Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор конструкций и методов проектирования электромеханических преобразователей. Постановка задачи исследования 12
1.1 Конструкции устройств с дискретной вторичной частью 12
1.2 Анализ физических процессов в рабочей камере устройства 22
1.3 Постановка задачи, выбор методов и средств исследования 28
1.4 Выводы по первой главе. Постановка задачи исследования 35
2 Разработка методики проектирования электромеханического преобразователя с дискретной вторичной частью 38
2.1 Выбор и обоснование конструкции индуктора 38
2.2 Проектирование зубцовой зоны индуктора 40
2.3 Оптимизация зубцовой зоны индуктора 46
2.4 Исследование теплового режима индуктора 59
2.5 Выводы по второй главе 62
3 Математическое моделирование динамики движения элементов дискретной вторичной части 64
3.1 Исследование топологии электромагнитного поля в рабочей камере и выбор алгоритма коммутации 65
3.2 Математическая модель процесса движения ферромагнитного элемента 74
3.3 Определение энергетических и эксплуатационных параметров электромеханического преобразователя с дискретной вторичной частью 82
3.4 Выводы по третьей главе 96
4 Экспериментальное исследование электромеханического преобразователя с дискретной вторичной частью 98
4.1 Описание экспериментальной установки и методики проведения экспериментов 98
4.2 Анализ результатов экспериментальных исследований 102
4.3 Рекомендуемая технологическая линия для обессеривания сырой нефти 104
4.4 Экономическая оценка принятых технических решений 107
4.5 Выводы по четвертой главе 111
Заключение 112
Список литературы 114
Приложения 125
- Конструкции устройств с дискретной вторичной частью
- Оптимизация зубцовой зоны индуктора
- Определение энергетических и эксплуатационных параметров электромеханического преобразователя с дискретной вторичной частью
- Экономическая оценка принятых технических решений
Конструкции устройств с дискретной вторичной частью
Устройства с дискретной вторичной частью известны с 50-х годов XX века. Среди первых отечественных ученых, обративших внимание на подобный тип электромеханических устройств, стали Логвиненко Д. Д. и Вершинин Н. П. В своих научных работах они подвергали глубокому анализу физические процессы, проходящие в рабочей камере. Результаты научных исследований, приведенные в обширном списке опубликованных работ ученых [7,8,10,11], позволили усовершенствовать конструкции начальных примитивных разработок устройств и значительно расширить возможности их применения.
В настоящее время, изучение различных аспектов работы устройств с дискретной вторичной частью проводится множеством научных коллективов и ученых. Широкий спектр исследований проведен в Южно-Российском государственном политехническом университете (НПИ) им. М. И. Платова. Наиболее часто цитируемая работа [9] посвящена изучению динамики движения ферромагнитных элементов, а также исследованию вопросов проектирования и создания устройств с дискретной вторичной частью. Для определения объекта исследования выбрана терминология «аппарат вихревого слоя».
Большой объем научных исследований, направленных на изучение гидродинамики аппаратов с дискретной вторичной частью, выполняется в Тамбовском государственном техническом университете (ТГТУ). Для оценки возможности внедрения в промышленность разрабатываемого устройства исследуется влияние процесса движения дискретной вторичной части на протекание химических реакций при создании биотоплива [12]. В данных работах аппарат с дискретной вторичной частью определен как «реактор вихревого слоя ферромагнитных частиц».
Среди зарубежных исследований следует отметить работы, проводимые в Японии компанией FUJIElectricLtd [13]. Для аппарата вихревого слоя применяется терминология «измельчитель с бегущим магнитным полем» (traveling magnetic field type crusher).
Исследованные устройства с дискретной вторичной частью в различных литературных источниках имеют разную терминологию, в тоже время, основываясь на особенностях принципа действия устройств с дискретной вторичной частью, их следует определять как электромеханические преобразователи с дискретной вторичной частью. Эффективность работы ЭПДВЧ доказывает успешное их внедрение в различные сферы промышленности для выполнения технологических процессов, связанных с дисперсией, очисткой [9], а также получением эмульсий, суспензий и коллоидных растворов [14,15]. Устройства используются и в отраслях, связанных с очисткой сточных вод, обработкой лакокрасочных материалов, утилизацией отходов промышленных предприятий, животноводческих производств, жизнедеятельности человека, созданием различных растворов, смешиванием жидких и сыпучих веществ, а также переработкой жидких нефтепродуктов [16].
Тем не менее, наличие большого числа научных работ, связанных с изучением подобных устройств, не позволило сформулировать оптимальные параметры их конструкций, которые за долгие годы исследований не получили существенных изменений. Базовая конструкция, наиболее чаще рассматриваемая в научных исследованиях и представленная на рисунке 1.1, состоит из четырех основных рабочих элементов:
1) выполненный из ферромагнитного материала индуктор цилиндрической формы;
2) 3-х фазная распределенная обмотка, размещенная в пазах индуктора, непосредственно создающая электромагнитное поле;
3) рабочая камера цилиндрической формы из немагнитного материала, расположенная в расточке индуктора;
4) набор ферромагнитных элементов, выполненных в форме иголок, заполняющих некоторое пространство рабочей камеры.
В основе работы ЭПДВЧ лежит принцип превращения энергии электромагнитного поля в другие виды энергии. Во вращающееся электромагнитное поле, созданное электрической обмоткой, помещается дискретная вторичная часть в виде набора неравноосных ферромагнитных стержней, имеющих относительно небольшие геометрические размеры. Под действием электромагнитного поля, большая совокупность ферромагнитных тел приходит в интенсивное движение. Особенность движения дискретной вторичной части характеризуется частыми сменами направления, большими ускорениями, частыми соударениями и трением, тем самым осуществляя сложные физико-химические процессы. Главное преимущество ЭПДВЧ, притягивающее внимание как отечественных, так и зарубежных ученых, заключается в возможности, при достаточно простой конструкции, осуществлять процессы смешивания, диспергирования и активации жидких веществ, создавая значительную плотность энергии на единицу рабочего объема.
Основным признаком, характеризующим устройства с дискретной вторичной частью, является характер распределения электромагнитного поля. Именно с наличием большого немагнитного зазора связаны основные недостатки устройств с дискретной вторичной частью.
В условиях отсутствия монолитного внутреннего магнитного сердечника, между ферромагнитным элементом и токовой областью, создающей электромагнитное поле, возникает большой немагнитный зазор, в наихудшем случае равный половине диаметра рабочей камеры. В результате значения магнитной индукции вдоль зубцов индуктора превышают аналогичный показатель в центральной части рабочей камеры в 3-4 раза (рисунок 1.2).
Оптимизация зубцовой зоны индуктора
На сегодняшний день, существует множество различных методик проектирования магнитной системы ЭПДВЧ, однако они не используют в полной мере возможности алгоритмов оптимизации. Следует добавить, что до сих пор задачи исследования устройств с дискретной вторичной частью в большинстве случаев решались экспериментально, путем измерения магнитной индукции по объему рабочей камеры. При этом оптимальное проектирование – это сложная многовариантная задача, требующая учета множества критериев. Для улучшения параметров магнитной системы ЭПДВЧ необходимо использовать оптимизационные методы.
Оптимизация играет ключевую роль при проектировании любых устройств, в том числе и ЭПДВЧ, и может производиться по различным критериям: минимум себестоимости; минимум материалоемкости устройства (активной части); минимум тепловых потерь в магнитопроводе и в обмотках; максимум электромагнитного усилия (электромагнитного момента); и многих других критериев, в зависимости от технического задания. Также возможно выполнение оптимизации одновременно по нескольким критериям. Кроме того, улучшение характеристик устройства может быть получено проведением оптимизации по различным критериям с последующим анализом результатов и выбором наиболее подходящего.
Конструкция индуктора ЭПДВЧ одновременно должна удовлетворять нескольким требованиям, многие из которых могут быть противоречивы. Например, обеспечение более простых условий устранения «мертвых» зон требует уменьшения внутреннего радиуса индуктора, что в свою очередь уменьшает массу индуктора, снижает объем обмотки, но при этом приводит к существенному уменьшению пропускной способности устройства. Или увеличение МДС обмотки для повышения электромагнитного усилия, действующего на рабочий ферромагнитный элемент, приводит к повышению потребляемой мощности и увеличению объема обмотки.
Постановку задачи оптимизации зубцовой зоны индуктора можно считать корректной только в том случае, когда указаны и обоснованы критерии и параметры оптимизации и сформулированы ограничения [43].
В данном случае был выбран комбинированный подход параметрической оптимизации [43-45]. В качестве оптимизируемых параметров выступают геометрические размеры индуктора устройства. Для решения задачи оптимизации индуктора ЭПДВЧ в первую очередь необходимо определиться с критериями оптимальности, являющимися функциями от параметров оптимизации. В качестве параметров оптимизации принимались геометрические размеры зубцовой зоны ЭПДВЧ (рисунок 2.2): высота коронки зубца индуктора b1; ширина зубца индуктора b2; ширина коронки зубца b3.
Для этих параметров необходимо записать математическое выражение целевой функции. Эффективность электромеханического преобразователя с дискретной вторичной частью оценивается в первую очередь эффективностью движения ферромагнитных элементов по рабочей камере. Ранее было отмечено, что эффективность движения элементов определяется характером распределения магнитного поля по рабочей камере, при среднем значении магнитной индукции по объему рабочей камеры 0,15-0,2 Тл [9]. Однако часто достижение заданного диапазона изменения магнитной индукции не обеспечивает оптимального движения вторичных элементов, что подтверждают результаты научных работ [17]. Поэтому в качестве основного параметра выбрано среднее электромагнитное усилие, воздействующее со стороны созданного электромагнитного поля на единичный ферромагнитный рабочий элемент, по всему объему рабочей камеры.
Условие ограничения допустимого нагрева стали индуктора и соответственно условия ограничения магнитной индукции в магнитопроводе будут дополнительными параметрами оптимизации. Таким образом, наиболее высоких результатов при оптимизации зубцовой зоны индуктора электромеханического преобразователя с дискретной вторичной частью можно достичь, только используя многокомпонентную целевую функцию следующего вида где, кі,к2,кз,к4 - весовые коэффициенты для каждого критерия оптимизации; Бмц - целевое среднее значение электромагнитного усилия, действующего на единичный ферромагнитный элемент со стороны электромагнитного поля, Н; FмТ - текущее среднее значение электромагнитного усилия, действующего на единичный ферромагнитный элемент со стороны электромагнитного поля, Н; Вц - целевое отношение значений магнитной индукции по объему рабочей камеры, Тл; ВТ - текущее отношение значений магнитной индукции по объему рабочей камеры, Тл; tц - целевое значение температуры стали магнитопровода, С; 1;цТ - текущее значение температуры магнитопровода, С; Встц - целевое значение магнитной индукции в стали магнитопровода, Тл; ВстТ - текущее значение магнитной индукции в стали магнитопровода, Тл.
Значения весовых коэффициентов выбираются в зависимости от степени значимости отдельной составляющей критерия оптимизации. Сумма весовых коэффициентов всегда должна равняться 1.
Кроме задания целевой функции, необходимо выбрать метод, позволяющий за относительно небольшой промежуток времени подобрать оптимальные геометрические размеры зубцовой зоны индуктора электромеханического преобразователя. Анализируя научные работы по проблемам оптимизации [43-46], а также опыт проектирования и разработки индукторов электромеханических преобразователей, среди большого числа алгоритмов оптимизации, хорошие результаты при решении поставленной цели были получены с применением стохастического алгоритма Монте-Карло (метода случайных чисел). Суть метода Монте-Карло состоит в поиске искомого экстремума целевой функции путем случайного выбора геометрических параметров, определяющих магнитную систему индуктора электромеханического преобразователя. На практике данный метод подразумевает проведения N-го количества испытаний, в результате которых получают N возможных значений искомой функции. На основе этого делается вывод о высокой погрешности выбранного метода, величина которой обратно пропорциональна количеству испытаний [43]. Отсюда следует, что высокое число испытаний позволит добиться высокой точности расчетов. На начальной стадии выбор случайных параметров производился с равномерным распределением в области допустимых значений, которые затем уточнялись с нормальным распределением случайной величины. Подбирались оптимальные значения высоты и ширины зубца, а также ширина коронки зубца. В результате был сформирован вектор оптимизации Х=(Ы… Ып, Ь2… Ь2П, Ь3… ЬЗП,1), где Ы, Ь2, ЬЗ, I - высота зубца, ширина зубца, ширина коронки зубца, величина фазного тока.
Ранее было показано, что в качестве параметров оптимизации используется четыре параметра ЭПДВЧ. Для выполнения процедуры оптимизации необходимо определить пределы изменения каждого параметра. Диапазон изменения параметров в процессе оптимизации находится в следующих пределах:
- от 0 до 10 мм - диапазон ширины коронки зубца;
- от 8 до 15 мм - диапазон ширины зубца;
- от 0 до 4 мм - диапазон высоты коронки зубца;
- отЮдоЗ0 А - диапазон тока фазы.
Для определения численного значения целевой функции необходимо провести электромагнитный расчет. На основе проведенного анализа средств реализации математической модели основных программных пакетов, позволяющих провести расчет электромагнитных устройств (MatLab, Ansys, ELCUT, FEMM) в качестве среды программирования для выполнения вычислительных экспериментов с электромеханическим преобразователем с дискретной вторичной частью также был использован программный пакет Ansys [42].
При переходе непосредственно к решению оптимизационной задачи необходимо задать начальные значения геометрических параметров зубцовой зоны индуктора, которые необходимо изменить. На данном этапе были выбраны исходные геометрические размеры зубцовой зоны на основе проведенного ранее аналитического расчета:
- ширина зубца 12 мм;
- высота коронки зубца 12 мм;
- ширина коронки зубца 1 мм.
Определение энергетических и эксплуатационных параметров электромеханического преобразователя с дискретной вторичной частью
Представленное ранее моделирование процесса движения единичного ферромагнитного элемента, позволяет наиболее полно анализировать динамические характеристики движения ферромагнитного элемента в жидкой обрабатываемой среде.
С точки зрения функционирования магнитной системы, эффективность работы оценивается целым комплексом параметров, основные из которых являются энергетическими, определяющими энергоемкость процесса [9]. К ним можно отнести:
- фазный ток 1ф, А;
- активная электрическая мощность в цепи индуктора Рф, Вт;
- реактивная электрическая мощность Qф, ВА;
- полная электрическая мощность Бф, ВА;
- магнитная индукция в рабочей камере В, Тл.
Однако, с точки зрения качества функционирования электромеханического преобразователя с дискретной вторичной частью в предполагаемом технологическом процессе, основным фактором, характеризующим работу проектируемого и исследуемого устройства, является эффективность обработки нефти.
Применение электромеханического преобразователя с дискретной вторичной частью предполагается в системах переработки сырой нефти, для предкрекинговой подготовки сырья, с целью удаления сернистых соединений. Таким образом, эффективность работы устройства оценивается по доле очищенного выходного нефтепродукта. Однако для более точного и качественного анализа, оценку эффективности работы устройства предлагается проводить по количеству удаленных сернистых соединений из объема исходного нефтепродукта. Применение результатов исследований ранних разработок подобных устройств, а также выведенных эмпирических данных при расчете устройств с дискретной вторичной частью позволили отыскать общие закономерности и формулы, достаточно правильно отражающие эффективность работы проектируемого и исследуемого электромеханического преобразователя с дискретной вторичной частью.
Как и все существующие устройства преобразователей энергии, основным элементом электромеханического преобразователя с дискретной вторичной частью является магнитная система, представленная 10-фазным индуктором с сосредоточенной катушечной обмоткой. Поэтому последовательность поиска общих закономерностей на первом этапе начинается с определения электроэнергетических характеристик электромеханического преобразователя с дискретной вторичной частью и содержит следующие действия:
- определение намагничивающей составляющей тока обмотки индуктора;
- определение потерь в стали индуктора;
- определение механической мощности индуктора;
- определение активной составляющей тока обмотки индуктора.
Выполнение представленных выше действий во многом подобно электромагнитным расчетам обычных индукторных машин, с некоторыми поправками на особенности рабочей дискретной части.
Мощность электрических потерь и потерь в стали также вычисляется по общепринятым методикам для электрических машин [78-81].
Активная составляющая тока обмотки индуктора определяется из соотношения
Мощностью потерь на вихревые токи, ввиду их незначительности из-за небольших размеров ферромагнитных элементов, в рамках данных расчетов без существенной погрешности, можно пренебречь.
Мощность, расходуемая на перемещение единичного ферромагнитного элемента, определяется из следующего выражения: где и. - скорость движения i-го элемента, м/с, i7. - суммарное усилие, затрачиваемое на перемещение i-го ферромагнитного элемента, Н.
С учетом общего стохастического характера движения дискретной вторичной части под воздействием внешнего магнитного поля в рабочей камере, для упрощения расчетов были приняты некоторые допущения. Согласно допущениям, все элементы в соответствии с выбранными для исследования алгоритмами коммутации, в рамках движения от одного активного полюса к другому, будут двигаться с некоторой усредненной для всех элементов скоростью. Согласно принятому допущению, мощность, затрачиваемая на движение дискретной вторичной части, будет вычисляться по следующему выражению: где п - количество ферромагнитных элементов, представляющих вторичную дискретную часть.
Наиболее сложен учет дополнительной мощности, расходуемой на возникающие при движении ферромагнитных рабочих элементов кавитационные процессы. Ввиду сложности математического описания кавитационных процессов, в рамках настоящей диссертационной работы, большинство дальнейших расчетов будут опираться на эмпирические данные, полученные авторами в рамках исследования кавитационных процессов в рабочей камере устройств с дискретной вторичной частью и других кавитирующих генераторов.
Согласно исследованиям, представленным в работе [9], реальная мощность больше расчетной на величину некоторого коэффициента к, который может принимать значение в пределах 1.1-1.3.
В рамках исследования данной диссертационной работы предлагается привязать значение коэффициента к к уровню возникающих кавитационных процессов, определяемому безразмерным критерием кавитации % [82-84].
Как было описано в 1 главе настоящей диссертации, технологический процесс обработки жидких углеводородов базируется на использовании гидродинамической кавитации. В электромеханическом преобразователе с дискретной вторичной частью гидродинамическая кавитация целенаправленно создается кавитирующими элементами с суперкавитирующим профилем, в виде обоюдоострых стержней (рисунок 3.11).
Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление жидкости становится ниже некоторого критического значения (давления насыщенного пара). При форме обтекающего кавитирующего элемента (рисунок 3.11) кавитация возникнет при некотором значении безразмерного параметра
Экономическая оценка принятых технических решений
Экономическая привлекательность технологического процесса десульфуризации сырой нефти электромеханическим преобразователем с дискретной вторичной частью связана с:
- отсутствием необходимости применения дорогостоящих реагентов;
- мягкими условиями проведения, умеренной температурой и давлением;
- простотой технологического оборудования.
Опираясь на результаты теоретического исследования технологического процесса десульфуризации в электромеханическом преобразователе с дискретной вторичной частью, был проведен приблизительный расчет себестоимости обработки 1 тонны исходного сырья при производительности системы 10 т/сутки, представленный в таблице 4.2, а также выполнен сравнительный анализ с наиболее распространенными и перспективными на сегодняшний день методами десульфуризации сырой нефти.
Ранее мы определили состав и количество специальных устройств и приспособлений, применение которых обусловлено поставленными целями и задачами данной диссертационной работы. Безусловно, в рамках экономической оценки представленного ранее технологического процесса, существенное значение имеет такое понятие, как расход электроэнергии, так как любое механическое или электромеханическое устройство требует ее потребления. Именно поэтому учет данных затрат является существенным при калькуляции расходов на эксплуатацию технических устройств в рамках предлагаемого технологического процесса.
Отсутствие необходимости применения реагентов и катализаторов сводит основные затраты производства к обеспечению энергии для осуществления процесса перемещения дискретной вторичной части.
Затраты на электроэнергию определяются в соответствии со следующим выражением: где m - количество видов специального оборудования; р - мощность оборудования; t. - время использования і-го оборудования; g. - коэффициент использования мощности і-го оборудования; Т - стоимость одного кВтч электроэнергии.
Таким образом, можно заключить, что сумма всех материальных затрат на электроэнергию, необходимую для обработки 1 тонны сырой нефти, составила соответственно С =1078,82 рублей.
Дальнейшее повышение производительности будет сопряжено с увеличением количества последовательно подключенных модулей электромеханических преобразователей с дискретной вторичной частью и соответствующим повышением эксплуатационных затрат.
Целью экономической оценки является подтверждение экономической целесообразности применения исследуемого метода десульфуризации сырой нефти и разработанного электромеханического преобразователя с дискретной вторичной частью, реализующего технологический процесс на практике.
Наличие меркаптанов и прочих сернистых соединений ведет к существенному снижению стоимости экспортируемого сырья, имеющей прямую зависимость от концентрации сераорганических соединений, и наносит вред окружающей среде. На сегодняшний день разработано множество методов и технологий десульфуризации сырой нефти.
Преобладающее число методов десульфуризации в той или иной степени основано на применении катализаторов.
Преимущества разработанной технологии кавитационной обработки в электромеханическом преобразователе с дискретной вторичной частью по сравнению с традиционным методом каталитической гидроочистки и нетрадиционными методами окислительного обессеривания обеспечивают положительный экономический эффект за счет:
- отсутствия применения катализаторов;
- негативного влияния на окружающую среду;
- времени процесса очистки (регулируемое количеством установок).
Сравнительная оценка экономической эффективности от внедрения технологий десульфуризации нефти, представленная в таблице 4.3, проводилась применительно для обработки 1 тонны сырья среди следующих технологий:
- кавитационная обработка (КО) электромеханическим преобразователем с дискретной вторичной частью;
- гидроочистка (ГО);
- сонокаталитическое обессервиание (СО);
- адсорбционная сероочиства (АС).
Затраты по традиционному методу десульфуризации превышают затраты по внедряемому методу кавитационной обработки в электромеханическом преобразователе с дискретной вторичной частью на 75,4 %.
В тоже время, стоит отметить, что в Российской Федерации в среднем в год добывается порядка 500 млн. тонн нефти в год, из которых около 40 % составляют высокосернистые нефти (содержание серы более 1 %). Ввиду низкой оснащенности большинства нефтеперерабатывающих предприятий, большая часть российской нефти продается под маркой Urals, получаемой путем смешивания легкой и тяжелой нефти, примерно за 70 $/баррель. Нефти марки Brent с низким содержанием серы продаются за 73 $/баррель. При десульфуризации российской нефти с высоким содержанием серы предлагаемой технологией дополнительный доход от экспорта очищенного сырья при указанных ценах на нефть может по приблизительным оценкам составить до 5 млрд. $ в год.