НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОБУДУВАННЯ
ім. А.М. ПІДГОРНОГО

Суховій Сергій Іванович

УДК 621.1.016.4-71.001.3

РОЗРОБКА ТЕПЛОТЕХНІЧНИХ АСПЕКТІВ КЕРОВАНОГО
СТРУМИННОГО ОХОЛОДЖЕННЯ ТІЛ ІЗ ЗАСТОСУВАННЯМ
ПАРАМЕТРИЧНОЇ ІДЕНТИФІКАЦІЇ ПРОЦЕСІВ
ТЕПЛОПЕРЕНОСУ

Спеціальність: 05.14.06 – технічна теплофізика та
промислова теплоенергетика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі конструкції авіаційних двигунів Національного
аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний
інститут”.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Сімбірський Дмитро Федорович,

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Горбенко Геннадій Олександрович,

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”,

завідувач кафедри аерокосмічної теплотехніки;

кандидат технічних наук

Новак Сергій Вікторович,

Український науково-дослідний інститут пожежної

безпеки МВС України, Київ,

заступник начальника науково-дослідного

центру.

Провідна установа: Інститут технічної теплофізики НАН України, Київ

Захист відбудеться 26” вересня 2002 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.180.02 в Інституті проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України за адресою: 61046, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту проблем машинобудування НАН України за адресою: 61046, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10.

Автореферат розісланий “ 5 ” липня 2002 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук О.Е. Ковальський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В енергетичному машинобудуванні, металургії, металообробних виробництвах і металофізиці знаходять широке застосування технологічні процеси керованого струминного охолодження високонагрітих масивних тіл, заготовок, деталей за допомогою рідинних і газорідинних теплоносіїв. Здебільшого це обумовлено необхідністю керування рівнем і топологією температурних напруг у тілі як у самому технологічному процесі, так і залишковими напругами, що відіграють істотну роль при наступному використанні заготовки чи експлуатації деталі.

Процеси інтенсивного охолодження тіл, у яких значення коефіцієнтів тепловіддачі перевищують 1000 Вт/(м2К), досить добре вивчені і науково обгрунтовані, що дозволяє успішно використовувати їх на практиці. Проте у технічній літературі практично відсутні відомості про реалізацію керованого охолодження високонагрітих тіл з відносно невисокими рівнями теплообміну (100<<1000 Вт/(м2К)). А тим часом розробка таких технологічних процесів є актуальною потребою, зокрема для випадків термообробки корпусів реакторів АЕС, лиття великогабаритних поршнів тепловозних дизелів і в ряді інших випадків.

З огляду на високий рівень розвитку теорії і техніки цифрового керування розробку цих процесів утруднюють їхні теплотехнічні аспекти. До них можуть бути віднесені такі задачі:

-

-

-

-

-

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацію виконано в Національному аерокосмічному університеті згідно з держбюджетними темами “Розробка експериментально-розрахункових методів і способів для дослідження термонапруженого стану і ресурсу ГТД і ЕУ” (№ держреєстрації ІК0295V001022), “Розробка способів розрахункового обґрунтування теплогідравлічних аспектів безпеки АЕС із РБМК” (№ держреєстрації 0198V002226), а також госпдоговірними роботами № 01/99-ХАІ, № 114/99-ХАІ між Електрогорським науково-дослідним центром Всеросійського науково-дослідного інституту атомних електростанцій (ЕНДЦ ВНДІАЕС) та ЦТФ ХАІ.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в розв’язанні задач, які виокремлюються при розгляданні теплотехнічних аспектів керованого струминного охолодження тіл, з використанням експериментально-розрахункового методу параметричної ідентифікації процесів теплопереносу та одержанні рекомендацій щодо розробки технологічних процесів керованого охолодження корпусів реакторів ВВЕР і ливарної форми поршнів тепловозних дизелів.

Задачами дослідження, обумовленими метою роботи, постали:

- розгляд варіантів можливої реалізації САКСО тіл і виконання аналізу динамічних характеристик її виконавчої пневмогідравлічної частини; розробка і виготовлення стенду, струминно-відцентрових і струминних форсунок для експериментальних досліджень і вибору теплоносія;

- розробка методики експериментально-розрахункового визначення граничних умов теплообміну на основі методу параметричної ідентифікації, придатної для використання як при виборі теплоносія, так і безпосередньо в цифровій системі керованого струминного охолодження;

- проведення на експериментальному стенді дослідження особливостей взаємодії з високонагрітою поверхнею диспергованих струменів води, створюваних одно- і багатофорсунковими розпилювачами;

- проведення аналізу можливості реалізації САКСО в двох варіантах: із “жорстким” програмованим керуванням та із замкнутим зворотним зв'язком по температурі охолоджуваної поверхні.

Об'єкт дослідження. Процес керованого охолодження високонагрітих твердих тіл.

Предмет дослідження. Теплотехнічні аспекти керованого охолодження високонагрітих тіл.

Методи дослідження. Використано методи математичного моделювання, теорії теплопровідності, розвязання обернених задач, експериментальних досліджень умов теплообміну на поверхні тіл і теорії керування.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна роботи полягає в тому, що в ній вперше одержано такі наукові результати:

- закономірності теплообміну диспергованих струменів, створюваних струминно-відцентровою форсункою при розпиленні недогрітої води, та струминною - при розпиленні перегрітої води, з високонагрітою плоскою вертикальною поверхнею в діапазоні зміни до 1000 Вт/(м2К); результати дослідження узагальнено залежностями, які встановлюють взаємозв'язок між інтенсивністю теплообміну та режимними параметрами системи охолодження, температурою і щільністю зрошення охолоджуваної поверхні;

- модифікація методу сплайн-ідентифікації теплових потоків на поверхні тіл, яка відрізняється від відомих використанням “ковзної” сплайн-апроксимації шуканого теплового потоку і завдяки істотному зниженню вимірності вектора шуканих параметрів дозволяє значно підвищити швидкодію алгоритму, отже надає можливість використовувати метод безпосередньо в цифрових системах керування охолодженням тіл; отримано критеріальне рівняння, що дозволяє одержувати оцінки максимальних похибок, які виникають при одновимірній сплайн-ідентифікації теплових потоків;

- методика одновимірної сплайн-ідентифікації теплових потоків з використанням алгоритму дискретного оптимального фільтра Калмана, яка дозволяє враховувати неоднорідність температурного поля на досліджуваних поверхнях;

- наближені динамічні моделі пневмогідравлічної частини системи охолодження, які дозволяють враховувати динаміку взаємодії теплоносія з охолоджуваною поверхнею на перехідних режимах.

Практичне значення одержаних результатів. Основна практична цінність дисертації полягає в тому, що в ній на основі розгляду теплотехнічних аспектів і розв’язання поставлених задач розроблено комплексну методику проектування систем цифрового керування охолодженням високонагрітих тіл диспергованими струменями води з відносно невисокими інтенсивностями теплообміну. Крім того, самостійну практичну цінність становлять вищеперелічені окремі наукові результати дисертації, а також універсальний стенд, методики та їх програмні реалізації для експериментальних досліджень теплообміну диспергованих струменів води з високонагрітою вертикальною плоскою поверхнею. Згадані методики впроваджені в АТЗТ “Українські мотори” при розробці технологічного процесу керованого охолодження ливарної форми поршнів, а також прийняті до впровадження на Запорізькій АЕС у технологічному процесі відновлювального відпалу корпусу реактора.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що ним у [1,2] запропоновано модифікацію методу сплайн-ідентифікації теплових потоків на поверхні тіл, яка відрізняється від відомих використанням “ковзної” сплайн-апроксимації шуканого теплового потоку, і методику, що дозволяє враховувати неоднорідність температурного поля на поверхні тіл, а в [5] їх адаптовано і реалізовано у вигляді програмного забезпечення керуючої ПЕОМ експериментального стенду для досліджень теплообміну диспергованих струменів води з високонагрітою вертикальною поверхнею; у [6] виконано обробку результатів експериментів по дослідженню закономірностей теплообміну диспергованих струменів води з високонагрітою плоскою вертикальною поверхнею; у [7] динамічні властивості пневмогідравлічної частини системи керованого струминного охолодження запропоновано описувати диференціальними рівняннями інерційної ланки; у [3] обрано структуру системи керованого струминного охолодження тіл на основі порівняльного аналізу з використанням досліджених особливостей взаємодії диспергованих струменів води з високонагрітою поверхнею і динамічних характеристик пневмогідравлічної частини системи; у [4] запропоновано й узагальнено у критеріальній формі методику оцінки максимальних похибок, що виникають при сплайн-ідентифікації теплових потоків.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали і результати роботи доповідалися на науково-технічних конференціях: “Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования” (Харків, 1997р.); Другому (1997р.), Третьому (1998р.), Четвертому (1999р.) конгресах двигунобудівників України “Прогресс-Качество-Технология”, Київ-Харків-Рибаче; П’ятому (2000р.) і Шостому (2001р.) Міжнародних конгресах двигунобудівників, Харків-Рибаче.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 7 статей (включно з 5 статтями, що відповідають вимогам ВАК України до публікацій результатів дисертаційних робіт).

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, висновку, списку використаних джерел, який включає 140 найменувань, а також додатків. Обсяг роботи становить 177 сторінок друкованого тексту, 101 рисунок, 7 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми дисертації, сформульовано мету і задачі дослідження, відображено наукове і практичне значення результатів роботи.

У першому розділі наведено результати аналітичного огляду опублікованих робіт з питань керованого охолодження високонагрітих тіл водоповітряними і диспергованими струменями води.

Аналіз літературних даних показав, що технологічні процеси керованого охолодження тіл можна умовно розділити на дві групи: процеси інтенсивного охолодження
((1000< <1105 Вт/(м2К))) і процеси з відносно невисокими рівнями теплообміну
(100< <1000 Вт/(м2К)). Як у першій, так і у другій групах використовується охолодження диспергованими і двофазними водоповітряними струменями.

Процеси інтенсивного охолодження тіл досить добре вивчено і науково обгрунтовано, що дозволяє успішно використовувати їх на практиці. Цій проблемі присвячено роботи Ісаченка В. П., Братути Е.Г., Селіхова Ю.А., Дибана Є.П., Мазура О.І., Урбановича Л.І., Казанцева Е.І. та ін. У той же час у технічній літературі практично відсутні відомості про реалізацію керованого охолодження високонагрітих тіл з відносно невисокими рівнями теплообміну (щільністями зрошення). Але створення таких технологічних процесів також є актуальною практичною задачею, зокрема, для випадків термообробки корпусів реакторів АЕС і лиття великогабаритних поршнів тепловозних дизелів, у яких значення коефіцієнтів тепловіддачі не перевищують 1000 Вт/(м2К). Крім того, у ряді подібних випадків мають місце жорсткі вимоги високої однорідності теплообміну по всій охолоджуваній поверхні та доброї керованості в широкому діапазоні зміни в процесі охолодження.

Вибір теплоносія, що відповідає цим високим вимогам, способів його генерування і доставки до охолоджуваної поверхні є важливим теплотехнічним аспектом при розробці зазначених процесів. Великий практичний інтерес з погляду реалізації невисоких рівнів викликає охолодження поверхні водою, що скипає. Однак у літературі відсутня інформація про вплив ступеня перегріву води на інтенсивність теплообміну, а також про можливість поширення результатів досліджень теплообміну одиночних форсунок на багатофорсункові розпилювачі із однотипних форсунок.

Вирішення цих питань потребує проведення експериментальних досліджень теплообміну диспергованих струменів води з високонагрітою поверхнею. При проведенні таких експериментів для визначення q і найчастіше використовуються експериментально-розрахункові методи розв’язання обернених задач теплопереносу (ОЗТ). Вони , зокрема і метод параметричної ідентифікації на основі алгоритму оптимального дискретного фільтра Калмана (ФК), одержали свій розвиток у роботах наукових шкіл Мацевитого Ю.М, Слесаренка А.П.,
Аліфанова О.М. (МАІ), Коздоби Л.О., Круковського П.Г, Кривошея Ф.М.,
Білеки Б.Д., Сімбірського Д.Ф., Олійника О.В. та ін. Проте на практиці, незважаючи на те, що основні проблеми методу параметричної ідентифікації теплопереносу вирішені при обробці великих масивів інформації, а також у системах реального часу, зокрема в САКСО тіл, виникає необхідність у застосуванні більш швидкодіючих порівняно з відомими алгоритмів розв’язання ОЗТ.

Високі вимоги до динаміки і широкого діапазону зміни обумовлюють необхідність автоматизації процесів керованого охолодження. У зв'язку з цим виникають задачі синтезу і приладової реалізації САК, вибору структури, керуючих впливів і законів керування з урахуванням обраного теплоносія. Але усі ці питання належного відображення в літературі стосовно до технологічних процесів керованого охолодження диспергованими струменями води з відносно невисокими рівнями теплообміну не знайшли.

З огляду на вищевикладене сформульовано мету роботи і задачі по її реалізації.

У другому розділі стосовно до керованого струминного охолодження корпусу реактора і ливарної форми поршнів тепловозних дизелів запропоновано варіанти структури САКСО, основними складовими якої є:

-

-

-

Функція звичайно задається, виходячи з дотримання умов термічної міцності тіла і технічних вимог до процесу охолодження.

Важливим теплотехнічним аспектом задачі є вибір керуючого впливу, що полягає в перерахуванні граничних умов 1-го роду - у граничні умови
2-го чи 3-го родів - чи . Ця задача відноситься до ОЗТ, тому для її розвязання запропоновано використовувати метод параметричної сплайн-ідентифікації теплового потоку, зокрема, алгоритм ФК по шуканих параметрах теплообміну, який наведено нижче.

Запропоновано варіанти структури САКСО тіл диспергованими струменями води: із жорстким” програмованим керуванням та із зворотним зв'язком по температурі охолоджуваної поверхні. З теорії автоматичного керування відомо, що введення коригувальних пристроїв, які утворюють внутрішні зворотні зв'язки (ВЗЗ), дозволяє поліпшити динамічні властивості системи та її стійкість. У зв'язку з цим було запропоновано варіант структури САКСО із замкнутим зворотним зв'язком, яка має ВЗЗ по - величині, що нелінійно залежить від температури охолоджуваної поверхні (рис. 1). При цьому ВЗЗ по вимагає введення в систему керування алгоритму параметричної ідентифікації граничних умов теплообміну, що працює в реальному масштабі часу. В якості такого алгоритму запропоновано використовувати згаданий вище алгоритм ФК.

Розглянуто виконавчу пневмогідравлічну частину типової САКСО (рис. 2). Режим роботи термогідроакумулятора (ТГА) визначається тиском наддування і температурою теплоносія усередині нього. Сполученням цих впливів на виході з ТГА забезпечують необхідну витрату теплоносія заданої температури. При цьому ТГА може генерувати як недогріту, так і перегріту воду для подачі у форсуночні колектори. Витиснення води з ТГА здійснюється стисненим газом, подача якого відбувається через три сопла С1, С2, С3. Сопла підключаються до вхідного колектора двокаскадними електропневмоклапанами ЭПК1, ЭПК2, ЭПК3. Запропонована виконавча частина САКСО передбачає охолодження тіла двома блоками однотипних форсунок БФ1 і БФ2. Підключення і припинення подачі охолоджувача до блоків форсунок здійснюється клапанами ПГК1, ПГК2. Необхідне співвідношення опорів магістралей підведення води до форсунок забезпечується підбором каліброваних дросельних шайб Д1 і Д2. Співвідношення витрат води форсуночних колекторів БФ1 і БФ2 1:2 уможливлює реалізацію чотирьох значень витрат: максимальна, 2/3 максимальної, 1/3 максимальної, нульова (обидва клапани закриті).

Розроблено диференціально-різницеву математичну модель виконавчої пневмогідравлічної частини САКСО для керованого охолодження корпусу реактора, що являє собою систему з 52 нелінійних диференціальних рівнянь першого порядку в повних похідних, для розв’язання якої було використано програмно реалізований метод Гіра. За її допомогою досліджено динамічні характеристики системи, виконано оцінку ефективності можливих керуючих впливів. В якості керуючого впливу було вибрано перемикання блоків форсунок. Встановлено недоцільність використання тиску наддування в подушці ТГА як керуючого впливу через істотну інерційність цього фактора (рис.3).

Запропоновано спрощену математичну модель виконавчої пневмогідравлічної частини системи, що відображує її основні динамічні властивості, з метою зменшення витрат машинного часу при аналізі характеристик
САКСО в цілому:

,

де - щільність зрошення, створювана блоком форсунок БФi на поверхні теплообміну;

,

, - постійні часу перехідних процесів при відкритті та закритті ПГКi, i=1,2.

Значення , визначалися по перехідних процесах, розрахованих з використанням описаної вище диференціально-різницевої моделі.

Описано стенд, призначений для дослідного визначення величин і розподілу по поверхні коефіцієнтів тепловіддачі при натіканні горизонтального потоку краплинної структури на вертикальну стінку. Його будова (рис. 4) відповідає структурі САКСО, що розглядалася вище. Стенд дозволяє проводити досліди з недогрітою водою в ТГА та водою з параметрами насичення на нижній граничній кривій (вода, догріта до температури насичення при заданому тиску). Диск завтовшки 12 мм і діаметром робочої поверхні 600 мм виготовлено з нержавіючої сталі Х18Н10Т і препаровано 31 термопарою. Він нагрівається електричним струмом. Збирання і візуалізація інформації, обробка результатів дослідів здійснюється ПЕОМ.

В експериментах було досліджено струминну (рис. 5 а), струминно-відцентрову (рис. 5 б) форсунки і 2- та 7-форсункові розпилювачі зі струминними форсунками.

У третьому розділі розглянуто запропоновану методику сплайн-ідентифікації граничних умов теплообміну з використанням алгоритму дискретного ФК по шуканих параметрах теплообміну. В якості цих параметрів прийнято коефіцієнти сплайн-апроксимації шуканого теплового потоку .

Фільтр Калмана по шуканих параметрах має такий вигляд:

;

;

,

де - прогноз вектора виміру, що знаходиться для моменту часу шляхом розвязання моделі прогнозу вимірів з використанням попередньої оцінки вектора параметрів ;

Pk, Pk+1 - коваріаційні матриці похибок оцінок параметрів для моментів часу і ;

- матриця коефіцієнтів чутливості вимірюваних температур до зміни шуканих параметрів у момент часу .

Запропоновано два варіанти модифікації алгоритму ФК для розвязання граничної ОЗТ. Ці модифікації дозволяють істотно зменшити тривалість розрахунків і необхідні ресурси ЕОМ. Вони забезпечують добру збіжність, точність результатів і стійкість до перешкод, що було підтверджено процедурами числового моделювання на тестових задачах з одновимірним теплопереносом. Модифікація алгоритмів, яка полягає в “ковзному” способі представлення і використання параметризованої шуканої величини (граничних умов теплообміну), спрямована на зменшення вимірності вектора шуканих параметрів і тривалості розрахунків. Рис. 6 ілюструє результати розв’язання тестової ОЗТ запропонованою модифікацією алгоритму ФК для випадку кусково-сталої апроксимації.

Завдяки обчислювальній ефективності наведеного алгоритму для одновимірного теплопереносу він знаходить широке застосування при розв’язанні граничних ОЗТ з істотною просторовою неоднорідністю теплового потоку. Для оцінки меж застосування запропонованого алгоритму сплайн-идентифікації було досліджено його похибки у випадку існування циліндричної локальної ступеневої неоднорідності q щодо теплового потоку q0 на зовнішній поверхні пластини завтовшки h. Результати досліджень узагальнено критеріальним рівнянням

,

де - критерій Фур'є;

А – константа.

Таким чином, похибки розв’язання ОЗТ qОЗТ через локальну ступеневу циліндричну неоднорідність теплового потоку залежать від величини неоднорідності q, критерію Фур'є та безрозмірного комплексу (рис. 7).

Запропоновано методику сплайн-ідентифікації шуканих теплових потоків для випадків їх істотної поверхневої неоднорідності. Вона ґрунтується на використанні уточненої одновимірної моделі процесу теплопровідності, який протікає в локальній області досліджуваного тіла – області розміщення датчика температури. Схему розбиття цієї локальної області наведено на рис. 8. Поряд з температурами середини області t15, tn5 вимірюються також сусідні температури t11, tn1, t12, tn2, t13, tn3, t14, tn4,.

Математична модель представлена кінцевим числом диференціальних рівнянь, у яких на відміну від одновимірної моделі теплопровідності присутні члени, що враховують теплообмін з бічними блоками. Температури бічних блоків визначаються з використанням вимірюваних поверхневих температур по формулі

, (1)

де , i=2,3 , n-1, j=1,2,3,4.

Формула (1) реалізує припущення, що розподіли температур у бічних блоках можуть бути отримані по відомому розподілу температур у центральних блоках. Як відомо, під час параметричної ідентифікації граничних умов теплообміну на кожному кроці розв’язується пряма задача теплопровідності (ПЗТ) з метою одержання прогнозу вимірів. Стосовно до розглянутої методики сплайн-ідентифікації теплових потоків розв’язання ПЗТ полягає в розв’язанні системи диференціальних рівнянь, результатом якого є розподіл температур у центральних блоках , =1, 2, , n. Процедурою числового моделювання доведено, що ця методика в умовах просторової неоднорідності граничних умов теплообміну дозволяє істотно зменшити похибки у порівнянні з одновимірною постановкою ОЗТ.

В четвертому розділі описано методики проведення гідравлічних і теплових випробувань форсунок. Виконано аналіз гідравлічних характеристик партій струминно-відцентрових і струминних форсунок при розпилюванні недогрітої та перегрітої води. Зроблено висновок про незадовільну роботу струминно-відцентрових форсунок при розпилюванні перегрітої води. Досліджено гідравлічні характеристики 2- та 7-форсункових розпилювачів зі струминними форсунками. Обрано відстані між форсунками в них, які забезпечують рівномірну щільність зрошення по перетину факела розпилу. За результатами гідравлічних іспитів отримано залежності щільності зрошення j у центральній частині факела розпилу від тиску перед форсункою Р (0.41.6 МПа), температури води tф (2085 С), відстані від зрізу сопла форсунки до охолоджуваної поверхні Н (0.30.7 м) для струминно-відцентрової форсунки і температури насичення ts (158190 С), Р (0.81.3 МПа) і Н (0.30.7 м) – для струминної форсунки.

Експериментально перевірено вірогідність результатів розв’язання граничної ОЗТ, що були одержані за допомогою запропонованої методики сплайн-ідентифікації.

Проведено теплові випробування 1-, 2- та 7-форсункових розпилювачів зі струминними форсунками у тих же діапазонах зміни режимних параметрів системи, що й при гідравлічних випробуваннях. Температура охолоджуваної поверхні tп змінювалась від 450 С до 200 С.

Якісні та кількісні закономірності взаємодії диспергованих струменів води, створюваних струминно-відцентровими форсунками, з високонагрітою поверхнею було узагальнено залежністю

,

де .

На рис. 9 наведено експериментальні точки і їхню апроксимацію отриманим рівнянням. Виявлено можливість регулювання рівня теплообміну при охолодженні поверхні водою, що скипає, за рахунок зміни температури насичення. Встановлено, що збільшення тиску насичення Ps у ТГА, обумовленого ступенем перегріву води ts, на відміну від тиску наддування P зменшує інтенсивність теплообміну (рис. 10). Закономірності теплообміну при охолодженні перегрітою водою, яка розпилювалась струминними форсунками, було узагальнено залежністю

.

При відповідному виборі міжцентрових відстаней між форсунками в 2- та 7-форсункових розпилювачах виявилося можливим забезпечити рівномірний розподіл у полі зрошення
(рис. 11) і використовувати залежності між інтенсивністю теплообміну і режимними параметрами системи охолодження, що були отримані для 1-форсункових розпилювачів.

За результатами гідравлічних і теплових експериментів для двох типів форсунок були побудовані залежності .

Обробку результатів теплових випробувань форсунок виконано із застосовуванням наведеної в третьому розділі методики розвязання граничної ОЗТ. Експерименти проводено на стенді, розробленому і виготовленому в НАКУ “ХАІ” .

В п'ятому розділі викладено рекомендації по структурі і законам керування цифрової САКСО, які було отримано в результаті дослідження теплотехнічних аспектів задачі, а також наведено відомості про практичне використання результатів дисертації.

При програмованому керуванні САКСО змінює керуючі фактори у відповідності до попередньо заданого закону. З використанням спрощеної математичної моделі динаміки пневмогідравлічної частини системи і моделі теплообміну теплоносія з нагрітою поверхнею було досліджено вплив відхилення основних параметрів об'єкта і системи охолодження (початкової температури об'єкта , коефіцієнта теплопровідності , коефіцієнта тепловіддачі , моментів переключення блоків форсунок) на точність відтворення заданого закону зміни температури поверхні . У модель послідовно вводилися відхилення від номінального одного з параметрів при збереженні номінальних значень інших. Виявилося, що відхилення від визначаються характером залежності від температури поверхні і в деяких випадках можуть досягати 100 С (рис. 12), що є неприпустимим для відповідальних технологічних процесів охолодження.

Результати моделювання показали, що зазначені недоліки можуть бути усунуті у випадку реалізації САКСО із замкнутим зворотним зв'язком по температурі поверхні. При цьому базова складова керування , за значенням якої формуються команди на перемикання блоків форсунок (рис. 13), обчислюється по залежності

,

де , і – коефіцієнти підсилення пропорційної, інтегральної та диференціальної складових ПІД закону регулювання;

– похибка регулювання;

k – дискретний час.

Виявилося, що САКСО із замкнутим зворотним зв'язком дозволяє з високою точністю (відхилення не більш 5 С) відтворювати задані закони зміни температури поверхні , має достатню гнучкість і може бути легко адаптована для реалізації широкого кола технологічних процесів охолодження.

Наведено відомості про практичне використання результатів дослідження теплотехнічних аспектів задачі, а також рекомендацій щодо САКСО при розробці технологічних процесів керованого охолодження корпусів реакторів АЕС і ливарних форм для виготовлення поршнів тепловозних дизелів.

Корпус реактора є одним із найвідповідальніших елементів АЕС, що у значній мірі обумовлює ресурс і безпеку їх функціонування. Але тривалий вплив інтенсивних нейтронних потоків спричинює деградацію властивостей корпусної сталі і металу зварних швів. Встановлено, що механічні характеристики опроміненого металу можуть бути істотно поліпшені шляхом відновлювального відпалу.

Завершальною операцією відновлювального відпалу є контрольоване (кероване) охолодження від температур 500–450 єС д? 50 єС. За даними відновлювального відпалу корпусу реактора ВВЕР-440 Нововоронезької АЕС воно складається з двох етапів: 475–250 єС і
250–50 єС.

Режими охолодження вибиралися з двох альтернативних умов:

- дотримання припустимого рівня температурних напруг, спричинених градієнтами температур і обумовлених тріщиностійкістю матеріалу;

- скорочення тривалості процесу з метою мінімізації економічних втрат через простій реактора (близько 4000$ за одну годину).

Сумарна тривалість охолодження складала 77.5 год: на першому етапі – 35 год і на другому – 42.5 год.

Розглянуто можливості скорочення часу охолодження. Для цього було визначено закони при дотриманні норм міцності устаткування атомних енергетичних установок. При цьому використовувалася одновимірна диференціально-різницева модель нелінійного теплопереносу в циліндричній стінці завтовшки 140 мм і внутрішнім радіусом 2068 мм. ПЗТ розв’язувалася методом Рунге-Кутта 4-го порядку точності. Досліджено два варіанти прискореного охолодження: другого етапу (варіант 1) і при об'єднанні двох етапів в один (варіант 2). По відомим з використанням модифікованого алгоритму ФК для цих варіантів було розраховано необхідні закони зміни керуючого впливу – коефіцієнтів тепловіддачі при температурі охолоджуючого середовища 100 С (рис. 14). Виявилося, що необхідні значення знаходяться на рівні, який розглядаємий спосіб охолодження забезпечує.

Таким чином, час виконання другого етапу охолодження (варіант 1) може бути скорочено з 42 год 30 хв до 2 год 13 хв, а загальний час – з 77 год 30 хв до 4 год 43 хв.

Аналіз термонапруженого стану корпусу показав можливість додаткового скорочення часу охолодження при увігнутому законі зміни , що також може бути забезпечено відповідним законом зміни (рис. 14, пунктирні лінії). У цьому випадку тривалість процесу охолодження для першого варіанту скорочується з 2 год 13 хв до 1 год 56 хв, а для другого – з
4 год 43 хв до 3 год 03 хв.

За допомогою вищеописаної математичної моделі САКСО із замкнутим зворотним зв'язком було досліджено можливість здійснення наведених на рис. 14 режимів охолодження. Виявилося, що при реалізації ПІ керування ( =0) вони досягаються з похибками не більш
5 С (рис.15).

В АТЗТ “Українські мотори” (Харків) удосконалюється технологія лиття поршнів діаметром 310 мм і висотою 680 мм тепловозних двигунів KS-310-DR виробництва ЧКД “Прага”. Для забезпечення необхідної послідовності кристалізації розплаву температура нижньої частини матриці форми (в області денця поршня) повинна підтримуватися на рівні 30010С. Проведені розрахункові дослідження з використанням результатів термометрії форми дозволили одержати необхідний закон зміни (рис. 16), що визначив необхідність використання запропонованих у дисертації теплоносія і САКСО. Була реалізована схема охолодження (рис.17), коли один ТГА працює на чотири форсунки. Керування процесом здійснюється по вимірюваних температурах у чотирьох точках, які розташовано у центрах факелів розпилу. Виміри температур подаються в контролер, що керує роботою відсічних клапанів. Таким чином, формуються чотири незалежних канали керування, що забезпечує гнучкість системи і підвищує надійність її роботи. За результатами проведених іспитів, що були визнані позитивними, запропонована САКСО була прийнята до впровадження у виробництво.

ВИСНОВКИ

1. Грунтуючись на дослідженні теплотехнічних аспектів, розроблено комплексну методику проектування систем автоматизованого керування охолодженням високонагрітих тіл диспергованими струменями води з відносно невисокими інтенсивностями теплообміну.

2. Запропоновано методику сплайн-ідентифікації теплових потоків з використанням алгоритму дискретного оптимального фільтра Калмана, що дозволяє враховувати неоднорідність температурного поля на досліджуваних поверхнях. Точність одержуваних результатів, збіжність і стійкість алгоритму були перевірені шляхом проведення числового експерименту. Запропоновану методику реалізовано у вигляді програмного забезпечення ПЕОМ і використано при експериментально-розрахунковому визначенні граничних умов теплообміну на поверхні високонагрітого металевого диску, охолоджуваного диспергованими струменями води.

3. Запропоновано модифікацію методу сплайн-ідентифікації теплових потоків на поверхні тіл, яка відрізняється від відомих використанням “ковзної” сплайн-апроксимації шуканого теплового потоку і завдяки істотному зниженню вимірності вектора шуканих параметрів дозволяє значно підвищити швидкодію алгоритму, отже надає можливість використовувати метод безпосередньо в цифрових системах керування охолодженням тіл.

4. Запропоновано і узагальнено в критеріальній формі методику оцінки максимальних похибок, що виникають при сплайн-ідентифікації теплових потоків із застосуванням одновимірної моделі теплопереносу в умовах просторової неоднорідності граничних умов теплообміну.

5. Виконано аналіз гідравлічних характеристик партії одиночних струминно-відцентрових і струминних форсунок, а також 2- та 7-форсункових розпилювачів зі струминними форсунками. Результати узагальнено залежностями між щільністю зрошення і основними режимними параметрами системи охолодження. Виявлено незадовільну роботу струминно-відцентрових форсунок при розпиленні перегрітої води.

6. Досліджено закономірності теплообміну диспергованих струменів, створюваних струминно-відцентровою форсункою при розпиленні недогрітої води і струминною – при розпиленні перегрітої води, з високонагрітою плоскою вертикальною поверхнею в діапазоні зміни до 1000 Вт/(м2К). Результати експериментів узагальнено залежностями, що встановлюють взаємозв'язок між інтенсивністю теплообміну та режимними параметрами системи охолодження, температурою і щільністю зрошення охолоджуваної поверхні.

7. Досліджено динамічні властивості виконавчої пневмогідравлічної частини САКСО й обрано керуючі впливи. Встановлено недоцільність використання тиску наддування в подушці ТГА в якості керуючого впливу через істотну інерційність цього фактора.

8. Розроблено рекомендації щодо структури і закону керування цифрових САК струминним охолодженням на основі вищеперелічених наукових результатів вивчення теплотехнічних аспектів процесу керованого струминного охолодження високонагрітих тіл. Отримані результати впроваджено в АТЗТ “Українські мотори” при розробці технологічного процесу керованого охолодження ливарної форми поршнів, а також прийнято до впровадження на Запорізькій АЕС у технологічному процесі відновлювального відпалу корпусу реактора.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

АНОТАЦІЯ

Суховій С.I. Розробка теплотехнічних аспектів керованого струминного охолодження тіл із застосуванням параметричної ідентифікації процесів теплопереносу. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика.– Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, Харків, 2002.

В дисертації на основі вивчення теплотехнічних аспектів виокремлено питання, що обумовлюють найбільші труднощі при розробці технологічних процесів керованого охолодження диспергованими струменями води з відносно невеликими рівнями теплообміну. Розроблено методику сплайн-ідентифікації теплових потоків, що дозволяє враховувати неоднорідність температурного поля на досліджуваних поверхнях і відрізняється від відомих використанням “ковзної” сплайн-апроксимації шуканого теплового потоку. За допомогою цієї методики виконано дослідження закономірностей теплообміну диспергованих струменів води невеликої щільності зрошення з високонагрітою поверхнею. З використанням отриманих наукових результатів розроблено рекомендації щодо структури та закону керування цифрових САК струминним охолодженням.

Ключові слова: технологія керованого охолодження, система керованого охолодження, обернені задачі теплопереносу, струминне охолодження, метод параметричної ідентифікації.

АННОТАЦИЯ

Суховей С. И. Разработка теплотехнических аспектов управляемого
струйного охлаждения тел с применением параметрической идентификации процессов теплопереноса. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06. – техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. – Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, Харьков, 2002.

В диссертации на основе анализа существующих систем управляемого струйного охлаждения и опыта их проектирования выделены теплотехнические аспекты, которые обусловливают наибольшие затруднения при разработке технологических процессов управляемого струйного охлаждения диспергированными струями воды с относительно невысокими уровнями теплообмена. К ним относятся:

- выбор интенсивности и законов изменения граничных условий теплообмена (коэффициентов теплоотдачи), обеспечивающих требуемый закон изменения температуры охлаждаемой поверхности tп();

- выбор управляющего воздействия: теплоносителя, способов его генерирования и доставки к охлаждаемой поверхности;

- экспериментальные исследования закономерностей теплообмена струй теплоносителя с высоконагретой поверхностью;

- разработка методик параметрической идентификации граничных условий теплообмена, пригодных для использования как при проведении экспериментальных исследований теплообмена, так и непосредственно в цифровой системе управляемого струйного охлаждения;

- разработка рекомендаций к структуре цифровой САУ струйным охлаждением с учетом выбранного управляющего воздействия; расчетные исследования динамики исполнительной пневмогидравлической части САУ струйным охлаждением.

В соответствии с выделенными аспектами выполнен выбор управляющих воздействий для техпроцессов охлаждения корпуса реактора на завершающей стадии восстановительного отжига и литейной формы поршней, которые характеризуются диапазоном изменения до 1000 Вт/(м2K). Основываясь на законах изменения управляющих воздействий и их уровне, предложена исполнительная пневмогидравлическая часть системы охлаждения и два варианта структуры САУСО: с программируемым управлением и с замкнутой обратной связью по температуре поверхности. Отмечена необходимость введения в алгоритмы управления модуля параметрической идентификации граничных условий теплообмена, работающего в реальном масштабе времени, с целью улучшения качества регулирования.

В связи с этим была предложена модификация метода сплайн-идентификации тепловых потоков на поверхности тел, отличающаяся от известных использованием “скользящей” сплайн-аппроксимации искомого теплового потока. Это позволило существенно снизить размерность вектора искомых параметров и, тем самым, значительно повысить быстродействие алгоритма идентификации.

Исследованы закономерности теплообмена диспергированных струй, создаваемых струйно-центробежной форсункой при распыливании недогретой воды и струйной – при распыливании перегретой воды, с высоконагретой плоской вертикальной поверхностью в диапазоне изменения до 1000 Вт/(м2К). Результаты обобщены в виде зависимостей, выражающих взаимосвязь интенсивности теплообмена с режимными параметрами системы охлаждения, температурой и плотностью орошения охлаждаемой поверхности.

Обработка результатов экспериментов осуществлялась с помощью предложенной методики сплайн-идентификации тепловых потоков с использованием алгоритма дискретного оптимального фильтра Калмана, которая позволяет учесть неравномерность температурного поля на исследуемых поверхностях. Точность получаемых результатов, сходимость и устойчивость алгоритма были проверены путем проведения численного эксперимента.

Предложено критериальное уравнение для оценки максимальных ошибок методики при сплайн-идентификации тепловых потоков в условиях пространственной неравномерности граничных условий теплообмена.

Исследованы динамические свойства исполнительной пневмогидравлической части САУСО и выбраны управляющие воздействия. Сделан вывод о нецелесообразности использования в качестве управляющего воздействия давления наддува в подушке ТГА в силу существенной инерционности этого фактора. В качестве основного управляющего воздействия предложено использовать переключение групп форсунок с соотношением расходов 2:1.

Анализ двух вариантов структуры САУСО показал, что при программируемом управлении отклонения основных параметров объекта и системы охлаждения приводят к существенным ошибкам воспроизведения заданного закона изменения температуры поверхности, в то время как САУСО с замкнутой обратной связью по температуре поверхности указанные недостатки устраняет. Число переключений форсунок в системе такой структуры может быть уменьшено путем выбора соответствующей интенсивности теплообмена. При использовании перегретой воды это достигается выбором степени ее перегрева.

В результате, на основе изучения теплотехнических аспектов, разработана комплексная методика проектирования систем автоматизированного управления струйным охлаждением высоконагретых тел c относительно невысокими интенсивностями теплообмена. Полученные результаты внедрены в АОЗТ “Украинские моторы” при разработке технологического процесса управляемого охлаждения литейной формы поршней тепловозных дизелей, а также приняты к внедрению на Запорожской АЭС в технологическом процессе восстановительного отжига корпуса реактора.

Ключевые слова: технология управляемого охлаждения, система управляемого охлаждения, обратные задачи теплопереноса, струйное охлаждение, метод параметрической идентификации.

ANNOTATION

Suhovey S. I. Body controlled jet cooling thermotechnical aspects development with parametric identification of heat conductivity processes application. – Manuscript.

Thesis for submitting of the scientific degree of the Candidate of Technical Science in specialty 05.14.06 – Technical Thermal Physics and Industrial Heat Power Engineering. – Institute for Mechanical Engineering Problems of the National Academy of Sciences of Ukraine, named after А.N. Podgorny, Kharkiv, 2002.

In a thesis by thermotechnical aspects reviewing, the problems which call the greatest difficulties during the development of technological processes of controlled cooling by dispersed water jets with rather low levels of heat exchange are chosen. During the solution of these problems the heat flows spline-identification technique is developed. It allows to take into account a temperature field non-uniformity on cooled surfaces and differs from the known use of a required heat flow “sliding” spline-approximation. With the help of this technique the researches on regulations of heat exchange of small density irrigation dispersed water jets with high-heated surface