3449

В рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы было разработано и исследовано несколько установок различного технологического назначения [1].

Оптимизация конструктивных и эксплуатационных параметров аппаратов с центробежным псевдоожиженным слоем дисперсного материала, как известно, позволяет существенно улучшить их технико-экономические показатели. Предварительный анализ установок подобного типа выявил основные параметры, оптимизация которых обеспечивает максимальный энергетический и экономический эффект. К этим параметрам относятся скорость ожижающего газа, эквивалентный диаметр частиц дисперсного материала и угол входа струи ожижающего газа в слой материала. В качестве критерия оптимизация теплотехнологического оборудования обычно принимают удельные приведенные затраты или годовой экономический эффект от внедрения аппарата. Однако при использовании такой целевой функции необходимо рассматривать всю технологическую схему, в которой применяется данный аппарат. Кроме того, для расчета этих показателей используются тарифы на электрическую и тепловую энергию и цены на материалы и оборудование, которые в процессе эксплуатации установки могут существенно изменяться. В связи с этим, в качестве критерия оптимизации удобнее применить теплогидродинамический показатель, который представляет собой отношение количества теплоты, переданного дисперсному материалу в аппарате к расходу энергии на привод дутьевой машины [2]. Поскольку данное соотношение не учитывает качественного различия между тепловой и электрической энергией, то при расчете теплогидродинамического показателя необходимо учитывать КПД установок, в которых эти виды энергии производятся

Количество переданной в аппарате теплоты определяется из уравнения Ньютона-Рихмана.

центробежном псевдоожиженном слое может быть определен из соотношения

эквивалентный диаметр частиц дисперсного материала, м, - коэффициент теплопроводности теплоносителя,

решетки к оси аппарата, .

Мощность, затрачиваемая на «прокачку»

аналитическим способом задача решалась методом вариантных расчетов. На рис. 1 приведена зависимость

относительной скорости ожижающего агента при разных значениях диаметра частиц дисперсного материала и углов входа ожижающего газа в слой.

При выполнении расчетов величина минимальной скорости ожижающего газа определялась из соотношения [4]

скорость ожижающего газа в аппарате находится в пределах

Рис. 2. Зависимость теплогидродинамического показателя от

Как следует из графика, с увеличением диаметра частиц величина E уменьшается, что связано, на наш взгляд, с уменьшением поверхности теплообмена с одной стороны и ростом гидравлического сопротивления с другой стороны. Особенно сильно эта

пропорционально росту диаметра частиц, поэтому в этом диапазоне наибольший эффект дает применение более мелких частиц. И, наоборот, при использовании частиц диаметром более диапазона от 2 до 3 мм данная зависимость, практически, вырождается и диаметр частиц не влияет на величину показателя E .

Оптимальное значение угла входа газового потока в слой материала лежит в интервале от 20 до 35 , причем большее значение данного интервала следует выбирать для мелких частиц.

Полученные рекомендации будут использованы при разработке методик инженерного расчета таких установок на следующих этапах выполнения НИР.

Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, государственный контракт № 02.740.11.0758 от 12.04.2010 г.

Рис. 1. Зависимость показателя E от относительной скорости ожижающего газа: частица дисперсного материала:

2 - 0 35 град , 3 - 0 50 град , т 0 град

Влияние диаметра частиц дисперсного материала на величину E показано на рис. 2.

52

Литература

1.Агапов Ю.Н. Энергосберегающие теплотехнологические установки с центробежным псевдоожиженным слоем / Ю.Н. Агапов, А.В. Бараков, В.Ю, Дубанин, Н.Н. Кожухов, Д.А. Прутских // Вестник ВГТУ. 2011 г. т. 7.№ 3 с. 9-12.

2.Вальцева Е.П. Оценка теплогидравлической эффективности рекуперативных теплообменных аппаратов / Е.П. Вальцева, Т.А. Доморацкая // Теплоэнергетика. 2002. № 3. с. 43-48.

3.Агапов Ю.Н. Оценка гидравлического сопротивления и межфазного теплообмена в центробежном псевдоожиженном слое / Ю.Н. Агапов, А.В. Бараков, А.В. Жучков, А.В. Санников // Химическая промышленность. 1986. № 4. с. 61.

4.Агапов Ю.Н. К определению скорости движения центробежного псевдоожиженного слоя / Ю.Н. Агапов // Вестник ВГТУ 2005 г. т. 1. № 6 с. 4-7.

Программой изучения индукционных тигельных печей (ИТП) предусмотрено выполнение курсового проекта, в котором рассчитывают

количество витков индуктора, баланс полезно используемых и теряемых мощностей источника питания (ИП), коэффициента полезного действия (КПД) печи и пр. По этим расчетам имеется соответствующая литература и примеры проектирования [1, 2, 3]. Однако в процессе эксплуатации ИТП приходится периодически изготавливать и использовать новые набивные тигли, индукторы, менять устаревшие ИП на более новые. Это приводит к изменению показателей системы электрическая сеть – садка печи, к неизвестному соотношению полезных и теряемых мощностей ИП, КПД печи, что затрудняет оценку эффективности работы ИТП после ремонта.

Для расчета указанных показателей обновленной индукционной плавильной установки (ИПУ) применять методику проектных расчетов печи не эффективно, а целесообразная методика расчетов в литературе не встречается.

Целью данной работы является разработка методики проверочных расчетов ИТП, для чего необходимо решить следующие задачи: выбрать минимально необходимое количество исходных данных, определить базовые параметры расчета, разработать последовательность вычисления основных показателей работы ИПУ.

Как в проектных, так и в проверочных расчетах ИТП в первую очередь необходимо определить:

а) диаметр и высоту жидкого металла (ЖМ) в тигле; высоту , внутренние диаметры и и среднюю толщину стенки полезной части тигля; наружный

потребляемую садкой, и активную мощность , передаваемую в садку с учетом теплового КПД печи;

г) относительную магнитную проницаемость

шихты и ЖМ.

Кроме того, выбрать несколько констант и

параметрами, которые нужно выбрать или вычислить в первую очередь, являются [1]:

тока в индукторе; удельная намагничивающая сила индуктора.

Поскольку при проверочных расчетах модель ИП известна, то напряжение и частоту тока принимаем по паспорту ИП.

Для расчета полного количества витков индуктора используется зависимость, которая не

Эти коэффициенты определяем в зависимости от аргумента

Затем удельную намагничивающую силу, А/м, индуктора

. (2)

Значение указывается, как правило, в технической характеристике ИТП, а высота индуктора определена в начале расчета печи.

Далее рассчитывается коэффициент магнитного рассеяния, учитывающий самоиндукцию и взаимоиндукцию между индуктором и металлом в тигле [1]:

, (3)

где – коэффициент, учитывающий

особенности индукционного нагрева цилиндрической (условно) садки тигля,

.

После этого определяем все показатели баланса мощностей, потребляемых ИТП:

а) реактивную мощность, ВАр, выделяющуюся в садке,

; (4)

б) активную, Вт, и реактивную, ВАр, мощности, теряемые в индукторе,

в) реактивную мощность, ВАр, выделяющуюся в зазоре между индуктором и ЖМ в тигле,

г) общую активную мощность Вт, поступающую в индуктор,

д) общую реактивную мощность, ВАр, выделяющуюся в садке, индукторе и зазоре,

; (9)

е) полную мощность, ВА, системы индуктор – металл,

ж) реактивную мощность конденсаторной батареи, ВАр,

компенсации реактивной мощности индуктора, Ф; и) потери активной мощности ИП в

токопроводе, соединяющем ИП и конденсаторную батарею с печью, приближенно можно определить:

при наличии гибких кабелей

; (12)

при разъемном соединении индуктора с токопроводом

определить электрический КПД печи и другие показатели

Энергетическая диаграмма системы электрическая сеть – садка печи:

– электрические потери мощности в источнике питания, Вт; – мощность, которую отдает источник питания, Вт; , – электрические потери активной мощности соответственно в токопроводе и КБ, Вт; – активная мощность печи, т.е. активная мощность, поступающая в индуктор, Вт; – электрические потери активной мощности в индукторе, Вт; – активная мощность, передаваемая в садку печи, Вт; – тепловые потери активной мощности, поступившей в садку печи, Вт; – полезная тепловая мощность печи, потребляемая садкой на ее нагрев, расплавление и перегрев (НРП), Вт

Предлагаемая методика проверочного расчета энергетических показателей ИТП позволяет сравнительно просто оценить эффективность работы печи при вынужденных несоответствиях в конструкции расчетной ИТП и после ее ремонта. Кроме того, в изложенной методике (в отличие от проектировочной) не используются номограммы, благодаря чему весь расчет можно сделать по программе, составленной для ЭВМ.

Литература

1.Вайнберг А.М. Индукционные плавильные печи.- 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергия, 1967. – 416 с.

2.Егоров А.В. Электрические печи черной металлургии. – М.: Металлургия, 1985. – 280с.

3.Долотов Г.П. Печи и сушила литейного производства/ Г.П. Долотов, Е.А. Кондаков. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1990. – 304 с.

Современный мир ставит все более сложные задачи по обеспечению безопасности и защите от вторжений особо важных объектов. Развитие технологий приводит к тому, что определять нарушения охраняемого периметра становится все сложнее, а требования к системам обеспечения безопасности с каждым годом ужесточаются.

Однако иногда необходимо не только определить наличие постороннего объекта в контролируемой зоне, но и указать его координаты с точностью до нескольких метров.

Один из вариантов решения этой задачи – использование распределенной системы радиопеленгаторов. Такие пеленгаторы устанавливаются в различных участках контролируемой территории, и точка пересечения пеленгов с них дает искомые координаты источника радиоизлучения. Однако такая система не лишена недостатков:

радиопеленгаторы – устройства сложные и дорогие; кроме того, для их использования необходима лицензия;

чтобы быть обнаруженным, нарушитель должен пользоваться радиосвязью, причем в контролируемом пеленгатором диапазоне

частот.

В данной работе предлагается система, позволяющая в определенных условиях добиться того же результата, и лишенная указанных недостатков.

Структурно система состоит из центрального поста (сбора и обработки данных) и двух или более необслуживаемых периферийных постов (видеонаблюдения), объединенных в единую сеть (рис.1.). После разворачивания системы для работы с ней достаточно присутствия одного человека на центральном посту.

Рис.1. Структурная схема системы

55

Периферийные посты отвечают за получение изображения интересующего оператора сектора пространства. Каждый из этих постов представляет собой видеокамеру, закрепленную на поворотном устройстве, позволяющем поворачивать ее на 360 градусов в горизонтальной плоскости и на 180 градусов в вертикальной (рис.2.). Сигнал с выхода видеокамеры передается на центральный пост. Оттуда, в свою очередь, производится управление поворотным устройством.

Рис.2. Видеокамера на поворотном устройстве

Центральный пост представляет собой компьютер, снабженный большим монитором (или несколькими), позволяющим одновременно отображать изображения со всех периферийных постов системы, и мощный процессор, обеспечивающий вычисление местоположения заинтересовавшего оператора объекта в реальном времени.

Связь между постами осуществляется по радиоканалу. Самым простым на сегодняшний день является применение систем широкополосной связи семейства стандартов IEEE 802.11 (Wi-Fi).

Рассмотрим принцип работы описываемой системы. Как уже говорилось выше, в ее состав должно входить минимум два периферийных поста. При этом в состав каждого поста входит видеокамера, характеризующаяся углами обзора по горизонтали и

соответственно). Периферийные посты располагают таким образом, чтобы секторы выводимого ими изображения перекрывались (рис.3). Если посты оборудованы поворотными устройствами, то за нулевое направление в горизонтальной плоскости принимают направление на север, а в вертикальной плоскости – за направление параллельное плоскости земли. Если же поворотные устройства отсутствуют, то расположение каждой камеры относительно этих нулевых направлений в обязательном порядке фиксируется. Таким образом, в каждый момент

времени видеосъемки известно, в какую сторону направлена видеокамера. Это позволяет определить направление на любой объект на передаваемом с периферийного поста изображении (рис. 4).

Пост видеонаблюдения 1

Контролируемая область

Пост видеонаблюдения 2

Рис.3. Расположение периферийных постов

β

y 0

α

Рис.4. Изображение с камеры видеонаблюдения

Таким образом, приведенная система позволяет организовать наблюдение за природными объектами в некотором участке пространства.

Как и у любой системы регистрации, основными характеристиками рассматриваемой системы являются вероятности ложной тревоги и пропуска сигнала. Таким образом, основной задачей оптимизации системы является поиск таких ее параметров, при которых величины этих вероятностей будут оптимально соответствовать цели, с которой производится использование системы.

Существует множество способов оптимизации основных характеристик системы в зависимости от цели ее применения. Например, если система предназначена для защиты области пространства от вторжения людей, то она должна срабатывать при пересечении границ области предметов, соответствующих по размеру человеческому телу. Предметы со значительно меньшими размерами должны игнорироваться. Таким образом, внедрение простейшей системы распознавания образов, определяющей линейные размеры цели, совместно с элементарной системой принятия решений, определяющее наличие вторжения по этим размерам, способно значительно уменьшить вероятность ложной тревоги и, таким образом, улучшить характеристики системы.

56

Рассмотренная система обладает следующими преимуществами:

система не содержит в себе дорогих и не всем доступных устройств специального назначения (радиолокаторов и т.п.);

система построена на основе устройств, широкий ассортимент которых имеется в свободном доступе на рынке;

в конфигурации с записью видеосигнала на жесткий диск система пассивна, т.е. не имеет радиопередающих модулей, что позволяет обеспечить скрытность;

в конфигурации с передачей видеопотоков от периферийных постов по радиоканалу система обеспечивает вывод и обработку данных в реальном времени;

для работы с системой требуется только один человек.

Описанная система имеет и ряд недостатков:

применение поворотного устройства ограничивает возможность слежения за быстро перемещающимися объектами: механическое поворотное устройство с применением сервоприводов имеет ограниченную скорость движения; система может быть обнаружена с использованием специальных устройств, осуществляющих поиск камер видеонаблюдения по бликам;

так как система оптическая, то посты видеонаблюдения должны располагаться на открытом пространстве (либо, для наблюдения

за воздушными объектами – на вершинах деревьев).

Однако, она может быть использована в случаях, когда соблюдаются необходимые условия ее эксплуатации – прежде всего, для наблюдения за природными объектами на открытой местности. При этом стоимость такой системы, как и стоимость ее обслуживания, намного меньше стоимости спецсредств, предназначенных для выполнения подобных целей. Таким образом, в авиационной орнитологии система локализации объектов природного происхождения может быть применена как для изучения перемещений птиц, так и совместно с различными средствами отпугивания птиц.

Литература

1.Быстров Р.П., Соколов А.В. Пассивная радиолокация: методы обнаружения объектов. – М.: Радиотехника, 2008.

– 320 с.

2.Авдюшина А.Е., Звягинцева А.В. Локализация объектов в распределенной системе видеонаблюдения /Информация и безопасность. Воронеж: ГОУВПО «ВГТУ» , 2010. Т.13,

ч. 4. с.583 -586.

3.Авдюшина А.Е., Звягинцева А.В. Локализация объектов в автоматизированной системе видеонаблюдения /Информация и безопасность: региональный научно-

технический журнал. Воронеж, 2011.Т.14, вып.4 с.583586.

Одним из путей повышения служебных характеристик теплозащитных покрытий (ТЗП) для изделий ракетно-космической техники является использование двухслойных покрытий на основе композиционных смесей. Однако практическая реализация такого подхода требует проведения комплекса исследований по влиянию состава, соотношения толщин подслоя и основного слоя, режимов нанесения слоев на основные характеристики ТЗП.

С целью оценки возможности применения композиционных смесей для ТЗП был выполнен ряд экспериментов по нанесению их на образцыиммитаторы камер сгорания ЖРД. Эксперименты были направлены на определение потенциального влияния химического состава используемых смесей, на адгезионную прочность и термическую стойкость получаемого покрытия.

Порошки наносились на имитатор стенки камеры сгорания способом атмосферного плазменного напыления. Для нанесения двухслойного теплозащитного покрытия использовались следующие порошковые материалы:

- для нанесения подслоя

1)порошок марки ПХ20Н80 56 - 26 выпускаемый по ГОСТ 13084 – 88;

2)порошок ПТЮ-10Н выпускаемый по ТУ 14- 1-3926-85.

- для нанесения основного слоя

1)смесь, состоящая из порошка диоксида циркония и порошка ПХ20Н80, стабилизированная 8 % оксида иттрия (состав №1);

2)смесь, состоящая из порошка диоксида циркония и порошка ПТЮ-10Н, стабилизированная 12 % оксида иттрия (состав №2);

Все образцы - иммитаторы изготовлены из хромистой бронзы марки БрХ08 и прошли термическую обработку по режимам, применяемым на изделии.

Подготовка поверхности образцов под напыление осуществлялась в установке пескоструйной обработки карбидом кремния марки 53С зернистостью 125…100. Такая подготовка поверхности обеспечивает требуемую Rz ≥ 50 мкм шероховатость поверхности.

Нанесение теплозащитного покрытия осуществлялось на установке УПУ-3Д. В качестве

плазмообразующего газа применялся аргон с добавлением водорода.

Испытание покрытия на адгезионную прочность осуществлялось в разрывной машине FP 100 / 1 в соответствии с ОС 92.1406-68. Для данного испытания к образцу с покрытием приклеивается ответная часть – образец аналогичной формы и размеров. В качестве клеевой прослойки применяется пленочный клей «ВК-3А».

Проверка термостойкости осуществлялась путем нагрева образца со стороны покрытия пламенем ацетилен - кислородной горелки Нагрев производился до температуры 600 ˚С и выдержке при этой температуре 1 минуту. Температура измерялась хромель-алюмелевой термопарой с индикацией на потенциометре. После этого образец охлаждался в воде с температурой 20 ˚С. Проверка осуществлялась до появления дефектов покрытия.

Результаты испытаний покрытий различного химического состава на прочность сцепления представлены на рис. 1.

2

1

Рис. 1. Зависимость прочности сцепления покрытия (σсц) от содержания оксида иттрия в керметной смеси (1 кривая

– подслой ПХ20Н80, 2 кривая – подслой ПТЮ-10Н)

Данные сравнительных испытаний адгезионной прочности для теплозащитного покрытия с различным композиционным составом выявили влияние химического состава используемых смесей на адгезионную прочность и термическую стойкость получаемого покрытия. Прочность подслоя нанесенного с применением материала ПТЮ-10Н превышает значения, полученные при применении штатного порошкового материала ПХ20Н80. Для основного слоя лучшие результаты наблюдаются при использовании керметной смеси стабилизированной

12 % оксида иттрия, при этом обеспечивается требуемая термостойкость покрытия.

Для определения оптимального сочетания толщины слоев стандартного ТЗП «Кермет» весь диапазон значений толщин, как слоя, так и подслоя был разделен на три интервала. Исходя из технологии нанесения для подслоя интервалы составили от 60 до 70 мкм, от 90 до 100 мкм и от 120 до 130 мкм. Для основного покрытия – от 90 до 100, от 110 до 120 и от 170 до 180 мкм. Контроль толщины покрытия проводился двумя путями: на настроечных образцах и образцах-свидетелях микрометром и прибором - толщиномером «Константа К-5».

Результаты испытаний для подслоя и двухслойного покрытия приведены на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Зависимость прочности сцепления подслоя с основой (σсц) от толщины (δ)

1

3

2

Рис. 3. Зависимость прочности покрытия (σсц) от толщины керметного слоя (δ): 1 кривая – толщина подслоя от 60 до 70 мкм; 2 кривая – толщина подслоя от 90 до 100 мкм; 3 кривая – толщина подслоя от 120 до 130 мкм.

Анализ результатов показывает, что максимальные значения прочности сцепления подложки соответствует интервалу от 90 до 100 мкм. В то же время σсц всего ТЗП имеет близкие максимальные значения как для подслоя от 60 до 70 мкм, так и для интервала от 90 до 100 мкм. В целом увеличение толщин свыше определенных значений, как подслоя, так и основного покрытия приводит к снижению σсц, что, видимо, обусловлено ростом остаточных термических напряжений, образующихся в контактных зонах покрытия.

Для оценки термостойкости, по результатам испытаний на прочность сцепления покрытия, были выбраны два сочетания толщин подслоя и покрытия с лучшими показателями: подслой от 60 до 70 мкм, основное покрытие толщиной от 100 до 110 мкм и подслой от 90 до 100 мкм; основное покрытие от 110 до 120 мкм. Результаты испытания представлены в таблице.

Лучшие показатели прочности и термостойкости ТЗП «Кермет» наблюдаются при сочетании толщины подслоя от 90 до 100 мкм и основного покрытия от 110 до 120 мкм.

Таким образом, исследования показали, что толщина слоев и их сочетание оказывает немаловажную роль в общей прочности покрытия и его термостойкости. Ограничение подслоя толщиной от 90 до 100 мкм в сочетании с керметным слоем толщиной от 110 до 120 мкм обеспечивает повышение прочности теплозащитных покрытий в 1,5 – 1,6 раза и термостойкости в 1,8 раза в сравнении с нормативными значениями.

По результатам оценки прочности покрытия определен оптимальный режим напыления подслоя, соответствующий ~ 16 кВт подводимой к плазмотрону мощности.

Для устранения влияния эрозии анодного узла плазмотрона на стабильность технологических параметров процесса, исключения недопустимых медных включений в материале покрытия был конструктивно изменен анодный узел за счет использования тугоплавкой графитовой вставки с экспериментально подобранным наружным диаметром (рис. 4). Проведенные испытания показали отсутствие негативного влияния графитовой вставки на характеристики получаемого покрытия, повышение стабильности электрических параметров работы плазмотрона.

Рис. 4. Анодное сопло из меди (слева) и с графитовой вставкой (справа)

Проведенные исследования и полученные результаты послужили основой технических и технологических рекомендаций, использованных в технологии нанесения ТЗП на изделие и обеспечивших экономический эффект на планируемую годовую программу выпуска камер сгорания 122,8 тыс. руб.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения плазмотрона с графитовой вставкой на планируемую годовую программу выпуска изделий составит 218,3 тыс. руб.

58