Исследование режимов работы элементов электрооборудования и системы защиты и управления электролизно-водного генератора бытового назначения

В настоящее время наблюдается все больший дефицит карбида кальция, что приводит удорожанию получения из него ацетилена. В связи с этим возникает необходимость поиска газов — заменителей ацетилена, позволяющих сократить или исключить применение дефицитных и дорогостоящих сварочных материалов, снизить материалоемкость и себестоимость выпускаемой продукции.

В качестве заменителя ацетилена может применяться водородно-кислородное пламя, получаемое при сжигании газовой смеси, генерируемой электролизно-водными генераторами. Такая замена позволяет исключить необходимость использования дорогого баллонного хозяйства, отказаться от использования карбида кальция и ацетиленовых генераторов, заметно снизить энергои трудозатраты.

Следует отметить, что в последнее время заметно возрос интерес к использованию электролизно-водных генераторов кислородно-водородной смеси, обладающих уникальными характеристиками локального источника тепловой энергии, основу которого составляет процесс горения кислородно-водородной смеси. К числу таких характеристик следует отнести, прежде всего, возможность достижения температур более 3000 °C, возможность изменять мощность источника в чрезвычайно высоких пределах (от нескольких милливатт до нескольких киловатт). Важно, и это также является одной из привлекательных сторон данного источника, что продуктом горения является вода, что облегчает реализацию условий экологической безопасности. Нужно отметить, что введение в состав горючей смеси добавок в виде паров углеводородных соединений позволяет легко изменять характер пламени от окислительного до восстановительного. При этом появляется возможность в широких пределах регулировать температуру пламени.

Специализированные установки на основе электролизно-водных генераторов кислородно-водородной смеси уже сейчас находят широкое применение в различных областях техники.

Основным узлом генератора является электролизер, в котором осуществляется основной процесс — разложение воды на кислород и водород.

Управление этим процессом и использование этих газов требует разработки и совершенствования систем управления и защиты. К таким системам управления и защиты предъявляются жесткие требования, так как смесь данных газов взрывоопасна. Разработанные ЭВГ для промышленного использования [49,91] достаточно сложны и громоздки для бытового применения, оказания сервисных услуг, особенно при ремонте ювелирных изделий.

К бытовым аппаратам вследствие их специфики применения должны применятся более серьезные требования по безопасности, надежности, простоте применения, массогабаритным и энергетическим показателям. Эти условия резко ограничивают использование этого сравнительно простого и недорогого способа получения пламени для локального нагрева при пайке и сварке в бытовых условиях. Для использования «гремучего газа» в бытовых условиях возникает необходимость разработки более эффективных методов и средств защиты и управления ЭВГ, обеспечивающих достаточную безопасность работы и охрану окружающей среды при длительной эксплуатации, стабильность и автоматическую регулировку параметров без предъявления особо серьезных квалификационных требований к пользователю.

Однако, несмотря на очевидные привлекательные стороны рассматриваемого способа газопламенной обработки, внедрение его в промышленную и бытовую технологию идет медленно и ограниченно, что объясняется рядом причин:

1) недостаточной стабильностью работы,.

2) сравнительно узким диапазоном регулирования теплофизических параметров пламени выпускаемых аппаратов,.

3) необходимостью обеспечения техники безопасности при работе с «гремучим газом». В связи с этим основными задачами диссертационной работы являются: разработка принципов линейного и плавного управления генератора кислородно-водородной смеси для обеспечения стабильности давления и защиты электролизера по параметрам газовой системыисследование и оптимизация режимов работы электролизера и элементов электрооборудования генератора кислородно-водородной смеси, разработка инженерных методик проектирования бытового генератора кислородно-водородной смесиповышение производительности и надежности аппаратов бытового назначения на основе ЭВГ кислородно-водородной смеси путем разработки упрощенных вариантов систем электропитания и управления ЭВГ, защиты электролизера и газовой системыразработка новых конструкций аппаратов бытового назначения с улучшенными массогабаритными и эксплуатационными показателями;

Решение этих вопросов позволит обеспечить надежность и расширить спектр применения ЭВГ в быту и сервисной деятельности. Применение элементов полупроводниковой электроники и микросхемотехники в системе управления и защиты позволит решить вопросы автоматизации процессов пайки и сварки.

Выводы:

1. В обоих оптических схемах датчика давления (раздельные и совмещенные оптические каналы) следует использовать источники излучения с изотропной излучающей поверхностью или с поверхностью, излучающей по закону Ламберта.

2. В схеме с раздельными оптическими каналами следует стремиться к увеличению расстояния R между источником и приемником (20 — 30 мм) при этом мембрана с отражающим слоем должна размещаться на расстоянии h = (0.1 0.2) R. 3. В схеме с совмещенными оптическими каналами отношение радиусов источника и приемника излучения следует брать е = 0.1 -ь 0.2, при этом отражающая мембрана устанавливается на расстоянии h = (0.4 -г- 0.5)-7?, где R — радиус приемного оптического кабеля.

ГЛАВА IV СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ГОРЕЛКИ ДЛЯ ПАЙКИ И СВАРКИ ЭВГ БЫТОВОГО НАЗНАЧЕНИЯ.

§ 4.1 РАСЧЕТ КАМЕРНО-ВИХРЕВОЙ ГОРЕЛКИ ДЛЯ БЫТОВОГО ЭВГ.

В технологических процессах газопламенной обработки металлов и пластмасс применяются различные типы горелок.

Для пайки, сварки и резки обычно используются горелки с узким факелом [39] типа представленной на рис. 4.1.

Рис. 4.1.

Горючие газы (ацетилен + кислород, пропан + кислород и другие) поступают раздельно в штуцеры, далее в корпусе горелки по каналам, сечение которых регулируется с помощью вентилей, газы подаются на форсунки и затем, смешиваясь в трубке, выходят в атмосферу через мундштук. Горение смеси происходит после выхода ее из мундштука. Продукты горения образуют пламенный факел, отстоящий на 5 — 10 мм от среза мундштука, его длина, максимальный диаметр и температура регулируются количеством подаваемых газов с помощью вентилей.

В электролизно-водном генераторе образуется водород и кислород, причем отношение объема кислорода к объему водорода Р = 0.5 (стехиометрический состав). ЭВГ с раздельным получением кислорода и водорода применяются в промышленности, но имеют более сложную конструкцию, поэтому для бытовых целей используются ЭВГ, производящие смесь газов (гремучий газ).

В данном случае для сгорания водорода достаточно того кислорода, который содержится в смеси и нет необходимости в подаче дополнительного окислителя (воздуха) во второй канал горелки и этот канал оказывается как бы не нужным. Однако кислородно-водородное пламя при р = 0.5 обладает окислительным воздействием на металлы, что в ряде случаев недопустимо или нежелательно.

Максимальная температура пламени достигается при р = 0.25 — 0.4 [2], т. е. требуется понизить р в горючей смеси. Для этого гремучий газ из ЭВГ разделяется на два потока, один из которых пропускается через барботер, наполненный жидкими углеводородами (бензин, керосин, спирт, ацетон и др.), где насыщается парами этих веществ. Поэтому на вход горелки подаются два потока газа: чистый гремучий газ и гремучий газ, обогащенный парами углеводородных соединений. Теперь с помощью вентилей можно регулировать соотношение этих потоков (и общий расход в том числе), достигая таким образом необходимых свойств пламени.

Существует также схема использования в качестве второго газа пропана (бутана и др.), подаваемого из баллона.

Таким образом, для бытового ЭВГ требуется горелка с двумя входами.

Следующая особенность, характерная для горелок, использующих гремучий газ, состоит в том, что вся газотранспортная магистраль во время работы заполнена гремучим газом и поэтому обратный проскок пламени в горелке (во время регулировки пламени или при зажигании) будет распространяться по шлангам вплоть до барботеров или до защитного устройства от обратного удара. После такого обратного удара зажечь горелку будет возможно только через довольно значительный промежуток времени (десятки секунд), необходимый для заполнения магистрали вновь гремучим газом.

По данным специальной литературы [39] при небольших мощностях (а именно это и требуется для бытового ЭВГ) наибольшей устойчивостью к обратному удару и расширенным диапазоном регулировки по расходу газа, обладают так называемые камерно-вихревые горелки (рис. 4.2).

Рис. 4.2.

В такой горелке горение происходит внутри нее, в камере сгорания, причем один из газовых потоков (внешний) с помощью наклонных каналов форсунок и специальной резьбы на внутренней поверхности камеры сгорания, закручивается относительно центрального потока. В результате вращательного движения продуктов сгорания, пламя внутри горелки имеет вид вихревого шнура, часть которого выходит через сопло горелки, эта часть и представляет собой рабочий факел горелки. При уменьшении расхода, когда в обычной горелке возникает возможность обратного удара, в камерно-вихревой горелке исчезает рабочий факел и горение переходит в камеру сгорания. Это служит сигналом к изменению регулировки (увеличению расхода) и предупреждает оператора об опасности обратного удара.

Представленная на рис. 4.2 схема камерно-вихревой горелки отработана экспериментально [39].

Именно сочетание двух камер сгорания: цилиндрической и расширенной цилиндроконической обеспечивает получение нужных характеристик горения.

В данной работе автором получены расчетные зависимости, которые могут быть использованы при проектировании и изготовлении камерно-вихревых горелок для бытовых ЭВГ.

1. Определение диаметра канала центральной форсунки (сопла) Д,. Определим характер течения газа в центральном канале, для чего найдем величину j = Pl /Р2, где Pi и Р2 абсолютные давления газа до и после сопла. Рабочее абсолютное давление в газовой магистрали составляет [91] Pi = 0.22 -h 0.30 МПа (2.2 -i- 3.0 кгс/см2). Давление в камере сгорания [39]: Р2 =0.110 -г 0.115 МПа (1.10 1.15 кгс/см2). Таким образом,./ лежит в пределах 1.9 -г 2.7.

Критическое значение jK, определяющее характер течения газа в канале, как известно из газовой динамики [54,78] равно:

Из вышеперечисленного следует, что в диапазоне рабочих давлений газа j > jkp• В этом случае канал горючего газа рассчитывают по формулам истечения с критической скоростью без учета давления горючей смеси Р2 в камере сгорания.

Согласно [54] критическая скорость: к.

Jkp где к — показатель адиабаты газа.

В нашем случае гремучий газ — двухатомный и для него k = 1.4, тогда.

4.1) к — показатель адиабаты;

R — газовая постоянная (для гремучего газа R=692.5 Дж/кг-К);

Tt — температура газа на входе в сопло. Объемный расход газа:

Уг = W* ^=7r^-j2-k/(k+l)lR.Tl (4.2).

Заметим, что формула (4.2) дает объемный расход газа при его параметрах на входе в сопло, т. е. Р] и Т.

Производительность электролизера задается в л/час при нормальных условиях (Р0 = 0.101 МПа, Т0 = 273К), поэтому объем газа в формуле (4.2) приводим к нормальным условиям:

Из этого уравнения можно зависимость диаметра канала центрального сопла от давления газа на входе Pj, его температуры Tj и производительности электролизера Уг.

Чтобы избежать громоздких выражений подставим в (4.3) известные числовые данные и выразим диаметр канала Dz. При этом учтем, что зависимость от температуры слабая и сама температура газа на входе в горелку меняется в небольших пределах (60 — 80 °С), поэтому примем Г/^350 К и оставим два переменных параметра:

Уг — производительность электролизера (в нормальных литрах/час) — Р — избыточное рабочее давление в газотранспортной магистрали (в кгс/см). Получаем следующую зависимость:

Множитель Р+1 в знаменателе — это абсолютное давление газовой смеси, в то.

На рисунке 4.3 представлены кривые зависимостей (4.4) для расходов V] и давлений Р, изменяющихся в пределах, принятых для бытовых ЭВГ.

4.3).

4.4) 2 время как Р — избыточное давление (в кгс/см).

Производительн. электролизера норм. л/час.

Рис. 4.3.

Рассмотрим теперь второй поток газа, поступающий в камеру сгорания через завихритель. Каналы завихрителя — это прямоугольные ленточные каналы, расположенные под углом 12 -ь 20° к оси камеры. Число их п > 4.

Для равномерного распределения газа по каналам перед ними в корпусе делается кольцевая выточка, в которую и поступает второй поток газа. Суммарную площадь каналов завихрителя получим из формулы (4.4): е nDl Кз.

S, =-^ =-22—(4.5) 4 1494-СР+1).

Если число каналов завихрителя п, то площадь каждого канала (мм2):

S, =-^—(4.6) к 1494-(Р+1)-л.

Размеры ленточного прямоугольного канала (по типу ленточных многозаходных резьб) определяется из технологических соображений. Обычно задается ширина канала I, тогда его глубина h определяется из (4.6) по соотношению: h=— (4.7) I.

Рекомендуемый порядок расчета сечения каналов горелки:

1. Разделяем газовый поток пополам, то есть производительность электролизера делим на два.

2. По величине VJ2 по формуле (4.4) или графикам рис.(4.6) при заданном рабочем давлении определяем диаметр центрального клапана De.

3. По той же величине VJ2 = Vz3 с помощью формулы (4.6) определяем сечение каждого канала завихрителя.

4. Размеры прямоугольного канала завихрителя находим по стандартам на ленточные резьбы.

Определение диаметра выходного сопла камеры сгорания Dc. Движение продуктов сгорания горючей смеси из камеры сгорания в атмосферу происходит под избыточным давлением в камере. При движении по соплу камеры продукты сгорания переходят от параметров Р2- V2- Т2 к параметрам Р3- VjТ3. Следовательно, происходит процесс изменения его состояния: при этом скорость от одного сечения сопла к другому увеличивается и достигает наибольшего значения в устье сопла. В этом случае истечение из сопла рассматривается как адиабатическое. Так как давление в камере сгорания не превышает 1,15 кгс/см, то величина j ~ 1.15.

Скорость истечения продуктов сгорания из сопла в этом случае: [21] к-1″ w=(p• 2-к «^ —R-Tк-1 1- / р2, ч ^) к где <р = 0.92 0.07 скоростной коэффициент, учитывающий трение при соприкосновении горючих газов со стенками сопла, а также внутри объема горючих газов. [20].

Показатель адиабаты для продуктов сгорания К может быть определен по таблицам теплофизических свойств газов.

Продукты сгорания — это в основном молекулы воды. Задаемся средней температурой пламени 2000 °C и по формулам [54] рассчитываем к: Ср ^1,833+0.3 111−2000, 231 г 1.372 + 0.3 111−2000 ' V.

Газовая постоянная для воды:

R = 831 = 461.7 Дж/кг-К 18−10″ 3.

Взяв среднее значение <р=0.95 и значение давлений Рз/Р2=1.0/1.195=0.889 вычисляем по (4.8) скорость истечения газов из сопла: w = 469.7 м/с.

Заметим, что эта скорость значительно меньше скорости звука при условиях Р2- Т2 w3e = jk-R-T=1137 м/с, что и соответствует докритическому потоку.

Теперь определяем объемный расход газа при условиях Р2- Т2:

7lD2.

V = c • w, приводим объем газа к нормальным условиям: и выражаем Dc.

4.9).

Подставляем числовые значения и переводные коэффициенты, связанные с выбором единиц измерения, получаем (мм и л/час):

Из этого соотношения видно, что диаметр отверстия выходного сопла меняется от 1.42 мм до 2.46 мм при изменении производительности от 100 до 300 л/час.

Определение размеров камеры сгорания.

Основные размеры камеры сгорания определяются из условий предельно допустимой удельной объемной теплонапряженности потока продуктов горения. По экспериментальным данным максимальная удельная тепловая нагрузка (теплонапряжение поперечного сечения): [54].

Количество тепла, выделяемое горючим газом при сгорании заданного расхода:

4.10).

С/ = (10+40) • 106 ккал/м 2 • ч = (40 +160) • 109 Дж/м 2 • ч.

Объемная теплонапряженность:

Vn = (200 +250)-106ккал/м 3 -ч = (800+1000) 109Дж/м3 ч Q.

Q=QvK.

4.11).

Здесь Qlt — низшая теплота сгорания газовой смеси (Дж/м3).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Предложен принцип управления генератора кислородно-водородной смеси, обеспечивающий стабилизацию параметров пламени. С целью регулирования параметров ЭВГ целесообразно применять в бытовом бестрансформаторном варианте мостовую схему выпрямления с включением встречно-параллельных тиристоров в цепи переменного тока. Тогда функции регулирования параметров пламени и защиты элементов электрооборудования ЭВГ можно совместить, что позволяет упростить систему управления и защиты, повысить надежность аппаратов на основе ЭВГ.

2. Произведен анализ элементов электрооборудования и электролизера. Исследования показали, что включение индуктивности в цепи переменного тока позволяет улучшить режим работы полупроводниковых элементов системы электропитания.

3. Разработана и предложена инженерная методика проектирования ЭВГ бытового назначения с учетом вольтамперной характеристики электролизера и особенностей его режимов.

4. Предложен вариант двухуровневой газотранспортной системы, позволяющий обеспечить надежную работу ЭВГ.

5. Предложен усовершенствованный вариант конструкции камерно-вихревой горелки для пайки и сварки, приведены элементы расчета сечения каналов и параметров камеры сгорания в зависимости от производительности ЭВГ.

6. Дана методика определения оптимальных параметров оптоэлектронного датчика давления ЭВГ, разработана конструкция датчика давления для бытового генератора в интервале рабочих давлений 0.5 -г 3 кг/см2, сущность принципа действия которого заключается в изменении интенсивности светового потока, отражаемого от чувствительного элемента, представляющего собой плоскую резинотканевую пластину с жестким центром, способную получать заметный прогиб под давлением рабочей среды.

7. Разработаны основные конструктивные и эксплуатационные требования, предъявляемые к ЭВГ бытового назначения по эксплуатационной надежности, безопасности работы и экологичности.

8. Разработана и реализована в виде программы математическая модель распределения температуры внутри произвольного параллелепипеда (корпуса РЭА) в процессе пайки (сварки), которая позволяет учитывать изменения температуры от скорости перемещения горелки.