Оптимизация ущерба и резервирования с целью повышения эффективности установок свч диэлектрического нагрева

На правах рукописи

Доценко Анастасия Владимировна

ОПТИМИЗАЦИЯ УЩЕРБА И РЕЗЕРВИРОВАНИЯ

С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ

УСТАНОВОК СВЧ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВА

Специальность 05.09.10 – Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Архангельский Юрий Сергеевич

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Коломейцев Вячеслав Александрович

кандидат технических наук, доцент

Сошинов Анатолий Григорьевич

Ведущая организация: ФГУП «НПП «Контакт» (г. Саратов)

Защита состоится «20» марта 2008 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корпус 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Автореферат разослан «___» февраля 2008 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Томашевский Ю.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для успешной конкуренции на внешнем и внутреннем рынках отечественной продукции необходимы технологическое перевооружение производства, оснащение промышленных предприятий энергосберегающим технологическим оборудованием, устранение из технологических операций применения угля, нефти, газа как не возобновляемых источников энергии. В этой связи особое значение приобретает задача широкого применения электротермических процессов и установок, которые позволяют достичь высокой скорости термообработки, автоматизировать технологический процесс, обеспечить термообработку как металлов, так и диэлектриков.

Сложнее всего обеспечить термообработку диэлектриков, так как при конвективном или лучистом энергоподводе теплота подводится к поверхности диэлектрика, а из-за малого коэффициента теплопроводности в центральной части объект нагревается медленно. Попытка интенсифицировать процесс термообработки за счет увеличения энергоподвода к поверхности может привести к короблению изделия, растрескиванию из-за возникновения в объеме диэлектрика больших градиентов механических напряжений, вызванных неравномерностью нагрева.

Интенсификация термообработки диэлектрика без угрозы его разрушения с улучшением качества обработки может быть достигнута применением энергии электромагнитных колебаний ВЧ или СВЧ диапазонов. В этом случае из-за проникновения электромагнитной волны в глубину объекта имеет место объемный нагрев диэлектрика. Выбором геометрии рабочей камеры электротермической установки можно обеспечить достаточно равномерное тепловыделение по всему объему диэлектрика.

Работы в области СВЧ диэлектрического нагрева в нашей стране ведутся уже более 40 лет. Приходится, однако, признать, что малоисследованными остаются вопросы целесообразности применения установок СВЧ диэлектрического нагрева и их экономической эффективности. Практически не исследована проблема ущерба и резервирования при СВЧ диэлектрическом нагреве.

В диссертации на базе системного подхода решается проблема минимизации ущерба и оптимизации резерва в установках СВЧ диэлектрического нагрева.

Цель работы. Разработка методов проектирования максимально эффективных установок СВЧ диэлектрического нагрева с учетом ущерба и резервирования.

Основные задачи исследования:

1. Исследовать проблему экономической эффективности и целесообразности применения установок СВЧ диэлектрического нагрева.
2. Исследовать проблему надежности, ущерба и резервирования в установках СВЧ диэлектрического нагрева.
3. Разработать метод технико-экономической оптимизации установки СВЧ диэлектрического нагрева с учетом ущерба и резервирования.
4. Провести оптимизацию установок СВЧ диэлектрического нагрева для СВЧ сушки пиломатериалов с учетом ущерба и резервирования.

Методы исследования. В работе использована методология системных исследований, методы технико-экономического анализа электротехнологического оборудования и поиска оптимума функций многих переменных.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые сформулирована и решена проблема проектирования максимально эффективных установок СВЧ диэлектрического нагрева с учетом ущерба и резервирования. В частности:

• определено понятие экономическая эффективность установки СВЧ диэлектрического нагрева;
• определено место экономической эффективности в системе технико-экономических расчетов;

• предложена целевая функция задачи технико-экономической оптимизации установок СВЧ диэлектрического нагрева с учетом ущерба и резервирования, получены соотношения для входящих в нее величин;

• сформулирована задача технико-экономической оптимизации установок СВЧ диэлектрического нагрева для различных вариантов организации резерва;

• предложен метод расчета оптимального варианта резервирования с учетом ущерба при эксплуатации установок СВЧ диэлектрического нагрева.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Результаты исследований позволяют определить взаимосвязь технических, технологических, экономических факторов, параметров установок СВЧ диэлектрического нагрева, позволяющих выбрать оптимальную элементную базу резервирования.

2. Разработанные принципы проектирования установок СВЧ диэлектрического нагрева использованы при проектировании установок СВЧ диэлектрического нагрева для сушки пиломатериалов с оптимальным резервированием.

3. Разработана конструкция СВЧ сушилки пиломатериалов с камерой лучевого типа с совмещенными зонами нагрева и сушки.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная методика проектирования установок СВЧ диэлектрического нагрева позволяет обеспечить ее максимальную эффективность с учетом ущерба и резервирования.

2. Предложенная методика расчета сравнительного интегрального эффекта позволяет выбрать оптимальную элементную базу резервирования установок СВЧ диэлектрического нагрева с учетом ущерба.
3. Предложенная методика расчета установок СВЧ диэлектрического нагрева на примере комбинированной сушки пиломатериалов дает возможность обосновать оптимальную структуру, технические и технологические параметры и режимы работы СВЧ оборудования и элементную базу, при которой достигается максимальная экономическая эффективность СВЧ сушилки.

Реализация результатов работы. Работа выполнена на основании плана научной работы ведущей научной школы России НШ-9553.2006.8 (СГТУ), а также по плану госбюджетной НИР СГТУ-139 «Разработка теории нового класса СВЧ электротехнологических установок, использующих комбинированное модифицирующее воздействие на полимерные материалы больших объемов и площадей», № госрегистрации 01200603702.

Результаты диссертационной работы использованы Инженерно-технической фирмой «Элмаш-Микро» (г. Саратов) при проектировании СВЧ электротермического оборудования для вулканизации резиновых профилей в методическом режиме, а также на ФГУП «Саратовский агрегатный завод» (г. Саратов) при проектировании и эксплуатации установки для термообработки диэлектрических изделий.

Результаты диссертационной работы используются также при чтении курсов лекций по дисциплинам «СВЧ электротермические установки и системы», «Проектирование и конструирование электротехнологических установок и систем», «Монтаж и эксплуатация электротехнологических установок и систем» для студентов специальности 140605 – Электротехнологические установки и системы на кафедре «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» СГТУ и в дипломном проектировании.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обоснована использованием общей концепции и методологии системных исследований в электротермии, фундаментальных закономерностей электродинамики и тепломассопереноса.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции с международным участием «Электротехника, электромеханика, электротехнология» (г. Новосибирск, 2003), научно-технической конференции, посвященной 15 летию кафедры радиотехники «Радиотехника и связь» СГТУ (г. Саратов, 2004), Международной научно-технической конференции, посвященной 110 летию изобретения радио и 75-летию СГТУ (г. Саратов, 2005), III Международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь» (г. Саратов, 2006), IV Всероссийской конференции «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 6 работ в изданиях ВАК РФ. Список работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 72 наименования, двух приложений, содержит 174 страницы, 20 рисунков, 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована проблема ущерба и резервирования при СВЧ диэлектрическом нагреве, обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены новые научные результаты, полученные в диссертации, ее практическая ценность, сформулированы положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации и применении результатов работы.

В первой главе «Установки СВЧ диэлектрического нагрева и их эффективность» показано, что проектирование установок СВЧ диэлектрического нагрева следует проводить на базе системного подхода, учитывающего взаимосвязь технических, технологических и экономических параметров и характеристик.

В условиях рыночной экономики на первый план вышли технико-экономические проблемы, в частности, как спроектировать установку с учетом ущерба и резервирования, обладающую максимальной экономической эффективностью. Именно в этой области проведены исследования в рамках настоящей диссертационной работы. Традиционно технические устройства, тем более энергетически емкие, принято описывать коэффициентом полезного действия. В то же время представляется очевидным, что одного этого показателя недостаточно. Например, в процессе термообработки может уменьшиться или увеличиться объем обрабатываемого объекта, и это обстоятельство нужно учитывать при планировании закупки сырья. При проектировании и эксплуатации то же самое можно сказать и об экономических последствиях принятого в отношении технологического процесса и установки решения. Следовательно, для описания технологического оборудования нужна более широкая номенклатура показателей. Так, кроме энергетической эффективности, нужно говорить о физической и экономической эффективностях, определяемых соотношениями

,

где А1 – неизбежные потери во время технологического процесса, А2 – неизбежный и случайный брак в процессе производства, А затраты ресурса на входе установки, В1 и В – конечный результат работы установки и затраты на его достижение в денежном выражении.

Во второй главе «Ущерб и резервирование в установках СВЧ диэлектрического нагрева» рассмотрена проблема ущерба и резервирования в установках СВЧ диэлектрического нагрева.

Проблема ущерба и резервирования переплетается с проблемой надежности установки СВЧ диэлектрического нагрева. Надежность комплексный показатель, определяющий свойства технических устройств длительно сохранять и устойчиво воспроизводить в процессе эксплуатации рабочие характеристики и параметры. Надежность как комплексный показатель включает такие свойства, как качество, живучесть, безопасность, безотказность, ремонтопригодность и долговечность оборудования.

Поскольку сейчас нет сведений о статистике отказов установок СВЧ диэлектрического нагрева и провести исследование в этой области затруднительно по экономическим соображениям, в диссертационной работе в качестве критерия, характеризующего отказ самого ненадежного элемента конструкции генератора, использован его срок службы. Согласно паспортным данным, срок службы современных магнетронов технологического назначения составляет 2000 ч. Специалисты, долгие годы имевшие дело с установками СВЧ диэлектрического нагрева, определяют срок службы магнетрона до первого отказа в 4000 ч. В численных расчетах в диссертации использовались паспортные данные, но предложенные в работе расчетные соотношения дают проектировщику возможность исследовать влияние срока службы на эффективность установки.

Внеплановый перерыв в работе установки СВЧ диэлектрического нагрева приводит к убыткам производства, то есть к ущербу. Ущерб может быть вызван следующими причинами:

• срывами (авариями) или ограничениями в энерго- и водоснабжении по вине энергосистемы и водоканала;
• аварией во внутреннем энергоснабжении;
• срывом или недопоставкой сырья поставщиками;
• отказом установки СВЧ диэлектрического нагрева;
• организационными упущениями и ошибками административного и технического персонала;
• неправомерными действиями должностных лиц, повлекшими за собой сокращение выпуска продукции.

В диссертации рассмотрена главная причина ущерба – отказ самой установки или ее составных частей. Общее выражение для расчета ущерба имеет вид

,

где G – производительность установки; t0 – время остановки одной установки в год (определяется типом резерва); Ц – цена единицы продукции; N – количество установок СВЧ диэлектрического нагрева. Цена продукции определяется рыночными механизмами, t0 – типом используемого резерва, количество установок N определяется на стадии оптимизации структуры СВЧ электротермического оборудования.

В диссертации приведены соотношения для расчета величины ущерба при работе в автономном режиме, в технологической линии и при объединении СВЧ установок в самостоятельную технологическую линию в периодическом и методическом режимах работы при наличии фазовых переходов при обработке объекта и без них.

Поскольку время остановки установки в год зависит от типа резерва, в диссертационной работе рассмотрены вопросы резервирования в установках СВЧ диэлектрического нагрева. Для этих установок существенны следующие виды резерва:

• аварийный, предназначенный для выполнения плана выпуска продукции с учетом отказов и аварийного снижения мощности СВЧ генератора;
• ремонтный, предназначенный для вывода в плановый ремонт всей установки или её элементов;
• развития, предназначенный для развития производства с применением установок СВЧ диэлектрического нагрева.

Особую роль играет аварийный резерв. Он должен быть учтен при технико-экономической оптимизации в затратах на резерв в первую очередь генерирующих СВЧ электромагнитные колебания приборов (магнетронов) в количестве, необходимом для замены выработавших свой срок службы. Кроме того, необходимо учитывать и скрытый резерв, так как все расчеты ведутся с учетом времени, необходимого для замены вышедшего из строя магнетрона на резервный. В диссертации рассмотрено влияние различных вариантов резервирования на величину капиталовложения К, необходимого для реализации установки СВЧ диэлектрического нагрева:

1. В комплект оборудования в качестве резерва входят магнетроны, количество которых достаточно для замены вышедших из строя в течение года. В этом случае

,

где Ку – цена одной установки, зависящая от ее типа, структурной схемы, цены элементов установки; R1 затраты на создание резерва при цене одного магнетрона Х, так что R1=RX, а число магнетронов

,

где kз ~ 1,2 – коэффициент запаса, учитывающий возможность выхода магнетрона из строя до истечения срока его службы, срок службы магнетрона, Д количество дней работы установки в году, tc количество часов работы установки в сутки, М количество магнетронов в установке, N количество установок, Спер, Смон затраты на перевозку и монтаж установки.

2. В комплект оборудования входит резервный СВЧ генератор, состоящий из магнетрона, накального трансформатора и системы защиты магнетрона от недопустимо больших отражений от его нагрузки, и резервные магнетроны в количестве, как и в первом случае. Цена оборудования в таком случае определяется соотношением

,

где R2=R1+Z1, Z1 – цена одного СВЧ генератора.

3. В комплект оборудования входит источник питания, основным элементом которого является высоковольтный трансформатор и комплект магнетронов на один год. В таком случае

,

где R3=R1+Цип, Цип – цена одного источника питания.

4. В комплект оборудования входит резервная установка в полном комплекте с годовым резервом магнетронов. Тогда

,

где R4=R1+Ку.

Разные варианты резервирования предполагают разное время остановки установки для включения резерва. Чем сложнее, а значит дороже резерв, тем меньше время остановки и величина ущерба. Например, время ущерба минимально, когда резервируется целиком вся СВЧ установка, тогда как максимальный ущерб будет при минимальных затратах на резервирование, когда резерв составляет лишь годовой запас магнетронов. Следовательно, необходима оптимизация ущерба и резервирования.

В третьей главе «Оптимизация ущерба и резервирования при СВЧ диэлектрическом нагреве» сформулирована целевая функция задачи оптимизации ущерба и резервирования как составной части общей задачи оптимизации структуры установок СВЧ диэлектрического нагрева.

При любой форме организации резерва установка СВЧ диэлектрического нагрева будет простаивать в течение времени t0, следовательно, продукции будет выпущено меньше, отчего интегральный эффект уменьшится и составит

,