Вестник Южно-Уральского государственного Университета. Серия: «Энергетика»

ВЛИЯНИЕ РЯДА КОРИДОРНОГО ПУЧКА НА ТЕПЛООБМЕН В ПУЛЬСАЦИОННОМ ПОТОКЕ

А.И. Хайбуллина — 2024-06-30

Теплообменные аппараты, с плотными пучками труб, широко распространены в энергетической отрасли. В свою очередь повышение эффективности теплообменного оборудования тесно связано с различными методами интенсификации теплообмена. Одним из таких методов является вынужденная пульсация потока, при этом пульсирующие течения в пучках труб ограничены единичными работами. В данной статье, численным методом, рассмотрено влияние положения цилиндра в пучке труб на его теплообмен, в условиях пульсационного потока. Численный эксперимент проводился в условиях двухмерного течения, с продольным и поперечным относительным шагом 1.4. Число трубок в продольном направлении составляло 7. Число Рейнольдса соответствовало 1500, при этом теплофизические свойства рабочей среды принимались постоянными и соответствовали числу Прандтля 4.03. Расчеты проводились в Ansys Fluent при стационарном и пульсационном течении. Вынужденные пульсации потока имели несимметричный возвратно поступательный характер. Амплитуда пульсаций, отнесенная к диаметру цилиндра, A/D принимала значения 0,1, 0,2, 0,3 и 0,4, частота пульсаций соответствовала 0,2, 0,4, 0,6 и 0,8 Гц. Результаты численного эксперимента показали, что как при стационарном, так и при пульсационном течении происходит увеличение теплообмена по глубине пучка труб. Максимальное увеличение теплоотдачи происходит на последнем ряду. В пульсационном течении при всех исследованных режимах наблюдается интенсификация теплообмена для всех рядов пучка труб, при этом интенсификация различна в зависимости от ряда и режима пульсаций. Теплоотдаче первого ряда и последующих рядов в пульсационном течении меньше по сравнению со стационарным течением, поэтому для первого ряда наблюдается максимальная интенсификация. Влияние положение цилиндра по глубине коридорного пучка труб уменьшалось с повышением частоты и амплитуды пульсаций. Максимальная интенсификация 1,51 раза наблюдалась на первом ряду при максимальной амплитуде и частоте пульсаций.

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОСТРОЕНИЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ МНОГОФАЗНЫХ ПОТОКОВ НАРУЖНЫХ СЕТЕЙ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

А.М. Петров — 2024-06-30

Коллективом авторов отмечается, что проектирование современных систем теплоснабжения 4-го поколения заключается в применение современных цифровых технологий с использованием анализа и обработки больших данных и в том числе прогнозировании поведения самой системы теплоснабжения в целом. Поэтому разработка цифровых моделей является одной из актуальных проблем в современном теплоснабжении.

Материалом исследования научной работы являются термодинамические процессы многофазных потоков наружных сетей теплоснабжения. Приводится описание и расчет методики построения физико-математических моделей термодинамических процессов многофазных потоков наружных сетей теплоснабжения с использованием метода Рунге-Кутты/WENO.

Отмечается, что математически возможно выразить термодинамические процессы, как непрерывные процессы, представления о которых можно поучить с помощью осреднения параметров фаз рассматриваемого потока. Прежде всего, свойство непрерывности говорит о том, что малые изменения аргумента приводят к малым изменениям значения функции. Но все же, с точки зрения физики можно считать поток гетерогенным, а значит, обладающим явлением межфазного взаимодействия, следовательно, такие взаимодействия необходимо учитывать при составлении уравнений.

Результаты. Проведенные расчеты позволяю сделать вывод, что предложенная система является удобной, для построения вычислительного алгоритма, на основе методов Рунге-Кутты/WENO в сочетании с модификациями TVD-схем и WENO-схем. В процессе расчета, авторы анализируют сложности, возникающие при моделировании межфазного взаимодействия, принимают необходимость учитывать ряд требований для их разрешения, а именно: гиперболичность систем уравнений, согласованность получаемой физико-математической модели с необходимыми законами и другие.

Выводы. Предложенная методика позволяет, математически представить многофазный поток в виде приходящего потока данных с однородным фоном, в перспективе удобным для обработки с помощью информационных технологий.

ОЦЕНКА ОХЛАЖДАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГИБРИДНОЙ ГРАДИРНИ С ОРЕБРЕННЫМ ТРУБЧАТЫМ РАДИАТОРОМ

И.Н. Мадышев — 2024-06-30

Градирни являются важным компонентом систем оборотного водоснабжения промышленных предприятий. При сравнении различных типов охлаждения испарительное является наиболее эффективным, однако из-за имеющихся недостатков были проведены исследования по их оптимизации. Гибридные системы охлаждения являются наиболее практичными и эффективными способами предотвращения образования большого парового факела, добавления избыточного количества подпиточной воды. В дополнение к этому гибридные градирни обеспечивают дополнительные преимущества по сравнению с другими обычными градирнями с точки зрения эффективности протекания процесса, а также экономии использования химических реагентов при техническом обслуживании. Авторами предложена конструкция гибридной градирни с оребренным трубчатым радиатором. Для прогнозирования тепло- и массообмена в гибридной градирне была собрана экспериментальная установка, определен тепловой КПД в испарительной части градирни, проанализирована охлаждаюшая способность наклонно-гофрированных контактных элементов с оребренным трубчатым радиатором. При увеличении плотности орошения охлаждающей жидкости наблюдается, как правило, незначительное снижение тепловой эффективности в результате сопротивления, оказываемого потоку воздуха в пространстве гофрированных элементов. Исследования показали, что наиболее высокая охлаждающая способность наклонно-гофрированных контактных элементов наблюдается при невысоких массовых плотностях орошения, может достигать 35% без существенного капельного уноса.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ В УСЛОВИЯХ ДУГОВЫХ ПЕРЕМЕЖАЮЩИХСЯ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА RTDS

В.Д. Лебедев — 2024-06-30

В Ивановском государственном энергетическом университете (ИГЭУ) совместно с индустриальными партнерами разработаны комбинированные цифровые измерительные трансформаторы тока и напряжения (ЦТТН). Проведены многочисленные исследования и испытания ЦТТН. Однако некоторые области применения ЦТТН требуют дополнительных исследований. В статье представлена схема для экспериментального исследования комбинированного цифрового измерительного трансформатора тока и напряжения 6(10) кВ в условиях дуговых перемежающихся однофазных замыканий на землю (ДПОЗЗ), с использованием физико-математического моделирования по методу «замкнутого цикла». На основе статистических данных разработана имитационная модель участка района электрических сетей (РЭС) 6 кВ в RSCAD RTDS для моделирования переходных процессов при ДПОЗЗ по известным теориям. В статье приведены результаты верификации модели с программным комплексом Matlab+Simulink и аналитическим решением. Приведены результаты экспериментальных исследований ЦТТН 6(10) кВ в режимах ДПОЗЗ. Сделаны выводы о применимости полученных моделей.

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В КАБЕЛЬНОЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ 10 КВ

А.В. Коржов — 2024-06-30

Статья посвящена определению области эффективного применения защитных устройств (ЗУ) на основе металлооксидных варисторов (МОВ) для ограничения перенапряжений в кабельных распределительных сетях 10 кВ. Представлен оригинальный метод математического моделирования распространения волн перенапряжения в кабельной сети с учетом наличия ЗУ. Метод основан на составлении системы разностных уравнений, связывающих прямые и обратные волны в узлах сети. Данный подход позволяет получить временные зависимости напряжения в любой точке сети, построить карты максимальных перенапряжений и оценить риски возникновения перенапряжений с высокими кратностями. Проведено имитационное моделирование участка кабельной сети, которое позволило оценить эффективность установки ЗУ в узлах сети. Результаты моделирования показали, что наибольший эффект достигается при установке ЗУ в узлах с большим количеством отходящих кабельных линий (КЛ). Также проведено сравнение эффективности ЗУ с различными вольт-амперными характеристиками (ВАХ) и уровнями возникновения частичных разрядов (ЧР). Установлено, что устройства с изменяемой ВАХ демонстрируют значительно большую эффективность в ограничении перенапряжений. Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации защиты кабельных сетей 10 кВ от перенапряжений и повышения надежности электроснабжения.

ПОЛУЧЕНИЕ ДАННЫХ ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ ПО ВЫЯВЛЕНИЮ ГАЗОВЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В СТЕКЛЯННОЙ ДЕТАЛИ ИЗОЛЯТОРА ПС-70Е

А.В. Коржов — 2024-06-30

Рассмотрены вопросы получения данных для обучения систем технического зрения, способных выявлять сферические воздушные включения в стеклянных деталях подвесных изоляторов марки ПС-70Е. Данные представлены для воздушных пузырей диаметрами 1 мм и 2 мм в головке стеклянной детали. Расчет электрического поля при работе изолятора в наихудших условиях эксплуатации позволил выявить области размещения дефектов с нарушением электрической прочности. Для определения наличия дефектов по одному изображению была создана трехмерная модель трассировки лучей, в которой подсветка стеклянной детали осуществляется ортогонально снизу, а съемка производится со стороны головки. На основе моделирования выявлены области расположения воздушных включений диаметрами 1 мм и 2 мм, в которых дефекты не различимы. Установлено, что имеются области расположения дефектов, в которых наблюдается нарушение электрической прочности, но которые не удается выявить при применяемых условиях съемки. Доля областей при изученных условиях, одновременно относящихся к двум названным категориям, составляет суммарно 6,7% и 2,5% для пузырей с диаметрами 1 мм и 2 мм соответственно. Имеются области расположения пузырей, для которых наблюдается значительное искажение фигур дефектов при описанных условиях (22,4% и 20,0% для пузырей 1 мм и 2 мм соответственно).

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА ПОЖАРНЫХ И СПАСАТЕЛЕЙ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО ДЫХАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

А.В. Богданов — 2024-06-30

При выполнении задач в ходе проведения аварийно-спасательных работ и тушении пожаров пожарные и спасатели сталкиваются с воздействием на них опасных факторов пожара, в результате чего они могут оказаться заложниками ситуации, при которой необходимо подать сигнал бедствия. Для повышения безопасности труда пожарных и спасателей предлагается усовершенствованный изолирующий дыхательный аппарат, который позволяет подавать звуковой сигнал бедствия при ликвидации аварий и проведении спасательных работ. В конструкции усовершенствованного изолирующего дыхательного аппарата дополнительно предусмотрено устройство принудительной подачи воздуха на сигнальный свисток. При несчастном случае с пожарным (спасателем) сигнал бедствия должен быть услышан другими пожарными (спасателями). Кроме того, авторами получено математическое выражение для определения расстояния от источника звука в зависимости от уровней звукового давления, создаваемого сигнальным свистком. Данное выражение позволяет правильно подобрать свисток и определить расстояние, на котором будет отчетливо слышен сигнал бедствия. Предлагаемые решения позволят обеспечить своевременную подачу сигнала бедствия пожарным (спасателем) и, следовательно, повысить безопасность их труда.

СПОСОБЫ ОГРАНИЧЕНИЯ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ И ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СИНХРОННЫХ РЕАКТИВНЫХ И ИНДУКТОРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

А.Н. Горожанкин — 2024-06-30

Повреждение обмоток электрических машин приводит не только к выходу их из строя, но и к возникновению опасности поражения электрическим током. По результатам анализа повреждаемости обмоток электрических машин выявлено существенное негативное влияние перенапряжения на данный показатель. Приводятся способы ограничения перенапряжений в синхронных реактивных и индукторных электрических машинах конструктивного и управляющего характера путем изменения гармонического состава тока в фазных обмотках и геометрии активной части электрической машины вблизи воздушного зазора. Введено понятие динамического коэффициента мощности, что позволило оценить эффективность оптимизационных процедур с учетом поиска компромисса между увеличением эффективности электромеханического преобразования энергии и снижением значений параметров питающего напряжения. Показано, что при введении третьей гармоники в спектральный состав тока в обмотках синхронной реактивной машины с зубчатым ротором с амплитудой, равной 10% от амплитуды основной гармоники, удалось увеличить удельный электромагнитный момент и снизить величину питающего напряжения. Путем изменения соотношения намагничивающего и моментообразующих токов в фазных обмотках синхронных реактивных машин за счет изменения угла нагрузки, а в обмотках индукторных электрических машин как за счет изменения угла нагрузки, так и за счет их регулирования получено существенное снижение параметров питающего напряжения на 40% при умеренном снижении электромагнитного момента на 20%.

МЕТОД УЛУЧШЕНИЯ УДЕЛЬНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СИНХРОННЫХ РЕАКТИВНЫХ, ИНДУКТОРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН И ПОВЫШЕНИЯ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

А.Н. Горожанкин — 2024-06-30

Предложен метод оптимизации, который позволил увеличить удельные показатели синхронных реактивных и индукторных электрических машин (удельный момент, КПД, коэффициент мощности) до теоретически возможного предела как при номинальной нагрузке, так и в зоне четырехкратной перегрузки по фазному току. Показано, что удельный момент на единицу массы при равных потерях и тепловых состояниях синхронных реактивных и индукторных электрических машин в сравнении с аналогичным показателем асинхронного двигателя в номинальном режиме лежит в диапазоне от -5% до 75%, в режиме 4-х кратной перегрузки по току – в диапазоне от -36% до 66%. Показатели по действующему и максимальному напряжениям для электрических машин рассматриваемого класса, чья скорость ротора сопоставима с аналогичным показателем асинхронного двигателя, выше на 10-45%. Это следует учитывать при проектировании для них электрического преобразователя, заложив соответствующие запасы по напряжению. Показано, что по величине показателей отношения момента к действующему и максимальному напряжениям синхронные реактивные и индукторные электрические машины превосходят асинхронный двигатель до 3-6 крат. Предложен критерий оптимизации, равный отношению электромагнитного момента к действующему значению индукции в зазоре, который позволит, используя конечно-элементные модели и рассмотренный в статье метод оптимизации, получить оптимальные с точки зрения электробезопасности и потерь в стали синхронные реактивные и индукторные электрические машины.

СРАВНЕНИЕ ИСХОДНОЙ И ОПТИМИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

В.Н. Мещеряков — 2024-06-30

В данной научной статье рассматривается оптимизация структуры управления преобразователем частоты в современном электроприводе и проводится сравнительный анализ исходной и оптимизированной системы векторного управления с использованием компьютерного моделирования. В качестве метода оптимизации выбрано поддержание угла между током статора и потокосцеплением ротора на таком значении, которое будет соответствовать численной близости значений моментообразующей и намагничивающей составляющих статорного тока. Приводятся характеристики асинхронного двигателя, структура модели ПЧ-АД, имитирующей работу грузоподъемного устройства (привода подъема крана), графики момента, тока, скорости, потребления активной и реактивной энергии, tg φ’. Примечательно, что преобразователь частоты, применяющийся при моделировании, является обратимым, то есть допускает двусторонний обмен энергией с сетью. Это обстоятельство предоставляет возможность исследовать систему в момент рекуперации энергии, что является к моменту написания статьи областью, не освещенной в научных трудах, и подчеркивает важность исследования. Исследуется эффективность оптимизации системы векторного управления, в частности по параметру энергопотребления электродвигателя. Результаты показывают, что оптимизированная система векторного управления обеспечивает более высокую энергоэффективность по сравнению с исходной системой. Приводятся численные данные.

АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МУЛЬТИАГЕНТНЫХ СИСТЕМ В ЗАДАЧЕ КРАТКОСРОЧНОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПРЕДПРИЯТИЯ НЕФТЕГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

А.И. Степанова — 2024-06-30

Электротехнические установки и комплексы в нефтегазовой промышленности относятся к объектам критической инфраструктуры. Одно из требований к электротехническому комплексу заключается в соответствии требованиям по обеспечению энергосбережения и энергетической эффективности. Ввиду сложности учета технологических процессов на предприятиях нефтегазовой промышленности, в основном, применяются технические меры, требующие значительных капиталовложений. В данной статье рассматривается возможность внедрения организационной меры, которая заключается в прогнозировании электропотребления предприятия нефтегазовой промышленности. Для демонстрации проблемы прогнозирования, которая заключаются в высокой доле апериодических составляющих графика потребления и его высокой дисперсии, в статье представлен пример на реальных данных. Для решения указанной проблемы в статье анализируется возможность применения мультиагентных систем при реализации организационной меры по повышению энергетической эффективности за счет краткосрочного прогнозирования потребления электрической энергии предприятиями. В статье предложена мультиагентная система, включающая агентов-потребителей (с учетом потребителей-регуляторов), агентов-генераторов и агентов-накопителей. При построении слабосвязанной сети агенты стремятся к решению не только собственной, но и общей целевой функции системы, которая состоит в обеспечении баланса мощности и уменьшении расходов на электрическую энергию. Показано, что возможно снизить расходы предприятия за счет прогнозирования потребления агентами-потребителями, нахождения оптимального графика собственной генерации, накопления электрической энергии и включенности потребителей-регуляторов. В рамках данного исследования для каждого агента определены целевая функция, входные и выходные потоки данных.