Формирование выходных характеристик многомодульной электротепломеханической системы

Предложена методология формирования выходных механических и тепловых характеристик многомодульной электротепломеханической системы, основанная на представлении о многомассовости кинематической подсистемы и использовании пинч-анализа для теплообменной подсистемы....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2003
1. Verfasser:	Заблодский, Н.Н.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2003
Schriftenreihe:	Електротехніка і електромеханіка
Schlagworte:	Електричні машини та апарати
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143674
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Формирование выходных характеристик многомодульной электротепломеханической системы / Н.Н. Заблодский // Електротехніка і електромеханіка. — 2003. — № 4. — С. 32-35. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-143674
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1436742018-11-09T01:23:19Z Формирование выходных характеристик многомодульной электротепломеханической системы Заблодский, Н.Н. Електричні машини та апарати Предложена методология формирования выходных механических и тепловых характеристик многомодульной электротепломеханической системы, основанная на представлении о многомассовости кинематической подсистемы и использовании пинч-анализа для теплообменной подсистемы. Запропонована методологія формування вихідних механічних та теплових характеристик багатомодульної електротепломеханічної системи, яка ґрунтується на уявленні про багато масовість кінематичної підсистеми і використанні пінч-аналіза теплообмінної підсистеми. Methodology of output mechanical and thermal characteristics synthesis in poly-module electrothermo-mechanical system is offered. The methodology used concept of poly-weight kinematic subsystem and pinch-analysis for a heatexchange subsystem. 2003 Article Формирование выходных характеристик многомодульной электротепломеханической системы / Н.Н. Заблодский // Електротехніка і електромеханіка. — 2003. — № 4. — С. 32-35. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 2074-272X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143674 621.313.33:621.318.122 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати
spellingShingle	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати Заблодский, Н.Н. Формирование выходных характеристик многомодульной электротепломеханической системы Електротехніка і електромеханіка
description	Предложена методология формирования выходных механических и тепловых характеристик многомодульной электротепломеханической системы, основанная на представлении о многомассовости кинематической подсистемы и использовании пинч-анализа для теплообменной подсистемы.
format	Article
author	Заблодский, Н.Н.
author_facet	Заблодский, Н.Н.
author_sort	Заблодский, Н.Н.
title	Формирование выходных характеристик многомодульной электротепломеханической системы
title_short	Формирование выходных характеристик многомодульной электротепломеханической системы
title_full	Формирование выходных характеристик многомодульной электротепломеханической системы
title_fullStr	Формирование выходных характеристик многомодульной электротепломеханической системы
title_full_unstemmed	Формирование выходных характеристик многомодульной электротепломеханической системы
title_sort	формирование выходных характеристик многомодульной электротепломеханической системы
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2003
topic_facet	Електричні машини та апарати
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143674
citation_txt	Формирование выходных характеристик многомодульной электротепломеханической системы / Н.Н. Заблодский // Електротехніка і електромеханіка. — 2003. — № 4. — С. 32-35. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT zablodskijnn formirovanievyhodnyhharakteristikmnogomodulʹnojélektroteplomehaničeskojsistemy
first_indexed	2025-07-10T17:42:06Z
last_indexed	2025-07-10T17:42:06Z
_version_	1837282707575406592
fulltext	32 Електротехніка і Електромеханіка. 2003. №4 ISBN 966-593-254-4 УДК 621.313.33:621.318.122 ФОРМИРОВАНИЕ ВЫХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОМОДУЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Заблодский Н.Н., к.т.н., доц. Донбасский горно-металлургический институт Украина, 94204, Луганской обл., Алчевск, пр. Ленина, 16, ДГМИ, каф. “Электрические машины и аппараты” тел. (06442) 2-05-64, факс (06442) 2-05-64, E-mail: info@dgmi.edu.ua, rector@dgmi.edu.ua. Запропонована методологія формування вихідних механічних та теплових характеристик багатомодульної елект- ротепломеханічної системи, яка ґрунтується на уявленні про багато масовість кінематичної підсистеми і викорис- танні пінч-аналіза теплообмінної підсистеми. Предложена методология формирования выходных механических и тепловых характеристик многомодульной элек- тротепломеханической системы, основанная на представлении о многомассовости кинематической подсистемы и использовании пинч-анализа для теплообменной подсистемы. ВВЕДЕНИЕ Разработка многофункциональных устройств, предполагающих не только функциональное совме- щение, но и интеграцию электрических и тепловых процессов – одно из основных направлений по созда- нию энергосберегающих технологий. Известны мето- ды формирования механических характеристик элек- тромашинных агрегатов с жестокой механической связью между валами, электрических валов, т.е. взаи- мосвязанного электропривода [1]. Однако известные методы не охватывают класс электротепломеханиче- ских систем (ЭТМС), имеющих многомодульную стркутуру, объединенную одним внешним массивным ротором, выполняющим функции механического и электрического валов [2, 3, 4]. ЭТМС наделены тех- нологическими функциями (транспортировка, сушка, нагрев, перемешивание), причем перерабатываемый материал является одновременно рабочим телом и охлаждающей средой для ЭТМС. Целью статьи является изложение методологии формирования выходных механических и тепловых характеристик ЭТМС. МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭТМС Наибольший интерес представляет шнековая ЭТМС для транспортировки, нагрева (сушки) и пере- мешивания сыпучих веществ (рис. 1). В этих устрой- ствах использован режим торможения противовклю- чением отдельных модулей (статоров) с целью полу- чения пониженной частоты вращения шнека (60 – 80 об/мин) без применения механического редуктора. Тепловая энергия от потерь в роторе полностью ис- пользуется для нагрева перерабатываемых сыпучих ингредиентов. Уравнение движения для ЭТМС имеет следую- щий вид: n n n p i i ci p i i 1 i 1 i 1 d dM M J J dt dt          , (1) где Мi, Mci, Ji, i - соответственно момент электро- магнитный, момент нагрузки, момент инерции массы и угловая скорость абсолютного вращательного дви- жения транспортируемого материала на i-м участке шнека; Jp, p – момент инерции и угловая скорость массивного ротора. Таким образом, ЭТМС представляет собой мно- гополюсную систему, причем при строгом рассмотре- нии моменты инерции Ji масс материала и жесткость кинематических звеньев на і-х участках являются пе- ременными величинами. Количество выгрузочных патрубков шнека для реальных установок может дос- тичь шести, т.е. необходимо вести оценку механиче- ских параметров на шести участках шнека. Поскольку наполняемость желоба шнека по мере удаления от выгрузочного патрубка убывает, то угловые скорости абсолютного вращательного движения материала бу- дут различны: 2i i v r   , (2) где r – наружный радиус винта шнека; v2i – касатель- ная составляющая скорости, характеризующая ок- ружную скорость точки в абсолютном вращательном движении. Далее для каждого из участков ведется оценка суммарной удельной механической мощности: уд.і 1уд.і 2уд.і 3уд.і 4уд.і к.э.уд.іN N N N N N     , (3) где N1уд.і, …, N4уд.і – соответственно удельные мощно- сти, затрачиваемые на подъем материала, преодоле- ние трения материала о лопасть, преодоление сопро- тивления трения материала о желоб, перемешивания и перемалывания материала; Nк.э.уд.і – удельная мощ- ность, затрачиваемая на сообщение материалу кине- тической энергии. При известной угловой скорости шнековой ЭТМС определяются соответствующие моменты на- грузки Мсі на отдельных участках. Решая известными аналитическими методами [5] в декартовой системе координат краевую задачу при постоянной величине магнитной проницаемости фер- ромагнитного сплошного ротора, получим выражение для электромагнитного момента Мі, приложенного к соответствующим участкам ротора ЭТМС. Установившейся режим ЭТМС наступает при n n i ci i 1 i 1 M M 0      . ISBN 966-593-254-3 Електротехніка і Електромеханіка. 2003. №4 33 Рис. 1. Шнековая ЭТМС: 1 – статоры; 2 – массивный ротор шнека; 3 – воздушный зазор; 4 – днище шнека; 5 – индукторы для дополнительного подогрева днища На рис. 2 представлена механическая характери- стика для одной пары модулей ЭТМС, расположен- ных на одном из участков шнека. Рис. 2. Механические характеристики противодействующих модулей Рабочие скольжения находятся в зоне значений, близких к s = 1. Условия постоянной скорости и ус- тойчивости частоты вращения шнека в данном случае следующие 1 2 cM M M 0   , (4) c1 2 dMdM dM 0 d d d       , (5) где М1 и М2 – моменты противодействующих моду- лей; Мс – момент сопротивления транспортируемого материала на данном участке шнека. Более сложная картина взаимодействия электро- магнитных и нагрузочных моментов возникает в слу- чае, когда отдельные модули, работающие в режиме противовключения, находятся на различных участках шнека. В этом случае для любого из режимов работы шнековой ЭТМС находят эквивалентный момент на- грузки для различных угловых скоростей абсолютно- го вращательного движения и моментов инерции масс материала на смежных участках шнека. ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭТМС Изначально задаются такие величины как выход конечной продукции (производительность шнека), его начальная и конечная температура и влажность. Далее ведутся расчеты материальных и энергетических ба- лансов отдельных ветвей технологического потока. Расчет соответствующих механических мощностей рассмотрен нами ранее. По известным методикам ве- дутся тепловые расчеты внутримодульной структуры [6], а также необходимой тепловой энергии для на- грева (сушки) материала до заданной температуры (влажности). Часть требуемой тепловой нагрузки мо- жет обеспечиваться за счет рекуперации теплоты тех- нологического потока, но основная часть тепловой нагрузки требует подвода внешних источников энер- гии (внешних горячих утилит). Затем приступаем к проекту теплообменной системы. В результате уточ- няются значения внешних утилит. Необходимо отметить, что все этапы и процедуры проектирования взаимосвязаны и взаимообусловлены. Технологические потоки при сушке сыпучего материала можно разделить на две группы. В одну из них войдут те потоки, которые необходимо нагреть – холодные потоки, в другую – потки, требующие ох- лаждения перед дальнейшей их обработкой (напри- мер, сепарацией) – горячие потоки. Изменение тепло- содержания указанных потоков анализируют на тем- пературно-энтальпийной плоскости. Связь между из- менением температуры потока и уменьшением (уве- личением) его теплосодержания – энтальпии в общем случае будет выражаться нелинейной функцией: pdH c MdT , (6) где ср – удельная теплоемкость вещества в технологи- ческом потоке при постоянном давлении, Дж.кг·К; М – массовый расход вещества потока, кгс/с; Т - темпе- ратура, К; Н – теплосодержание потока, Вт. Общее изменение теплосодержания технологиче- ского потока в пределах изменения его температуры: 2 1 T p T H c MdT   , (7) Дополнительно введем понятие потоковой теп- лоемкости СР(Т), которая равна произведению удель- ной теплоемкости ср и расхода М: 34 Електротехніка і Електромеханіка. 2003. №4 ISBN 966-593-254-4 Рис. 3. Технологическая схема шнековой ЭТМС   T HCP T lim T     . (8) Движущей силой в процессе теплопередачи яв- ляется температурный напор ΔТ или разность темпе- ратур теплоносителей, участвующих в теплообмене. На рис. 3 представлена технологическая схема шне- ковой ЭТМС для переработки рутилового продукта. Технологический поток условно разделен на не- сколько (В зависимости от точности расчета) цилинд- рических слоев сыпучего материала, двигающегося параллельно оси шнека в одном направлении и имеющих средние значения температур Тср1, …, Тсрn. Первый и n-й слои находятся в контакте с цилиндри- ческими стенками массивного ротора и желоба шне- ка. Указанные слои снабжаются горячими утилитами путем возбуждения в стенках вихревых токов и пере- дачи тепла от джоулевых потерь в других активных частях модулей шнека. Промежуточные слои получа- ют тепло за счет теплопередачи при теплообмене с первым и k-м слоями. Кроме того, учитываются диф- фузионный поток или поток принудительного пере- мешивания. На температурно-энтальпийной плоскости стро- им кривые холодных и горячих потоков для каждого из участков шнековой ЭТМС (рис. 4). На первом участке увеличение теплосодержания всех слоев происходит за счет внешних утилит. На последнем участке шнека первый и k-й потоки уже не получают горячих утилит и становятся горячими. В этом случае показаны составные кривые холодных и горячих потоков. При формировании тепловых харак- теристик необходимо выполнить следующие условия: 1) потоки первого и k-го слоев нельзя перегревать выше допустимых температур, которые определяются условиями сепарации сыпучих материалов; 2) внутренние потоки необходимо довести до мини- мально допустимой температуры (например, 100 ºС). Поэтому необходимо организовать либо интен- сивное перемешивание потоков (дополнительная ме- ханическая энергия), либо вдувание во внутренние слои дополнительно нагретого за счет внешних ути- лит воздуха. На рис. 4 указанная тепловая мощность равна Qнmin. Зона, где составные кривые горячих и холодных потоков располагаются одна за другой, со- ответствуют теплообмену этих потоков. Величина ΔТmin – пинч и соответствует наименьшему расстоя- нию между составными кривыми потоков [6]. Чем меньшее значение ΔТmin мы можем получить в тепло- вой структуре ЭТМС, тем меньшее значение внешних горячих утилит потребуется. Как уже отмечалось, методология создания ЭТМС базируется на интеграции в одном устройстве свойств и структур таких устройств, как нагреватель, электропривод и исполнительный механизм, с сохра- нением целевой функции той технологической цепи, которые данные устройства обеспечивали. При этом все виды диссипативной энергии, которые ранее от- носились к потерям, используются в технологическом процессе переработки сыпучих и легкоплавких мате- риалов. Существенной разницей в походах по созданию ЭТМС и созданию элек5троприводов, в том числе в методах инженерных расчетов, является то, что в ЭТМС тепловой расчет выполняется не только с це- лью оценки допустимых нагревов изоляционных структур, а прежде всего с целью максимального ис- пользования диссипативной энергии. Сформулируем основные принципы интеграции тепловых процессов в ЭТМС: 1. Принцип координации термоградиента. Эффектив- ное использование диссипативной энергии возможно при условии, когда термоградиенты d/dn = grad по линии связи активных частей с перерабатываемым материалом имеют направления в сторону активных Н = 30 кВт Н = 25 кВт Н = 75 кВт Н = 85 кВт 40º 40º 40º 40º 90º 42º 60º 60º 80º 90º 105º 45º 47º 45º 43º Первая выгрузка ISBN 966-593-254-3 Електротехніка і Електромеханіка. 2003. №4 35 Рис. 4. Кривые холодных и горячих потоков шнековой ЭТМС частей. В процессах сушки сыпучих веществ градиен- ты температуры и влажности в системе ЭТМС- маатериал не должны иметь противоположное на- правление. 2. Принцип долевого распределения механической и тепловой энергии, который воспроизводится автома- тически (даже без дополнительных управляющих устройств) в конструкции ЭТМС и проявляется в ре- гулировании интенсивности теплоотдачи и доли теп- ловой энергии ротора с обеспечением примерно оди- наковой скорости передачи тепла к перерабатываемо- му материалу. 3. Принцип обеспечения замкнутости тепловых цепей в системе ЭТМС-перерабатываемый материал. Сте- пень замкнутости может быть оценена тепловым КПД ЭТМС. Изложенная в статье методология формирования выходных характеристик использована при создании шнека длиной 10 м для транспортировки и нагрева рутилового продукта на Вольногорском государст- венном горно-металлургическом комбинате. ВЫВОДЫ 1. При формировании механических и тепловых характеристик ЭТМС рабочая среда (сыпучий мате- риал) рассматривается как элемент этой системы. 2. Механическая система ЭТМС представляется как многомассовая система с элементами, имеющими, в общем случае, различные значения моментов инер- ции и кинематической жидкости. 3. Результирующие механические характеристики ЭТМС определяются взаимодействием электромаг- нитных моментов противодействующих модулей и нагрузочными моментами каждого из участков шне- ковой ЭТМС. 4. Для анализа сложных тепловых процессов ЭТМС на стадии проектирования целесообразно при- менять элементы пинч-анализа тепловой системы. ЛИТЕРАТУРА [1] Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электроприво- да. – М.: Энергоиздат, 1981. – 576 с. [2] Патент України № 39226, 7Н05В 6/10. Заглибний елект- ронагрівач //Заблодський М.М., Верімієнко В.І.-Бюл. № 5, част. 1.-2001. [3] Деклараційний патент № 50242А. 7F26B17/18. Шнеко- вий сушильний апарат // Заблодський М.М. та інш.-Бюл. № 10.-2002. [4] Заблодский Н.Н., Захарченко П.И., Плюгин В.Е. Мате- матическое моделирование процессов тепло- массооб- мена и гидродинамики вращающегося электромехани- ческого нагревателя // Вестник НТУ «ХПИ». Тем. вып.: Проблемы усовершенствования электрических машин и аппаратов. Теория и практика.- Харьков: НТУ «ХПИ».- 2001. - № 16.-С. 77 – 80. [5] Дегтярева Е.Л., Потапов Л.А. исследование механиче- ских характеристик электрической машины с массив- ным ферромагнитным ротором // Изв. вузов. Электро- механика. – 1998. - № 2.-С.23 – 27. [6] Заблодський М.М. Теплові розрахунки електротехнічних устаткувань: Навч. посібн. – Алчевськ: ДГМІ, 2003. – 289 с. [7] Linnhoff B. Pinch Analysis–a State–of–the–art Overview // Trans IChemE. 1993. Vol 71. Part A, No. 9. P. 503 – 522. Поступила 1.09.2003 Qн 50 100 150 200 250 300 T, ºC 1й участок Последний участок ΔТmin (пинч) 1 K 1 2  Qн min Н, кВт К

Формирование выходных характеристик многомодульной электротепломеханической системы

Institution

Ähnliche Einträge