The article discusses a process that allows, by creating a physical principle of operation, to obtain a number of technical solutions for a cooling system and determine the most suitable design solutions for subsequent implementation.
Keywords : physical principle of operation, cooling system, technical solution, working fluid.
Особенностью научно-технического прогресса в области создания новых технологичных систем в промышленности является ускорение процесса подбора методов и технологий проектирования по отношению к сложности создаваемого изделия. Порядок действий конструктора, которому на данном этапе приходится одновременно проявлять свой талант, изобретательность, уровень владения инженерными знаниями довольно широкого профиля и постоянного поиска в творческой сфере, довольно сложно поддается автоматизации и формализации, от чего на этот вид работы и уделяется большое количество времени.
Данная проблема отчетливо проявляется в процессе проектирования систем охлаждения, чьими функциями безоговорочно является охлаждение отдельных узлов и систем, получение искусственного холода и поддержание необходимой температуры при работе изделия. Современные системы охлаждения работают на основе различных физических принципов действия и включают в себя большое количество конструкционных узлов и элементов. В связи с этим, процесс разработки новой системы охлаждения требует решения многих нестандартных задач для обеспечения надежной конструкции изделия, набора необходимых характеристик и относительной его простоты. Таким образом, актуальной задачей является поддержка разработки новых конструктивных решений путем применения новых методов проектирования и анализа, реализация которых производится посредством использования соответствующего программного обеспечения для ЭВМ.
Решение данной задачи позволит добиться более близкого соответствия реальных показателей относительно требуемых из выбранного метода оценивания, а также увеличить работоспособность конструктора путем сокращения сроков конструкторских разработок.
В данной статье будут рассмотрены некоторые моменты поиска технологических конструкций для систем охлаждения, в частности, это этап моделирования физического принципа действия. На основе данной модели существует возможность получения ограниченного множества новых технических решений, из которых требуется выбрать уже наиболее подходящие варианты для реализации в конструкции системы охлаждения.
Важнейшими задачами процесса поиска конструкций являются: получение максимального числа различных вариантов построения системы; выбор оптимального и эффективного варианта для последующей реализации.
Стандартный процесс выбора конструктивных элементов системы заключается в методе проб и ошибок, когда выбирается определенный прототип системы охлаждения, под который, в последствие, подбираются конструктивные элементы. Трудность метода заключается в том, что большое количество подбираемых элементов являются несовместимыми, что определяется только после анализа самим проектировщиком в процессе подбора. Это довольно сильно затрудняет и замедляет процесс работы проектировщика по созданию технологической системы.
Актуальность работы заключается в автоматизации данного процесса, так как самые основные аспекты в процессе создания системы охлаждения базируются на начальных стадиях проектирования.
В процессе работы, после проведения анализа по существующим методам проектирования технических систем, был сделан вывод, что подходящими будут методы, которые основываются на определенных моделях физического принципа действия. Такие модели, в основном, представляются в виде ориентированных графов. Но главной проблемой таких методов является затруднённый переход от модели физического принципа действия к конструктивной реализации, так как в них не учитывается возможное перемещение рабочего тела в пространстве, а также осуществление физических действий по времени.
С учетом полученных выводов, во внимание был принят инженерно-физический метод поиска конструктивных решений преобразователей энергии. Главное преимущество такого метода заключается в использовании новой модели физического принципа действия, который позволяет на основе принципов действия феноменологической термодинамики выявлять функции подбираемых конструктивных элементов. Далее проводится патентный поиск в специализированных базах данных, по типу ресурса ФИПС, и других подобных источниках, что дает возможность в последствие создать матрицу возможных технических решений для дальнейшей обработки наиболее подходящих вариантов. Проведенный анализ выбранного метода показал, что его действующие положения подходят для проектирования систем охлаждения, функциональным элементом которых является рабочее тело.
Для выполнения описанных ранее задач необходимо выполнить следующие предписания: определяем предметную область метода; проводим адаптацию модели физического принципа действия метода к выбранному классу технических систем; разрабатываем методику синтеза модели физического принципа действия и принципа действия проектируемой системы охлаждения.
В процессе определения предметной области метода были рассмотрены различные классификации систем охлаждения [3, 6], что позволило сделать вывод о том, что предметная область будет распространяться на системы, чье рабочее тело находится в газообразном или жидком состоянии. Наиболее известными представителями приходятся парокомпрессионные, абсорбционные, газовые, воздушные холодильные установки и другие охлаждающие системы, нашедшие применения в различных областях науки, техники и здравоохранения.
Также, при вышеупомянутом анализе было получено, что несмотря на широкую область применения систем, предназначенных для охлаждения, в них используется довольно небольшое количество физических эффектов. Это явления фазовых переходов, такие как кипение, испарение, конденсация, сублимация, плавление; дросселирование газов и жидкостей; адиабатическое расширение; вихревой эффект; эжекция [1, 2].
На основе работ [3, 5] таких ученых как В. А. Камаев и А. А. Яковлев были описаны главные принципы разработки модели физического принципа действия. Было заключено, что основу этих принципов составляет граф, который состоит из характерных точек и объектов окружения и дуг-потоков с дугами-взаимодействиями. Каждому явлению предназначена определенная топологическая структура из ранее описанных точек и дуг обоих типов.
В работе были разработаны примеры представления на графе физических эффектов, которые лежат в основе работы системы охлаждения. К примеру, охлаждение за счет кипения хладагента будет представлено следующими узлами на графе (рис. 1). На рисунке 1,а показан процесс кипения, который происходит при подводе тепла от внешнего источника; аналогичный же процесс, но без подвода тепла указан на рисунке 1,б. Таким же образом на графе модели физического принципа действия указываются и процессы испарения, конденсации, плавления и сублимации.
Рис. 1. Графическое представление процесса охлаждения за счет кипения хладагента: n1, n2 — хладагент в газообразном и жидком состоянии; ἱ11, ἱ22 — поток жидкого и газообразного хладагента, соответственно; eфаз — фактор экстенсивности, сопряженный с фазовой формой движения; eтер — фактор экстенсивности, сопряженный с термической формой движения
Аналогичным образомбыли составлены абстракции и для остальных физических процессов: процесс дросселирования газа, заключающийся в резком перепаде давления после протекания через узкое отверстие по типу дросселя или вентиля; дросселирования жидкости, подразумевающее под собой её выкипание посредством попадания жидкости в область более низкого давления; процесс адиабатического расширения газа, протекающий без теплообмена с окружающей средой; а также расширения газа с совершением внешней работы.
Представления физических процессов подобным образом дают возможность разрабатывать модели физического принципа действия для различных вариаций систем охлаждения, согласно положениям, которые изложены в работах [5, 6].
На рисунке 2, в качестве конкретного примера, показана конструктивная схема одного из основных вариантов газовой криогенной машины Стирлинга с одним теплым поршнем. Он состоит из следующих элементов: 1 — корпус; 2 — вытеснитель; 3 — шток вытеснителя; 4 — холодильник; 5 — шатун компрессора; 6 — вал; 7 — кривошип; 8 — шатун вытеснителя; 9 — охлаждающая рубашка; 10 — поршень; 11 — трубка для жидкого воздуха; 12 — полость для жидкого воздуха; 13 — горизонтальные перфорированные пластины; 14 — ребристая поверхность крышки; 15 — каналы; 16 — подвод воздуха; 17 — регенератор.
Рис. 2. Схема газовой криогенной машины Стирлинга
Разработанная же модель физического принципа действия для данной установки представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Модель физического принципа действия криогенной машины Стирлинга
С учетом того, что физические явления осуществляются не стационарно, граф в левой части рисунка дополняется циклограммой из правой для отражения истинной последовательности всех процессов в течение одного цикла.
Аналогичные модели физических принципов действия с графическим представлением были разработаны для простого эжектора, пароэжекторной холодильной установки, турбохолодильной машины и парокомпрессионной холодильной установки. Также, данный метод был использован на многих других системах охлаждения, что подтверждает правильность его выбора по отношению к рассматриваемому классу технических систем.
Выводы. Посредством применения инженерно-физического метода совместно с его моделью физического принципа действия, адаптированной под выбранный класс технических систем, мы можем позволить себе построить структуру проектируемой системы охлаждения в графическом виде. Используя данную структуру, которая в себе учитывает перемещение газа или жидкости, а также физические взаимодействия, проектировщик получает возможность в ускоренном формате продвинуться к этапу конструктивной реализации.
Стоит отметить, что описанные выше процессы никак не зависят от интуиции конструктора, поскольку осуществляются с жесткими правилами. Это, в свою очередь, позволяет еще и увеличить производительность труда на этапе проектирования, что приведет к снижению стоимости и сроков разработки систем охлаждения.
В дальнейшем предусмотрена реализация следующих пунктов: разработка методики синтеза технических решений на основе модели физического принципа действия; разработка программного приложения для автоматизации процедур синтеза технических решений.
Литература:
- Дячек П. И. Холодильные машины и установки: учебное пособие / П. И. Дячек. — Росто-на-Дону: Феникс, 2007. — 424 с.
- Глазунов В. Н. Поиск принципов действия технических систем / В. Н. Глазунов. — Москва: Речной транспорт, 1990. — 143 с.
- Камаев В. А. Обучение концептуальному проектированию преобразователей энергии на базе системного подхода / В. А. Камаев, А. А. Яковлев // Открытое образование. — 2005. — № 5 (52). — С. 62–69.
- Яковлев, А. А. Метод синтеза технических решений технологических лазеров на углекислом газе / А. А. Яковлев // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2006. Т. 2. № 2(17). С. 118–120.
- Яковлев, А. А. Системный подход к разработке технических решений энергоустановок на начальных этапах проектирования / А. А. Яковлев // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2006. Т. 2. № 2(17). С. 120–123.
- Яковлев, А. А. Автоматизация поиска улучшенных вариантов технических решений преобразователей энергии / А. А. Яковлев // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2007. Т. 1. № 1(27). С. 115–117.
- Коробкин Д. М. Автоматизация процесса формирования информационного обеспечения базы данных физических эффектов / Д. М. Коробкин, С. А. Фоменков, С. Г. Колесников // Вестник компьютерных и информационных технологий. — 2005. — № 3. — С. 22–25.
- Путилин С. С. Использование математических моделей и методов системного анализа для оптимизации управления работой аммиачной холодильной установки / С. С. Путилин // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. — 2013. — № 3
- Яковлев А. А. Инженерно-физический подход к проектированию преобразователей энергии / А. А. Яковлев // Справочник. Инженерный журнал. — 2006. — № 2. — С. 32–38
