Спосіб визначення складових корисної потужності та коефіцієнта корисної дії заглибного електротепломеханічного перетворювача

Реферат: Спосіб визначення складових корисної потужності та коефіцієнта корисної дії заглибного електротепломеханічного перетворювача, що характеризується одночасним безпосереднім виміром активної підведеної потужності та непрямим виміром корисної механічної потужності, визначенням різниці між ними. Непрямий вимір складових корисної потужності здійснюють шляхом розміщення заглибного електротепломеханічного перетворювача безпосередньо в резервуарі з рідиною, що нагрівається, виміру моменту опору рідини, який складається з сил розриву і тертя між рідиною та ротором заглибного електротепломеханічного перетворювача, одночасним вимірюванням температури кінців елементів його кріплення, температури рідини і кутової швидкості обертання ротора та визначенням механічної складової корисної потужності. UA 83193 U (12) UA 83193 U UA 83193 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до електротехніки, а саме до непрямих способів вимірів корисної потужності та коефіцієнта корисної дії електротепломеханічних перетворювачів технологічного призначення, і може знайти застосування при випробуваннях заглибних електротепломеханічних перетворювачів. Відомий спосіб визначення корисної потужності двигунів, в якому безпосередньому виміру підлягає обертовий момент та швидкість двигуна у сталому режимі, а корисна потужність визначається як добуток обертового моменту та кутової швидкості обертання валу [Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин. - 4-е изд. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отд-ние, 1984. - С. 123]. Недоліком відомого способу є неможливість визначення теплової складової корисної потужності заглибного електротепломеханічного перетворювача. Найбільш близьким аналогом є спосіб безпосереднього визначення коефіцієнта корисної дії шляхом одночасного виміру підведеної активної потужності Р 1 та корисної механічної потужності Р2мех, визначення різниці між ними, що складає загальні втрати ∑Р, які дисипують у вигляді тепла, при цьому ККД визначається за виразом   100  1   P / P1  [Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин. - 4-е изд. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отд-ние, 1984. - С. 160-162]. До недоліків відомого способу належать значна похибка при вимірюванні корисної потужності та визначення ККД з урахуванням тільки корисної механічної потужності. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення способу випробувань електромеханічних перетворювачів за рахунок створення способу визначення складових корисної потужності та ККД заглибного електротепломеханічного перетворювача та підвищення точності визначення їх енергетичних характеристик. Поставлена задача вирішується запропонованим способом визначення складових корисної потужності та коефіцієнта корисної дії, який полягає у одночасному безпосередньому вимірі активної підведеної потужності Р1 та непрямому вимірі корисної механічної потужності Р2мех визначенні різниці між ними ∑Р, в якому, згідно з корисною моделлю, непрямий вимір складових корисної потужності здійснюють шляхом розміщення заглибного електротепломеханічного перетворювача безпосередньо в резервуарі з рідиною, що нагрівається, виміру моменту опору рідини М2, який складається з сил розриву і тертя між рідиною та ротором заглибного електромеханічного перетворювача, одночасним вимірюванням температури кінців його кріплення, температури рідини θрд і кутової швидкості обертання ротора ωр та визначенням механічної складової корисної потужності P2мех  M2  Mo   p , де Mo - додатковий момент опору, що складається з моментів тертя в підшипнику та подолання в'язкого тертя та адгезійних сил між зовнішньою поверхнею порожнистого статора і рідиною (визначається при калібруванні), визначенням теплових втрат в елементах кріплення електротепломеханічного перетворювача,   1  pe  z    , PT.B.  K  p  S    F M  K   1  pe z       де K - кількість елементів кріплення;  - коефіцієнт теплопровідності матеріалу кріплення;  p - коефіцієнт тепловіддачі з поверхні елементів кріплення до рідини; F , S - відповідно площа та периметр поперечного перерізу елементів кріплення; M , K - температури елемента кріплення відповідно в зонах з'єднання з електротепломеханічним перетворювачем та кришкою резервуара; p , z - коефіцієнти, залежні від співвідношень геометричних розмірів та теплопередачі у різних напрямках, визначенням теплової складової корисної потужності P2тепл   Р  Рт.в. і загального коефіцієнта корисної дії   100  1   Pт.в. / P1  заглибного електротепломеханічного перетворювача. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де на фіг. 1 показано повздовжній розріз пристрою, яким здійснюють запропонований спосіб, на фіг. 2 - схема електричних кіл. Здійснення способу розкрито на прикладі заглибного електротепломеханічного перетворювача для технологій розігріву та змішування епоксидних компаундів. Спосіб здійснюють таким чином. Заглибний електротепломеханічний перетворювач 8, закріплений на кришці 3, підключається до трифазної мережі живлення, при цьому утворюється обертове магнітне поле і феромагнітний масивний ротор 9 з лопатями 18 починає обертатись з кутовою швидкістю р. Постійні магніти 19 при обертанні ротора 9 збуджують імпульсні сигнали давача швидкості 20, які реєструються вимірювачем швидкості обертання 25 (тахометром). За допомогою 1 UA 83193 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 вимірювача активної потужності 26 реєструється підведена активна потужність Р1, яка споживається електротепломеханічним перетворювачем. При обертанні ротора 9 утворюється момент опору рідини М2, який складається з дії сил розриву і тертя між рідиною та ротором, при цьому шар рідини, прилеглий до поверхні ротора залучається до обертання і отримує момент кількості руху, що дорівнює обертовому моменту електротепломеханічного перетворювача 8. Момент кількості руху передається на порожнистий статор 6, що складається зі змінного порожнистого циліндра 11, на якому закріплено давач швидкості 20, диска 12 з пазами 13, осі 14 та підшипникового вузла 15, а з'єднаний з статором, за допомогою ваги 17, вимірювальний пристрій 16 втримує його від обертання і одночасно забезпечує можливість вимірювання моменту М2. За рахунок тепла, яке генерується в заглибному електротепломеханічному перетворювачі 8 і передається рідині, а також тепловиділень в самій рідині за рахунок внутрішнього тертя, в'язкість останньої зменшується і швидкість обертання ротора підвищується. За рахунок дії лопатів 18 через пази 7, 13 порожнистого статора 6 здійснюється масообмін і теплообмін в об'ємі рідини 4, що заповнює корпус 2, в якому знаходиться гідравлічний гальмівний вимірювач моменту 1. Одночасно здійснюється контроль температури рідини θрд в зоні гальмівного елемента 5 та різниці температур θкр на кінцях елементів кріплення 10 термопарами 21, 22, 23 та вимірювачем температури 24. Інформація з виходів блоків 25, 26 та 16 одночасно передається на входи персонального комп'ютера 27, в якому відповідно до заявленого способу здійснюються розрахунки складових корисної потужності Р 2мех, Р2тепл, загального коефіцієнта корисної дії . Приклад. 3 У порожнистий циліндричний корпус об'ємом 0,06 м завантажений заглибний електротепломеханічний перетворювач з зовнішнім масивним феромагнітним ротором діаметром 0,17 м та радіальним розміром лопатей 0,035 м, довжина перетворювача - 0,3 м. Перетворювач закріплено на кришці корпуса за допомогою трьох вагонесучих стержнів діаметром 0,02 м і довжиною 0,12 м зі сталі Ст. 45 з коефіцієнтом теплопровідності  = 32 Вт/(м·°С). Порожнистий статор гальмівного елемента, який коаксіально охоплює заглибний електротепломеханічний нагрівач, виготовлено з латуні товщиною 0,003 м (коефіцієнт теплопровідності  = 110,7 Вт/(м·°С)). Проміжок між внутрішньою поверхнею статора та лопатями ротора перетворювача - 0,005 м. Постійні магніти розташовані на чотирьох лопатях ротора на однаковій відстані від вісі обертання і закріплені за рахунок магнітного тяжіння, а на зовнішній поверхні статора гальмівного елемента закріплений геркон, електрично з'єднаний з входом тахометра LR7N фірми «Kubler». Відстань між магнітом і герконом складає 0,015 м і забезпечує надійне генерування імпульсів при обертанні ротора перетворювача. На зовнішній поверхні статора також закріплена термопара мідь-константан. Дві такі ж термопари закріплені відповідно на одному з вагонесучих стержнів в містах приєднання їх до перетворювача і кришки корпуса. Виходи термопар підключені до вимірювача температури восьмиканального УТК 38Щ4. Порожнистий статор гальмівного елемента за допомогою ваги з'єднано з динамометричним моментоміром, в який вмонтовано давач обертового моменту Т 10 F фірми НВМ з класом точності 0,1 %. Первинна обмотка заглибного електротепломеханічного перетворювача приєднана до трифазної мережі з лінійною напругою 380 В промислової частоти через аналізатор параметрів мережі DMK 62 з використанням програмного забезпечення DMK SW10 для передавання інформації на персональний комп'ютер. В таблиці зведені дані випробувань заглибного електротепломеханічного перетворювача при різних температурах рідини і, відповідно, різному реологічному стані незатвердженої епоксидної смоли ЭД-20 (ГОСТ 10 587). Температура рідини θрд, °C 38 75 85 Результати вимірювань М2, θкр, -1 Р2, Вт ωр, с Н·м °С 31,7 2490 15,7 16 14 2200 31,4 50 7 1560 55 57 М2+М, Н·м 33 14,9 7,6 Результати розрахунків Р2мех, Р , ∑Р, Вт Рт.в., Вт 2тепл ,% Вт Вт 518,1 1972 8,4 1964 99,57 467,9 1732 10,5 1722 99,56 418 1142 13 1129 99,17 50 Нижче приведено приклад розрахунку теплових втрат через елементи кріплення заглибного електротепломеханічного перетворювача: 2 UA 83193 U    1  pe  z    PT.B.  K  p  S    F M  K   1  pe z       Визначаємо окремі члени рівняння: K  3 ; p  S    F  520  628  10 4  32  3  10 4  0,56 Вт/°С, де p  520 Вт/м·°С - коефіцієнт тепловіддачі з поверхні металевого елемента кріплення 5 при швидкості переміщення рідини  = 3 м/с; 2 F  3  10 4 м - площа перерізу елемента кріплення; S  628  10 4 м - периметр перерізу елемента кріплення. m -1  520   16,25 м ; a1   32 S   F 520  0,0628 32  10 4 -1  58,32 м a1  m 58,32  16,25   0,564 ; z  2a1  l  2  58,32  0,12  14 a1  m 58,32  16,25 M  K  70  20  50 °C, де M , K - температури елементів кріплення в зонах з'єднання з перетворювачем і кришкою. Отже величина теплового потоку через елементи кріплення становить: p 10 15 20 25 1  0,564  e 14  84 Вт 1  0,564  e 14 При нанесенні на стержні кріплення теплоізолюючого шару товщиною 7 мм, наприклад з асбослюди, різко зменшується коефіцієнт тепловіддачі р і втрати теплового потоку складають 10,5 Вт. Відповідні значення коефіцієнта корисної дії заглибного електротепломеханічного перетворювача такі: без теплоізоляції елементів кріплення  = 96,5 %; з теплоізоляцією - 99,56 %. Практична ізотермічність потоку рідини по перерізу порожнини між ротором і статором гальмівного елемента, а також однакова температура статора і рідини досягається за рахунок високого коефіцієнта теплообміну вже при швидкостях потоку 0,5 м/с і інтенсивного перемішування потоку рідини. Таким чином, задачу створення способу визначення складових корисної потужності та коефіцієнта корисної дії заглибного електротепломеханічного перетворювача та підвищення точності визначення їх енергетичних характеристик, слід вважати виконаним. PT.B.  3  0,56  50  ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 40 45 Спосіб визначення складових корисної потужності та коефіцієнта корисної дії заглибного електротепломеханічного перетворювача, що характеризується одночасним безпосереднім виміром активної підведеної потужності P1 та непрямим виміром корисної механічної потужності P2мех , визначенням різниці між ними P , при цьому ККД визначається за виразом   100  1   Pт.в. / P1  , який відрізняється тим, що непрямий вимір складових корисної потужності здійснюють шляхом розміщення заглибного електротепломеханічного перетворювача безпосередньо в резервуарі з рідиною, що нагрівається, виміру моменту опору рідини M2 , який складається з сил розриву і тертя між рідиною та ротором заглибного електротепломеханічного перетворювача, одночасним вимірюванням температури кінців елементів його кріплення, температури рідини і кутової швидкості обертання ротора p та визначенням механічної складової корисної потужності по формулі: P2мех  M2  Mo   p , де Mo - додатковий момент опору, що складається з моментів тертя в підшипнику та подолання в'язкого тертя та адгезійних сил між зовнішньою поверхнею порожнистого статора та рідиною (визначається при калібруванні), визначенням теплових втрат в елементах кріплення електротепломеханічного перетворювача по формулі:    1  pe  z    , PT.B.  K  p  S    F M  K   1  pe z       3 UA 83193 U де K - кількість елементів кріплення;  - коефіцієнт теплопровідності матеріалу кріплення;  p 5 коефіцієнт тепловіддачі з поверхні елементів кріплення до рідини; F , S - відповідно площа та периметр поперечного перерізу елементів кріплення; M , K - температури елемента кріплення відповідно в зонах його з'єднання з електротепломеханічним перетворювачем та кришкою резервуара; p , z - коефіцієнти, залежні від співвідношень геометричних розмірів та теплопередачі у різних напрямках, визначенням теплової складової корисної потужності P2тепл   Р  Рт.в. і загального коефіцієнта корисної дії заглибного електротепломеханічного перетворювача по формулі   100  1   Pт.в. / P1  . 4 UA 83193 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5