- договірних науково-дослідних робіт, що виконані з промисловими підприємствами міста.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення економічності та ефективності установок трубопровідного пневматичного транспорту тонкодисперсних вантажів завдяки зниженню витрати потужності, що вживається, та експлуатаційні витрати на основі використання струминних і вихрових пристроїв. Для досягнення поставленої мети були сформульовані такі основні задачі:

розробити математичну модель аеродинамічних процесів у вихровому та ежекційному живильниках з обліком турбулентності потоків;

розробити і виготовити експериментальну установку, провести експериментальні дослідження з метою перевірки адекватності математичних моделей;

розробити методику розрахунку проточної частини вихрового і ежекційного живильників для систем пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів, а також відповідний пакет прикладних програм;

розробити установку пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів і провести дослідження з метою її автоматизації.

Об'єкт дослідження. Транспортування тонкодисперсних вантажів трубопровідним пневмотранспортом.

Предмет дослідження. Аеродинамічні процеси у вихрових і струминних елементах при транспортуванні тонкодисперсних вантажів.

Методи дослідження. Методологічну основу проведених автором досліджень складає системний підхід до моделювання аеродинамічних процесів у завантажувальних пристроях трубопровідного пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів. В основі математичних моделей лежать класичні рівняння аерогідромеханіки (рівняння енергії, рівняння нерозривності та стану середовища, рівняння руху Рейнольдса, рівняння масопереносу в потоці). У ряді випадків використані емпіричні залежності і наближені формули, що є цілком припустимим при моделюванні таких складних об'єктів, якими є системи трубопровідного пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів.

При виконанні експериментальних досліджень використані статистичні методи планування й обробки дослідних даних.

Обґрунтованість і достовірність отриманих у дисертаційній роботі результатів підтверджується коректним використанням математичного апарату, а також експериментальними дослідженнями і досвідом експлуатації. Адекватність математичних моделей доведена експериментально, перевірка адекватності математичних моделей виконувалася за критерієм Фішера.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Розроблена математична модель аеродинамічних процесів вихрового і ежекційного живильників трубопровідного пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів з використанням тривимірних рівнянь Рейнольдса, рівняння нерозривності й адаптованої до умов пневмотранспорту k -e моделі турбулентності, на базі якої запропонована методика проектування проточної частини аеродинамічних пристроїв трубопровідного пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів.

2. Виконаний вибір оптимальних конструктивних параметрів вихрового живильника за різними критеріями якості з використанням запропонованої методики, що забезпечують максимальну ефективність його роботи в системі (мінімальні витрати та тиск повітря в каналі управління і мінімальну споживану потужність).

3. Запропонована структура та розроблена математична модель автоматичної установки пневмотранспорту цементу, що враховує як особливості об'єкта регулювання, так і властивості регулятора, на основі якої визначена зона стійкої роботи системи в площині параметрів настроювань регулятора, а також його оптимальні настроювання.

Практичне значення отриманих результатів

1. Результати досліджень дозволяють створювати установки для трубопровідного пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів, що забезпечують зниження експлуатаційних витрат, зниження витрати потужності на переміщення вантажів, підвищення надійності пристроїв трубопровідного пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів і автоматизувати процеси транспортування.

2. Апроксимаційна модель статичних і динамічних характеристик вихрового живильника дозволяє визначати оптимальний закон регулювання та настроювання регулятора системи трубопровідного пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів.

3. Розроблений пакет прикладних програм розрахунку проточних частин вихрових і струминних елементів системи трубопровідного пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів дозволяє проектувати автоматичну систему пневмотранспорту.

4. Запропонована методика оптимізації параметрів настроювання регулятора, що дозволяє вибирати закон регулювання з урахуванням різних критеріїв якості.

Результати дисертаційної роботи реалізовані при виконанні держбюджетної НДР і використані на заводі великопанельного домобудівництва (ВПД) м. Луганська при розробці автоматичної системи пневмотранспорту цементу продуктивністю 40 т/годину, у ХК «Луганськтепловоз» при розробці системи пневмотранспорту піску, при виконанні дослідницьких робіт у донбаському державному науково-дослідному і проектно-технологічному інституті будівництва, а також у навчальному процесі при виконанні курсових, дипломних проектів і магістерських робіт за відповідною спеціальністю.

Особистий внесок здобувача

розроблена математична модель робочого процесу вихрового живильника, а також апроксимаційна модель, алгоритм і програма її реалізації на ЕОМ, проведений чисельний експеримент з метою оптимізації геометричних параметрів вихрового живильника [2,7,8];

розроблена математична модель робочого процесу, методика розрахунку проточної частини і пакет прикладних програм розрахунку конструктивних параметрів ежекційного живильника трубопровідного пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів [9];

досліджений вплив геометрії вихрового живильника на його динамічні і статичні характеристики і розроблений вихровий живильник для системи пневмотранспорту цементу [1,5];

розроблені принципові схеми та конструкції оригінальних вихрових живильників для систем трубопровідного пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів [2,5];

запропонована схема і конструкції оригінальних вузлів автоматичної установки пневмотранспорту цементу для заводу ВПД (м. Луганськ) [3,4,6].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи докладені, обговорені та схвалені на другій Всеукраїнській конференції молодих науковців «Інформаційні технології в науці та освіті» (18-20 квітня 2000 р. - Черкаси, ЧДУ), науково-практичній конференції «Економіко-математичне моделювання й інформаційні технології в ринковій економіці» (16-17 березня 2000р. - Луганськ, СНУ), VI міжнародній науково-практичній конференції «Університет і регіон» (28-30 листопада 2000 р., - Луганськ, СНУ), а також на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу СНУ (1995…2000рр.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 9 робіт. Також 3 статті в наукових журналах, авторське свідоцтво СРСР, 2 позитивні рішення на видачу патенту України на винахід, 3 тези доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів і додатків.

Загальний обсяг роботи 138 сторінки, 2 малюнків на 2 сторінках, 3 додатка на 23 сторінках, список використаних джерел із 103 найменувань на 9 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі дана загальна характеристика роботи, показані актуальність і новизна дисертаційної роботи, обґрунтований вибір об'єкта та предмета дослідження, обкреслене коло розв'язуваних питань, сформульована мета та задачі дослідження.

Перший розділ дисертації представляє розгорнутий огляд стану проблеми в різних галузях промисловості в емпіричному, теоретичному та практичному аспектах. Даний детальний огляд і аналіз робіт на основі класифікації завантажувальних пристроїв систем трубопровідного пневматичного транспорту, елементів струминної техніки й аеродинамічних ефектів, що лежать в основі їхньої побудови, розглянуті типові математичні моделі робочого процесу в вихрових і струминних елементах.

Відзначається, що великий обсяг в області досліджень і розробок допоміжного обладнання пневмотранспортних систем і, зокрема, живильників виконується різними організаціями країн СНД, організаціями країн дальнього зарубіжжя, такими як "FORD" (США), Alfa Laval (Швеція), APV (Німеччина ), SWEP (Швеція) та іншими.

Ця проблематика широко представлена в роботах учених як в галузі аерогідродинаміки (П.М. Андренко, В.І. Барабащук, ,Т.К. Берендс, Б.Б.Булгаков, О.В. Герц, В.Н. Дмитрієв, І.Н. Єлімелехі, Б.Т. Ємцев, Л.А. Залманзон, Л.Г. Лойцянський, І.Л. Повх, Н.Я. Фабрикант, ), так і в галузі пневматичного та гідравлічного транспорту (А.А. Алексєєв В.П. Берман, Б.Ф. Брагін, О.П. Вдовенко, А.І. Волошин, К. М. Гриньов, В.М. Гущин, А.М. Дзядзіо, М.Х. Дорфман, Н.М. Зінгер, М.Я. Кавалерчик, І.М. Кайданов, М.П. Калінушкін, В.В. Коробов, Г.І. Красілов, С.І. Криль, В.Н. Потураєв, Ю.Г. Світлий, А.Є. Смолдирьов, В.Я. Соколов, А.О. Співаковський, В.Н. Турік, Л.А. Шустер, О.М. Яхно). А також ряд закордонних учених.

Розглянуті та проаналізовані різні схеми пневмотранспортних установок - усмоктувальні (вакуумні), нагнітальні (напірні) та змішані, і їхні основні елементи. Відзначається, що загальним і найменш надійним пристроєм усіх установок пневмотранспорту є дозатор чи живильник механічного типу, за допомогою якого подається вантаж у систему пневмотранспорту, здійснюється регулювання подачі. Механічні частини живильників працюють в умовах високо абразивного середовища (пісок, цемент, вугільний пил і т.п.), тому вимагають для свого виготовлення високоміцні матеріали, але навіть у цьому випадку є найменш надійними елементами всієї системи.

Проаналізовані шляхи підвищення надійності та економічності цих пристроїв і показано, що усунення механічних елементів, що працюють у середовищі матеріалу, який транспортується, є вирішальним для запобігання зносу і підвищення довговічності живильників. Цей шлях може бути реалізований завдяки застосуванню струминних та вихрових пристроїв у системі дозування та подачі вантажу в пневмотранспортну систему.

Розглянуті різні аеродинамічні ефекти, що можуть бути використані для побудови пристроїв пневмотранспорту, що дозують та подають. Серед них - ефект турбулізації, взаємодії та зіткнення струменів, прилипання струменя, ефект вихрового руху. Проаналізовані аеродинамічні параметри елементів, показана ділянка їхнього використання в різних галузях техніки і зроблений висновок, що з точки зору витрат газу та матеріалу, що транспортується, потужності потоку, швидкості переміщення, економічності, простоти виготовлення, ремонту й обслуговування, найбільше перспективними є аеродинамічні пристрої.

При аналізі теоретичних досліджень характеристик процесів в аеродинамічних пристроях показано, що в більшості робіт використовуються спрощені методики, які базуються на експериментальних даних і ряді допущень, правомірність яких для великогабаритних аеродинамічних пристроїв не підтверджена, тому в ряді випадків розрахункові та дослідні характеристики значно різняться. Крім того, якщо параметри запирання аеродинамічних пристроїв можна розрахувати порівняно точно, то методика розрахунку проміжних режимів, що є важливим для розробки аналогових систем регулювання, відсутня.

Дослідження динамічних характеристик аеродинамічних пристроїв виконувалося експериментально. На основі припущень, вихровий елемент частіше усього представляється як сполучення двох лінійних ланок - ланки транспортного запізнювання та інерційної ланки першого порядку. Таке представлення можна вважати справедливим при невеликих відхиленнях параметра регулювання (витрати вантажу, що транспортується) від рівноважного стану. В процесі експлуатації пневмотранспортної системи витрата вантажу, що транспортується, (а, отже, і витрата транспортуючого газу) може змінюватися в широких межах, тому такий підхід представлення є не завжди правильним.

На основі виконаного огляду теоретичних і експериментальних робіт у галузі як самого трубопровідного пневматичного транспорту тонкодисперсних вантажів, так і аеродинаміки елементів, що можуть бути використані в його складі, сформульована мета і конкретні задачі дослідження, наведені на початку реферату.

В другому розділі представлені результати теоретичних досліджень. Базовими рівняннями, що описують стаціонарну турбулентну течію без урахування масових сил у вихрових живильниках, є тривимірні рівняння Рейнольдса і рівняння нерозривності. Оскільки у вихрових елементах течія газу з тонкодисперсним вантажем близька до осесиметричної, у роботі система рівнянь представлена в наступному виді:

де - осередненні проекції швидкості;

- пульсаційні проекції швидкості;

- осередненні значення добутку двох пульсаційних швидкостей.

У загальному випадку система рівнянь для турбулентної течії, що представляє собою сукупність рівнянь збереження маси, кількості руху, ентальпії гальмування, може бути спрощена у відповідності зі складністю розглянутої задачі в залежності від того, який рівень моделі турбулентності, що використовується для замикання.

Досягнення замкнутості і повноти системи рівнянь здійснюється за допомогою моделей фізичних процесів, що протікають у системі. Найбільше поширення в практичних розрахунках здобула теорія розвитої турбулентності, в основі якої покладений аналіз зміни кінетичної енергії турбулентної пульсаційної течії та швидкості її дисипації .

Відповідно такому підходу побудований так званий k-е метод та його модифікації, в якому турбулентні напруги розраховуються на основі концепції вихрової в'язкості

,

а кінематичний коефіцієнт вихрової в'язкості встановлюється за «зв'язуванням» Прандтля-Колмогорова

де - емпірична константа.

Відзначимо, що для стандартної форми k-е моделі рівняння, що визначають кінетичну енергію турбулентності та швидкість її дисипації, при осесиметричній течії мають вид

;

де ;

- швидкість генерації турбулентності

.

Емпіричні константи прийняті (розглядався також випадок ).

Ежекційний живильник у системі трубопровідного пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів може служити не тільки в якості джерела транспортуючого середовища, але і дозатора. Тому в роботі поставлена задача розробки адекватної математичної моделі його робочого процесу. Основою математичної моделі робочого процесу ежекційного живильника є рівняння нерозривності, збереження енергії, збереження імпульсу.

Частки твердого тіла нерівномірно розподілені по перетину. а швидкість їх нижче швидкості транспортуючого газу, що викликає додаткові втрати. Якщо ці додаткові втрати в апараті враховуються вибором відповідних коефіцієнтів швидкості апарата, то, як показують проведені дослідження, результати розрахунку ежекційних живильників для пневмотранспорту за рівняннями для газоструминних апаратів достатньо задовільно збігаються з експериментом.

Вид рівняння характеристики ежекційного живильника для пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів залежить від ступеня розширення робочого потоку.

При надкритичному ступеню розширення робочого потоку ( ) рівняння характеристики, що отримане з рівняння збереження енергії, має наступний вид:

При докритичному ступеню розширення робочого потоку () рівняння характеристики ежекційного живильника має вид:

де , , - тиск змішаного потоку після апарата, тиск інжектуємого вантажу, тиск робочого потоку;

, , - коефіцієнт інжекції, коефіцієнт інжекції за твердим тілом, коефіцієнт інжекції за газом;

- експериментально визначені коефіцієнти швидкості проточної частини;

- газодинамічні функції.

У відповідності з побудованим алгоритмом у середовищі пакета прикладних програм MATLAB for Windows побудоване програмне забезпечення для чисельного моделювання аеродинамічних характеристик турбулентної течії газу в вихрових та ежекційних пристроях системи пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів. З їх використанням визначені основні робочі й експлуатаційні характеристики, необхідні для проектування проточних частин цих пристроїв.

Приведена математична модель розрахунку аеродинамічних характеристик і залежності k - е моделі, що використовуються, не мають апробації в розрахунках вихрових пристроїв, тому важливим етапом досліджень є визначення їх адекватності.

У третьому розділі представлені результати експериментальних досліджень по визначенню аеродинамічних характеристик струминних і вихрових елементів і визначенню адекватності математичної моделі. Спроектований та виготовлений стенд, обрана контрольно-вимірювальна апаратура, що дозволяє з достатнім ступенем точності вимірювати вхідні параметри, а також наносити різного роду й інтенсивності сигнали при динамічних випробуваннях.

В експериментах використаний спеціально розроблений електронний підсилювач для виміру нестаціонарного тиску. Необхідність його розробки викликана прагненням спростити й здешевіти експеримент за рахунок застосування електронно-променевого осцилографа.

Однією з задач при проведенні динамічних випробувань є вибір випробного сигналу. Проведений аналіз показав, що для того, щоб динамічна помилка, обумовлена вхідним сигналом, не перевищувала 2 %, його тривалість повинна складати менш 0,05 постійної часу досліджуваного кільця.

Мінімальне значення постійної часу, визначене за математичною моделлю досліджуваного об'єкта, що використовується в експериментальній установці, складало 1 с, тому тривалість вхідного сигналу в експериментах не перевищувала 0,05 с.

Оцінка адекватності моделей виконувалася як і при статичних випробуваннях за допомогою критерію Фішера. Для цього виконано визначення погрішності виміру нестаціонарного тиску. Сумарна динамічна погрішність (при відсутності переважаючої в ланцюзі виміру)

де - динамічні погрішності окремих кілець.

Відзначимо, що арифметичне підсумовування приводить до завищеного значення погрішності, проте, такий підхід виправданий, оскільки необхідний запас за точністю, розрахований на можливі відхилення умов проведення експерименту від передбачуваних.

За значенням максимальної погрішності виміру нестаціонарного тиску (яка склала 0,06) розрахована дисперсія відтворюваності.

Розсіювання експериментальних точок щодо розрахункових характеризується залишковою дисперсією чи дисперсією адекватності, що рівна сумі квадратів відхилень, віднесеної до одного ступеню свободи.

Зробимо одне зауваження. Дисперсія відтворюваності визначена з максимальним запасом на «незнання» як алгебраїчна сума абсолютних значень усіх складових. Тому обґрунтовано можна прийняти для неї число ступенів свободи f ®Ґ .

При розрахунку дисперсії адекватності порівнювалися осцилограма і розрахункова залежність. Звичайне число точок порівняння було > 20 (при подальшому збільшенні числа дослідів критерій Ст'юдента не змінюється). Для цих умов табличне значення критерію Фішера при довірчій імовірності рівно » 1.9.

Проведені серії експериментів з різними струминними і вихровими пристроями систем пневмотранспорту по визначенню їх статичних і динамічних характеристик показали, що математичні моделі, які запропоновані, адекватно описують ці характеристики в діапазоні геометричних і аеродинамічних параметрів, що досліджуються. Це дає підставу для їх використання з метою оптимізації параметрів та використання їх для розрахунку всієї системи в цілому.

Четвертий розділ присвячений розробці методики та пакета прикладних програм розрахунку проточних частин аеродинамічних пристроїв для систем трубопровідного пневмотранспорту, розробці оригінальних пристроїв і автоматичної системи транспортування цементу для умов заводу великопанельного домобудівництва м. Луганська, визначенню стійких параметрів її роботи.

Розроблений ортогональний план чотирефакторного експерименту, проведення якого дозволило знайти залежність коефіцієнтів запирання за тиском та витратою для вихрових пристроїв системи пневматичного транспорту від їхніх геометричних параметрів у виді поліноміальних адекватних залежностей з урахуванням рівня значимості коефіцієнтів за критерієм Кохрена

;

.

У цих рівняннях:

, - коефіцієнт запирання за тиском, коефіцієнт запирання за витратою,

- нормовані значення висоти вихрової камери, площі виходу до площі сопла управління, площі сопла живлення, діаметра камери.

Отримані залежності (рис.1) для аеродинамічних пристроїв, результати динамічних випробувань лягли в основу розробки пакета прикладних програм розрахунку проточних частин цих елементів. Пакет прикладних програм, реалізованих на мові TURBO PASCAL, працює в діалоговому режимі. Вихідними параметрами є геометричні розміри проточної частини, параметри запирання вихрового живильника, коефіцієнти передатної функції, необхідні для динамічних розрахунків.

Рис.1. Лінії рівного рівня та розподіл у площині параметрів і (при =0 і =0).

У порядку практичної реалізації теоретичних і експериментальних досліджень розроблена автоматична установка пневмотранспорту цементу для заводу великопанельного домобудівництва м. Луганська. Установка включає бункер для подачі цементу, вихровий елемент, що працює в якості живильника, ежекційний пристрій, систему транспортних трубопроводів і систему регулювання.

Виконаний розрахунок стійкості системи регулювання і визначені оптимальні настроювання параметрів ПД-регулятора (коефіцієнт посилення і постійна часу диференціювання ). Запропонована система дозволяє підвищити надійність проектованої установки шляхом заміни механічного живильника вихровим, спростити систему регулювання подачі цементу шляхом уведення зворотного зв'язку за тиском в напірному трубопроводі.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена актуальна задача удосконалювання аеродинамічних пристроїв трубопровідного пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів, що забезпечує підвищення економічності та ефективності роботи систем трубопровідного пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів завдяки зниженню витрати потужності, що вживається, та експлуатаційні витрати на основі використання струминних і вихрових пристроїв.

Приведені в дисертації результати теоретичних і експериментальних досліджень дозволяють зробити наступні висновки:

1. На економічність і довговічність системи трубопровідного пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів істотний вплив виявляє конструкція й аеродинамічні характеристики її окремих елементів і, зокрема, живильників. Наявність механічних пристроїв, що працюють в абразивному середовищі, є визначальним із точки зору надійності, довговічності й економічності таких систем. Заміна їх пристроями без рухомих частин дозволяє значно підвищити як довговічність системи пневмотранспорту та її економічність, так і створює передумови для використання в ній аналогових систем регулювання. Створення струминних і вихрових пристроїв трубопровідного пневмотранспорту стримується відсутністю адекватної теорії течії турбулентного газового потоку, що є середовищем, яке транспортує в елементах пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів.

2. Розроблені математичні моделі турбулентної течії газу в елементах трубопровідного пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів з використанням тривимірних рівнянь Рейнольдса, рівняння нерозривності й адаптованої до умов пневмотранспорту k -e моделі турбулентності та їх апроксимаційні варіанти, що адекватно описують аеродинамічні характеристики струминних і вихрових пристроїв. Апроксимаційні моделі вихрових живильників дозволили з достатнім ступенем точності розрахувати як процеси в окремих елементах, так і їх статичні характеристики, провести аналіз впливу на них конструктивних параметрів.

3. Запропонований алгоритм чисельного інтегрування математичної моделі, реалізований на ЕОМ та заснований на використанні кінцево-різницевого методу і моделі турбулентності. Розроблені програми можуть бути застосовані для розрахунку аеродинамічних характеристик не тільки пристроїв трубопровідного пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів, але і для інших аеродинамічних і гідравлічних систем.

4. З метою перевірки адекватності математичних моделей проведені експериментальні дослідження статичних і динамічних характеристик вихрових і струминних пристроїв з використанням критерію Фішера, що показали прийнятність математичної моделі для розрахунку аеродинамічних характеристик.

5. На основі теоретичних і експериментальних досліджень розроблений пакет прикладних програм розрахунку проточних частин елементів трубопровідного пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів, що дозволяє за заданими вхідними параметрами у діалоговому режимі визначити основні геометричні розміри. Розроблені патентоспроможні конструкції на ряд пристроїв, на які отримані авторське свідоцтво СРСР № 117754 та позитивні рішення на видачу патентів України на винахід (№ 99105709 і № 99105743).

6. З використанням пакета прикладних програм і результатів теоретичних досліджень виконаний розрахунок оптимальних конструктивних параметрів ежекційного і вихрового живильників і проектування автоматичної системи пневмотранспорту тонкодисперсних вантажів.

7. Розроблена автоматична система пневмотранспорту цементу продуктивністю 40 т/годину на відстань 800 м і висоту підйому 25 м для заводу великопанельного домобудівництва м. Луганська з використанням критеріїв оптимізації, що наведені у роботі, яка враховує як особливості об'єкта регулювання, так і властивості регулятора. Застосований ПД регулятор з коефіцієнтом посилення і постійною часу диференціювання , що забезпечує задані динамічні характеристики системи. Експлуатація розробленої установки пневмотранспорту цементу на заводі великопанельного домобудівництва м. Луганська показала правильність прийнятих рішень.

8. Виконаний розрахунок економічної ефективності розробленої установки пневмотранспорту цементу, річний економічний ефект у виробника склав 5978,35 грн. на одну пневмотранспортну установку.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Епифанова О.В. Экспериментальное исследование характеристик вихревого клапана // Вісн. Східноукр. держ. ун-ту. - 1999. №6 (22). - С.72-75.

2. Епифанова О.В. Проектирование проточной части вихревого клапана усилителя для систем пневматического транспорта // Збірник наук. праць СУДУ. Серія «Технічні науки». - 1999. - С. 104-108.

3. Епифанова О.В., Чернецкая Н.Б. О выборе регулятора для системы пневмотранспорта сыпучего материала // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту. - 2000. №9 (31) Ч.2. - С. 209 - 211.

4. Рабочее колесо осевого вентилятора. А.с. № 1177548 СССР, МКИ F 04 D 29/36. / В.А. Смирнов, О.В. Епифанова, В.М. Башков, Е.А. Юруткина. - № 3730082/ 25-06; Заявлено 21.04.84; Опубл. 07.09.85; Бюл. № 33. - 2 с.

5. Вихровий клапан. Позитивне рішення про видачу патенту України на винахід. №99105709 МПК6 F 15 B 13/02. Дядичев К.М., Єпіфанова О.В., Коваленко А.О., Соколов В.І. Заявл. 19.10.1999.

6. Пристрій подачі порошкоподібного материалу. Позитивне рішення про видачу патенту України на винахід №99105743 МПК6 F 15 B 13/02. Дядичев К.М., Єпіфанова О.В., Коваленко А.О., Соколов В.І. Заявл. 19.10.1999.

7. Епифанова О.В. САПР вихревых элементов систем пневмотранспорта // Тез. докл. Второй Всеукраинской конференции молодых ученых «Информационные технологии в науке и образовании» - Черкассы: ЧДУ. - 2000.-С. 103.

8. Епифанова О.В., Чернецкая Н.Б Моделирование и автоматизированное проектирование вихревых элементов // Тез. докл. научно-практической. конференции «Экономико-математическое моделирование и информационные технологии в рыночной экономике» - Луганск: ВНУ. - 2000. - С. 61.

9. Епифанова О.В., Мушкаев Я.В. Моделирование рабочих процессов пневматических устройств транспортных систем. // Тез. докл. VI международной научно-практической конференции «Университет и регион» - Луганск: ВНУ. - 2000. - С.98.

Размещено на Allbest.ru

...