Материалы по развитию связной речи

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до практичних та самостійних занять з дисципліни

„Теорія турбомашин”

з теми „Розрахунок енергетичних та конструктивних параметрів теплогенеруючих агрегатів багатофункціонального призначення”

для студентів напряму 0902 „Інженерна механіка”

усіх форм навчання

Суми

Вид-во СумДУ

2008

Методичні вказівки до практичних та самостійних занять з дисципліни „Теорія турбомашин” з теми „Розрахунок енергетичних та конструктивних параметрів теплогенеруючих агрегатів багатофункціонального призначення” для студентів напряму 0902 „Інженерна механіка” усіх форм навчання/ Папченко. – Суми: Вид-во СумДУ, 2008. – 22 с.

Кафедра „Прикладна гідроаеромеханіка”

ЗМІСТ

	С.
Вступ	4
1 Визначення взаємозв’язку енергетичних характеристик теплогенеруючого агрегату з його конструктивними параметрами	6
2 Визначення функціональної залежності коефіцієнта потужності	8
3 Баланс енергії теплогенеруючих агрегатів багатофункціонального призначення	10
4 Визначення залежності модельного перерахунку енергетичних характеристик теплогенеруючих агрегатів	17
5 Приклад визначення конструктивних параметрів теплогенеруючого агрегату шляхом перерахунку з модельної проточної частини	19
Список літератури	21

ВСТУП

Розвиток багатьох галузей народного господарства супроводжується появою нових напрямів і технологічних рішень, для яких одним із обов'язкових процесів є розігрів рідкого робочого середовища [1]. При цьому ефективність устаткування, що працює в системах, де відбувається підігрів робочого середовища, доцільно оцінювати не за загальноприйнятим ККД, а за ефективністю перетворення в теплоту загальної кількості енергії, що споживається. За таких обставин втрати енергії, що обумовлені механічним тертям у вузлах машини та в’язкісними силами, в остаточному підсумку використовуються корисно і ведуть до розігріву робочого середовища. Таким чином, у системах, де виконується підігрів робочого середовища, можна вважати виправданим певне зниження енергетичної досконалості проточної частини, а також об’єднання декількох процесів і, як наслідок, спрощення конструкції і підвищення технологічності устаткування.

Разом з тим об'єднання в одному агрегаті декількох технологічних процесів (фактор багатофункціональності), у свою чергу, супроводжується ускладненням робочого процесу машини в цілому. Для систем, де відбуваються такі процеси, як підігрів, перекачування, перемішування робочого середовища, а також подрібнення твердих включень, що в ньому знаходяться, як багатофункціональне обладнання може бути обраний теплогенеруючий агрегат (ТГА).

ТГА – машина гідродинамічного принципу дії, призначена для перетворення механічної енергії обертального руху ротора двигуна в теплову енергію робочого середовища. ТГА може бути використаний для одержання гарячої води з метою її безпосереднього використання (наприклад, при обслуговуванні сільськогосподарських тварин та ін.) чи як теплоносія в системах для обігріву приміщень. Крім цього, для ряду технологічних операцій (одержання соєвої суспензії, рідких кормових сумішей (рис 1а), підготовка зернового замісу в технології виробництва спирту [2], приготування біологічно активних добавок (рис.1б) тощо) в межах базових варіантів ТГА може бути отримана комбінація реалізованих машиною процесів при внесенні в агрегат незначних конструктивних змін. При цьому генерація тепла відбувається під час проходження декількох процесів (перемішування, подрібнювання, перекачування). Для таких специфічних технологічних процесів використання, наприклад, ТЕНів як нагрівальних елементів виявляється або неможливим, або вимагає надто складних конструктивних рішень.

1 Визначення взаємозв’язку енергетичних характеристик теплогенеруючого агрегату з його конструктивними параметрами

Враховуючи складність робочого процесу ТГА, передусім необхідно визначити параметри, які найбільше впливають на енергетичну та теплову характеристики агрегату. Тому для первісного аналізу робочого процесу ТГА береться розрахункова схема, яка базується на обертанні з постійною частотою плоскої радіальної пластини в нерухомому середовищі [3].

Розглянемо пряму плоску пластину з радіусом і шириною , що кріпиться до вала з радіусом та обертається в рідині з постійною кутовою швидкістю навколо осі, що проходить через один з її кінців (рис. 2).

Гідродинамічну силу, яка діє на елементарну площадку , визначимо як

, (1)

де - густина рідини, кг/м3.

Рисунок 2 - Розрахункова схема

Момент, який створюють гідродинамічні сили при обертанні плоскої пластини:

, (2)

тоді потужність, яка необхідна для обертання плоскої пластини в рідині з кутовою швидкістю :

, (3)

або

. (4)

Враховуючи залежність кутової швидкості від частоти обертання , об/хв:

. (5)

Отримана залежність дозволяє визначити величину потужності для однієї лопаті на робочому колесі. У разі розміщення на робочому колесі лопатей та багатоступеневому виконанні агрегату із загальною кількістю робочих коліс залежність (5) запишемо у такому вигляді

,

або

. (6)

Наявність у формулі (6) множника фактично є збільшенням лише сумарної площі лопатей без урахування їх дискретного розміщення і особливостей взаємодії з рідиною.

Слід відзначити, що наведена розрахункова схема додатково потребує уточнення впливу:

1)  кількості дискретно розміщених лопатей на робочому колесі ТГА;

2)  кількості та ширини лопаток на статорних колесах.

2 Визначення функціональної залежності коефіцієнта потужності

Аналітична залежність (6) не відображає повною мірою впливу кількості дискретно розміщених лопатей робочого колеса, ширини та кількості лопаток статорних апаратів на енергетичну характеристику ТГА. Тому за допомогою програмного комплексу FlowVision були виконані розрахунки, що дають можливість з’ясувати вплив вищезазначеного фактору на робочий процес та енергетичну характеристику ТГА в цілому [4, 5].

Кількість лопатей робочого колеса змінювалася від 1 до 16, лопаток статорних апаратів – від 2 до 15, а їх відносна ширина (відношення ширини лопаток статорного апарата до ширини лопатей робочого колеса) – від 0,2 до 1,2. При цьому для кожної комбінації визначалися поля швидкостей та тисків, а також визначалася статистична характеристика – величина моменту опору на робочому колесі.

З урахуванням вищезазначених параметрів залежність (6) запишеться у такому вигляді:

. (7)

При цьому коефіцієнт потужності залежить від трьох конструктивних параметрів: кількості лопатей робочого колеса, кількості та відносної ширини лопаток статорних коліс:

. (8)

Визначення функціональної залежності (8) проводилося методами рототабельного планування другого порядку [6]. При цьому фактором оптимізації був обраний , а математична модель знаходилася у вигляді полінома другого ступеня:

. (9)

Аналіз розрахункової залежності (9) свідчить про наявність оптимального діапазону наведених параметрів, визначення яких було виконано методом простого перебору з використанням ЕОМ. Шляхом моделювання параметрів у наступних діапазонах: кількість лопатей РК від 3 до 13, кількість лопаток статорних коліс від 2 до 12, відносна ширина лопаток статорних коліс від 0.2 до 1.2 з кількістю ітерацій 10 000, знаходимо такі оптимальні параметри: кількість лопатей РК – 9, кількість лопаток статорних коліс – 7, відносна ширина статорних коліс – 0.83. Максимальне значення коефіцієнта потужності при цьому становить 12.2.

3 БАЛАНС ЕНЕРГІЇ ТЕПЛОГЕНЕРУЮЧИХ АГРЕГАТІВ БАГАТОФУНКЦІОНАЛЬНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ

Системи, в яких відбувається підігрів робочого середовища, можна поділити на два типи: система проточного типу та системи циклічної дії.

Більшість класичних систем передбачають наявність нагрівальних приладів, контактуючи з якими робоче середовище розігрівається. Інтенсивність процесу нагріву можна підвищити декількома шляхами: підвищити температуру нагрівача, збільшити площу теплообмінника, збільшити витрату рідини, що контактує з нагрівачем. Як правило, температура нагрівача значно перевищує температуру рідини, що призводить до утворення накипу. В системах проточного типу (системи опалення тощо), як правило, додатково використовується обладнання для забезпечення циркуляції рідини. Впровадження ТГА у таких системах дозволяє комбінувати в одному агрегаті як процес розігріву робочого середовища, так і процес його перекачування без використання додаткового обладнання.

Використання ТГА в системах циклічної дії потребує, як правило, наявності як самого агрегату, так і ємності-накопичувача. В таких випадках прокачування агрегатом робочого середовища, перш за все дозволяє рівномірно нагрівати рідину.

За таких умов процесом, який в більшості випадків супроводжує процес розігріву, є перекачування робочого середовища. Слід ще раз відзначити, що енергія, яка витрачається на перекачування в кінцевому підсумку внаслідок втрат гідравлічної енергії, перетворюється в теплову енергію робочої рідини. Виняток становить випадок, коли процес перекачування призводить до зміни потенціальної енергії рідини (тиску або рівня розташування).

На рис. 3 наведена залежність величини напору та потужності агрегату від витрати рідини. Форма напірної та енергетичної характеристик є типовими для вихрових насосів – мають майже лінійний характер, при цьому напірна характеристика має спадний характер, в той час як спостерігається зростання потужності, що споживається, зі збільшенням витрати через проточну частину агрегату. Потужність ТГА на максимальній витраті збільшується стосовно потужності на нульовій на 25% від базової величини (потужність на нульовій витраті за умов роботи на чистій воді).

Підвищення потужності ТГА при прокачуванні робочого середовища через проточну частину частково зумовлено тим, що частина механічної енергії перетворюється в гідравлічну енергію потоку рідини, а частково – тим, що відбуваються інтенсифікація вихрового процесу та зміна структури течії.

На рис. 4 наведені розрахункові поля швидкостей в меридіанному перерізі проточної частини ТГА, які дають можливість зрозуміти тенденції змін картин течії у проточній частині агрегату залежно від величини витрати.

Картина течії, що відповідає нульовій витраті, характеризується зміщенням центрів тороподібних вихрів в область РК, вся рідина з робочого колеса повертається в область статорних коліс. Біля втулки робочого колеса спостерігаються зворотні течії, які формуються рідиною, що виходить зі статорного колеса. Прокачування рідини через проточну частину призводить до незначного зміщення центрів тороподібних вихрів до статорних коліс. При цьому частина рідини через канали в циліндричній стінці статора виходить з проточної частини. Вихрова зона на вході в робоче колесо майже повністю руйнується, й течія має структурований характер.

Збільшення витрати рідини до максимального рівня (близько 60 м3/г) призводить до зміщення центрів тороподібних вихрів таким чином, що вони знаходяться в зоні зазору між статорним та роторним колесами. Значна частина рідини прокачується робочим колесом та через канали виходить з проточної частини. Саме таке положення тороподібних вихрів відповідає найбільш ефективному обміну енергії рідини.

Слід відзначити, що тенденції підвищення потужності ТГА при збільшенні витрати рідини спостерігаються не тільки при фізичному моделюванні, а й при розрахунковому дослідженні в програмному комплексі FlowVision.

Однією із функцій, що може виконуватися ТГА, є процес подрібнення твердих включень, що перебувають у робочому середовищі.

До таких сфер застосування ТГА можна віднести ряд технологічних процесів кормоприготування для тваринництва, технологію виготовлення спирту, виробництва різноманітних біологічних добавок, кетчупів та паст.

Особливості технологій кормоприготування для тваринництва полягають в необхідності подрібнення сільськогосподарських культур (пшениця, горох, кукурудза,

г)

а) б) в)

Рисунок 4 - Поля швидкостей в меридіанному перерізі проточної частини ТГА при різних величинах витрати:

а – Q = 0; б – Q = 30 м3/г; в – Q = 60 м3/г; г – масштабна лінійка

ячмінь, соя тощо) у водному середовищі з одночасним інтенсивним перемішуванням та підігрівом.

Технологія виробництва спирту передбачає поетапне проходження декількох етапів: сухе подрібнення зернових культур (пшениця, кукурудза), змішування з водою, підігрів робочого середовища та його перекачування. Комбінування вищезазначених операцій у межах одного агрегату дозволяє зекономити енергоносії, підвищити вихід та якість спирту.

Наведені технології передбачають масову частку твердих включень, яка не перевищує 30% від маси готової суміші. Для технології приготування соєвої суспензії масова частка сухої сої становить 22%.

На рис.5 та 6 наведені залежності потужності ТГА та температури робочого середовища при роботі на різних гідросумішах.

Аналіз залежностей потужності, що використовувалася агрегатом, та температури розігріву робочого середовища від часу роботи ТГА на сільськогосподарських культурах (рис. 5, 6) дає можливість зробити такі висновки:

1)  при приготуванні соєвої суспензії спостерігаються наступні тенденції:

-  на початковому етапі роботи (протягом перших 10 хвилин) спостерігається підвищення рівня потужності ТГА стосовно потужності, що споживається при роботі на воді (пунктирна лінія), на 7.5%. Ця енергія витрачається на подрібнення попередньо замочених бобів сої;

2)  при роботі ТГА на зерновій суміші (на базі пшениці) спостерігаються дещо інші тенденції:

-  протягом перших 20 хвилин роботи рівень потужності перевищує базовий на 4%, але поступово наближається до базового рівня, що пояснюється тим, що частина енергії витрачається на подрібнення зернової маси;

-  після цього рівень потужності ТГА підвищується стосовно базового на 8.5%, при цьому температура робочого середовища становить більше 60ºС. Підвищення потужності пояснюється тим, що при підвищенні температури до вказаного рівня робоче середовище починає розварюватися, внаслідок чого підвищується в’язкість і зростає потужність.

Основна частина енергії, що споживається ТГА та стосовно якої визначаються вказані енерговитрати, обумовлена в’язким перемішуванням робочого середовища в проточній частині агрегату. Потужність ТГА, обумовлена названим процесом, визначається згідно з рекомендаціями (7) та (9).

За таких умов баланс енергії ТГА може бути записаний у такому вигляді:

, (10)

де - витрати енергії на в’язке перемішування робочого середовища у проточній частині агрегату;

- витрати енергії на перекачування робочого середовища;

- витрати енергії на подрібнення твердих включень, що перебувають у робочому середовищі.

4 Визначення залежності модельного перерахунку енергетичних характеристик теплогенеруючих агрегатів

У ряді випадків, коли на базі існуючого агрегату створюється типорозмірний ряд, слід віддавати перевагу не розрахунку всіх параметрів проточної частини згідно із запропонованими залежностями, а визначенню параметрів ТГА шляхом розрахунку з існуючої моделі. Такий підхід дає можливість значно спростити етап розрахунку та проектування агрегату, а також зменшити величину неузгодженості між розрахунковими та експериментальними характеристиками агрегату, що розробляється.

Однією із умов розрахунку параметрів проточної частини агрегату з існуючої моделі є геометрична подібність проточних частин існуючого агрегату (моделі) та агрегату, що проектується (натурний).

Залежність для перерахунку параметрів визначимо так. Запишемо залежність (6) для модельної та натурної проточних частин.

, (11)

. (12)

Запишемо відношення залежностей (11) та (12)

. (13)

Враховуючи те, що при розрахунку з моделі зберігається геометрична подібність, можна записати

, (14)

де - геометричний розмір натурної проточної частини;

- відповідний геометричний розмір модельної проточної частини;

- коефіцієнт, на який змінюється відповідний розмір.

Враховуючи (14), залежність (13) запишеться у такому вигляді

, (15)

або

. (16)

Згідно із залежністю (9) коефіцієнт потужності залежить від таких параметрів, як кількість лопатей РК, кількість та відносна ширина лопаток статорних коліс. За таких умов при додержанні умов геометричної подібності значення параметрів, від яких залежить коефіцієнт потужності, будуть однакові. Таким чином, коефіцієнти потужності як для модельної, так і для натурної проточних частин також будуть мати однакове значення. Отже, залежність (15) запишеться у вигляді

. (17)

5 ПРИКЛАД ВИЗНАЧЕННЯ КОНСТРУКТИВНИХ ПАРАМЕТРІВ ТЕПЛОГЕНЕРУЮЧОГО АГРЕГАТУ ШЛЯХОМ ПЕРЕРАХУНКУ З МОДЕЛЬНОЇ ПРОТОЧНОЇ ЧАСТИНИ

Визначити конструктивні параметри натурної проточної частини теплогенеруючого агрегату з потужністю 7,5 кВт та частотою обертання ротора 1000 об/хв., якщо модельна проточна частина має такі параметри: діаметр робочого колеса – 210 мм, ширина робочого колеса – 40 мм, кількість лопатей робочого колеса – 8; відносна ширина лопаток статорних апаратів – 0,5, кількість лопаток статорного апарата – 9. При частоті обертання модельного робочого колеса 1500 об/хв. агрегат має потужність 14,5 кВт.

Розв’язання

Конструктивно ТГА (рис.7), що розраховується, буде складатися з електродви-гуна 1, на валу якого розміщене робоче колесо 2. З обох боків робочого колеса встановлені ста-торні апарати 3. Для запобігання витіканню рі-дини з проточної частини перед-бачено саль-никове ущіль-нення 4. Для формування структури потоку перед робочим колесом встановлено обтікач 5. Відведення рідини з проточної частини здійснюється за рахунок відцентрових сил через радіальні вікна 6 в проставці.

Враховуючи те, що проектування натурної проточної частини ведеться шляхом перерахунку з модельної, то такі параметри, як кількість лопатей робочого колеса, кількість та відносна ширина лопаток статорних апаратів залишаться без зміни: , , . Таким чином, коефіцієнти потужності для обох ТГА згідно із залежністю (9) будуть мати однаковий рівень. Це дозволяє перейти до спрощеної залежності

.

Якщо частоти обертання робочих коліс та потужності модельного та натурного ТГА є заданими, то задача зводиться до знаходження коефіцієнта :

.

Таким чином, діаметр, ширина натурного робочого колеса будуть дорівнювати:

мм,

мм.

Відповідно до ширини робочого колеса перераховується й ширина лопаток статорних апаратів:

.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1  І., Папченко використання теплогенеруючих агрегатів// Материалы научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов. – Сумы, 2005.

2  Технология спирта/[, , и др.; Под ред. ]. – М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1981. – 416 с.

3  , , Папченко агрегат для ветроэнергетической установки малой мощности// Вестник НТУУ «КПИ»: Машиностроение. - К., 2002. – Вып. 42, Т.2. – С. 75-78.

4  Кочевский внутренних течений жидкости в каналах с помощью программного продукта FlowVision//Вісник СумДУ – 2004. - №2(61). – С. 25-36.

5  , , Папченко гидродинамики рабочего процесса многофункционального теплогенерирующего агрегата ТГА-2 расчетным способом с применением пакета FlowVision// Всеукраїнський науково-технічний журнал “Промислова гідравліка і пневматика”. – 2005. №1(7). – С. 35-40.

6  Спиридонов эксперимента при исследовании технологических процессов. – М.: Машиностроение, 1981. – 184 с., ил.

Навчальне видання

МЕТОДИЧНI ВКАЗIВКИ

до практичних та самостійних занять з дисципліни

"Теорія турбомашин"

з теми " Розрахунок енергетичних та конструктивних

параметрів теплогенеруючих агрегатів

багатофункціонального призначення "

для студентів напряму 0902 “Інженерна механіка”

усіх форм навчання

Укладач Андрій Анатолійович Папченко

Редактор

Відповідальний за випуск А. О.Євтушенко

Підп. до друку 21.10.08, поз.

Формат 60х84/16. Папір офс. Гарнітура Times New Roman Cyr. Друк офс.

Ум. друк. арк. . Обл.-вид. арк. .

Тираж 50 пр. Собівартість вид.

Зам. №

Вид-во СумДУ при Сумському державному університеті

40007, м. Суми, в

Свідоцтво про внесення суб’єкта видавничої справи до Державного реєстру

ДК № 000 від 17.12.2007.

Надруковано у друкарні СумДУ

40007, м. Суми, в.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

До друку та в світ

дозволяю на підставі

"Єдиних правил",

п. 2.6.14

Заступник першого проректора-

начальник організаційно-методичного

управління єв

МЕТОДИЧНI ВКАЗIВКИ

до практичних та самостійних занять з дисципліни

"Теорія турбомашин"

з теми " Розрахунок енергетичних та конструктивних

параметрів теплогенеруючих агрегатів

багатофункціонального призначення "

для студентів напряму 0902 “Інженерна механіка”

усіх форм навчання

Всі цитати, цифровий та

фактичний матеріал,

бібліографічні відомості

перевірені, запис одиниць

відповідає стандартам

Укладач

Відповідальний за випуск А. О.Євтушенко

Декан інженерного факультету

Суми Вид-во СумДУ 2008