Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор состояния вопроса 13
1.1. Особенности проектирования разветвленных пневматических систем 13
1.2. Современные методы расчета рабочих процессов, протекающих в разветвленных ПС 17
1.2.1. Методы расчета рабочих процессов ПС в приближении распределенных параметров 22
1.2.2. Методы расчета рабочих процессов ПС в приближении сосредоточенных параметров 23
1.2.3. Методы расчета сложных разветвленных изотермических ПС 26
1.2.4. Методы расчета сложных разветвленных неизотермических ПС 35
1.3. Обзор программного обеспечения для моделирования разветвленных ПС 38
1.4. Выбор метода расчета разветвленных ПС 40
1.5. Выводы по главе 1 41
Глава 2. Разработка метода расчета рабочих процессов в разветвленных ПС 44
2.1. Постановка задачи 44
2.2. Разработка метода расчета разветвленных ПС 47
2.2.1 Дискретизация расчетной области 47
2.2.2. Построение дискретного аналога уравнения движения 49
2.2.3. Построение дискретного аналога уравнения неразрывности 58
2.2.3. Построение дискретного аналога уравнения энергии 60
2.3. Разработка алгоритма численного решения 64
2.4. Разработка программной реализации метода 65
2.4. Выводы по главе 2 68
Глава 3. Примеры применения метода расчета рабочих процессов в разветвленных ПС 69
3.1. Примеры расчетов изотермических пневматических систем 69
3.1.1. Расчет разветвленной системы с постоянными коэффициентами сопротивления 69
3.1.2. Расчет разветвленной системы с нелинейными коэффициентами сопротивления (уравнение Дарси-Вейсбаха) 73
3.1.3. Расчет разветвленной системы с нелинейными коэффициентами сопротивления (уравнение Хазена-Вильямса) 76
3.2. Тестирование разработанного метода расчета для решения задач большой размерности 80
3.2.1. Создание искусственных тестовых задач 80
3.2.2. Решение задач размерностью 104 связей 82
3.2.3. Решение задач размерностью 106 связей 85
3.2.4. Сравнение со стандартным ПО для расчета разветвленных систем 87
3.3. Расчет пневматических систем 93
3.3.1. Течение идеального газа в сужающемся канале 93
3.3.2 Течение газа в одноконтурной системе каналов 96
3.3.3. Течение газа в разветвленной системе каналов 99
3.4. Выводы по главе 3 101
Глава 4. Экспериментальное исследование рабочих процессов в ПС и сравнение с результатами численного исследования 102
4.1. Описание экспериментального стенда 102
4.2. Методика проведения экспериментальных исследований 112
4.3. Определение погрешности результатов экспериментальных исследований 113
4.4. Обработка результатов эксперимента 115
4.4.1. Экспериментальное исследование характеристик рабочего участка .. 116
4.4.2. Исследование режимов работы экспериментального стенда 121
4.5. Проведение расчетных исследований пневматической системы экспериментального стенда 123
4.5.1. Разработка расчетной схемы пневматической системы экспериментального стенда 123
4.5.2 Кросс-верификация метода расчета с помощью CFD 125
4.5.3. Сравнение результатов численного расчета и натурного эксперимента 127
4.6. Выводы по главе 4 128
Основные результаты и выводы 130
Литература 132
- Методы расчета рабочих процессов ПС в приближении распределенных параметров
- Построение дискретного аналога уравнения движения
- Расчет разветвленной системы с нелинейными коэффициентами сопротивления (уравнение Дарси-Вейсбаха)
- Экспериментальное исследование характеристик рабочего участка
Введение к работе
Актуальность исследования
Задача адекватного определения распределения давления, температуры и потоков в разветвленных пневматических системах (ПС) на этапе проектирования является ключевой для надежности и эффективности работы систем.
Важнейшее значение имеет экономичность ПС, в связи с чем проводится множество анализов чувствительности с точки зрения влияния отдельных элементов на всю систему в целом. Основным методом решения задач потокораспре деления является численное моделирование. Поэтому неотъемлемой проблемой является параллельное развитие математического аппарата и методов решения проблем создания как отдельных устройств, так и больших распределенных сетей.
Объектом исследования являются разветвленные пневматические системы.
Предметом исследования являются рабочие процессы, протекающие в разветвленных пневматических системах.
Цель работы - создание метода расчета и анализа разветвленных пневматических систем с учетом теплообмена с внешней средой.
Задачи исследования
Создание метода расчета разветвленных пневматических систем.
Разработка алгоритма расчета разветвленных ПС и его реализация.
Верификация метода расчета.
Проведение численных исследований для определения влияния размерности задачи на сходимость и точность метода расчета.
Проведение экспериментально-расчетных исследований рабочих процессов в разветвленной пневматической системе для подтверждения результатов работы.
Применение метода расчета для различных устройств.
Научная новизна:
Разработана математическая модель для определения распределения расходов, давлений и температур в сложных разветвленных пневматических системах. Модель строится на дифференциальных уравнениях, представляющих собой фундаментальные законы сохранения в стационарной постановке в естественных переменных.
Разработан одномерный метод контрольного объема для определения распределения расходов, давления и температур для пневмосистем. Метод расчета позволяет упростить процесс проектирования надежных систем и снять многие допущения, которые применяются в настоящее время при проведении расчетов пневматических систем (изменение расхода среды, вызванное сжимаемостью; теплообмен; изменение диаметра трубопровода).
Метод позволяет получить устойчивое решение задачи потокораспределения для пневмосистем с любым количеством разветвлений и контуров в большом диапазоне значений перепадов давлений и расходов.
Проведены экспериментальные исследования сложной
многоконтурной пневматической системы. По результатам испытаний получены гидравлические характеристики расхода от перепада давления для отдельных элементов и различных режимов работы экспериментального стенда.
Практическая ценность: Разработанные алгоритм и программное обеспечение «CVM-1D» позволяют повысить скорость расчетов при проектировании и анализе эффективности пневматических систем и устройств различного назначения.
Разработанный метод расчета позволяет уменьшать количество проводимых экспериментальных исследований при проектировании новых пневматических устройств и систем и разрабатывать надежные конструкции систем, испытания которых сопряжены с опасностью для жизни и здоровья людей и опасностью заражения окружающей среды (например, систем газопроводов высокого давления).
С помощью разработанного экспериментального стенда, являющегося прототипом адаптивной системы регулирования потока рабочей среды, и расчетных исследований, проведенных с помощью разработанного метода, было создано новое эффективное устройство.
Метод расчета внедрен в практику проектирования в ООО «ВОРМХОЛС», г. Москва и в МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась кросс-верификационными исследованиями и сравнением результатов расчета с помощью разработанного метода расчета и используемого алгоритма с лицензионным и сертифицированным программным обеспечением, отвечающим современным требованиям науки и техники, совпадением результатов расчетных исследований с результатами экспериментальных исследований и опубликованными в открытой литературе данными.
Положения, выносимые на защиту. Метод расчета рабочих процессов в пневматических системах сложной разветвленной конфигурации. Результаты теоретических, расчетных и экспериментальных исследований рабочих процессов в пневматических системах.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2013, 2014 гг.); computing and control in water industry 2013, Перуджинский университет (Италия, 2013 г.); water distribution system analysis 2014, политехнический университет г. Бари (Италия, 2014 г.); XX международная научно-техническая конференция МЭИ (Москва, 2014 г.); XLIV конференция-конкурс научной молодежи «Системные исследования в энергетике» ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2014 г.); международная конференция «Ломоносов», МГУ им. М.В.Ломоносова (Москва, 2014 г.); IX международная научно-практическая конференция «Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассообмена и
прочности STAR-Russia-2014» (Нижний Новгород, 2014 г.); научные семинары кафедры «Вакуумная и компрессорная техника», МГТУ им. Баумана (Москва, 2013, 2014 гг.).
Личный вклад автора заключается в собственной разработке метода расчета; разработке алгоритма расчета и его соответствующей программной реализации; тестировании разработанного метода; разработке экспериментального стенда и методики проведения экспериментальных исследований; проведении теоретических и экспериментальных исследований; обработке и анализе результатов исследований; разработке и применении практических рекомендаций.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 15 научных работах, в том числе 8 статей в реферируемых журналах ВАК.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 149 страницах, включая 38 иллюстраций, 21 таблицу и 1 приложение. Библиография насчитывает 141 наименований.
Методы расчета рабочих процессов ПС в приближении распределенных параметров
Пневматические системы (ПС) - это совокупность узлов, агрегатов и устройств, а так же систем соединяющих их каналов, в которых в качестве рабочего тела используется газ [1].
В силу сложной пространственной компоновки ПС, почти каждая из них представляется сетью параллельных и последовательных соединений с помощью различных каналов, что приводит к сложности определения расхода в каждом канале, с учетом изменения температуры и давления по длине каждого канала. Задача определения расходов на каждом отдельном участке (канале) ПС, давлений/напоров и температур в установленных на них устройствах является неотъемлемой частью проектирования новых систем. Анализ потокораспределения особенно важен для пневматических систем энергетического оборудования, магистралей для транспортировки природного газа, теплофикационных систем и трубопроводов, в гражданской, в автомобильной, в авиационной, космической промышленностях и других областях машиностроения [3, 4].
В условиях современной экономики, требуется создание не только высокоэффективных, но и наименее затратных систем [4, 5]. Поэтому задачи оптимизации, совместно с математическим моделированием при проектировании новых устройств и систем стали неотъемлемой частью процесса конструирования ПС. Разработке устройств, сочетающих в себе низкую стоимость с высокой эффективностью, посвящены работы [6-12]. Весь комплекс математического моделирования позволяет уменьшить затраты электроэнергии для насосных и компрессорных станций [13-15].
Наиболее остро вопросы трассировки и высокой эффективности встают для протяженных трубопроводов и воздухопроводов, трассировка которых представляет собой сложную разветвленную пространственную конфигурацию с большим количеством арматуры [16, 17]. Это приводит к дополнительным проблемам оценки распределения давления в узлах потребителей и в каналах разветвленных систем [2, 18, 19, 20].
Разветвленные трубопроводные сети являются наиболее проблемным сегментом систем газоснабжения и теплоснабжения [20]. Так, например, согласно сводным данным по объектам теплоснабжения 39 регионов Российской Федерации, их суммарная протяженность в составляет более 200 тыс. км, а диаметр магистральных трубопроводов - 1200..1400 мм, при этом средний износ требующих постепенной замены систем оценивается в 60-70% [22, 23]. Для всего спектра этих задач требуется определить влияние новых трассировок и материалов на работу тысяч потребителей. Разработка и применение новых современных технологий моделирования теплогидравлических процессов как в локальных системах, так и в системах большой размерности позволяет еще на стадии проектирования оперативно выбрать наиболее рациональную компоновку пневматической системы [24, 25].
На неравномерность распределения расходов и давлений в ПС большое влияние оказывают арматура, поворотные колена, тройники, диффузоры, турбооборудование, насосное и компрессорное оборудование [1]. Практически в каждой ПС можно найти по меньшей мере один из перечисленных выше элементов. Трубопроводные системы состоят из труб различной длины, диаметров и материалов, что приводит к дополнительной нелинейности коэффициентов гидравлического сопротивления трения для ПС в целом, что также необходимо учитывать, особенно при проектировании протяженных транспортных трубопроводных систем с различными рабочими средами [26].
Работа оборудования в нерасчетном режиме зачастую приводит к его поломкам. Так, со временем изменяются свойства каналов из-за коррозии используемых материалов или отложений на стенках. В связи с этим снижается и пропускная способность трубопроводов, а гидравлические потери на трение при этом значительно возрастают [27].
Анализ режимов работы ПС позволяют выявить предельные нагрузки на системы и уменьшить возможные разрывы трубопроводов на систему [28, 29]. Например, анализ потоковых моделей газоснабжения Московского региона показал, что система имеет значительные резервы в годовом разрезе, однако обеспечение пикового спроса в регионе требует предельной загрузки ряда объектов поставки газа [3].
Анализ нормальных стационарных режимов эксплуатации разветвленных систем является неотъемлемой частью их проектирования. Так, резкое повышение расхода в ПС свидетельствует или об утечке рабочей среды в одном из каналов, или о разрыве канала, или о возможной некоммерческой врезке в систему и неконтролируемом отборе рабочей среды [30, 31]. Актуальной проблемой для моделирования процессов потокораспределения являются врезки в систему при подключении новых потребителей, когда требуется определить изменение работы в системе для остальных потребителей [32- 33]. Так, при непосредственном присоединении потребителей к газовой сети количество газа, поступающего к отдельным абонентам, зависит от величины гидравлического сопротивления абонентского ответвления и давления газа в точке присоединения ответвления к кольцевой сети [34, 35].
При определении характеристик устройств пневматических систем требуется учитывать множество факторов. Например, для трубопроводов подвода воздуха к шахтам должны учитываться расположение воздухопроводов (воздухопроводы могут располагаться как на земле, так и под землей), что влияет на свойства рабочей среды. Проектирование подвода воздуха в шахты требует учета изменяющихся по времени условий эксплуатации, при этом требуется учитывать различные состояния рабочей среды для различных времен года (зима - лето) [16, 17, 36]. Таким образом, с учетом особенностей конструктивных и климатических условий при транспортировке газа и жидкости по трубопроводам и воздухопроводам, проблемы качественного моделирования процессов потокораспределения особенно актуальны.
Для повышения точности расчета данных систем требуется математическое моделирование, позволяющее еще на стадии проектирования сети учитывать особенности тракта с учетом множества параллельных и последовательных соединений, местных и распределенных потерь на трение, подвода или отвода тепла к каналам со взаимным влиянием различных элементов друг на друга [3].
Решению вопросов потокораспределения в различных пневматических системах посвящено большое количество работ [37 - 47]. Так как уравнения, описывающие даже изотермическое течение рабочей среды, нелинейны, их решение является нетривиальным и требует отдельного методологического подхода [39]. В общем виде для решения задачи потокораспределения в произвольной ПС для каждого момента времени для каждого элемента системы (таких как трубопроводы, каналы, клапана, компрессоры, насосы и т.д.) должны быть записаны уравнения сохранения импульса, неразрывности, энергии и уравнение состояния рабочей среды. Число уравнений, которые должны быть решены даже для малой системы, состоящей из нескольких элементов, является достаточно большим, что делает процесс решения системы уравнений крайне трудоемким [32, 40].
Построение дискретного аналога уравнения движения
Не смотря на то, что для данных методов накоплена большая база данных по использованию корреляционных зависимостей, не всегда возможно использовать методы в сосредоточенных параметрах для расчета новой конструкции. Основным недостатком подобных моделей является отсутствие учета перераспределения расходов в каналах, объединяющие полости ПС [4, 61]. Таким образом, при построении расчетной модели ПС не учитывается взаимовлияние нескольких каналов. Например, для описания процессов в элементе типа «сложная полость», состоящей из нескольких «простых полостей», принимается допущение, что давление во всех элементах полости одинаково [4]. Это допущение имеет место при условии, что элементы объединены широкими и короткими каналами [4]. Однако, в реальной системе данные условия могут не выполняться из-за массогабаритных характеристик устройств, перегородок в каналах, и отвода массы или технологических требований к изделию. В случае подвода или отвода тепла к каналам, соединяющим полости, допущение об изолированности каналов перестает быть корректным из-за изменения физических свойств рабочей среды в полости как функции ее температуры. В таком случае, сначала требуется определить рабочие параметры среды для каждого элемента системы.
Следует отметить, что методы расчета в сосредоточенных параметрах позволяют решать широкий круг задач по моделированию ПС, но не всегда применимы для разветвленных ПС [2, 62]. Однако, зачастую для расчета многоконтурных и разветвленных систем приходится вводить консервативные допущения, которые в дальнейшем могут повлиять на точность расчета, а как следствие, и на характеристики конструируемого устройства.
При этом модели в сосредоточенных параметрах не позволяют получить быстрого стационарного решения, а требуют достаточно длительных расчетов для получения «кзазистационарного» решения. При этом расчет разветвленных систем может приводить к численным неустойчивостям, особенно при решении задач большой размерности (более сотен каналов) [60].
Для большого количества пневматических систем принимается допущение об изотермическом течении в приближении несжимаемой среды [52]. Например, расчет воздуховодов зачастую проводится с использованием допущения и течении несжимаемой среды с постоянной температурой, равной температуре окружающей среды [16, 17]. Таким же образом решаются задачи моделирования протяженных трубопроводных систем со множеством разветвлений для пневматических систем и газовых магистралей низкого давления [63, 64]. Для учета перераспределения расхода в каналах изотермических ПС применяются методы расчета, аналогичные «теории гидравлических цепей» [52]. Обычно данные методы применяются для моделирования протяженных газо- и воздухопроводов с малыми перепадами давлениями (порядка десятков- сотен паскалей) [7, 9, 10, 65]. При таких перепадах давлений с достаточно высокой точностью можно считать физические свойства газа (плотность и вязкость) постоянными и считать его несжимаемой средой.
Методы расчета изотермических систем разделяют по историческим этапам на три стадии развития [66-68]: 1) период расчетов без использования компьютерных технологий; 2) период развития компьютерных технологий; 3) период использования сложных компьютерных математических моделей.
Для решения проблемы потокораспределения в пневматических системах используется множество различных методов от графоаналитического представления сетей на основе физических аналогий [21] до современных математических моделей, основанных на итерационном методе Ньютона-Рафсона и алгоритме Тодини [69, 70].
Математическая модель, которая обычно используется для расчета изотермических систем, представляет собой выражение для потерь давления (напора) между узлами і и j и описывается следующими выражениями [51, 71], представляющими из себя законы сохранении массового баланса и потерь давления между потребителями: где Н - напор в узле; h - потери напора; г - коэффициент сопротивления; Q - объемный расход; п - показатель степени, зависящий от режима течения; ж - коэффициент местного сопротивления; Dt - расход в і-м узле (если величина положительная, то определяет сток массы). Таким образом, уравнения (1.11) и (1.12) записываются для каждого узла и связи. Особенностью методов расчета потокораспределения является необходимость учета потерь давления в каналах расчетной области. Для определения падения давления по длине трубопроводов за счет трения используются различные выражения: Дарси-Вейсбаха, Хазена-Вильямса или Чези-Манинга, и соответствующие им корреляции [51,71].
Выбор коэффициента сопротивления и показатель степени для объемного расхода зависят от того, какое выражение для определения потерь давления в гидравлической связи используется. Существует множество работ, направленных на определение зависимостей для сопротивления трения [27, 55, 72, 73] и местных сопротивлении отдельных элементов [26]. При этом проводится сбор и обобщение результатов эксплуатации различных трубопроводных систем. Например, в США существуют соответствующие таблицы выбора параметров, определяющих износ, изменение шероховатости и гидравлического сопротивления трубопроводов в зависимости от времени и места их эксплуатации, на основе которых выбираются технические параметры, необходимые для математического моделирования эксплуатируемых систем [5].
Расчет разветвленной системы с нелинейными коэффициентами сопротивления (уравнение Дарси-Вейсбаха)
Как видно из анализа Таблицы 3.8, решение, полученное с помощью разработанного метода, сходится медленнее глобального градиентного алгоритма на 1 итерацию, однако значительно быстрее, чем «увязочный» метод Лобачева-Андрияшева-Кросса, которому требуется 11 итераций для достижения приемлемого решения задачи.
Таким образом, тестовые задачи, приведенные в частях 3.1.1-3.1.3, показали, что разработанный метод контрольного объема имеет более высокую скорость сходимости, чем «увязочные» методы, и практически не уступает глобальному градиентному алгоритму.
Проведенный литературный обзор показал, что расчет больших распределенных сетей (более 104 связей) является сложной и актуальной задачей моделирования даже для изотермических пневмосистем с постоянной плотностью рабочей среды. Особенно эта проблема выражена для «увязочных» методов [2, 86, 87]. Таким образом, тестирование метода для задач большой размерности является важным аспектом с точки зрения дальнейшего применения разработанного метода для решения крупных промышленных задач [32, 60, 88].
В связи с отсутствием необходимых данных по системам большой размерности, а также отсутствием стандартных методик тестирования методов расчета потокораспределения, была предложена методика создания «искусственных» тестовых задач. Также проведено сравнение разработанного метода расчета со стандартным открытым программным обеспечением EPANET, предназначенным для расчета сложных многоконтурных и разветвленных систем.
Предложенная методика тестирования задач большой размерности основана на создании «искусственных» тестовых задач на базе стандартных задач CFD (computational fluid dynamic - вычислительный тепломассообмен) моделирования.
В этом случае в качестве эталонного решения для получения полей давлений и расходов было использовано решение стандартной задачи CFD моделирования. Эквивалентная расчетная схема строится таким образом, чтобы центру контрольного объема сетки для CFD- расчета соответствовал узел расчетной схемы, а грань контрольного объема соответствовала середине связи. После чего из полученных трехмерных полей давлений и скоростей определяются коэффициенты сопротивления для связей и источники в узлах для эквивалентной по отношению к CFD расчетной схемы. Эти данные используются в качестве исходных для расчета разветвленной системы. Таким образом, решая задачу потокораспределения, обратную по отношению к CFD, необходимо получить тот же результат, что и при CFD моделировании [23, 60].
В качестве референсных задач были выбраны стандартные задачи CFD моделирования - квадратная полость для двумерной постановки и кубическая полость для трехмерной (каверны), заполненные рабочей средой (воздух), с движущимися верхними стенками [125-127].
Постановка задачи референсного CFD-решения: течение среды в каверне считается ламинарным, стационарным, вязким и несжимаемым. Плотность и вязкость среды и скорость движения верхней стенки приняты постоянными и удовлетворяющими соотношению:
Измельчение сетки расчетной области позволило получить задачи размерностью более 2 миллионов связей. Особенность данной задачи заключается в большом количестве вложенных контуров, прямо пропорциональных размерности задачи, что сильно усложняет расчет с помощью стандартных «увязочных» методов. 3.2.2. Решение задач размерностью 104 связей
Задачи размерностью 104 связей были получены на основе задачи о движении жидкости в квадратной каверне, решенной при помощи CFD моделирования. При этом расчетная область для квадратной каверны представляет собой полость ІХІ с верхней стенкой, движущейся со скоростью U.
Расчетная сетка CFD модели размерностью 11x11 ячеек представлена на Рис. 3.7,а. Все ячейки являются одинаковыми гексагональными, кубическими. Размер ячейки соответствует ребру каверны /, отнесенному к числу ячеек N, на которое это ребро разбивается.
Пример расчетной схемы эквивалентной разветвленной системы для «CVM-1D» размерностью 11x11 узлов с обозначением номеров узлов и ячеек представлены на Рис. 3.7,6 и 3.7,в соответственно.
Задача размерностью 104 связей была получена при разбиении расчетной области сеткой до 101x101 узлов. При этом были решены задачи промежуточной размерности NxN= 5x5, 7x7, ЦхЦ5 21x21, 41x41 и 81x81 узлов.
Экспериментальное исследование характеристик рабочего участка
Экспериментальный стенд представляет систему из трех параллельно расположенных рабочих участков с двухпозиционными клапанами. Последовательные гидравлические сопротивления на раздающей магистрали выполнены в виде вентилей ВЗ - В5, позволяющих регулировать этот параметр в широком диапазоне. Для возможности работы с определенным рабочим участком стенда или исключения его из работы системы, за клапаном имеются вентили В6 - В8, перекрывающие поток через определенный рабочий участок. Данная система является системой ступенчатого регулирования расхода с активными элементами.
Воздух в проточную часть экспериментальной установки подается и из ресивера (PC на Рис. 4.2), соединенного с винтовым компрессором.
Во время экспериментального исследования одновременно снимаются показания по девяти параметрам -давление до и после каждого рабочего участка, температура на входе и выходе из установки и общий расход на выходе из экспериментального участка. При этом дополнительно с помощью образцовых манометров контролируется давление на входе и выходе, а также измеряется температура окружающей среды.
Расход воздуха измеряется при помощи термоанимометрического расходомера воздуха PF2AH производства компании SMC. Характеристики расходомера представлены в Таблице 4.1. Расходомер установлен на выходном участке с малыми возмущениями потока (на расстоянии свыше 20 гидравлических диаметров выше по течению от источников возмущения). Статическое давление на рабочем участке экспериментального стенда измерялось с помощью шести датчиков давления MLH200PSL01A фирмы Honeywell с погрешностью менее 250 Па. Температура воздуха на входе и выходе, а также температура окружающей среды измерялись аналоговыми датчиками (термопреобразователями) серии KTY11-5 (Т1 -Т2) фирмы NXP Semiconductor. Характеристики датчиков давления и термопреобразователей представлены в Таблицах 4.2 и 4.3 соответственно. Воздух из ресивера подается на вход экспериментального стенда. Для исключения вибрационных воздействия на результаты экспериментальных исследований рабочие участки были установлены на специальное жестко запозиционированное основание, исключающее их перемещение и поворот, обеспечивающие жесткость конструкции, и исключающие воздействие пульсаций давлений на трубопроводы.
Рабочей средой в экспериментальном стенде является газ (воздух). Величина давления на входе контролируется с помощью вентиля В2. Воздух из ресивера подается на вход, а его выход организован в атмосферу. Таким образом, общий перепад давления в системе определяется только давлением на входе.
Все измерения параметров (давление, расход и температура) проводятся автоматически с помощью системы автоматизированной обработки эксперимента, управляемой с персонального компьютера (ноутбука) в реальном времени при помощи специализированной программы, предназначенной для регистрации, визуализации и обработки аналоговых сигналов, записанных с помощью измерительных модулей аналогово-цифрового преобразователя (АЦП). Опрос каждого датчика измерительной аппаратуры происходит с частотой до 20 кГц, позволяющей исключить высокочастотные помехи.
Внешний вид экспериментального стенда с датчиками, подключенными в соответствии с пневматической схемой (Рис. 4.2), представлен на Рис. 4.5.
Внешний вид экспериментального стенда: а) вид спереди; б) вид сзади Принципиальная схема программно-аппаратного комплекса измерительной системы стенда, реализованной на базе АЦП Е14-140А Ill производства компании L-CARD, представлена на Рис. 4.6. Аналоговый сигнал, поступающий с датчиков давления Д1 -Д6, расхода Р1 и температуры Т1-КГ2, обрабатывается АЦП и после преобразования поступает на персональный компьютер (ноутбук).
Принципиальная схема измерительной аппаратуры: 1 - датчики давления; 2 - расходомер воздуха; 3 - датчики температуры
Обработка данных на компьютере происходит в среде LGraph2 разработки компании ООО "Л Кард" [133]. По завершению экспериментальных исследований данные сохраняются в файлах в текстовом формате .txt. Интерфейс программной оболочки LGraph2 представлен на Рис. 4.7. Окончательная обработка данных проводилась с помощью ПО MS Excel.
Экспериментальное исследование состоит из двух частей: определение гидравлических характеристик рабочего участка и исследование режимов работы всей системы. Экспериментальные зависимости расхода от перепада давления рабочих участков были получены для каждого рабочего участка. На экспериментальном стенде были изучены расходные характеристики системы для трех режимов работы: с тремя, с двумя и с одним открытыми клапанами рабочих участков.
В крышки клапанов устанавливаются постоянные магниты. Для проведения серий экспериментов с единичным рабочим участком перекрывались два из трех вентилей В6 - В8, а также отключались соответствующие этим участкам датчики давления Д1-Д6. Положение вентилей ВЗ - В5 выставлялись таким образом, чтобы на всех трех режимах клапана срабатывали при заданном расходе.
Выводы датчиков подключены к аналогово-цифровому преобразователю, который при помощи последовательного порта соединен с персональным компьютером. Персональный компьютер находится в рабочем состоянии. Запускается программа опроса датчиков и обработки данных. Устанавливается раздел на жестком диске ПК, в который будет осуществляться запись полученных в результате проведения экспериментального исследования данных, и задается имя файла данных. Производится тарировка датчиков Д1 -Д6 относительно эталонного атмосферного давления, определяемого манометром.
Включается компрессор, нагнетается давление в ресивер. С помощью вентиля В2 подается и регулируется давление на входе. Начинается запись показаний датчиков с частотой опроса 20 кГц. По окончании эксперимента на панели программы опроса датчиков и обработки данных нажимается кнопка «Сохранить» и происходит запись массива данных в текстовый файл с ранее выбранным именем.
По завершении испытания перекрывается вентиль В2. Экспериментальная установка приводится в первоначальное состояние и при необходимости эксперимент повторяется. Для уменьшения величины случайных погрешностей экспериментального исследования для каждого режима работы установки проводилось по 5 независимых экспериментов. По завершении серии исследований выключается компрессор и происходит сброс давления из ресивера с помощью вентиля В1.