Помощь студентам в учебе
АСУ ТП подачи типичного гелеобразного топлива в камеру сгорания
|
Введение 12
1 Научно-исследовательская работа 16
1.2 Приготовление гелеобразных топлив 16
1.3 Реологические свойства масляных эмульсий 20
1.4 Характеристики плавления гелеобразного топлива 22
1.5 Экспериментальные исследования 23
1.6 Результаты исследований 27
1.7 Основные заключения 36
2 Разработка АСУ ТП подачи типичного гелеобразного топлива в камеру
сгорания 38
2.1 Разработка структуры КТС автоматизированной системы управления 42
2.2 Разработка функциональной схемы 44
2.3 Выбор технических средств автоматизации 46
2.3.1 Выбор регулирующего устройства 48
2.3.2 Выбор датчиков температуры 50
2.3.3 Выбор датчиков давления 52
2.3.4 Выбор средств измерения расхода 54
2.3.5 Выбор датчика уровня 55
2.3.6 Выбор исполнительного механизма 57
2.3.7 Выбор пускателя для исполнительного механизма 58
2.4 Разработка монтажной схемы 59
2.5 Разработка схемы электрической соединений 61
2.6 Разработка внешнего вида шкафа управления 62
3 Расчет параметров настройки ПИ - регулятора 64
3.1 Идентификация объекта регулирования 64
3.2 Определение оптимальных параметров настройки регулятора 67
3.3 Расчет, построение и оценка качества переходного процесса в
замкнутой АСР по каналу регулирующего воздействия 69
3.4 Расчет, построение и оценка качества переходного процесса в
замкнутой АСР по каналу возмущения 73
4 Разработка мнемосхемы процесса подачи топлива 78
5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение ... 83
5.1 Потенциальные потребители результатов исследования 84
5.2 Анализ конкурентных технических решений 85
5.3 FAST-анализ 87
5.3.1 Выбор объекта FAST-анализа 87
5.3.2 Описание функций объекта 87
5.3.3 Определение значимости выполняемых объектом функций 88
5.3.4 Анализ стоимости функций, выполняемых объектом исследования 90
5.3.5 Построение функционально-стоимостной диаграммы объекта и ее
анализ 91
5.3.6 Оптимизация функций, выполняемых объектом 92
5.4 Планирование научно-исследовательской работы 92
5.5 Бюджет научно-технического исследования 95
5.5.1 Расчет материальных затрат научно-технического исследования ... 95
5.5.2 Амортизация 96
5.5.3 Заработная плата исполнителей 96
5.5.4 Отчисления во внебюджетные фонды 98
5.5.5 Накладные расходы 99
5.5.6 Смета затрат на оборудование 99
5.5.7 Формирование затрат научно-исследовательского проекта 101
5.6 Ресурсоэффективность 101
5.7 Вывод по разделу Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение 102
6 Социальная ответственность 105
6.1 Введение 105
6.2 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности .... 105
6.2.1 Специальные (характерные для проектируемой рабочей зоны)
правовые нормы трудового законодательства 106
6.2.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны .... 107
6.3 Производственная безопасность 108
6.3.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов 110
6.3.2 Анализ вредных и опасных факторов, которые могут возникнуть
при проведении исследований 110
6.3.3 Расчет вредного производственного фактора 115
6.3.4 Обоснование мероприятий по снижению уровня воздействия
опасных и вредных факторов на работающего (исследователя) 118
6.4 Экологическая безопасность 119
6.4.1 Анализ влияния объекта исследования на окружающую среду 119
6.4.2 Анализ влияния процесса исследования на окружающую среду ... 119
6.4.3 Обоснование мероприятий по защите окружающей среды 120
6.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 120
6.5.1 Анализ вероятных ЧС, которые может инициировать объект
исследований 120
6.5.2 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть при проведении
исследований 121
6.5.3 Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка
порядка действия в случае возникновения ЧС 121
6.6 Выводы по разделу 122
Заключение 124
Список использованных источников 125
Приложение А The effect of metal and non-metal additives to gel fuel on the ignition and combustion behavior of particles exposed to radiant heating 132
1 Научно-исследовательская работа 16
1.2 Приготовление гелеобразных топлив 16
1.3 Реологические свойства масляных эмульсий 20
1.4 Характеристики плавления гелеобразного топлива 22
1.5 Экспериментальные исследования 23
1.6 Результаты исследований 27
1.7 Основные заключения 36
2 Разработка АСУ ТП подачи типичного гелеобразного топлива в камеру
сгорания 38
2.1 Разработка структуры КТС автоматизированной системы управления 42
2.2 Разработка функциональной схемы 44
2.3 Выбор технических средств автоматизации 46
2.3.1 Выбор регулирующего устройства 48
2.3.2 Выбор датчиков температуры 50
2.3.3 Выбор датчиков давления 52
2.3.4 Выбор средств измерения расхода 54
2.3.5 Выбор датчика уровня 55
2.3.6 Выбор исполнительного механизма 57
2.3.7 Выбор пускателя для исполнительного механизма 58
2.4 Разработка монтажной схемы 59
2.5 Разработка схемы электрической соединений 61
2.6 Разработка внешнего вида шкафа управления 62
3 Расчет параметров настройки ПИ - регулятора 64
3.1 Идентификация объекта регулирования 64
3.2 Определение оптимальных параметров настройки регулятора 67
3.3 Расчет, построение и оценка качества переходного процесса в
замкнутой АСР по каналу регулирующего воздействия 69
3.4 Расчет, построение и оценка качества переходного процесса в
замкнутой АСР по каналу возмущения 73
4 Разработка мнемосхемы процесса подачи топлива 78
5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение ... 83
5.1 Потенциальные потребители результатов исследования 84
5.2 Анализ конкурентных технических решений 85
5.3 FAST-анализ 87
5.3.1 Выбор объекта FAST-анализа 87
5.3.2 Описание функций объекта 87
5.3.3 Определение значимости выполняемых объектом функций 88
5.3.4 Анализ стоимости функций, выполняемых объектом исследования 90
5.3.5 Построение функционально-стоимостной диаграммы объекта и ее
анализ 91
5.3.6 Оптимизация функций, выполняемых объектом 92
5.4 Планирование научно-исследовательской работы 92
5.5 Бюджет научно-технического исследования 95
5.5.1 Расчет материальных затрат научно-технического исследования ... 95
5.5.2 Амортизация 96
5.5.3 Заработная плата исполнителей 96
5.5.4 Отчисления во внебюджетные фонды 98
5.5.5 Накладные расходы 99
5.5.6 Смета затрат на оборудование 99
5.5.7 Формирование затрат научно-исследовательского проекта 101
5.6 Ресурсоэффективность 101
5.7 Вывод по разделу Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение 102
6 Социальная ответственность 105
6.1 Введение 105
6.2 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности .... 105
6.2.1 Специальные (характерные для проектируемой рабочей зоны)
правовые нормы трудового законодательства 106
6.2.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны .... 107
6.3 Производственная безопасность 108
6.3.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов 110
6.3.2 Анализ вредных и опасных факторов, которые могут возникнуть
при проведении исследований 110
6.3.3 Расчет вредного производственного фактора 115
6.3.4 Обоснование мероприятий по снижению уровня воздействия
опасных и вредных факторов на работающего (исследователя) 118
6.4 Экологическая безопасность 119
6.4.1 Анализ влияния объекта исследования на окружающую среду 119
6.4.2 Анализ влияния процесса исследования на окружающую среду ... 119
6.4.3 Обоснование мероприятий по защите окружающей среды 120
6.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 120
6.5.1 Анализ вероятных ЧС, которые может инициировать объект
исследований 120
6.5.2 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть при проведении
исследований 121
6.5.3 Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка
порядка действия в случае возникновения ЧС 121
6.6 Выводы по разделу 122
Заключение 124
Список использованных источников 125
Приложение А The effect of metal and non-metal additives to gel fuel on the ignition and combustion behavior of particles exposed to radiant heating 132
Гелеобразные топлива - это горючие жидкости, реологические свойства которых изменены путем добавления загустителей [1]. Консистенции гелеобразных топлив могут варьироваться от пастообразной (пластически деформируемой) до твердой (упруго деформируемой). Такие топлива благодаря широкой номенклатуре компонентов и преимуществами по сравнению с жидкими и твердыми топливами могут применяться как в энергетической, так и в ракетно-космической отраслях промышленности. Гелеобразные топлива, с одной стороны, мало подвержены утечкам и испарению [1], произвольному воспламенению в результате трения или электростатического разряда [2], изменению (за счет осаждения под действием силы тяжести или ускорения) распределения твердых компонентов в объеме топлива [3] и расслоению (разделению изначально жидких компонентов) [4] в процессе хранения. С другой стороны, они имеют высокие энергетические характеристики, при нагревании становятся текучими и могут транспортироваться по трубопроводам и распыляться в камерах сгорания [5], процессы их зажигания и горения протекают достаточно интенсивно и, как правило, сопровождаются диспергированием [6,7], малым недожогом компонентов и относительно низким уровнем антропогенных выбросов [8].
Тематика гелеобразных топлив достаточно актуальна в последнее время вследствие перспектив освоения космоса, территорий Арктики и Антарктики, а также снижения загрязнения окружающей среды различного рода отходами [1]. В рамках тематики гелеобразных топлив можно выделить следующие направления исследований: реологические характеристики [9-11], течение [12-14] и распыление [5,15], зажигание и горение [8,16,17], практические приложения [2,18]. За предыдущие несколько десятилетий изучения гелеобразных топлив самое большое количество статей было опубликовано по результатам исследования реологических свойств [1]. Но за последние несколько лет основной годовой прирост публикаций в рамках тематики гелеобразных топлив приходится на результаты изучения процессов их зажигания и горения.
Как правило, для получения гелей в состав исходных горючих жидкостей вводят загуститель. В качестве такого компонента при приготовлении гелеобразных топлив на основе масел нефтяного происхождения могут быть использованы полимерные композиции, например, водные растворы поливинилового спирта. Цикл замораживания / оттаивания таких растворов ведет к образованию упругих криогелей, температура плавления которых превышает 60 °C. Путем введения в исходный водный раствор ПВС горючей жидкости могут быть получены масляные эмульсии, которые после замораживания и оттаивания примут гелеобразное состояние и будут являться маслонаполненными криогелями. В отличие от исходного состояния горючая жидкость не испаряется со свободной поверхности образцов криогелей, что снижает ее пожарную и экологическую опасность [19].
Помимо поливинилового спирта возможно применение этаноламина. Этаноламин считается экологически чистой топливной добавкой, поскольку он малотоксичен и не является канцерогенным по своей природе. В работе [20] предпринимаются усилия, чтобы сформулировать и приготовить этаноламиновые гелевые системы с использованием чистой агарозы и гибридов парных гелеобразующих агентов (агароза + поливинилпирролидон (ПВП), агароза + SiO2и ПВП + SiO2). Для достижения этих целей, было выполнено несколько реологических экспериментов (в том числе потока и динамических исследований).
Результаты показывают, что сформулированные этаноламинные гели являются тиксотропными по природе с пределом текучести между 30 и 60 Па. Кажущаяся вязкость геля уменьшается при увеличении температуры испытания, и кажущаяся энергия активации является самой низкой для этаноламин - (ПВП + SiO2) гелевой системы.
Динамическое исследование реологии показывает, что тип гелеобразователя, выбор гибридных гелеобразующих материалов и их концентрация, применяемые частоты и деформации - все это влияет на вязкоупругие свойства этаноламиновых гелевых систем.
Вместе с полимерными композициями для приготовления гелеобразных топлив применяются также добавки металлических частиц. В статье [21] при приготовлении топлива использовались алюминиевые частицы, для улучшения рабочих характеристик установок, использующих данный вид топлива.
Механизм распыления метализированного топлива отличается от механизма распыления обычного жидкого топлива из-за высокой вязкости.
Чтобы понять механизм распыления этой суспензии, было проведено исследование на геле, в котором проанализировано влияние металлических частиц в качестве добавок наряду с реологическими свойствами жидкости.
Было установлено, что полученная суспензия является неньютоновской жидкостью со свойствами разжижения при сдвиге. Вязкость пропорционально растет с содержанием алюминиевых частиц и средним диаметром частиц. Реологическое поведение суспензий может быть выражено с использованием модели степенного закона в предпринятом диапазоне скоростей сдвига.
В исследовании [22] эксперимент был в основном сфокусирован на изучении гиперголичности и задержки воспламенения топливной бипропеллентной системы на основе этанолового геля. Для эксперимента в качестве базового топлива и производного целлюлозы в качестве гелеобразующего агента использовали этанол (чистота 99,8 %) Образец топливного геля содержит 8 % гелеобразующего агента. Составленное гелевое топливо было тиксотропным по своей природе с низкой кажущейся вязкостью и пределом текучести, что является существенным параметром для системы гелеобразного топлива. Гиперголичность бипропеллентной системы была выполнена с помощью подходящего катализатора, в этом случае был использован хлорид меди.
Исследование видимой вязкости для полученного топлива проводилось при двух различных диапазонах скорости сдвига, которые составляют 0.20 с 'и 0.1000 с-1.
Результаты показывают, что предел текучести для данного вида топлива составляет около 27 Па и кажущаяся вязкость для наблюдаемой точки выхода составляет около 25 Па для случая низкой скорости сдвига, однако для высокой скорости сдвига предел текучести не наблюдался.
Как можно заметить из приведенных исследований, главной особенностью гелеобразных топлив является изменение реологических свойств в зависимости от температуры, наиболее значимым является изменение вязкости.
Для практического применения таких топлив их необходимо транспортировать по трубопроводам, от бака, где оно хранится, до камеры сгорания. В связи с этим возникают определенные трудности, например, такие как обеспечение режимов поддержания заданной температуры трубопровода и бака, с целью сохранения оптимальных параметров текучести и вязкости.
Цель данной работы - изучение реологических характеристик типичных гелеобразных топлив, закономерностей процессов, протекающих при транспортировке таких топлив по трубопроводам, способов регулирования расхода и разработки соответствующей трехуровневой микропроцессорной АСУ ТП.
Тематика гелеобразных топлив достаточно актуальна в последнее время вследствие перспектив освоения космоса, территорий Арктики и Антарктики, а также снижения загрязнения окружающей среды различного рода отходами [1]. В рамках тематики гелеобразных топлив можно выделить следующие направления исследований: реологические характеристики [9-11], течение [12-14] и распыление [5,15], зажигание и горение [8,16,17], практические приложения [2,18]. За предыдущие несколько десятилетий изучения гелеобразных топлив самое большое количество статей было опубликовано по результатам исследования реологических свойств [1]. Но за последние несколько лет основной годовой прирост публикаций в рамках тематики гелеобразных топлив приходится на результаты изучения процессов их зажигания и горения.
Как правило, для получения гелей в состав исходных горючих жидкостей вводят загуститель. В качестве такого компонента при приготовлении гелеобразных топлив на основе масел нефтяного происхождения могут быть использованы полимерные композиции, например, водные растворы поливинилового спирта. Цикл замораживания / оттаивания таких растворов ведет к образованию упругих криогелей, температура плавления которых превышает 60 °C. Путем введения в исходный водный раствор ПВС горючей жидкости могут быть получены масляные эмульсии, которые после замораживания и оттаивания примут гелеобразное состояние и будут являться маслонаполненными криогелями. В отличие от исходного состояния горючая жидкость не испаряется со свободной поверхности образцов криогелей, что снижает ее пожарную и экологическую опасность [19].
Помимо поливинилового спирта возможно применение этаноламина. Этаноламин считается экологически чистой топливной добавкой, поскольку он малотоксичен и не является канцерогенным по своей природе. В работе [20] предпринимаются усилия, чтобы сформулировать и приготовить этаноламиновые гелевые системы с использованием чистой агарозы и гибридов парных гелеобразующих агентов (агароза + поливинилпирролидон (ПВП), агароза + SiO2и ПВП + SiO2). Для достижения этих целей, было выполнено несколько реологических экспериментов (в том числе потока и динамических исследований).
Результаты показывают, что сформулированные этаноламинные гели являются тиксотропными по природе с пределом текучести между 30 и 60 Па. Кажущаяся вязкость геля уменьшается при увеличении температуры испытания, и кажущаяся энергия активации является самой низкой для этаноламин - (ПВП + SiO2) гелевой системы.
Динамическое исследование реологии показывает, что тип гелеобразователя, выбор гибридных гелеобразующих материалов и их концентрация, применяемые частоты и деформации - все это влияет на вязкоупругие свойства этаноламиновых гелевых систем.
Вместе с полимерными композициями для приготовления гелеобразных топлив применяются также добавки металлических частиц. В статье [21] при приготовлении топлива использовались алюминиевые частицы, для улучшения рабочих характеристик установок, использующих данный вид топлива.
Механизм распыления метализированного топлива отличается от механизма распыления обычного жидкого топлива из-за высокой вязкости.
Чтобы понять механизм распыления этой суспензии, было проведено исследование на геле, в котором проанализировано влияние металлических частиц в качестве добавок наряду с реологическими свойствами жидкости.
Было установлено, что полученная суспензия является неньютоновской жидкостью со свойствами разжижения при сдвиге. Вязкость пропорционально растет с содержанием алюминиевых частиц и средним диаметром частиц. Реологическое поведение суспензий может быть выражено с использованием модели степенного закона в предпринятом диапазоне скоростей сдвига.
В исследовании [22] эксперимент был в основном сфокусирован на изучении гиперголичности и задержки воспламенения топливной бипропеллентной системы на основе этанолового геля. Для эксперимента в качестве базового топлива и производного целлюлозы в качестве гелеобразующего агента использовали этанол (чистота 99,8 %) Образец топливного геля содержит 8 % гелеобразующего агента. Составленное гелевое топливо было тиксотропным по своей природе с низкой кажущейся вязкостью и пределом текучести, что является существенным параметром для системы гелеобразного топлива. Гиперголичность бипропеллентной системы была выполнена с помощью подходящего катализатора, в этом случае был использован хлорид меди.
Исследование видимой вязкости для полученного топлива проводилось при двух различных диапазонах скорости сдвига, которые составляют 0.20 с 'и 0.1000 с-1.
Результаты показывают, что предел текучести для данного вида топлива составляет около 27 Па и кажущаяся вязкость для наблюдаемой точки выхода составляет около 25 Па для случая низкой скорости сдвига, однако для высокой скорости сдвига предел текучести не наблюдался.
Как можно заметить из приведенных исследований, главной особенностью гелеобразных топлив является изменение реологических свойств в зависимости от температуры, наиболее значимым является изменение вязкости.
Для практического применения таких топлив их необходимо транспортировать по трубопроводам, от бака, где оно хранится, до камеры сгорания. В связи с этим возникают определенные трудности, например, такие как обеспечение режимов поддержания заданной температуры трубопровода и бака, с целью сохранения оптимальных параметров текучести и вязкости.
Цель данной работы - изучение реологических характеристик типичных гелеобразных топлив, закономерностей процессов, протекающих при транспортировке таких топлив по трубопроводам, способов регулирования расхода и разработки соответствующей трехуровневой микропроцессорной АСУ ТП.
В рамках магистерской диссертации была разработана автоматизированная система управления подачи типичного гелеобразного топлива в камеру сгорания.
В процессе проведения экспериментальных исследований изучены реологические характеристики типичных гелеобразных топлив, определены температуры плавления, а также рассмотрены процесы протекающие при горении данного топлива.
Разработанная система выполнена по классическому трехуровнему принципу. Нулевой уровень представлен различными датчиками измерения технологических параметров, запорно-регулирующей арматурой и исполнительными механизмами. Первый уровень системы автоматизации выполнен на базе программируемого логического контроллера фирмы Элеси. На втором уровне реализован АРМ оператора в виде SCADA системы
В ходе выполнения магистерской диссертации была разработана проектная документация: схема структурная комплекса технических средств, схема функциональная, схема монтажная, схема принципиальная электрическая и общий вид щита.
Пояснительная записка к проекту содержит подробное описание выбора основного оборудования, этапов разработки графических разделов и мнемосхемы. Кроме того, произведен расчет параметров настройки регулятора и определены прямые оценки качества переходных процессов.
В дополнение к вышеописанному выполнены разделы «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» и «Социальная ответственность».
В процессе проведения экспериментальных исследований изучены реологические характеристики типичных гелеобразных топлив, определены температуры плавления, а также рассмотрены процесы протекающие при горении данного топлива.
Разработанная система выполнена по классическому трехуровнему принципу. Нулевой уровень представлен различными датчиками измерения технологических параметров, запорно-регулирующей арматурой и исполнительными механизмами. Первый уровень системы автоматизации выполнен на базе программируемого логического контроллера фирмы Элеси. На втором уровне реализован АРМ оператора в виде SCADA системы
В ходе выполнения магистерской диссертации была разработана проектная документация: схема структурная комплекса технических средств, схема функциональная, схема монтажная, схема принципиальная электрическая и общий вид щита.
Пояснительная записка к проекту содержит подробное описание выбора основного оборудования, этапов разработки графических разделов и мнемосхемы. Кроме того, произведен расчет параметров настройки регулятора и определены прямые оценки качества переходных процессов.
В дополнение к вышеописанному выполнены разделы «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» и «Социальная ответственность».