Р И Рей, Т С Сушкова, В М Мацевич - Влажный воздух как энергоноситель кузнечных молотов - страница 1

Страницы:
1 

УДК 621.85; 621.97

Рей Р.И., Сушкова Т.С., Мацевич В.М., Матусевич И.И.

ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ КАК ЭНЕРГОНОСИТЕЛЬ КУЗНЕЧНЫХ МОЛОТОВ

Предложены зависимости для расчета давлений влажного воздуха в ци­линдре молота, выполнен анализ изменения давлений и температуры с учетом конденсации.

Ключевые слова: молот, воздух, пар, конденсация, давление.

В настоящее время кузнечные, шаботные и безшаботные молоты приводятся в действие сжатым воздухом, однако по традиции их назы­вают паровоздушными. На основе доступных нам литературных источ­ников можно сделать вывод, что основы теплового расчета молотов, работающих на влажном паре, заложены А.И.Зиминым [1], [2]. В основу расчета положены изобары наполнения и выпуска пара и изотермы расширения и сжатия. Имеются замечания об использовании для приво­да сжатого воздуха, предлагается на участках расширения и сжатия описывать процесс адиабатами с показателем адиабаты для воздуха К=1,4. В своей работе [3] И.В.Климов использовал основы теплового расчета, заложенные А. И.Зиминым, и предложил параметры периодов пара в цилиндре молота определять на основе разработанных им номо­грамм. В учебнике для студентов вузов [4] Л.И.Живов рассматривает термомеханический расчет молотов на основе ожидаемых индикатор­ных диаграмм, разработанных А. И.Зиминым с такими же замечаниями по поводу использования сжатого воздуха для привода молотов. В более позднем учебнике [5] Ю.А.Бочаров рассматривает метод построения и расчета параметров предположительных индикаторных диаграмм рабо­ты энергоносителя в цилиндре штамповочного молота на основе метода теплового расчета молотов, разработанных А.И.Зиминым.

Во второй половине 20-го столетия происходит бурное развитие теории пневмопривода. Среди исследователей пневмоприводов особо хотелось бы отметить работы Елены Васильевны Герц. В 1964 г. совме­стно с Г.В.Крейниным увидела свет их работа, посвященная динамике пневмоприводов [6]. К тому времени Е.В.Герц опубликовала около де­сяти работ самостоятельно и столько же в соавторстве. В 1969 г. опуб­ликована ее монография "Пневматические приводы. Теория и расчет" [7], а в 1985 г. - монография "Динамика пневматических систем ма­шин". В рассмотренных нами работах Е.В.Герц [6], [7], [8], [9] все про­цессы воздуха рассматриваются на основе первого закона термодина­мики. В [8, с. 17] находим: "Считая согласно первому закону термоди­намики, что вся подведенная с газом тепловая энергия <3(2м расходуется

на изменение внутренней энергии dU} и на работу расширения газа

dLj, запишем уравнение энергетического баланса

dQм = dUj + dL . (1)

Следует отметить, что (1) является не просто законом сохранения, а показывает, что не вся тепловая энергия может быть превращена в механическую работу, часть ее уйдет на увеличение внутренней энер­гии системы. Максимальный коэффициент полезного действия (КПД) превращения тепловой энергии в механическую работу определяется термическим КПД цикла Карно

П = (Тн -Тк ) Тн , (2)

где Тн, Тк - температуры газа начала и конца цикла.

В пневматических приводах к системе подводится не тепловая энергия, а энергия сжатого газа, а процессы сжатия-расширения обра­тимые, к ним можно применять закон сохранения энергии.

В приводе паровоздушных молотов протекают следующие процессы воздуха: наполнение цилиндра при увеличивающемся или уменьшаю­щемся объеме полости цилиндра; увеличение или уменьшение объема воздуха при неизменной его массе; выпуск воздуха в атмосферу при уменьшающемся или при увеличивающемся объеме полости цилиндра. Математическая модель процесса воздуха построена на основе закона сохранения энергии в полости переменного объема при переменном ко­личестве воздуха [10]. Математическая модель движения падающих час­тей под воздействием давлений воздуха в рабочей и выпускной полости представляла собой систему нелинейных дифференциальных уравнений, которые решались численным интегрированием с использованием специ­ально разработанной программы [11].

Удовлетворительная сходимость расчетных и экспериментальных значений давления воздуха при более низких расчетных значениях тем­пературы была отмечена в работе Е.В.Герц и Г.В.Крейнина [6]. Практи­ческий интерес представляет не сам факт менее интенсивного снижения температуры, а связанное с этим явлением менее интенсивное снижение давления воздуха, так как последнее влияет на параметры движения па­дающих частей молота.

В процессе изучения литературных источников было обнаружено следующее. В работе А.И. Карабина [13], посвященной энергетике па-ровоздушных молотов, показано, что кузнечные цеха снабжаются сжа­тым воздухом со 100-процентной влажностью. Снижение давления воз­духа в цилиндре молота приведет к конденсации части пара, которая будет сопровождаться выделением тепла и увеличением внутренней энергии системы на величину теплоты парообразования. Кроме того, при конденсации пар (газ) превращается в жидкость (воду), объем жид­кости (воды) примерно в 770 раз меньше объема занимаемого паром, что равносильно удалению пара из цилиндра молота и, как следствие, происходит уменьшение внутренней энергии системы.

Цель настоящей работы. В данной работе поставлена цель сделать количественную оценку влияния процесса конденсации пара, содержаще­гося в воздухе, на процессы изменения давления и температуры воздуха.

Материалы и результаты исследования. Закон сохранения энергии для переменного количества газа в полости переменного объема с уче­том энергии, сопровождающей конденсацию части пара, оказавшейся за пределами 100-процентной влажности, представим в виде

dU=імdMJU - і dM4 -PdV+dq, (3) где dU - изменение внутренней энергии;

ім, іц - удельное теплосодержание воздуха, поступающего в цилиндр и находящегося в цилиндре;

dMм, dMц - увеличение массы воздуха вследствие поступления газа

из магистрали и уменьшение массы газа вследствие выпуска воздуха из цилиндра;

P - давление воздуха в цилиндре;

dV - изменение объема полости цилиндра вследствие перемещения поршня;

dq - изменение энергии газа в цилиндре вследствие конденсации пара,

содержит две составляющие.

Процесс конденсации сопровождает тепловыделение при превра­щении пара в жидкость, что приводит к увеличению внутренней энер­гии систем на величину

dgj =n(T)dm, (4)

где п) - внутренняя теплота парообразования;

dm - масса образовавшейся воды при конденсации; и уменьшения внутренней энергии вследствие снижения парциаль­ного давления пара в процессе конденсации

240

dS2 = -RnTu dm > (5)

где Rn - газовая постоянная водяного пара;

Tu - температура воздуха в цилиндре.

С учетом этих двух явлений количество энергии, сообщаемой системе вследствие конденсации пара, будет равно

dg = dgj + dg2 =[?7(T)-RnT]dm . (6)

Количество воды dm, образовавшейся в процессе конденсации, определяется из следующих соображений. Вода образуется в той про­порции воздуха, который поступает из магистрали

dmm = RdM

м

^ YmTM    Ті - 1TI-1 ^ Рм Рі-1

(7)

где R - газовая постоянная воздуха;

Ymі-1 - плотность насыщения пара при температурах в магистрали TM и в цилиндре TI-1; у= exp(4,767-10~2T-18,048).;

Pm ,Pi-1 - давление воздуха в магистрали и в цилиндре.

Вода будет образовываться также вследствие снижения температуры воздуха по всему объему цилиндра. Количество воды, образовавшееся вследствие конденсации пара в объеме воздуха, находящегося в цилинд­ре, на каждом шаге интегрирования определится как

dmc = Уі- 1vi-1 -7і ■ vi, (8)

с учетом соотношений

Yi = Yi-1 + dY, Vi = Vi-1 + dV зависимость (8) запишется в виде

dmc = YI- 1VI-1 -YI- 1VI-1 -YI-1dV-dYVi-1 -dY dV,

пренебрегая величинами второго порядка малости получим

dmc = -dyVj _ j -Ji _1 dV.

(9)

Полное количество воды, образовавшееся за время конденсации будет равно

dmm = RdMM ^ YmTM    Yi-1Ti-1 ^

, Р V м

Р

i-1 J

-dJVi-j -Yi-jdV.

(10)

Производная от (10) по времени будет иметь вид:

dm dt ■ RG,

[Щ^1Р^] -Y*l - lF -Yi - 1- lF

V Рм рі-1 J

где GM - секундный расход воздуха, поступающего из магистрали в цилиндр;

x,x - перемещение поршня от крайнего положения и его скорость;

F - площадь рабочей поверхности поршня. На основе (3), (6) и (11) с использованием зависимостей термоди­намики, принимаемых на уровне аксиом, не вводя дополнительных до­пущений, получено следующее выражение для определения прираще­ния давления в цилиндре с учетом конденсации

dP­

R(GmTM -Gi-1Ti-

F

+ lkFL Ш-1)- RnTi-1 )x

RGm

1' YmTM   Ji-1Ti-1 ^

. Р V м

J

-(Y[1]i-1+Ji-1[2]i-1 )F

dt, (12)

где Gi-1 - секундный расход воздуха, уходящего из цилиндра в выпу­скной трубопровод.

Текущее значение температуры воздуха определялось на основе из­вестного уравнения состояния газа, а текущее значение давления

Pl = Pi-1 + dP . (13)

С целью определения влияния конденсации пара в цилиндре на термодинамический процесс методом численного интегрирования ре­шалась система уравнений движения (подобно приведенной в работе [10]) падающих частей для ковочного молота с массой падающих частей 3150 кг. Температура воздуха в подводящей магистрали задавалась рав­ной 50°С и соответствовала фактической температуре воздуха в цеховой магистрали. Давление воздуха в цеховой магистрали 0,7 МПа, относи­тельная влажность воздуха 100%, давление воздуха в отводящем трубо­проводе 0,11 МПа, температура воздуха в обратном трубопроводе (уста­новившаяся) 12°С. Для наглядности результаты расчета в виде графиков представлены на рис. 1 (температуры) и рис. 2 (давления). В конце хода падающих частей расчетная температура с учетом конденсации составля­ет +4°С (277°К) и, если за истинную принять температуру воздуха в об­ратном трубопроводе +12°С (285°К), то разницу в результатах можно отнести к погрешностям расчета или неточности задания исходных дан­ных, относительная погрешность составляет 3%. Конечная расчетная температура воздуха без учета конденсации составила -38°С и относи­тельная погрешность составляет 18%, однако на изменение давления воз­духа в цилиндре конденсация влияет слабо. В конце хода расчетные дав­ления воздуха с учетом конденсации составили 0,16 МПа, без учета кон­денсации - 0,12 МПа, разница в величине скоростей падающих частей к началу удара не превысила 2%, т. е. оказалась в пределах погрешностей расчета и не оказала заметного влияния на работоспособность молота.

50°

t°C

30 20 10 0 -10 -20 -30

_40l-----

0.2       0.4       0.6     t/tn 1-0

----- с учетом конденсации;

— - без учета конденсации Рис. 1. Расчетные температуры воздуха в цилиндре

При снижении давления воздуха, имеющего 100-процентную влажность, происходит конденсация пара, выделение тепла производит нагрев воздуха, в это же время превращение пара в воду приводит к снижению давления воздуха. Следует отметить, что повышение давле­ния от нагрева воздуха происходит более интенсивно, чем его снижение от превращения пара в воду, т.е. процесс конденсации снижает интен­сивность снижения давления.

9

Р-10'

Па 7

6

5

4

З

2

1

U 0.2       0.4       0.6    t/tn 1.0

----- с учетом конденсации; — - без учета конденсации

Рис. 2. Расчетные давления воздуха

Выводы. Предложенная математическая модель термодинамиче­ского процесса в цилиндре молота позволяет рассчитывать текущие значения температуры и давления с учетом конденсации пара, находя­щегося во влажном воздухе.

Процесс конденсации пара при снижении давления влажного возду­ха существенно замедляет снижение температуры воздуха и незначитель­но повышает давление по сравнению с процессом сухого воздуха.

Процесс конденсации пара, находящегося во влажном воздухе, ока­зывает несущественное влияние на рабочий процесс молота, поэтому в расчете технико-экономических показателей работы молота может не учитываться.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зимин А.И. Расчет и конструкция кузнечных машин; ч.1. Паровоздуш­ные молоты / А.И. Зимин. - М: Машгиз, 1940. - 340 с.

2. Зимин А.И. Машины и автоматы кузнечно-штамповочного производст­ва; ч.1. Молоты / А.И. Зимин. - Москва: ГНТИ, 1953. - 460 с.

3. Климов И.В. Основы теории и теплового расчета паровоздушных моло­тов / И.В.Климов. - М.: Машиностроение, 1970. - 158 с.

4. Живов Л.И. Кузнечно-штамповочное оборудование. Молоты / Л.И.Живов, А.Г. Овчинников - К.: Вища школа, 1972. - 280 с.

5. Кузнечно-штамповочное производство: [учебник для машинострои­тельных вузов] / [А.Н. Банкетов, Ю.А. Бочаров, Н.С. Добринский и др.]. - [2-е изд., перераб. и доп.]. - М.: Машиностроение, 1982. - 576 с.

6. Герц Е.В. Теория и расчет силовых пневматических устройств / Е.В. Герц, Г.В. Крейнин. - М.: Изд. АН СССР, 1960. - 178 с.

7. Герц Е. В. Динамика пневматических приводов машин-авто-матов / Е.В. Герц, Г.В. Крейнин. - М.: Машиностроение, 1964. - 236 с.

8. Герц Е. В. Пневматические приводы / Е. В. Герц. - М.: Машиностроение, 1969. - 360 с.

9. Герц Е.В. Динамика пневматических систем машин / Е.В.Герц. - М.: Машиностроение, 1985. - 256 с.

10. Рей Р.И. Энергетический расчет паровоздушных штамповочных моло­тов / Р.И. Рей, Н.М. Золотухин, Б.С. Карасев // Кузнечно-штамповочное произ­водство. - 1985. -№ 2. - С. 17-18.

11. Рей Р.И. Энергетический расчет паровоздушных шаботных молотов / Р. Рей, А. Крокошенко, И.В. Черножукова // Информационный бюллетень: Ал­горитмы и программы. - 1987. -№ 8. - 56 с.

12. Рей Р.И. Исследование термодинамических процессов в пневматиче­ских приводах с учетом конденсации / Р. Рей, А. Молибога // Ворошиловгр. машиностр. ин-т.- 10 с. Деп. в УкрНИИНТИ 28.10.88, № 2756 - Ук. 88.

13. Карабин А.И. Энергетика паровоздушных молотов / А.И. Карабин. -М: Машгиз, 1955. - 316 с.

Рей Р.І., Сушкова Т.С., Мацевич В.М., Матусевич І.І. Вологе повітря як енергоносій ковальських молотів

Запропоновано залежності для розрахунку тисків вологого повітря в циліндрі молота, виконано аналіз зміни тиску і температури з урахуванням конденсації. Ключові слова: молот, повітря, пара, конденсація, тиск.

Ray R.I., Sushkova T.S., Matsevich V.M., Matusevich I.I. Humidity air as an energetic medium of forge hammers

Dependences for computation ofpressures of humid air in the cylinder of ham­mer are offered, the analysis of change of pressure and temperature taking into ac­count condensation is taking into account.

Keywords: hammer, air, steam, condensation, pressure.

Рей Р.И. - док. техн. наук, проф., заведующий кафедрой "Обработка ме­таллов давлением и сварка" Восточноукраинского национального университета им. Владимира Даля, г. Луганск.

e-mail: oomd@snu.edu.ua

Сушкова Т.С. - канд. техн. наук, доц., доцент кафедры "Обработка метал­лов давлением и сварка" Восточноукраинского национального университета им. Владимира Даля, г. Луганск.

e-mail: oomd@snu.edu.ua

Мацевич В.М. - научный сотрудник кафедры "Обработка металлов давле­нием и сварка" Восточноукраинского национального университета им. Влади­мира Даля, г. Луганск

e-mail: oomd@snu.edu.ua

Матусевич И.И. - инженер кафедры "Обработка металлов давлением и сварка" Восточноукраинского национального университета им. Владимира Да­ля, г. Луганск.

e-mail: oomd@snu.edu.ua

Поступила в редакцию: 29.04.2011.

Рецензент: Гедрович А.И., д-р техн. наук, профессор.


[1]i-1

[2]i-1

Страницы:
1 


Похожие статьи

Р И Рей, Т С Сушкова, В М Мацевич - Влажный воздух как энергоноситель кузнечных молотов