close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

260.Журнал Сибирского федерального университета. Сер. Техника и технологии №5 2013

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Æóðíàë Ñèáèðñêîãî ôåäåðàëüíîãî óíèâåðñèòåòà
2013
Journal of Siberian Federal University
6 (5)
Òåõíèêà è òåõíîëîãèè
Engineering & Technologies
Редакционный совет
академик РАН Е.А. Ваганов
академик РАН И.И. Гительзон
академик РАН А.Г. Дегерменджи
академик РАН В.Ф. Шабанов
чл.-корр. РАН, д-р физ.-мат. наук
В.Л. Миронов
чл.-корр. РАН, д-р техн. наук
Г.Л. Пашков
чл.-корр. РАН, д-р физ.-мат. наук
В.В. Шайдуров
чл.-корр. РАН, д-р физ.-мат. наук
В.В. Зуев
Editorial Advisory Board
Chairman:
Eugene A. Vaganov
Members:
Josef J. Gitelzon
Vasily F. Shabanov
Andrey G. Degermendzhy
Valery L. Mironov
Gennady L. Pashkov
Vladimir V. Shaidurov
Vladimir V. Zuev
Editorial Board:
Editor-in-Chief:
Mikhail I. Gladyshev
CONTENTS / ÑÎÄÅÐÆÀÍÈÅ
Åvgeniy P. Khagleev
The Conjugate Equations in the Heterogeneous Systems Heat
and Mass Exchange Tasks
– 485 –
Â.À. Êóëàãèí, Ò.À. Ïüÿíûõ
),“ле……%е ,““лед%"=…,е C!%це““%" " “3Cе!*=",2=ц,%……%м
,“C=!,2еле “ 3че2%м 2е!м%д,…=м,че“*,. .--е*2%"
– 498 –
Í.Ä. Äåìèäåíêî, Ë.Â. Êóëàãèíà
),“ле……%е
,““лед%"=…,е
2ече…,L
2еCл%%Kме……,*=.
"
2!3Kч=2/.
– 506 –
Vladimir I. Ivanchura,
Alexey B. Chubar and Sergey S. Post
The Energetic Model of the Lithium-Ion Storage Battery
– 514 –
Ñ.Ñ. Êðàñíåíêî, Ä.A. Íåäîðåçîâ,
Â.Á. Êàøêèí, Þ.Ã. Õàçàãàðîâ, À.Â. Ïè÷êàëåâ
l…%г%*=…=ль…/L
ц,-!%"%L
“,…2еƒ
"
,м,2=2%!=.
!=д,%…=",г=ц,%……/. “,г…=л%"
Founding Editor:
Vladimir I. Kolmakov
– 521 –
Managing Editor:
Olga F. Alexandrova
Ê.Â. Ìèòèí
l%дел,!%"=…,е C%2%*%" ,%…%" " C!%це““е .ле*2!%л,2,че“*%г%
!=-,…,!%"=…,
Executive Editor for Engineering &
Technologies:
Vladimir A. Kulagin
– 527 –
Редактор И.А. Вейсиг Корректор Е.Г. Иванова
Компьютерная верстка Е.В. Гревцовой
Подписано в печать 29.08.2013 г. Формат 84x108/16. Усл. печ. л. 10,6.
Уч.-изд. л. 10,1. Бумага тип. Печать офсетная. Тираж 1000 экз. Заказ 3072.
Отпечатано в ПЦ БИК СФУ. 660041 Красноярск, пр. Свободный, 82a.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Editorial board for Engineering &
Technologies:
Vladimir A. Kulagin
Yury D. Alashkevich
Viktor G. Anopchenko
S. T. Batmunkh
Yury B. Galerkin
Gennadiy I. Gritsko
Georg Guggenberger
Carsten Drebenstedt
Lev V. Endjievsky
Sergey V. Kaverzin
Feng-Chen Li
Vladimir А. Makarov
Alexander V. Mineev
Vladimir V. Moskvichev
Bernard Nacke
Oleksandr F. Nemchin
Valeriy A. Nikulin
Oleg Ostrovski
Harald A. Oye
Vasiliy I. Panteleev
Sergey P. Pan’ko
Peter V. Polyakov
Anatoli M. Sazonov
Viktor N. Timofeev
Ibragim Khisameev
Anatoly Z. Shvidenko
Galina A. Chiganova
Свидетельство о регистрации СМИ
ПИ № ФС77-28-722 от 29.06.2007 г.
Серия включена в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны
быть опубликованы основные научные результаты диссертации на
соискание ученой степени доктора и
кандидата наук» (редакция 2010 г.)
Takhir T. Galemov,
Vladimir I. Kirko and Alexandr M. Petrov
Aluminum Busbar Connection Parts of the Cell &Flexible
Cathode Descent $ Cathode Bus[
– 534 –
À.Ï. Áóéíîñîâ
b%““2=…%"ле…,е " деC% C!%-,л K=…д=›еL C!%м/шле……/.
.ле*2!%"%ƒ%" “ C%м%?ью …=Cл="*, Kеƒ "/*=2*, *%ле“…/.
C=!
– 543 –
À.Ã. Êîð÷óíîâ, Ä.Ê. Äîëãèé
g=",“,м%“2ь !ел=*“=ц,%……%L “2%L*%“2, "/“%*%C!%ч…%L
“2=K,л,ƒ,!%"=……%L =!м=23!/ %2 м,*!%“2!3*23!/ “2=л, C%“ле
ме.=…%2е!м,че“*%L %K!=K%2*,
– 555 –
Ê.Ã. Ïåòðîâ
`!.,2е*23!…%-г!=д%“2!%,2ель…/е
j!=“…% !“*= " 1920-1930-. г%д=.
C!е%K!=ƒ%"=…,
– 562 –
Liubov A. Shaporova, Leng Hong and Xu Suning
Nature Prerequisites for Zoning of Suburban Area of Krasnoyarsk City
– 580 –
Ò.À. Êóëàãèíà,
Ò.Í. Êóçüìåíêî, Ì.Å. Ãðèùåíêî
j=че“2"% =2м%“-е!…%г% "%ƒд3.= …= г!=…,це qgg ю›…%L
C!%мƒ%…/ г. `ч,…“*=
– 591 –
Å.Þ. Ñèçãàíîâà,
Ð.À. Ïåòóõîâ, Ä.Â. Àíòîíåíêîâ
qC%“%K
%C!еделе…,
%KAе*2%"
“
…е!=ц,%…=ль…/м
.ле*2!%C%2!еKле…,ем
"
,…-!=“2!3*23!е
Kюд›е2…/.
%!г=…,ƒ=ц,L , 3ч!е›де…,L м3…,ц,C=ль…%г% 3!%"…
– 605 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 5 (2013 6) 485-497
~~~
УДК 536:620
The Conjugate Equations
in the Heterogeneous Systems Heat
and Mass Exchange Tasks
Еvgeniy P. Khagleev*
Siberian Federal University
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
Received 15.04.2013, received in revised form 22.06.2013, accepted 18.07.2013
Conjugate equations based on a conception of the uniform mathematic description of a naturally
equal heating transfer process in all points of a heterogeneous system is proposed. The equations
may be applied to describe the heat and mass exchange processes in the divided boundaries of
the heterogeneous systems instead of conventional IV type boundaries conditions. The modeling
results of the underground coal gasification heat and mass exchange is adduced in the new problem
definition.
Keywords: heterogeneous system, divided boundaries, heat and mass exchange, type IV boundary
conditions, conjugate equations, underground gasification, coal-bed reaction channel.
Introduction
The research of heat-mass exchange processes (HME) is very actual area today. The results
of the researches is much used power engineering, metallurgy, chemicals, building and space
exploration.
Mathematical modeling HME processes in heterogeneous systems is consider. In the systems
separate phases have different physical properties and is in close contact. The systems describes by
boundary conditions IV type. It’s writes as equal of temperature and heat transfer rate of contact
phases. The equation accuracy is heating effects in boundaries (surfaces division)
t1 = t2 = tξ ; λ1
∂t
∂t
− λ2
= Q(ξ, τ, t (ξ) ,
∂n
∂n
(1)
1, 2 – indexes of first and second boundary contacts phases; t1,tt2,ttξ – temperature of first, second
and third phases in the boundary, °С; λ1,λλ2 – coefficient of heat conductivity first and second phases,
W/(m·K); n – normal on division surface; ξ – point coordinate, which placed on the division surface, m;
Q(ξ, τ, t (ξ) – heat effect on the division surface, W/m2.
HME tasks in heterogeneous systems described IV type boundary conditions refers to conjugate
tasks HME.
*
© Siberian Federal University. All rights reserved
Corresponding author E-mail address: sfu118@mail.ru
# 485 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Еvgeniy P. Khagleev. The Conjugate Equations in the Heterogeneous Systems Heat and Mass Exchange Tasks
1. Conjugate heat-mass exchange tasks
with static and mobile division boundary
The HME tasks divides to two class conjugate tasks in dependence of specific conditions on
phases division boundary. The first class is task with static boundaries, the second is task with mobile
boundaries.
The tasks of first class includes tasks inside/outside convectional HME between liquid (gas) flow
solid body. And besides it includes many tasks of heat-mass exchange between static bodies, e.g.
solid – solid, solid – liquid and no mixed liquids [1–6].
In case of static bodies with static division boundaries in formula (1) heat effect is null and IV type
boundary condition becomes simple:
t1 = t 2 = tξ ; λ1
∂t
∂t
− λ2
= 0.
∂n
∂n
(2)
Heterogeneous systems HME tasks with phase and chemical transformations bringing to changing
divisions boundary put into the second class [7–17].
Stefan task was an early one of the second class. Historically just in Stefan task the IV type
boundary condition was used for the first time in 1889. It was described wet ground freeze process
wing phase transmissions of water [7]. The boundary condition with origin (drain) as hidden heat of
phase transmissions write down on mobile boundary:
t1
t2
t ph ; O1
wt
wt
O2
wn
wn
q ph ˜ U
d[
,
dW
(3)
tph – water phase transmission temperature (to ice and inversely), °С; qph; ρ – specific phase transfer
hidden heat of dry ground J/kg and dry ground density, kg/m3; dξ/dτ – phase transfer boundary
movement velocity, m/s.
It should be noted that in coarse-dispersed grounds the water phase transmission temperature
is constant – tph =const because water is in free. And water in fine-dispersed grounds is bound, so
freezing occur in range of temperatures tph =var.
Tasks with state of matter changes and relating boundaries movement would refer to Stefan tasks
in what follows. In this case in the systems of bodies with the phase transitions allows for heat emission
in solidification zone by solution or melt phasing diagram [8–12]:
ɋcr
wt
wW
w §
wt · w §
wt ·
dS W
,
¨ O cr ¸ ¨¨ O cr ¸¸ qcr Ucr
wɯ ©
wɯ ¹ wy ©
wy ¹
dW
(4)
Ccr, λ cr – volumetric heat capacity, J/(m3K), and heat conductivity in solidification zone as function of
coordinates and temperature; S(τ) – function of heat emission in solidification zone by state of body
diagram. In the phase division boundary writes IV boundaries conditions as before (3).
In addition Stefan tasks to second class of HME mobile boundary conjugation tasks refers tasks
of chemical conversions with heat emissions or absorptions in the phase division boundary [13–16].
For example it’s burning and thermo chemical destruction of solid fuels wich blows high-enthalpy gas.
IV type boundary condition writes for temperature fields and heat flows conjugation in phase division
boundary in this case [13]:
# 486 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Еvgeniy P. Khagleev. The Conjugate Equations in the Heterogeneous Systems Heat and Mass Exchange Tasks
tg
ts
§ wt ·
§ wt ·
t w ; O g ¨¨ ¸¸ O s ¨¨ ¸¸
© wy ¹ s
© wy ¹ g
n
VH ˜ Tw4 Te4 ¦ qi ˜ Rsi ,
(5)
i 1
g, s, w, e – gas flow, solid body, phase division boundary (wall) and external surface of boundary layer
indexes; y – coordinate of orthogonal system; σ, ε – Stefan–Boltzmann constant, 5,7·10 -8 W/(m2K4), and
emissivity; qi, Rsi – heating effect and solid boby disappearance mass velocity by i-th heterogeneous
chemical reaction in the wall, kg/(m2s).
Besides condition (5) components mass-conservation conditions writes in the phase division boundary.
For gas the heat exchange describes energy equation subject to homogeneous reactions heat volume sources.
For solid fuel the heat exchange describes thermal conductivity equation or if the solid fuel would have
porosity and so diffusion-convective thermal conduction process would be have energy equation too.
When III type boundary conditions uses to describe nonstationary HME processes in heterogeneous
systems the temperature fields of the modeling system divided to independend sections. The problem
statement result to improbable and inconsistent solutions [3, 8, 13]. Instead of this case IV type
boundary conditions give able to consider the heterogeneous systems as single whole by consideration
thermal interaction between all particles.
However a question is appear – Why the transfer of substance, for example energy, impulse,
amount of the substance, in the united system modeling by different mathematical ways? In the volume
of bodies the heat transfer describes by energy equation and otherwise in boundary by equation of IV
type boundary condition, when the physical laws not change. May the energy or heat conductivity
equations use as conjugation of volumes and boundaries of HME tasks?
2. The uniform heat transfer mathematic description
in phase volume and boundaries conception
The conception was to bring forward by authors [17] and where was apply conjugation equation
instead of IV type boundary condition. The conception based on the next reasoning.
Let’s look flat HME task between solid body and washed liquid which have different temperature
in initial time. Let’s place elementary volume Δx, Δy thereby one half is on solid body and another is
on washed liquid (Fig. 1). Let’s call it conjugate elementary volume.
Thermophysic properties of solid body is the same by nature in conjunction volume 1’and in
volume of body 1. As well washed liquid 2 and 2’ is. The properties have difference by quantitatively
but not qualitatively.
On the other hand thermal transfer processes is unchangeable by their nature thermal conductivity,
convection and radiation regardless of place in the considered body either in volume of phase or divided
boundary.
Thereby substance thermophysic properties sameness and thermal transfer processes unchangeable
in the volume and in boundary implicate their identical formalized description as energy equation
independently to current point place either in heterogeneous system.
2.1. The conjunction equation in fixed boundary tasks
Let’s conclude differential heat transfer equation in fixed divided boundary conjunction voluentary
unit (Fig. 1). Let’s make next assumptions in the case:
# 487 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Еvgeniy P. Khagleev. The Conjugate Equations in the Heterogeneous Systems Heat and Mass Exchange Tasks
Fig. 1. The conjugate elementary volume: 1 – the fluid flow (gas mixture); 2 – the solid body; 1’, 2’ – fluid flow and
the solid body in the conjugate elementary volume correspondently
− bodies in the conjunction unit 1’ and 2’ is homogenous and isomorphous;
− p = const;
− liquid is incompressible ;
− liquid motion is stationary with velocity vector projection Ox, Oy – wx = const, wy = const;
− bodies inside heat origins specify as space coordinates and time functions;
− fiction is neglect.
The interactive bodies heat quantity changing in voluentary unit through time interval Δτ may to
define
'Q
'Qht 'Qv ,
(6)
'Qht – heat quantity coming in voluentary unit ΔV = ΔxΔy by heat conductivity and convection, J;
'Qv – heat quantity emitting in ΔV at the expense of inside heat origins, J.
Let’s define first component of (6) by examine lower and upper semi-elements ΔV1/2 = ΔxΔy/2
(Fig. 1). The first body values will denote by f symbol and second – s.
In lower semi-element from liquid through Δx face in the axis Oy direction will have come a heat
quality. It will 'Q y
face will 'Q y 'y / 2
q y f 'x 'W for a Δτ. And the heat quality which will come out through opposite
q y f'y / 2 'x 'W .
Let suppose that q (y f+)Δy / 2 function is continued on Δy/2 interval. The Taylor series of the
function is
q (y f+)Δy / 2 = q (y f ) +
∂q (y f )
∂y
Δy / 2 +
∂ 2 q (y f ) (Δy / 2 )2
∂y 2
# 488 #
2!
+ ...
(7)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Еvgeniy P. Khagleev. The Conjugate Equations in the Heterogeneous Systems Heat and Mass Exchange Tasks
Let’s take two first series terms. In the lower semi-element will collect a heat quantity by axis Oy
heat flux for a Δτ time. The heat quantity is
ΔQ y( f ) = ΔQ y − ΔQ y + Δy / 2 = −
∂q (y f )
∂y
Δx
Δy
Δτ .
2
(8)
In much the same way a lower semi-element heat quantity by axis Ox heat flux for a Δτ time and
a upper semi-element heat quantity by heat flux of axis Ox, Oy for the same time is
∂qx( f )
Δy
Δx
Δτ ;
∂x
2
ΔQx( f ) = −
ΔQy(s ) = −
(s )
∂q y
∂y
Δx
(9)
(s )
∂q
Δy
Δy
Δτ ; ΔQx(s ) = − x Δx
Δτ .
∂x
2
2
As a result of applying of (8), (9) in the lower semi-element will be
'Qht f § wq f wq y f · 'y
'y
¸ 'x
¨ x 'W div q ( f ) 'x
'W ,
¨ wx
¸
y
2
2
w
©
¹
'Qx f 'Q y f And in upper semi-element will be
'Qhts div q (s) 'x
'y
'W .
2
A total heat quantity accumulated in the conjunction elementary volume ΔV may define
as
'Qht
f 'Q s 'Qht
ht
div q ( f ) div q ( s ) 'x
'y
'W .
2
(10)
Let’s denote a inside heat origins powers in first and second semi-elements as qvf и qvs. Consequently
second component of (6) is
'Qv
qvf qvs 'x '2y 'W .
(11)
In the isobaric process the heat which brought to elementary volume is spent to increase enthalpy
ΔH in the volume completely. In that way the (6) would change to ΔQ = ΔH. In view of dh = cpdt is to
incompressible liquid, we can write
Δy
∂t
∂t ⎞
⎛
Δτ ,
ΔH = ΔH f + ΔH s = ⎜ c pf ρ f
+ c ps ρ s ⎟ Δx
∂
τ
∂
τ
2
⎠
⎝
(12)
Let’s set (9) – (11) to (6)
c pf U f
wt
wt
c psU s
wW
wW
div q ( f ) div q ( s ) qvf qvs .
The Ox, Oy axis projection of liquid and solid body heat flux may present as
# 489 #
(13)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Еvgeniy P. Khagleev. The Conjugate Equations in the Heterogeneous Systems Heat and Mass Exchange Tasks
q x f q xs wt
U f wx h; q y f wx
wt
q ys O s ;
wx
O f
wt
U f w y h;
wy
wt
.
O s
wy
O f
(14)
Let’s put (14) into (13)
c pf U f
§w §
§
wt · w §
wt · ·
wt
wt ·
¨ ¨O f
¸¸ ¸¸ c pf U f ¨¨ wx
w y ¸¸ ¸ ¨¨ O f
¨ wx ©
w
w
w
w
w
x
y
y
x
y¹
¹
¹¹
©
©
©
§ w § wt · w § wt · ·
¨¨ ¨ O s ¸ ¨¨ O s ¸¸ ¸¸ qvf qvs ,
© wx © wx ¹ wy © wy ¹ ¹
wt
wt
c ps U s
wW
wW
(15)
cpf, cps – the specific heat capacity, J/(kg·K); ρf, ρs – the density, kg/m3; cpf, cps, ρf, ρs, λf, λ s – the thermal
conductivity W/(m·K) for liquid and solid phases accordingly.
Let’s transfer the convective derivative in the left part equation (15)
§ wt
wt
wt ·
wt
w y ¸¸ c ps U s
c pf U f ¨¨ wx
wx
wy ¹
wW
© wW
§w §
wt · w §
wt · · § w § wt · w § wt · ·
¨ ¨O f
¸ ¸ ¨ ¨ O s ¸ ¨ O s ¸ ¸ qvf qvs .
¸ ¨¨ O f
¨ wx ©
w
w
w
x
y
y ¸¹ ¸¹ ¨© wx © wx ¹ wy ¨© wy ¸¹ ¸¹
¹
©
©
(15')
The energy equation (15) is different from the basic energy equation which written separately
for the volume of the body 1 and the volume of the body 2(Fig. 1). The equation (15) includes the
heat transfer of both interactive bodies among themselves in the boundary division. Let’s name
the equation (15) as interactive bodies energy conjunction equation or more simple as conjunction
equation.
Thus eonjunction equation (15), (15’) allow to model the naturally equal processes of heat transfer
in heterogeneous system by the structurally equal energy equation as in volumes of bodies as in their
divided boundaries without the irregular inclusion in the form of IV type boundary condition.
Let’s introduce the designation for the substantial derivative of liquid flux as
Dt
dW
wt
wt
wt
wx
wy
wW
wx
wy
. Taking into consideration that thermalphysic properties of the both bodies is constant, the conjunction
equation may rewrite as
cfUf
’2
Dt
wt
cs U s
dW
wW
O f ’ 2t O s ’ 2t qvf qvs ,
(16)
w 2t w 2 t
is Laplace operator.
wx 2 wy 2
In contrast to considered case (Fig. 1) an occurrence is possible when two bodies moves relative
to each over. The examples is liquid – gas or two immiscible dropping liquids. In the case a additional
term appears. The term describes the convectional heat transfer in boundary area in the second body
which early considered as immovable. Thus the both derivative in the left side of (15) equation is
substantial.
# 490 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Еvgeniy P. Khagleev. The Conjugate Equations in the Heterogeneous Systems Heat and Mass Exchange Tasks
The simplest form of conjunction equation (16) would to be in case of an immovable bodies
interaction with an immovable divided boundary and the absence of volume thermal sources:
wt
wt
§
2 · §
2 ·
¨ c1U1 O1’ t ¸ ¨ c2U 2 O 2’ t ¸ 0 .
wW
wW
¹
¹ ©
©
(17)
In this form the conjunction equation (17) is the functional analogue of IV type boundary
condition (2). There is two difference between they. Firstly the heat transfer in divided boundary and
the heat transfer in inside points of bodies describes equally in formalized form. In this case they
describes by heat equation. Whereas in (2) instead of the heat equation uses the boundary conditions.
Secondary the nonstationarity of the temperature field in dividing boundary environment models by
conjunction equation itself. Due to this the conjunction equation (17) consistently blends with the
mathematical model of nonstationary heat exchange in heterogeneous system. In case of the type IV
boundary conditions (2) the nonstationarity of the temperature field don’t denote explicitly as well as
in (3) and (5). The nonstationarity express indirectly through nonstationary heat equation which writes
for the bodies inside points (4). In other words the IV type boundary conditions in nonstationary
conjugate HME tasks brings the induced heat inertia in the divided boundary environment. In reality
nonstationary conjugate HME processes in heterogeneous systems proceeds in continual temperature
changes conditions in spatial and temporal as well in the inside bodies as in the divided boundary
environment.
2.2. The conjugate equation in the floating boundary tasks
If the gas mixture stream flows around the solid body and at that the heterogeneous chemical
reactions of mixture components and the solid body takes place (Fig. 2) then the terms qhr is appear
in equation (15). Exactly the terms qhr take account the thermal effects of the chemical reactions.
The material dimension of the solid body will be observed with a displacement the phases divided
boundary as a result of the chemical reaction.
The conjugate equation will complicate if the solid body is porosity and is permeable for gases.
The porous solid fuels is thermal decomposed under heating. The decomposed process lead to the
volatile matters vaporization. Under a overpressure the volatile matters filters through the porous to the
phase divides surface (Fig. 2). Thereby the convectional heat transfer qks created. Besides the thermal
decomposition process is endothermic reaction with heat absorption – qvs. And so if the HME occurs
in the presences of high temperatures then in equation (15) need to input the origins heat terms. The
terms would to take into account the radiation of the interphase surface – qRs and the radiation of the
gas – qRf. Then in base of the reasoning equal 2.1 item the conjugate equation in vector form may write
as:
c pf U f
Dt
wt
c ps U s
dW
wW
O f ’ 2t O s ’ 2t U f
wC
wt N
¦ c pi Di wyi wy i 1
(18)
q hr q ks qvf qvs q Rs q Rf ,
Di, Ci – diffusion coefficient, m2/s and mass concentration of i-th component of gas mixture.
Let’s give some examples of using the conjugate equation (18) which take place upon mathematical
modeling of the HME process in the heterogeneous systems with the floating divided boundary.
# 491 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Еvgeniy P. Khagleev. The Conjugate Equations in the Heterogeneous Systems Heat and Mass Exchange Tasks
Fig. 2. The firing elaboration processes scheme of the coal-bed reaction channel: 1 – the flow of gas mixture;
2 – the peripheral layer of the coal-bed; 3 – the near-wall layer of the coal-bed which prone to the thermal decomposition; 4 – the volatile matters filtration in the coal-bed pores; ; r0, r w, rt – the radiuses of the initial channel, the
mobile divided boundary of the solid body-gas and the coal thermal decomposition mobile boundary correspondently; l – the reaction channel length
3. The conjugate equation
in the underground coal gasification HME task
In the [16] Kreinin E. V. and Shifrin E. I. produced a mathematical model wich quite complete
described physical and chemical effects of the stable phase underground coal gasification (UCG) in the
gas generator (GG). But strictly speaking no one of the process stages is stable. Since a moment of a
fireplace creating to a reaction canal forming and further GG exploitation their material composition, a
gas mixture components mass concentrations and temperature fields of the coal layer and the gas flow
changes in time of the essence.
A mathematical model of a nonstationary HME reaction channel d= 200 mm oxidative and
reduction domains creating process in the well GG was build in the article [17] in the simplest problem
definition. In the case the coal-bed is entire solid body and the only heterogeneous redox reaction
С + О2=СО2; С + СО2=2СО takes place in a reaction channel wall in the oxidative and reduction
domains:
cfUf
wt
Dt
cs U s
wW
dW
§ E · wC
O f ’ 2t O s ’ 2t r q k k ok exp¨ k ¸ k ,
© RT ¹ wr
(19)
qk, kok, Ek – thermal effect, J/mol, preexponential efficient, m/s, activation energy, J/mol, k-th
heterogeneous reaction; k 1, 2 , 1 – О2, 2 – СО2; R – the gas constant, J/(mol·K); Ck – k-th component
molar concentration, mol/m3.
In the problem definition the last term of equation (19) define a two heterogeneous reactions heat
effect intensity with O2, CO2 components. The first occurs with calorification in oxidative domain and
the second occurs with the thermal absorption in reduction domain of the reaction channel. And at
the same time the wall of the channel burns down under heterogeneous reaction exposure. A reaction
channel cavity enlarges by degrees. Primarily the cylindrical cavity is transformed to spindle-shaped.
The task is solved by the numerical implicit finite difference sweep method. This allowed to build
the optimal algorithm by a time step variation in the condition of an essential temporal discontinuity.
# 492 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Еvgeniy P. Khagleev. The Conjugate Equations in the Heterogeneous Systems Heat and Mass Exchange Tasks
For example most intensive temperature field forming in the channel and the coal-bed occurs for first
24 hours. The time step was accepted as one hour for the time span. After first 24 hours the time step
was increased to 24 hours by degrees.
A mathematical model offered in the articles [18] is more sophisticated then [17] one. The model
takes into account an endothermic process of the coal thermal decomposition in the coal-bed body. Coal
is structural changed by the thermal decomposition wich bring to coke, pitch and a volatile matters
generation. The volatile matters filters through the coal-bed clefts and pours in the reaction channel
(Fig. 2). In this connection in the problem definition new floating boundary appears. This is a coal
thermal decomposition boundary. With all this the coal-bed is considered as a double layer system wich
consists from a peripheral layer and a near-wall layer (Fig. 2). The heat transfer in the peripheral layer is
described by the heat equation as before. The coal thermolysis occurs in the near-wall layer and the heat
transfer there is described by the energy equation with a consideration of a convective heat transfer by
the filtering volatile matters flow in the coal-bed porous space and a coal thermolysis heat origin:
4
¦ Mi ci Ui
i 1
wt
wt
M3c3U3v
wW
wr
w §4
wt · 1 w § 4
wt ·
wM
¨ ¦ Mi O i r ¸ qthU1 1 .
¨ ¦ Mi O i ¸ wx © i 1
wx ¹ r wr © i 1
wr ¹
wW
(20)
φi – the i-th coal component in the share units: 1 –, 2 – pitch, 3 – the volatile matters, 4 – a mineral
share; λi – the i-th coal component thermal conductivity; qth – heat of the coal thermal decomposition,
J/kg; ρ1 – a density of the combustible share of coal in solid phase; v – radial component of a velocity
vector of a filtration the volatile matters in the coal-bed, m/s.
In the channel wall an energy conjugation equation is
7
¦ C j c pj U j
j 1
wt
wt
Dt 4
¦ Mi ci U i M3c3U 3v
wW
wr
dW i 1
w §¨ 7
wt ·
C jO j ¸ ¦
¨
wx © j 1
wx ¸¹
wt ·
wt · w § 4
w §¨ 7
wt · 1 w § 4
¨ ¦ Mi O i rw ¸ C j O j rw ¸ ¨¨ ¦ Mi O i ¸¸ ¦
¨
¨
¸
wr ¸¹
wr ¹ wx © i 1
wrw © j 1
wx ¹ rw wr © i 1
qth U1
(21)
wM1
§ E · wC
§ E · wU M / M 3
r qk k ok exp¨ k ¸ k ,
q3 k 03 exp¨ 3 ¸ 3 3
w
wW
RT
r
© RT ¹ wr
¹
©
q3, ko3, E3, – thermal effect, J/mol, preexponential efficient and energy of a volatile matters burning
activation; M3 – a volatile matters molecular mass, kg/mol.
In comparison of (17) the equation (19) has terms which allows coal decomposition heat in the
upper semielement of a conjugate elementary volume and volatile matters burning heat in the lower
semielement. It is fifth and sixth terms in right side of the equation.
In the [18] problem definition a radiation components of the energy transmission qRs, qRf did’t
consider by supposition that the process proceeds in well walls self-irradiation condition. And also a
coal properties changing supposes quasistationary on account of slower coal-bed heating. In every
new time step thermalphysics properties values recalculates by empiric formulas. For example an
equivalent coal thermal conductivity factor is calculated by Roussel formula [19]:
O eq
O0
,
)1 m m m2 / 3 ( O0 / O g ) 1 m2 / 3
m
2/3
m ( O0 / O g
# 493 #
2/3
(22)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Еvgeniy P. Khagleev. The Conjugate Equations in the Heterogeneous Systems Heat and Mass Exchange Tasks
O 0 , O g – veritable coal thermal conductivity and gas thermal conductivity factors, W/(m·K); m – coal
porosity. A temperature dependence of effective heat capacity factor of Irsha-Borodino deposit on the
materials [19] is approximated as:
c( t )eff
­1,05 0,0034t ,
°1,68,
°
®
°1,68 0,004( t 560 ),
¯°0,28,
0 d t d 200;
200 t d 560;
560 t d 900;
t ! 900qC .
(23)
Kinetic coal description is supposed in accordance with data offering in [20].
A pitch share which generated by the coal decomposition defines from continuity equation on the
analogy of [13]:
wM2
wW
M 2 U1
§E ·
M1k01 exp¨ th ¸ .
M1 U2
© RT ¹
A volatile matters share defines under the assumption of the mineral share is constant
φ4 = const:
M3 1 (M1 M2 M4 ) .
The mathematical model besides the temperature fields conjugate equation includes concentration
fields conjugate equations of the gas components which simultaneously presents in the solid body and
the gas mixture of channel. The concentration fields conjugate equations is similar to temperature
fields conjugate equation by they structure and so don’t bring here.
A computing experiment of an HME of firing well creating process with account of coal thermal
decomposition had realized for the same conditions as in [17]. In the brown coal-bed from the IrshaBorodino deposit had bored a well with the diameter 200 mm and the length 100 m. In a distance 41 m
from the well entry had created a fireplace by 4 m length and simultaneous oxygen-containing blowing
supply.
The results of the experiment has showed the mathematical model of an HME of firing well
creating process in coal-bed with using the energy conjugate equations (21) and the diffusion conjugate
equation truly adjust with physical representation of the processes nature.
For example the blowing velocity value influences deeply on the reaction channel wall temperature
status and on the expansion velocity of the reaction domain front along the well axis. A essential
channel wall convectional cooling on the scope of the combustion zone 41– 45 m is observed by
changing the middle blowing velocity w0 from 0,1 to 0,5 m/s (Fig. 3). With middle blowing velocity
w0 =0,06 m/s to twentieth hour from the combustion zone creating the wall temperature is higher then
the initial temperature (t0 =1000°C, dotted line 1 Fig. 3) everywhere and achieves 1220°C. The blowing
velocity increasing brings to enlargement of the setback temperature domain (t < t0). And when the
blowing velocity reaches w0 =0,5 m/s the wall temperature becomes lower than 1000°C along the whole
length of the combustion zone (Fig. 3). A beginning section of the combustion domain is cooled to the
utmost. If the blowing velocity w0 is 0,1 and 0,3 m/s the temperature of the beginning section of the
combustion domain will fall from t0 =1000°C to 750 and 305°C correspondently. And if the w0 is 0,5
m/s the temperature will become lower ignition point t < tig=200°C (Fig. 3).
# 494 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Еvgeniy P. Khagleev. The Conjugate Equations in the Heterogeneous Systems Heat and Mass Exchange Tasks
Fig. 3. The reaction channel wall temperature status on 20 th hour of the firing elaboration: 1 – the initial wall
temperature; 2 – the wall temperature when blowing velocity w0 = 0,06 m/s; 3 – the wall temperature when blowing velocity w0 = 0,10 m/s and with taking into account the volatile matters filtration in the pores of the near-wall
layer; 3’ – the same without account of the volatile matters filtration; 4 – the wall temperature when blowing
velocity w0 = 0,30 m/s; 5 – the wall temperature when blowing velocity w0 = 0,50 m/s; 6 – the coal ignition temperature; 7 – the coal thermal decomposition temperature
From the other hand blowing velocity increasing brings to increasing combustion domain front
velocity along the stream. The wall temperature is distinctly increased after twenty hours of firing
elaboration with w0 =0,06 m/s. But the combustion domain length lr had stays the same 4 m (from
41to 45 m). When wср becomes 0,3 m/s the combustion domain length becomes lr=8 m and the front
of ignition moves along to stream from 45 m point to 49 m (Fig. 3). The front of ignition moving
the utmost is when the w0 =0,5 m/s and the front achieve 49,5 m point. But on the velocity the first
combustion point fades as noted above.
Besides the blast velocity the reaction channel forming is influenced by oxygen concentration on
the blast. The oxygen-enriched blast СО=0,3–0,4 supply more intense coke burning on the channel wall
and increasing the wall temperature (Fig. 3). This provides coal-bed heating and more deep combustion
front moving along stream in compare an ordinary air blowing.
A preliminary blast heating 20 to 300°C before blowing it to well don’t influence to reaction
channel forming because the blowing has relatively low thermal capacity. The capacity is less than
coal-bed thermal capacity in three times. When blowing air has passed a distance from well entry
to fireplace (it’s 40 m in the case) it would cooled by heat transfer with well walls. So there is no
difference between lower and high temperature blowing.
The feature of the mathematical model [18] is to take into account the processes of the coal
thermal decomposition in the bed and the volatile matters filtering (20) passes in the opposite direction
to the coal-bed heating direction. As a consequence of this the coal-bed heating in the model is more
slowly than in the model [17]. For example in the case w0 =0,1 m/s and taking into account the coal
# 495 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Еvgeniy P. Khagleev. The Conjugate Equations in the Heterogeneous Systems Heat and Mass Exchange Tasks
thermolysis and the volatile matters filtering the wall temperature in the combustion domain 3 is less
in three-five times than in the model which don’t consider the process 3’ (Fig. 3).
Conclusions
1. The energy (thermal conductivity) conjugate equation was received. It bases on the conception
of the uniform mathematic description of a naturally equal heating transfer process in all points of a
heterogeneous system.
2. The energy conjugate equation on the divided boundary describes processes of the both
interacting bodies. The bodies may be in different states of matter and be mobile relative to each
other.
3. In the non-stationary HME processes the IV type boundary conditions obviously reflect only
the process temporal homogeneity but the thermal inertia in points of the divided boundaries they
includes only by artificially (unnaturally). In the other hand the conjugate equations equally describes
the energy transfer essence in all points of heterogeneous system. And besides the conjugate equations
reproduces temporal changeability of temperature and the thermal flows in an explicit form.
4. For appropriate describes of HME processes in heterogeneous systems isn’t enough to use
only temperature fields conjugate equations. Because besides heat exchange processes in the systems
there is mass exchange processes with interpenetration. Therefore there is need to add the components
concentration fields conjugate equations in the equation set.
5. The conception of the uniform mathematic description of HME process in the heterogeneous
systems may apply to the underground coal gasification task. The numerical experiment results is well
conform with physical representation of the reaction channel firing elaboration processes in the coalbed.
References
[1] Остроумов Г. А. Свободная конвекция в условиях внутренней задачи. М.: Гостехиздат,
1952. 256 с.
[2] Лыков А. В., Перельман Т. Л. // Тепломассообмен с окружающей газовой средой. Минск,
1965. С. 3-24.
[3] Лыков А. В. Тепломассообмен: Справочник. М.: Энергия, 1971. 560 с.
[4] Алексашенко В. А. Дис. ... канд. физ.-мат. наук, Минск, 1969.
[5] Алдошин Г. Т., Жук К. П., Шляхтина В. И. Тепло- и массоперенос. М.: Изд-во «Энергия»,
1968. Т. 1.
[6] Лыков А. В. Теория теплопроводности. М.: Высш. школа, 1967. 599 с.
[7] Основы мерзлотного прогноза при инженерно-геологических исследованиях; ред. В. А. Кудрявцев. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1974. 431 с.
[8] Никитенко Н. И. Исследование нестационарных процессов тепло- и массообмена методом
сеток. Киев: Наук. думка, 1971. 266 с.
[9] Никитенко Н. И. Сопряженные и обратные задачи тепломассопереноса. Киев: Наук.
думка, 1988. 240 с.
[10] Колесников А. Г. // ДАН СССР, 1952. № 6. С. 889–891.
[11] Рыжиков А. А. Теоретические основы литейного производства. М.: Машгиз, 1954. 236 с.
# 496 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Еvgeniy P. Khagleev. The Conjugate Equations in the Heterogeneous Systems Heat and Mass Exchange Tasks
[12] Самойлович Ю. А. // Металлургическая теплотехника. Свердловск: Среднеуральское кн.
изд-во, 1965. Вып. 12. С. 114–137.
[13] Гришин A. M. Математическое моделирование некоторых нестационарных аэротермохимических явлений. Томск: Изд-во ТГУ, 1973. 281 с.
[14] Гришин A.M., Фомин В.М. Сопряженные и нестационарные задачи механики реагирующих сред. Новосибирск: Наука, 1984. 318 с.
[15] Зинченко В. И. Математическое моделирование сопряжённых задач тепломассообмена. Томск: Изд-во ТГУ, 1985. 221 с.
[16] Крейнин Е. В. // ФГВ. 1993. № 2. С. 21.
[17] Хаглеев Е. П., Хаглеев Ф. П. // Гидродинамика больших скоростей. Красноярск: КрПИ,
1992. С. 63-69.
[18] Хаглеев Е. П. // Вестник КГТУ. Гидродинамика больших скоростей (теплоэнергетика).
Красноярск: КГТУ, 1996. Вып. 3. С. 63-75.
[19] Агроскин А. А., Глейбман В. Б. Теплофизика твердого топлива. М.: Недра, 1980. 256 с.
[20] Померанцев В. В. Основы практической теории горения: учеб. пособие для вузов; 2-е изд.,
перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986. 312 с.
Уравнения сопряжения
в задачах тепломассообмена
гетерогенных систем
Е.П. Хаглеев
Сибирский федеральный университет
Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
Предложены уравнения сопряжения, основанные на концепции единообразного
формализованного представления одинаковых по своей природе механизмов переноса
теплоты во всех точках гетерогенной системы. Уравнения сопряжения могут быть
применены при описании процессов тепломассообмена на границах раздела фаз
гетерогенных систем вместо традиционных граничных условий четвертого рода.
Приведены результаты моделирования задачи тепломассообмена при подземной
газификации угля в постановке с использованием уравнений сопряжения.
Ключевые слова: гетерогенная система, границы раздела, тепломассообмен, граничные условия
IV рода (ГУ IV рода), уравнения сопряжения, подземная газификация угля, реакционный канал
угольного пласта.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 5 (2013 6) 498-505
~~~
УДК 532.528; 536.25
Численное исследование процессов
в суперкавитационном испарителе
с учетом термодинамических эффектов
В.А. Кулагин*, Т.А. Пьяных
Сибирский федеральный университет,
Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный,79
Received 18.05.2013, received in revised form 24.07.2013, accepted 12.08.2013
В статье предложена математическая модель кавитационных течений, учитывающая
термодинамические эффекты. Представлены результаты моделирования рабочих процессов
суперкавитационного испарителя. Расчетами установлено, что в результате кавитационного
испарения при заданных условиях температура в объеме каверны понижалась. Также
обнаружено повышение температуры в области замыкания каверны.
Ключевые слова: суперкавитационный испаритель, математическая модель, гомогенный
поток, тепломассообмен.
Введение
В условиях обострения дефицита пресной воды актуальность совершенствования существующих и разработки новых методов кондиционирования воды питьевого назначения не вызывает сомнений. Одним из перспективных способов обессоливания воды является применение суперкавитационных испарителей.
В отличие от известных методов процесс испарения в аппаратах суперкавитирующего
типа осуществляется за счет создания развитого кавитационного течения при обтекании недогретой жидкостью кавитатора с последующим отбором пара из образовавшихся каверн [1].
Здесь высокая интенсивность теплообмена по сравнению с другими способами генерирования пара объясняется особенностями процесса испарения с поверхности каверны. Например,
если при теплоотдаче от стенки к кипящей в трубе жидкости паровые пузырьки образуются
вследствие фазового перехода, требующего перегрева жидкости и повышения давления пара
в пузырьке по отношению к давлению в окружающей жидкости, то при испарении жидкости
в каверну наблюдается совершенно иная картина. В этом случае каверна образуется за счет
гидродинамики потока – увеличения местных скоростей течения при обтекании кавитатора
и, соответственно, уменьшения давления ниже давления насыщенных паров. Вследствие этого при суперкавитационном испарении возникает ряд дополнительных движущих сил и факторов, усиливающих испарение с поверхности каверны: разность температур, обусловленная
*
© Siberian Federal University. All rights reserved
Corresponding author E-mail address: vak-sfu@mail.ru
# 498 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.А. Кулагин, Т.А. Пьяных. Численное исследование процессов в суперкавитационном испарителе...
гидродинамическим перепадом давления, разность парциальных давлений водяного пара в
жидкости и в каверне и др.
С увеличением температуры жидкости влияние тепломассообменных процессов на
геометрические параметры кавитационных полостей становится существенным. При изменении температуры от 10 до 110 °С отношение плотности жидкости к плотности пара
падает в 100 раз, что в сочетании с высоким значением теплоты парообразования оказывает существенное влияние температурного поля на кавитационное течение. Как видно из
графиков, представленных на рис. 1, наклон касательной к линии насыщения водяного пара
увеличивается [2].
Теплота парообразования, плотности жидкой и паровой фазы воды и давление связаны
уравнением Клапейрона-Клаузиуса:
wP
wT
L
.
T v'' - v' (1)
Для изотермических случаев интенсивность кавитации при течении жидкостей определяется числом кавитации Vf Pf Pv Tf 0,5 l U f2 , которое включает в себя постоянное давление насыщения при заданной температуре жидкости Pv Tf . Для неизотермических случаев в число кавитации V Pf - Pv T 0,5 U f2 входит давление насыщения, выраженное в
l
виде функции от локальной температуры Pv T . Принимая функцию Pv T в рассматриваемом
интервале ΔT непрерывной и ограничиваясь двумя первыми членами ряда Тейлора, получим
уравнение
V Vf wP 'T
; 'T
wT 1 U 2
l f
2
T - Tf 0 .
(2)
Уравнение (2) определяет зависимость числа кавитации от температуры. Как видно из этого уравнения, местное понижение температуры приведет к увеличению числа кавитации и,
следовательно, понизит кавитационную интенсивность [3].
ɚ
ɛ
Рис. 1. Зависимость давления насыщения водяного пара от температуры: а – кривая насыщения водяного
пара; б – скорость изменения давления насыщения от температуры
# 499 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.А. Кулагин, Т.А. Пьяных. Численное исследование процессов в суперкавитационном испарителе...
Математическая модель
суперкавитационного испарителя
Для моделирования рабочих процессов суперкавитационного испарителя использовалась
модель двухфазного гомогенного потока. Эта модель основывается на предположении локального кинематического и термодинамического равновесия между фазами и не предполагает поверхность раздела между паром и водой. Здесь не учитывается выделение тепла за счет вязкостного трения, а принимается условие, что температурное поле определяется только испарением
и конденсацией. Кавитационное течение жикости в этом случае описывается уравнениями неразрывности, сохранения момента импульса, уравнением сохранения энергии и уравнением
переноса жидкой фазы, представленными в стационарном виде [3–7]:
w
m
uj 0,
wx j
w
u uj m i
wx j
(3)
wP w ª
«
wxi wx j ¬«
w
ª mu j h f v L º¼
wx j ¬
w Dl u j w
wx j
m
+
§ wui
T
¨¨
© wx j
wu j
wxi
ª§ m
· wh º
+ T ¸
Ǭ
»
«¬© Prm PrT ¹ wx j »¼
m m ,
wx j
2 wuk · º
Gij ¸ »
3 wxk ¸¹ »¼
(4)
(5)
(6)
где ρm – плотность смеси; L – теплота парообразования; μ m – коэффициент динамической вязкости смеси; P – давление; h – удельная энтальпия жидкости; Pr – число Прандтля.
Теплофизические параметры смеси Im и массовая доля пара f v определяются выражениями
Im
fv
Dl Il 1 Dl Iv ,
v
Dl (7)
,
(8)
m
где αl – объемная доля жидкости.
Источниковый m+ и стоковый m- члены в уравнении (6) определяют соответственно скорости испарения и конденсации. Они зависят от многих факторов и их формулировка в настоящее время не унифицирована для различных конструктивных и режимных параметров,
встречающихся в различных прикладных задачах. Обзор методов определения этих членов
приведен в [8]. Здесь предполагается определение этих членов с помощью уравнения РэлеяПлессета, учитывающего вязкость жидкости и поверхностное натяжение при пульсациях пузырька в жидкости [9, 10]. Таким образом, источниковый и стоковый члены определяются по
соответствующим уравнениям:
m
Fv
3D nuc Dl
RB
v
§P P T
·
2
, 0 ¸,
max ¨ v
3
l
©
¹
# 500 #
(9)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.А. Кулагин, Т.А. Пьяных. Численное исследование процессов в суперкавитационном испарителе...
m
Fc
3 1 D l RB
§ P P(T ) ·
2
,0¸ .
min ¨ v
3
l
©
¹
v
(10)
Эмпирические постоянные Fv и Fc в этих уравнениях учитывают тот факт, что процессы
конденсации и испарения имеют различные временные масштабы – процесс конденсации протекает медленнее испарения [11]. Присутствующие в воде сферические пузырьки неконденсирующегося газа являются зародышами для образующихся паровых полостей. Для расчетов
принимались следующие значения: объемная доля неконденсированного газа в воде α nuc равна
5·10 -5, а радиус зародышей кавитации R B = 10 –6 м, Fv = 50 и Fc = 0,01.
Для учета турбулентности использовалась k – ε модель. Уравнения переноса кинетической
энергии турбулентности k и ее диссипации ε имеют вид
w
m
u jk wx j
w
m
uj
wx j
w
wx j
§§
¨¨ ¨
©©
L
w
wx j
§§
¨¨ ¨
©©
L T
k
T
· wk
¸
¹ wx j
·
¸¸ G ¹
·w
¸
¹ wx j
·
¸¸ C1 G C2
k
¹
(11)
m
2
m
k
(12)
где скорость генерации турбулентности G и тензор напряжений Рейнольдса определяются по
соответствующим уравнениям:
wui
,
wx j
G
Wij
Wij
mu'i u' j
(13)
T
§ wui wu j · 2 m k Gij
¨¨
¸¸ 3
© wx j wxi ¹
(14)
Турбулентная вязкость μT определяется по формуле
UmCP k 2
PT
H
(15)
.
Эмпирические константы имеют следующие значения: k =1,0 ; =1,3 ; C1 = 1,44; C2 = 1,92,
Cμ = 0,09.
Объемная доля фазы может изменяться от нуля до единицы в зависимости от занимаемого
пространства в двухфазном потоке. Согласно тому, что фазы должны полностью заполнять
весь объем, получаем уравнение
2
¦D
i
1.
(16)
i 1
Геометрия и граничные условия
На рисунке 2 представлена геометрия рабочего участка суперкавитационного испарителя с обозначением граничных условий. В рабочем участке длиной Н = 470 мм и диаметром
D0 = 70 мм установлен кавитатор на расстоянии h = 50 мм от входа в рабочий участок. В качестве кавитатора использовался конус с углом раствора 53 °. Исследования проводились в
условиях, когда влияние стеснения потока на форму и размеры каверны существенно. Степень
# 501 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.А. Кулагин, Т.А. Пьяных. Численное исследование процессов в суперкавитационном испарителе...
Рис. 2. Геометрия рабочего участка суперкавитационного испарителя с обозначением граничных
условий: 1 и 2 соответственно вход и выход из рабочего участка, 3 – стенки, 4 – отбор пара из каверны,
5 – условия симметрии
Рис. 3. Расчетная сетка
стеснения потока d/D0 принималась равной 0,24. Через трубку, расположенную вдоль оси рабочего участка, осуществлялся отбор пара из каверны.
Как видно из рис. 3, расчетная сетка состоит из гексаэдрических элементов и имеет специальное сгущение в месте предполагаемого образования каверны. Задача рассматривается в
стационарной осесимметричной постановке. Для замыкания системы уравнений принимаем
следующие граничные условия: на входе в рабочий участок задана скорость 6 м/с, линейный
масштаб 0,005 и интенсивность турбулентности 0,03, объемные доли пара и воды 0,0 и 1,0 соответственно, а на выходе – давление равно 147 кПа. На стенках скорость задана равной нулю.
Расчеты проводились для воды, температура которой принималась равной 110 °С, что соответствует максимальной температуре воды на входе в первую ступень испарения большинства современных испарительных установок [12]. В основании кавитатора осуществлялся отбор пара в
количестве 0,0414 кг/ч. Теплофизические параметры воды и пара принимались согласно [2].
Результаты численного исследования
В результате вычислений были получены поля скоростей, давлений, температуры и доли
пара в смеси, а также распределение кинетической энергии и скорость диссипации. Частично
результаты представлены на рис. 4.
# 502 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.А. Кулагин, Т.А. Пьяных. Численное исследование процессов в суперкавитационном испарителе...
ɪ
ɪ
ɚ
ɛ
ɜ
Рис. 4. Результаты численного моделирования: а – доля пара; б – температурное поле; в – поле давлений
На рисунке 4а отображена зависимость объемной доли пара в потоке смеси от координат. Как видно, область фазового перехода имеет довольно тонкую границу, что объясняется
высокими градиентами давления в этой области (рис. 4в). Расчетная длина каверны для заданных условий составила 12 мм. Как видно из рис. 4б, температура в каверне уменьшилась
относительно температуры на входе в рабочий участок приблизительно на 38 °С, а в области
замыкания каверны выросла на 24 °С. Данный эффект объясняется повышением давления в
этой области и процессом вихреобразования. Таким образом, в небольшом объеме в месте замыкания каверны образуется достаточно высокое тепловыделение за счет конденсации пара,
что является причиной роста температуры в этой области. Как показали результаты расчета,
заданный отбор пара из каверны не разрушает ее, что объясняется интенсивным испарением на
ее поверхности и устойчивой граничной динамикой.
Заключение
В статье представлена аналитическая зависимость числа кавитации от температуры, из
которой видно, что с уменьшением температуры интенсивность кавитации в потоке воды по# 503 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.А. Кулагин, Т.А. Пьяных. Численное исследование процессов в суперкавитационном испарителе...
нижается. В случае повышения температуры воды, поступающей в рабочий участок суперкавитационного испарителя, и увеличения пароотбора из каверны влияние термодинамических
эффектов усиливается. В этой связи разработана математическая модель, позволяющая проводить расчетные исследования кавитационных течений с учетом термодинамических эффектов.
Проведено моделирование рабочих процессов суперкавитационного испарителя. Полученные
расчетные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными. Суперкавитационный метод является перспективным способом опреснения воды и требует дальнейшего
изучения и развития.
Список литературы
[1] Ивченко В.М., Кулагин В.А., Немчин А.Ф. Кавитационная технология: монография. Красноярск: Изд-во КГУ, 1990. 200 с.
[2] Ривкин С.Л., Александров А.А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. М.:
Энергия, 1980. 424 с.
[3] Goel T., Zhao J., Thakur S. and all // International Journal for Numerical Methods in Fluids,
58 (2008) 969–1007.
[4] Utturkar Y., Wu J., Wang G., Shyy W. // Prog. Aerospace Sci., 41 (7) (2005) 558–608.
[5] Wu J.Y. Filter Based Modeling of Unsteady Turbulent Cavitating Flow Computational, Ph.D.
Thesis, University of Florida, Gainesville, 2005.
[6] Tseng C.-C., Shyy W. // International Journal of Heat and Mass Transfer, 53 (2010) 513–525.
[7] Senocak I., Shyy W. // International Journal for Numerical Methods in Fluids, 44 (2004) 997–1016.
[8] Кулагин В.А., Пьяных Т.А. // Журнал СФУ. Сер. Техника и технологии. 1 (2012 5) 57–62.
[9] Маркина Н.Л. Численное моделирование кавитационных течений: дис. … канд. физ.мат. наук: 01.02.05. Москва, 2011. 107 с.
[10] Zwart P.J., Gerber A.G., Belamri T. // International Conference on Multiphase Flow, 152
(2004) 45–56.
[11] Baradaran Fard M., Nikseresht A.H. // Scientia Iranica, Transactions B: Mechanical Engineering, 19 (2012) 1258–1264.
[12] Мелинова Л.В. Автореф. дис. … канд. техн. наук, М., 2004. 17 с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.А. Кулагин, Т.А. Пьяных. Численное исследование процессов в суперкавитационном испарителе...
Numerical Study of Processes
in Supercavitation Evaporator Considering
Thermodynamic Effects
Vladimir A. Kulagin and Tatyana A. Pyanykh
Siberian Federal University
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
The article proposes a mathematical model of cavitational flows, considering thermodynamic effects.
Outputs of simulation work flows supercavitating evaporator are presented. It was found out that
during cavitation evaporation under the given conditions a temperature in cavern decreases. The
temperature increases nearby cavern closing area.
Keywords: supercavitation evaporator, mathematical model, homogeneous flow, heat and mass
transfer.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 5 (2013 6) 506-513
~~~
УДК [665.63+662.764]:62–50
Численное исследование течений
в трубчатых теплообменниках
Н.Д. Демиденкоа, Л.В. Кулагинаб*
а
СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН
Россия 660049, Красноярск, пр. Мира, 53
б
Сибирский федеральный университет,
Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
Received 21.04.2013, received in revised form 27.06.2013, accepted 14.07.2013
Решена задача исследования теплообмена вычислительными средствами в трубчатых
теплообменниках применительно к однонаправленным и разнонаправленным потокам.
Разработаны численные алгоритмы статических и динамических характеристик процесса
теплообмена. Полученные результаты могут быть полезны для определения характеристик
теплообменных процессов в нефтяной промышленности.
Ключевые слова: математическое моделирование, управление системами с распределенными
параметрами, оптимизация, тепломассообмен.
Введение
В современных условиях развития нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности актуальной задачей становится повышение эффективности эксплуатации применяемого в отрасли топливоиспользующего оборудования, в особенности трубчатых печей,
так как их стоимость достигает 25 % от стоимости всей технологической установки. Трубчатые
печи служат основным оборудованием технологических установок нефтеперерабатывающих
заводов (НПЗ). Главным показателем эффективности их работы являются: полезная тепловая
нагрузка (количество тепла, воспринимаемое сырьем в печи), плотность теплового потока (количество тепла, переданного через 1 м2 поверхности нагрева в единицу времени), тепловая напряженность топочного производства, коэффициент полезного действия. Подходы, используемые в данной работе, могут быть также применены и к теплообменному оборудованию других
отраслей промышленности, например в трубчатых холодильниках компрессорных установок,
и многих других.
Данные требования, предъявляемые также к предприятиям нефтяной отрасли, вынуждают сокращать сроки разработки и модернизации систем управления (СУ) технологическими
объектами. С другой стороны, развитие технологической основы современных нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, необходимость учета нелинейных взаимосвязей параметров, увеличение числа ограничений и т.д. приводят к увеличению сложности
*
© Siberian Federal University. All rights reserved
Corresponding author E-mail address: klvation@gmail.com
# 506 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Н.Д. Демиденко, Л.В. Кулагина… Численное исследование течений в трубчатых теплообменниках
решаемых при управлении задач и, соответственно, к необходимости разработки сложных
СУ. Математическая постановка этих задач и вопросы их корректности, как правило, требуют специального рассмотрения. Трудности, прежде всего, связаны с нелинейностью уравнений и со сложностью граничных условий, содержащих обыкновенные дифференциальные
уравнения. Но эти трудности обусловлены многомерностью задач, так как технологические
процессы характеризуются довольно большим числом теплофизических и конструктивных
параметров. В настоящее время нет единой обобщающей модели, позволяющей рассматривать химико-технологические процессы тепломассообмена в широком диапазоне изменения начальных и граничных условий с учетом различных возмущающих воздействий и
оценивать статические и динамические характеристики всего технологического процесса.
Создание такой модели часто тормозится отсутствием данных по нестационарным режимам
при различных возмущениях и т.п. Ввиду сложности решаемой проблемы очевидна необходимость перехода к численным оптимизационным методам решения краевых задач и задач
оптимального управления, обеспечивающим машинный поиск глобального оптимума для
многомерных функционалов.
В этой связи возникает необходимость разработки интеллектуальных (продвинутых) СУ,
которые давали бы возможность достаточно просто в производственных условиях в реальном
времени, без привлечения наукоемких технологий и дорогостоящего инжиниринга получать и
модернизировать режимы работы и параметры таких СУ.
Методика исследования
В работе использована программа FEMLAB компании COMSOL, предназначенная для решения широкого круга задач, формулируемых системами уравнений с частными производными, в частности задач математической физики, методом конечных элементов. Особенностью
программы, которая ставит ее выше других программ подобного рода, является возможность
решения трехмерных задач. Она использует проверенный метод конечных элементов для эффективного анализа физических явлений, дающий возможность предсказывать поведение исследуемой системы без создания дорогостоящих прототипов. Программа может виртуально
моделировать любое физическое явление, описываемое уравнениями с частными производными, включая явления переноса тепла и вещества, течение жидкости или газа, электромагнетизм и теорию упругости. Более того, программа может исследовать все перечисленные явления одновременно, во взаимосвязи. Например, анализ горения топлива может включать не
только химические реакции и электрические токи, но также гидродинамику и перенос тепла.
Несомненным преимуществом FEMLAB по сравнению со схожими программными продуктами служит возможность изменения встроенного программного кода в соответствии с требованиями конкретного рассматриваемого объекта моделирования.
Математическое моделирование и вычисления
При моделировании процесса горения в топке трубчатой печи использовали следующие
математические уравнения и условия. Расчет теоретического количества воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива при нормальных физических условиях, производится по следующему уравнению:
# 507 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Н.Д. Демиденко, Л.В. Кулагина… Численное исследование течений в трубчатых теплообменниках
L0 0,115C
0,345H 0,043,
где L0 – теоретический расход воздуха, необходимый для сгорания 1 кг топлива, кг;
С – содержание углерода в топливе, %; Н – содержание водорода в топливе, %.
Теоретическое количество воздуха, м3, необходимое для сгорания 1 кг топлива при
нормальных физических условиях,
0,089C 0,2674H 0,033.
V0
Фактический расход воздуха вычисляют по формуле
Į
L0 Į,
где α – коэффициент избытка воздуха.
Количество дымовых газов, образующееся при сгорании 1 кг топлива, определяют по
выражению
C
1 ĮL0 WɎ ,
где WФ – расход форсуночного пара, кг/кг.
Объем дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива при теоретическом и
фактическом расходах воздуха и при нормальных физических условиях,
O · 9H W 100WɎ
§
V0 0,056 ¨ H ¸ ,
8¹
80,5
©
VT
где О – содержание кислорода в топливе, %; W – содержание влаги в топливе.
Объем дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива при фактическом расходе
воздуха при нормальных физических условиях, м3/ кг, вычисляется по формуле
VT Į 1V0 .
V
Количество газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива,
mCO2
0,0367C,
mH2O
0,09H 0,01W WɎ ,
mN2
L0Į ˜ 0,768,
mO 2
L0 Į 1 0,232,
mSO2
0,02S,
где mCO2 , mH 2O , m N 2 , mO2 , mSO2 – количество соответствующих газов, образовавшихся при
сгорании 1 кг топлива, кг/кг.
Объем дымовых газов при любой температуре t
Vt
V
t 273
.
273
# 508 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Н.Д. Демиденко, Л.В. Кулагина… Численное исследование течений в трубчатых теплообменниках
Плотность дымовых газов при нормальных физических условиях, кг/м3
ȡ0
G
,
V
где G – количество дымовых газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива, кг/кг.
Плотность дымовых газов при температуре t
ȡt
ȡ0
273
.
273 t
Коэффициент избытка воздуха для газомазутных форсунок с паровым распылом
принимают равным 1,3–1,4; при воздушном распыле – 1,2–1,3. При сжигании газообразного
топлива в специальных панельных горелках полное и беспламенное горение обеспечивается
при низком коэффициенте избытка воздуха, составляющем 1,02–1,10.
Вследствие неплотностей печной кладки выше зоны горения имеет место подсос
воздуха, поэтому в дымовых газах, покидающих печь, коэффициент избытка воздуха α выше
приведенных значений на 0,05–0,10.
Процесс горения топлива может быть рассчитан и в мольных единицах (кмоль/кг). Для
этой цели используются следующие уравнения:
C
S
,
100 ˜ 12 100 ˜ 32
MCO2 +SO2
W
W
H
Ɏ,
100 ˜ 2 100 ˜ 18 18
M H2O
V0 Į0 0,21
M N2 +O2
22,4
,
где M CO2 SO2 , M HO2 , M N 2 O2 – соответственно число кмолей СО2+SO2, H2O, N2+O2, образующихся
при сгорании 1 кг топлива с фактическим количеством воздуха.
В случае газообразного топлива для расчета процесса горения могут быть использованы
все приведенные выше уравнения. Элементарный состав газообразного топлива может быть
вычислен из следующих уравнений:
C 12¦
H
¦
nci xi
Mi
nH i x i
Mi
32¦
nSi xi
O 16¦
nOi xi
N 14¦
nNi xi
S
Mi
Mi
Mi
12
Mm
1
Mm
¦n
ci
¦n
x i c,
x i c,
Hi
32
Mm
¦n
16
Mm
¦n
Oi
x i c,
14
Mm
¦n
Ni
x i c,
Si
x i c,
где n ci ,n H i ,n Si ,n Oi ,n Ni – соответственно число атомов углерода, водорода, серы, кислорода
и азота в молекулах отдельных компонентов, входящих в состав газообразного топлива;
# 509 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Н.Д. Демиденко, Л.В. Кулагина… Численное исследование течений в трубчатых теплообменниках
x'i – содержание соответствующих компонентов (метан, этан и др.) в газообразном топливе, %
(масс.), % (объемн.) или % (мол.); Mi – молекулярная масса компонентов топлива, кмоль/кг;
Mm – молекулярная масса газа, кмоль/кг.
При расчете трубчатых печей часто бывает необходимо определить энтальпию продуктов
сгорания, образующихся при сжигании одного килограмма топлива. Расчет выполняют по
формуле
Ht
m
CO 2
CCO2 mH 2OCH 2O mSO2 CSO2 mN 2CN 2 mO2 CO2 t ,
где CCO2 , C H 2O , C SO2 , C N 2 , CO2 – средние массовые теплоемкости при постоянном давлении этих
же газов в пределах температур, считая от 0 °С (273 K) до t, кДж/(кг·K).
Тепловой баланс трубчатой печи можно составить, приняв в качестве начальной
температуры любое значение, например 0 °С. Тепловой баланс составляется применительно к
некоторому отрезку времени, например к 1 ч или ко времени, в течение которого сжигается 1 кг
топлива. Ниже приведены приходные статьи теплового баланса трубчатой печи при сжигании
1 кг топлива, кДж/кг.
1. Основным теплом, вносимым в печь, является тепло, выделяемое при сгорании топлива
(теплотворная способность топлива) QPH .
2. Второй приходной статьей является явное тепло топлива, равное произведению
теплоемкости топлива CT на его температуру tT, CT tT.
3. Следующей статьей является тепло, вносимое в топку с воздухом, αL0CBtB, где CB и tB –
соответственно теплоемкость и температура воздуха.
4. Последней приходной статьей теплового баланса будет тепло форсуночного пара
WФCB.ПtB.П, где CB.П и tB.П – теплоемкость и температура водяного пара.
Результаты численного исследования и выводы
Визуально численное моделирование представлено на рис. 1-5. Полученные результаты
дают возможность сделать следующие заключения:
1. Изменение скорости движения смеси существенным образом влияет на массовую плотность смеси на выходе из печи, что, в свою очередь, может сказываться на недожоге топлива и
снижении производительности процесса горения топлива в трубчатой печи.
2. Увеличение температуры смеси увеличивает производительность печи при одновременном небольшом удлинении времени прихода системы в стационарное состояние. Таким
образом, рационально использовать эту переменную с целью оптимизации технологических
процессов в трубчатых печах нефтехимической промышленности.
3. Преимущество использования математических методов в нефтехимии и нефтепереработке состоит в комплексном подходе при решении указанных задач, начиная с постановки
задачи, создания математической модели и адекватной исходной информации и заканчивая выбором аналитических либо численных методов получения решения. Такой подход в конечном
итоге приводит к оптимизации технологических процессов, минимизации затрат на производство продуктов и сокращению сроков их выпуска. Кроме того, он даёт возможность исследовать закономерности поведения объектов и более детально изучить технологические процессы
нефтехимии и нефтепереработки.
# 510 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1. Распределение плотности смеси в топочном объеме
Рис. 2. Значения для скорости движения смеси
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3. Изменение концентрации горючего вещества в смеси
Рис. 4. Динамика изменения температуры факела
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Н.Д. Демиденко, Л.В. Кулагина… Численное исследование течений в трубчатых теплообменниках
Рис. 5. Значения переменных для температуры нагреваемого сырья
Computational Investigation
of Flows in Tube Heat Exchangers
Nikolay D. Demidenkoa and Lyudmila V. Kulaginab
a
SDTB «Nauka» KSC SB RAS
53 Mira, Krasnoyarsk, 660049 Russia
b
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
Flows heat exchange tasks solution by computational investigation means in tube exchangers applied
to monodirectional and opposite direction streams are proposed in the paper. Task outcomes can be
useful for similar in physical conditions heat exchange processes in petroleum industry. Static and
dynamical characteristics’ numerical algorithms of the concerned process were worked out.
Keywords: mathematical modeling, control of distributed parameter systems, optimization, heat and
mass transfer.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 5 (2013 6) 514-520
~~~
УДК 621.356:004.94
The Energetic Model
of the Lithium-Ion Storage Battery
Vladimir I. Ivanchura*,
Alexey B. Chubar and Sergey S. Post
Siberian Federal University
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
Received 11.05.2013, received in revised form 14.07.2013, accepted 28.07.2013
There is developed energetic model of the lithium-ion storage battery. Researches of models of
elements of autonomous systems of power supply were made with the help of MATLAB 7.9. The
model can be used in the design of various power systems.
Keywords: power system, storage battery, energetic model.
Introduction
Operating with enormous energy flows, modern technique requires autonomy systems of energy
storage. This often makes the storage batteries indispensable in an autonomous and stationary power
industry.
The specialty of storage batteries is that, on the one hand, the processes occurring in the storage
batteries are subjected and described by the laws of chemistry and electrochemistry, and on the other hand,
external behavior of the storage battery as the element of an electric circuit are subjected and described
by the laws of physics and electrotechnic. The processes within the storage battery are nonlinear, and the
processes occurring outside of it, can be linearized and subjected by known Ohm’s laws.
This is the main reason for the absence of general mathematic description of the storage battery as
an electrical device. Overwhelming majority of papers studies devoted to storage batteries is dedicated
to research of the processes on the surface and inside the electrode, the electrolyte and other parts of
the storage battery and the interpretation of its external behavior, i.e. measurement and calculation of
voltage and electric current [1].
Problem statement
The first attempts to represent discharging curves were made in 1897 by M. Peykert and consisted
of the establishment of a functional connection between the amperage and the discharge time as a
hyperbolic dependence In · t = C; where I – discharge current, t – discharge time, C – independent on
the capacity and characterizing the giving type of the storage battery; n – constant related to the weight
of active material.
*
© Siberian Federal University. All rights reserved
Corresponding author E-mail address: ivan43ura@yandex.ru
# 514 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Vladimir I. Ivanchura and Alexey B. Chubar… The Energetic Model of The Lithium-Ion Storage Battery
The expansion of the applications of the storage batteries (e.g. in autonomous systems of power
supply for vehicles and power electronic equipment) has resulted in necessity of describing a family
of discharge characteristics as follows: charge/discharge voltage – is a function of charge/discharge
current, temperature and current capacity [2].
When designing the autonomous systems of power supply it is necessary to have energetic
models of separate elements of such systems in order to determine parameters of these elements. The
best way is to use computing simulation. We have attempted to create a model of system of power
supply in MatLAB 7.9 (Simulink). The existing model of storage battery in MatLAB has significant
disadvantages because ignores:
- The effect of temperature on the output voltage
- Self-discharge of the storage battery
- Degrading changes of the storage battery, associated to time
- Heat release of the storage battery.
Accordingly, the task is to modify the specified model and test it to determine the efficiency.
Problem solution
To solve this problem we use visual modeling medium Simulink, which is part of the package
MATLAB 7.9. One of its main advantages is the ability to model, combining the methods of structural
modeling and simulation. This approach, in contrast to circuit simulation package, allows to significantly
simplify the model, and increase the speed of computation.
The model of the storage battery
Fig. 1 shows a model of a lithium-ion battery, created in Simulink. User can change parameters such
as the maximum capacity of the storage battery, rated operating voltage and ambient temperature [3, 4].
Fig. 2 shows the hierarchical structure of the block «Lithium-ion battery». Changes made to the
model are marked red. Blocks «From9» and f(u)1 are responsible for the dependence of the output
voltage of the external temperature; blocks From10, From11 and f(u)2 are responsible for the dependence
of the capacity of the external temperature and the time; blocks I_SR and I_R take into account the
self-discharge of the storage battery; block T calculates the temperature of the storage battery.
Figure 3 shows the expressions that are defined according to U=f(T) и С=f(T, time). Dependencies
were obtained by approximation of experimental discharge curves shown in Fig. 4
The model testing
Fig. 5 shows the discharge characteristics of the storage battery, taken off at a nominal temperature
of 20 ° C and a discharge current of 1 A.
Fig. 6 shows the model consisting of 9 storage batteries, Fig. 7 shows its discharge
characteristics.
Fig. 8 shows the discharge characteristics, taken from 9 storage battery at different temperatures
(Fig. 8a) and currents (Fig. 8b).
As can be seen from the graphs, the temperature decreases, decreasing the maximum voltage
and battery capacity, while increasing the discharge current AB depletes the battery quickly, and the
maximum voltage does not change.
# 515 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Fig. 1. The model of the lithium-ion storage battery
Fig. 2. The structure of the hierarchical block Lithium-Ion battery
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Fig. 3. Expressions that specify dependences of output voltage and capacity as a dependence on the temperature
and time: a – dependence U=f(T); b – dependence С=f(T, time)
Fig. 4. Discharge characteristics of the lithium-ion storage battery, taken at different temperatures
Fig. 5. Discharge characteristic of the lithium-ion storage battery
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Fig. 6. The model consisting of 9 storage batteries
Fig. 7. Discharge characteristics of the model consisting of 9 storage batteries: a – discharge characteristic taken
off 9 storage batteries; b – discharge characteristic taken off 9 storage batteries one of which is out of order
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Vladimir I. Ivanchura and Alexey B. Chubar… The Energetic Model of The Lithium-Ion Storage Battery
Fig. 8. Discharge characteristics of the nine AB, taken under different external actions: a – characteristics, taken
at different temperatures; б – characteristics, taken at different discharge currents
Conclusion
There is a model of the storage battery, which takes into account changes in temperature, heat
dissipation, self-discharge and degrading changes. Characteristics obtained during the test battery
confirm its performance, the model can be used in the design of various power systems.
References
[1] Лукьяненко М.В., и др. Источники энергии систем электроснабжения космических
аппаратов. Красноярск: Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т, 2008. 176 с.
[2] Центер Б.И., Лызлов Н.Ю. Металл-водородные электрохимические системы. Теория и
практика. Л.: Химия, 1989. 282 с.
[3] Implement generic battery model. URL: http://www.mathworks.com/help/physmod/powersys/
ref/battery.html
[4] Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, Simulink и
SimPowerSystems. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. 288 с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Vladimir I. Ivanchura and Alexey B. Chubar… The Energetic Model of The Lithium-Ion Storage Battery
Энергетическая модель литий-ионной
аккумуляторной батареи
В.И. Иванчура,
А.В. Чубарь, С.С. Пост
Сибирский федеральный университет,
Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
Разработана энергетическая модель литий-ионной аккумуляторной батареи. Методика
моделирования и исследования энергетических процессов использует информационную
систему поддержки автоматизированного проектирования и MATLAB 7.9. Модель может
быть использована при проектировании различных систем электропитания.
Ключевые слова: система электропитания, аккумуляторная батарея, энергетическая
модель.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 5 (2013 6) 521-526
~~~
УДК 629.78.054:621.396.018
Многоканальный цифровой синтез
в имитаторах
радионавигационных сигналов
С.С. Красненкоа, Д.A. Недорезова,
В.Б. Кашкин *, Ю.Г. Хазагарова, А.В. Пичкалевб
а
Сибирский федеральный университет,
Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
б
ОАО «Информационные спутниковые системы»
им. акад. М.Ф. Решетнёва»,
Россия 662972, Красноярский край,
г. Железногорск, ул. Ленина, 52
а
Received 18.04.2013, received in revised form 12.06.2013, accepted 24.07.2013
Обоснованы главные требования к имитатору радионавигационных сигналов. Рассмотрены
существующие имитаторы. Показано, что при разработке имитаторов целесообразно
использовать принципы многоканального синтеза.
Ключевые слова: имитатор радионавигационных сигналов, цифровой синтез, межканальная
погрешность, многоканальность, тактовая частота.
4 октября 1957 г. в Советском Союзе был запущен первый в истории человечества искусственный спутник Земли (ИСЗ). Измерения доплеровского сдвига частоты передатчика этого
ИСЗ на пункте наблюдения с известными координатами позволили определить параметры
движения спутника. Решение обратной задачи, т.е. определение координат пункта приема
сигнала, излученного с ИСЗ с известными координатами, по измерениям доплеровского
сдвига принятого сигнала положило начало развитию спутниковых радионавигационных
систем (СРНС) [1].
СРНС наряду с системами мобильной связи стали неотъемлемой частью человеческой
деятельности и используются в самых различных ее областях, а именно в быту, образовании и науке и т.д. Сегодня технология спутникового координатно-временного обеспечения
востребована абонентами не только на поверхности Земли и околоземном пространстве, ее
использование значительно упростит определение местонахождения космических аппаратов
(КА), находящихся на геостационарных и высокоэллиптических орбитах (ГСО и ВЭО). Ввиду того что навигационное поле от СРНС выше 5000 км распадается на локальные сигналы
от отдельных навигационных КА (НКА), применение обычных навигационных приемников
*
© Siberian Federal University. All rights reserved
Corresponding author E-mail address: rtcvbk@rambler.ru
# 521 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С.С. Красненко, Д.A. Недорезов… Многоканальный цифровой синтез в имитаторах радионавигационных сигналов
(НП) для КА на ГСО и ВЭО невозможно. Кроме того, планируется использование СРНС для
позиционирования разгонных блоков, что также требует наличия на них специализированных НП. Для проверки и отладки таких приемников необходима контрольно-испытательная
аппаратура, в состав которой входит специальный имитатор радионавигационных сигналов
(ИРНС), имитирующий для НП радионавигационную обстановку, максимально схожую с
рабочей.
ИРНС – это специальный прибор, которым производят проверку, испытание и сертификацию навигационных приемников различного назначения. Основной областью применения
ИРНС является проведение проверок функционирования приемников, формируя как единичные навигационные сигналы (НС) с известными параметрами для проверки каналов приема,
так и сигналы от созвездия навигационных космических аппаратов ГЛОНАСС/GPS (НКА) для
проверки НП на выполнение своей целевой задачи.
Сегодня аппаратура имитации навигационного сигнала весьма востребована и некоторыми компаниями производится серийно. Далее описаны некоторые параметры ИРНС.
• Число каналов – это число генерируемых спутниковых сигналов. Если принять, что
каждый навигационный спутник излучает два сигнала (в диапазоне L1 и L2), то для
имитирования созвездия из трех спутников необходим шестиканальный ИРНС.
• СРНС и диапазон имитации. Возможны: ГЛОНАСС – L1, L2, L3. GPS – L1, L2, L5. GALILEO – E1, E2, L1. SBAS – L1.
• Максимальная высота имитирования полета приемника.
• Погрешность формирования сигнала. Одной из основных является межканальная
погрешность, возникающая вследствие рассогласованности каналов синтеза и разности пути прохождения сигналов в радиотракте, сигналов тактирования для узлов
формирования и т.д. Устранению межканальной погрешности и посвящена данная
статья.
В таблице 1 приведены некоторые характеристики серийных ИРНС [2-4].
ИРНС фирм Spirent Communications и ЗАО «КБ Навис» не могут обеспечить полную проверку специализированного НП для КА, находящихся на ГСО и ВЭО, так как они формируют
НС для НП, находящихся в едином навигационном поле, до 5000 или 8000 км, а ГСО и ВЭО
проходят далеко за пределами навигационного поля. МРК-40, хотя и удовлетворяет требованию по максимальной высоте имитирования полета НП, но имеет небольшое число каналов и
может лишь частично произвести проверку, так как все современные, и тем более специализированные, приемники будут иметь около 12 каналов приема. Кроме того, представленные
ИРНС имеют межканальное расхождение, что негативно сказывается на качестве проверки
приемника. В этой связи разработка нового ИРНС, который будет удовлетворять всем представленным требованиям, весьма актуальна.
Максимальная высота имитирования полета НП в ИРНС обеспечивается как конструктивными особенностями, так и в большей степени жестко заданными сценариями полета приемника, т.е. негибким программным обеспечением (ПО). Это необходимо учесть при создании
нового ИРНС, удовлетворяющего всем предъявленным к нему требованиям.
Выполнить все предъявленные требования к формированию навигационного сигнала
и сохранить простоту реализации может цифровой синтез, а именно прямой цифровой син# 522 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С.С. Красненко, Д.A. Недорезов… Многоканальный цифровой синтез в имитаторах радионавигационных сигналов
Таблица 1. Серийно производимые ИРНС
ФНС
+ (Производитель)
Число
каналов
МРК-40 (ФГУП НПП
«Радиосвязь»)
6
СН-3805М/СН-3803
(ЗАО «КБ Навис»)
48/32
GSS8000
(Spirent Communications)
48
GSS7790
(Spirent Communications)
24
GSS7600
(Spirent Communications)
12
СРНС-диапазон
ГЛОНАСС – L1, L2
GPS – L2
ГЛОНАСС – L1, L2, L3
GPS – L1, L2, L5
GALILEO – E1, E2, L1
SBAS – L1
ГЛОНАСС – L1, L2
GPS – L1, L2, L5
GALILEO – E1, E2, L1
SBAS – L1
GPS – L1, L2, L5
SBAS – L1
ГЛОНАСС – L1
GPS – L1, L2, L5
SBAS – L1
Максимальная высота
Межканальная
имитирования полета
погрешность, м
НП, км
±2,5
90000
±0,3
8000
±0,5
5000
±0,5
5000
±0,5
5000
Рис. 1. Работа синтезатора типа DDS
тез (Direct Digital Synthesis – DDS). Применение DDS также позволит значительно сократить
массогабаритные размеры ИРНС. На рисунке 1 изображен принцип работы синтезатора типа
DDS [2].
В DDS аккумулятор фазы формирует линейно изменяющуюся последовательность кодов
мгновенной фазы сигнала. Кодом частоты задается скорость изменения фазы. Далее с помощью постоянно запоминающего устройства (ПЗУ) и логики формирования адреса линейно
изменяющаяся фаза преобразуется в изменяющиеся по синусоидальному закону цифровые
выборки. После чего эти отсчеты поступают на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и
фильтруются аналоговым фильтром нижних частот (ФНЧ), после чего на его выходе получается синусоидальный сигнал. Использование одного такого синтезатора позволяет получить
сигнал, идентичный навигационному, от одного НКА.
При разработке ИРНС прямой цифровой синтез можно применять в двух вариантах:
1. Реализация с использованием нескольких цифровых синтезаторов (ЦС).
2. Реализация ЦС на единой цифровой схеме.
# 523 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С.С. Красненко, Д.A. Недорезов… Многоканальный цифровой синтез в имитаторах радионавигационных сигналов
ɐɋ1
ɐ
Ⱥ
ɉ
ǻt1
ɐɋ2
ɐ
Ⱥ
ɉ
ǻt2
ɐɋ3
ɐ
Ⱥ
ɉ
ǻt3
ɐɋn
ɐ
Ⱥ
ɉ
ǻtn
™
Рис. 2. Многоканальная реализация ИРНС на основе одноканальных цифровых синтезаторов
При многоканальной реализации ИРНС с использованием нескольких ЦС возникает проблема их согласованной работы. В таком использовании синтезаторов при прохождении сигнала через радиотракт от ЦАП до сумматора возникают задержки сигнала, которые будут различаться между собой (∆t1≠∆t2≠∆t3≠∆tn), что даст большое межканальное расхождение (рис. 2),
как в случае с МРК-40. Трудность синхронизации большого числа каналов в ИРНС послужила
основной причиной для отказа разработки многоканальных имитаторов на основе одноканальных ЦС.
Чтобы избежать неидентичной задержки в каналах синтеза сигналов, необходимо синтезировать и суммировать сигналы непосредственно на цифровой схеме, например по программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) (рис. 3), второй способ. В этом случае
синтезирование и суммирование сигналов происходит на одной цифровой схеме, поэтому межканальной задержки сигналов не будет. После суммирования и цифроаналогового преобразования получаем навигационный сигнал от нескольких НКА на промежуточной частоте и внесенные задержки в процессе переноса частоты будут одинаковыми для всех каналов, которые
в случае необходимости можно откалибровать.
При многоканальном синтезе необходимо учитывать некоторое уменьшение динамического диапазона формируемой суммы сигналов, возникающее за счет суммирования нескольких
сигналов до поступления на ЦАП. Эквивалентная разрядность ЦАП для каждого отдельного
формируемого сигнала при этом уменьшается.
При разработке ИРНС необходимо правильно выбрать тактовую частоту цифровой схемы,
зависящей от двух параметров формирования сигнала:
• частоты дискретизации ЦАП;
• требуемого шага перестройки частоты формируемого сигнала.
Для преобразования цифрового сигнала в аналоговый необходимо, чтобы частота дискретизации ЦАП была как минимум вдвое больше, чем верхняя частота спектра формируемого
сигнала, на практике она еще больше. Также необходимо учитывать, чтобы при дискретизации
сигнала высшие гармоники как можно больше отличались от основной. Это позволит использовать на выходе ЦАП относительно широкополосные фильтры, что, в свою очередь, позволит избежать частотной неравномерности задержки сигнала при фильтрации. Для этого также
необходимо, чтобы частота дискретизации, т.е тактовая частота ЦАП, была бы максимально
# 524 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С.С. Красненко, Д.A. Недорезов… Многоканальный цифровой синтез в имитаторах радионавигационных сигналов
ɐɋ1
ɐɢɮɪɨɜɚɹ
ɋɯɟɦɚ
ɐɋ2
ɐȺɉ
Ɏɇɑ
0...30ɆȽɰ
ɐɋ3
ɐɋn
Рис. 3. Реализация ФНС на цифровой схеме
Рис. 4. Спектр сигнала при генерации
возможной. На рисунке 4 представлен спектр сигнала при генерации, где fc – частота сигнала
с полосой около 20 МГц, fд – частота дискретизации, fд/2 – половина частоты дискретизации,
т.е. максимально возможная частота сигнала при генерации, fд+fc – побочная составляющая
сигнала (высшая гармоника).
При выборе тактовой частоты для ЦС необходимо учитывать максимально допустимый
шаг перестройки частоты. Из свойств синтезатора DDS следует, что для уменьшения шага
перестройки частоты необходимо увеличить разрядность аккумулятора фазы или уменьшить
тактовую частоту, но на практике используется разрядность порядка 32…48 бит, редко больше.
Из этого следует, что для обеспечения минимально необходимого шага перестройки частоты необходимо, чтобы тактовая частота была наименьшей, а разрядность аккумулятора фазы
была наибольшей. Выбирая тактовую частоту, необходимо обеспечить минимальный шаг по
частоте и фильтрацию сигнала широкополосным фильтром [5].
В заключение отметим, что разрабатываемый ИРНС должен быть реализован на принципах многоканального синтеза. С целью исключения межканальной задержки для формируемых
сигналов синтез и суммирование сигналов параллельных каналов ИРНС целесообразно реали# 525 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С.С. Красненко, Д.A. Недорезов… Многоканальный цифровой синтез в имитаторах радионавигационных сигналов
зовать в одной интегральной микросхеме (ИМС). В качестве ИМС цифрового синтеза необходимо использовать ПЛИС типа SPARTAN6, VIRTEX5, VIRTEX6, обеспечивающие требуемое
число каналов формирования сигналов, а также обладающие необходимым быстродействием.
Вычислительный блок ИРНС лучше реализовать на базе IP-ядра MicroBlaze, встраиваемого в
ПЛИС, с возможным подключением внешнего оперативного запоминающего устройства (ОЗУ)
для имитирования реального созвездия требуемых НКА.
Список литературы
[1] Перов А.И., Харисов В.Н. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. М.:
Радиотехника, 2005. 688 с.
[2] Электронный ресурс: http://www.spirent.com
[3] Электронный ресурс: http://www.navis.ru
[4] Электронный ресурс: http://conf.sfu-kras.ru/sites/mn2011/section24.html
[5] Электронный ресурс: http://rf.atnn.ru/s6/DDS_1.htm
Multi-Channel Digital Synthesis
of Radio Navigation Signals Simulator
Sergey S. Krasnenkoa,
Dmitrii A. Nedorezov , Valentin B. Kashkina,
Yuri G. Hazagarovа and Aleksandr V. Pichkalevb
a
Siberian Federal University
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
b
JSC «Academician М. F. Reshetnev’s
«Information Satellite Systems»,
52 Lenin Str., Zheleznogorsk,
Krasnoyarsk region, 662972 Russia
a
Basic requirements for simulator of radio navigation signals are presented. A short review of existing
simulators is given. It is shown multichannel synthesis is the best step for the development of the
simulator.
Keywords: simulator of radio navigation signals, digital synthesis, interchannel error,
multichannelness, the clock frequency.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 5 (2013 6) 527-533
~~~
УДК 004.94
Моделирование потоков ионов
в процессе электролитического рафинирования
К.В. Митин*
Сибирский федеральный университет,
Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
Received 10.05.2013, received in revised form 18.07.2013, accepted 02.08.2013
Статья посвящена моделированию потоков заряженных частиц в электростатическом поле
в процессе электролитического рафинирования между поверхностью катода и анода. Большое
значение такие исследования имеют для повышения эффективности металлургических
процессов, в частности электролитического рафинирования меди и других металлов. Кроме
того, моделирование электростатических полей между поверхностями электродов помогает
исследовать природу взаимодействия катода с анодом. Приведен смешанный метод
частиц, адаптированный к моделированию миграционной диффузии потока ионов в процессе
электролитического рафинирования. На эйлеровом этапе с помощью уравнений Максвелла
моделируются потенциалы электростатического поля. На лагранжевом этапе строятся
законы движения и траектории ионов в виде квадратичных сплайнов. Приведены результаты
компьютерного моделирования миграционных потоков ионов в процессе электролитического
рафинирования меди.
Ключевые слова: моделирование потоков
электролитическое рафинирование меди.
заряженных
частиц,
потоки
ионов,
Введение
Изучение потоков ионов в электростатических полях представляет собой весьма актуальную научно-техническую задачу. Большое значение такие исследования имеют для повышения эффективности металлургических процессов, в частности электролитического рафинирования меди и других металлов. Кроме того, моделирование электростатических полей между
поверхностями электродов помогает исследовать природу взаимодействия катода с анодом.
Перенос вещества в процессе электролитического рафинирования осуществляется по
трем механизмам: путем молекулярной диффузии, миграции и конвекции. В соответствии с
этим говорят о потоках диффузии, миграции и конвекции. Суммарный поток складывается из
трех указанных потоков [1]. Данная статья посвящена вопросам моделирования миграционного потока ионов в электростатическом поле электродов применительно к задачам электролитического рафинирования.
В современном математическом моделировании все более распространяются алгоритмы,
известные под общим названием «методы частиц» [2]. Характерной особенностью этих мето*
© Siberian Federal University. All rights reserved
Corresponding author E-mail address: KMitin@sfu-kras.ru
# 527 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К.В. Митин. Моделирование потоков ионов в процессе электролитического рафинирования
дов является специальный способ дискретизации, при котором вводится множество дискретных объектов – модельных частиц, рассматриваемых как некоторая сетка подвижных узлов.
Методы частиц применяются к задачам, в которых рассматривается эволюция во времени некоторой среды или результат такой эволюции (см., например, работы [2, 3] и ссылки в них).
Изначально методы частиц получили наибольшее развитие в тех научно-прикладных областях, где требовались масштабные вычислительные эксперименты, для проведения которых
сосредотачивались большие интеллектуальные и вычислительные ресурсы. Примерами могут
служить работы в области управляемого термоядерного синтеза [4], вычислительной физики
плазмы [5, 6], газовой динамики [2, 5, 7, 8] и других областях [9, 10].
Среди методов частиц различают чисто лагранжевы и смешанные алгоритмы. Алгоритмы первой группы сводятся к численному интегрированию систем дифференциальных
уравнений динамического типа [3], которые описывают траектории взаимодействующих частиц. Для смешанных алгоритмов характерно то, что эволюция системы частиц на каждом
временном шаге разбивается на два этапа. На одном из них при фиксированном положении
частиц предварительно вычисляется результат их взаимодействия и (или) их коллективного
воздействия на среду. Расчет ведется на неподвижной (“эйлеровой”) сетке. Поэтому этап называется эйлеровым. На другом, лагранжевом, этапе выполняется интегрирование на очередном временном шаге динамической системы, правая часть которой вычислена на эйлеровом этапе.
Для методов частиц, как правило, характерна относительно невысокая точность. Обычный уровень погрешностей составляет несколько процентов. Это результат установившегося
компромисса между разумным объемом вычислительной работы и возможностью моделировать сложные явления. Такой подход дает существенную экономию машинного времени.
В отличие от упомянутых выше задач, решаемых методами частиц, где рассматриваемые процессы протекают за короткие промежутки времени и при высоких скоростях, процесс электролитического рафинирования занимает продолжительное время (не меньше трех
недель) и считается медленно текущим. Это обусловливает выбор методов частиц-в-ячейках
для моделирования данного процесса, поскольку они обладают большим запасом устойчивости и допускают относительно быстрое продвижение по эволюционной переменной. Однако
из-за длительности данного процесса, что являтеся сушественным отличием от упомянутых
выше работ, применение метода быстрого преобразования Фурье для расчета потенциала поля
не оправдано вследствие существенного накопления погрешности с течением времени. Кроме
того, в настоящей статье используется динамическая модель движения частиц, учитывающая
особенности процесса электролитического рафинирования.
Математическая модель потока ионов металла
в процессе электролитического рафинирования
В основу математической модели движения заряженной частицы положены законы движения иона под действием электрической силы. Предполагается, что частицы распределены
равномерно на аноде. Для каждого участка траектории строят отдельные уравнения движения,
с помощью которых находят координаты и скорость частицы в любой момент времени t. Поскольку вдоль оси z перемещений нет, мы будем рассматривать движение в плоскости xOy
# 528 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К.В. Митин. Моделирование потоков ионов в процессе электролитического рафинирования
(рис. 1). Реальная траектория движения частицы случайна, поскольку скорость и ускорение
заряженной частицы в каждой точке ее траектории зависят от случайных столкновений с другой заряженной частицей или стенкой ёмкости, являющейся диэлектриком. Поэтому в каждой
точке рассчитывают свой вектор ускорения, который определяется напряженностью электрического поля и используется для расчета скорости в этой точке.
Напряженность электростатического поля определяется как антиградиент потенциала
поля f (см. [2]) E = – grad f.
Согласно уравнениям Максвелла
− div E = div grad f ≡
∂2 f
∂x 2
+
∂2 f
∂y 2
=0.
(1)
Таким образом, потенциал f удовлетворяет уравнению Лапласа в области x∈( – d/2, d/2),
y∈(0, l1) (рис. 1) и граничным условиям
f(–d/2, y) = q, f(d/2, y) = qА, f(x, 0) = f(x, l1) = 0,
(2)
где qА – заряд на аноде.
Пусть частица достигает второго электрода за время T, т. е. t изменяется в промежутке от
0 до T. Рассмотрим промежуток времени Δt настолько малый, чтобы на участке траектории
движения частицы от точки (x(t), y(t)) до точки (x(t+Δt), y(t+Δt)) напряженность E = ( E x , E y )
можно было приближенно считать постоянной. Тогда приближенная модель закона движения
заряженной частицы представляет собой вектор-функцию S (t ) = ( S x (t ), S y (t ) , где Sx(t) и Sy(t) –
это квадратичные сплайны, построенные на сетке ω: ti = iΔt, i = 1,…,n, n = T / Δt . На каждом
промежутке [ti, ti+1] вектор-функция S (t ) задается функциями [2]
S xi (t )
qE xi (t ti ) 2
v xi (t ti ) S xi 1 (ti ) ,
m
2
(3)
S yi (t )
qE yi (t ti ) 2
v yi (t ti ) S yi 1 (ti ) .
m
2
(4)
Рис. 1. Движение частицы: l1 – длина пластин электродов; d – расстояние между пластинами;
v x , v y – проекции вектора скорости по осям X и Y; К – катод; А – анод
# 529 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К.В. Митин. Моделирование потоков ионов в процессе электролитического рафинирования
Если происходит столкновение двух частиц в момент t*  [t i , t i 1 ], летящих со скоростями
v1 (t*) и v2 (t*) (рис. 2), то траектория первой частицы меняется по следующему закону:
­
qE x (ti ) (t ti ) 2
ti d t t*,
v1i x (t ti ) x1 (ti ),
°
2
m
°°
qE x (ti ) (t ti ) 2
S1x (t ) ® qE x (ti ) (t t*) 2
i
v
(
t
t
*)
1
x
° m
2
m
2
° i
t* d t ti 1;
¯° v1x (t ti ) x1 (ti ),
(5)
­
qE y (ti ) (t ti ) 2
v1i y (t ti ) y1 (ti ),
ti d t t*,
°
2
m
°
°
2
qE y (ti ) (t ti ) 2
S1 y (t ) ® qE y (ti ) (t t*)
v1i y (t t*) ° m
2
m
2
° i
t* d t ti 1.
¯° v1 y (t ti ) y1 (ti ),
(6)
Аналогичным образом изменяется траектория второй частицы:
­
qE x (ti ) (t ti ) 2
v2i x (t ti ) x2 (ti ),
ti d t t*,
°
2
m
°°
qE x (ti ) (t ti ) 2
S 2 x (t ) ® qE x (ti ) (t t*) 2
i
v
(
t
t
*)
2
x
° m
2
m
2
° i
t* d t ti 1;
¯° v2 x (t ti ) x2 (ti ),
(7)
­
qE y (ti ) (t ti ) 2
v2i y (t ti ) y 2 (ti ),
ti d t t*,
°
2
m
°
°
2
qE y (ti ) (t ti ) 2
S 2 y (t ) ® qE y (ti ) (t t*)
v2i y (t t*) ° m
2
m
2
° i
t* d t ti 1.
°¯ v2 y (t ti ) y 2 (ti ),
(8)
При ударе частицы о дно электролитической ванны угол падения частицы на стенку будет
равен углу отражения от нее (рис. 3). В этом случае траектория движения частицы моделируется следующим образом:
S x (t )
­
qE x t 2
v x t x0 ,
t t*,
°°
m 2
®
2
2
° qE x (t t*) v x (t t*) qE x (t*) v x t * x0 , t* d t ti1 ;
°¯ m
2
2
(9)
S y (t )
qE y t 2
­
v y t y0 ,
t t*,
°°
m 2
® qE
2
2
° y (t t*) v y (t t*) qE y (t*) v y t * y0 , t* d t ti1.
2
2
¯° m
(10)
В любом из описанных случаев координата z остается постоянной, т. е. z = z0.
Данная модель может быть использована для моделирования потока не только катионов
металла, но и анионов кислотного остатка. В отличие от катионов металла анионы кислот# 530 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К.В. Митин. Моделирование потоков ионов в процессе электролитического рафинирования
Рис. 2. Столкновение двух частиц: m1, m2 − массы частиц; v1 , v2 – скорости движения частиц до
столкновения;v1′, v2′ – скорости движения частиц после столкновения
Рис. 3. Изменение направления движения частицы при ударе о стенку: m − масса частицы; v − скорость
движения частицы; a – угол падения частицы
ного остатка при миграции свободно движутся в электролитической ванне, не осаждаясь на
электроды.
Компьютерное моделирование потока ионов
Ионы меди являются заряженными частицами одного и того же типа и имеют одинаковую
массу. Для таких частиц массу не учитывают и берут равной единице для всех частиц. В начальный момент времени заряженная частица находится в точке (0, y0, z0). В случае соударения
частиц или удара частицы о стенку емкости траектории движения частиц формируются по
законам (3)–(10) с m=1.
В электролизной ванне электроды расположены параллельно друг другу. При таком расположении электродов v0x = 0. Начальные координаты y0, z0 заряженной частицы моделируются
методом Монте–Карло как случайные величины, подчинённые равномерному закону распределения. В силу кинематических уравнений (6), (7) плоского движения частицы при постоянной напряженности электростатического поля первый участок сплайна рассчитывают по формулам (3), (4) при i = 1.
# 531 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К.В. Митин. Моделирование потоков ионов в процессе электролитического рафинирования
ɚ)
ɛ)
Рис. 4. Моделирование потока ионов при электролитическом рафинировании:а – поток ионов меди и
электролита; б – потенциалы катодов (темные) и анодов (светлые)
Далее моделируют координаты частицы (x1, y1, z0) в момент t = t1 и среднюю скорость перемещения частицы в точку с этими координатами с помощью (3)–(10). Процесс продолжается до
тех пор, пока частица не достигнет границы области моделирования. Когда частица достигает
нижней горизонтальной границы области, моделируется ее столкновение с дном емкости. Если
в какой-то момент времени координаты двух различных частиц совпадают, то моделируется
столкновение частиц. В случае совпадения координат частицы с координатами точки на катоде
происходит осаждение.
Область моделирования представляет собой пространство между чередующимися катодами и анодами, заполненное электролитом (рис. 4). Оно окружено стенками и дном ванны,
являющимися диэлектриками. Область имеет геометрическую форму параллелепипеда.
Заряд на электродах предполагается распределенным равномерно с одинаковой плотностью, как в [2]. Потенциалы электродов моделируют в плоскости координат х и у, потому
что они не зависят от ширины электродов z. Для расчета потенциала используется пятиточечная разностная схема для задачи (1), (2), построенная на сетке с одинаковым шагом h
по x и у [6].
Для моделирования потока ионов меди между катодом и анодом в электролизной ванне
было разработано CAE-средство [2].
На рисунке 4 представлены результаты моделирования потока катионов меди и анионов
кислотного остатка для лабораторной электролизной ванны при стандартном напряжении 0,2
В с тремя катодами и двумя анодами.
Заключение
Создан алгоритм, позволяющий применять метод частиц-в-ячейках для моделирования
потока ионов между анодом и катодом при электролитическом рафинировании. Метод применен для моделирования потоков ионов металла и кислотного остатка в лабораторной установке
электролитического рафинирования меди, проведены численные и компьютерные эксперименты по компьютерному моделированию.
# 532 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К.В. Митин. Моделирование потоков ионов в процессе электролитического рафинирования
Список литературы
[1] Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Введение в электрохимическую кинетику. М.: Высшая
школа, 1983. 400 с.
[2] Любанова А.Ш., Митин К.В. // Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии 6 (2011 4). С. 642-652.
[3] Григорьев Ю.Н., Вшивков В.А., Федорук М.П. Численное моделирование методами
частиц-в-ячейках. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. 360 с.
[4] Бабенко К.И. и др. Теоретические основы и конструирование численных алгоритмов
задач математической физики. М.: Наука, 1979. 295 c.
[5] Березин Ю.А., Вшивков В.А. Метод частиц в динамике разреженной плазмы. Новосибирск: Наука, 1980. 94 с.
[6] Любанова А. Ш., Митин К.В. // Наука и технологии: Труды XXVIII Российской школы.
М.: РАН, 2008. Т. 2. С. 105-112.
[7] Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.:
Наука, 1982. 392 с.
[8] Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред. М.: Наука,
1984. 518 с.
[9] Вшивков В.А., Романов Д.В., Снытников В.Н. // Вычислительные технологии. 1999. Т. 4.
№ 3. С. 62-72.
[10] Григорьев Ю.Н. // Вычислительные технологии. 2004. Т. 9. № 5. С. 41-53.
Modelling of the Flows of Ions in the Course
of Electrolytic Refinement
Konstantin V. Mitin
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
The work is devoted to modeling of flows of the charged particles in an electrostatic field arising
in the course of electrolysis between a surface of the cathode and the anode. Such researches have
great value for increase of efficiency of metallurgical processes in particular, electrolytic refinement
of copper and other metals. Besides, modeling of electrostatic fields between surfaces of electrodes,
helps to investigate the nature of interaction of the cathode with the anode. The mixed method of
particles adapted for modeling of the migratory diffusion of a stream of ions in the course of electrolytic
refinement is given in the article. At the Eulerian stage potentials of an electrostatic field are modelled
by means of Maxwell’s equations. At the Lagrangian stage laws of movement and a trajectory of
ions in the form of the square-law splines are developed. The results of computer modeling for the
electrolytic refinement of copper are given.
Keywords: Simulation of charged particle fluxes of ions, electrolytic copper refining.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 5 (2013 6) 534-542
~~~
УДК 537.312.9
Aluminum Busbar Connection Parts
of the Cell «Flexible Cathode Descent – Cathode Bus»
Vladimir I. Kirkoa*,
Takhir T. Galemov and Alexandr M. Petrovc
a
Krasnoyarsk State Pedagogical University them. VP Astafeva,
89 Ada Lebedeva Str., Krasnoyarsk, 660049 Russia
b
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
c
ETC Co Ltd «United Company RUSAL»,
37 Pogranichnikov Str., Krasnoyarsk, 660111 Russia
b
Received 15.06.2013, received in revised form 24.06.2013, accepted 30.07.2013
In the given article we present our results of research of aluminum joint parts of «cathodic flexible
swith a cathode bus». Basing on the theoretical analysis and experimental researches, we present the
method of molding of joint assembles in the casting mould, with an overheated fusion. The suggested
method let us produce a high-quality junction without loss of electrolysers’series productivity and it
also allows decreasing the operational expenditures.
Keywords: resistivity, pressure, contact, detachable joints, aluminum cell busbar.
Introduction
In metallurgy where multiwatt electric power installations are being used there is a nagging
problem of decreasing energy losses at the electric power transmission from a source to the consuming
installation [1, 2]. The main losses take place at electric contactsin particular at the power transmission
from the aluminum cellbusbarto flexiblecathode strips (cathodic flexibles).
At present after the repair work one has to use 2 basic methods for connecting a cell to the series
power circuit of the cell shell:
1. Electric-arc welding in argon of the preliminarily formed aluminum boss and cathodic flexible
to the busbar (Fig. 1).
2. Forming a boss connecting the busbar and flexible by filling a mould preliminarily fastened to
thebusbar surface with molten aluminum followed by heating the metal up to 1000 °С with the
carbon electrode arc and agitation, whereupon the aluminum crystallizes and forms the contact
joint between the flexible and busbar.
In strong magnetic fields the presence of a potential leads to a part of the technological electrolysis
current flowing through the molten metal (the weldpool) connecting the busbars. The interaction of the
*
© Siberian Federal University. All rights reserved
Corresponding author E-mail address: director.nifti@mail.ru
# 534 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Takhir T. Galemov, Vladimir I. Kirko… Aluminum Busbar Connection Parts of the Cell «Flexible Cathode Descent…
1
2
Fig. 1. Preliminarily formed aluminum bosses (1) on cathodic flexibles (2) before connecting to the cathode busbar with electric-arc welding in argon
magnetic field with certainly directed transverse components of the external electric fieldforms a force
throwing the liquid metal out of the welding zone.
The methods above don’t give an opportunity for quality welds on an operating cellbusbar without
stopping the bath or decreasing its current loading that leads to the loss of productivity of the potlineand
finally aluminum output decrease.
One of the most efficient methods to weld aluminum details in strong magnetic fields without
electric-arc welding is that used by the firm Erico International Corporation of Solon, Ohio, USA, with
the trademark ERICO [3]. The welding method is schematically represented in Fig. 2.
In the casting mould 1 there is loaded a mixture of an adding material and aluminum 3. There is
used an exothermal reaction as follows: reducing agent + adding materials + metallic compound = heat
+ weld metal + slag + gases.
An aluminum powder is used as the reducing agent that can reduce a metal oxide (CuO) or its
sulfate with the formation of Al2O3. In the process there is released 400 kcal/mol of heat. This reaction
is highly exothermal. And when it is initiated the temperature of the adding metals is higher than their
melting points. The adding materials form a melt directed into the meltingcavity (into the mould) after
the aluminum plate 5 has beenmelted. The melt fills the meltingcavity between the busbars 2. And after
crystallization it provides a good weld of the busbars being connected.
The method above can be effectively used when welding cathodicflexiblesbut has sufficient
disadvantages. Firstly, details of graphite moulds are costly and short-lived. Secondly, a high price of
adding and igniting materials and their high consumption limit the massive usage of the technology.
Thirdly, when the exothermal reaction proceeds there is emitted a large amount of gases (Fig. 3). The
latter prevents the method to be used in an indoor working area.
Some examples of the ropes (a), plates (b) and flexibles (c) welds by means of the aluminothermic
welding by ERICO are presented in Fig. 4.
# 535 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Takhir T. Galemov, Vladimir I. Kirko… Aluminum Busbar Connection Parts of the Cell «Flexible Cathode Descent…
4
7
3
5
1
6
2
2
Fig. 2. Schematic diagram of aluminum busbars welding (ERICO): 1 – the castingmould; 2 – aluminum busbars; 3 – a mixture of an adding material and aluminum; 4 – a cover; 5 – an aluminum plate; 6 – a melting
cavity; 7 – an igniting material (igniter)
Fig. 3. Aluminum busbars welding with the method by
ERICO
As has been noted above at present in smelters of the «RUSAL» company there are widely used
two welding methods:
1. Electric-arc welding in an inert gas (argon).
2. Carbon-arc welding.
The photographs of the typical flexibles to busbar welds are presented in Fig. 5.
In both cases because of the arc instability in strong magnetic fields it isnecessaryeither to decrease
the current loading in the potline or redistribute the busbar current during the welding process. The
former and the latter have an adverse effect on the baths operation leading to their productivity
decrease.
The common feature of all these welding methods is the overheated adding material compared to
the aluminum with its melting point 658 °С.
In case of the aluminothermic welding the adding material temperature is about 1600 °С. When
using the carbon-arc welding the cathodic flexible ends are fastened to the busbar and the mould is
formed around them. The molten metal poured into the mould is heated up to 1000 °С with the carbon
electrode arc and mixed for the oxide film removal from the surface of the details being connected
followed by the molten aluminum crystallization that causes the contact joint between the flexibles and
busbar to be formed.
Using the overheated metal witnesses the fact that a partial melting of the surfaces of the flexibles
and busbar being connectedthrough the aluminum oxide layer Al2O3 is the necessary welding condition.
A good weld of two surfaces is possible only in case of the Al2O3 layer being destroyed.
# 536 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Takhir T. Galemov, Vladimir I. Kirko… Aluminum Busbar Connection Parts of the Cell «Flexible Cathode Descent…
̌
̏
̭
Fig. 4. Examples of the ropes (a), plates (b) and flexibles(c) welds with the method by ERICO
Fig. 5. Typical flexibles to busbarwelds
In paper [4] there has been shown that the equilibrium limiting wetting angle of the monocrystal
Al2O3by the liquid aluminum steadily decreases with a temperature increase. Wetting (Q = 90°) begins
taking place at a temperature higher than Тр =1050 °С. In Fig. 6 there is presented a temperature
dependence of the angle for the Al2O3monocrystal wetted with the molten aluminum.
Thereupon, the best thermal contact with the oxide film surface preventing the possibility of an
air interlayer formation will be provided at the melt temperature Тр > 1050 °С.
Moreover, as is generally known, aluminum oxide has several modifications the main ones
of which are g-phase having the cubic syngony and density 3.63.77 g/cm3 and α-phase having the
orthorhombic or hexagonal syngony and density 4 g/cm3. The phase transition of the g – to the
α-phase begins at the temperature 1200 °С and ends at Тta®g=1400 °С. Decreasing the phase transition
temperature can occur to 800 °С in presence of fluorides such as AlF3. Decreasing the specific volume
# 537 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Takhir T. Galemov, Vladimir I. Kirko… Aluminum Busbar Connection Parts of the Cell «Flexible Cathode Descent…
Fig. 6. Wetting angle vs. temperature for the Al2O3monocrystal wetted with the molten aluminum
of a part of the oxide film also contributes to its brittle rupture due to the occurrence of negative
internal stress.
Has been shown that the metal melting underneath the oxide film is the requirement for its
destruction. The latter, as follows from thermodynamic calculations, is possible at the temperature of
the poured melt Т ≥ 1100 °С.
Thus, there can be made a conclusion that the required melt temperature for the melting of the
aluminum busbar’s and flexible’s surfaces depends on the thermalphysic conditions in the molten pool
(in the mould).
When pouring the melt onto a boss some strongly turbulent flow conditions take place in the
molten pool with the Reynolds number Re=106 and magnetic Reynolds number Rem > 10. Rem >> 1 in
the molten pool is the evidence of astrong influence of the magnetic field induced by the current in the
busbarand prevailing influence of the magnetic viscosity in the formation of the hydrodynamic flow. In
this case the boundary layer thickness δn between the melt and oxide film equals [3]:
Gɩ
1 Kɪ
,
ȼ Vɪ
(1)
where B – the magnetic field induction, η р – the dynamic viscosity of the melt, σр –the conductivity of
the melt.
For В = 10 -3 T (100 G); η р = 0,574·10 -3 Pa s and σ р = 0,3·108 1/Ohm m
δп= 4·10 -3м ≈ 4mm
For comparison, without the magnetic field the boundary layer thickness [5] G ɩ
L
# 0,1mm
Re
The tangential stress τon the wall washed with the turbulent melt flow will be:
IJ
U ɪ vh' L
dU p
dy
,
(2)
# 538 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Takhir T. Galemov, Vladimir I. Kirko… Aluminum Busbar Connection Parts of the Cell «Flexible Cathode Descent…
whereρp – the melt density, v′ – the stirring rate of the melt, L – characteristic mould dimension,
dU p
dy
– velocity gradient in the turbulent flow, y – the distance from the wall.
For moulds vp′ ≈ Uр, and y ≈δn.
In this case for Up = 3 m/s, δn = 4·10 -3m, ρр = 2370 kg/m3 and L = 0.1 m one obtains
τ = 0.5·106 N/m2 = 0.5·102 N/cm2 (5 kg/cm2), that is, the tangential stress value is insufficient for the
oxide film removal from the solid aluminum surface, but is sufficient enough for the loss of its stability
and involvement into the hydrodynamic flow at the surfaces of the welded busbardetails having been
melted.
In this case the film is involved into the turbulent flow of the melt, and at welding the busbar and
flexiblesthere is no need for the fluxing agents being used.
The thermal flow q p onto the mould wall, when the turbulent melt flow influences it, equals [6]:
qp
StU pU p H p ,
(3)
where St – the Stenton number, Нр = СрТр – the melt enthalpy. The Stenton number depends on the
melt flow conditions on the wall. In case of the laminar flow when the wall roughness (а) is lower than
boundary layer thickness δn:
St L
1
(0,0032 0,221 Re 0, 237 ) .
8
(4)
At turbulent flow
St T
1
.
L
2
8(2 lg 1,74)
a
(5)
As has been shown above the boundary layer thickness is determined by the magnetic viscosity of
the melt and approximately equals 4mm, that is, the value is many times higher than the busbar surface
roughness ifthe roughness is not made intentionally.
When the Reynolds number Re is 106, St L is 1.45·10 -3 and the melt temperature Тр equals 1200 °С,
the heat convective flux onto a smooth busbar surface is qр = 7.6·106 W/m2.
It is possible to increase the thermal flow value by means of the artificial formation of turbulent
conditions. The latter implicates the intentional formation of the surface roughness having a size not
less than the boundary layer thickness, that is, а ³ 4 mm.
For this purpose it is necessary to make crosscut grooves of more than 4 mm in width and depth
on the busbar surface and place the flexibles in the mould in the form of steps with a lap (the step
length h) of 4 mm, too.
In Fig. 7 there is presented a schematic diagram of the experimental connections of cathodic
flexiblesto the cathode busbar by means of filling the details being connected in the mould with the
overheated melt.
The aluminum was melted in the induction furnace and heated up to the temperature 1200 °С. The
melt temperature was controlled with the pyrometer. Filling was made with the ladle 5 placed over the
# 539 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Takhir T. Galemov, Vladimir I. Kirko… Aluminum Busbar Connection Parts of the Cell «Flexible Cathode Descent…
Fig. 7. A schematic diagram of the experimental connections of flexibles to the cathode busbar by means of filling
with the overheated melt: 1 – the busbar, 2 – flexibles, 3 – the mould, 4 – milled grooves, 5 – a ladle with the liquid
aluminum, 6 – a rectangular opening, 7 – a steel clip
mould at 2530 cm in such a way that the melt should first wash the stepped part of the sheets 2 and then
fill the ribbed surface of the busbar 1. The number of the aluminum sheets was 11.
To control the quality of the electric connection there were carried out some measurements
of the electrical contact resistance by the 4-probe method. DC and AC sources were used in the
measurements.
In Tables 1 and 2 there are presented the measurement results at DC and AC.
As can be seen from table 1, at AC the transient resistance R of 11 sheets to the cathode busbar
connection is 5.53 ± 0.08 μOhm that equals 60.83 μOhm per sheet. When filling 60 sheets (the
standard number of sheets for the cells C8BM) the transient resistance is 1.01 μOhm. From table
2 it follows that the transient resistance of 11 sheets at DC is 2.14 μOhm. And being recalculated
for the 60 sheets it is 0.4 μOhm (the standard value of the transient resistance for the cell C8BM is
2.5 μOhm).
The work results have been patented [7].
Conclusions
It has been shown that the suggested technology of the cathodicflexible to the cathode busbar
connection by means of filling the parts being connected in the mould with the overheated melt
provides a quality connection without decreasing the potline current. The usage of the technology
gives an opportunity to:
# 540 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Takhir T. Galemov, Vladimir I. Kirko… Aluminum Busbar Connection Parts of the Cell «Flexible Cathode Descent…
Table 1. Alternating current (AC) results
№
I (A)
U (V)
R (μOhm)
1
240
132·10 -5
5,5
2
300
168·10 -5
5,6
3
480
265·10
5,5
I (A)
U (V)
-5
The average value R = 5.53 ± 0.08 μOhm
Table 2. Direct current (DC) results
№
R (μOhm)
1
712
0,576
2,16
2
687
0,5506
2,15
3
678
0,5426
2,12
Theaveragevalue R = 2.14μOhm
1)
2)
3)
4)
increase the potline productivity (increasing the metal extraction by current);
decrease the electric energy loss in the flexible to busbar contact;
lower the operating costs associated with mounting and dismounting shunts;
eliminate the use of electric-arc welding.
References
[1] Галемов Т.Т., Кирко В.И., Петров А.М. и др. Патент РФ № 2343230; 15.03.2007.
[2] Kirko V.I., Galemov T.T.; Petrov A.M., Vassilyev Yu.V. // Journal of Siberian Federal University.
Engineering & Technologies 1 (2008 1).
[3] Gaman N., Nuvelaar N. G. V. Patent USA № 6.316.125В1; 13.11. 2001.
[4] Меткaлф A. Поверхности раздела металлических композитов. M.: Мир, 1978.
[5] Кирко И.М., Кирко Г.И. Магнитная гидродинамика несжимаемых сред. Пермь: Изд-во
Пермского ун-та, 1980.
[6] Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. M.: Наука, 1973
[7] Манн В.H., Чичук Е.Н., Петров А.М., Галемов Т.Т. Патент РФ № 2291916; 22.07.2005.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Takhir T. Galemov, Vladimir I. Kirko… Aluminum Busbar Connection Parts of the Cell «Flexible Cathode Descent…
Соединение алюминиевых деталей
ошиновки электролизера
«гибкий катодный спуск – катодная шина»
В.И. Киркоа,
Т.Т. Галемов , А.М. Петровв
а
Красноярский государственный педагогический университет
им. В.П. Астафьева,
Россия 660049, Красноярск, ул. Ады Лебедевой, 89
б
Сибирский федеральный университет,
Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
в
ETC ООО «Объединенная компания»,
Россия 660111, Красноярск, ул. Пограничников, 37
б
В металлургии, где используются мощные энергетические установки, остро стоит проблема
уменьшения потерь при передаче электроэнергии от источника к потребляемому агрегату.
Основные потери происходят на контактных соединениях, в частности при передаче
электроэнергии от ошиновки алюминиевого электролизера к катодным спускам. В настоящей
статье теоретически обосновывается и экспериментально подтверждается возможность
соединения ошиновки алюминиевого электролизера к катодным спускам методом заливки
бобышки перегретым расплавом алюминия.
Ключевые слова: контактное соединение, электролизер, ошиновка, катодный спуск.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 5 (2013 6) 543-554
~~~
УДК 629.4.014.22: 621.791.92
Восстановление в депо профиля бандажей
промышленных электровозов
с помощью наплавки без выкатки
колесных пар
А.П. Буйносов*
Уральский государственный университет
путей сообщения
Россия 620034, Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66
Received 03.06.2012, received in revised form 10.09.2012, accepted 17.06.2013
Приведены результаты выполненных исследований по выбору технологии восстановления
конфигурации профиля изношенных бандажей промышленных электровозов с помощью
наплавки без выкатки колесных пар. Представлена разработанная установка для наплавки
гребней, показана эффективность наплавки гребней бандажей проволокой 30ХГСА под флюсом
АНК-18. Наплавка изношенных гребней в 3,5 раза снижает темпы обточки для восстановления
конфигурации поверхности катания изношенных бандажей электровозов и увеличивает срок
службы колесных пар на 33 %.
Ключевые слова: электровоз, колесная пара, бандаж, гребень, профиль, наплавка.
Введение
Наиболее эффективным методом повышения долговечности бандажей, у которых износ
гребня значительно опережает рост проката, является наплавка изношенных гребней колесных
пар электровозов. Такой метод по сравнению с восстановлением обточкой и формированием
конфигурации профиля за счет уменьшения толщины бандажа имеет бесспорные преимущества: наплавка гребня в сочетании с формой охватывающего профиля сводит к минимуму технологический износ бандажа до списания, преимущественно определяется его естественным
износом; ликвидируется простой локомотивов, вызванный необходимостью промежуточных
обточек (для электровоза 8–12 ч); снижаются расходы на содержание станков для обточки без
выкатки и приобретение режущего твердосплавного инструмента; достигается экономия заработной платы [1, 2].
Сегодня трудно представить хотя бы одну отрасль промышленности или вид транспорта, в которых не используются сварочные технологии. На предприятиях железнодорожного
транспорта необщего пользования применяются более сорока способов сварки, наплавки и напыления. Велика роль сварочных технологий в решении научных и практических задач ресур*
© Siberian Federal University. All rights reserved
Corresponding author E-mail address: byinosov@mail.ru
# 543 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
А.П. Буйносов. Восстановление в депо профиля бандажей промышленных электровозов с помощью наплавки…
сосбережения бандажей колесных пар, снижения эксплуатационных расходов и повышения
безопасности движения поездов [3].
Лунинские методы в 40-х гг. прошлого века в локомотивном депо Чусовская Свердловской
железной дороги породили и новые заботы. Из-за увеличения пробега в депо значительно возрос прокат бандажей и проявился подрез гребней бандажей колесных пар паровозов и электровозов ВЛ22. По этой причине за воротами депо скопилось большое количество локомотивов,
требовавших обточки бандажей, а следовательно, и выкатки колесных пар. Решение было найдено инженерно-техническими работниками депо Чусовская, которые изготовили установку
для обточки бандажей без выкатки колес из-под локомотива и впервые применили наплавку
изношенных гребней бандажей электровозов ВЛ22. Перевозки не были сорваны [4]. Ввиду того
что электровозы ВЛ22 использовались на горных участках Чусовская – Кизел и Чусовская – Гороблагодатская, приходилось регулярно наплавлять гребни первой и шестой колесных пар.
В 50–60-е гг. прошлого века из-за резкого увеличения износа гребней колес была разработана и быстро нашла широкое внедрение технология их восстановления двухдуговой наплавкой под флюсом с использованием при этом автоматов ДАН-3 и А-482. Однако из-за ряда
крупных аварий, произошедших за короткий период времени по причине разрушения наплавленных колес, их восстановление наплавкой было запрещено по всей сети железных дорог [5].
В настоящее время большое внимание на железнодорожном транспорте общего и необщего пользования уделяется разработке и реализации технологий восстановления поврежденных
поверхностей наплавкой и напылением. Некоторые организации, в том числе и отделение сварки ВНИИЖТ, выполняют исследования по разработке технологий и оборудования для двухдуговой наплавки гребней бандажей колесных пар в составе тележки с выкаткой колесных пар
из-под локомотива. С 1992 г. на сети дорог введено в эксплуатацию 10 участков по восстановлению гребней бандажей, на которых наплавлено более 1600 локомотивных колесных пар [6, 7].
При этом для наплавки гребней применяется сварочная проволока марки Св-08ХГ2СМФ
по ТУ 130-284-97 диаметром 3 мм и флюсы марок АН-348, АН-348АМ и АНЦ-1.
Комплект оборудования участка для наплавки гребней включает вращатель колесной пары
с пультами управления; два манипулятора с механизмами подачи сварочной проволоки; два
сварочных выпрямителя; флюсоудерживающие и флюсоуборочные приспособления и устройства; установку индукционного нагрева двух ободьев колес перед наплавкой; два комплекта
термостатов для замедленного остывания колес после наплавки и установку для очистки и намотки сварочной проволоки. Внешний вид установки показан на рис. 1.
Наплавка гребней бандажей без выкатки колесных пар из-под электровоза производилась
еще более 50 лет назад. Инструкция по освидетельствованию, ремонту и формированию колесных пар локомотивов и электросекций 1954 г. позволяет наплавлять следующие элементы
бандажей: изношенные гребни, выбоины (ползуны), местный прокат. После выполнения наплавочных работ колесных пар паровозов без выкатки их из-под локомотива следовала обработка с помощью специального устройства с точильными кругами для придания концентричности [8].
В современных условиях в соответствии с действующей инструкцией по сварочным и наплавочным работам ЦТ-336 от 11.08.1995 г. [9] при ремонте тепловозов, электровозов, электропоездов и дизель-поездов разрешается наплавлять при текущем ремонте гребни бандажей
# 544 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
А.П. Буйносов. Восстановление в депо профиля бандажей промышленных электровозов с помощью наплавки…
Рис. 1. Установка для автоматической наплавки под слоем флюса гребней бандажей после выкатки
колесной пары из-под электровоза
и цельнокатаных колес, кроме гребней колесных пар пассажирских локомотивов и моторвагонного подвижного состава. Работы разрешается производить в депо, перечень которых
на дороге устанавливает начальник региональной дирекции по ремонту тягового подвижного
состава. Согласно п. 2.10.8.8 инструкции [9] наплавку гребней бандажей необходимо производить автоматической наплавкой с использованием специальных двухдуговых автоматов типа
А-1829 (модернизированный автомат типа А-482) с выкаткой колесных пар из-под локомотива
и последующей обработкой наплавленного металла на обточном станке.
К сожалению, в инструкции по ремонту и содержанию колесных пар тягового подвижного
состава железных дорог колеи 1520 мм (ЦТ-329 1995 г.) и в последующих дополнениях отсутствуют такие рекомендации. Также в инструкции [10] неоправданно говорится о проведении
наплавки колесных пар с выкаткой из-под электровоза.
Наплавка гребней бандажей промышленных электровозов требует специальной технологии, обеспечивающей наряду с износостойкостью гарантию отсутствия сварочных дефектов под воздействием неизбежных на железнодорожном транспорте общего пользования технологических отклонений. Кроме того, выполнение требований такого рода осложнено тем,
что бандажная сталь относится к трудносвариваемым из-за высокого содержания углерода и
склонности при сварке к образованию горячих и холодных трещин [11].
В настоящее время для восстановления гребней бандажей электровозов на предприятиях
ОАО РЖД применяют двухдуговую наплавку под слоем флюса с предварительным нагревом
бандажа до 250 °С и последующим охлаждением в течение 6 ч. После наплавки и охлаждения
производят механическую обработку и ультразвуковой контроль бандажа колесной пары. При
этом время нахождения одной колесной пары после выкатки из-под электровоза в процессе наплавки составляет не менее 8 ч [12].
Из-за перечисленных выше недостатков разработанная ВНИИЖТом установка и сама технология не нашли применения на железнодорожном транспорте необщего пользования [13].
Возникла задача разработать установку и менее энергоемкую технологию, не требующую
предварительного подогрева бандажей колесных пар, с возможностью использования на про# 545 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
А.П. Буйносов. Восстановление в депо профиля бандажей промышленных электровозов с помощью наплавки…
17
16
14
12
11
ȼɨɡɞɭɯ
Ɋ = 6-8 ɚɬ ɦ
2
5
10
7
6
17
13 13
100- 600 Ⱥ
9
9
3
16
100- 600 Ⱥ
10
7
6
8
5
14
11
4
4
ɏ
3
1 0
Y
15
15
ɏ
Ɉ
Y
3
2
1
Рис. 2. Схема установки для наплавки гребней бандажей без выкатки колесных пар из-под электровоза
ПЭ2М: 1 – перемещение тележки установки относительно оси 0Х; 2 – перемещение установки по
платформе относительно оси 0Y; 3 – редуктор червячный спаренный; 4 – электродвигатель вращения
колесной пары; 5 – манометр контроля давления масла; 6 – регулятор давления масла; 7 – золотники
управления домкратами; 8 – муфта привода колесных пар; 9 – пульт управления электродвигателя
вращения колесных пар и насоса; 10 – маслобак; 11 – распределительный электрощит; 12 – редуктор
регулирования давления сжатого воздуха; 13 – ванночка горения проволоки под флюсом; 14 – бункер
для флюса; 15 – гидравлический домкрат; 16 – барабан с бухтой проволоки; 17 – механизм подачи
электродной проволоки
Рис. 3. Вид установки для наплавки гребней бандажей без выкатки колесных пар из-под электровоза
мышленном железнодорожном транспорте [13]. Такая установка для одновременной наплавки
двух гребней бандажей без выкатки колесной пары из-под электровоза ПЭ2М была разработана
в железнодорожном цехе ОАО «Ураласбест», схема установки с обозначением всех деталей показана на рис. 2, а внешний вид установки – на рис. 3.
# 546 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
А.П. Буйносов. Восстановление в депо профиля бандажей промышленных электровозов с помощью наплавки…
Перед началом работы заправляются флюсом бункеры 14 установки и производится ввод
электровоза в депо, закрепляя его тормозными башмаками.
Перекатывая тележки 1 установки относительно оси 0Х, добиваются их установки 2 напротив наплавляемой колесной пары таким образом, чтобы ось колесной пары совпала с осью
муфты привода колесных пар 8. С буксы колесной пары снимается крышка. С помощью пульта
управления и гидравлических домкратов 15, установленных под буксой, вывешивают наплавляемую колесную пару.
Перемещая тележку станка относительно оси 0Y, соединяют муфту вращения электродвигателя 4 со стопорной гайкой буксового подшипника.
Смонтированные на передвижных рамах электродвигатели вращения колесной пары 4 и
приводы масляных насосов обеспечивают подъем от рельса на высоту 10–20 мм наплавляемой
колесной пары и ее плавное вращение с заданной для сварочных полуавтоматов скоростью. В
качестве электрода можно использовать сварочную проволоку диаметром от 1 до 6 мм. Подачу
проволоки (100–300 м/ч) можно регулировать с помощью специального устройства 17. Флюс к
месту наплавки подается по шлангу сжатым воздухом давлением 0,5–1,0 атм., которое регулируется редуктором 12, установленным перед входом в маслобак 10.
После изготовления установки в железнодорожном цехе ОАО «Ураласбест» для наплавки
бандажей были проверены различные способов наплавки с разным сварочным током, скорости
подачи проволоки, скорости наплавки при использовании различных марок проволоки и флюса.
На первом этапе использовалась сварочная проволока и флюс согласно инструкции [9], то
есть проволока типа Св-08 и флюс АН-348.
Наплавочные работы на бандажах проводили в помещении с температурой не ниже 5 °С
без сквозняков и резких температурных перепадов согласно технологической инструкции И32ВНИИЖТ-0501/2-90.
Однако после наплавки гребней бандажей всех колесных пар электровоза ПЭ2М № 19, выполненных наблюдений в эксплуатации и металлографических исследований с помощью оптического микроскопа были обнаружены усталостные трещины (рис. 4), а один гребень имел
откол (рис. 5).
Кроме того, на одном бандаже обнаружено включение шлака в наплавленную поверхностей гребня, что явилось следствием наличия грязевой пленки на гребне, малого сварочного
тока и большой скорости наплавки [13].
Использование рекомендуемой [9] марки проволоки послужило толчком к созданию неметаллических включений на рабочей поверхности гребня, которые, будучи концентраторами
напряжений, привели к развитию усталостных трещин (рис. 4).
Были выявлены основные недостатки наплавки, которые заключались в интенсивном выделении тепла и приводили к росту зерен основного металла и в дальнейшем к его разупрочнению. Также происходило выгорание легирующих элементов, особенно легколетучих (углерода, бора), невозможность обеспечения стабильных характеристик наплавленного металла как
по фрикционным свойствам, так и по однородности структуры и качества (шлаковые и газовые
включения) при наплавке в один проход и резком охлаждении.
Электрическая дуга горит под слоем гранулированного флюса в газовом пузыре, избыточное давление в котором надежно предохраняет металл от отрицательных воздействий воздуха
# 547 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
А.П. Буйносов. Восстановление в депо профиля бандажей промышленных электровозов с помощью наплавки…
Рис. 4. Усталостные трещины
поверхности гребня бандажа
на
рабочей
Рис. 5. Откол гребня бандажа колесной пары
электровоза ПЭ2М № 19
(давление в газовом пузыре чуть выше атмосферного, за счет этого образуется свод расплавленного флюса и воздух не попадает к сварочной ванне). Кроме того, флюсовая оболочка не
дает разбрызгиваться металлу электрода и позволяет лучше использовать тепло.
По способу приготовления флюсы делятся на плавленые и неплавленые или керамические. Плавленые флюсы получают сплавлением силикатов в печах и размельчением, они имеют стеклообразный вид. Эти флюсы сами не участвуют в формировании химического состава
расплавленного металла, а только предохраняют его от воздуха. Неплавленые флюсы (АНК-18,
АНК-40 и др.) – это (аналогично обмазке электрода) механическая смесь легирующих, газо- и
шлакообразующих, связывающих и раскисляющих компонентов. Было установлено, что эти
флюсы дают высокое качество наплавки.
После двухлетних экспериментов в железнодорожном цехе ОАО «Ураласбест» наплавки
бандажей без выкатки колесных пар из-под электровоза ПЭ2М была выбрана проволока 30ХГСА
и флюс АНК-18.
Исследование напряжений второго рода позволило сделать следующие выводы: при наплавке гребней колесных пар проволокой 30ХГСА изменение относительных микродеформаций носит плавный характер, присущий как зоне наплавки, так и другим характерным зонам
металла бандажа, а при наплавке проволоками СВ-08, СВ-10 и другими в зоне сплавления наблюдается высокий градиент изменения относительных микродеформаций, что говорит о наличии дефектов кристаллической структуры металла бандажа [14]. Следовательно, наиболее
благоприятными свойствами с точки зрения сопротивления развитию трещин обладает наплавленное покрытие из проволоки 30ХГСА.
Применение керамического легирующего флюса АНК-18 в сочетании с проволокой
30ХГСА (ГОСТ 10543-98) явилось практически приемлемым и экономически оправданным для
восстановления конфигурации рабочей поверхности гребня бандажей колесных пар электровозов ПЭ2М.
Наплавку гребней бандажей необходимо производить по подслою, наплавленному под
керамическим легирующим флюсом АНК-18. В этом случае обеспечивается благоприятное
# 548 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
А.П. Буйносов. Восстановление в депо профиля бандажей промышленных электровозов с помощью наплавки…
Рис. 6. Макроструктура наплавленного гребня
Рис. 7. Микроструктура металла, наплавленного
проволокой 30ХГСА
изменение микротвердости на границе сплавления основной металл бандажа – первый слой
наплавки [15].
Выбор рационального способа и технологических приемов наплавки гребней определялся
необходимостью получения бандажа с требуемыми размерами и наплавленного слоя с требуемыми свойствами [16].
На рисунках 6 и 7 приведены фотоснимки макро- и микроструктуры наплавленного гребня при использовании проволоки 30ХГСА и флюса АНК-18.
Во всех случаях после наплавки гребней бандажей выявлена мартенситная структура в
зоне термического влияния.
Режим наплавки под флюсом АНК-18 в зависимости от диаметра проволоки 30ХГСА, при
котором достигается необходимая твердость, приведен в табл. 1. В табл. 2 дан химический состав, структура и твердость наплавленной рабочей части гребня бандажа колесной пары электровоза ПЭ2М представлены в табл. 2.
При разработанной технологии наплавки обеспечивается максимальная производительность и экономичность процесса. Средняя толщина наплавленного слоя составляет 5,5 мм,
включая припуск на последующую черновую механическую обработку инструментом из мелкозернистых твердых сплавов ВК3М и ВК6М. Обязательным условием для черновой обработки
является применение резцов с отрицательными передними углами, обеспечивающими повышенную прочность рабочей части резца, или шлифовальным кругом ЭБ25СМ2К5. Для чистовой обработки наплавленных гребней бандажей в ОАО «Ураласбест» рекомендовано использовать инструмент из эльбора-Р и гексанита-Р или инструмент из материалов безвольфрамовых,
в том числе из сверхтвердых материалов на основе синтетических алмазов и композитов на
основе нитрида бора.
При механической обработке наплавки в процессе резания происходит наклеп и самоупрочнение металла [17]. Поэтому обработка должна производиться за один проход. Подрезы
шва, впадины между соседними валиками, кратеры и другие дефекты исправляются расчис# 549 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
А.П. Буйносов. Восстановление в депо профиля бандажей промышленных электровозов с помощью наплавки…
Таблица 1. Режим наплавки под флюсом АНК-18 в зависимости от диаметра проволоки, при котором
достигается необходимая твердость
Диаметр проволоки 30ХГСА, мм
Режим
2
Ток, А
Напряжение дуги, В
3
200
300
400
300
450
550
22–28
28–34
35–42
24–30
32–38
37–43
Таблица 2. Химический состав, структура и твердость металла, наплавленного гребня
Материалы
для наплавки
Проволока 30ХГСА,
флюс АНК-18
Содержание в наплавленном металле, %
С
Si
Mn
Cr
Ni
0,25–0,35
0,8–1,2
1,4–1,7
0,7
0,3
Структура
металла
Твердость,
НВ
Перлит +
избыточный феррит
220–300
ткой и подваркой проволокой 30ХГСА. После механической обработки наплавленный металл
на гребне бандаже при необходимости можно подвергнуть наклепу пневматическим молотком
или на дробеструйной установке.
При появлении во время наплавки дефектов, расположенных на значительной длине, гребень необходимо обточить на станке до их полного удаления и бандаж вновь наплавить. Наплавку гребней бандажей колесных пар, выполненную непосредственно под электровозом, регистрируют в специальной книге с указанием фамилии сварщика, выполнившего наплавку.
После механической обработки наплавленного гребня в железнодорожном цехе ОАО
«Ураласбест» бандаж тщательно осматривают и проверяют магнитным и ультразвуковым дефектоскопами. Выбоины (ползуны) на поверхности катания бандажа устраняют обточкой или
электронаплавкой с последующей механической обработкой.
После внедрения разработанной технологии, не требующей предварительного подогрева бандажей колесных пар и эксплуатационных испытаний, была установлена независимость
качества наплавки от числа наплавленных слоев и отсутствие трещин как в основном, так и в
наплавленном металле, а также наличие в наплавленном металле сравнительно небольшого
количества мелких пор.
Потенциал наплавки гребней бандажей электровозов далеко не исчерпан. В железнодорожных цехах на любом промышленном предприятии его можно развивать и искать другие
оптимальные пути. При правильном выборе практически сразу обеспечивается отдача, а именно сокращения:
– расходов на приобретение новых бандажей в результате увеличения количества восстанавливаемых;
– простоя и повышение производительности электровоза в результате увеличения срока
службы бандажей колесных пар;
– затрат на ремонт в результате увеличения межремонтного периода работы электровозов.
# 550 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
А.П. Буйносов. Восстановление в депо профиля бандажей промышленных электровозов с помощью наплавки…
Учитывая, что металл гребня бандажа в процессе взаимодействия колеса с рельсом наклепывается, следует ожидать увеличения твердости поверхностных слоев и, соответственно,
повышения износостойкости наплавленных гребней [18]. Это подтверждается предварительными результатами сравнительных ходовых испытаний колесных пар электровозов ПЭ2М, наплавленных проволокой 30ХГСА. После пробега более 1,5 месяца наработки износ наплавленного гребня оказался меньше, чем у обычного.
Результаты эксплуатационных испытаний бандажей колесных пар электровозов ПЭ2М с
гребнями, наплавленными проволокой 30ХГСА, показывают, что этот метод восстановления
полностью отвечает требованиям, предъявляемым к технологическому процессу восстановления гребней для наиболее тяжелых условий работы экипажной части. Метод может быть с
успехом применен для всех локомотивов промышленного железнодорожного транспорта, работающих на участках со сложным планом пути [19].
В настоящее время на текущих ремонтах в объеме ТР-1 и ТР-2 введен ультразвуковой контроль бандажей без выкатки колесных пар новыми моделями дефектоскопов, что исключает
возможность выхода из строя колесных пар по причине внутренних дефектов материла бандажа [20]. Ввиду этого следует ввести наплавку гребней бандажей колесных пар без выкатки
из-под электровоза, практически решающую проблему увеличения ресурса бандажей до пробегов, планируемых Министерством транспорта Российской Федерации. В качестве одного из
подтверждений возможности использования наплавки в эксплуатации можно привести пример
наплавки головок рельсов. Эта процедура производится без их демонтажа в условиях эксплуатации, кроме того, содержания углерода и других элементов в химическом составе рельсов и
бандажей колесных пар имеют идентичный порядок.
Наплавка изношенных гребней в 3,5 раза снижает темпы обточки для восстановления конфигурации поверхности катания бандажей электровозов и увеличивает срок службы колесных
пар на 50–60 %. Годовой экономический эффект составляет свыше 250 тыс. руб. В течение
одного года можно окупить затраты на монтаж и эксплуатацию разработанной установки и
получить эффект за счет снижения затрат, связанных со сменой бандажей колесных пар, и добиться сокращения простоя электровоза в ремонте. На сегодняшний день «Ураласбест» пока
единственное промышленное предприятие, которое наплавляет гребни бандажей электровозов без выкатки колесных пар.
Последующие исследования показали, что присутствие хрома в проволоке 30ХГСА нежелательно, так как усложняется механическая обработка и снижается износоустойчивость наплавленного слоя. Поэтому перспективна разработка порошковой проволоки специально для
восстановления гребней бандажей, которая содержала бы в своем составе 12–14 % марганца
с недефицитной микролегирующей добавкой, улучшающей свойства наплавленного металла,
например ванадием.
Наиболее доступной для промышленного применения является специальная порошковая
проволока ПП-АН105 или ППЖН-35.
Проволока ПП-АН105 находит ограниченное применение из-за недостаточной ее известности, хотя применение ее наиболее рационально для указанной цели. Проволока ППЖН-35,
широко применяемая для восстановления валков прокатных станов, содержит негативно влияющий на процесс обработки хром, поэтому в перспективе следует работать над созданием
# 551 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
А.П. Буйносов. Восстановление в депо профиля бандажей промышленных электровозов с помощью наплавки…
порошковой высокомарганцовистой проволоки специально для восстановления изношенных
гребней бандажей колесных пар не только локомотивов, но также гребней и поверхности катаний цельнокатаных колес подвижного состава промышленного транспорта.
Технология наплавки порошковыми марганцовистыми проволоками имеет свои особенности. Проволока ПП-АН105 самозащитная, а проволоку ППЖН-35 наплавляют под слоем маломарганцовистого флюса. Чтобы избежать охрупчивания наплавленного слоя и околошовной
зоны при повторных наплавках на ранее наплавленную марганцовистую сталь, процесс следует вести с наименьшим тепловложением: малая сила тока, низкое напряжение дуги, узкие
валики, повышенная скорость наплавки. Из-за необходимости интенсивного теплоотвода наплавку ведут без предварительного подогрева бандажа. Однако при этом бандаж должен иметь
начальную температуру не ниже 18–20 °С.
Если скорость охлаждения окажется недостаточной, в процессе наплавки можно применять искусственное охлаждение струей сжатого воздуха. Воздух направляется из специального мундштука на корку шлака, которая уже не находится в жидком состоянии. Из этих соображений предпочтительней наплавка открытой дугой самозащитной проволокой, так как при
этом обеспечивается более интенсивное охлаждение валиков, чем при наплавке под флюсом.
Наплавка порошковой проволокой производится одной дугой на типовом сварочном оборудовании (автомат АБСК, сварочный трактор ТС-17М).
Представляется перспективным метод наплавки изношенных гребней бандажей колесных
пар электровозов ленточным электродом. Кроме высокой производительности, этот метод обладает следующими преимуществами: достигается малая глубина проплавления основного
металла бандажа, чем уменьшается доля основного металла в наплавленном слое; изменяя дозировку компонентов, можно получить наплавленный металл заданного состава; необходимая
конфигурация наплавленного слоя достигается выбранной шириной и поперечными колебаниями электрода при наплавке. Это позволяет наплавить гребень бандажа колесной пары даже
со сложной формой выработки.
Значительный интерес представляет применение металлокерамической ленты. Ее изготавляют холодной прокаткой порошков с последующим спеканием в печи (толщина 0,8–1,2 мм,
ширина 25–100 мм). Преимуществами металлокерамической ленты являются повышенная
производительность наплавки (на 25–30 % больше, чем холоднокатаной ленты); наплавленный
металл более однороден. Опыт применения лент для наплавки гребней незначителен.
Опыт [20] применения лент для наплавки плоских деталей механической части подвижного состава показывает, что при надлежащем управлении процессом поверхность наплавки
имеет шероховатость в пределах 0,35–0,55 мм и может не подвергаться механической обработке. На перспективу следует считать необходимой разработку ленты, легированной марганцем.
Таким образом, процесс восстановления конфигурации изношенного гребня без наплавки
является экономически невыгодным, так как для увеличения толщины гребня приходится снимать с поверхности катания значительный слой металла. При наплавке гребней бандажей получаем значительную экономию времени и средств ввиду отсутствия необходимости отправки
колесных пар на завод или в колесный цех для ремонта со сменой элементов. При организации
процесса наплавки гребней без выкатки колесных пар из-под электровоза затраты времени на
производство ремонта существенно снижаются.
# 552 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
А.П. Буйносов. Восстановление в депо профиля бандажей промышленных электровозов с помощью наплавки…
Список литературы
[1] Буйносов А.П. // Вестник транспорта Поволжья. 2010. № 4(24). С. 21-25.
[2] Буйносов А.П., Пышный И.М. // Научно-технический вестник Поволжья. 2012. № 2.
С. 122-126.
[3] Буйносов А.П., Пышный И.М. // Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и
технологии. 2011 № 3(103). С. 152-156.
[4] Железнодорожники в Великой Отечественной войне 1941–1945 / ред. Н.С. Конарев. М.:
Транспорт, 1987. 344 с.
[5] Ларин Т.В. Износ и пути продления срока службы бандажей железнодорожных колес.
М.: Трансжелдориздат, 1958. 169 с.
[6] Буйносов А.П. Основные причины интенсивного износа бандажей колесных пар подвижного состава и методы их устранения. Екатеринбург: УрГУПС, 2009. 224 с.
[7] Буйносов А.П., Худояров Д.Л. // Транспорт Урала. 2010. № 1 (24). С. 63-68.
[8] Буйносов А.П. // Транспорт: наука, техника, управление. 2010. № 12. C. 40-42.
[9] Инструкция по сварочным и наплавочным работам при ремонте тепловозов, электровозов, электропоездов и дизель-поездов: ЦТ-336. М.: Транспорт, 1995. 236 с.
[10] Инструкция по формированию, ремонту и содержанию колесных пар тягового подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм: ЦТ-329. М.: Транспорт, 1995. 121 с.
[11] Буйносов А.П., Пышный И.М. // Тяжелое машиностроение. 2011. № 4. С. 511.
[12] Балдин В.Л., Буйносов А.П., Тихонов В.А. // Вестник транспорта Поволжья. 2011. № 5(29).
С. 57-60.
[13] Буйносов А.П. Автореф. дис. … д-ра техн. наук. Екатеринбург, 2011. 44 с.
[14] Буйносов А.П. // Тяжелое машиностроение. 2000. № 11. С. 16-20.
[15] Буйносов А.П., Михайлова Н.А., Михайлова О.М. // Путь и путевое хозяйство. 2010.
№ 10. С. 13-15.
[16] Буйносов А.П. Методы повышения ресурса бандажей колесных пар локомотивов: монография. Саарбрюккен, Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011. 284 с.
[17] Буйносов А.П. Методы повышения ресурса колесных пар тягового подвижного состава:
монография. М.: УМЦ образования на ж.д. тр-те, 2010. 224 с.
[18] Буйносов А.П. // Путь и путевое хозяйство. 2010. № 9. С. 23-26.
[19] Буйносов А.П., Тихонов В.А. // Научное обозрение. 2011. № 5. С. 266-274.
[20] Буйносов А.П., Стаценко К.А., Тихонов В.А. // Вестник УрГУПС. 2011. № 4(12).
С. 23-30.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
А.П. Буйносов. Восстановление в депо профиля бандажей промышленных электровозов с помощью наплавки…
Restoration in Depot of a Cross-Section of Bandages
of Industrial Electric Locomotives by Means
of a Naplavka Without a Vykatka of Wheelpairs
Alexander P. Buinosov
Urals State University of Railway Transport (USURT),
66 Kolmogorov Str., Yekaterinburg, 620034 Russia
Results of the executed researches on a choice of technology of restoration of a configuration of a
profile of worn-out bandages of industrial electric locomotives are given in article by means of a
naplavka without a vykatka of wheel pairs. The developed installation for a naplavka of crests is
given, efficiency of a naplavka of crests of bandages by a wire of 30HGSA under gumboil ANK-18
is shown. Naplavka of worn-out crests in 3,5 times reduces rates of turning for restoration of a
configuration of a surface of driving of worn-out bandages of electric locomotives and increases
service life of wheel pairs by 33 %.
Keywords: the electric locomotive, wheel pair, bandage, profile, naplavka.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 5 (2013 6) 555-561
~~~
УДК [621.78.01:669.14.018.291.3-426]:620.18
Зависимость релаксационной стойкости
высокопрочной стабилизированной арматуры
от микроструктуры стали
после механотермической обработки
А.Г. Корчунов, Д.К. Долгий*
Магнитогорский государственный
технический университет им. Г.И. Носова
Россия 455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38
Received 04.06.2013, received in revised form 29.04.2013, accepted 17.07.2013
Статья посвящена исследованию влияния изменения микроструктуры стали марки
80Р и уровня остаточных напряжений на релаксационную стойкость после проведения
механотермической обработки. Методика испытаний включала электронно-микроскопическое
и рентгеноструктурное исследования стали марки 80Р, а также проводили испытания на
релаксацию напряжений. В ходе работы установлены зависимости релаксационной стойкости
от стабильности структуры материала, полученной после проведения механотермической
обработки с различными температурой нагрева и усилием натяжения.
Ключевые слова: высокопрочная арматура, стабилизация, микроструктура, остаточные
напряжения, механотермическая обработка, релаксационная стойкость, индукционный
нагрев.
Введение
В настоящее время потребитель предъявляет все более высокие требования к свойствам
высокопрочной арматуры. Наряду с высокими показателями механических характеристик
большое внимание уделено специальным свойствам, важнейшее из которых – релаксационная стойкость. Релаксационная стойкость характеризуется способностью материала сопротивляться релаксации напряжений. Под релаксацией напряжений понимают процесс самопроизвольного снижения напряжений в материале при сохранении неизменной величины
его общей деформации. С течением времени в нагруженном образце упругая составляющая
суммарной деформации снижается, а пластическая растет. Высокие значения релаксационной
стойкости позволяют избежать трещинообразования в бетоне в условиях длительной работы
под воздействием циклических нагрузок. Одним из перспективных направлений достижения высоких показателей механических свойств наряду с высокими значениями релаксационной стойкости является применение в технологии производства высокопрочной арматуры
*
© Siberian Federal University. All rights reserved
Corresponding author E-mail address: cold.dima@inbox.ru
# 555 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
А.Г. Корчунов, Д.К. Долгий. Зависимость релаксационной стойкости высокопрочной стабилизированной…
в качестве заключительной операции механотермической обработки (МТО). Процесс МТО
представляет собой совмещение двух операций – нагрева и натяжения. По немногочисленным
литературным данным, подобное натяжение осуществляется с усилиями, позволяющими с незначительной степенью деформировать металл в пластической области. Нагрев осуществляется до температур отпуска (250–420 °С). Как правило, для нагрева используется индукционная
печь, позволяющая в поточной линии осуществлять МТО с достаточно высокими скоростями
(50–70 м/мин) [1-2].
Процесс МТО также получил название «стабилизация» за счет высокой эффективности
снятия остаточных напряжений, накопленных в ходе предварительной деформационной обработки (волочения и профилирования), а также вследствие высокой степени упорядочивания дислокационной структуры, что напрямую оказывает влияние на повышение релаксационной стойкости материала. Эффективность данных изменений существенным образом
зависит от установленных параметров процесса – температуры нагрева и усилия натяжения. Таким образом, важной задачей (за счет управления параметрами процесса) является
достижение оптимального сочетания свойств высокопрочной арматуры: высоких показателей механических характеристик (временное сопротивление разрыва – не менее 1600 Н/мм 2,
предел текучести – не менее 1450 Н/мм 2, относительно удлинение – не менее 6 %) и релаксационной стойкости (релаксация напряжений не должна превышать 4 % за 1000 часов). Для
решения данной задачи необходимо представлять, в какой степени структурные изменения
материала, происходящие под воздействием МТО, оказывают влияние на динамику изменения релаксационной стойкости. В этой связи цель проводимой научной работы состоит в
исследовании влияния величины параметров процесса МТО на изменение структуры стали и
величину внутренних напряжений и, как следствие, на изменение релаксационной стойкости
материала.
Материал и методика исследования
В качестве материала исследования выступала высокоуглеродистая сталь марки 80Р, используемая для производства высокопрочной арматуры диаметром 9,6 мм в условиях ОАО
«ММК-МЕТИЗ». Образцы были изготовлены с применением следующих параметров процесса
МТО: температура нагрева находилась в диапазоне от 320 до 400 °С, усилие натяжения в пределах от 19 600 до 58 800 Н, скорость обработки 50 м/мин. Предварительная обработка включала
патентирование и волочение с суммарной степенью деформации 58 %. Для определения уровня остаточных напряжений и изменения структуры стали марки 80Р под влиянием МТО были
проведены рентгеноструктурное и электронно-микроскопическое исследования. По результатам рентгеноструктурного анализа получали данные о положении центра тяжести линии 200
феррита, характеризующие величину остаточных макронапряжений в образцах высокопрочной арматуры, и ширине дифракционного максимума, отражающей уровень микроискажений
кристаллической решетки феррита.
Для определения релаксационной стойкости образцов высокопрочной арматуры из стали
марки 80Р проводились испытания на релаксацию напряжений в течение 120 и 1000 часов и
начальной нагрузке 70 % от временного сопротивления разрыву [3]. Испытания на релаксацию напряжений проводились по методике ГОСТ 28334 «Проволока и канаты стальные для
# 556 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
А.Г. Корчунов, Д.К. Долгий. Зависимость релаксационной стойкости высокопрочной стабилизированной…
армирования предварительно напряженных железобетонных конструкций. Метод испытания
на релаксацию при постоянной деформации».
Результаты электронно-микроскопического
и рентгеноструктурного исследований
Величины остаточных напряжений σ⊥ в образцах высокопрочной арматуры, рассчитанных
по смещению центра тяжести линии (200) феррита, приведены в табл. 1. Из данных таблицы
видно, что уровень остаточных напряжений во всех образцах ниже, чем в исходном образце с
предварительной обработкой патентированием и волочением, не подвергнутом МТО, для которого σ⊥ = 1540 Н/мм2. Это свидетельствует о том, что МТО в целом способствуют релаксации
напряжений, возникших в процессе волочения проволоки.
Как видно из табл. 1, значения величины σ⊥ в исследуемых образцах изменяются от +760
до -250 Н/мм2. Таким образом, эффективность МТО с различными значениями параметров
процесса неодинакова.
Развитию процесса снижения остаточных напряжений способствуют как повышение температуры, так и увеличение натяжения. Оптимальной температурой нагрева является температура не ниже 360 °С. Интервал рекомендуемых усилий находится в пределах между 34 300
и 46 600 Н. Усилие 19 600 Н недостаточно для эффективного снятия напряжений, величина
σ⊥ = 760 Н/мм2. Усилие 58 800 Н чрезмерно и создает дополнительную упругую деформацию,
значение σ⊥ >0.
Процесс снижения остаточных напряжений осуществляется за счет снятия напряжений
в локальных частях и объемах изделия. Поэтому в значительной степени о снятии макронапряжений в масштабе изделия можно судить по изменению ширины рентгеновских линий,
которая определяется уровнем микроискажений.
Изменения ширины линии 200 феррита представлены в табл. 2.
После волочения ширина линии максимальна и составляет В200 = 0,337 град. МТО способствует снижению уровня внутренних микроискажений. Основным фактором воздействия
является температура. При повышении температуры с 320 до 400 °С (при усилии натяжения
46 600 Н) о снижении уровня микронапряжений свидетельствует изменение ширины линии с
0,332 до 0,283 град. Увеличение натяжения, напротив, способствует повышению уровня микроискажений и, как следствие, уширению линии. Значение В200 возрастает с 0,279 град. до исходного (после волочения) состояния – до 0,330 град. при изменении усилия натяжения с 19 600
до 58 800 Н (при температуре нагрева 360 °С).
Таблица 1. Величина остаточных макронапряжений в образцах высокопрочной арматуры после МТО с
различными значениями параметров управления процессом, σ⊥, Н/мм2
Температура, °С
Установленная тяга, Н
19 600
34 300
46 600
58 800
320
-
-
510
-
360
760
510
510
-250
400
760
-
0
-250
# 557 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
А.Г. Корчунов, Д.К. Долгий. Зависимость релаксационной стойкости высокопрочной стабилизированной…
Таблица 2. Ширина линии феррита В200 в стали марки 80Р, град. после МТО с различными значениями
параметров управления процессом
Температура, °С
Установленная тяга, Н
19 600
34 300
46 600
58 800
320
-
-
0,332
-
360
0,279
0,279
0,288
0,330
400
0,271
-
0,283
0,355
Результаты электронно-микроскопического исследования отображают тот факт, что существенных изменений в структуре образцов после МТО с усилием натяжения 19 600 Н при
температурах 360 и 400 °С в сравнении с исходным (деформированным) состоянием не происходит (рис. 1). В ферритных ламелях происходило частичное перераспределение дислокаций.
В карбидной фазе развивалась фрагментация, при 400 °С наблюдались начальные стадии коагуляции осколков цементитных пластин. В процессе механотермической обработки с усилием
натяжения 34 300 Н в структуре развивались аналогичные процессы.
Исследования образцов после МТО с усилием натяжения 46 600 Н и температурах нагрева 320, 360, 400 °С (рис. 2) показали, что основные структурные изменения наблюдались
в ферритной составляющей перлита. По мере повышения температуры нагрева в ферритных
ламелях последовательно развивались следующие процессы: преимущественное перераспределение одиночных дислокаций (320 °С), взаимодействие и перемещение групп дислокаций
(360 °С), начальные этапы формирования дислокационных стенок в отдельных ферритных ламелях (400 °С). Процесс фрагментации карбидной фазы, характерный для температуры МТО
320 °С, при температурах 360 и 400 °С наблюдается совместно с начальными стадиями коагуляции пластинчатого цементита.
Аналогичные исследования проводились на образцах после МТО с усилием натяжения
58 800 Н и температурах 360, 400 °С (рис. 3). Отличительная особенность МТО с данными
значениями параметров управления процессом заключается в активизации процессов деформационного старения феррита, направленном перемещении атомов углерода к дислокациям
с образованием дисперсных карбидов. Процессы эволюции дислокационной субструктуры в
ферритных ламелях аналогичны описанным для образцов с усилием натяжения 46 600 Н. Отличие заключается в том, что при 400 °С процесс перемещения и взаимодействия развивается
активнее и приводит к образованию ячеистой субструктуры и появлению областей, свободных
от дислокаций.
Таким образом, в ходе проведенных исследований было изучено влияние температуры
нагрева и усилия натяжения МТО на изменение структуры стали марки 80Р, величины макрои микронапряжений. Установлено, что в результате МТО высокопрочной арматуры в стали
марки 80Р обеспечивается перераспределение дислокаций, снижение их плотности и выстраивание в стенки ячеек. Такое формирование ячеистой дислокационной субструктуры приводит
к появлению областей, свободных от дислокаций. Происходит существенное снижение уровня
макро- и микронапряжений в материале с различной эффективностью в зависимости от различных значений показателей управления процессом.
# 558 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
А.Г. Корчунов, Д.К. Долгий. Зависимость релаксационной стойкости высокопрочной стабилизированной…
Рис. 1. Структура стали марки 80Р после МТО
360 °С/19 600 Н (светлопольное изображение,
увеличение 37 000)
Рис. 2. Структура стали марки 80Р после МТО
360 °С/46 600 Н (светлопольное изображение,
увеличение 20 000)
Рис. 3. Структура стали марки 80Р с УМЗ после МТО 400 °С/58 800 Н (светлопольное изображение,
увеличение 50 000)
Для сопоставления результатов электронно-микроскопического и рентгеноструктурного
исследований образцов высокопрочной арматуры после МТО со значениями релаксационной
стойкости образцов после МТО с применением различных значений параметров процесса были
проведены испытаний на релаксацию напряжений.
Результаты испытаний на релаксацию напряжений
Для проведения испытаний на релаксацию напряжений были отобраны образцы высокопрочной арматуры из стали марки 80Р после МТО со следующими значениями параметров
процесса: температура нагрева находилась в пределах от 320 до 380 °С, усилие натяжения в
пределах от 19 600 до 58 800 Н. Результаты проведенных испытаний представлены на рис. 4.
По результатам проведенных испытаний можно судить о влиянии параметров процесса
МТО на релаксационную стойкость материала. Данные испытаний хорошо коррелируются с
результатами электронно-микроскопического и рентгеноструктурного исследований. Образцы
# 559 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
А.Г. Корчунов, Д.К. Долгий. Зависимость релаксационной стойкости высокопрочной стабилизированной…
Рис. 4. Релаксация напряжений высокопрочной арматуры из стали марки 80Р после МТО с различными
значениями параметров процесса
высокопрочной арматуры после МТО с применением температуры нагрева (320 °С) и усилием
натяжения (19 600, 34 300 Н) из диапазона, расположенного ниже рекомендуемого по результатам электронно-микроскопического и рентгеноструктурного исследований, имеют неудовлетворительные показатели релаксационной стойкости (релаксация напряжений превышает 4 %).
Образцы высокопрочной арматуры после МТО с температурой нагрева 360 и 380 °С и усилием
натяжения в диапазоне от 44 100 до 58 800 Н полностью удовлетворяют предъявляемым требованиям по релаксационной стойкости.
Заключение
В ходе проведенных исследований было установлено, что процесс совмещения операций
нагрева и натяжения (МТО) является эффективным способом стабилизации структуры стали
путем упорядочивания дислокаций и снятия внутренних напряжений в сталях, накопившихся
в результате предварительной деформационной обработки. Однако эффективность применения МТО неоднозначна. Она зависит от установленных параметров процесса – температуры
нагрева и усилия натяжения. Установлено, что оптимальные значения температуры МТО находятся выше 360 °С, а усилия натяжения располагаются в пределах свыше 34 300 Н и до 46 600
Н. Данные по структурным изменениям стали марки 80Р хорошо коррелируются с результатами испытаний на релаксацию напряжений. Образцы высокопрочной арматуры, подвергнутые
МТО со значениями параметров процесса, находящихся в рекомендуемых диапазонах, обладают наибольшими значениями релаксационной стойкости. Можно сделать вывод о том, что
релаксационная стойкость материала напрямую зависит от стабильности структуры, и чем она
выше, тем в меньшей степени будут релаксировать напряжения под воздействием нагрузки.
Работа проведена в рамках реализации программы стратегического развития университета на 2012–2016 гг. (конкурсная поддержка Минобразования РФ программ стратегического развития ГОУ ВПО), а также при поддержке Министерства образования и науки
# 560 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
А.Г. Корчунов, Д.К. Долгий. Зависимость релаксационной стойкости высокопрочной стабилизированной…
Российской Федерации, соглашение № 14.В37.21.0068 «Разработка фундаментальных принципов проектирования многостадийных процессов термодеформационного наноструктурирования стальных заготовок большого диаметра».
Список литературы
[1] Барышников М.П., Долгий Д.К., Куранов Ю.К., Зайцева М.В. // Сталь. 2012. № 2.
С. 89–92.
[2] Долгий Д.К., Корчунов А.Г., Барышников М.П. // Вестник МГТУ им Г.И. Носова. 2012.
№ 2. С. 43-45.
[3] Корчунов А.Г., Долгий Д.К. // Обработка сплошных и слоистых материалов: межвуз. сб.
науч. тр. под ред. проф. М.В. Чукина. Магнитогорск: изд-во МГТУ им Г.И. Носова, 2012. Вып.
38. С. 107-112.
[4] Корчунов А.Г., Долгий Д.К., Яковлева И.Л. // Новые материалы и технологии – НМТ-2012.
Матер. Всерос. НТК. М.: МАТИ, 2012. С. 11-12.
Dependence Relaxation Resistance
of Stabilized High-Strength Reinforcement
from Steel Microstructure after Mechanical
and Thermal Treatment
Aleksei G. Korchunov and Dmitriy K. Dolgiy
FSBEI HPE «Magnitogorsk State Technical University
named after G.I. Nosov»
38 Lenin, Magnitogorsk, 455000 Russia
This article focuses on investigation influence of changes microstructure steel 80P and rate of residual
stresses on relaxation resistance after mechanical and thermal treatment. Methods of testing included
electron microscopic and X-ray studies steel 80P, as well as experiment on stress relaxation. In the
course of science work find dependences of relaxation resistance from material structural stability,
obtained after mechanical and thermal treatment with different heating temperature and tensile
force.
Keywords: high-strength reinforcement, stabilization, microstructure, residual stresses, mechanical
and thermal treatment, relaxation resistance, induction heating.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 5 (2013 6) 562-579
~~~
УДК 711.424
Архитектурно-градостроительные преобразования
Красноярска в 1920-1930-х годах
К.Г. Петров*
Сибирский федеральный университет,
Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
Received 06.06.2013, received in revised form 14.07.2013, accepted 02.08.2013
Рассмотрена архитектурно-градостроительная деятельность по формированию
Красноярска в 1920–1930-х годах. Представлены проектные концепции социалистического
города и практические преобразования Большого Красноярска. Показано участие в
планировочных работах московских проектировщиков и представителей местной
общественности. Проведен анализ архитектурных объектов общественного, культурнопросветительского, учебного, медицинского, хозяйственного и жилого назначения,
построенных в довоенный период. Отражена история их создания и выявлено
градостроительное значение. Результаты исследования показали, что этап формирования
Красноярска 1920–1930-х годов служит наглядным примером сложных общественных и
творческих процессов, осуществлявшихся на переломном рубеже исторических эпох.
Ключевые слова: Большой Красноярск, планировка, архитектор, архитектура, проект.
Введение
В довоенный период получили развитие архитектурно-градостроительные мероприятия
по разработке проектных вариантов планировочной структуры Красноярска. В работе принимали участие представители местной научной общественности, администрации города и
архитекторы московских проектных организаций. Выработанные в дискуссиях предложения
послужили основой новых градостроительных решений, связанных со строительством крупных промышленных объектов, зданий жилого, общественного, культурно-бытового назначения. Особенно наглядно изменения отразились в преобразованиях исторически сложившейся
левобережной части города и в формировании новой планировочной структуры правобережного Красноярска.
Материалы и методы
Основными источниками для проведения данного исследования послужили документальные материалы, хранящиеся в государственных архивах Красноярского края (ГАКК) и Новосибирской области (ГАНО), а также литературные и периодические издания из государственной
научной библиотеки Красноярского края.
*
© Siberian Federal University. All rights reserved
Corresponding author E-mail address: petrovkg@mail.ru
# 562 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К.Г. Петров. Архитектурно-градостроительные преобразования Красноярска в 1920-1930-х годах
Исследование основано на комплексном изучении исторических материалов, библиографических источников, проектных разработок, натурном обследовании городской застройки,
что позволило провести всесторонний анализ архитектурных и градостроительных преобразований Красноярска, осуществлявшихся в 1920–1930-х годах.
Основная часть
В 1920-х годах в городах Сибирского края наблюдался общий спад жилищного строительства, вызванный предшествовавшим военным периодом. В сложившейся ситуации администрация города Красноярска выдвинула предложение о реализации плана коммунального
жилищного строительства. Для практического осуществления было решено построить большие многоквартирные дома (так называемое квартальное строительство). Жилые комплексы
(дома-коммуны), объединенные в границах городских кварталов, по замыслу новой власти
должны были обеспечить как экономический эффект, который выражался в сведении к минимуму стоимости единицы жилплощади, так и возможность создания формы нового быта путем
устройства общественных столовых, библиотек-читален, детских яслей.
Строительство квартала, получившего среди горожан название «каменный», велось в
исторически сложившейся части Красноярска на территории, ограниченной улицами Советской (ныне проспект Мира) и К. Маркса, а также переулками Декабристов и Робеспьера. Составление проекта было поручено опытному специалисту, гражданскому инженеру С. Г. Дриженко, исполнявшему в те годы обязанности городского архитектора. К ноябрю 1928 года он
подготовил первый вариант проекта, в котором предлагал разместить четыре угловых корпуса
по периметру квартала, остальные шесть корпусов находились на внутриквартальной территории. Здесь же намечалось выстроить одиннадцатый корпус – хозяйственный, в котором
проектировались квартиры дворников, контора кварталоуправления, материальные склады.
На придомовых участках предполагалось разбить скверы с зелеными насаждениями [1]. Идея
создания жилого квартала с комплексным общественным обслуживанием не получила полной
реализации в Красноярске, воплотившись в городской застройке лишь отдельными зданиями
(рис. 1, 2).
В 1926 году известным сибирским зодчим, новосибирским гражданским инженером
А. Д. Крячковым был выполнен проект здания Красноярского клуба железнодорожников, место для которого отвели на центральной улице города (ныне проспект Мира, 131). Во внешнем
облике объекта, предназначавшегося для проведения массовых культурно-просветительских
мероприятий, присутствовали характерные черты нового архитектурного стиля конструктивизма. Железнодорожная специфика получила отражение в копировании объемами здания
основных форм паровоза (рис. 3).
На рубеже 1920–1930-х годов особой межведомственной комиссией была разработана
гипотеза промышленного развития Красноярска как крупного индустриального центра Сибири, которая стала основой дальнейших градостроительных преобразований. В ВосточноСибирском филиале Государственного института по проектированию городов (Гипрогор) в
1931 году начались работы по составлению проектного плана Большого Красноярска, которые
были продолжены (с 1934 года) в тресте наркомата тяжелой промышленности – «Горстройпроекте». Новый социалистический город с перспективной численностью населения 400 тысяч
# 563 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К.Г. Петров. Архитектурно-градостроительные преобразования Красноярска в 1920-1930-х годах
Рис. 1. Красноярск. Здания каменного квартала (1929–1932 гг.)
Рис. 2. Четырехэтажный корпус каменного квартала (фото 2012 г.)
человек московские архитекторы предлагали разместить на свободной территории правого берега реки Енисей (рис. 4).
Однако местные власти настойчиво пытались сосредоточить внимание проектировщиков
на первоочередном формировании левобережной, исторически сложившейся части Красноярска. По заданию краевой плановой комиссии красноярские архитекторы составили схему
планировки города, которая в значительной степени отличалась от схемы «Горстройпроекта»
предложениями по развитию застройки на верхних террасах левого берега Енисея (рис. 5).
# 564 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К.Г. Петров. Архитектурно-градостроительные преобразования Красноярска в 1920-1930-х годах
Рис. 3. Строительство клуба железнодорожников – 1930-е гг.
Рис. 4. Большой Красноярск. Схема планировки. Вариант [2]
Дискуссии между проектировщиками и городской общественностью, продолжавшиеся до второй половины 1930-х годов, привели к общему решению, которое предполагало
рассматривать будущий город как единый организм, не разделяя его на противоположные
берега.
В 1938 году творческой группой «Горстройпроекта» под руководством архитектора
А. М. Мостакова был выполнен проект планировки сложившейся части города, получивший
название «Первая очередь реконструкции Центрального района левобережного Красноярска»
# 565 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К.Г. Петров. Архитектурно-градостроительные преобразования Красноярска в 1920-1930-х годах
Рис. 5. Большой Красноярск. Проект Крайплана (газета «Красноярский рабочий» № 34 (5257) 11.02.1936)
[2]. Впервые для города проектировалась сеть учреждений обслуживания, которая разделялась
на уровни общегородского, районного и квартального значения. В состав общегородских и районных объектов включались:
– советские, хозяйственные и общественные учреждения (Дом советов, Дворец труда,
Дом хозорганизаций, Дом связи, гостиницы и др.);
– культурно-просветительские учреждения (Дворец культуры, городской театр, Дом пионеров, Центральная библиотека, музей, цирк, кинотеатры, физкультурный комбинат,
стадионы, водная станция, городской сад и парки);
– учреждения здравоохранения (больницы, госпиталь, поликлиники, родильные дома,
аптекоуправление, тубдиспансер, профилакторий, Дом санитарной культуры);
– учебные учреждения (школы, техникумы, вузы);
– санитарно-гигиенические учреждения (бани, коммунальные прачечные).
В состав учреждений квартального значения входили детские ясли и сады, столовые, магазины, мастерские. В приведенной классификации объектов выявляются предпосылки будущей концепции формирования в советских городах ступенчатой системы культурно-бытового
обслуживания. Графические материалы, представленные в проекте, являются наглядным примером архитектурно-художественного образа нового сибирского города, характерного для
проектной практики тех лет. Идеи реконструкции Красноярска, разработанные в 1930-х годах,
оказали значительное влияние на дальнейшее формирование города в ХХ веке. Например, довоенный замысел архитектурного ансамбля главного городского центра – площади Революции – в значительной степени был реализован в 1950–1960-х годах (рис. 6).
# 566 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К.Г. Петров. Архитектурно-градостроительные преобразования Красноярска в 1920-1930-х годах
Рис. 6. Площадь Революции. Перспектива, 1930-е гг. [2]
В 1930-х годах крупные градостроительные преобразования осуществлялись на правом
берегу Енисея, где планировалось создание нового города. В первую очередь возводились промышленные объекты: машиновагоностроительный («Красмашвагонстрой»), гидролизный и
цементный заводы, бумажный комбинат, районная теплоэлектроцентраль, карандашная фабрика [3]. Одновременно со строительством промышленных предприятий велась застройка
жилых поселков. Например, для «Красмашвагонстроя» возводили прилегающий жилой район,
социалистический городок, рассчитанный на 30 тысяч человек [4]. На сохранившемся проекте жилого массива завода прослеживается четкая планировочная организация части правого
берега Енисея (рис. 7). Композиционной осью, объединяющей застройку, является удлиненная лента зелени, на которую ориентированы физкультурные площадки, детские учреждения
и общественные столовые. Вдоль главной оси размещены небольшие кварталы, разделенные
улицами, выходящими к парковой зоне, запроектированной на берегу Енисея. В 1936 году газета «Красноярский рабочий» сообщала о том, что «уже выстроены и строятся многоэтажные
каменные дома и красивые деревянные коттеджи со светлыми и уютными квартирами; на берегу Енисея вырастет живописный, утопающий в зелени город, с трамваем, парком культуры,
клубами, школами» [4].
Реальная ситуация в Красноярске тех лет была несколько иной. Она характеризовалась
стихийным и беспорядочным строительством на правом берегу Енисея. Жилые территории
застраивали малоэтажным деревянными домами, что не соответствовало проектным идеям
Большого Красноярска. Сами руководители возводившихся промышленных предприятий критически высказывались относительно общей организации работ, отмечая, что «ни Горсовет,
ни Крайисполком не регулируют строительство, а в отношении архитектуры происходит полная анархия, нет сочетания одного здания с другим» [5]. Например, в проекте застройки двух
# 567 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К.Г. Петров. Архитектурно-градостроительные преобразования Красноярска в 1920-1930-х годах
Рис. 7. «Красмашвагонстрой» проект застройки первой очереди [2]
Рис. 8. Генплан квартала № 37, 48 [6]
жилых кварталов завода «Сибтяжмаш», выполненном к началу 1941 года («Горстройпроект»,
главный архитектор Гурьев-Гуревич), предлагалось на территории общей площадью 7,45 га
разместить 35 двухэтажных жилых домов: 8 каменных и 27 деревянных. В них планировалось
расселить до 3000 человек [6]. В каждом квартале проектировали детский сад или ясли, физкультурные площадки и хозяйственные постройки (рис. 8). Несмотря на возникавшие экономические и материально-технические проблемы, до начала Великой Отечественной войны продолжалась разработка планов дальнейшего жилищно-коммунального и культурно-бытового
строительства. Новыми жилыми домами, школами, клубами, зданиями правительственных
учреждений и больниц предполагалось застроить улицы города [7].
# 568 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К.Г. Петров. Архитектурно-градостроительные преобразования Красноярска в 1920-1930-х годах
Рис. 9. Строительство здания больницы («Красноярский рабочий» № 94 (5618) 24.04.1937)
Рис. 10. Здание Краевой больницы (фото 2012 г.)
В 1930 году пятилетним планом развития здравоохранения в городе Красноярске было
предусмотрено строительство новой окружной больницы, площадку для которой отвели вдоль
дороги, пролегавшей в сторону военного городка, у протоки Енисея [8]. Она находилась в достаточном отдалении от города, а также ниже его по течению реки. В 1934 году началось строительство больницы, четырехэтажное здание которой раскрывалось главным фасадом к реке
Енисей (рис. 9, 10).
В 1933–1937 годах осуществлялось строительство здания Лесотехнического института
(новосибирские архитекторы Н. С. Кузьмин, Ф. Ф. Барицкий), первого высшего учебного заведения Красноярска. Оно заняло территорию квартала на главной улице города (ныне проспект
Мира, 82), что вызывало неоднозначное отношение жителей, отзывы которых печатали газеты:
«Главные улицы Красноярска украсились безобразными нагромождениями, вместо приличных строек, как, например, здание Лесотехнического института, занимающее целый квартал»
[9] (рис. 11, 12).
# 569 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К.Г. Петров. Архитектурно-градостроительные преобразования Красноярска в 1920-1930-х годах
Рис. 11. Здание Лесотехнического института на проспекте имени Сталина («Красноярский рабочий»
№ 240 (6366) 18.10.1939)
Рис. 12. Здание Сибирского государственного технологического университета (фото 2012 г.)
В 1932–1936 годах в центральной части Красноярска (ныне ул. К. Маркса, 88) строился
так называемый дом специалистов (красноярский архитектор И. И. Смирнов), в котором инженерное оборудование квартир включало центральное отопление, водопровод, канализацию и
вентиляцию [10] (рис. 13).
В 1935–1936 годах гражданским инженером В. А. Соколовским был выполнен проект
жилого дома для работников Крайисполкома. Здание, построенное на улице Советской (ныне
# 570 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К.Г. Петров. Архитектурно-градостроительные преобразования Красноярска в 1920-1930-х годах
Рис. 13. Эскиз фасада дома специалистов [10]
Рис. 14. Строительство Крайисполкома по Советской улице («Красноярский рабочий» № 93 (5316)
22.04.1936)
проспект Мира, 85), выделялось своими крупными объемами, которые акцентировались закругленным углом, завершавшимся полусферическим куполом. Недостатки, возникавшие при
строительстве дома, активно подмечались горожанами, которые, в частности, писали в газете:
«Каким приятным выглядит в проектном эскизе жилой дом Крайисполкома и как не похоже на
проект это здание в натуре. Купол, перекрывающий угловую часть дома, выполнен с большим
отступлением от проекта» [11] (рис. 14, 15).
В 1930-х годах в исторически сложившейся части Красноярска были построены такие
крупные общественные учреждения, как Дом связи (ныне проспект Мира, 102) (московский
архитектор-художник А. Н. Рубцов) и здание курсов марксизма-ленинизма (ныне ул. Ленина, 117) (архитектор из Ленинграда Г. Н. Ростовский).
В 1937 году городские власти предполагали начать строительство Дома печати (московский архитектор Левин), проект которого представлял здание, состоявшее из двух четырехэтажных крыльев, увенчанных тридцатиметровой семиэтажной башней. Одно крыло здания
# 571 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К.Г. Петров. Архитектурно-градостроительные преобразования Красноярска в 1920-1930-х годах
Рис. 15. Жилой дом работников Крайисполкома (фото 2012 г.)
Рис. 16. Проект Дома печати [12]
отводилось под типографию, во втором – должны были разместиться редакции краевых газет
и журналов, а также издательство и представительство центральной прессы. В угловой части
здания предполагалось поместить радиоузел, книгохранилище, читальню, фотолабораторию
[12]. Однако начало строительных работ откладывали в связи с затянувшимся выбором участка. Начавшаяся война помешала реализовать проект Дома печати в Красноярске (рис. 16).
Серьезной проблемой довоенных лет в Красноярске являлась организация школьного
образования, вызванная недостаточным количеством школ. Городские газеты сообщали, что
классы «сверхукомплектованы, вместо 42 учеников по норме числилось более 60, многие школы вели учебную работу в две смены» [13]. В 1935 году на одного школьника приходилось 0,68
кв. м вместо нормативных двух [14]. Строительство учебных учреждений велось медленно, что
# 572 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К.Г. Петров. Архитектурно-градостроительные преобразования Красноярска в 1920-1930-х годах
было связано с отсутствием рабочей силы, недостатком стройматериалов и плохой организацией работ.
Во второй половине 1930-х годов началось строительство большого здания общеобразовательной школы на улице Профсоюзов (ныне лицей № 28), для которого архитектор Кокин
разработал проект внешнего оформления. Главный фасад предполагалось украсить выступающим из общего объема портиком с колоннадой, охватывающей по высоте второй и третий
этажи, что должно было подчеркнуть парадность входной группы. Проект оформления школы
воплотился частично, вероятно, из-за финансовых и технических проблем (рис. 17, 18).
В конце 1930-х годов приступили к строительству четырехэтажного здания школы на улице Горького (ныне школа № 4). В проекте были предусмотрены современные для того времени инженерные технологии: паровое отопление, водопровод, канализация, электричество. На
школьной территории планировали организовать обширное пространство для газонов, теннисных и волейбольных площадок [15] (рис. 19).
Рис. 17. Проект оформления школы на улице Профсоюзов («Красноярский рабочий» № 25 (5549)
30.01.1937)
Рис. 18. Здание общеобразовательной школы на ул. Профсоюзов (фото 2012 г.)
# 573 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К.Г. Петров. Архитектурно-градостроительные преобразования Красноярска в 1920-1930-х годах
Рис. 19. Здание общеобразовательной школы на ул. Горького (фото 2012 г.)
В 1936 году на правом берегу Енисея были выстроены три школы, одна из которых относилась к заводу «Красмашстрой» (ныне Аэрокосмическая школа) [16]. Она являлась самой
крупной общеобразовательной школой города, в четырехэтажном здании которой обучались
2160 детей рабочих «Стройкрасмаша» и Бумкомбината. Архитекторы запроектировали просторные светлые классы, столовую и кинозал на 400 мест со звуковой установкой. В газетных
статьях отмечалось, что школа завода «Красмашстрой» стала одной из самых образцовых в
крае [17] (рис. 20, 21).
В преобразовании городской застройки и в жизнедеятельности Красноярска 1920–1930-х
годов важную роль играли здания хозяйственно-бытового назначения – коммунальные бани
и пожарные службы. Критическое положение с санитарно-эпидемиологической обстановкой
в городе после Гражданской войны обязывало власть решать проблему строительства новых
бань. В 1927–1929 годах осуществлялись проектные и строительные работы коммунальной
бани, место для которой отвели в центральной левобережной части Красноярска (ныне ул.
Марковского, 79) (рис. 22). Проектом предлагалось разместить в цокольном этаже подсобные
и технические помещения: прачечную, дезинфицирующую камеру и котельную. На первом
этаже должно было располагаться мужское отделение на 40 человек с пятью отдельными
номерами, на втором – женское с шестью номерами [18] (рис. 23). Планировочная структура
бани предусматривала разделение потоков приходивших и уходивших людей. Главный фасад здания, решенный в стилистике конструктивизма, был обращен в сторону р. Качи (рис.
24, 25).
В 1930 году красноярские власти утвердили проект каменного двухэтажного здания пожарного депо в слободе III Интернационала (ныне ул. Ленина, 216). Проектное решение предусматривало разместить на первом этаже гараж с четырьмя выездами и подсобные помещения.
На втором этаже проектировались помещения столовой, комнаты отдыха, раздевалки, а также
дополнительные подсобные помещения. В торце здания устраивалась смотровая шестнадцатиметровая башня (рис. 26, 27). Пожарное депо расположилось на возвышенности, с которой
открывался вид на центральную часть города) (рис. 28).
# 574 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 20. Здание школы «Красмашстроя» [17]
Рис. 21. Здание общеобразовательной школы завода «Красмаш» (фото 2012 г.) Красноярск
Рис. 22. Проект здания коммунальной бани (общий вид) («Красноярский рабочий» № 112 (3264) 19.05.1929)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К.Г. Петров. Архитектурно-градостроительные преобразования Красноярска в 1920-1930-х годах
Рис. 23. Проект коммунальной бани в Красноярске. План 1-го этажа (1929) [18]
Рис. 24. Проект коммунальной бани в Красноярске. Фасад. 1929 г. [18]
Выводы
Архитектурно-градостроительные преобразования Красноярска 1920–1930-х годов отразились на облике исторически сложившейся части города, в застройке которой появились новые объекты общественного, культурно-просветительского, медицинского, учебного и жилого
назначения. В архитектурном оформлении городских зданий, построенных в 1920 – начале
1930-х годов, прослеживаются черты новых для того времени форм и элементов конструктивизма. Во второй половине 1930-х годов в архитектуре Красноярска произошел процесс обращения к классицистическим мотивам. Планировочная концепция Большого Красноярска, разработанная в 1930-х годах, повлияла на градостроительные преобразования на правом берегу
Енисея и на дальнейшее развитие города в ХХ веке.
# 576 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 25. Коммунальная баня (фото 2012 г.)
Рис. 26. Пожарное депо в слободе III Интернационала. Фасад. (Государственный архив Красноярского
края. Ф. Р-376. Оп. 1. Д.4. Производственная смета, проекты и чертежи на постройку пожарного депо в
слободе III Интернационала. 1931 г.)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К.Г. Петров. Архитектурно-градостроительные преобразования Красноярска в 1920-1930-х годах
Рис. 27. Пожарное депо в слободе III Интернационала. План 1-го этажа. (Государственный архив
Красноярского края. Ф. Р-376. Оп. 1. Д.4. Производственная смета, проекты и чертежи на постройку
пожарного депо в слободе III Интернационала. 1931 г.)
Рис. 28. Пожарное депо (фото 2012 г.)
Список литературы
[1] Петров К. Г. // ACADEMIA. Архитектура и строительство № 3. С. 102.
[2] Государственный архив Красноярского края (ГАКК). Ф. Р-2224. Оп. 1. Д. 12. Проект
первой очереди реконструкции Центрального района левобережного Красноярска. Пояснительная записка. 1938.
# 578 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К.Г. Петров. Архитектурно-градостроительные преобразования Красноярска в 1920-1930-х годах
[3] Красноярский рабочий. 1935. № 125 (5047). 2 июня.
[4] Красноярский рабочий. 1936. № 100 (5323). 1 мая.
[5] Государственный архив Красноярского края. Ф. Р-1386. Оп. 1. Д.10. Стенограммы совещаний при председателе Крайисполкома о планировке г. Красноярска. (1935–1937), 42.
[6] Государственный архив Красноярского края. Ф. Р-2224. Оп. 1. Д.16. Проект застройки
квартала № 37 и 48 в жилом районе заводов “Сибтяжмаш” и Станкостроя в городе Красноярске.
1941. 4.
[7] Красноярский рабочий. 1936. № 77 (5300). 3 апреля.
[8] Красноярский рабочий. 1930. № 8 (3461). 10 января.
[9] В. Кузнецов. Навести порядок на стройках. Красноярский рабочий. № 76 (5600). 3 апреля 1937 г.
[10] Красноярский рабочий. 1936. № 230 (5453). 5 октября.
[11] Красноярский рабочий. 1937. № 76 (5600). 3 апреля.
[12] Красноярский рабочий. 1937. № 81 (5605). 9 апреля.
[13] Красноярский рабочий. 1935. № 211 (5133). 12 сентября.
[14] Красноярский рабочий. 1935. № 122 (5044). 29 мая.
[15] Красноярский рабочий. 1940. № 130 (6556). 8 июня.
[16] Красноярский рабочий. 1936. № 245 (5468). 23 октября.
[17] Красноярский рабочий. 1936. № 100 (5323). 1 мая.
[18] Государственный архив Новосибирской области. Ф. Р-204. Оп. 3. Д.238. Проект коммунальной бани в г. Красноярске. 1929. 1,1 об.
Architectural and Town-Planning Transformations
of Krasnoyarsk in the 1920-1930th Years
Kirill G. Petrov
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
Architectural and town-planning activities for formation of Krasnoyarsk in the 1920-1930th years are
considered. Design concepts of the socialist city and practical transformations of Big Krasnoyarsk
are submitted. Participation in planning works of the Moscow designers and representatives of the
local public is shown. The analysis of architectural objects of the public, cultural and educational,
educational, medical, economic and inhabited appointment constructed during the pre-war period
is carried out. The history of their creation is reflected and town-planning value is revealed. Results
of research showed that the stage of formation of Krasnoyarsk of the 1920-1930th years is a bright
example of the difficult public and creative processes which were carried out at a critical turn of
historical eras.
Keywords: Large Krasnoyarsk, planning, architect, architecture, design.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 5 (2013 6) 580-590
~~~
УДК 711.51(571.51)
Nature Prerequisites for Zoning
of Suburban Area of Krasnoyarsk City
Liubov A. Shaporova*,
Leng Hong and Xu Suning
Harbin Institute of Technology, School of Architecture
1523 66 Xidazhi Str., Harbin, 150001 China
Received 12.05.2013, received in revised form 23.06.2013, accepted 18.07.2013
The suburban area is a multifunctional area that has a few problems. This area should protect the
ecological city area, should solve the recreation problems of the city, should supply citizens with
perishable goods, and should also have an economy and science functions for the city development.
In connection with the development process of suburbanization, this territory is very important for
city development. Russia’s economy is going through major transitions. These transitions are rapidly
changing the relationship between cities (urban areas), countryside (rural areas) and the development,
growth, and popularity of suburbia. The process of suburbanization takes place in biggest cities of
Russia, including Krasnoyarsk City. The modern Krasnoyarsk with a population of about 1mln people
occupies the territory of 34115 ha. This article examines the analysis of functions of suburban area
and connects these functions with zoning of the suburban territory. The author analyze the nature
conditions of suburban area and it connection with functional zoning of territory.
Keywords: suburban area, zoning of territory, Krasnoyarsk City
Introduction
KRASNOYARSK is one of the biggest cities in Eastern Siberia, its important industrial and
cultural center. The modern Krasnoyarsk with population about 1mln people occupies the territory of
34115 ha. Its length from north to south is 12 km, from west to east – 30 km.
Krasnoyarsk is a large industrial and cultural centre of East Siberia, the capital of Krasnoyarsk
region, the second largest region of Russia. The location of the city is on Yenisei river, a large transport
artery, makes it possible for remote regions of Central Siberia appear on the world market. The location
of Krasnoyarsk at the crossing of existing and future intercontinental tracks of railway, motor, air
and sea transport gives the city an opportunity to develop as the largest transport centre, connecting
European countries with countries of Asian and Pacific region, North America and South Asia, North
Atlantic and northern part of the Pacific Ocean. The closeness of Krasnoyarsk (in comparison with
the cities of the country’s European part and West Siberia) to Japan, China, South Korea and other
countries of dynamically developing Asian and Pacific region makes it possible to develop economic
and other potentials of the city on the basis of foreign economic activity and cooperation.
*
© Siberian Federal University. All rights reserved
Corresponding author E-mail address: jogggy@yahoo.com
# 580 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Liubov A. Shaporova, Leng Hong… Nature Prerequisites for Zoning of Suburban Area of Krasnoyarsk City
The city was formed in 1628, but the first research and plan of suburban area begin in 20th century.
In the reforming years of 19th century in Siberia as a whole, including Yenisei province, there was no
sharp distinction between urban and rural areas, in both economic and socio-cultural terms. Population
of petty bourgeois was still largely tied to the land (by keeping the livestock and doing a backyard
farming within town's boundaries), while the peasants often engaged in fisheries within the city [1].
One of the first search for an integrated development of the city and its suburban areas was a
scheme called «District plan of Krasnoyarsk», 1939. The project covered suburban territory within a
radius of 20-25 km, resulting in a concentration of buildings and recreational areas near the city (areas
of Udacny village, r. Bazaihi, Ovsyanka village in the West, Berezovky in the East). The complex
organization of suburban territories and their clear functional zoning in the city of Krasnoyarsk,
including the development perspectives, have not been finally resolved [2].
Characteristics of the urban process in Krasnoyarsk in 50-60s manifested in conjunction of new
urban landscape and local conditions. If the historical part of the city's natural characteristics were
increasingly dominant, in general, subjugated the overall appearance of buildings; in new residential
areas of the city buildings became the means of organizing space, which revealed its own natural
dominance. Picturesque landscapes near Krasnoyarsk have been replaced by faceless neighbourhoods
of the city [2].
During the Soviet years of power the Homestead farming evolved significantly in Krasnoyarsk.
The Siberian gardening emerged in the end of the 19th century, when immigrants from Central and
southern areas of Russia settled down in Siberia and brought with them the culture of berry plant
picking and planting them in their new home environments. Since the earliest days of the Soviet
Republic the horticultural development became of State's significance. The Soviet way of life opened
opportunities for extensive development of horticulture in Siberia. In 1938, the city had one garden and
27 gardeners, and by 1972, 160 garden settlements and 27 thousands of gardeners, to date, this number
has increased by several times [3]. In the 1990th with the advent of the new government and a change
in the economic and political regime, there were changes in the development of suburban areas too.
The role of the government decreased in the development of horticulture and suburban settlements.
Public places in the suburbs were either privatized, or just ceased to exist. This period is characterized
by a decline in the development of suburban areas. But having a backyard farms helps city residents
ensure continuous food security in times of crisis.
Analysis
To describe present situation in suburban area of the city the author analyze the nature condition
of this area. The borders of suburban area in Krasnoyarsk City are about 20-30 km around the city. In
Krasnoyarsk suburbia the main sectors are agriculture, environment, recreation, and accommodation
of housing settlements. All of this sectors or functional zones need special nature condition.
For development of agricultural area important are: relief of territory, soil conditions, landscape.
Environmental area of suburbia needs a vegetation of territory and the location of main pollutant of
the city (main factory, main highways). The main condition for recreation zone is attractive of the
area, also it better a natural area. And for development the settlements important as relief and soil
conditions, as attraction of area. All of these indexes need to analyze before planning and zoning of
suburban area.
# 581 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Liubov A. Shaporova, Leng Hong… Nature Prerequisites for Zoning of Suburban Area of Krasnoyarsk City
A. Agricultural sector
Usually the perishable foods are produced in suburban farms. It is necessary to development and
planning of suburban areas to protect agricultural function of suburbia. But currently the territories of
agricultural land use to construction houses. In future planning of suburbia should to have agricultural
sectors. Saturation of the farms of rural settlements should be developed gradually – from center
to periphery and in the first stages in the zone of the necessary transport accessibility to the center.
Active origin and development of farming movement in the process of development of agricultural
areas in the first place to start in zones of influence of large cities and centers, then the system will
form resettlement farms in areas of transportation routes and centers. For this case it is necessary
to have program to protect agricultural sector in economy and to development farming, which will
produce perishable foods for citizen. Agricultural area in suburbia should plan with accordance with
the landscape. Natural and reasonable accommodation is not enough farms in the region could disrupt
the ecological balance of the environment, and to the uneconomical operation of the economy.
The most favorable form of relief for agriculture are the lowlands and plains. The most gentle and
flat terrain in the suburbs of Krasnoyarsk is distributed in the northern part of the city and presented to
Krasnoyarsk-Kemchugskoy plain, which is part of the West Siberian Plain, and the Angara-Kan part
of the Yenisei Ridge [4]. Krasnoyarsk-Kemchug plain is a piedmont, steeply-sloping plain with the
majority of heights – 250-350 m. The plain is higher in the west. The heights of 400 m are more typical
for surfaces which serve for dividing river systems of Yenisei and Ob. In the east Krasnoyarsk adjoins
to the morphostructure of Yenisei range, particularly with its Angara-Kansk part, which consists of
low-mountain (below 550 m) massifs, and which western slopes are straight line tectonic scraps with
the height of about 100 m [5].
The climate of Krasnoyarsk and its surroundings is extremely continental, it is characterized
by a long winter with little snow, short warm summer, short dry spring with late returns of frost,
short autumn with early frost and often returns of warmth. Prevailing direction of wind in winter and
autumn is south-west, in spring and summer – west [6].
For this work is more important information are about parts of the city and its suburban area, the
differences in climatic regimes, and selection the most favorable areas for agriculture. To explain this
is a map of climatic zoning of research area. The purpose of this zoning is characteristics depending
on the climate and landforms, and climatic characteristics of the main features of the suburban area of
the city of Krasnoyarsk.
Can conclude that the most favorable areas for agriculture, are confined to the lowlands, flat
relief, the most favorable combination of climate is heat and moisture, and forest-steppe landscape
with chernozem soil. Satisfies all the criteria are north-west and north territory, and the valley of the
Yenisei River.
The tensest situation with the presence of free land for agriculture is observed in Yemelyanivsky
and Berezovsky areas, due to close location to the city. Remote areas of the suburb of real estate
market is unprofitable, also in this area is not a lot of housing estates. As a result represented the
characteristics and analysis of factors affecting the development of agrarian sector of suburban area
of Krasnoyarsk City can conclude that the most favorable zone for the placement of the agricultural
sector is the northern part. Due to problems with land ownership issues and the location of the land of
the agricultural sector can be removed from the city at 25-50 km, which will not affect the economic
# 582 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Liubov A. Shaporova, Leng Hong… Nature Prerequisites for Zoning of Suburban Area of Krasnoyarsk City
y
Fig. 1. Mesoclimatic districts of Krasnoyarsk outskirts. (Type Codes/Legend – see the Table 1) [6]
Table 1. Mesoclimatic zoning of Krasnoyarsk outskirts (according to I.A. Golzberg) [6]
Summer
District (see pic.)
Natural zone
I South-West
(mid-mountain)
II East (lowmountain)
III Central
(foothill)
IV North
(low-hill plain)
V Yenisei valley
Dark-needle
taiga
Mixed forest
Forest-steppe
Steppe
Winter
Period duration,
days with
temperature
above 15 °С
Average speed
of wind, July,
m/sec
Period duration,
days with
temperature
below -5 °С
490-540
40-50
1,0
150-155
340-360
50-55
1,4
140-145
270-290
65-70
2,0
135-140
160-190
60-65
2,3
145-150
140-160
70-80
2,3
130-135
Height, m
development component, as is located in transport availability. The most favorable areas for agriculture
are the northern Yemelyanivsky region and east part of Berezovsky region.
B. Ecological sector
Suburb is “lightweight” of city, is a very important ecological role in the life of the city, so in the
planning of suburban territory must abide by landscaping and create natural parks in accordance with
the landscape. For balance of ecology inside the city and outside of the city in is necessary to plan
green belt some line around the city. It is important to plan a persistent green area. To characterize the
# 583 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Liubov A. Shaporova, Leng Hong… Nature Prerequisites for Zoning of Suburban Area of Krasnoyarsk City
current state of the environment sector of the suburbia of Krasnoyarsk City need to consider state of
vegetation and naturalness.
Flora of the city and its surroundings varies: the left bank of Yenisei is a typical forest-steppe,
as for the right bank – it is mountain taiga. Forest-steppes in the outskirts of the city are situated
on terraces and south slopes, which face rivers Bazaikha, Laletina etc. There are several types
of steppes. Stone steppes cover the tops and slopes of mountains along Kacha river, including
Drokino knoll and other places. Here all the plants grow on shallow, rubbly soil. Meadow steppes
with mixed herbs are typical for a piedmont part of the outskirts.
Forest area is belted the city. Its total area is 5332 ha, including: Bazaiskaya forest district
(maximum height 592 m asl) 2529 ha, City forest district (maximum height 517 m asl) 2443 ha and
Yesaulskiy pine wood (maximum heights 135-140 m) 360 ha. The first two are situated at foothill of
East Sayan, occupying its northern part. A sharp crossing of relief at small absolute heights (200-500
m asl) and slight (not more than 150-200 m) differences in heights gives ground to consider the forest of
these forest districts to low-mountain category. There prevail mostly flat slopes; and steep slopes (more
than 30°) are typical only for banks. This refers, firs of all, to the slopes of southern part. Yesaulskiy
pine wood makes less than 7 % of forest area, belting the city, it is situated on slightly uplifted, almost
flat plateau [6].
Facilities of non-ferrous metal industry, energetic, chemical industry and construction
materials industry are the main sources of air pollution in the city. A large number of carbon
monoxide, nitrogen oxide, sulfur dioxide and dust are dismissed by small heating plants, which
don’t have purifiers. Industrial and heating plants use low-sulfur coal as fuel. Transport pollutes
the atmosphere of the city immensely. The number of cars of different kinds grows every year. All
major transport arteries of Krasnoyarsk are overloaded.
In the city south-west and west winds prevail, and in suburbs – west winds. (Fig. 2) Thus, the vector
of pollution disperse will be correlated to the wind pattern. Also, climatic peculiarities, influencing the
pollution disperse are – number of hours (days) with zero wind, which, in extremely continental climate
of Krasnoyarsk is 630 (26) – 1365 (57) a year. Such periods, because of slow circulation of atmosphere,
favour the concentration of polluting substances over the city, smog formation. At the same time, the
majority of atmospheric pollutants are concentrated in bottom layer of air. The size of this layer differs
constantly and, according to different sources, can be up to 400 metres. Thus it is possible to make
a conclusion that large concentration of atmospheric pollutants will occur in those parts of the city
which are located in relatively low relief features, i.e. about 8-30 m. The low location decreases the
ventilation of such districts and increases the concentration of pollutants in bottom layer of air. Also for
low districts it is typical to get the inflow of cold air mass from nearby territories [6, 7].
The minimum concentration of dust occurs at south-west and west winds. The maximum
concentration of dust is in residential districts, next to highways and construction materials industry
facilities. The maximum pollution by carbon monoxide occurs at zero wind in districts next to
highways with an intensive traffic. The city is less polluted by this mix at north-east and southeast winds. The concentration of sulfur dioxide in the air reaches great amounts at zero wind and
north-east and east winds. The city is most polluted by nitrogen oxide at zero wind as well and at
south-east and south winds. The right bank, districts which are next to highways, and north-east
part of the city are more polluted by sulfur dioxide.
# 584 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Liubov A. Shaporova, Leng Hong… Nature Prerequisites for Zoning of Suburban Area of Krasnoyarsk City
Fig. 2. Zone areole of pollution disperse in Krasnoyarsk city [4]
On the whole it is important to mention that Krasnoyarsk is located in unfavourable (because
of pollution) weather conditions. Especially the conditions of mix disperse worsen during winter
months, when the repetition of inverse temperature distribution, light winds and fogs increases. A big
industrial city, such as Krasnoyarsk, influences the climate immensely. The air becomes less transparent
and clear; air temperature in winter is higher than in suburbs. Yenisei river has a cushion impact on
the microclimate of riverside districts during warm period. The analysis of data of air temperature and
rainfall showed a tendency of some increase of air temperature in the city and rainfall increase.
According to the norms of urban planning for cities with populations of more than 250-1200
thousands mean radius of the green zone are advised to take from 25-40 km, the minimum width of
the protective green belt – from 3.5 to 5 km. Thus, to Krasnoyarsk environmental sector should be
about 15-20 km.
Ecological situation in Krasnoyarsk city is not advantageous. Because of many industrial facilities
there occurs air, water and soil pollution. Some suburban districts cannot be used as residential,
agricultural and recreational territory. In the consequence of a long impact of harmful substances on
the territory, soils lost their fertile functions, and growing products there is dangerous for health. To
improve the ecological situation in the city it is planned to locate harmful facilities outside the city
limits, to improve their cleaning system. In further planning of suburban territory it is necessary to
consider the geographical component of a district location. Depending on the level of pollution impact
on the territory it is necessary to plan sizes and functions of the territory.
The most favorable location of the environmental sector around the city throughout a distance of
10-25 km from the city, it promotes the most efficient purification of the atmosphere and reduce the
adverse effects on the population. Currently, the sought part of city is surrounded by forests, which are
# 585 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Liubov A. Shaporova, Leng Hong… Nature Prerequisites for Zoning of Suburban Area of Krasnoyarsk City
on preservation. The north of the environment sector represented by fields and unused industrial lands
that are not detrimental to the environmental situation.
С. Recreational sector
In connection with the socio-political changes in the country areal impact of recreation and the
creation of new recreational landscape intensified in the development of Russian regions (especially
near large cities) in the late 20’s early 21th century. Below are shows the features of transformation
recreational landscape of the suburbia – partial degradation of system of public institutions, especially
the resort areas. Part of the resorts was closed and came into full desolation; others changed owners
and profile, and others in more or less preserved historical features. In general, the availability of
institutions “organized recreation” for the citizens greatly diminished.
There are several recreational areas in the vicinity of Krasnoyarsk city, some of them are equipped
for the rest, some are in the nature of natural vegetation, but is used for recreational purposes. To
characterize the recreational sector of suburban area of Krasnoyarsk City, isolate the main factors
influencing of its development.
Nature is the main factor in the development of the sector of recreation. Various recreational
areas require different natural conditions of vegetation and topography. In terms of attractive appeal
in this situation is interesting mountainous terrain presented in Krasnoyarsk East Sayan mountains –
one of Altai-Sayan region mountain systems.Another attractive for recreational side of nature is a
hydrological network. The main water objects on territory of Krasnoyarsk are Yenisei river and its small
tributaries (Bazaikha, Kacha, Berezovka). Yenisei is the biggest river in the country. Its length is 3487 km,
the square of water collection is 2580 thous. km2. Within Krasnoyarsk Yenisei, flowing from the West
to the East, has length of 30 km. the prevailing width is 500-600 m (the biggest 750 m and the smallest 300
m). In some places the depth reaches 6 m. Below the estuary of Kacha river, it is separated by islands into
channels. The biggest islands are Otdykha, Molokova, Tatysheva, Atamanova. Upstream the river is shut off
by the dam of Krasnoyarsk hydro-electric power station and its flowing is fully regulated, which changed
its natural hydrologic state.
At present public places of resort in Krasnoyarsk are suburban territories, such as: state nature
reserve ‘Stolby’, fun-park ‘Bobroviy log’, zoo ‘Roev ruchey’, botanic garden of Siberian Federal
University, forest area of Akademgorodok, birch wood of Studgorodok, mountain skiing complex
‘Kashtak’, mountain skiing complex ‘Nikolayevskaya sopka’, ski stadium ‘Vetluzhanka’, biathlon
stadium ‘Dinamo’. These areas are used both as sport objects and places of mass rest (Fig. 3).
A conclusion is that in suburban area of Krasnoyarsk city there is a lack of recreational zones.
The reason can be the absence of the necessary development of recreational infrastructure, insufficient
financing of already existing recreational objects. As a result of this analysis can identify the most
suitable location for the recreational sector: the south-western part of Berezovsky district.
D. Sector of suburban settlements
The history of suburbia in Krasnoyarsk started with a few planned communities. The early
suburbia in Krasnoyarsk was unplanned and sporadic. Now the process of suburbanization is part of
the total urbanization process, with urban planning and development now and in the future (Fig. 4). At
present, there are two areas for suburban housing development in Krasnoyarsk. The first area is near
# 586 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Liubov A. Shaporova, Leng Hong… Nature Prerequisites for Zoning of Suburban Area of Krasnoyarsk City
Fig. 3. Map of recreational centers in Krasnoyarsk City (Google map, Shaporova Liubov)
the federal highway M-53 from city to airport. The majority of this area near the federal highway will
be changed into family-housing for community. This area once was farmland, but it became private
property after privatization. The second one is near the Yenisei River in the east of the city. These
areas are very clean and have a good view. The other suburban areas of Krasnoyarsk City are farmland,
summer housing and nature reservation. The mountains in the western and southern part of the city are
regarded as the natural borders for development.
As the process of privatization take place in Krasnoyarsk city the need of urban planning and the
need for development of suburbia become more and more important. The focus of the discussion will
be on urban planning and suburban area in Krasnoyarsk city. It is important that territorial government,
region government and city governments need to have organized growth for agglomeration and the
development of suburban areas. Since the beginning of Soviet Union surrounding area in Krasnoyarsk
city was state owned farmland. This area is been utilized for the development for the Krasnoyarsk city
suburban area [8]. The plans for this territory include low-rise, residential, business and commercial
buildings. Immediate plans call for 24 different communities with using low-rise construction [6]. This
plan has a few reasons, said Nicolay Glushkov, the Minister of Construction and Architecture of the
Krasnoyarsk Region: the first two thirds of citizen lived outside the city, the second that this type of
building is economical and quick to build, and the third is this type of construction is good for healthy
lifestyle for the residents [9].
All of these conditions began to emerge after the collapse of the Soviet Union, and the characteristic
of the new Russia. Suburban housing is formed in Moscow, and extends for 50 km around the city. For
the Siberian cities of the end of 90 th was the beginning of suburbanization. Therefore, the process is
to continue, which contributes to the development of suburban housing.
# 587 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Liubov A. Shaporova, Leng Hong… Nature Prerequisites for Zoning of Suburban Area of Krasnoyarsk City
Fig. 4. Map of suburban settlements (http://www.dela.ru/articles/maloetazniy-krasnoyarsk/ )
For the development of housing one of the most influencing factors is natural. The difference
from the city apartments and suburban house is in location closed to nature. Therefore, for the
placement of housing in the suburbs of the attractiveness of the territory is important. As with
any construction plays an important role topography and geology, environmental condition of the
area.
The plain area, with solid rock is the most favorable location of housing settlements. If we consider
the vicinity of Krasnoyarsk on the availability of such relief, the gentle is the western part of the left
bank, dedicated to the West Siberian Plain. According to the administrative division, the territory is
in Yemelyanovsky area. The northeastern part of the suburb is also flat, but the location in the area of
a large steel plant which affects the environment. In this case, the environmental factor plays a crucial
role in the distribution of housing in the area.
The southwestern part of the relief expressed by the spurs of Eastern Sayan an elevation of 450550 meters and dark coniferous taiga. The area is attractive and environmentally friendly disposition
of its nature reserve, but the terrain is not favorable for construction. In this zone, very few areas
suitable for development of housing, only a small strip along the shore of the Yenisei River.
As a result represented by the analysis of the situation that exists in housing suburbs of Krasnoyarsk,
there are several key points. First, there is for now the two centers of the housing sector. In accordance
with natural and economic indicators rational distribution of suburban settlements is in the north-west
Yemelyanovsky area at a distance of 510 km from the city. In this area there is already incorporated
several towns of building sites for future settlements.
# 588 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Liubov A. Shaporova, Leng Hong… Nature Prerequisites for Zoning of Suburban Area of Krasnoyarsk City
Conclusions
So, it was the characteristic of suburban development to all sectors of the city of Krasnoyarsk in
connection with nature case. As mentioned above, each sector is characterized in accordance with the
proposed criteria for analysis. The main reasons of research this area is transitional changes in Russia
and its influence in suburban development. The result of analysis is the location of all functional
sectors in connection with a variety of natural and economic conditions.
By analyze the nature condition in suburban area of Krasnoyarsk city author concluded that:
1. The most favorable areas for agriculture are the northern Yemelyanovsky region and east part
of Berezovsky region.
2. The most favorable location of the environmental sector around the city throughout a distance
of 10-25 km from the city
3. The most suitable location for the recreational sector: the south-western part of Berezovsky
district.
4. Rational distribution of suburban settlements is in the north-west Yemelyanovsky area at a
distance of 5-10 km from the city.
This conclusions based on principles of urban planning, geographical characteristics of the area,
landscape features. In future author continue to research suburban development in other cases, with
also have influence in this area.
References
[1] http://www.newslab.ru/news
[2] Шинкевич, Н.Б. // Край родной, Красноярский: из опыта работы. Красноярск: Издво КГПУ им. В.П.Астафьева, 2005. С. 145–157.
[3] Красноярск: Этапы исторического пути. Красноярск: Буква, 2003.
[4] Архипов С.А. Этапы формирования современного рельефа. Четвертичный период.
Западно-Сибирская равнина / ред. В.А. Николаев. М.: Наука, 1970. С. 66–173.
[5] Социальное положение и уровень жизни населения России (20012009).
[6] Чеха В.П. // Исторические чтения памяти М.П. Грязнова. Омск: Омский университет,
1997. С. 179–180.
[7] Климат Красноярска / ред. Ц.А. Швер, А.С. Герасимовой. Л.: Гидрометеоиздат, 1982.
180 с.
[8] Мокринец К.С. // География и геоэкология Сибири. Красноярск: Изд-во КГПУ
им. В.П.Астафьева, 2009. Вып. 3. С. 249253.
[9] Мирошинков А.Е. // Биоразнообразие и редкие виды растений Средней Сибири.
Красноярск, 1995. С. 6667.
[10] Царев В. И., Крушлинский В. И. Красноярск: история и развитие градостроительства.
Красноярск: Кларетианум, 2001.
[11] Винская В. Малоэтажный формат // Проекты Красноярья. 2009. № 38.
[12]Винская В. Загородная жизнь: ловушки для горожан // Проекты Красноярья. 2009.
№ 12.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Liubov A. Shaporova, Leng Hong… Nature Prerequisites for Zoning of Suburban Area of Krasnoyarsk City
Природные предпосылки зонирования
пригородной территории города Красноярска
Л.А. Шапорова,
Ленг Хонг, Сюй Санинг
Харбинский технологический институт,
Китай 150001, Харбин, Хэйлудзян,
ул. Западная Да-Чжи 66, 1523
Пригородная зона как многофункциональная территория решает несколько проблем города.
Эта зона способствует экологической защите города, отдыху горожан, обеспечивает их
необходимыми продуктами питания, а также сочетает в себе функции экономического и
научного роста и развития города. Пригородная зона крайне важна в исследовании вопросов
развития территорий городов и стран, особенно с учетом набирающего популярность
процесса субурбанизации. Российская экономика в настоящий момент находится в переходной
фазе развития. В результате экономических и политических реформ изменились отношения
между городом и деревней, городом и его пригородной территорией. Процесс субурбанизации
получил свое развитие в крупнейших городах России, в том числе и в Красноярске. Современный
Красноярск – это город с населением более 1 млн чел., расположенный на площади в 34115 га. В
данной статье представлен анализ функций современной пригородной зоны и их зависимость
от природного компонента. В соответствии с полученными данными авторы предлагают
функциональное зонирование территории пригорода Красноярска.
Ключевые слова: пригородная зона, Красноярск, функциональное зонирование.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 5 (2013 6) 591-604
~~~
УДК 502.3:006.015.5(571.51)
Качество атмосферного воздуха
на границе СЗЗ южной промзоны
г. Ачинска
Т.А. Кулагина*,
Т.Н. Кузьменко, М.Е. Грищенко
Сибирский федеральный университет,
Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
Received 03.06.2013, received in revised form 29.06.2013, accepted 29.07.2013
Проведен анализ твердых аэрозолей атмосферного воздуха на границе санитарно-защитной
зоны.
Ключевые слова: твердые аэрозоли, рентгенографический анализ, дифрактограмма.
Введение
Стационарные наблюдения за качеством атмосферного воздуха промышленных центров
Красноярского края в 2011 году проводили специализированные подразделения Красноярского
центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с региональными функциями (ЦГМС-Р) в шести городах: Ачинске, Канске, Красноярске, Лесосибирске, Минусинске и
Назарово (табл. 1).
При ИЗА5<5, СИ<1, НП<10 % – уровень загрязнения низкий; при ИЗА5>14, СИ>10,
НП>50 % – уровень загрязнения очень высокий.
Бп – бенз(а)пирен, Ф – формальдегид, ВВ – взвешенные вещества, NО2 – диоксид азота,
NH3 – аммиак.
Уровень загрязнения атмосферы четырех городов (Ачинск, Красноярск, Лесосибирск и
Минусинск) по комплексному индексу загрязнения (ИЗА5) характеризуется как очень высокий.
Приоритетными для большинства городов загрязняющими примесями являются бенз(а)пирен,
формальдегид, взвешенные вещества, диоксид азота.
Наибольший объем валовых выбросов от стационарных и передвижных источников в 2011
г. имеет Норильский промышленный район – 1973,8 тыс. т (в 2010 г. – 1943,9 тыс. т). К числу
других городов края с наибольшими объемами валовых выбросов относятся: Красноярск –
279,3 тыс. т, Ачинск – 65,6 тыс. т, Зеленогорск – 69,9 тыс. т, Назарово – 62,3 тыс. т.
От стационарных источников, расположенных на землях г. Ачинска и Ачинского района,
в атмосферный воздух поступает 48 000 т выбросов вредных веществ; из них 44 110 т – вы*
© Siberian Federal University. All rights reserved
Corresponding author E-mail address: tak.sfu@gmail.com
# 591 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т.А. Кулагина, Т.Н. Кузьменко… Качество атмосферного воздуха на границе сзз южной промзоны г. Ачинска
Таблица 1. Характеристика загрязнения атмосферного воздуха в городах Красноярского края [1]
Город
Численность
населения, чел.*
ИЗА5 Примесь (вещество)
СИ
НП
Степень
загрязнения
Ачинск
110 393
19,21
Ф, Бп, ВВ, NО2
10,4
18,7
Очень высокий
Канск
94 046
4,97
Бп
3,5
0,3
Низкий
Красноярск
979 625
23,75
Бп,Ф, ВВ, NО2, NН3
20,0
27,7
Очень высокий
Лесосибирск
66 262
14,44 Бп,Ф, ВВ, фенол
9,4
4,0
Очень высокий
Минусинск
73 980
14,91
Бп,Ф, ВВ
8,6
6,4
Очень высокий
Назарово
52 717
10,70
Бп,Ф, ВВ
11,7
0,0
Высокий
Примечания: 1. СИ – стандартный индекс – наибольшая концентрация примеси, деленная на ПДК, из данных
измерений за всеми примесями в городе за год; НП – наибольшая повторяемость превышения ПДК из данных
измерений на всех постах за всеми определяемыми примесями; ИЗА5 – комплексный индекс загрязнения атмосферы
по пяти приоритетным для города загрязняющим веществам.
бросы всех предприятий Южной промзоны (91,9 %), 36 919 т – выбросы ОАО «РУСАЛ Ачинск»
(76,9 %).
В Южную промзону г. Ачинска входят следующие предприятия: ОАО «РУСАЛ Ачинск»,
ООО «ООО «Ачинский цемент», ООО «Глинозёмсервис», ООО «РУСАЛ Транспорт Ачинск»,
ООО «ДПМК Ачинская», ГП КК «Ачинское ДРСУ», Ачинское ППЖТ – филиал ОАО «ВостокСибпромтранс», ЗАО «ЮИИ-Сибирь».
Целесообразность организации в Красноярском крае производства глинозема определялась большими запасами нефелиновой руды, расположенными в Кемеровской области, в 265
км от Ачинска, залегающими рядом с площадкой комбината известняков, удобными транспортными развязками с выходом на Транссибирскую магистраль и крупнейшим потребителем
глинозема в г. Красноярске.
Первая очередь комплекса объектов по переработке Кия-Шалтырских нефелиновых руд
была сдана в эксплуатацию в составе трех технологических линий 22 апреля 1970 г. В сентябре
1972 г. мощности комбината по производству глинозема введены в полном объеме.
Проектная мощность комбината по выпуску глинозема (900 тыс. т в год) была достигнута
в 1989 г.
С учетом высокого уровня загрязнения данной территории организация санитарнозащитной зоны (CЗЗ) является необходимым элементом в системе защиты населения от негативного воздействия.
Методология проведения исследования
В рамках выполнения НИР в СФУ разработана санитарно-защитная зона (СЗЗ) для этой
производственной площадки [2]. Общее количество источников выброса вредных веществ, находящихся на территории Южной промзоны г. Ачинска, составляет 325 штук. Большая часть
применяемых технологий не отвечает современным требованиям, поэтому необходимо найти
пути повышения экологической безопасности теплотехнологических установок с использованием полученных научных результатов [3, 4].
# 592 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т.А. Кулагина, Т.Н. Кузьменко… Качество атмосферного воздуха на границе сзз южной промзоны г. Ачинска
Однако на границе СЗЗ в приземном слое атмосферы на составе пыли может сказываться
ветровой унос пыли с городской территории и сельскохозяйственных земель.
СЗЗ – это специальная территория с особым режимом использования, размер которой обеспечивает уменьшение воздействия загрязнения на атмосферный воздух до приемлемых значений, установленных гигиеническими нормативами, и риска здоровью населения.
СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 «Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов» (утвержден Постановлением Главного государственного санитарного врача Российской Федерации № 74 от 25.09.2007 г., зарегистрирован Минюстом России 25.01.2008 г., регистрационный № 10995) требует устанавливать окончательный
размер СЗЗ. Расчетные границы должны быть подтверждены результатами натурных исследований атмосферного воздуха и измерений физических факторов воздействия на атмосферный
воздух.
Лабораторные исследования атмосферного воздуха и измерения физических воздействий
на атмосферный воздух проводятся на границе СЗЗ промышленных объектов, а также в жилой
застройке не менее 50 дней исследований в каждой точке (табл. 2).
Отобранные образцы пыли подвергали рентгенографическому анализу, возможность использования которого для исследования кристаллических веществ основана на том, что длина
волны их рентгеновского излучения сопоставима с расстоянием между упорядоченно расположенными атомами в решётке кристаллов, которая для рентгеновских лучей является естественной дифракционной решеткой. Сущность рентгенографических методов анализа заключается в изучении дифракционной картины, получаемой при отражении рентгеновских лучей
атомными плоскостями.
Основа рентгенографического анализа – уравнение Вульфа-Брэгга, связывающее угол падения (или отражения) на атомную плоскость рентгеновского луча с длиной волны и величиной межплоскостного расстояния:
nλ = 2d sinθ,
где n – целое число (1, 2, 3 и т.д.), называемое порядком отражения; λ – длина волны рентгеновского луча; d – величина межплоскостного расстояния; θ – угол падения (или отражения) на
атомную плоскость рентгеновского луча. Отраженный пучок рентгеновских лучей, который
Таблица 2. План-график определения химического загрязнения на границе СЗЗ
«Рецепторная»
точка
Наименование
ингредиента
Период
наблюдения
Количество
проб
Программа
исследования
Контроль
качества
На границе СЗЗ
и в жилой зоне
Твердые частицы
(пыль), в том
числе Al2O3, CaO,
Na2CO3, SiO2
NaОН,
Б(а)П
Октябрь-ноябрь –
20 дней,
декабрь-февраль –
10 дней,
март-апрель
– 10 дней,
июнь-июль
– 10 дней
50
Подфакельные замеры
5%
Примечание: точку на границе СЗЗ и в жилой зоне выбирают по оси факела, в зависимости от направления ветра.
# 593 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т.А. Кулагина, Т.Н. Кузьменко… Качество атмосферного воздуха на границе сзз южной промзоны г. Ачинска
может быть зарегистрирован, возникает только в том случае, если соблюдается указанное равенство.
Лучи, отраженные в других направлениях под углами, не удовлетворяющими уравнению Вульфа-Брэгга, взаимно гасятся. Величины межплоскостных расстояний, т.е. расстояния
между двумя соседними параллельными и кристаллографическими идентичными атомными
плоскостями в решетке кристалла, являются важнейшими константами, характеризующими
структуру данного вещества.
Рентгенографические методы анализа широко используются в настоящее время для
изучения структуры, состава и свойств различных материалов. Широкому распространению
рентгенографического анализа способствовала его объективность, универсальность, точность
и возможность решения разнообразных задач, часто недоступных для других методов исследования.
Для получения первичного рентгеновского излучения используют рентгеновские трубки,
входящие в состав рентгеновских аппаратов. Для регистрации рентгеновских лучей применяют счетчики квантов рентгеновского излучения. Наиболее часто используют ионизационные
(типа Гейгера-Мюллера) и сцинтилляционные счетчики квантов. Применяются различные методы и схемы съемки рентгенограмм. Выбор метода и схем съемки определяется конкретной
задачей рентгенографического анализа, формой и размером исследуемого образца, а также разрешающей способностью того или иного метода, т.е. возможностью данного метода дать достаточно четкое разделение расстояния между двумя близко расположенными на рентгенограмме
рефлексами.
Основным методом рентгенофазового анализа является метод порошка (Дебая-Шеррера),
который позволяет определять фазовый состав, измерять параметры их элементарных ячеек
кристаллов, изучать симметрию, степень окристаллизованности. Все эти определения выполняются на малых количествах образца (несколько миллиграмм). Объектами рентгеновского
исследования могут быть также мелкодисперсные (порядка микрометра) и непрозрачные кристаллические вещества и их смеси.
На стандартных дифрактометрах общего назначения съемки ведут по схеме БрэггаБрентано. В гониометре (рис. 1) источник излучения F и щель S2 счетчика С располагаются на
окружности радиусом R1, в центре которой находится плоский образец Р. Радиус фокусирующей окружности rf = R1 / sin2θ меняется при измерении угла отражения θ. Для строгого выполнения условий фокусировки необходимо сообщать поверхности образца кривизну, зависящую
от угла θ.
На гониометре устанавливают также сменные (или регулируемые) щели S1 и S2, ограничивающие расходимость первичного пучка в плоскости фокусировки (горизонтальной
плоскости) и в плоскости, перпендикулярной плоскости фокусировки (вертикальной плоскости).
На дифрактометре все управление производится с помощью специального пакета программ. Специальное программное обеспечение позволяет проводить автоматическую съемку
рентгенограмм по точкам. При этом обеспечивается смещение образца и счетчика на заданный
угловой интервал (шаг), автоматическое включение счетного устройства, регистрация результатов счета и угла поворота счетчика. Информация сохраняется в файле с соответствующим
# 594 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т.А. Кулагина, Т.Н. Кузьменко… Качество атмосферного воздуха на границе сзз южной промзоны г. Ачинска
Рис. 1. Рентгенооптическая часть дифрактометра: а – гониометр с рентгеновской трубкой, держателем
образца, детектором; б – рентгенооптическая схема дифрактометра с фокусировкой по Брэггу-Бретано;
ход лучей в плоскости фокусировки
расширением, что позволяет производить соответствующую обработку полученных результатов.
Снимают плоский препарат в расходящемся пучке рентгеновских лучей. Образец и счетчик вращаются автоматически в горизонтальной плоскости вокруг общей вертикальной оси
гониометра с соотношением скоростей vсч = 2vобр. При этом счетчик измеряет интенсивность
дифракционной картинки последовательно под разными углами отражения, в результате фиксируется кривая зависимости интенсивности дифракционной картины от угла отражения –
дифрактограмма.
Каждое кристаллическое вещество характеризуется атомным составом, кристаллической
решеткой и расположением атомов в элементарной ячейке и поэтому дает специфическую
рентгеновскую дифракционную картину. Таким образом, получаемая в эксперименте рентгеновская дифракционная картина многофазного поликристаллического образца есть сумма
рентгенограмм всех фаз, находящихся в образце. Дифракционной характеристикой вещества
служит спектр значений межплоскостных расстояний d и относительных интенсивностей отражений I от этих плоскостей.
Фазовый рентгеноструктурный анализ основан на том, что каждая фаза имеет свою специфическую кристаллическую решетку с определенными параметрами и ей соответствует на
рентгенограмме своя система линий. Поэтому в общем случае при съемке вещества, представляющего собой смесь нескольких фаз, получается рентгенограмма, на которой присутствуют
линии всех фаз, входящих в состав образца. Проводя индицирование линии рентгенограммы,
можно получить данные о качественном составе исследуемого вещества. Применив специальные методики фазового анализа, можно определить не только качественный, но и количественный фазовый состав. Интенсивность линий различных фаз на рентгенограмме зависит от
многих факторов, в том числе и от количества той или иной фазы. С увеличением содержания
# 595 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т.А. Кулагина, Т.Н. Кузьменко… Качество атмосферного воздуха на границе сзз южной промзоны г. Ачинска
фазы в смеси интенсивность принадлежащих ей линий возрастает. Однако надежное определение той или иной фазы в смеси возможно лишь при определенном количестве данной фазы.
Уменьшение количества какой-то фазы может привести к практически полному исчезновению
её линий на рентгенограмме. Под чувствительностью метода фазового анализа понимают минимальное количество фазы в смеси, которому соответствует достаточное для надежного её
определения число линий на рентгенограмме. Чувствительность методов фазового анализа
зависит от многих факторов: отражательной способности атомных плоскостей (точнее, рассеивающей способности атомов, составляющих данные плоскости решетки); соотношения коэффициентов поглощения всей смеси и определяемой фазы; доли некогерентного рассеяния
(фона) на рентгенограмме; величины искажений решетки искомой фазы; величины кристаллов.
Чем выше отражательная способность атомных плоскостей искомой фазы и чем слабее фон
на рентгенограмме, тем выше чувствительность метода. Чувствительность ниже при меньшем
коэффициенте поглощения искомой фазы и при наличии в исследуемом объекте остаточных
микронапряжений, а также в случае малых размеров кристаллов (менее 10 -6 см).
Для решения вопроса о том, какая фаза присутствует в пробе, нет необходимости в определении её кристаллической структуры, а достаточно, рассчитав рентгенограмму или дифрактограмму, снятую по методу порошка, сравнить полученный ряд межплоскостных расстояний с
табличными значениями. Совпадение (в пределах ошибок эксперимента) опытных и табличных
значений d/n и относительной интенсивности линий позволяет однозначно идентифицировать
присутствующую в образце фазу. Сравнение с табличными результатами начинают с наиболее
интенсивных линий. Если 34 наиболее интенсивные линии предполагаемой фазы отсутствуют,
то полученные значения d/n следует сравнивать с табличными для другой фазы. Межплоскостные расстояния для различных неорганических фаз имеются в ряде справочников. Наиболее
полный и постоянно обновляемый определитель фаз – картотека ASTM (Американское общество испытаний материалов). В таблице 3 представлена одна из карточек этой картотеки. В
карточке указывается химическая формула соединения, пространственная группа, периоды
элементарной ячейки, межплоскостные расстояния и индексы дифракционных линий. Приведен полный перечень линий данного вещества и их относительные интенсивности, а также
условия съемки рентгенограммы. Могут быть включены также такие физические характеристики, как плотность, цвет, оптические свойства. В верхней части карточки указаны d/n трех
самых сильных линий и их относительные интенсивности, а также линия с наибольшим межплоскостным расстоянием.
Если в анализируемом образце присутствуют несколько фаз, то рентгенограмма является результатом наложения дифракционных картин от всех этих фаз, причем интенсивность
каждой линии зависит от ее относительной массы. В таком случае пользование таблицами наталкивается на определенные трудности, поскольку наиболее сильные линии рентгенограммы
могут принадлежать разным фазам и возникает необходимость проверки большого числа их
возможных комбинаций. Для повышения чувствительности метода фазового анализа необходимо правильно подобрать условия съемки. Прежде всего для уменьшения фона, вызванного
сплошным спектром, испускаемым рентгеновской трубкой, следует выбирать рабочее напряжение U = 3÷4 U0 (U0 – потенциал возбуждения характеристического излучения материала
анода). При применении селективно поглощающего фильтра, кроме ослабления сплошного
# 596 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т.А. Кулагина, Т.Н. Кузьменко… Качество атмосферного воздуха на границе сзз южной промзоны г. Ачинска
Таблица 3. Образец карточки картотеки ASTM
d
3.46
2.70
1.85
4.78
I/I1
100
100
100
60
Ti2O5
Titanium oxide (Anosovite)
Rad. CuKα λ 1.548 Filter Ni Dia. 86.0
d, A
I/I1
hkl
Cutt off I/I1 Visual estimate
4.78
60
020
Ref. Zdanov and Rusakov. Doklad Akad. Nauk
SSSR 82
3/46
100
110
2.70
100
023
2.42
60
130
3/37
40
040
2.17
60
024
2.14
20
042
1.93
1.85
80
100
043
200
901 (1925) and Min. Ass. 11 415-536(1952)
Sys. Orthorhombic S.G.D172H – Cmem
a0 3.754 b0 9.474 c0 9.734 A 0.396 C 1.027
α β γ Z4 Dx 4.29
Ref. Ibid.
εα nωβ εγ Sign
2V D 4.19 mp Color
Ref. Ibid.
Synthetic material and from Ti – rich blast furnace Slags
Примечание: d, A – межплоскостные расстояния, нм; I/I1 – интенсивность линий; h, k, l – индексы отражающих
плоских сеток.
спектра, можно избавиться от β-линий, затрудняющих идентификацию фаз в многофазных
композициях. Поликристаллические образцы следует во время съемки вращать, с тем чтобы
увеличить количество отражений, участвующих в создании рентгеновской картины. Применение кристалламонохроматора также позволяет устранить фон от сплошного излучения. Повысить чувствительность метода можно и соответствующим приготовлением образца.
Результаты исследования и обсуждения
Граница СЗЗ Южной промзоны с обозначением точек, в которых отбирают пробы пыли на
анализ, представлена на рис. 2.
Точка 2. Ветер юго-западный. Представлены пробы пыли от 14.05.12 (№ 1), 15.05.12
(№ 2), 22.05.12 (№ 3), 23.05.12 (№ 4), 24.05.12 (№ 5), 28.05.12 (№ 6). Дифрактограмма приведена
на рис. 3.
Анализ дифрактограмм показывает, что во всех образцах пыли основными компонентами
являются NaCl (d = 2,81; 1,99; 1,62 Å) и KCl (d = 3,12; 2,21; 1,81 Å). Во всех пробах наблюдаются
линии кварца (d = 4,21; 3,32; 2,45; 1,81 Å). Дифракционные максимумы с очень малой интенсив# 597 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т.А. Кулагина, Т.Н. Кузьменко… Качество атмосферного воздуха на границе сзз южной промзоны г. Ачинска
(
)
Рис. 2. СЗЗ Южной промзоны г. Ачинска
ностью (d = 2,77; 2,73, 2,69, 1,90 Å) (менее 5 %) относятся к β-C2S, С3А, полевым шпатам (d = 3,23;
3,18 Å). В пробе №4 концентрация клинкерных минералов β-C2S и С3А несколько выше, чем
в остальных пробах. Кроме того, в этой пробе наблюдаются линии (d = 4,85, 2,86, 2,80, 2,60,
2,43, 2,39 Å), относящиеся, по-видимому, к двойной соли KnaSO4, содержание которой незначительно. В этой пробе и в пробе № 3 возможно также присутствие незначительного количества
нефелина (d = 2,99; 2,38 Å).
Точка 3. Ветер западный. Пробы пыли от 17.05.12 (№ 7), 22.05.12 (№ 8), 24.05.12 (№ 9).
Дифрактограмма приведена на рис. 4. Основной состав пыли так же, как и в предыдущем
случае, составляет NaCl, KCl. Несколько отличается от остальных проб проба № 7, в которой
преобладает кальцит CaCO3 (d = 3,82; 3,028; 2,08 Å), имеются примеси гематита (d = 2,69; 2,51
Å), полевых шпатов (d = 4,02; 3,19 Å), нефелина (d=3,83, 2,99 Å).
Точка 4. Ветер северо-западный. Пробы от 30.05.12 (№ 10), 31.05.12 (№ 11), 13.06.12 (№ 12)
Дифрактограмма приведена на рис. 5.
# 598 #
100
0
500
400
300
200
800
700
600
1200
1100
1000
900
1500
1400
1300
1900
1800
1700
1600
2300
2200
2100
2000
2600
2500
2400
3000
2900
2800
2700
3300
3200
3100
d=2.99607
30
2-Theta - Scale
40
50
d=1.81104
d=1.99439
d=2.08254
d=2.18673
d=2 .21875
d=2.69319
d=2.77408
d=2.73686
d=2.8 1944
d =3.18485
d =3.13679
d=3.25018
d=3.33795
d=3.83724
File: Bes nasv.raw - Type: 2Th/Th lo cked - Start: 8.00 0 ° - End: 58 .507 ° - Step : 0.00 8 ° - Step time: 15.4 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Starte d: 7 s - 2-Theta: 8.000 ° - Theta: 4.000 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° - X: 0.0
Operations: Y Scale Mul 1.458 | Smooth 0.150 | Strip kAlpha2 0.500 | Import
20
d=2.54421
Рис. 3. Дифрактограмма пыли, отобранной в точке 2, ветер юго-западный
Lin (Counts)
3500
3400
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
20
d=2.997 81
30
d=2.5165 7
d=2.2 1823
40
2-Theta - Scale
d=1.81405
50
d=1.57002
d=1.62591
d=1.68565
d=1.99374
d=2.6 0270
d=2.881 86
d=2.81357
d=3.24879
d=3.133 90
d=3.33753
d=3.65324
d=4.01640
d=4.24485
File: T3 sapad t19.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 8.000 ° - E nd: 61.583 ° - Step: 0.008 ° - S tep time: 15 .4 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 8 s - 2-Theta: 8.000 ° - Theta: 4.000 ° - Chi: 0.00 ° - Ph i: 0.00 ° - X:
Operations: Y Scale Mul 1.800 | Smooth 0.150 | Strip kAlpha2 0.500 | Import
16
d=2.7 3864
d=2.70558
Рис. 4. Дифрактограмма пыли, отобранной в точке 3, ветер западный
Lin (Counts)
1600
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
14
d=3.00383
d=2.9
8128
d=2.93289
30
d=2.21749
d=2.29146
d=2.2 6919
d=2.35514
d=2.40828
d=2.4 5656
d=2.5 1626
2-Theta - Scale
40
d =1.81216
50
d=1.569 53
d=1.63940
d=1.95935
d=1.99148
d=2 .05585
d=3.33958
d=3.25574
d=3.19262
d=3.1 3096
d=3.73107
d=4 .09072
d=4.01408
d=4.23148
d=4.8 7784
d=5.4 3862
d=5.18749
60
File: Tos 2 4f EPG.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 8.00 0 ° - End: 6 4.723 ° - Ste p: 0.0 08 ° - Step time: 30.8 s - Temp .: 25 °C (Room) - Time Started: 8 s - 2-Theta: 8.000 ° - Theta: 4.000 ° - Ch i: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° - X:
Operations: Y Scale Mul 1.542 | Smooth 0.150 | Strip kAlpha2 0.500 | Import
20
d=2.70271
d=2.68692
Рис. 5. Дифрактограмма пыли, отобранной в точке 4, ветер северо-западный
Lin (Counts)
d=2.81
d=2.81482
d=2.84 113
1700
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т.А. Кулагина, Т.Н. Кузьменко… Качество атмосферного воздуха на границе сзз южной промзоны г. Ачинска
Основными фазами также являются NaCl и KCl. В пробе № 10 наблюдается заметное количество двойных солей калия и натрия KNaSO4 (d = 4,90, 4,03, 2,88, 2,61 Å) и (Na,K)2SO4 (d = 2,94,
2,85, 2,45 Å), незначительное количество двойных солей калия и натрия наблюдается и в пробе
№ 11. Содержание кварца SiO2 (d = 3,34 Å), β-C2S, нефелина (d = 4,91; 3,00; 2,35 Å), гематита
Fe2O3 (d = 2,69; 2,51 Å) незначительно.
Точка 7. Ветер восточный. Пробы пыли от 01.06.12 (№ 13), 09.06.12 (№ 14). Дифрактограмма приведена на рис. 6.
Преобладающей фазой в пробах № 13 и № 14 является KCl (d = 3,12 Å). Заметные количества NaCl (d = 2,80 Å) и незначительное содержание кварца SiO2 (d = 4,21, 3,32, 2,44 Å) наблюдаются в обеих пробах. В пробе № 13 присутствуют линии гематита Fe2O3 (d = 2,68; 2.51, 1.68 Å).
Кроме того, в пробе № 14 отмечаются незначительные количества нефелина (d = 3,00; 2,37 Å) и
β-C2S (d = 2,77, 2,73, 2,68 Å).
Рентгенофазовый анализ проб пыли показывает, что состав практически всех образцов
пыли, в основном, представлен хлоридами калия и натрия, концентрация остальных компонентов в пробах в большинстве случаев незначительна.
Полученные результаты экспериментальных исследований дают возможность классифицировать твердые аэрозоли атмосферного воздуха на границе СЗЗ Южной промзоны г. Ачинска как пыль неорганическую с содержанием SiO2 менее 20 % [5]. Для машинной обработки
данных этому веществу присвоен код 2909.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
20
d=2.9 9931
30
d=2.21272
d=2.44476
d=2 .52134
2-Theta - Scale
40
d=1.80963
50
d=1.55059
d=1.6551 1
d=1.625 49
d=1.682 83
d=1.98554
d=2.80547
d=3.12250
d=3.3198 9
d=3.24958
d=3.5 8669
d=4.21856
60
File: T 7 povt2 EPG.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 8.000 ° - End: 64.887 ° - Step: 0.009 ° - Step time: 30.8 s - Tem p.: 25 °C (Ro om) - Tim e Started: 8 s - 2-Theta: 8.000 ° - Theta: 4.000 ° - C hi: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° - X
Operations: Y Scale Mul 1.333 | Y Scale Mul 1 .292 | Sm ooth 0.150 | Strip kAlpha2 0 .500 | Import
14
d =2.68083
Рис. 6. Дифрактограмма пыли, отобранной в точке 7, ветер восточный
Lin (Counts)
1500
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т.А. Кулагина, Т.Н. Кузьменко… Качество атмосферного воздуха на границе сзз южной промзоны г. Ачинска
Список литературы
[1] О состоянии и охране окружающей среды в Красноярском крае за 2011 год. Красноярск,
2012. 320 с.
[2] Кулагина Т.А., Грищенко М.Е., Кузьменко Т.Н. // Вестник Ассоциации выпускников
КГТУ / ред. А.А. Михеев, В.А. Кулагин. Красноярск: ПИК «Офсет», 2011. Вып. 20. С. 58-60.
[3] Kulagina T.A., Troshkin O.A. // Chemical and Petroleum engineering. New-York: Kluwer
Academic. 2006. Vol. 42. № 78. P. 367-371.
[4] Кулагина Т.А., Каютин О.В. Грищенко М. Е. // Вестник Международной академии наук
экологии и безопасности жизнедеятельности (МАНЭБ). 2009. Т. 14. № 6. С. 93-105.
[5] Перечень и коды веществ, загрязняющих атмосферный воздух: Справочное издание.
7-я ред. СПб.: Компания «Интеграл», 2008. 438 с.
Air Quality in the Industrial Zone
of Southern Border SPZ Achinsk
Tatiana A. Kulagina,
Tatiana N. Kuzmenko and Maxim E. Grishchenko
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
The analysis of solid aerosol air at the border sanitary protection zone Achinsk.
Keywords: solid aerosols, X-ray analysis, X-ray diffraction.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 5 (2013 6) 605-613
~~~
УДК 621.311.001.57
Способ определения объектов
с нерациональным электропотреблением
в инфраструктуре бюджетных организаций
и учреждений муниципального уровня
Е.Ю. Сизгановаа*,
Р.А. Петухова, Д.В. Антоненковб
а
Сибирский федеральный университет,
Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
б
Северо-Восточный федеральный университет
им. М. К. Аммосова,
Россия 678960, Республика Саха (Якутия),
Нерюнгри, ул. Кравченко, 16
Received 21.05.2013, received in revised form 03.06.2013, accepted 19.07.2013
Рассмотрен способ определения очередности энергетического обследования (энергоаудита)
для объектов с нерациональным электропотреблением на основе интервального оценивания
параметрического рангового распределения. Использование способа позволит выявлять
и целенаправленно воздействовать на наиболее «слабые» объекты инфраструктуры
бюджетных организаций и учреждений муниципального уровня. Способ реализован в
пакете MathCAD и представлен на примере инфраструктуры образовательных учреждений
Нерюнгринского района.
Ключевые слова: нерациональное электропотребление, энергоаудит, интервальное оценивание,
ранговый анализ.
Введение
Отправной точкой развития программы повышения энергетической эффективности любой организации в свете Федерального закона Российской Федерации № 261-ФЗ является энергоаудит, который дает фиксируемую картину текущего состояния энергоэффективности, позволяет проанализировать использование энергетических ресурсов, затраты на них, выявить
места нерационального использования ресурсов, разработать программу энергосберегающих
мероприятий и проектов.
Способом определения в составе инфраструктуры бюджетных организаций и учреждений
муниципального уровня объектов, в течение длительного времени аномально потребляющих
электроэнергию и поэтому требующих первоочередного энергетического обследования, может
*
© Siberian Federal University. All rights reserved
Corresponding author E-mail address: seu_eset@mail.ru
# 605 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Е.Ю. Сизганова, Р.А. Петухов… Способ определения объектов с нерациональным электропотреблением…
Рис. 1. Определение объектов с нерациональным электропотреблением
служить одна из важнейших аналитических процедур рангового анализа [1, 3] – интервальное
оценивание параметрического рангового распределения [2] (рис. 1).
Ранговый анализ начинается с построения ряда табулированных ранговых распределений
по величине электропотребления, учреждению с максимальной величиной электропотребления Wmax = W1 присваивается ранг r1, следующий объект с W2 = W1 имеет ранг r2 и т. д. для всей
выборки. Учреждение, имеющее минимальное электропотребление Wmin = W N, будет иметь ранг
rN, равный общему числу организаций N.
Ранговое распределение бюджетных организаций и учреждений муниципального уровня
по электропотреблению разбивается на несколько интервалов с учетом следующих допущений:
− в каждом интервале должно быть не менее 10–12 точек,
− отклонения действительных значений электропотребления от соответствующих значений, полученных в результате аппроксимации, должны быть распределены внутри
интервала по нормальному закону.
При этом для каждого интервала можно записать уравнение вида [2, 3]:
ο
ሾఙሺ୼஀ሻሿ
௣
ൌ ʣିଵ ቀ ೏ ቁ,
(1)
ଶ
где Δ – ширина доверительного интервала в одну сторону от теоретической кривой; σ(ΔΘ) –
среднеквадратичное отклонение экспериментальных точек от теоретической кривой (в расчетах
௣
принимается эмпирический стандарт); ʣିଵ ቀ ଶ೏ቁ – обратная функция Лапласа Ф(t) =
ଵ
௧
‫݁ ׬‬
ଶగ ଴
ష೟మ
మ
݀‫ݐ‬
; pd – доверительная вероятность (принимается априорно).
Решение уравнения (1) позволяет определить ширину доверительного интервала на каждом из участков разбиения.
# 606 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Е.Ю. Сизганова, Р.А. Петухов… Способ определения объектов с нерациональным электропотреблением…
Современное компьютерное прикладное программное обеспечение позволяет осуществлять быструю, эффективную и корректную обработку данных любых объемов и сложности. Способ определения объектов с нерациональным электропотреблением реализован в
пакете MathCAD на примере инфраструктуры образовательных учреждений Нерюнгринского района.
Подготовка данных
После сбора информации об электропотреблении инфраструктуры образовательных
учреждений создается электронная база данных, которая представляет собой неупорядоченную совокупность значений электропотребления объектов инфраструктуры, сформированная
в виде двумерной таблицы. Строки таблицы соответствуют временным интервалам, в течение
которых исследовалась инфраструктура, а столбцы – объектам инфраструктуры. В каждой
ячейке таблицы содержится одно число, соответствующее электропотреблению (в кВт·ч) одного объекта на одном временном интервале. Данные должны быть сохранены в файле Microsoft
Excel «data.xls», который помещается в директорию «c:\mathcad_dat», заблаговременно созданную в корневом каталоге диска «c:\». Далее уже программными средствами осуществляется
импорт данных из файла «data.xls» в тело программы MathCAD
ܸV
C:\mathcad_dat\data.xls .
Сформированная двумерная матрица V содержит информацию об исследуемой инфраструктуре, причем каждая строка соответствует определенному временному интервалу (году),
а каждый столбец – объекту. Для исследования использовались собранные за восемь лет данные по электропотреблению инфраструктуры образовательных учреждений (49 объектов), расположенных на территории Нерюнгринского района.
Для упрощения дальнейшей работы в MathCAD матрицу необходимо транспонировать,
чтобы ее колонки являлись векторами параметров: W := VT.
В дальнейшем имеющиеся неупорядоченные фактические данные по электропотреблению
нужно проранжировать, т.е. расположить данные в порядке уменьшения значений электропотребления.
Листинг 1. Получение табулированного рангового распределения
ܼ݅‫݂݌‬ሺܻሻ ؔ
for i  1 cols( Y)
¢²
c m sort Y i
¢²
b i m reverse ( c)
b
С целью подготовки данных для дальнейшей работы программы определяется количество
исследуемых объектов
݊ ؔ Ž‡‰–Š൫ܼ݅‫݂݌‬ሺܹሻ‫ۃ‬ଵ‫ ۄ‬൯ ൌ Ͷͻ
и формируется вектор рангов: r := 1..n, Rr := r.
# 607 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Е.Ю. Сизганова, Р.А. Петухов… Способ определения объектов с нерациональным электропотреблением…
Для оценки динамики движения объектов инфраструктуры образовательных учреждений
по ранговой поверхности параметрического распределения необходима матрица рангов.
Листинг 2. Определение рангов для каждого объекта
ƒ‰ሺܹሻ ؔ ƒ‰ሺܸ ் ሻ் ƒ‰ሺܹሻ ؔ for j  1 cols( W)
im 1
¢ j²
amW
c m sort ( a)
b m reverse ( c)
for m  1 rows ( a)
for n  1 rows ( b)
Li j m n if am
bn
imi1
L
Для последующей статистической обработки данных большое значение имеет подбор аналитической зависимости, наилучшим образом описывающей совокупность эмпирических точек. В качестве стандартной задается двухпараметрическая гиперболическая форма [1,2]
ܹሺ‫ݎ‬ሻ ؔ
ௐ
௥ഁ
,
выбор которой объясняется традиционно сложившимся подходом среди исследователей, занимающихся ранговым анализом. Достоинство данной формы состоит в том, что она сводит
задачу аппроксимации к определению всего двух параметров.
Аппроксимация может осуществляться различными методами, каждый из которых обладает как достоинствами, так и недостатками. Например, метод наименьших квадратов. Суть
метода заключается в отыскании параметров аналитической зависимости, которые минимизируют сумму квадратов отклонений эмпирических значений (реально полученных в ходе рангового анализа инфраструктуры образовательных учреждений) от значений, рассчитанных по
аппроксимационной зависимости [2, 3, 5-7].
Листинг 3. Вычисление коэффициентов регрессии
ܶሺܹǡ ‫ݎ‬ሻ ؔ n m length( W)
n
¦
E
m
i
ln Wi ˜
1
n
¦
i
ln r i n ˜
1
n
¦
i
ln Wi ˜ln r i 1
2
n
§ n
·
¨
ln r i ¸ n ˜
ln r i 2
¨
¸
i 1
©i 1
¹
n
ª1 § n
·º
W1 m exp« ˜ ¨
ln Wi E ˜
ln r i ¸»
«n ¨
¸»
i 1
¬ ©i 1
¹¼
¦
¦
¦
¦
WW m stack ( E W1)
WW
# 608 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Е.Ю. Сизганова, Р.А. Петухов… Способ определения объектов с нерациональным электропотреблением…
‫ܪ‬ሺܼሻ ؔ j m 1
while j cols( V) 1
¢²
¢²
X j m Z V j R
j mj 1
X
Входными аргументами функции T(W, r) являются векторы параметрического распределения V (для одного временного интервала) и рангов R. Функция H(Z) позволяет вычислить
коэффициенты регрессии для всех распределений за рассматриваемый интервал времени.
Интервальное оценивание
Согласно принятым допущениям относительно значений электропотребления объектов,
выходящих за пределы доверительного интервала, можно будет сделать следующие выводы.
Если точка входит в доверительный интервал, то в пределах гауссового разброса параметров
можно судить, что данный объект потребляет электроэнергию нормально для своего интервала разбиения рангового распределения. Если точка находится ниже доверительного интервала,
то это, как правило, свидетельствует о нарушении нормального технологического процесса
электропотребления на данном объекте (частые отключения электроэнергии, неплатежи, избыточная экономия и т.п.). Если точка находится выше интервала, то на соответствующем объекте имеет место аномально большое потребление электроэнергии. Именно на эти объекты в
первую очередь должно нацеливаться углубленное энергетическое обследование (энергоаудит)
[2,3].
Листинг 4. Линеаризация данных
В качестве исходных данных используются [4]:
матрица коэффициентов регрессии
coef := H(T)T;
вектор рангов объектов
r := R;
количество объектов
n := rows(M) = 49, i := 1..n;
вектор электропотребления, (кВт⋅ч),
Y := M‹Time›
где M := Zipf(W) – матрица табулированного рангового распределения электропотребления образовательных учреждений Нерюнгринского района за рассматриваемый временной интервал
Time (в качестве примера рассмотрен Time := 6 – шестой временной интервал, что соответствует 2009 году).
Линеаризуем и логарифмируем векторы эмпирических данных Y по электропотреблению
образовательных учреждений
# 609 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Е.Ю. Сизганова, Р.А. Петухов… Способ определения объектов с нерациональным электропотреблением…
Yl := ln(Y)
и рангов r
rl := ln(r).
Создаем вектор единиц
pi := 1
и объединяем его с вектором рангов r
X := augment(p, rl).
Считываем коэффициенты регрессии, вычисленные методом наименьших квадратов для
вектора электропотребления Y
β := coef Time, 1 = 1.21, Wl := coef Time, 2 = 1.976 · 106,
и получаем уравнение аппроксимационной кривой [3,4] ‫ ؔ ݉ݕ‬ௐ௟ഁ
௥
Листинг 5. Определение доверительного интервала распределения
Вычисляем остаточное среднее квадратическое отклонение
ͳ
ଶ
ܵؔඨ
෍൫ܻ݈௜ െ Žሺ‫݉ݕ‬௜ ሻ൯ ൌ ͳǤ͹ʹͻ
݊െ͵
௜
и коэффициент Стьюдента [4, 5]
‫ ݐݍ ؔ ݐ‬ቀͳ െ
ଵ
ଶ଴
ǡ ݊ െ ͵ቁ ൌ ͳǤ͸͹ͻ.
Рассчитываем ковариационную матрицу для линеаризованной модели:
‫ ؔ ܥ‬ሺܺ ் ȉ ܺሻିଵ ൌ ቀ
ͲǤʹͷ
െͲǤͲ͹ͺ
െͲǤͲ͹ͺ
ቁ
ͲǤͲʹ͸
‫ܺؔ ܦ‬ȉ‫ܥ‬
‫ ܦ ؔ ܭ‬ȉ ்ܺ.
Извлекаем диагональные элементы из квадратной матрицы:
‫ܦ‬ሺ‫ܯ‬ሻ ؔ n m rows ( M)
for i  1 rows ( M)
for j  1 rows ( M)
Wi m Mi j if i
j
W
ܸ ؔ ‫ܦ‬ሺ‫ܭ‬ሻ
்
ܸ݈ ؔ ܸ .
Строим доверительные границы для расчетных данных (рис. 2):
ሬሬሬሬሬሬሬሬሬԦ
ܸ ؔ ξܸ݈ ்
݀ ؔ‫ݐ‬ȉܵȉܸ
ܻ‫Ž ؔ ܮ‬ሺ‫݉ݕ‬ሻ
Линейные верхняя yd12 := YL + d и нижняя yd11 := YL – d границы интервала.
Нелинейные верхняя yd2:=exp(yd12) и нижняя yd1:=exp(yd11) границы интервала (рис. 3).
Выявление объектов с аномальным электропотреблением
Определяем количество точек, находящихся выше и ниже доверительного интервала, а также попавших в него (рис. 3):
# 610 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Е.Ю. Сизганова, Р.А. Петухов… Способ определения объектов с нерациональным электропотреблением…
Рис. 2. Доверительный интервал для линеаризованного рангового параметрического распределения
инфраструктуры образовательных учреждений (фрагмент)
Рис. 3. Доверительный интервал для полного рангового параметрического распределения инфраструктуры
образовательных учреждений
‫ܫ‬௜ ؔ ݂݅ ቀܻ௜ ൐ ‫ʹ݀ݕ‬௜ ǡ ͳǡ ݂݅൫ܻ௜ ൐ ‫ͳ݀ݕ‬௜ ǡ െ ͳǡ Ͳ൯ቁ.
В итоге количество образовательных учреждений, имеющих аномально большое потребление электроэнергии, составило Σi[Ii · (Ii > 0)] = 22, количество образовательных учреждений,
имеющих нормальное потребление электроэнергии, составило IN := Σi(Ii = 0) = 20 и количество
образовательных учреждений, имеющих необоснованно низкое потребление электроэнергии,
составило |Σi[Ii · (Ii < 0)]| = 7.
# 611 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Е.Ю. Сизганова, Р.А. Петухов… Способ определения объектов с нерациональным электропотреблением…
Рис. 4. График, иллюстрирующий попадание точек в доверительный интервал. Индикатор принимает
значение 0, 1 или -1, если точки лежат внутри, выше или ниже доверительного интервала соответственно
Листинг 6. Получение списка очередности проведения энергоаудита
Определяем относительную величину отклонения точек от границ доверительного интервала, а затем ранжируем объекты по данному параметру.
‫ ܻ ؔ ݖ‬െ ‫݉ݕ‬
ܳ௜ ؔ ݂݅ ቀܻ௜ ൐ ‫ʹ݀ݕ‬௜ ǡ ܻ௜ െ ‫ʹ݀ݕ‬௜ ǡ ݂݅൫ܻ௜ ൏ ‫ͳ݀ݕ‬௜ ǡ ܻ௜ െ ‫ͳ݀ݕ‬௜ ǡ Ͳ൯ቁ
ሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬԦ
ሺܳ ȉ ‫ି݉ݕ‬ଵ ሻ ܱܶܰ‫ ؔ ܯ‬ȁܱܶܰȁ
ܱܶܰ ؔ ሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬሬԦ
ܴሺܽǡ ‫ݎ‬ሻ ؔ c m sort ( a)
b m reverse ( c)
for m  1 rows ( a)
for n  1 rows ( b)
Ln m r m if am
bn
L
ܴܵܲ ؔ ܴ൫ܱܶܰ‫ܯ‬ǡ ‫ݎ‬൯ ݊‫ ݊ ؔ ݏ‬െ ‫ ܰܫ‬ൌ ʹͻ ܴܽ݊ ؔ ሺ்ܴܽ݊݃ ሻ‫்ۃ‬௜௠௘‫ۄ‬
Получаем список рангов образовательных учреждений
ܴܵܲ‫š‹”–ƒ„—• ؔ ܩܰܣ‬ሺܴܵܲǡ ͳǡ ݊‫ݏ‬ǡ ͳǡ ͳ)
ܴܵܲ‫ ் ܩܰܣ‬ൌ 1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
31
30
29
28
26
34
27
25
32
10
...
Определяем номер объекта (столбца) в начальной базе данных по электропотреблению
(созданная ранее в MS Excel матрица V).
ܷ݊‫݃݊ܽݎ‬ሺܽǡ ܾሻ ؔ L m 0
im1
for m  1 rows ( a)
for n  1 rows ( b)
Li m n if am
bn
imi1
L
В итоге получаем список очередности аудита образовательных учреждений Нерюнгринского района (в результирующем векторе указан их номер в исходной базе данных):
ܵܲ‫݃݊ܽݎܷ݊ ؔ ܭܱܵܫ‬ሺܴܵܲ‫ܩܰܣ‬ǡ ܴܽ݊ሻ
# 612 #
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Е.Ю. Сизганова, Р.А. Петухов… Способ определения объектов с нерациональным электропотреблением…
ܵܲ‫ ் ܭܱܵܫ‬ൌ
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
19
14
47
40
28
34
38
41
20
10
11
12
15
12
10
13
...
Таким образом, первые три объекта из списка, имеющие номера 19, 14, 47, требующие
первоочередного энергетического обследования, соответственно: «Снежинка» Д/с ЦРР № 3,
«Энергетик» Д/с КВ № 48, МОУ ДОД Детская музыкальная школа. Остальные легко определяются по полученному списку.
Вывод
Последовательная реализация данного способа (на протяжении ряда лет) позволит каждый
раз выявлять и целенаправленно воздействовать на наиболее «слабые» объекты инфраструктуры образовательных учреждений Нерюнгринского района. При этом средства на проведение
энергетических обследований будут расходоваться наиболее эффективно, а общее электропотребление образовательных учреждений будет постоянно снижаться.
Список литературы
[1] Кудрин Б.И. Введение в технетику. Томск: Издание ТГУ, 1993. 552 с.
[2] Гнатюк В.И. Закон оптимального построения техноценозов. М.: Изд-во ТГУ – Центр
системных исследований, 2005. 384 с.
[3] Гнатюк В.И. // Электрика. 2001. № 8. С. 14–22.
[4] Кирьянов Д.В. MathCAD 13. СПб.: БХИ-Петербург, 2006. 608 с.
[5] Королюк В.С., Портенко Н.И. и др. Справочник по теории вероятностей и математической статистике. М.: Наука, 1985. 640 с.
The Method of Determining of Objects
with Irrational Power Consumption
in Infrastructure Goverment-Financed Organizations
and Offices Of Munitipal Level
Evgenia U. Sizganovaa,
Roman A. Petukhova and Dmitry V. Antonenkovb
a
Siberian Federal University
79, Svobodniy, Krasnoyarsk, 660041 Russia
b
Northeast federal university M.K.Ammosov’s name
16 Kravchenko Str., Nerungry, 678960 Russia
The method of determining of priority energy inspection(energy audit) for object with irrational power
consumption founded on interval estimation of parametric rank distributon is examined. Using this
method will allow to discover and purposive act on the most “weak” objects goverment-financed
organizations and offices of munitipal level. The method is realzed in MathCAD program and presented
for infrastructure of educational institutions of Nerungry district.
Keywords: irrational energy consumption, energy audit, interval estimation, rank analysis.
# 613 #
Документ
Категория
Научные
Просмотров
188
Размер файла
5 612 Кб
Теги
журнал, университета, техника, технология, сер, сибирской, 2013, 260, федеральное
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа