Современные требования по сокращению потребления энергетических ресурсов при сохранении комфортных для человека условий в помещениях жилых, общественных и административных зданий ставят задачу разработки новых подходов к оценке комфортности микроклимата. Используемые в настоящее время методы оценки комфортности микроклимата не учитывают специфику вредностей, характерных для помещений непроизводственного назначения, и по этой причине внедрение энергосберегающих мероприятий может привести к нарушению условий комфортности в помещениях зданий. В связи с этим разработка методов и способов, позволяющих учесть влияние энергосберегающих мероприятий на микроклимат, является актуальной задачей. Метод оценки комфортности микроклимата реализован в среде MathCad в виде программы с удобным для пользователя интерфейсом. Осуществлен расчет параметров, определяющих уровень теплового комфорта человека, с учетом поправок на асимметрию теплового излучения, радиационное охлаждение и качество воздушной среды. Разработан новый способ оценки уровня и степени комфортности человека в помещениях жилых, общественных и административных зданий на основе комплексного критерия, который отличается от известных одновременным учетом радиационного охлаждения, асимметрии радиационного излучения и содержания в воздухе углекислого газа. Приведен пример оценки уровня и степени комфортности учебной аудитории. Предложенный способ оценки комфортности микроклимата позволяет повысить точность расчета уровня комфортности за счет учета дополнительных параметров, включая анализ вредностей, характерных только для помещений жилых, общественных и административных зданий.
Вестник Ивановского государственного энергетического университета
2015. — Выпуск 4
Содержание:
В настоящее время в высоковольтных кабельных линиях 110-500 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена для мониторинга состояния кабелей внедряют систему измерения распределенной температуры экранов в режиме реального времени. Это открывает возможность контролировать пропускную способность высоковольтных кабельных линий, но при этом необходим расчет температур жил кабелей. В существующей литературе в качестве расчетной методики указывается стандарт IEC 60853-2, но он предназначен для проектных расчетов температуры жилы, когда кабель еще не введен в эксплуатацию. Существующие литературные источники не содержат сведений о применении указанной методики для расчета температуры жилы в режиме реального времени. В связи с этим разработка математического алгоритма для расчета температуры жилы однофазного кабеля в режиме реального времени является актуальной задачей. Математическое моделирование нестационарного теплового поля в сечении кабеля выполнено с помощью метода сосредоточенных теплоемкостей. Тепловая схема замещения построена на основе метода Ван-Вормера. Оценка адекватности полученных алгоритмов выполнена путем сравнения расчетных данных с данными эксперимента по нагреву осесимметричной конструкции, аналогичной однофазному кабелю. Получен математический алгоритм для расчета температуры жилы высоковольтного однофазного кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена в режиме реального времени на основе данных о распределенной температуре экрана и токовой нагрузке в жиле. Установлено совпадение результатов расчета нагрева экспериментальной осесимметричной конструкции, аналогичной однофазному кабелю, с экспериментальными данными, при этом отклонения значений рассчитанной температуры от температуры, полученной экспериментальным путем, не превышают 2,5 ºС. Полученный математический алгоритм может быть использован в системах диагностики высоковольтных кабельных линий с изоляцией из сшитого полиэтилена для контроля их пропускной способности и защиты от перегрева в режиме реального времени.
Ключевые слова
Электромеханические магнитожидкостные демпферы начинают находить практическое применение в транспортных средствах, автомобилях, технологических установках. Существующие методики расчета демпферов на классических жидкостях для электромеханических магнитожидкостных демпферов не учитывают магнитореологические свойства магнитной жидкости, влияние управляемого магнитного поля на вязкость магнитной жидкости, особенности диссипации энергии колебаний. Используемые в настоящее время методики основаны на описании магнитной жидкости моделями без учета начального участка реологической кривой магнитной жидкости, что дает неверные результаты при малых градиентах течения магнитной жидкости. В связи с этим необходимо разработать корректную методику расчета силовой характеристики электромеханического магнитожидкостного демпфера и провести расчетный анализ его силовой характеристики. Исследования проведены на основе теории магнитогидродинамики, реологии не ньютоновских жидкостей, электромагнитного поля, анализа диссипации энергии колебаний, расчетного анализа протекающих процессов. Разработана методика аналитического расчетного анализа, основанная на разбиении магнитореологической кривой магнитной жидкости на два участка с различными вязкостями, что позволяет проводить расчеты при разных градиентах сдвигового течения магнитной жидкости в зазоре электромеханического магнитожидкостного демпфера. Предложен оригинальный алгоритм расчета силовой характеристики электромеханического магнитожидкостного демпфера с учетом нелинейности магнитореологических свойств магнитной жидкости. Дан анализ влияния параметров магнитной жидкости и индукции магнитного поля на силу сопротивления электромагнитного магнитожидкостного демпфера. Установлено, что при увеличении индукции магнитного поля в зазоре электромагнитного магнитожидкостного демпфера с 0,1 до 0,55 Тл начальное усилие сдвига демпфера увеличивается в 6 раз - с 250 до 1500 Н. Разработанная методика аналитического расчетного анализа и предложенный алгоритм расчета силовой характеристики электромеханического магнитожидкостного демпфера позволяют проводить корректную количественную оценку силы сопротивления, создаваемой демпфирующими устройствами с магнитореологической жидкостью. Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых типов электромеханических магнитожидкостных демпферов.
Ключевые слова
Снижение уровня шумов и вибраций исполнительного электропривода является одной из важнейших задач при его разработке. Методы решения данной проблемы в рамках традиционных трехфазных систем достаточно хорошо изучены и практически исчерпали себя. Одним из новых вариантов построения электропривода, в частности синхронного, с улучшенными виброшумовыми характеристиками является его реализация на основе исполнительного двигателя с увеличенным числом фаз. Однако известные подходы к синтезу электромеханической системы на его основе не учитывают специфику m -фазной ( m > 3) машины как объекта управления. Исследования проведены с использованием математического аппарата приведенных спектральных векторов и программного пакета для моделирования полей методом конечных элементов Elcut. Показано, что увеличение числа фаз исполнительного синхронного двигателя с постоянными магнитами позволяет улучшить виброшумовые характеристики электропривода на его основе за счет уменьшения тангенциальных и радиальных магнитных сил. Предложена методика оптимизации виброшумовых характеристик синхронного электропривода, а также метод создания полевой модели синхронного двигателя с использованием среды Elcut. Увеличение числа фаз исполнительного синхронного двигателя с постоянными магнитами является перспективным вариантом построения электропривода с пониженным уровнем шумов. Предложенный вариант построения многоканальной САУ обеспечивает уменьшение радиальных магнитных сил.
Ключевые слова
Методы расчета нелинейных динамических систем имеют ряд недостатков, заключающихся в принятии ряда допущений, влияющих на точность построения математической модели: процессы преобразования энергии определяются главным образом основной гармонической магнитной индукции; насыщение магнитной цепи не учитывается или учитывается приближенно; основное поле и поля рассеяния рассматриваются независимо; математические модели ограничены конкретными конструкциями электромагнитных устройств. В связи с этим важной задачей является разработка численных методов моделирования динамических режимов нелинейных систем на основе кусочно-линейной аппроксимации, повышающих адекватность результатов моделирования. Использованы метод переменных состояния, совместимый со многими методами численного интегрирования нелинейных дифференциальных уравнений, а также схемы замещения электромагнитных устройств, учитывающие нелинейность магнитной цепи, построенные с использованием кусочно-линейной аппроксимации. На основе метода переменных состояния разработан подход к расчету нелинейных динамических схем, реализующий численный анализ магнитного поля на каждом шаге интегрирования и позволяющий рассчитывать электромагнитное поле в активной зоне устройств без использования понятий индуктивных параметров и пространственных и временных гармонических. Разработанный подход к математическому моделированию нелинейных систем позволяет анализировать переходные, установившиеся и аварийные режимы работы различных цепей, содержащих нелинейные электромагнитные устройства. Достоверность результатов моделирования, получаемых на основе разработанного метода, подтверждается их совпадением с результатами натурных экспериментов на различных электромеханических устройствах. Полученные результаты могут быть использованы для уточнения характеристик электромагнитных устройств различного исполнения при их проектировании.
Ключевые слова
В настоящее время для систем модального и оптимального управления электропривода применяются наблюдатели полной и пониженной размерности. Существенными проблемами при синтезе таких устройств являются отсутствие адекватных математических моделей объектов управления, а также чувствительность наблюдателей к шуму в измерениях, приводящая к потере устойчивости. В связи с этим актуальной задачей является проведение исследований, направленных на разработку оптимальных наблюдающих устройств, позволяющих реализовать систему модального или оптимального управления на реальном объекте управления. Использованы компьютеризированные методы идентификации и имитационного моделирования систем, представленные в рамках пакета программ MATLAB. Непараметрическая идентификация проведена в среде MATLAB/System Identification Toolbox по методу минимизации нормы «ошибки прогноза». Проверка синтезированных устройств осуществлена на испытательном стенде, являющемся имитационным макетом угломестной оси телескопа, на низкой скорости в условиях переменного момента трения. Рассмотрена классическая методика синтеза наблюдателя полного порядка на основе модели обобщенного электромеханического преобразователя. Предлагается методика синтеза наблюдателя полного порядка в виде фильтра Калмана на основе модели, полученной методами непараметрической идентификации. Проверка наблюдателя полного порядка, синтезированного классическим методом, показала чувствительность устройства к функциональным возмущениям типа момента трения. Установлено, что наблюдатель полного порядка, синтезированный как фильтр Калмана, демонстрирует устойчивость к подобного рода возмущениям, однако имеет ошибку наблюдения, обусловленную использованным методом непараметрической идентификации. Применение модели объекта управления, полученной с помощью анализа экспериментальной амплитудно-частотной характеристики, позволило минимизировать ошибку наблюдения до приемлемого уровня. Ожидается, что полученное устройство продемонстрирует удовлетворительные результаты на реальном устройстве и позволит замкнуть систему модального либо оптимального управления. Наблюдатель, синтезированный классическим методом, не пригоден для замыкания систем оптимального и модального управления по причине своей чувствительности к функциональным возмущениям. Наблюдатель, синтезированный как фильтр Калмана, может быть использован для замыкания подобных систем при условии использования модели, полученной методом анализа экспериментальной амплитудно-частотной характеристики объекта управления.
Ключевые слова
Расчет распространения теплоты путем теплопроводности в составных областях при наличии фазовых переходов является сложной нелинейной задачей, не имеющей аналитических решений. Вместе с тем возможность проводить такие расчеты необходима для разработки энергосберегающих мероприятий в строительстве, для выборов рациональных технологических параметров в металлургических, химических и других процессах. Традиционные численные методы не вполне пригодны для использования в инженерной практике в силу сложности и неуниверсальности используемых алгоритмов и программ. В связи с этим актуальной является разработка универсальных моделей процессов, построенных на элементарных балансовых уравнениях и допускающих легкую перестройку при изменении специфики объекта моделирования. Для построения математического описания процесса применен метод ячеечного моделирования, использующий математический аппарат теории цепей Маркова. Основным оператором модели является матрица теплопроводности, преобразующая вектор теплового состояния через малые промежутки времени. Модель дополнена соотношениями теплового баланса при фазовом переходе. Построена нелинейная ячеечная модель эволюции теплового состояния составной области с фазовыми переходами, позволяющая проводить численные эксперименты по выбору рациональной организации процесса. Учет нелинейных явлений в процессе теплопроводности с фазовыми переходами позволяет более адекватно описывать эволюцию теплового и фазового состояния процесса и подбирать его рациональные параметры.
Ключевые слова
Движение свободных заряженных наночастиц происходит с малыми средними скоростями, но с колоссальными ускорениями даже в слабых электрических полях. Как известно, в неинерциальных системах возникает реальный динамический эффект замедления хода времени. Физическая причина этого явления неизвестна. В связи с этим задача разработки математической модели, применимой ко всем динамическим процессам и системам, по-прежнему сохраняет свою актуальность. В основу исследования положены тензорный анализ, теория поля, Лагранжев формализм, вариационное исчисление, преобразование Фурье. Разработаны метод и математическая модель для исследования динамики времени в неинерциальных системах с неограниченной величиной ускорений. Рассмотрены области применения этого метода. Показано, что проблемы барионной асимметрии и скрытой энергии имеют решение. Установлено, что инерция возникает в результате замедления времени. Предложен вариант эксперимента. Метод и разработанная математическая модель могут быть использованы для создания новых технологий в области энергетики, электроники, в физике элементарных частиц, в космологии, в астрономических исследованиях, а также в медицине.
Ключевые слова
При расчете и проектировании оборудования для вибрационной переработки сыпучих материалов, например грохотов для сортировки угля на электростанциях, смесителей для подготовки смесей при производстве композиционных материалов для энергетического машиностроения, важно знать состояние слоя материала при наложении вибрационного воздействия. Большинство моделей этого процесса оперирует движением одиночной частицы над колеблющейся поверхностью, что не вполне адекватно отражает все его особенности. В связи с этим актуальной является разработка моделей таких процессов, построенных на описании движения ансамбля частиц и учитывающих взаимодействие частиц друг с другом. Для построения математического описания процесса применена одномерная версия метода дискретных элементов. Она базируется на динамическом описании движения каждой частицы ансамбля и изменении скоростей частиц при ударе друг о друга. Предлагается математическое описание простейшей одномерной версии метода дискретных элементов (DEM simulation). Приведены результаты численных экспериментов с соответствующей ей моделью. Выявлено влияние параметров колебания поверхности, коэффициента восстановления скорости при ударе и числа частиц по высоте слоя на локальную и среднюю порозность материала в слое. Уменьшение коэффициента восстановления и увеличение числа частиц в слое ведет к снижению его средней порозности, а увеличение числа Фруда - к ее увеличению. Количественные данные о средней порозности слоя позволяют более адекватно моделировать и рассчитывать процессы вибрационной сепарации и смешивания.
Ключевые слова
Возможность теоретически рассчитывать коэффициенты переноса, основываясь только на микроскопических моделях газовой среды, является необходимым условием адекватного понимания происходящих в газе термодинамических процессов. Модель сплошной среды при всей ее распространенности и удобстве использования далеко не всегда адекватно отражает происходящие в газе процессы. В частности, это становится заметным при пониженных давлениях газа, когда число Кнудсена, характеризуемое отношением длины свободного пробега молекул к характерному размеру задачи, становится соизмеримым с единицей. В связи с этим актуальным является исследование других моделей газа, в частности дискретных решеточных моделей, которые по мере развития средств компьютерной поддержки начинают играть все более значительную роль в моделировании газодинамических процессов. Предлагаемый подход основан на двухмерной модели решеточного газа, в которой используется ортогональная решетка с постоянным шагом. Рассмотрена HPP-модель решеточного газа. Показано, что эта модель дает достаточно адекватные результаты при описании поведения реального газа в условиях среднего вакуума. Проведенные компьютерные эксперименты показали, что HPP-модель решеточного газа чрезвычайно проста и эффективна при компьютерной реализации и ее можно рекомендовать для исследования процессов в реальных газах при пониженном давлении. Созданное с использованием указанной модели программное приложение позволяет моделировать исследуемый процесс.
Ключевые слова
В настоящее время правительства многих стран активно проводят политику повышения энергетической эффективности и улучшения целевых показателей, к которым, в том числе, относится степень замещения традиционных источников возобновляемыми. Солнечные генераторы уже успешно применяются в автономных системах уличного освещения, однако для понимания применимости вышеупомянутых технологий в северных широтах требуется реальная оценка эффективности такого внедрения с учетом локальных особенностей и с выявлением пограничных параметров эффективности. Для проведения расчетов использованы каталоги фирм-производителей, нормативно-правовые акты в области энергетической эффективности, учебные пособия, научные статьи, а также энергетический паспорт Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, выступившего в качестве объекта, подходящего для расчетов по своему географическому положению. Расчеты проведены с применением методов статистического и сравнительного анализа, технико-экономического обоснования и компьютерного моделирования. Получены показатели экономической и энергетической эффективности для систем уличного освещения с применением светодиодных технологий и солнечных источников генерации для широт, близких к 59 о с.ш. Найдены пороговые показатели экономической эффективности при использовании систем солнечных панелей мощностью 5,4 и 11,2 кВт для вышеуказанных целей с учетом роста цен на импорт в осенне-зимний период 2014 года. Установлено, что для широт, приблизительно равных 59 о с.ш., возможно автономное использование солнечных генераторов в системах уличного освещения, обеспечивающее улучшение показателей энергетической эффективности. Однако для экономической обоснованности необходимо выполнение по крайней мере одного из трех условий: уменьшение удельной стоимости 1 Вт мощности солнечных генераторов; рост тарифов на электроэнергию до уровня, превышающего стоимость альтернативной генерации; компенсация затрат совмещенным высокорентабельным проектом.
Ключевые слова
Неравномерное размещение топливно-энергетических ресурсов по территории страны и различные природно-климатические условия диктуют необходимость применения дифференцированного подхода к регионам при разработке государством политики энергосбережения и повышения энергоэффективности и проведения соответствующей группировки. Существующие типологии регионов РФ не учитывают показатели энергоэффективности. В связи с этим необходимо разработать типологию регионов по показателям энергоэффективности, которая будет положена в основу дифференцированного государственного подхода к выработке политики энергосбережения и повышения энергоэффективности в целях достижения энергетического равновесия между субъектами РФ. В исследовании с помощью корреляционно-регрессионного анализа из 46 исходных было отобрано 3 индикативных показателя, которые оказывают существенное влияние на уровень энергоэффективности: среднедушевые денежные доходы населения в месяц; потребление энергии в расчете на душу населения; доля энергоемких отраслей промышленности. Выделение 3 групп субъектов РФ, сходных по показателям энергоэффективности, осуществлено на основании данных индикаторов посредством кластерного анализа в пакете прикладного статистического анализа Statistica 6.0. Качество полученных кластеров оценено с помощью дискриминантного анализа. На основании географического и социально-экономического положения в полученных кластерах выделены подтипы. Наименования полученных типов и подтипов взяты по аналогии с типологией регионов по уровню и особенностям социально-экономического развития, составленной Министерством регионального развития РФ. Разработана типология регионов по показателям энергоэффективности: «Локомотивы роста» («мировые города», «дальневосточные регионы», «регионы - промышленные центры») - регионы с высоким уровнем среднедушевых денежных доходов, низкой долей энергоемких отраслей промышленности и низкой энергоемкостью; «Опорные регионы» - субъекты с высокими показателями доли энергоемких отраслей промышленности, потребления энергетических ресурсов в расчете на душу населения и энергоемкости ВРП, а также низким уровнем среднедушевых денежных доходов; «Депрессивные регионы» («депрессивные регионы - кризисные», «депрессивные регионы - фоновые») - субъекты с высокой энергоемкостью на фоне невысоких значений доли энергоемких отраслей промышленности, потребления энергетических ресурсов в расчете на душу населения и уровня среднедушевых денежных доходов. Типология регионов РФ по показателям энергоэффективности может быть использована для разработки дифференцированной политики в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности.