电气比例阀

2024-09-28

电气比例阀（共6篇）

电气比例阀篇1

近年来, 不少设备制造厂商开始尝试使用混合绝缘气体替代纯SF6气体[1,2,3,4,5,6,7]。用混合气体代替纯SF6气体的前提是混合气体不液化, 绝缘性能满足要求, 应用于灭弧设备时具有良好的灭弧性能, 满足电气设备的运行需要。目前已在我国寒冷地区及气体绝缘输电管线 (GIL) 应用。但是目前国内还没有专门针对混合气体检测技术研究的报导, 应用于生产实践的也多是SF6气体的相关检测技术, 还没有开展混合气体检测技术的相关研究, 可见亟需开展混合气体检测技术的研究, 包括混合气体混合均匀性和混气比检测技术的研究, 为电气设备故障与混合气体特征分解产物的关系提供技术支持。

1 混合气体混气比检测技术的研究

混合气体SF6+CF4中含有大量的CF4气体, 可能给混合气体的特性分析及成分检测过程带来困难, SF6气体的部分检测项目已不适用于混合气体的检测, 主要从混合气体混气比探讨混合气体的检测技术。

参考SF6纯度检测技术制定了混气比检测技术的研究方案, 首先对混合气体混气比的检测开展相关研究。

1.1 基于传感器检测原理的检测技术

参考SF6纯度检测技术制定了混气比检测技术的研究方案:利用SF6传感器纯度仪开展混合气体混气比检测技术的研究, 首先对实验室现有的SF6纯度仪进行了标定, 再对混合气体的组分含量及混气比进行检测。

采用SMF06-5型动态配气仪、高纯CF4气体, 以高纯SF6气体为底气, 配制混合气体:40%SF6+60%CF4、50%SF6+50%CF4、60%SF6+40%CF4、80%SF6+20%CF4、90%SF6+10%CF4、100%SF6、100%CF4, 分别通入SF6纯度仪, 利用软件程序进行标定, 根据不同的标定值测得的信号值分别为:15.1 V、15.1 V、15.2 V、15.6 V、15.2 V、16.2 V、16.8 V、15.9 V。从结果可以看出, 不同混合比例的SF6和CF4的混合气体响应的电信号值比较接近, 该传感器对SF6气体和CF4气体组分的选择性较差, 不能满足CF4/SF6混合气体中组分含量及混气比检测的要求。

1.2 混合气体混气比检测技术研究

从前期的研究来看, SF6传感器原理的纯度仪不适用于混合气体各组分及混气比的检测, 主要是因为传感器分辨率不够, 选择性不好, 因此应对传感器进行改进和完善, 提高检测灵敏度, 使其能分辨SF6、CF4等组分, 满足检测要求。

1.2.1 检测原理依据

不同组分具有不同的热导率, 利用高精度的热导传感器, 对于彼此之间无化学作用的多种组分混合气体的热导率可近似表达为各组分热导率的加权平均值:

CF4/SF6混合气体中, 其他气体组分的含量较小, 可忽略不计, 针对仅有SF6和CF4两个组分的混合气体, 可利用微流量热导传感器检测两种组分的含量。

设SF6热导率为λ1, CF4热导率为λ2, 则混合气体热导率为:

因此, 测得混合气体的热导率数值即可利用式 (3) 计算得出SF6气体的含量, 进而计算CF4的含量。

1.2.2 微流量热导传感器检测原理

微流量热导传感器如图1、2所示, 主要利用气体扩散特性进行检测, 不需要设计专用的热导检测池, 当气体进入检测器的微型气腔2 (体积大约为100μL) 后, 通过扩散作用进入气室1 (体积大约为0.2μL) 中, 进行气体体积分数检测。

1.2.3 气路流程

在SF6气体组分含量的检测技术和检测流程基础上, 设计了混合气体中SF6和CF4组分含量及混气比检测的气路流程, 如图3所示。

气体检测流程:混合绝缘气体通过快速接头从电气设备流经针型阀, 调节针型阀保证微量的混合绝缘气体进入检测系统, 气体经进气管进入微流量传感器后, 经传感器检测电信号, 通过检测界面读取检测结果。检测后的气体进入气体回收装置。

1.2.4 标定试验

为了保障混合气体组分含量检测结果的准确性和可靠性, 对搭建的混合气体的检测模块进行标定, 并用动态配气仪配制的不同浓度的混合气体进行了检测, 检测结果见表1。

分析表1的检测结果, 可以发现, 设计的混合气体各组分含量检测的技术方案可对SF6和CF4组分进行定量检测, 且检测误差均<0.5%, 检测结果可靠准确, 可用于现场检测。

2 混合气体混合均匀性研究

前期试验, 研究了混合气体混气比的检测技术, 考虑到SF6和CF4的分子比重不同, 混合后是否存在分层现象, 要对其混合的均匀性进行研究。

2.1 试验方案

搭建试验研究平台, 如图4试验设备示意图, 模拟现场设备中SF6气体和CF4气体现场充装情况, 向装置中分别充入定量的SF6气体和CF4气体, 至试验装置压力为0.4 MPa。

2.2 试验结果

按照试验方案向试验装置充装一定量的SF6和CF4气体后, 定期用混合气体纯度仪进行检测, 检测结果见表2。待气体稳定一定时间后, 利用便携式气相色谱仪对试验装置的上部和下部两个检测口进行检测, 确定混合气体中SF6、CF4气体组分含量, 检测结束后间隔一定时间后再次检测, 并记录试验结果。

从表2中可以看出, 在常温下, SF6、CF4的混合气体稳定1天后, 下部SF6含量稍偏高, 可能是因为SF6气体的相对分子质量较大, 在底部富集量相对较多;混合气体稳定1周后, 试验装置上部表2混合气体分层试验结果和下部取样检测结果基本一致, 稳定2周后的检测结果与1周后的检测结果一致。试验结果表明, 在常温下, 对试验装置的高度范围内不存在分层, SF6和CF4气体已混合均匀。

为了进一步研究温度对混合气体分层情况的影响, 通过外部制冷或制热, 对上述试验装置中稳定的混合气体, 分别从上下部取样及检测, 检测结果见表3。

从表3的检测结果可以看出, 温度较高时, 试验装置内混合气体的分层情况不明显, 可能是因为温度较高时, 加速了分子的扩散运动, 使得上下层分布均匀;当试验温度为-20℃时, 试验装置下部检测结果稍高, 但变化值不明显, 可能是由于低温下, 微量SF6凝聚, 向装置地下运动;试验结果表明, 温度变化对混合气体分层影响不大, 可忽略不计。

3 结语

通过开展对混合气体混气比例检测技术的研究, 研究一套适用于混合气体混气比的检测技术, 可保证混合气体组分含量的检测误差<5%, 检测结果准确可靠, 且便于现场快速检测分析。

据统计, 我国新疆、内蒙、东北及青海等低温地区的SF6使用量近1 100 t, 相应混合绝缘气体中CF4气体的用量也很大, 如果再统计GIL中混合绝缘气体的应用, 其应用量将更大。随着我国北方许多充混合气体电气设备运行年限的增长, 对混合气体特性分析及成分检测、回收处理和循环利用技术的需要更加迫切。这将是我们今后工作的重点, 若实现混合气体的回收处理循环再利用将从节省气体购置费用方面产生巨大的经济、社会、环保效益。

摘要：介绍了电气设备中 (SF6+CF4) 混气比例检测技术, 采用新型的微流量热导传感器, 通过对气路流程的改进以及对标气的标定, 研究了一种适合混合气体 (SF6+CF4) 混气比例的检测技术, 且检测结果准确, 误差<5%。

关键词：SF6+CF4,混气比例,微流量热导传感器,气路流程

参考文献

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[2]周黎明, 邱毓昌.用作绝缘介质的SF6混合气体[J].高压电器技术, 1995 (1) :48-52.

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电气比例阀篇2

电液比例阀是以传统的工业用液压控制阀为基础,采用模拟式电气-机械转换装置,将电信号转换为位移信号,连续地控制液压系统中工作介质的压力、方向或流量。比例阀控制器的作用是对控制信号进行处理和放大,驱动电气-机械转换装置。因此,控制器控制作用的优劣直接关系到整个液压系统的性能。本设计通过使用单片机芯片对阀门进行比例控制,不仅具有很强的实际应用意义,而且符合阀门系统的小型化、集成化、智能化的发展要求。

1 电液比例压力阀的工作原理

新型电液比例阀的结构如图1所示。阀体主要由衔铁、电枢、复位弹簧、角位移传感器等部件组成。电液比例阀移动部件的运动是通过线圈中的电流所产生的电磁力与弹簧力的相互作用来实现的。当电磁力与弹簧力相平衡并最终稳定时,比例阀的位移就处于平衡稳态位置;同时,比例阀内部的位移传感器输出电压信号。比例阀内置的角位移传感器是一个半差动圆环传感器,它与衔铁轴通过拨杆直接相连接。工作时,执行器衔铁位置发生的变化,由角位移传感器检测到,并把它反馈到输入端与输入信号比较,构成闭环控制。使执行器衔铁的角位移能够得到更准确的控制。改善了电磁执行器工作的线性度和滞环并大大提高了控制精度。

2 比例阀控制系统框图设计

比例阀控制系统主要实现通过电子控制器对电液执行机构(比例阀)比例环节的自动控制。即当输入的信号改变时,控制其输出的电信号使得电磁阀的张开程度成比例改变。为了保证自动控制的精度,该系统宜采用闭环控制。对预期的最终位置与反馈信号作比较,进而产生误差信号。误差信号经放大作为系统的调节控制信号,实现误差最小或无静差。比例阀控制系统框图如图2所示。

系统主要包括3部分:信号转换采集模块,A/D采样包括角位移信号和电流信号,角位移电压信号即位置信号反馈,电流信号检测控制主要起保护作用;单片机处理模块,本设计选择常用的恩智浦半导体(NXP Semiconductors)公司生产的LPC12C14芯片;PWM驱动模块。

2.1 A/D转换模块

在本设计中共有位置信号即电压信号和电流信号两路采样。

2.2 单片机处理模块

主控制板模块的主要功能是实现对A/D转换器的读取和对数据进行算法处理,为了满足系统智能化的设计要求,选择ARM系列单片机LPC12C14作为主控制板的核心。主控制板电路和复位电路如图3所示。

2.3 PWM驱动模块

由于信号放大器驱动能力有限,本设计采用单片输出的PWM信号控制三极管通断的方式来控制驱动电压的输入。PWM驱动技术电路原理如下:微处理器产生脉宽调制信号快速控制串联在电源与比例阀线圈间的复合晶体管的通断,电压以方波的形式加在比例阀线圈的两端,其平均电压由占空比决定。控制电路图如图4所示。R1为驱动电流采样电阻。

2.4 角位移反馈模块

电感式角位移检测电路如图5所示,CON-L为阀体内置电感式位移传感器接口,1-2两端电感量L12与锥阀芯的位移成正比关系,2-3两端电感量L23为定值,据V1/L1=V2/L2,即电压信号VL1与转角成正比,从而实现位移检测反馈。

3 数字PID和软件设计

应用单片机作控制器比用传统的模拟电路更加简单、灵活、可靠。单片机控制技术不断发展,特别是软件PID算法控制器的使用,代替了原来很多的硬件PID调节器,在工业控制系统和嵌入式系统中得了更加广泛的应用。以单片机为硬件,成熟PID算法为控制软件,是电液比例阀用控制器的理想选择。

3.1 数字PID算法

在连续系统中PID的时域表达式为:

其中x0是偏差为零时的控制作用,在这里是基准电流。利用外矩形法进行数值积分,一阶向后差分进行数值微分,当选用采样周期为T时,可以离散为差分方程:

上式是数字PID的控制式。为了提高控制性能作如下修改:

上式的计算结果,反映了第k和第k+1次输出之间的增量,所以这种方法又称为增量式PI算式的结果是可正可负。利用增量算式控制执行机构,执行机构每次只增加或减少一个控制量,因此执行机构起了累加作用。这种算法有许多优点:

(1)算式只与最近几次采样值有关,不需要进行累加,不易引起误差积累,因此容易获得较好的控制效果。

(2)计算机只输出增量,无动作时影响小。必要时可加逻辑保护,限制或禁止故障时的输出。

(3)容易实现无扰动切换。为了使计算程序简化,控制式还可以进一步修改为:

3.2 软件设计

软件设计主要由系统初始化程序、系统初始运行参数设置子程序、数据采集及处理、PID计算子程序、比例阀驱动子程序、电流保护子程序及报警子程序组成。其中主要以PID计算为核心,结合以上PID算法设计流程图,如图6所示,系统运行时,通过定时器每间隔T秒中断一次,完成一次PID控制计算,从而不断调整被控参数。

4 实验及分析

设置寄存器PWMCON使能PWM模式,设定寄存器MR2=Fpclk/2000,并通过设置寄存器MR0=MR2/k即可得到频率为2kHz占空比可调的PWM信号。

实验表明,角位移信号经PID控制器后形成控制电压,来控制电液比例阀到达预期的位置,系统获得很好的控制效果,控制精度更好,获得较好静态特性。

5 结语

在分析比例阀结构特点和工作原理基础上,采用单片机实现对电液比例阀的控制,设计了相应的硬件电路和软件程序,并能较好地实现预定的功能。该控制系统简单、经济、可靠性高,符合机械产品的小型化、集成化、智能化的发展要求。

参考文献

[1]Don Derose.Proportional and Servo ValveTechnology[J].Fluid Power Journal.2003,(4):8-12

[2]黄卉,程顺.电液比例技术发展趋势微探[J].液压与机床,2002,(11):3-4

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[4]李增国.基于单片机的电动执行器控制系统的开发[J].单片机开发与应用,2007,11:2

电气比例阀篇3

1 PID算法

由于计算机控制是一种采样控制它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量因此微分项和积分项不能准确的计算出, 只能用数值计算方法逼近。数字式的PID控制算法为:

增量式PID控制算法为:

△ui=ui-ui-1=k[ei-ei-1+T/Tiei+Td/T (ei-2ei-1+ei-2) ]

计算机控制系统采用恒定的采样周期T, 故在确定了k、Ti、Td后, 根据前后三次的测量偏差就可以求出控制增量。实际上, 位置式与增量式控制对整个闭环系统并无本质差别, 只是将原来全部由计算机承担的算式, 分出一部分由其他的部件完成。

2 积分分离PID控制

阀控马达系统在控制过程的启动、结束或大幅度增减设定时, 短时间内系统输出有很大的偏差, 会造成PID运算的积分累加, 致使控制量超过执行机构可能允许的最大动作范围对应的极限控制量, 引起系统较大的超调, 甚至引起系统较大的振荡。采用积分PID控制算法, 当被控量与设定值偏差较大时, 取消积分作用, 以免由于积分作用使系统的稳定性降低, 超调量增大;当被控量接近给定值时, 引入积分控制, 以便消除静差, 提高控制精度。其基本思想是:根据系统情况设置分离用的门限值 (也称阀值) A。当偏差大于规定的门限值A时, 删除积分作用。当偏差值比较小时, 采用PID控制, 可保证系统的控制精度。控制算法可表示如下:

式中:β=1, |e (k) |≤A, 采用PID控制;β=0, |e (k) |>A, 采用PD控制。

3 PID调节器参数选择

选择调节器的参数, 必须根据工程的具体问题来考虑。在工控领域中, 要求被控过程是稳定的, 对给定量的变换能迅速的、光滑的跟踪, 超调量小, 在不同的干扰下系统输出应能保持在给定值, 控制的变量不宜过大。在系统与环境参数发生变化时控制应保持稳定。显然, 要同时满足上诉的要求很难, 必须根据实际兼顾其它方面。

PID的调节可以用理论的方法, 也可以通过试验。用理论的方法, 前提是要有被控对象的准确的模型, 然而, 在实际的工控领域, 一般难以实现。即使得到模型, 也是相似的, 在此基础上进行设计的系统很难说是最优的。因此, 一般通过试验凑试的办法定。

增大比例系数K一般会加快系统的响应, 在有静差的情况下, 有利于减小静差。但是, 会使系数有较大的超调, 并产生振荡, 使稳定性变坏。增大积分时间Ti有利于减小超调, 减小振荡, 使系统更加稳定, 但是系统静差的消除将随之减慢。增大微分时间Td有利于加快系统的响应, 使超调量减小, 稳定性增加。但是, 系统对扰动的抑止能力减弱, 对扰动有较敏感的响应。

4 PID控制的Matlab仿真

用Matlab的仿真工具Simulink对速度控制系统进行动态仿真。由上面计算得到卷扬升降机构速度的PID控制框图如图1所示。

电气比例阀篇4

1、Krauss摩擦试验机结构和工作原理

Krauss摩擦试验机属于台架式摩擦试验机, 试验原理依据摩擦力与压力成正比的关系确定:试验机利用电动机牵引带动惯性飞轮组旋转来模拟汽车的行驶动能和内部旋转件的旋转动能, 用原尺寸制动摩擦片试样、汽车原配制动钳和制动盘进行制动, 制动过程中测出制动器摩擦制动力矩和压力, 通过计算可以得出摩擦片摩擦系数。

待改造Krauss摩擦试验机基本结构主要包括主轴系统、制动加载系统、滑台系统、冷却除尘系统、测控系统等部分, 工作原理如图1所示。直流调速电机通过同步齿形带拖动飞轮旋转, 当达到试验规定的转速时, 电机断电, 开始制动:电磁换向阀得电, 经处理后的压缩空气进入气液增压缸的低压腔, 推动活塞使增压腔制动油进入制动钳油缸内, 推动活塞移动使制动钳闭合将摩擦片紧紧压在旋转的制动盘上, 对主轴系统进行制动。测控系统在制动过程中, 对转速、制动压力、制动力矩、温度、制动时间、制动减速度等试验参数记录处理。制动结束后:电磁换向阀复位, 压缩空气通过电磁换向阀直接排气, 气液增压缸复位, 制动钳松开, 摩擦片与制动盘脱离接触, 准备下一次制动。其中节流阀可进行调速, 单向阀用于气液增压缸快速复位。

1—直流调速电机;2—同步齿形带;3—飞轮组;4—制动钳;5—制动盘;6—气源;7—截止阀;8—气动三联件;9—储气罐;10—电磁换向阀;11—单向阀;12—节流阀;13—气液增压缸;14—补液器;15—液压表;16—气压表;

2、改造技术要求

该Krauss试验机由于引进时间早, 测控程序功能少, 自动化程度不高, 特别是制动加载系统需要手动设定制动管路油压, 已经不能满足新的国家标准和行业标准对制动器摩擦衬片摩擦性能试验的需要。通过改造, 使试验机可达到以下几方面要求。

(1) 试验功能:可进行恒压力制动加载和恒力矩加载;可按照我国汽车行业台架试验国家标准QC/T564-2008《乘用车制动器性能要求及台架试验方法》、美国汽车工程师学会推荐标准SAEJ212-1998《乘用车制动系统测功机试验规程》等标准试验。同时, 在满足功能要求的前提下力求结构简单、实用。

(2) 控制部分:操作者可通过选择程序菜单灵活编制试验过程, 并以人机对话方式输入试验控制参数, 之后能够按一定的试验程序控制试验机完成预定测试流程, 包括转速控制、加载控制、测量控制、试验条件控制 (如冷却, 升温等) 及试验过程的控制等。

(3) 数据采集与处理:采用计算机数据采集与处理系统, 可对压力、速度、时间、温度等试验参数进行实时监控和测量, 并能够对摩擦系数、摩擦功、制动距离、制动减速度等参数进行计算, 测试数据及计算结果能够进行分析、存储和打印输出。

按照改造技术要求, 主要需对制动加载系统和测控系统进行改造。

3、制动加载系统改造方案设计

为了实现对加载系统恒压力和恒力矩控制, 必须对原有的手动调压的气——液加载系统进行自动化改造。拟定方案为使用反馈控制的制动压力调节系统, 以作用在摩擦片上的制动压力或力矩作为反馈信号, 来自动调节制动管路油压, 如图2所示。

3.1 制动加载系统方案选择

制动加载系统结构方案有两套, 一是在原有气——液增压加载系统上, 增加电气控制阀来控制压缩空气压力来调节气液增压缸的输出油压。这种方式在原系统基础上改动较小, 但结构较复杂, 且空气的可压缩性和压力波动较大, 中间经过气液转换, 系统线性较差, 响应时间延长, 不利于自动控制。第二种是纯液压加载系统, 舍弃原有制动系统, 采用电液控制阀为主控元件, 直接以制动液为工作介质, 进行制动加载。其优点是结构简单, 控制性能较好。经分析比较最终选择第二种方案。

3.2 制动加载系统设计

制动加载系统结构原理图如图3所示, 由油箱、CY14-1B斜盘式轴向柱塞泵、QDYB系列电液比例减压阀、两位三通电磁换向阀、逆流阀、单向阀等部件组成, 通过改变比例减压阀的输入信号使其输出压力与之成比例地变化, 来控制管路压力, 调节输出的制动力或制动力矩, 模拟液压制动器的制动, 准确、便捷。为方便使用和维护, 将以上液压元件集成为液压站。

自动加载系统的核心元件是控制阀, 常用液压控制阀有电液伺服阀和电液比例阀。虽然比例阀与伺服阀相比, 动态特性稍差, 但价格较低, 在本项目应用中比例阀已完全能够满足要求。根据技术要求, 选择北京机床研究所精密机电有限公司的QDYB系列电液比例减压阀。该比例阀内置集成放大器, 具有外部传感器反馈接口, 将反馈接口连接试验机测力臂上安装的压敏电阻应变片式传感器MSP600, 建立由比例阀与外部传感器组成的闭环反馈系统, 使比例减压阀输出压力能够随外部条件变化进行实时调节, 保证恒压力或恒力矩加载。

1—比例减压阀;2—单向阀;3—液压表;4—过滤器;5—油箱;6—定量泵;7—逆流阀;8—电磁换向阀;9—节流阀

4、Krauss摩擦试验机测控系统改造

该试验机测控系统硬件部分采用计算机加单片机的系统结构, 计算机做上位机, 单片机做下位机, 软件部分使用的是上世纪九十年代比较流行的FOXBASE及汇编语言编写。因其软硬件都已过时, 在原有基础上再开发加入制动加载控制功能难度较大, 因此选择对测控系统软硬件进行全面升级改造。

硬件根据试验要求、开发周期以及性价比要求, 选择工控机+PLC测控系统方案, 如图4所示。上位机研华IPC610工控机搭配着PCL818L数据采集卡主要负责对所有检测信号的采集、存储、加工和显示, 以及对试验机检测进程的管理。使用SIMATIC S7-200可编程序控制器作为下位机, 对各执行机构进行动作控制和报警处理。

软件部分使用组态王和VB进行编程开发, 大大提高了系统开发的效率。

5、Krauss摩擦试验机工作过程

改造完毕后, 试验机工作过程如下:启动自动试验程序, 电机带动主轴系统旋转。当达到设定的转速后, 比例控制加载系统自动启动, 摩擦片与制动盘接触并产生摩擦, 进入制动试验状态。在恒压力试验模式下, 要求制动力恒定, 比例阀根据制动力实际测量值大小自动调整其输出压力, 使制动力按照试验给定值保持恒定。在恒力矩试验模式下, 要求制动力矩恒定, 比例阀会根据制动力矩实际测量值大小自动调整其输出压力, 使制动力矩保持恒定。试验过程中的各种试验参数, 如制动压力、制动力、转速、温度、制动力矩、制动时间、制动减速度等均被测量、计算、存储, 并在计算机屏幕上显示。

6、结语

将电液比例控制技术应用于Krauss摩擦试验机上, 进行恒压力或恒力矩加载, 大大扩展了试验机的试验范围。通过上述方案改造后的试验机, 其自动化水平和试验效率明显提高, 试验结果准确可靠, 操作简便, 为企业带来了更大的效益。

参考文献

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电气比例阀篇5

在非能动核电站当中,如AP1000、CAP1400等,PRHR是非能动安全系统的重要组成[1],是非能动核电站在事故后,尤其是全厂断电事故后,用于载出堆芯衰变热的重要途径。针对PRHR一些研究者开展过相关研究工作[2,3,4],这些研究通常偏重于通过数值方法来研究原型电站,或采用与原型一致的结构来研究换热器性能。

在缩比的整体试验台架中,包含各个非能动安全系统和设备,模拟小破口失水事故以及全厂断电事故等进程,PRHR的模拟需要与试验台架的其它系统进程相匹配。PRHR中主要的过程为单相和两相自然循环过程,以及C形管向IRWST水箱的传热过程。在PRHR换热器传热管内存在着对流换热,在传热管外则存在沸腾换热等现象。PRHR的换热器部分的流动和传热过程,属于整个系统中的一个局部现象。

对于缩比试验台架,首先要保证系统级的过程和现象的模拟准确;对于传热过程主要受到传热管结构形式,以及管内流动状态等因素的影响。本文将结合系统级过程,并重点分析PRHR换热器内的流动和传热过程,采用比例分析方法,对PRHR在整体试验中的模拟和设计准则加以讨论。

1 自然循环过程比例关系

从自然循环过程的守恒方程出发,能够推导并确定整体试验的系统级比例关系。Ishii和Kataoka基于早期小扰动分析结果,以一维漂移流模型的微分方程形式,在等物性比例条件下推出了相应的相似准则[5],而后,Ishii等进一步提出了两相自然循环不等物性降压比例分析准则,并应用于模拟GE公司SBWR沸水堆的PUMA试验装置的比例分析中[6]。Reyes和Hochreiter基于漂移流模型的控制体方程,以沿程阻力的比例准则确定了管径比,进而确定各主要比例参数,并建立了设计和分析评价用于模拟西屋公司AP600及AP1000压水堆非能动堆芯冷却系统的APEX整体试验台架的相似准则[7]。国内对于一维自然循环也开展了相关的研究[8,9,10]。参考已有的研究基础,能够获得整体试验台架的系统级比例关系。

对于非能动电站系统的整体试验模拟,自然循环是确定试验整体参数的主要依据。通过自然循环比例分析,能够确定缩比试验台架的主要比例关系,包括长度比、直径比、功率比、速度比以及时间比等。基于已有的理论分析[5,6,7],对于等压等物性的系统而言,单相及两相自然循环,需满足的主要比例关系包括(此处直接给出结论,不再详细推导)

PRHR通过相关的管线与主回路相连接,也构成了回路系统,并且在事故工况下依靠密度差形成自然循环驱动和运行,因此要求其相关参数也需要满足自然循环的相似准则,即

PRHR换热器容积比vR等于系统容积比VR(本文采用大写字母来代表系统级参数,小写字母来代表局部参数)

PRHR换热器流通面积比aR等于系统流通面积比AR

式中dR———单根换热管直径比;

lR———单根换热管长度比;

nR———换热管根数比。

从以上两个方程出发,能够得到换热器传热管长度比应等于系统长度比,而对于直径比和根数比这两个参数,则存在多个解,需要其他的限制条件来加以确定。换句话说,存在多个不同的PRHR结构形式,能够满足系统的自然循环比例关系要求。

除了满足系统的自然循环比例关系以外,PRHR还需要考虑到局部的相似性。前面已经提到,局部现象需要考虑PRHR的传热过程以及流动过程,而流动过程主要受阻力特性影响。因此下面针对PRHR传热过程和阻力特性进行分析,以期建立满足系统比例关系要求的PRHR的相关设计准则。

2 传热过程比例分析

对于PRHR设备,应满足传热过程相似。PRHR换热器作为循环回路的热阱和换热设备,试验台架和原型系统的换热能力应保证相似性。根据牛顿冷却公式

式中h———传热系数;

Δtm———在接触换热面积A上的平均温差。

下面分别从传热系数h和传热面积A入手研究PRHR换热过程的设计准则。

2.1 传热系数分析

PRHR换热器设备在投入运行时浸泡在IRWST大水池中,其传热过程为管内的热流体通过对流加热传热管,传热管将热量向外传导,对IRWST内的冷水加热。由于PRHR运行时其内部流体温度较高,可以认为传热管外主要是池式沸腾传热机理占主导作用。管内的传热主要为对流换热过程。因此,其总的传热系数由三部分组成,包括管内的对流传热系数、传热管管壁热阻以及管外侧的沸腾传热系数。

总的传热系数可以表示为

式中hC———对流传热系数;

RW———管壁热阻;

hB———沸腾传热系数。

壁面热阻主要由传热管材料及结构决定,与流动无关;管外侧的池式沸腾换热系数主要由管外流体性质和内外温差决定。因此在等物性条件下,可以认为试验系统的壁面热阻和沸腾换热系数均与原型系统相同,因此在上式中,主要需考虑对流传热系数的匹配问题。由于对流传热系数受到管径、流动状态以及流体物性参数等影响,因此对于不同的换热器形式和不同的流动状态,会对应不同的系数。

由努塞尔数的定义式

对于PRHR换热器内的流动,典型的运行状态为湍流对流换热过程,因此可以采用Dittus-Boelter公式,即

对于雷诺数Re,有

联立以上三个关系式,可以得到试验系统与原型系统在等物性条件下的传热系数的比例关系

考虑系统内质量守恒,即

基于质量守恒,可将换热器传热管内的流速比uR与系统流速比UR建立联系,得到

将上式带入方程(12)中,并要求试验系统与原型系统的对流传热系数相等,可以得到

由上式(15)并联立自然循环比例分析确定的比例关系(5)和(6),就得到了一组对于试验系统PRHR换热器主要结构参数———传热管直径、管长和管数量相关的比例准则,联立求解上述三个关联式,则可以得到PRHR换热器的传热管直径、管长和管数量的比例准则,结果如下

2.2 传热面积分析

假设PRHR传热管内的对流传热系数、壁面热阻、管外传热系数均与原型一致,则可以得到

认为试验系统与原型系统为等物性条件,流体温度分布与原型一致,即有

将(9)、(10)带入(7)可将功率比的关系转化为传热面积比,即

又PRHR的换热功率比应等于系统功率比(方程2),也即

由上式(22)并联立自然循环比例分析确定的比例关系(5)和(6),就得到了一组对于试验系统PRHR换热器主要结构参数———传热管直径、管长和管数量相关的比例准则,联立求解上述三个关联式,则可以得到PRHR换热器的传热管直径、管长和管数量的比例准则,结果如下

3 阻力相似的比例分析

对于环路系统,驱动力与阻力的匹配是自然循环过程的基本要求。对于PRHR换热器,其设备的阻力特性也应满足系统的阻力匹配。以单根传热管作为控制体,有

对于自然循环回路,要求

如果对此要求进行严格化,各处分段的压降均满足比例关系,则对于换热器的传热管内的流动压降也应满足上述关系式。又根据方程(26)和(27),可以进一步推导出

对于换热管这种细长管的结构而言,局部阻力所占比例较小,可以认为主要的压降为摩擦阻力,因此上式可简化为

摩擦阻力系数f主要由管道粗糙度以及雷诺数(Re)决定,而不同的流动状态,f的表达方式也不同。对于层流流动,f与雷诺数成反比关系,即

对于较低雷诺数范围的湍流流动(Re<10-E6),f与雷诺数的关系在工程上[11]通常可以表示为

式中C和x———工程应用参数;

C———常数;

x———一般取值为0.2~0.25。

对于充分发展湍流,f与雷诺数无关,仅与相对粗糙度有关,即

首先考虑PRHR在事故工况下运行,由短时的强迫循环向自然循环过渡。因此主要的流动状态处于较低雷诺数下的湍流区,即Re<10-E6,可采用上式(31)进行分析。将方程(31)与雷诺数定义式代入方程(29),并考虑等物性条件,可得到

又有方程(14)以及方程(5)、(6),可以进一步得到

再结合本文第2节由自然循环推导出的比例关系,方程(5)与方程(6),可得到基于摩擦阻力相似的PRHR换热器比例设计准则

4 讨论及结论

4.1 比例准则汇总

通过上述讨论,可以得到一系列对于缩比整体试验台架中PRHR需要满足的相似准则,这些相似准则均可以通过PRHR的三个特征参数———直径比、长度比和根数比———与系统特征参数比之间的关系来加以描述。对以上述PRHR比例分析进行总结和汇总,形成表1。

对于不同的比例准则,得到的PRHR换热器设计准则也不尽相同。对文中的设计准则进行汇总,如表2。

由表2可知,若系统长度比(即高度比)等于1,则上述所讨论的结论可统一简化为

即换热器单根传热管结构设计与原型系统一致,传热管数量的选取决定于直径的平方之比,也即面积比。也就是说,在1∶1的等高台架中,能够比较容易的实现PRHR局部现象模拟的相似性,同时满足各项比例关系要求。

若系统长度比小于1,将很难保证自然循环、换热面积、对流换热系数以及摩擦阻力系数等准则同时满足。对于长度比小于1的缩比试验台架而言,PRHR传热管的直径比与系统长度比直接相关,不同设计准则情况下传热管直径比与系统直径比关系不同,因此应根据试验目的,首先确定基于哪一种准则来选取试验系统的传热管直径比,有时可能需要同时兼顾数个原则,此时则需要对于失真情况进行分析评价。传热管长度比在不同的准则下均等于系统长度比,传热管数量比则需要在传热管直径比确定后,根据系统直径比进一步确定。因此PRHR比例设计准则的主要问题演化为如何确定主导的比例准则来确定直径比。下面对比例准则进一步加以讨论。

4.2 基于保证管内对流传热系数的比例准则讨论

在保证管内对流传热系数相等情况下的不同比例情况的换热面积失真比较,将式(16)、(17)、(18)带入换热面积表达式,可得

由于系统直径比和长度比是相对独立的两个变量,因此需在确定二者之间关系后才能够定量评价换热面积的失真大小。为直观比较,可假设两者之间存在简单的指数关系。一般的试验台架多采用“瘦高”形式设计,即直径比小于长度比,因此此处选取DR=LR和DR=LR2两种比例关系进行比较,以表明从几何相似到偏向“瘦高”的台架设计中,换热面积失真的情况。

根据PRHR设计准则汇总表,对于不同比例下的换热面积比,当DR=LR时,见表3。

当DR=LR2时,见表4。

也就是说,如果按照满足对流换热系数的比例准则,在对长度比进行缩比以后,所导致的换热面积失真是很大的,又由于换热面积与换热功率在等物性条件下成正比,因此换热功率也将有较大的失真。因此一般情况下不建议采用此准则进行设计。

4.3 基于保证换热面积的比例准则讨论

在保证换热面积比情况下,采用表1中的关系式,比较不同比例的管内对流传热系数的失真,如表5所示。

由表5可以看出,基于自然循环比例分析,在保证换热面积情况下,缩比台架的PRHR内对流传热系数会有一定程度的失真,随着长度缩比越小,传热系数也越来越小。从试验验证的角度讲,较小的传热系数得到的试验结果偏保守。由公式(8)可知,管内对流传热系数是PRHR换热器总的换热系数的一部分,若能够保证管壁热阻系数以及管外的传热系数的相似性,则管内传热系数的失真所造成的总的换热系数的失真将更小。这里假设管内对流传热系数占总传热系数的40%,同时假设管壁热阻以及管外传热系数均保证相似,则能够得到总的换热系数的比值,也即上表的第四列。可以看出其失真较小,仅在10%左右。

在保证换热面积比情况下的不同比例情况的摩擦系数的失真比较,如表6所示。

由表6可见,基于自然循环比例分析,在保证换热面积情况下,缩比台架的PRHR内的摩擦系数会有一定程度的失真,随着长度缩比越小,传热系数也越来越小于理想值,较小的摩擦系数会减小回路阻力,试验结果趋向于不保守。换热器部分阻力的偏小,可以通过在环路中其他位置增加阻力的方式加以补偿,从环路的角度可以做到准确的模拟。

4.4 基于保证阻力系数的比例准则讨论

若从保证换热器局部阻力系数的比例准则对PRHR进行比例分析设计,可比较不同长度比例下的换热系数以及换热面积的比例准则的失真情况。对表2中的x取值为0.2,计算结果参见表7。

可见,随着长度比例的减小,换热系数和换热面积的失真度逐渐增大。由于在实验系统的环路中管道的阻力易于调节和控制,因此一般对分段阻力特性不必一定要求处处满足。

4.5 结论

本文主要研究了非能动余热排出系统和其换热器的比例分析和设计准则,认为其运行主要依靠自然循环驱动,并假设管内主要为强迫对流换热,且换热器内主要的物理过程为单相液体的流动过程和强迫对流换热过程。基于以上假设,换热器的比例分析可具体分解为三类准则:

(1)保证流动过程的阻力相似;

(2)保证换热面积相似;

(3)保证对流传热系数相似。

由这三个准则出发,本文得到相对应的可以指导换热器传热管设计选择的三类设计准则,每一类中均包含传热管的直径、管长以及根数,并将这三个参数与系统的长度比以及直径比建立直接的联系,从而在确定台架系统级设计参数后,就能够指导PRHR的理想设计。

对于长度比(高度比)等于1的缩比台架,以上三类准则能够统一为相同的设计准则,即上文式(38)、(39)及(40)所列,能够保证换热器内包括自然循环过程、换热过程等主要物理过程模拟的相似性。

对于长度比(高度比)不等于1的缩比台架,无法同时准确满足上述三类准则。建议采用基于换热面积相似的相似准则确定设计准则,此时会导致传热系数有大约10%的失真,是可以接受的。

缩写表:

下标:

摘要：在非能动核电站当中,PRHR(非能动余热排出,Passive Residual Heat Removal)是非能动安全系统的重要组成,是事故后、尤其是全厂断电事故后,用于载出堆芯衰变热的重要途径。在高度比例降低的整体试验中,要保证PRHR中的现象与原型的相似性,需要通过理论分析和推导,从理论上证明模拟的准确性,并得到相关的设计准则,才能保证整体试验结果的准确性。通过对事故进程中PRHR主要物理过程和现象进行识别和分析,并进行PRHR的比例分析,得到PRHR在整体试验台架进行事故模拟过程时所需满足的关键比例准则。对不同缩比尺度的比例分析和失真评价结果表明,缩比台架中PRHR的相似准则不能同时得到满足,需要根据试验目的进行选择和取舍;台架整体的高度比(长度比)越接近1,则失真越小。

关键词：PRHR,比例分析,非能动,整体试验

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电气比例阀篇6

在同一直角坐标系中,正比例函数y = K1x与反比例函数y =K2/x没有交点,请确定两个常数的乘积k1k2的取值范围.

分析: 解答本题,既可从k1、k2的符号入手,然后观察正比例函数和反比例函数图象的交点情况; 也可联立正比例函数和反比例函数的解析式,然后找出方程组无解的条件.

思路一: 观察图象

1. k1k2> 0

(1) 当k1>0,k2> 0时,正比例函数y=k1x与反比例函数y =k2/x的图象如图1所示,它们有两个交点;

(2) 当k1< 0,k2< 0时,正比例函数y=k1 x与反比例函数y=k2/x的图象如图2所示,它们也有两个交点;

2. k1k2< 0

(1) 当k1 > 0,k2< 0时,正比例函数y=k1 x与反比例函数y=k2/x的图象如图3所示,它们没有交点;

(2) 当k1 < 0,k2 > 0时时,正比例函数y=k1 x与反比例函数y=k2 /x的图象如图4所示,它们也没有交点;

思路二: 解方程组

联立正比例函数y=k1x与反比例函数y=k2/x的解析式,

∵正比例函数y=k1x与反比例函数y=k2/x没有交点,

∴方程x2=k2k1无实数解,∴k2/k1< 0.

∴在同一直角坐标系中 ,如果正比例函数y= k1x与反比例函数y=k2/x没有交点,则k1k2< 0.

以上是正比例函数y=k1x与反比例函数y=k2/x没有交点求k1k2的取值范围问题,当然一些同学会情不自禁地提出与上述问题相反的问题: 正比例函数y=k1x与反比例函数y=k2/x有交点时的取值范围k1k2又是什么呢?

如法炮制,我们可以得出: 在同一直角坐标系中,如果正比例函数y=k1x与反比例函数y=k2/x有交点,则k1k2> 0.

事实上,通过解方程组的方法,我们不仅可以求出正比例函数y=k1x与反比例函数y=k2/x有交点时找到两个k1k2的取值范围,而且还可以交点的关系.

联立正比例函数与反比例函数y=k2/x的解析式,得

∴ k1x =k2/x,即 x2=k2k1.

∵正比例函数y=k1x与反比例函数y =k2/x有交点,

∴方程x2=k2/k1有实数解,∴k1k2> 0.

∴当k1k2> 0时,正比例函数y=k1x与反比例函数y=k2/x的两个交点坐标分别为

其中它们的横坐标与纵坐标分别互为相反数,即两个交点坐标关于原点对称.

由此我们得出这样一个结论: 在同一直角坐标系中,如果正比例函数y=k1x与反比例函数y=k2/x有交点,那么它们一定有两个交点,且这两个交点关于原点对称( 即两个交点的横坐标与纵坐标分别互为相反数) . 这是一个非常重要的结论,利用这个结论常在解决反比例函数的相关问题时,可收到简捷明快、出奇制胜的效果,下面以例说明这个结论在中考中的应用.

一、求一交点坐标

例1 ( 2012年海南) 如图5,正比例函数y=k1x与反比例函数y=k2/x的图象相交于A、B两点,若点A的坐标为(2,1) ,则点B的坐标是( )

A. ( 1,2)B. ( - 2,1)

C. ( - 1,- 2)D. ( - 2,- 1)

解析: 由结论可知,点A与点B的横坐标与纵坐标分别互为相反数,

∴点B的坐标是( - 2,- 1) ,答案选D.

二、求取值范围

例2 (2012年辽宁阜新) 如图6,反比例函数y1=k1/x的图象与正比例函数y2= k2x的图象交于点(2,1) ,则使y1>y2的x的取值范围是( )

A. 0<x<2B. x>2

C. x>2或-2<x<0D. x<-2或0<x<2

解析: 由结论可知,另一交点坐标为( - 2,- 1) .

观察图象可知,当x<-2或0<x<2时,y1>y2.答案选D.