КЕРУВАННЯ ПРОЦЕСАМИ ТЕПЛОМАСООБМІНУ МІЖ КОМПОНЕНТАМИ ГЕТЕРОГЕННИХ СЕРЕДОВИЩ



СТАНОВСЬКИЙ О.Л. Торопенко А.В. Лебедєва О.Ю. Абу Шена О. Проаналізовані проблеми і методи математичного моделювання та аналізу процесів тепломасообміну між компонентами гетерогенних середовищ. Створена комбінована система автоматизованого проектування технології і обладнання для тепломасообміну «HEATEX», виконана її практична оцінка із позитивним технічним ефектом.

The problem sand methods of mathematical modeling and analysis of heat transfer processes between the heterogeneous environments component. The combined computer-aided design technology and equipment for heat transfer «HEATEX», madeit practical assessment of positive technical effect, established.

УДК 004.942

Будь-яке автоматизоване проектування процесів поверхневого тепломасообміну вимагає використання математичних моделей, які відбивають залежність продуктивності такого процесу в цілому від геометричних параметрів поверхні обміну, в першу чергу, її площі.

До таких моделей, зокрема, відносяться моделі теплообміну в кожухотрубчастих теплообмінниках, масообміну в насадочних скруберах, тепломасообміну в гетерогенних потоках та при нанесенні різноманітних покриттів, тощо.

Наразі для цього використовуються відомі аналітичні (неперервні) моделі, які безпосередньо випливають з фізичних законів, і які, на жаль, більш менш адекватно описують лише «ідеальний» обмін.

Крім того, в таких моделях завжди міститься деякий коефіцієнт пропорційності (коефіцієнт тепловіддачі, масовіддачі, і т.п.), який для «ідеального» випадку вважається сталим (довідковим), але насправді залежить від мінливих геометрії поверхні, її температури і концентрації, гідравлічного стану рідких компонентів біля неї (ламінарний, турбулентний), а отже, має нелінійний та стохастичний характер.

Тому в реальних процесах обміну згадана залежність суттєво відрізняється від ідеальної, що відбивається, в першу чергу, на якості моделювання.

В цих умовах проектувальники, бажаючи задовольнити головну вимогу замовника, – задану граничну продуктивність процесу, змушені про всяк випадок значно завищувати його ресурсомісткість, погіршуючи тією ж мірою його техніко-економічні характеристики.

Спроба створити такі неперервні моделі, які могли б враховувати перелічені нелінійності, лише суттєво ускладнює їх, не роблячи більш якісними з точки зору точності моделювання.

Більш того, саме наявність двох лише дуже приблизно відомих параметрів, які входять до існуючих моделей, – площі поверхні та коефіцієнту віддачі – заважає ефективному використанню експерименту для їхньої верифікації, такий експеримент лише підкреслює неприпустимо велику середньостатистичну похибку результатів розрахунків, що також свідчить про низьку якість використовуваних для цього моделей.

Тому створення призначених для САПР процесів та апаратів дискретних моделей тепломасообміну крізь поверхню, які на кожній ітерації моделювання корегують значення площі поверхні та коефіцієнтів віддачі із комплексом методів їх експериментальної верифікації, є досить актуальним.

Метою роботи було створення для потреб САПР тепломасообмінників якісних (із меншим значенням середньоквадратичної похибки, ніж у відомих) моделей процесів тепломасообміну та методів їхньої верифікації і на цій основі зниження ресурсомісткості апаратів, призначених для практичної реалізації таких процесів.

Для досягнення цієї мети в роботі були вирішені наступні задачі:

– проаналізовані існуючі проблеми і методи математичного моделювання іаналізу процесів тепломасообміну між компонентами гетерогенних середовищ таїхній вплив на якість моделювання та ефективність проектування в САПР;

– розроблено метод автоматизованого проектування процесів та апаратів для тепломасообміну між компонентами гетерогенних середовищ із використанням приведеної площі обміну;

– розроблені дискретні моделі для розрахунків параметрів технології тепломасообмінних процесів в САПР;

– розроблені методи верифікації моделей для розрахунків параметрів технології тепломасообмінних процесів в САПР підтверджено більш високу якість запропонованих моделей у порівнянні із існуючими;

– створена комбінована (САПР-Т і САПР-К) система автоматизованого проектування технології і обладнання для тепломасообміну «HEATEX»;

– виконана практична оцінка САПР «HEATEX» на хімічному та металургійному підприємствах при проектуванні екологічного захисту навколишнього середовища із позитивним технічним ефектом як для процесу, так і для об’єктів автоматизованого проектування.

Для визначення приведеної площі тепломасообміну в САПР процесів, які супроводжуються рухом гетерогенних матеріалів, використана марковська модель реології гетерогенних потоків, яка враховує зміни розмірів, температури та в'язкості елементів потоку, а також адгезії між останніми.

Для визначення приведеної площі тепломасообміну в САПР процесів, які супроводжуються зміною геометрії поверхні, використана марковська модель осадження і напилювання покриттів, яка враховує зміни теплофізичних властивостей останніх та властивостей основи.

Верифікацію моделей руху та нарощування елементів гетерогенного об’єкта моделювання виконано експериментально за допомогою експериментального методу візуалізації рухомих перерізів елементів тепломасообміну обміну за допомогою комп'ютерних томограм, в якому обробці піддається переріз реального рухомого потоку суміші компонентів із різним опором рентгенівському випромінюванню.

Це дозволило встановити, що середньоквадратичне відхилення результатів, отриманих за допомогою відомих моделей нарощування елементів, виявилося на 73,7 % більше, ніж при використанні запропонованої моделі.

Для визначення приведеної площі тепломасообміну в САПР процесів з нерухомою поверхнею обміну використана ймовірнісна модель «Тетріс» процесу розміщення елементів насадки в корпусі тепломасообмінного апарату, яка базується на послідовному заповненні уявного простору апарату віртуальними елементами насадки та враховує ймовірності напрямку та початкового кута падіння елементів.

Верифікація ймовірнісних моделей «Тетріс» процесу розміщення елементів насадки в корпусі тепломасообмінного апарату за допомогою експериментального методу визначення площі тепломасообміну в насадкових апаратах шляхом насичення порового простору рідиною, дозволила встановити, що середньоквадратичне відхилення результатів, отриманих за допомогою відомих моделей, виявилося на 41,3 % більше, ніж при використанні запропонованої моделі.

Для практичного підтвердження на виробництві ефективності розроблених моделей та методів автоматизованого проектування були застосовані лабораторні стенди і виробничі потужності кафедри нафтогазового та хімічного машинобудування Одеського національного політехнічного університету, ТОВ «Миколаївський глиноземний завод», а також ДП «Інженерний виробничо-науковий центр лиття під тиском», м. Одеса.

Jun 15, 2016