Geum.ru

Инженерно-физический метод синтеза технических решений преобразователей энергии

Вид материалаАвтореферат
Подобный материал:
1   2   3   4   5
Термодинамические взаимодействия рабочего тела

Взаимодействие
Наименование экстенсора
Обозна-

чение

Механическое, объемное
Объем (V), м3
Е мех

Термическое
Энтропия (S), Дж/К
Е тер

Гидродинамическое
Объем (V), м3
Е гид

Химическое
Химическая масса (m), кг
Е хим

Электрическое
Электрический заряд (), Кл
Е эл

Перемещательное
Перемещение (X), м
Е пер

Вращательное
Угол поворота (), рад
Е вр

Кинетическое перемещения
Количество движения (K), Нс
Е кп

Кинетическое вращения
Момент количества движения (Mв), Джс
Е кв

Диффузионное
Диффузионная масса (m), кг
Е диф

Намагничивания
Вектор намагничивания (Mмг), Вб/м2
Е нм

Поляризационная
Вектор поляризации, (Eпл), Кл/м2
Е пол

Фазовая
Масса (m), кг
Е фаз

Деформационная сжатия-растяжения
Перемещение (X), м
Е дср

Деформационная изгиба-кручения
Угол поворота (), рад
Е дик

Для многих процессов преобразования энергии характерна периодичность взаимодействий и перемещения рабочего тела. Это происходит, например, в поршневых двигателях внутреннего сгорания, двигателях Стирлинга, некоторых газотурбинных установках, где сгорание рабочей смеси происходит при постоянном объеме, и др. В таких случаях граф ФПД дополняется циклограммой для периодических взаимодействий и перемещений рабочего тела.

При разработке графа модели ФПД определяются характерные точки ПЭ, рода и последовательность взаимодействий в этих точках, а также очередность прохождения их рабочим телом.

Физические параметры рабочего тела во время осуществления в нем процессов взаимного преобразования могут существенно изменяться, что приводит к невозможности дальнейшей работы ПЭ. Чтобы устройство получило возможность непрерывного функционирования, используются два способа возврата рабочего тела в исходное состояние.

Характерная особенность первого способа – реновационного – состоит в том, что рабочее тело после совершения процессов в определенной последовательности частично или полностью выводится из системы, а взамен него в нее поступают (непрерывно или периодически) новые порции рабочего тела, и процессы повторяются в той же последовательности. Этот способ применяется в двигателях внутреннего сгорания, камерах сгорания газотурбинных и парогазовых установок и др.

В качестве примера подобного, квазициклического ПЭ на рис. 1 показана схема газотурбинной двухвальной установки, а на рис. 2 представлен его граф модели ФПД, который отражает процесс взаимного преобразования энергии.

Вершины графа ФПД помечаются латинской буквой v, с верхним и нижним индексами. Индексы обозначают состояние рабочего тела и порядковый номер характерной точки соответственно: v11 – воздух в компрессоре низкого давления; v22 – воздух в воздухоохладителе; v33 – воздух в компрессоре высокого давления; v44 – воздух в регенераторе; v55,v56 – топливо-воздушная смесь и продукты сгорания




Рис. 1. Схема газотурбинной двухвальной установки:

1 – компрессор низкого давления; 2 – воздухоохладитель; 3 – компрессор высокого давления; 4 – турбина высокого давления; 5 – камера сгорания высокого давления; 6 – камера сгорания низкого давления; 7 – турбина низкого давления; 8 – регенератор; 9 – генератор; 10. – редуктор; 11 –

пусковой мотор;



Рис. 2. Граф модели ФПД газотурбинной двухвальной установки

в камере сгорания высокого давления; v67 – рабочее тело в турбине высокого давления; v78,v79 – топливо-воздушная смесь и продукты сгорания в камере сгорания низкого давления; v810 – рабочее тело в турбине низкого давления; v911 – выхлопные газы в регенераторе; v1012, v1113– топливо в топливных насосах.

Дуги, обозначающие взаимодействия, помечаются латинской буквой e, также имеющей верхний и нижний индексы. Верхний индекс обозначает род взаимодействия (табл. 1), нижний – порядковый номер взаимодействия.

Маршрутные дуги показывают потоки (перемещения) рабочего тела и помечаются буквой i. Верхний индекс обозначает различные фазовые состояния или химический состав компонентов рабочего тела. Нижний индекс обозначает порядковый номер потока рабочего тела.

Второй способ – рекуперативный – заключается в осуществлении замкнутого процесса – цикла. В таких устройствах рабочее тело установки возвращается в исходное состояние путем осуществления ряда взаимодействий, в результате которых рабочему телу придаются первоначальные физические свойства. Такой способ применяется в паросиловых установках, двигателях Стирлинга, газовых лазерах, холодильных и других устройствах, работающих по замкнутому циклу.

На рис. 3 показана схема пароэжекторной холодильной установки, а на рис. 4 – ее граф ФПД, отражающий происходящие в ней процессы преобразования энергии: v11, v12 – вода и пар в котле; v23 – пар в пароперегревателе; v34, v912, v1216– пар в рабочем сопле эжектора; v45, v1013, v1317– пар в камере всасывания; v56, v57 – пар и вода в испарителе; v68 – вода в рабочей камере холодноводного насоса; v79, v710 – пар и вода в главном конденсаторе; v811 – вода в рабочей камере конденсатного насоса; v1114,v1115, v1418, v1419 – пар и вода во вспомогательных конденсаторах нижней и верхней ступеней



Рис. 3. Схема пароэжекторной холодильной установки:

1 – главный эжектор; 2, 3 – вспомогательные эжекторы нижней и верхней ступеней; 4 – главный конденсатор; 5, 6 – вспомогательные конденсаторы нижней и верхней ступеней; 7 – поплавковый вентиль; 8 – конденсатный насос; 9 – холодноводный

насос; 10. – потребитель холода; 11 – испаритель; 12 – распределительная гребенка

Кроме, так называемых, унитарных преобразователей, в которых все физические процессы преобразования энергии происходят в одном рабочем теле, в технике используются ПЭ – с двумя (бинарные), тремя (тренарные) и более рабочими телами.

На рис. 5 приведена схема проточного газоразрядного лазера и его граф модели ФПД, относящегося к классу бинарных преобразователей и показан его граф ФПД. В этой установке имеется два рабочих тела. Первое (смесь углекислого газа с азотом и парами воды) служит для преобразования электрической энергии в электромагнитное излучение, второе (хладагент) служит для отвода тепла, образующегося в процессе преобразования энергии.



Рис. 4. Граф модели ФПД пароэжекторной холодильной установки

В приведенной на рис. 5 графе ФПД вершины v1 – v6 обозначают характерные точки самого газоразрядного лазера: v11 – на лопатках вентилятора; v22 – на дополнительных лопатках вентилятора; v33 – в спрямляющем аппарате; v44 – в газоразрядном пространстве; v55, v66 – в секциях 10 и 11 теплообменного аппарата. При этом выделяется большое количество тепла, которое отводится с помощью хладагента (второе рабочее тело) в характерных точках v7 – v10: v71 – в рабочей камере насоса; v82, v93 – в секциях 10 и 11 теплообменного аппарата (контур с жидкостью); v104 – в холодильнике.

В технике также используются установки, состоящие из работающих параллельно унитарных преобразователей. По такой схеме, например, конструктивно реализуются многие поршневые двигатели, состоящие из двух-, четырех-, шести- и более цилиндров.

В третьей главе рассматриваются вопросы разработки методики построения моделей ФПД. В основе методики лежит классификация объектов окружения рабочего тела, с которыми оно взаимодействует в процессе функционирования ПЭ. В общем случае объекты окружения могут находиться на любом из уровней иерархии: быть подсистемами ПЭ, находиться с преобразователем на одном уровне иерархии, а также являться другими техническими системами или природными объектами, не входящими в состав системы, к которой принадлежит рассматриваемый преобразователь.

Объекты окружения с функциональной точки зрения можно разделить на пять групп – источники и потребители энергии, истоки и стоки рабочего тела, а также дополнительные объекты окружения. Последние, в свою очередь, можно разделить на объекты окружения первого, второго и третьего родов.




Рис. 5. Схема и граф модели ФПД проточного газоразрядного лазера:

1 – корпус; 2, 3 – крышки; 4 – осевой вентилятор; 5 – электродвигатель; 6 – входной патрубок вентилятора; 7 – катод; 8 – анод; 9 – спрямляющий аппарат; 10, 11 – секции теплообменника; 12 – кольцевая перегородка; 13, 14 – обтекатели; 15 –

зеркала оптического резонатора

Взаимодействия с объектами окружения первого рода необходимы для осуществления главного процесса преобразования энергии. Примером может быть система зажигания карбюраторного двигателя, поскольку без образования электрического разряда в рабочей смеси невозможно в нормальном режиме осуществить ее сгорание.

Необходимость во взаимодействии с объектами окружения второго рода возникает, когда какие-либо параметры рабочего тела (температуру, давление и т. п.) требуется изменить до или после осуществления главного процесса преобразования энергии. Такая необходимость возникает также, когда требуется осуществить возврат в исходное состояние параметров рабочего тела в системах, работающих по замкнутому циклу.

Взаимодействия с объектами окружения третьего рода обеспечивают перемещение рабочего тела. Примерами таких объектов являются топливоподкачивающий насос в дизельном двигателе, насос паросиловой установки и т. п.

Одни и те же объекты окружения в разные моменты времени могут выполнять различные функции. Например, механический привод двигателя внутреннего сгорания во время рабочего хода выполняет функцию потребителя энергии, во время такта сжатия – объекта окружения второго рода, а во время тактов всасывания рабочей смеси и выталкивания продуктов сгорания – объекта окружения третьего рода.

Разработка модели ФПД может осуществляться для двух случаев исходных данных – на основе уже существующего технического решения ПЭ, взятого в качестве прототипа и на основе описания физического процесса преобразования энергии. Разработка модели для случая, когда в качестве исходных данных берется существующее техническое решение проводится в три этапа.

На первом этапе осуществляется декомпозиция ПЭ на унитарные преобразователи энергии. Унитарным считается преобразователь, имеющий одно рабочее тело независимо от количества преобразований в нем. Для каждого преобразования делаются записи в таблице А1 со схемой

SА1 = {а11, а12, а13, а14, а15, а16, а17}, (3)

где А1 – наименование реляционной таблицы; SА1 – структура таблицы, включающая атрибуты (заголовки столбцов) а11–а17; а11 – порядковый номер преобразования; а12 – род взаимодействия рабочего тела с источником экстенсора; а13 – вид энергии, сопряженный с взаимодействием на входе; а14 – род взаимодействия рабочего тела с потребителем экстенсора; а15 – вид энергии, сопряженный с взаимодействием на выходе; а16 – описание материальной среды устройства, в которой осуществляется преобразование; а17 – обозначение унитарного преобразователя.

На втором этапе разрабатываются модели ФПД отдельно для каждого унитарного преобразователя. Информация фиксируется в форме таблиц, а затем записи в таблицах используются для построения – графа ФПД и циклограмм периодически действующих потоков. Для осуществления этого этапа заполняются таблицы А2–А6 со следующими схемами:

SА2 = {а21, а22, а23, а24, а25}, (4)

где а21 – описание объекта окружения унитарного преобразователя в произвольной форме; а22 – вид объекта окружения; а23 – обозначение объекта на графе физического принципа действия; а24 – род взаимодействия унитарного преобразователя с объектом окружения; а25 – вид энергии, соответствующий данному роду взаимодействия.

SА3 = {а31, а32, а33, а34, а35}, (5)

где а31 – вербальное описание места, в котором рабочее тело находится в данном состоянии; а32 – символьное обозначение места взаимодействия; а33 – вербальное описание состояния рабочего тела во время взаимодействия; а34 – символьное обозначение состояния рабочего тела; а35 – обозначение характерной точки.

SА4 = {а41, а42, а43, а44}, (6)

где а41 – вербальное описание взаимодействия; а42 – обозначение экстенсора; а43 – обозначение объекта окружения или характерной точки, являющегося источником экстенсора; а44 – обозначение объекта окружения или характерной точки, являющегося приемником экстенсора.

SА5 = {а51, а52, а53}, (7)

где а51 – описание истока или стока рабочего тела; а52 – вид объекта (исток или сток рабочего тела); а53 – обозначение объекта на графе.

SА6 = {а61, а62, а63, а64}, (8)

где a61 – вербальное описание потока рабочего тела; a62 – обозначение потока; a63 – обозначение истока рабочего тела или характерной точки; a64 – обозначение характерной точки ПЭ или стока рабочего тела.

На третьем этапе осуществляется построение полного графа ФПД, в который объединяются все графы унитарных преобразователей, построенных на втором этапе. В такой граф включаются вершины (характерные точки) всех входящих в нее унитарных преобразователей. Вершины, являющиеся общими для нескольких преобразователей, стягиваются. В случае наличия в ПЭ нескольких одинаковых унитарных преобразователей, соответствующие каждому из них вершины размножаются.

На рис. 6 показан граф модели ФПД дизельного двигателя, который помимо характерных точек включены следующие объекты окружения: топливная система (исток рабочего тела); атмосфера



Рис 6. Граф модели ФПД шестицилиндрового, четырехтактного дизельного двигателя с турбонаддувом

v11, v12, v14, v18, v19, – топливо-воздушная смесь, продукты сгорания и атмосферный азот во сгорания, расширения, сжатия, всасывания и выталкивания продуктов сгорания; v23 – продукты сгорания на лопатках турбины; v35 – топливо в надплунжерном пространстве топливного насоса; v46 – воздух в нагнетательной полости центробежного компрессора; v57 – топливо в нагнетательной полости топливоподкачивающего насоса; ИстЭ – смесь жидкого топлива и воздуха; ПтрЭ1, 2ОО1, 3ОО2, 3ОО3, – кривошипно-шатунный механизм; ИРТ1 – топливный бак; ПтрЭ2, 2ОО3, – механический привод центробежного компрессора; ИРТ2 – атмосфера; СРТ – атмосфера; 2ОО2 – механический привод топливного насоса; 3ОО1 –

механический привод топливоподкачивающего насоса

(исток и сток рабочего тела); смесь воздуха с жидким топливом (источник энергии); механический привод двигателя – кривошипно-шатунные механизмы объединенные коленчатым валом (потребитель энергии, объект окружения второго и третьего родов; механический привод топливоподкачивающего насоса (объект окружения третьего рода) и др.

Объекты окружения изображаются на графе ФПД двумя видами фигур: прямоугольниками – источники и потребители энергии, дополнительные объекты окружения первого второго и третьего родов; шестиугольниками – истоки и стоки рабочего тела. Их обозначения представляют собой аббревиатуры с цифрами и индексами: ИстЭ – источник энергии; ПтрЭ – потребитель энергии; ИРТ – исток рабочего тела; СРТ – сток рабочего тела; 1ОО, 2ОО, 3ОО – дополнительные объекты окружения, соответственно, первого, второго и третьего родов. В случае нескольких объектов окружения одного рода к обозначению добавляется нижний индекс – порядковый номер.

Второй вариант построения моделей ФПД осуществляется на основе описания процесса взаимного преобразования энергии. Последовательность построения модели ФПД в этом случае состоит из пяти этапов. На первом этапе осуществляется подготовка технического задания, в котором определяются возможные источники энергии и накладываются ограничения на количество последовательных преобразований, структуру рабочего тела, рода взаимодействий рабочего тела, а также другие ограничения, связанные со спецификой разрабатываемого устройства.

На втором этапе проводится синтез цепочек физических эффектов, позволяющих преобразовать один вид энергии в другой и осуществляется их объединение в унитарные преобразователи. При этом заполняется таблица со следующей схемой

SС1 = {c11, c12, c13, c14, c15, c16}, (9)

где С1 – наименование реляционной таблицы; SС1 – структура таблицы, включающая атрибуты c11– c15; c11 – порядковый номер цепочки физических эффектов; c12 – наименование физического эффекта; c13 – форма движения на входе физического эффекта и соответствующий ей экстенсор или интенсиал; c14 – описание материальной среды, в которой осуществляется преобразование; c15 – форма движения на выходе физического эффекта и соответствующий ей экстенсор или интенсиал; c16 – обозначение унитарного преобразователя.

На третьем этапе проводится построение базовой модели, которая отражает все взаимодействия рабочего тела, необходимые для проведения процесса взаимного преобразования. Для этого выявляется необходимая информация, которая фиксируется в таблицах С2–С4 со следующими схемами

SС2 = {c21, c22, c23, c24, c25}, (10)

где c21 – описание объекта окружения унитарного преобразователя; c22 – функциональное назначение объекта окружения; c23 – обозначение объекта на графе ФПД; c24 – род взаимодействия унитарного преобразователя с объектом окружения; c25 – вид энергии, соответствующий данному роду взаимодействия.

SС3 = {c31, c32, c33, c34, c35}, (11)

где c31 – описание места, в котором находится рабочее тело в данном состоянии; c32 – обозначение места взаимодействия; c33 – описание состояния рабочего тела во время каждого взаимодействия; c34 – обозначение состояния; c35 – обозначение характерной точки.

SС4 = {c41, c42, c43, c44}, (12)

где c41 – описание взаимодействия; c42 – обозначение экстенсора; c43 – обозначение объекта окружения или характерной точки, из которой исходит экстенсор; c44 – обозначение объекта окружения или характерной точки, в которую направлен экстенсор.

На четвертом этапе разрабатывается полная модель ФПД унитарного преобразователя, которая зависит от способа возврата рабочего тела в исходное состояние. В зависимости от принятого решения в унитарном преобразователе реализуется или реновационный способ – открытый цикл или рекуперативный – замкнутый цикл. При этом определяются взаимодействия, предназначенные для многократного осуществления процесса преобразования и для перемещения рабочего тела по характерным точкам. Вся информация фиксируется в таблицах С2–С4 (10–12). При наличии истоков и стоков рабочего тела, а также в случае необходимости перемещения рабочего тела внутри устройства заполняются таблицы С5–С6 со следующими схемами

SС5 = {c51, c52, c53}, (13)

где c51 – описание истока или стока рабочего тела; c52 – вид объекта (исток или сток рабочего тела); c53 – обозначение объекта на графе ФПД.

SС6 = { c61, c62, c63, c64}, (14)

где c61 – описание потока рабочего тела; c62 – обозначение потока на графе ФПД; c63 – обозначение истока рабочего тела или характерной точки унитарного преобразователя; c64 – обозначение характерной точки или стока рабочего тела унитарного преобразователя.

В случае нестационарной реализации процесса преобразования для периодически действующих потоков строится циклограмма.

На пятом этапе проводится построение полного графа модели ФПД преобразователя энергии, включающего в себя все модели унитарных преобразователей.

В четвертой главе рассматривается один из важных аспектов практического применения моделей ФПД – способы модификации топологии графов ФПД с целью получения новых, улучшенных структур моделей.

Модели ФПД представляют собой формальные объекты – графы и, следовательно, к ним могут быть применены соответствующие математические операции, исчерпывающие все возможные манипуляции с такого рода объектами. С другой стороны, их вершины и дуги несут в себе конкретное содержание, и многие из формальных действий над ними не имеют практического смысла.

С учетом данной специфики моделей их модификация достигается путем использования эвристических приемов, сопоставленных с математическими операциями над графами, как формальными способами изменения их топологии.

Эффективность такого способа выше по сравнению с обычным использованием эвристических приемов. Так, например, каждый прием из общеотраслевого фонда был сопоставлен с конкретным множеством математических операций над графом. Это обстоятельство существенно упростило модификацию моделей, так как позволило внести большую конкретику в каждый эвристический прием. Другая часть приемов была сопоставлена со способами изменения семантики элементов (вершин и дуг) графа и циклограмм периодически действующих потоков.

В работе даются рекомендации по модификации графов на разных этапах разработки модели ФПД, а также достигаемых при этом целей. Целью первого этапа является повышение эффективности осуществления главных физических процессов в унитарном преобразователе путем оптимизации структуры вершин и дуг графа его модели.

Целью второго этапа является повышение технических характеристик преобразователя путем оптимизации связей между его подсистемами, а также между ПЭ и его окружающей средой. Оба этапа целесообразно осуществлять раздельно. При этом модификация может носить итеративный характер.

В пятой главе рассматривается методика синтеза технических решений ПЭ на основе разработанной модели ФПД. Анализ модели с позиций термодинамики позволил выявить элементарные конструктивные функции, связанные с вершинами и дугами графа. Эти функции были определены при анализе таких понятий как «термодинамическая система», «контрольная поверхность», «внешние» и «внутренние степени свободы». Классификация элементарных функций конструктивных элементов и их связь с элементами графа ФПД приведена в таблице 2.

Таблица 2