10694

132

предельных напряжений в поясах балки: пластические деформации допускаются лишь в стенке; работа поясов ограничена упругой стадией.

Различные марки сталей могут использоваться и в балках с гибкой стенкой. В отсеках с преимущественным изгибом рационально для стенок и поясов использовать стали одинаковых марок или для поясов применять более прочные стали. В отсеках, преимущественно работающих на сдвиг, стенка оказывается весьма нагруженной, а сечение поясов зачастую определяется условиями устойчивости, когда прочность стали не играет определяющей роли. Поэтому рационально в стенке и поясах использовать сталь одинаковой прочности или в стенках использовать более прочную сталь. Установлено, что оптимальное соотношение расчетных сопротивлений Ryw=(1,3÷1,4) Ryf. Балки с гибкой стенкой рекомендуется проектировать из малоуглеродистых сталей и сталей повышенной прочности, варианты с применением высокопрочных сталей не рекомендуются [4]. Аналогичные требования по применению сталей различной прочности распространяются на методы проектирования балок с гофрированной стенкой и перфорированные балки.

Анализ результатов исследований показывает, что использование сталей повышенной и высокой прочности является возможным путем снижения расхода металла на строительные конструкции. Подобное решение в сочетании с рациональной конструктивной формой и правильно подобранными характеристиками сечений позволяет существенно повысить экономическую эффективность конструкций. В магистерской диссертации влияние прочности стали на несущую способность предполагается рассмотреть на примере рамы с элементами непрерывного переменного сечения.

Значительная экономия стали в таких рамах достижима в первую очередь за счет уменьшения расчетных сечений ригеля. Снижение металлоемкости также возможно при тонкостенной конструкции ригеля. Результаты ВКР(б) показывают, что в рассмотренной раме пролетом 36 м ригель работает преимущественно на изгиб, поэтому основой для исследований служат соответствующие главы норм [4,5].

Методика подбора сечений изгибаемых элементов позволяет установить размеры минимальных по площади сечений шарнирно опертых балок, нагруженных в плоскости стенки и имеющих сварное двутавровое двоякосимметричное сечение с устойчивой и гибкой стенкой, а также определить наиболее эффективное сопротивление стали [5]. Оптимальную высоту изгибаемых элементов можно определить для балки постоянного и переменного сечений, бистальной балки и балки, рассчитываемой с учетом развития ограниченных пластических деформаций [4,5].

В результате анализа нормативных источников отмечено:

1. нормы не содержат рекомендаций по расчету элементов с непрерывным переменным сечением;

133

2.методики расчета бистальных балок и балок с гибкой стенкой не предусматривают их работу в условиях сжатия с изгибом, характерных для ригелей рам;

3.основой существующих методов расчѐта стальных конструкций являются стержневые модели с линейным упругим законом поведения стали, а также модели с линейным упругим поведением и с ограниченным перераспределением пластических деформаций в сечениях элементов конструкций;

4.нормы основаны на методе Эйлера и учитывают момент потери устойчивости только при действии продольных усилий в сжатых, сжатоизогнутых стержнях конструкций.

Действительные условия развития пластических деформаций в конструкциях требуют применения в научных исследованиях расчѐтных моделей с учѐтом нелинейного упругого и пластического поведения стали

–моделей с учѐтом физической нелинейности работы стали. Чтобы наиболее полно и точно выполнять расчѐты, необходимо одновременно учитывать в моделях влияние деформирования конструкции на изменение еѐ напряжѐнного состояния, т. е. рассматривать одновременно физически и геометрически нелинейные модели. Пространственные модели позволяют выполнять расчѐт устойчивости с учѐтом действия пространственно распределѐнных по сечениям стержней рам расчѐтных сочетаний нагрузок. Возможность пространственного моделирования поперечных сечений, узловых соединений, передачи нагрузки на элементы конструкции позволяет учесть в расчѐтах геометрическую нелинейность деформирования не только стержней конструкции, но и их поперечных сечений одновременно.

Рассмотренные вопросы определили цель магистерской диссертационной работы: выполнить численные исследования нелинейной работы стальных рам с непрерывным переменным сечением элементов с учетом влияния конструктивных факторов и различной прочности стали.

Для достижения намеченной цели поставлены следующие задачи:

1.Исследовать работу стальных рам на пространственных пластинчатых конечно-элементных моделях с учѐтом физической нелинейности работы стали и геометрической нелинейности деформирования конструкции под нагрузкой в условиях сложного напряженного состояния.

2.Разработать расчѐтную выборку стальных рам путем варьирования определяющих характеристик конструкций: марок сталей, относительных эксцентриситетов сечений, гибкостей элементов, нагруженности сечений, распределения материала по длине стержней и элементам поперечных сечений и др.

3.Оценить влияние прочности стали на несущую способность и деформативность элементов рам.

134

4.Оценить влияние прочности стали на расход и стоимость материала в рамах.

5.Оценить эффективность полученных конструктивных решений.

6.Разработать рекомендации по применению сталей различной прочности в рамах, рациональным конструктивным решениям рам с элементами непрерывного переменного сечения, выбору оптимальных расчѐтных моделей.

Литература

1.Кузнецов, А.Ф. Строительные конструкции из сталей повышенной и высокой прочности (технология изготовления и монтажа, технико-экономические показатели) / А.Ф. Кузнецов. – М.: Стройиздат,

1975. – 80 с.

2.Металлические конструкции: сб. ст. ЦНИИСК / под ред. В.А. Балдина. – М.: Стройиздат, 1968. – 190 с.

3.Колесов, А.И. Стальная рабочая площадка промздания. Компоновка, конструирование и расчет несущих элементов: учеб. пособие/ А.И. Колесов, Б.С. Поликарпов. – Н. Новгород: ННГАСУ, 1998. – 91 с.

СССР, 1989. – 148 с.

5. СП 16.13330.2011. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*: свод правил: утв. Минрегионом России 27.12.10: дата введ. 20.05.11. – М.: Минрегион России, 2011. – 177 с.

135

ТЕПЛОГАЗОСНАБЖЕНИЕ. ОТОПЛЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЯ. ВОДОСНАБЖЕНИЕ И ВОДООТВЕДЕНИЕ. ГИДРАВЛИКА.

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

УДК 621.1

А.И. Автономов

Устройство и принцип работы тепловых труб

Тепловыми трубами названы испарительно-конденсационные устройства для передачи тепла, в которых осуществляется перенос скрытой теплоты парообразования за счет испарения жидкости в зоне подвода тепла и конденсации ее паров в зоне отвода, а замкнутая циркуляция теплоносителя поддерживается действием капиллярных или массовых сил.

Возможны самые различные модификации тепловых труб. В простейшем случае тепловая труба (рис. 1) имеет герметичный корпус, внутренняя поверхность которого устлана слоем капиллярно-пористого материала – фитилем, который насыщен жидкой фазой теплоносителя. Фитилем могут служить различные пористые материалы (сетки, спеченные пористые структуры), канавки на внутренней поверхности корпуса трубы, экраны с перфорациями или какая-либо другая структура, способная осуществлять перенос жидкости из зоны конденсации в зону нагрева за счет действия капиллярных сил. В качестве теплоносителя могут быть использованы любые химически чистые материалы или соединения, имеющие жидкую и паровую фазу при рабочей температуре трубы и, как правило, смачивающие материал фитиля. Используя в качестве теплоносителей жидкий гелий, азот, спирты, фреоны, воду, щелочные металлы и т. п., можно создать тепловые трубы для работы как в областях низких, криогенных, температур, так и в области высоких температур – 2500° С и даже выше.

Рассмотрим работу тепловой трубы простейшего типа в условиях отсутствия массовых сил. Подводимое к трубе тепло передается за счет теплопроводности через корпус трубы и, зачастую, через элементы фитиля к теплоносителю. Испарение смачивающей фитиль жидкости приводит к образованию или увеличению кривизны вогнутых менисков на поверхности жидкости в порах фитиля в зоне нагрева. Под действием сил поверхностного натяжения в вогнутых менисках появляется капиллярное давление Ркап, воздействующее на жидкость и стремящееся уменьшить кривизну менисков. Капиллярное давление в мениске определяется по формуле Лапласа:

где Ркап – капиллярное давление; R1 и R2 – главные радиусы кривизны поверхности мениска.

136

Рис. 1. Схема цилиндрической тепловой трубы и качественное распределение давления в паре Рп и жидкости Рж без воздействия массовых сил (а) и в поле сил гравитации, направленных против течения жидкости в фитиле (б): 1 – корпус, 2 – фитиль;

3 – жидкость, 4 – пар

Конденсация жидкости в зоне отвода тепла приводит к затоплению фитиля. Кривизна менисков жидкости внутри фитиля в этой зоне, как правило, ничтожна по сравнению с соответствующей кривизной в зоне нагрева трубы. Различие кривизны менисков и, следовательно, капиллярных давлений в этих двух зонах трубы приводит к появлению перепада этих давлений, который является движущим перепадом давления при перекачке жидкости по фитилю из зоны конденсации в зону испарения. Таким образом, в тепловой трубе для обеспечения замкнутой циркуляции теплоносителя используется «капиллярный насос». Помимо капиллярных сил при работе тепловых труб могут действовать массовые силы – гравитационные, центробежные, электромагнитные и др. Массовые силы способны как улучшать циркуляцию теплоносителя в тепловых трубах, так и затруднять ее.

В работающей трубе при циркуляции теплоносителя имеют место следующие процессы: 1) испарение жидкой фазы теплоносителя в зоне нагрева при подводе тепла от источника; 2) перенос пара в зону с пониженным давлением – зону теплоотвода и конденсации; 3) конденсация пара в зоне теплоотвода; 4) подача жидкости из зоны конденсации в зону испарения под действием капиллярных или массовых сил.

138

Типичное распределение давления в паре и жидкости по длине тепловой трубы показано на рис. 1. Кривизна менисков и капиллярное давление по длине трубы изменяются. Максимальная кривизна имеет место в начале испарительной зоны трубы, а минимальная – в конце зоны конденсации. Кривая а – изменение давления в жидкости при отсутствии воздействия массовых сил, кривая б, данная для сравнения, – распределение давлений в жидкости по длине трубы с учетом влияния гравитации в случае, когда силы тяжести препятствуют циркуляции жидкости. При постоянном значении передаваемой трубой мощности влияние гравитации приводит к тому, что капиллярный насос должен развивать более высокий перепад давления по сравнению с работой трубы

вневесомости.

Вусловиях, когда силы гравитации или иные силы (центробежные, электромагнитные) способны обеспечить перенос жидкости из зоны конденсации в зону нагрева, могут использоваться тепловые трубы, не имеющие капиллярной структуры – бесфитильные тепловые трубы. Конструкция тепловой трубы, не имеющей капиллярной структуры и работающей на использовании гравитационных сил, представлена на рис.2. Такую тепловую трубу принято называть испарительным термосифоном.

Литература 1. Ивановский, М.Н. Физические основы тепловых труб/

М.Н.Ивановский, В.П.Сорокин, И.В. Ягодник. – М., 1978. – С. 9-12.

УДК 662.6

С.П. Барабошкин

Способ контроля горения в топке на основании спектрального анализа в диапазоне длин волн от 0,4 до 1,2 мкм

Условием эффективного (экономичного и устойчивого) процесса сжигания топлива является рациональная организация топочного процесса, включающая оперативный контроль горения топлива и выработку управляющих сигналов для оптимизации процесса. Для контроля горения могут использоваться различные параметры, например температура в определенных зонах, количество подаваемого кислорода, концентрация продуктов сгорания и т.п. Широкое распространение получили способы контроля горения, использующие спектральный анализ пламени, имеющего в составе спектра линии кислорода, газообразных продуктов сгорания, сажи и элементов самой топки.

Для сжигания определенного количества топлива определенного состава необходимо строго определенное количество кислорода. При его

139

недостатке возникает недожог топлива с образованием оксида углерода и молекулярного водорода, оказывающих вредное влияние на окружающую среду. Однако и значительное увеличение количества подаваемого воздуха нецелесообразно, поскольку в этом случае увеличивается выброс в атмосферу избытка нагретого в топке и не участвующего в реакции с топливом воздуха, что ухудшает экономические характеристики топки.

Известен спектральный способ контроля горения, используемый для регулирования подачи топлива и воздуха в горелку. Способ включает прием сигнала от пламени горелки с помощью оптоволоконного датчика, установленного так, что его приемное окно расположено напротив ядра горения. Способ включает также передачу сигнала по световоду на спектрометр и анализ полученного сигнала с целью определения количества воздуха в газообразных продуктах сгорания.

Способ контроля горения по количеству воздуха в топке обеспечивает хорошие результаты в том случае, если состав и количество подаваемого топлива, а также режим работы котла остаются неизменными. Однако обычно характеристики и количество подаваемого топлива, а также режим горения в процессе эксплуатации меняются и наличие расчетного количества воздуха в топке не всегда свидетельствует об оптимальном режиме работы. По количеству находящегося в средней части топки (в области ядра горения, где установлен датчик) воздуха невозможно определить, сгорает ли топливо полностью непосредственно в топке или уже за ее пределами. Поток подаваемой в топку топливновоздушной смеси практически не бывает однородным, что усугубляется взаимодействием потоков топливно-воздушной смеси из разных горелок внутри самой топки: в отдельных участках топки появляются макрозоны с избытком или недостатком воздуха, необходимого для полного сжигания топлива при одинаковой его средней концентрации по топке. Это обычно ведет к выбросам продуктов неполного сгорания топлива в атмосферу.

Таким образом, этот способ не обеспечивает достаточно высокую точность контроля горения.

Более достоверные результаты дает способ, также основанный на спектральном анализе пламени и включающий выделение спектральных линий излучения продуктов сгорания, а именно паров воды и углекислого газа. Основные спектральные линии этих продуктов сгорания лежат в диапазоне длин волн от 1,38 до 6,3 мкм. В результате обработки полученных сигналов на компьютере определяются концентрации указанных продуктов сгорания и изменение этих концентраций, и вырабатывается соответствующий управляющий сигнал.

Поскольку в этом способе контролируются концентрации продуктов сгорания и изменение концентраций этих продуктов, результаты анализа позволяют корректировать режим горения (подачу топлива и кислорода) с большей эффективностью по сравнению со способом, описанным выше.

140

Однако, как и в способе, описанном выше, для анализа используется спектральный диапазон, в котором находятся линии излучения как продуктов неполного сгорания, так и элементов самой топки, создающие такой уровень шумовых сигналов, который делает анализ выбранных линий затруднительным.

Для улучшения параметров контроля горения необходимо исключить влияния спектральных шумов, и тем самым повысить экологические и экономические характеристики топки.

Поставленная задача решается тем, что в способе контроля горения на основе спектрального анализа выбирают диапазон длин волн от 0,4 до 1,2 мкм, измерения производят вне горелочного устройства в верхней части топочной камеры вблизи выхода, и по амплитуде пульсаций излучения сажи судят о режиме горения.

В выбранном диапазоне длин волн присутствуют только сигналы излучения паров воды и сажи, причем сигналы излучения паров воды настолько слабы по сравнению с излучением сажи, что ими можно пренебречь. Поэтому выделение сигнала излучения сажи не представляет трудностей.

Общеизвестно, что в нижней части топочной камеры, вблизи горелок, где процесс горения топлива еще не закончен, количество сажистых частиц и других продуктов неполного сгорания очень велико. Поэтому контролировать процесс горения с целью обеспечения высоких экономических и экологических характеристик целесообразно вблизи выхода из топки в верхней части топочной камеры вне горелочного устройства. Это позволяет анализировать конечные результаты процесса сжигания топлива, которые и определяют экономические и экологические характеристики работы топки. Как показывает практика, при оптимальном режиме горения (достаточном количестве кислорода для данного топлива и данной температуры) частицы сажи в верхней части топочной камеры практически отсутствуют, и появление сигнала излучения сажи свидетельствует о нарушении режима горения, а изменение амплитуды пульсаций свидетельствует об изменении концентрации частиц сажи. Выбор сигнала излучения сажи в качестве контролируемого параметра горения обладает рядом преимуществ. Прежде всего сигнал от частиц сажи, как и от любого твердого тела, весьма мощный. Это очень удобно для измерения, поскольку не требует особенно сложного оборудования или средств обработки сигнала. Диапазон излучения сажи относительно широкий, что позволяет упростить используемое оборудование и методику обработки сигнала. И, самое главное, в выбранном диапазоне практически отсутствуют мешающие сигналы от других продуктов сгорания.

Принципиальная схема системы контроля показана на рисунке 1.