автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.03, диссертация на тему:Выбор рациональной схемы и рациональных параметров регулирующего устройства проточного газового маломощного водонагревателя

РГб од

2 9 МАЙ 1995

ВИННШКИЯ ГОСИДАРСТВННЫИ.технический УНИВЕРСИТЕТ

На правах рркапнск

Абдусалак Ахмед Фитури

ЬЫБОР РАЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ И Р АНИОНАЛЬ НЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ПРОТОЧНОГО ГАЗОВОГО МАЛОМОЩНОГО ВОДОНАГРЕВАТЕЛЯ

05. 02. 03 -Систанн приводов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

/)Г

Винницг-1995

Диссертация является рукописью

Работа выполнена в Харьковском государственном политехническом университете

Научный руководитель «

Официальные оппонентьи

кан'дидат технических наук, доцент Запорожец Владимир Петрович

доктор технических наук,профессор Яхно Олег Михайлович кандидат технических наук, доцент Тимченко Григорий Иванович

Ведущая организация : ОКБ "Тепловтокат"

Защига состоится ._1995 г. в 11 _ча с.

на заседании специализированного совета к 10.01.02 при Винницком государственном техническом университете С 286021,Винница,хнельницкое шоссе 95 Э

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Винницкогои государственного технического университета по указаному адресу

Автореферат разослан

.1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета л А Дерибо А. В.

Общая характеристика работн

Актуальность работы. Проблема получения горячей води в битовых условиях при отсутствии квалифицированного обслуживания является актуальной для арабских стран и, в частности, для Ливии.Характерной особенностью Ливийской экономики является наличие большого количества ценового сяияениого газа пропан-бутана", который является естественным продуктом, получаемым при добыче природного газа. Стоимость' горячей воды при скитании скииенного газа примерно в десять раз меньше, чем при использовании электроэнергии. Сегодня в условиях энергетического кризиса, охватывающего все страны мира, проблема энергосбережения остается актуальной и для Ливии. Таким образок, использование проточных газовых маломощных водонагревателей для получения горячей воды в бытовых" условиях позволит Ливийской экономике получить существенную экономии энергоресурсов страны.

Целью работн является анализ работы известных схем регулирующих устройств проточных газовых маломощных водонагревателей для того," чтобы выбрать рациональную схему и рациональные параметры такого устройства, которое могло бы бить использовано в Ливии.

Научная новизна работн заключается в следующем:

1) В качестве преобразователя расхода воды в перепад давления на мембране выбрана короткая кольцевая цель с изменением направления потока воды. Такая кольцевая щель позволяет реализовать расходную характеристику преобразователя, эквивалентную характеристике сопла Вентури и конического дросселя сопло-конус. В результате мн имеем простое конструктивное и технологическое решение, что существенно сникает стоимость механогидравлического преобразователя.

2) Было выполнено экспериментальное исследование коэффициента расхода кольцевой щели,' а такяе проанализирована расходная характеристика кольцевой щели с различной Формой грибка. Аналитически проанализирована картина истечения воды через короткую кольцевую щель.

3) Введен элемент ручного регулирования подачи газа к основным горелкам, в котором в качестве дросселирующих окон выбрано семейство круглнх отверстий разного диаметра. Обоснован выбор геометрических размеров этих отверстий.

4) Разработана методика выбора рациональных параметров регулирующих устройств, позволяющая проектировать проточные газовые маломощные водонагреватели на разлиные расходы горячей воды.

f

Практическое значение работы.

- предлокена конструкция механогидравлического преобразователя, отличающаяся конструктивной и технологической' простотой,надежностью в работе и позволяющая реализовать требуемые статические характеристики;

- предложен элемент ручного регулирования подачи газа к основным горелкам, позволяющий выбирать требуемый режим работы водонагревателя;

- выбраны рациональные параметры регулирующего устройства водонагревателя с'целью его реализации в промышленных условиях;

- результаты работы будут использованы в Ливии. ■Достоверность полученных результатов работы подтверадены:

- разработанной конструкцией регулирующего устройства;

- проведенным экспериментальным исследованием этого устройства и его элементов, совпадающих с результатами расчетов.

На защиту выносятся;

- схема регулирующего устройства проточного газового маломощного водонагревателя;

- математическая модель, описывающая работу этого устройства и егс элементов:

- комплекс программ, обосновывающих анализ математических моделей;

- исследование гидродинамики процесса истечения в короткой кольцевой щели с поворотом потока;

- экспериментальные исследования разработанного автором регулирующего устройства. '

Реализация результатов работы. Разработанное автором регулируищее устройство и полученный массив рациональных параметров этого устройства для различных типоразмеров проточных газовых маломощных' водонагреватлей будут использованы в Ливии для обеспечения населения горячей водой в бытовых условиях.

Аппробация работы. Результаты работы докладывались на шестом Всесоюзном симпозиуме по пневматическим (газвым) приводам и системам управления, Тула,1991, а такве ежегодно на науно-технических семинарах кафедры "Гидропневыоавтоматика и гидропривод" Харьковского государственного политехнического университета.

Публикации. По теме диссертации опубликованы три работы,

Структура и обгем работы. Диссертация содеряит введение, четыре .•главы, общие выводы, список литературы и прилонения. Работа выпо-полнена на страницах, содеряит 115 рисунков. Список литерату-

ры содержит 62 наименования.

Основное содержание работы.

Введение. Обосновывается актуальность работ. Сделан вывод о необходимости разработки проточных газовых маломощных водонагревателей для Ливии с целью получения горячей водя в бнтовнх условиях. Сформулированы требования,'предъявлявшие к этим устройствам с точки зрения надеяности, безопасности работы, конструктивных особенностей и условий эксплуатации.

В первой.главе проведено аналитическое исследование регулирующих устройств проточных газовых маломощных водонагревателей. Рассмотрены три существующие в настоящее время схемы механогидравличёс-ких преобразователей: с последовательным включением проточных' элементов»; с байпасным элементом, работающим на закрытие дросселирующей цели (Рис.1): с байпасным элементом, работающим на открытие дросселирующей щели. Выполнено математическое моделирование каядой из вышеуказанных схем и реализовано речение разработанных математических моделей на ЗВЙ РСЧАТ 286 на языке Турбопаскаль. Получены графические зависимости основных статических характеристик регулирующих устройств, построенных на базе известных механогидравличе-1 ских преобразователей. В частности, были получены такие характеристики как: расходная характеристика иеханогидравлического преобразователя Бв^Рп); расходная характеристика газового клапана, открывающего поступ газа к основный горелкам Ог^НРп); зависимость изменения температуры горячей вода от давления в напорной магистрали ¿Л-1ЧРп). При этом варьировались гидравлические параметры Рп.Ов.Рг, Ог", геометрические параметры сИ,¿2,<13,¿4,¿5; механические параметры ( жесткость и предварительное подяатие пружины, прижимающей тарелку клапана к седлу ) С, УО. В результате выполненного-анализа сделан вывод о том, что регулирующее устройство, реализованное по схеме с байпасным элементом, работающим на закрытие дросселирующей щели, ( Рис.1) отличается наиболее приемлимой статической характеристикой дЬ=(Рп) при использовнвании водонагревателя в бытовых условиях. Поэтому именно эта схема получила широкое распространение в зарубежных конструкциях. Схема с последовательным включением отличается наибольией чувствительностью. Однако при малых расходах воды ее температура достигает температуры кипения. Схема с байпасным элементом, работающим на открытие дросселирующей щели, отличается неудовлетворительной чувствительностью во всем диапазоне изменения расхода воды, а следовательно, не позволяет достичь требуемого уровня температуры нагрева воды. В тоае время показано, что даме реализуемая с помощью регулирующего устройства (Рис.1) характеристика Д1=ПРп) не монет рассматриваться как удовлетворительная.

так кок температура горячей води недостаточна при ее малых расхода> Кроне того, механогидравлический преобразователь, выполнений по схе не на Рис Л, отличается конструктивной сложностью и требует высоког уровня подготовки производства. Поэтому возникает необходимость выбора рациональной схемы регулирующего устройства, а также задача Bt бора рациональных параметров этой схемы.

Во второй главе рассмотрена предлоненная автором схема ыеханогидраЕ лического преобразователя с короткой кольцевой щелью и поворотом потока. Зта схема позволяет обеспечить требуемый харктер зависимости расхода воды через преобразователь от давления в напорной магистрали QB=f(Pn), обеспечить номинальный расход воды через преобраз< ватель при давлени в напорной магистрали 1*10Е5 н/ы2, обеспечитъ нианМ уровень срабатывания преобразователя при давлении в напорно( магистрали 0,15*10Е5 н/м2, обеспечить максимальное перемещение веского центра мембраны 5*Е-Зм. При зтом конструкция преобразователя отличается простотой и технологичностью. С целью анализа гидродинамики потока воды в .короткой кольцевой щели были просмотрены литера турние источники, посвященные этому вопросу. Оказалось необходимым рассмотреть задачу о натекании струи идеальной жидкости, ограничен ной стенками, на пластину бесконечных.и конечных размеров. Задача была доведена до получения зависимости угла наклона вытекающей стр! от длины грибка (Рис.2) путем решения системы уравнений

Х=

к= te 0 =

f In -

1

Ь2= - \-\Jd.lri I

i+vW ^ ^тт feT

ЬЬ ------------у-----■»" - (?)

Щ^Т) + \jjcei-n

Било проведено физическое моделирование картини течения в кольцевой щели на аэродинамическом стенде. Было проведено экспериментальное исследование коэффициента расхода кольцевой щели, позволяющее получить график уК^НПе), а такие уравнение

¿/кл = 0.08523868х^пС 5.80633428*!*е) (4)

путем обработки экспериментальных данных методом наименьших квадратов. Аналитически путем решения на ЗВМ математической модели было проанализировано влияние конструктивных размеров кольцевой щели, геометрической формы грибка, эффективной площади мембраны на расходную характеристику С Рис.3) и характеристику подъемной силы Р=Г(0в) неханогидравлического преобразователя. Была выполнена оценка времени срабатывания преобразователя при варьировании размеров диаметра грибка и эффективной площади мембраны.

В третьей главе рассматривалась задача выбора рациональной схемУ и рациональных параметров газового блока (рис.2). При наличии потока холодной воды через механогидравлический преобразователь на местком центре мембраны возникает усилие, которое преодолевает упругую силу пружины С и открывает, клапан доступа газа к основным горелкам. Ограничительная иайба с!4 слуяит для обеспечения требуемого уровня давления газа Рг в коллекторе, из которого газ через сопло диаметром (к поступает к иняекционной горелке. Для иняекционной горелки на базе уравнений истечения затопленой струи были решены задачи выбора диаметра сопла, обеспечивающего заданную мощность горелки, выбора диаметра горловины иняекционной горелки, а такие расстояния между срезом сопла и входом в инаекционнуга горелку. При расчете газового блока решалась задача о выборе диаметра' ограничительной шайбы. На основании решения системы уравнений

-Ах

]**- ) , (5)

-Й- 2 2 ' (1-е ач ) Р4 (Рсети -РЗ)

Р2:--------------------------- . (В)

п2 ?с2

8 2-2

0 № Гш (1-е ФГ > Рс

- 21 + - ---

//с (1-е ) Р4 Рс п Рс

РЗ, -------------------------- --------------------------- (7)

2 2 ' -Ч* 2 2

, , Р. г 2

Дш По +----------—--—------(1-е ■ ) Р4

п Рс

-6Л Г---

Ок=^с(1-е а* )---- Л---- усРеети -Р4) (8)

4 У ^эгаза

2 2 2 2 2 Ы с Р4 (1-е ) Рсетн + ¿¿щели Рцели РЗ

Р4= -----------------------------V----------------------------О)

22 г 2 - № г

^ щели Рщели + ^£с Р4 (1-е ^ >

и уравнений затопленной струи были получены графики, устанавливающие зависимость расхода газа через газовый блок от его геометрических и газодинамических параметров. Анализ графиков позволяет выбирать рациональные конструктивные параметры газового блока при номинальных ремимах работы'., йвторани была реализована схема комбинированного регулирования подачи газа к основным горелкам путем введения элемента ручного регулирования с дросселирующими окнами, выполненными в боковой поверхности тонкостенного стакана. Введение такого элемента позволило осуществить эффективное управление расходом газа, поступающего к основным горелкам (Рис.4). В четвертой главе выполнен анализ работы регулирующего устройства и выбор его рациональных параметров. Математическая модель регулирующего устройства представлена системой уравнений

[Г

йв=икл Гкл и— \/ра-Рс

(10)

2= (Ра-Рв) Рм = (у+уО) С

-У ли ГГ ,-

(Зк= ис (1-е ) — Л— |/Рсети-Р4 4 К^газа

(И)

Ощели= ^цели Гцели >|— 1/Р4-РЗ «,Ргаза I 2 2 Рцели= — ( 3 I - 43 ) 65

т

Эшайбы

Л ¿шайбы I 2 _

^ шайбы---- .— 1/РЗ-Р2

4 V Огаза

(14)

(15)

(16)

(17)

Ов Св Йв

Совместное решение уравнений (10)-(1?) позволяет получить основные статические характеристики регулирующего устройства Цг=ГС Ов) и во донагревателя д^ПОв). Был выполнен анализ влияния основных конструктивных и механических.параметров регулирующего устройства на эти статические характеритсики: геометрического сечения дросселирующей щели в канале ручного регулирования подачи газа; диаметра седла клапана: диаметра ограничительной шайбы; диаметра сопла иннек-ционной горелки; жесткости и предварительного подяатия пруяины клапана. Полученные графики свидетельствуют о существенном влиянии этих параметров на работу газового блока. Был выполнен анализ быстродействия регулирующего устройства путем реиения системы уравнений

£1(5) 2. т (1 бг К4/(0в а Ов Св)

(18)

0г(5)

Тэ + 1

Мк Ск

\|

ь

2 СРв-Рс) ¿канала

--------------------- (20)

4

Л. 1канала с!м ^в

Показана возмонность эффективного управления бременем срабатывания регулирующего устройства путем изменения диаметра канала грибка (Рис.5). Экспериментальные исследования проточного газового маломощного водонагревателя показали удовлетворительную сходимость результатов расчета с экспериментальными данными. Выбор рациональных параметров регулирующего устройства состоял в обеспечении требуемой температуры нагреваемой воды при ее номинальном расходе; наименьшем изменении температуры горячей воды при изменении ее давления; срабатывании преобразователя при требуемом минимальном уровне давления води в магистрали; закрытии клапана при отсутствии расхода воды. Решение этой задачи обеспечивается выбором диаметра сопла, диаметра ограничительной шайбы, аесткости и предварительного поднатия пруяины, величины открытия дросселирующего окна поршенька.Анализ расчетных и экспериментальных данных позволил получить рациональные параметры регулирующего устройства для водонагревателей различной мощности.

^=30 С Таблица 1

N п/п Наименование 8в=3.2 Е-5 и3/с 0в=4.53Е-5м'?/с 9в=5.54Е-5м3/с '

1 ¿с(мм) 1.25 1.26 1.27

2 (Шмк) 3.75 3,75 3.77

3 С(н/м) 9.82ЕЗ 9.82ЕЗ' 9.82ЕЗ

4 уР(мм) 3.79 3,79 3.79

Выполнен сравнительный анализ статических характеристик предлояен-ной автором схемы регулирующего устройства с известной (Рис.б), (Рис.?). Показано, что предлояеное устройство расииряет зону управления температурой горячей воды в области малых расходов (кривые 1а.16). При этом варьируя формой цилиндрической части грибка лег :о добиться требуемой характеристики 0г=Г(0в) и дЬ^КОв).

Рис.! Расчетная схеыа регулирующего устройства с байпасным .элементом, работающий на закрытие дросселирующей щели

Рис.2 Расчетная схаиа регулирующего устройства с коль-' щевой щелью

0 50

20

ю

°о о.г о< о,б 04 ^И

Рис.3 Расходная характера-/, стика кольцевой щели со сходящимся конусом- л .

Л=Оа 2.<£~£ ъ.оС—/0

4

а

N

о

3 а

^

А К"

№ г

<У

>

о { 5 4 мм 6

>■• Рис.4 Характер-воздействия ручного регулирования на рао-л ходную характорнсгику газовоч. I -го блока

5. Рт-ЫН

Г2

нУс 0,003

(¡006

Я?

/ \ i;

'У

!

¥ Г

Г

о й, * [4 0,6 6 И с /л

"Рисг.5—- Влияние.диаметра дам! п$ирующаго сечения на динамику регулирующего устройства

Ъ* ¿канал -г /О'Л

«Ус з

Ю 30

огю

о

2

,-Г „ Ю Ю мУс

Рис.б Сравнительная характеристика предлагаемого и известного регулирующего устройства

а. с постоянным сачениец .6. с переменный сачзнием (сходящийся конус) 2. схема (Рис.1)

1 Рист7 — Сравнительная характеристика !предлагаемого и извеоявого проточного I газового маломощного водонагревателя {1а. с постоянным сечением 16. с переменным сачениаи (сходящийся конус) ; 2. схема ( Рис.1)

выводи по диссертационной работе

1.Проведен анализ известных схем регулирующих устройств и ме-ханогидравлиеских преобразователей проточных газовых маломощных водонагревателей. Анализ показал, что регулирующее устройство,по строенное на базе неханогидравлического преобразователя с байпа-сным элементом, работающим на закрытие дросселирующей щели, отлич> ется наиболее приемлимыми для потребителя характеристиками 9г=Г(9в), л.1 = Г С Ов). Поэтому данная схема получила на практике наиболее иирокое применение.

2.Вместе с тем'и эта схема не позволяет реализовать простое и широкое регулирование температуры воды в области ее малых расходов. Кроме того, данная схема отличается конструктивной и техно логической сложностью.

3.Предложена схема механогидравлического преобразователя и регулирующего устройства, лишенного указанных внме недостатков.

4.Разработана математическая модель механогидравлического преобразователя. Выполнен анализ гидродинамики потока в кольцевой щели на базе метода конформных отобранений. Проанализированные схег мы натекания потока идеальной нидкости на пластину бесконечных и конечных размеров с целью'анализа степени деформации потока в кольцевой цели. Пр'ойедено моделирование гидродинамики этого потока на специальном стенде,

5.Выполнено аналитическое и экспериментальное исследование статических характеристик механогидравлического преобразователя. Показаны способы управления расходной характеристикой и подъемной силой этого преобразователя, провед.ен выбор рациональных параметров преобразователя. Выполнена оценка его времени срабатывания.

6.Выбрана рациональная схема газового блока регулирующего устройства на базе иннекционной горелки. Выполнен,анализ расходных характеристик соплового агрегата основных горелок. Обоснован выбор диаметров сопла иннекционной горелки, ее горловины и ограничительной шайбы в зависимости от тепловой мощности водонагревателя. Выполнен расчет расходных характеристик клапана, регулирующего доступ газа к основным горелкам. Обоснован выбор его геометрических размеров. Реализована схема комбинированного управления подачей газа к основным горелкам. Обоснована рациональная форма дросселирующего окна устройства комбинированного управления.

7.Разработана математическая модель регулирующего устройства проточного газового маломощного водонагревателя, выполнено аналитическое исследование влияния основных гидродинамических, геомет-

рических и механических параметров регулирующего устройства с целью последующего обоснованного выбора его рациональных параметров, позволяющих реализовать требуемую характеристику лЬ^ИОв). Вш^ йен анализ быстродействия регулирующего устройства и способы воздействия на время его срабатывания.

8.Выполнено' сопоставление рзсчетних характеристик регулирующего устройства с экспериментальными данными. Показана удовлетворительная сходимость результатов расчета с экспериментальными данными.

9.Выполнен сравнительный анализ статических характеристик, предлокенной и известной схем регулирующего устройства.Показано, что при конструктивной и технологической простоте предлоаенная схема обладает лучшей характеристикой М=Н0в) по сравнению с известной схемой.

ПУ КЛИКА иЛИ ПО РАБОТЕ

Т. Запорскец В.П., Абдусалам Ахмед йитури. Регулирование соотношения малых расходов липкости и газа / сб. Гидравлика и гидротехника Я 58, Изд-во 'Техника" - Киев, Та^З. - Зо с. -Деп. в 1НГБ Украины, тууз.

2. Запорожец В.П., Абдусалам Ахмед и тури. Натекание струи жидкости, ограниченней стенками на пластину конечных размеров / Сб. Гидравлика и гидротехника 53, Лзд-го "Техника" - Киев, Т5У5. -.с. - Деп. в ШГБ Укоаины,

3. Запорожец В.II., Абяусалам Ахмед Ситури. Анализ газодинамических уравнений ври расчете пневматических преобразователей // Песюй всесоюзны Я инкппзиум по пневы&тичесшы /газовым/ приводам и системам управления: Тез. докл., Тула, ТЭ9Т -- с. 3/. '

is

АННОТАЦИЯ

iiiypi АЗдусалам Ахыед. B»6tp рацюнальшн схеии та раШакыь-них napauavpiB регулшяого пристрою проточного газового нал*: шатунного водонагр!вачи. Рукошзс. 05.U2.Q3 - СодаевНпр^ф^.

Дераавннй полгтвхШчива уи1версв*вт. Кафедра "Пдропневыоавтоыатика № г 1 црооривод", Харк1в. Tdy5.

Розроблен ргц'улюючий пристрхй проточного газового ыалипо-нужного водонагр1ввча, складоний з 1двхано--г1дравл1чного пере-творювача з короткою к{льцввою щ1линою та поворотом потеку, а T8K0* газового блоку. Газсвий блок додатково uiстать елеиент ручного рогулювання псдач1 газу, до складу якого входить, ci-ыейство круглих дроселюочих в1кон. Проведай анал1з г^родиаа-ы|ки потеку через к1льдеву щшну. Розрсблена ыатеыатична модель регулярного пристрою. Обгрунтоваи ви<Ир рацЮнальних иа-раыетр1в цього пристрою, то забвепачус Яого нои1нальн1 характеристики. Проведен! експериыенталыП дослШеикя регулшчого пристрою, його елемент!в та водонагр1вача. Показано перевааен-ня запрспснованого регулю*>чогс пристрою в piBiwiuii з в!дсыиии.

ABSTRACT

Fituri Abdussalam. The choice of adjusting device's rational scheme and parameters of instantaneous low-powered gas water heater.. Manuscript. 05.0(1. 03.-Sjititns ¿ri<e .

. State politecnical university. Departement "Hydropr.tn-moautomatic anr! hydraulic drive". Kharkov, 1995.

Designing adjusting device of instantaneous 1ow-powerta gas water heater including the frechani cal-hydraul i с trasfornxr with short ring sleep, turning stream and the gas block. Gas block contains additionary element of the manual adjustment of gas feed with the family of round throttle holes. Hydrody-namic of the stream through the ring sleep was analysed. Mat. hematical model of adjusting device was designed. The choice; of rational parameters of this device satiefacting its nominate char.icteriatics was substantiated. Experimental researchs al this adjusting device, its elements and watr?r heater were earned out. It's shown advantage of proposal adjusting device in comparing existing.

¡ШЛЕШЕ ОЛОВА

Регулирущее устройство, механо-гидравлический преобразовало п. с короткой кольцевой щелью и поворотом потока, дросселирующие окна в вило семейства отверстий в боковой поверхности тонкостенного стакана, подъемная сила, ограничительная шайба.

Ответственный за выпуск доцент, канн.техн.наук.

Андренко П.И.