В настоящее время теория плазмохимических реакторов ограничена исследованием реакторов идеального смешения и идеального вытеснения в изотермических условиях в отсутствии связи между плазмохимическими, гидродинамическими и теплофизическими процессами. Необходима разработка соответствующих математических моделей, учитывающих различные режимы работы реакторов с неизотермическими потоками с учетом взаимосвязанности указанных процессов. Использована теория плазмохимических реакций, адаптированная к неизотермическим потокам, теория конвекции в приближении Буссинеска, принцип подчинения синергетики и методы математической физики. Предложена математическая модель и методика расчета физико-химических процессов в проточных газоразрядных реакторах, отличающаяся от известных учетом взаимной связи между физико-химическими, гидродинамическими и теплофизическими процессами и позволяющая теоретически определить геометрические размеры активной зоны и режимы работы реактора, обеспечивающие его наибольшую эффективность. Методика апробирована при моделировании плазмохимических процессов в реакторах-озонаторах фронтальных волн ионизации, емкостного и барьерного разрядов. Она может быть использована как при проектировании газоразрядных плазмохимических реакторов, так и в их эксплуатации при оптимизации режимов работы.
Вестник Ивановского государственного энергетического университета
2018. — Выпуск 4
Содержание:
Известен ряд научно-технических решений по использованию вторичной и низкопотенциальной теплоты в различных областях хозяйственной деятельности. Одним из перспективных вариантов является использование паротурбинных установок на низкокипящих рабочих телах, которые, несмотря на низкий КПД, получают распространение. Вопросы использования вторичной и низкопотенциальной теплоты при помощи паротурбинных установок на низкокипящих рабочих телах в условиях угольных шахт не решены. В связи с этим актуальной является оценка реальных энергетических характеристик энергогенерирующей станции на низкокипящих рабочих телах в зависимости от изменения внешних факторов. Расчетные оценки эффективности использования вторичной и низкопотенциальной теплоты шахты для электрогенерации при помощи паротурбинных установок на низкокипящих рабочих телах получены при помощи стандартных методов, используемых в технической термодинамике. Для решения поставленной задачи проанализированы и классифицированы по температурным уровням все доступные в условиях угольной шахты источники вторичной и низкопотенциальной теплоты; для определения теплового потока вторичной и низкопотенциальной теплоты каждого вида, утилизация которого возможна при помощи паротурбинных установок на R407с, использованы уравнения теплового баланса и учтен температурный потенциал каждого источника вторичной и низкопотенциальной теплоты; для определения характеристик турбины использована стандартная методика расчета, при этом входными данными являются расход паров низкокипящих рабочих тел, температуры нагревателя и холодильника. Впервые для условий угольной шахты установлены показатели эффективности энергогенерирующей станции на базе одновенцовой конденсационной турбины в зависимости от изменяющихся температур конденсации, определяемых температурой холодильника. Установлено, что в течение года наиболее длительным является промежуток использования станции с наибольшей температурой холодильника 12 С, при этом тепловой поток вторичной и низкопотенциальной теплоты, который может быть использован в условиях рассмотренной шахты, составляет 80,6 МВт. Для этих наихудших условий КПД генерации составляет 4,7 %, а мощность электрического генератора - 3,79 МВт. Полученные результаты необходимы при проектировании оборудования для использования вторичной и низкопотенциальной теплоты в условиях угольных шахт.
Ключевые слова
Опыт эксплуатации выявил не всегда достаточное техническое совершенство - селективность и устойчивость функционирования - токовых защит от замыканий на землю, получивших наиболее широкое применение в распределительных кабельных сетях напряжением 6-10 кВ с изолированной нейтралью. Основной проблемой является обеспечение динамической устойчивости функционирования защит указанного типа в переходных режимах при дуговых прерывистых замыканиях на землю. В европейских и некоторых других странах практическое применение получили защиты от замыканий на землю, основанные на контроле проводимости нулевой последовательности защищаемого присоединения, называемые адмитансными. Адмитансные защиты, рассматриваемые в указанных выше странах как наиболее эффективное средство решения проблемы селективной защиты от замыканий на землю, в России в настоящее время не применяются. Исследования, выполненные на имитационных моделях кабельных сетей 6-10 кВ, показали, что классический принцип выполнения адмитансной защиты, основанный на использовании составляющих основной частоты тока и напряжения нулевой последовательности, не позволяет обеспечить высокую динамическую устойчивость функционирования в переходных режимах при дуговых замыканиях на землю. В связи с этим актуальной является задача разработки способов повышения динамической устойчивости функционирования адмитансных защит от замыканий на землю. Учитывая сложность переходных процессов при дуговых замыканиях на землю в кабельных сетях 6-10 кВ, работающих с изолированной нейтралью, в качестве основного метода анализа динамической устойчивости функционирования адмитансной защиты используется имитационное моделирование в Matlab. Для этого с применением пакетов расширения SimPowerSystem и Simulink разработаны имитационные модели кабельных сетей 6-10 кВ, учитывающие основные особенности их конфигурации и распределенный характер параметров кабельных линий, и имитационные модели исследуемых алгоритмов функционирования адмитансной защиты от замыканий на землю. Предложен новый способ выполнения ненаправленной адмитансной защиты, основанный на контроле емкости нулевой последовательности защищаемого присоединения с использованием как составляющих основной частоты, так и высших гармонических составляющих тока и напряжения нулевой последовательности, обеспечивающий высокую устойчивость функционирования защиты при всех разновидностях внешних и внутренних замыканий на землю в кабельных сетях с изолированной нейтралью. Предложенный способ выполнения адмитансной защиты от однофазных замыканий на землю в кабельных сетях 6-10 кВ с изолированной нейтралью обеспечивает повышение ее селективности и чувствительности и расширение области ее возможного применения.
Ключевые слова
Ветрогенераторы часто выполняют торцевой конструкции. Для цилиндрических машин критерии выбора размеров генератора с минимальной массой и габаритами выработаны, для торцевых магнитоэлектрических машин они отсутствуют. В связи с этим актуальной является разработка методики получения функциональной зависимости рациональных размеров торцевых генераторов от некоторого относительного конструктивного параметра. Конструктивный параметр торцевых машин выбран как отношение внешнего и внутреннего диаметров. Функциональная зависимость рациональных размеров от конструктивного параметра сформирована с использованием коэффициентов внешнего, внутреннего и среднего диаметров, длины, сечения, массы и объема материалов. Анализ функциональных зависимостей выполнен в пакете Mathcad с функцией Minimize. Определены оптимальные значения конструктивного параметра для генераторов с разными числами полюсов. Разработана методика выбора размеров торцевых магнитоэлектрических генераторов с минимальными массой и габаритами. Получена функциональная зависимость размеров и объема материалов от конструктивного параметра. Рациональный коэффициент внешнего диаметра начиная со значения конструктивного параметра 1,4 изменяется незначительно, при значении 1,6-1,9 он минимален. Оптимальный конструктивный параметр генератора возрастает от 1,104 до 1,246 при увеличении числа пар полюсов от 1 до 6. Использование конструктивного параметра торцевых магнитоэлектрических генераторов как отношения внешнего и внутреннего диаметров позволяет сформировать функциональные взаимосвязи размеров генератора и сконструировать машину с минимальным объемом материалов.
Ключевые слова
При анализе симметричных трехфазных цепей синусоидального тока, содержащих асинхронные двигатели, рассматривается приведенная машина с неподвижным ротором, в которой токи статора и ротора изменяются с одинаковыми частотами. При нарушении симметрии напряжения на зажимах машины будут обусловлены токами всех ветвей статора и ротора. При этом определение элементов матрицы комплексных сопротивлений вращающейся машины становится проблематичным и может быть произведено только на основе магнитного поля в активной зоне. Это является одной из основных причин, почему к расчету несимметричных режимов работы трехфазных цепей до сих пор применяют метод симметричных составляющих. В связи с этим поиск теоретических подходов к определению метода расчета элементов матрицы комплексных сопротивлений асинхронной машины с уровнем вычислительных затрат, приемлемым для многовариантных расчетов в симметричных и несимметричных режимах с учетом дискретности и несимметрии структуры обмоток, наведенных токов и взаимного перемещения зубчатых сердечников, является актуальным направлением исследований. В основу исследований положен метод зубцовых контуров, или, как его еще называют, универсальный метод, являющийся в настоящее время одним из наиболее эффективных и универсальных методов анализа полей и процессов вращающихся электрических машин. С использованием единого символического метода разработана математическая модель расчета установившихся режимов вращающихся асинхронных машин, потокосцепления и токи ветвей статора и ротора которых изменяются во времени с разными частотами. Модель позволяет исследовать трехфазные цепи, содержащие асинхронные машины, как в симметричных, так и в любых несимметричных режимах, в том числе и аварийных. Предложенная модель позволяет символическим методом моделировать любые как симметричные, так и несимметричные режимы цепей с вращающимися асинхронными машинами.
Ключевые слова
В настоящее время активно развиваются методы контроля технического состояния обмоток роторов асинхронных двигателей на основе спектрального анализа внешнего магнитного поля. Однако их существенными недостатками являются низкая достоверность в реальных условиях и отсутствие надежных признаков, характеризующих наличие дефекта. В связи с этим актуальным является получение достоверных признаков обрывов стержней ротора на работающем электродвигателе и определение допустимых значений параметра, при котором обмотка ротора переходит из исправного состояния в неисправное. При моделировании внешнего и внутреннего магнитных полей машины применена математическая модель асинхронного двигателя, разработанная в программном комплексе ANSYS Maxwell, реализующая метод конечных элементов. Для регистрации и обработки сигналов внешнего и внутреннего магнитных полей на двигателе и его математической модели с различными дефектами использованы методы спектрального анализа. Проведен однофакторный анализ влияния эксплуатационных факторов на спектр внешнего магнитного поля математической модели электродвигателя, в результате которого установлено, что из всего спектра гармоник фиктивной обмотки ротора только амплитуды гармоник на нижней боковой частоте мало подвержены влиянию этих факторов. Сравнительный анализ результатов математического моделирования внешнего магнитного поля электродвигателя с экспериментальными данными показал, что амплитуды выше указанных гармоник и средние мощности сигналов, состоящие из этих гармоник, имеют близкие значения. Полученные результаты показывают, что для выявления обрывов стержней обмотки ротора на работающем электродвигателе целесообразно использовать диагностический сигнал, состоящий из гармоник фиктивной обмотки ротора на нижних боковых частотах, присутствующих во внешнем магнитном поле машины. В связи с этим в качестве диагностического параметра принята средняя мощность сигнала, состоящего из выше указанных гармоник. Пороговое значение диагностического параметра может быть определено путем математического моделирования внешнего магнитного поля электродвигателя.
Ключевые слова
Аппараты с кипящим слоем широко используются в различных отраслях промышленности. В частности, в энергетике топки кипящего слоя играют возрастающую роль для термохимической переработки твердых видов топлива. Чаще всего кипящий слой создается в аппаратах с цилиндрической проточной частью, где расходная скорость газа постоянна по высоте слоя. Однако известны аппараты с коническим и цилиндроконическим профилем проточной части, но методы оценки влияния профиля, пусть даже самые приближенные, на эффективность переработки частиц в кипящем слое практически отсутствуют. Очевидно, что разработка такого метода в настоящее время требует специального внимания. Для решения поставленной задачи используется метод математического моделирования. Модель построена на основе дифференциальных уравнений движения одиночной частицы в восходящем потоке газа с переменной по высоте скоростью. Во время движения свойства частицы меняются благодаря тому или иному теплофизическому или химическому процессу взаимодействия частиц с газом. Это взаимодействие описано уравнением кинетики химической реакции первого порядка с постоянной скорости, зависящей от относительной скорости движения частицы в газе. Рассмотрены два варианта изменения свойств частиц: изменение ее плотности при постоянном диаметре и изменение ее диаметра при постоянной плотности. Первый вариант соответствует, например, сушке минеральных частиц с постоянным пористым каркасом. Именно этот вариант рассматривался в численных экспериментах. Дан сравнительный анализ кусочно-линейных профилей проточной части для оценки степени завершения реакции. Поскольку модель ориентирована на кипящий слой непрерывного действия, ни в одном сечении скорость газа не должна быть меньше скорости витания частицы. В результате анализа биконического профиля установлено, что наиболее рациональным вариантом является сочетание сужающегося и расширяющегося конусов со сменой сужения на расширение близко к газораспределительной решетке. Отдельно проанализирован простой конический профиль. Показано, что наиболее рациональным является расширяющийся конический профиль, когда в верхней части слоя скорость газа незначительно превышает скорость витания полностью прореагировавшей частицы. Предложенная модель позволяет приближенно находить рациональный профиль реактора с кипящим слоем и может использоваться в качестве первого шага при его проектировании. Модель может быть легко адаптирована к другому механизму изменения свойств частиц. Найденные рациональные профили кипящего слоя находятся в хорошем согласии с физикой процесса.
Ключевые слова
Широкий спектр технологических преимуществ индукционного нагрева обусловливает его использование в различных областях промышленности, одной из которых является стыковая сварка изделий различного вида и функционального назначения. Однако использование существующих методов индукционно-стыковой сварки ограничивается размером поперечного сечения соединяемых деталей, что требует внедрения новых технических решений, направленных на расширение области их применения, а также на повышение энергетических показателей и качества готовой продукции. В то же время практическое применение нового способа сварки на основе индукционного нагрева требует проведения предварительных исследований на базе математических моделей, предназначенных для выбора режима работы оборудования, обеспечивающего оптимальные параметры процесса нагрева в целях получения равномерного распределения температуры в слое требуемой толщины и приемлемых значений энергетических показателей. Решение поставленной задачи выполнено на основе применения программного комплекса COMSOL Multiphysics, посредством совместного решения уравнения электромагнитного поля в квазистационарном приближении через азимутальную составляющую векторного магнитного потенциала и дифференциального уравнения теплопроводности, характеризующего распределение теплового поля в пространстве и во времени. Разработана новая модель индукционного нагрева при стыковой сварке стальных труб на основе применения плоского индуктора, позволяющая анализировать картины распределения магнитного поля, объемной плотности тепловыделения и температуры в расчетной области, а также определять динамику изменения энергетических показателей процесса нагрева при учете нелинейно изменяющихся физических свойств моделируемых объектов. Разработанная модель позволяет осуществлять параметрический анализ индукционного нагрева плоским индуктором стальных труб в рамках стыковой сварки, который необходим при выборе режима работы оборудования, обеспечивающего повышение электрического КПД процесса нагрева, равномерности распределения температуры и, как следствие, качества получаемых изделий.
Ключевые слова
Основная проблема методического сопровождения CAE-систем, автоматизирующих выполнение многовариантных расчетов на компьютерных моделях инженерных объектов, заключается в формировании у пользователей навыков конструирования этих моделей с помощью специализированных редакторов. Исследования показывают, что наиболее эффективной формой методической поддержки является инструктирование пользователей непосредственно в процессе конструирования расчетных моделей. Ранее полученные авторами результаты обеспечивают методическую поддержку путем формирования контекстных методических рекомендаций на основании анализа действий пользователя при разработке модели. Однако это решение, реализованное в формате внешнего приложения, не позволяет учитывать прагматику действий пользователя CAE-системы. В связи с этим актуальной является разработка интегрированных в CAE-систему моделей и методов методической поддержки, обеспечивающих повышение информативности контекстной помощи за счет совместного учета семантики и прагматики действий пользователя. В качестве объекта исследования рассматривается система инженерного анализа систем электроснабжения СИМЭС. Предмет исследования - процедура графического редактирования расчетной модели. Метод исследования - структурный анализ сценариев действий пользователя при выполнении процедур графического редактирования. Предложена модель действий пользователя CAE-системы СИМЭС, отличающаяся учетом их прагматики, а также основанные на использовании этой модели методы регистрации и воспроизведения сценариев, позволяющие формировать и предъявлять пользователю пошаговые инструкции в формате «содержание действия - цель действия». Достоверность полученных результатов подтверждает успешная апробация предложенных моделей и методов в составе программного комплекса СИМЭС. Интеграция моделей и методов методической поддержки в CAE-среду обеспечивает более эффективное обучение пользователей CAE-системы за счет предоставления пошаговых контекстных инструкций, увязывающих способ и цель выполнения каждого действия. Благодаря наличию специфицированных API и форматов информационного обмена, предложенное решение может быть интегрировано в любую CAE-систему, имеющую формат настольного приложения.