Методы контроля и диагностики поглотительной способности твердых сорбентов по параметрам теплопереноса Балабанов Павел Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1 Проблема снижения риска принятия неверных решений о годности сорбентов к использованию по результатам контроля поглотительной способности их проб и анализ возможностей ее решения 17

1.1 Современное состояние и основные направления развития методов контроля поглотительной способности сорбентов 17

1.2 Возможности решения проблемы снижения рисков принятия неверных решений о годности сорбентов к использованию 19

1.3 Анализ современного состояния техники и методического обеспечения экспериментального определения теплофизических свойств 21

1.3.1 Общие сведения о сорбентах как объектах контроля теплофизических свойств 21

1.3.2 Обзор пригодных для экспериментального определения теплофизических свойств сорбентов методов 26

1.3.3 Анализ возможности применения выбранного метода для достижения цели диссертационной работы 33

1.3.3.1 Результаты исследования теплофизических свойств сорбентов 33

1.3.3.2 Анализ причин изменения теплофизических свойств сорбентов 36

1.3.4 Выбор направления развития методов определения теплофизических свойств сорбентов 41

1.4 Анализ современного состояния техники и методического обеспечения экспериментального определения сорбционных свойств по мощности тепловыделений 47

1.4.1 Анализ результатов исследования сорбционных свойств хемосорбентов различными методами 47

1.4.2 Обзор методов определения сорбционных свойств сорбентов по мощности тепловыделений 51

Выводы и постановка задач исследования 53

ГЛАВА 2 Методическое обеспечение экспериментального определения теплофизических свойств твердой фазы сорбентов 55

2.1 Методология получения информации об изменении теплофизических свойств твердой фазы сорбентов при насыщении компонентами газовых смесей 55

2.2 Методическое обеспечение экспериментального исследования теплофизических свойств на этапе решения задачи по определению

модели для расчета коэффициента теплопроводности твердой фазы сорбента 58

2.2.1 Способ оказания пневматического воздействия на газовую фазу контролируемого материала и обработка отклика 58

2.2.2 Способ оказания теплового воздействия на контролируемый

материал и обработка откликов 64

2.2.2.1 Математическое описание процессов переноса тепла в

измерительном устройстве для сыпучих сорбентов 64

2.2.2.1.1 Физическая модель измерительного устройства 64

2.2.2.1.2 Математические модели теплопереноса в измерительном устройстве 65

2.2.2.2 Математическое описание процессов переноса тепла в

измерительном устройстве для блочных сорбентов и сорбентов на

матрице в форме пластины 71

2.2.2.2.1 Физическая модель измерительного устройства 71

2.2.2.2.2 Математические модели теплопереноса в измерительном устройстве 72

2.2.3 Схемы измерительных устройств и алгоритмы измерения 76

2.2.3.1 Схема измерительного устройства для сыпучих сорбентов и

алгоритм измерения 76

2.2.3.2 Схема измерительного устройства для блочных сорбентов и алгоритм измерения 80

2.3 Методическое обеспечение экспериментального исследования

теплофизических свойств на этапе решения задачи по определению

зависимостей теплофизических свойств твердой фазы сорбентов от степени их насыщения и температуры... 82

2.3.1 Способ оказания теплового воздействия на контролируемый материал и обработка откликов 82

2.3.1.1 Математическое описание процессов переноса тепла в измерительном устройстве 82

2.3.1.2 Разработка математических моделей косвенного измерения теплофизических свойств твердой фазы материала на основе суперпозиции решений задач теплопереноса и состояния газа в измерительных устройствах 86

2.3.2 Схема измерительного устройства и алгоритм измерения 88

Результаты и выводы 91

ГЛАВА 3 Методическое обеспечение экспериментального определения мощности источников тепла в сорбенте 93

3.1 Исследование возможности использования информации о мощности тепловыделений в сорбенте для определения его сорбционных свойств 93

3.2 Методическое обеспечение экспериментального определения сорбционных свойств сорбента по мощности источников тепла

3.2.1 Математическая модель теплопереноса в плоском слое сорбента при продувке через него газовой смеси с поглощаемым компонентом 105

3.2.2 Математическая модель теплопереноса в пластине сорбента при обдуве ее газовой смесью с поглощаемым компонентом 108

3.3 Алгоритм определения сорбционных свойств сорбента по мощности действующих в нем источников тепла 113

Результаты и выводы 114

ГЛАВА 4 Анализ погрешностей определения параметров теплопереноса в сорбентах и разработка рекомендаций по их уменьшению 116

4.1 Анализ погрешностей определения теплофизических свойств и рекомендации по их уменьшению 116

4.1.1 Постановка задач по нахождению рациональных параметров процессов определения теплофизических свойств 116

4.1.2 Задачи по нахождению рациональных параметров процесса теплового воздействия на контролируемый образец при определении теплофизических свойств 120

4.1.2.1 Анализ погрешностей определения коэффициента теплопроводности на стационарном этапе процесса измерения и определение рациональных параметров теплового воздействия на контролируемый образец.. 120

4.1.2.2 Анализ погрешностей определения теплоемкости и коэффициента теплопроводности на квазистационарном этапе процесса измерения и определение рациональных параметров теплового воздействия на образец 126

4.1.3 Задачи по нахождению рациональных параметров процесса пневматического воздействия на контролируемый образец при определении теплофизических свойств 133

4.1.4 Рекомендации по автоматизации процесса определения теплофизических свойств 142

4.1.4.1 Рекомендации по автоматизации процесса определения теплофизических свойств на этапе решения задачи по определению модели для расчета теплопроводности твердой фазы сорбента 142

4.1.4.1.1 Рациональный момент времени прекращения подвода напряжения к нагревателю измерительного устройства 142

4.1.4.1.2 Выбор рационального диапазона безразмерной температуры при определении коэффициента температуропроводности 147

4.1.4.2 Рекомендации по автоматизации процесса определения теплофизических свойств на этапе решения задачи по определению зависимости теплофизических свойств от степени насыщения и температуры 155

4.2 Анализ погрешностей определения мощности источников тепла и рекомендации по их уменьшению 161

4.2.1Рекомендации по уменьшению погрешностей определения мощности источников тепла в сыпучем сорбенте 161

4.2.2 Рекомендации по уменьшению погрешностей определения мощности источников тепла в пластине сорбента 162

Результаты и выводы 165

ГЛАВА 5 Техническое и программно-алгоритмическое обеспечение экспериментального определения параметров теплопереноса в твердых сорбентах 167

5.1 Техническое обеспечение информационно-измерительной системы параметров теплопереноса в сорбентах 167

5.1.1 Общая структура информационно-измерительной системы 167

5.1.2 Техническое обеспечение подсистемы исследования теплофизических свойств на этапе решения задачи по определению

модели для расчета теплопроводности твердой фазы сорбента 169

5.1.2.1 Функциональная схема подсистемы 169

5.1.2.2 Конструкции измерительных устройств 173

5.1.2.3 Алгоритм процесса определения теплофизических свойств 176

5.1.3 Техническое обеспечение подсистемы экспериментального определения зависимостей теплофизических свойств твердой фазы сорбентов от степени их насыщения и температуры 179

5.1.3.1 Функциональная схема подсистемы 179

5.1.3.2 Конструкции измерительных устройств 182

5.1.3.3 Алгоритм процесса определения теплофизических свойств 184

5.1.4 Техническое обеспечение подсистемы экспериментального определения мощности источников тепла в сорбенте. 185

5.1.4.1 Функциональная схема подсистемы 185

5.1.4.2 Алгоритм процесса измерения 188

5.2 Программно-алгоритмическое обеспечение подсистем определения параметров теплопереноса в сорбентах 189

5.2.1 Программно-алгоритмическое обеспечение экспериментального определения теплофизических свойств 189

5.2.2 Программно-алгоритмическое обеспечение экспериментального определения сорбционных свойств по мощности источников тепла 195

5.3 Оценка систематических и случайных погрешностей определения параметров теплопереноса разработанными техническими средствами 196

5.3.1 Оценка систематических и случайных погрешностей определения теплофизических свойств 196

5.3.2 Оценка погрешностей определения сорбционных свойств по мощности источников тепла в хемосорбентах 203

Результаты и выводы 204

ГЛАВА 6 Практическое применение разработанной информационно-измерительной системы на примере решения задач контроля и диагностики поглотительной способности хемосорбентов для средств защиты органов дыхания 205

6.1 Пример диагностики поглотительной способности хемосорбентов 205

6.2 Пример контроля поглотительной способности хемосорбента по изменению мощности источников тепла 214

6.3 О возможности контроля поглотительной способности хемосорбента по изменению его теплопроводности 218

Результаты и выводы 221

Заключение 223

Список использованных источников

• Возможности решения проблемы снижения рисков принятия неверных решений о годности сорбентов к использованию
• Методическое обеспечение экспериментального исследования теплофизических свойств на этапе решения задачи по определению
• Методическое обеспечение экспериментального определения сорбционных свойств сорбента по мощности источников тепла
• Анализ погрешностей определения теплоемкости и коэффициента теплопроводности на квазистационарном этапе процесса измерения и определение рациональных параметров теплового воздействия на образец

Введение к работе

Актуальность. Последние годы в мире наблюдается рост количества техногенных аварий и природных явлений, сопровождаемых загрязнением воздуха. Поэтому все более востребованными становятся средства для его очистки и защиты органов дыхания. Значительная их доля основана на технологиях адсорбции и хемосорбции компонентов газовых смесей (ГС) твердыми сорбентами.

Ресурс защитных свойств сорбционного оборудования и изделий для очистки воздуха и защиты органов дыхания во многом зависит от поглотительной способности сорбентов. Поэтому на различных этапах их жизненного цикла контролируют параметры, позволяющие оценить поглотительную способность, и принять решение о годности сорбента к использованию.

Наименьшие риски принятия неверных решений характерны для случаев, когда сорбент испытывают в составе изделия. Проведение таких испытаний отличается высокой трудоемкостью и значительными затратами ресурсов. Поэтому часто принимают решение о годности сорбентов по результатам контроля параметров их проб, не учитывая при этом особенностей работы сорбента в изделии. Это влечет увеличение рисков принятия неверных решений, поскольку поглотительная способность сорбента существенно зависит от условий его эксплуатации, в частности, от теплового режима работы, определяемого теплофизическими свойствами (ТФС) сорбента, а также мощностью действующих в нем источников тепла, зависящей от скорости и тепловых эффектов сорбции. Следовательно, разработка и внедрение методов диагностирования поглотительной способности на основе информации о параметрах теплопереноса в сорбентах является одним из путей снижения рисков принятия неверных решений об их годности.

Информацию об изменении поглотительной способности вследствие насыщения сорбента несут параметры теплопереноса в его твердой фазе, поскольку в процессе сорбции изменяется ее физико-химический состав. Кроме того, твердая фаза является источником тепловыделений, обусловленных экзотермическими эффектами сорбции. Между тем, определение параметров теплопереноса в твердой фазе сорбента существующими методами требует значительных затрат ресурсов и сопряжено с большими методическими погрешностями, обусловленными сложностью подготовки представительных проб и необходимостью проведения исследований пористости. Разнообразие сорбентов по физико-химическому и гранулометрическому составу, форме, условиям эксплуатации требует создания методов определения параметров теплопереноса и измерительных устройств с учетом особенностей контролируемых сорбентов и случайных изменений их структурных характеристик при подготовке пробы и в процессе измерения.

Таким образом, существует проблема снижения рисков принятия неверных решений о годности сорбентов к использованию. Для ее решения актуальна разработка методов контроля и диагностики поглотительной способности сорбентов по параметрам теплопереноса в их твердой фазе.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами работ по: гранту РНФ «Развитие теоретических основ создания научно-исследо-

вательской базы для систем защиты органов дыхания человека от поражающих факторов химической и биологической природы» (соглашение № 15-19-10028); государственным заданиям вузам «Разработка методов и средств измерения теп-лофизических и сорбционных свойств хемосорбентов диоксида углерода на основе надпероксидов и гидроксидов щелочных и щелочноземельных металлов» (№ 7.1583.2011), «Разработка информационно-измерительной системы для определения зависимости от температуры теплофизических характеристик гетерогенных систем, образованных твердой и газообразной фазами» (№ 539); гранту № НШ-2411.2014.3; НИР «Разработка информационно-измерительной системы для определения оптимальных режимов процессов изготовления изделий из полимерных материалов» (госконтракт № 14.740.011.0141) и соглашению № 14.В37.21.0450; НИР «Разработка теплоаккумулирующих материалов и технологии их производства для использования в средствах защиты изолирующего типа» шифр «Тепло»; государственному контракту № 14.802.1.1.001 «Разработка, освоение промышленного производства и внедрение техники для создания искусственных газовых сред различного назначения на основе короткоцикловой без-нагревной адсорбции».

Цель работы состоит в разработке методов и средств контроля и диагностики поглотительной способности сорбентов по параметрам теплопереноса в их твердой фазе.

Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи.

1. Провести анализ проблемы снижения рисков принятия неверных решений о годности сорбентов по результатам контроля поглотительной способности их проб и выбрать пути ее решения.

2. Разработать методическое обеспечение экспериментального определения ТФС твердой фазы сорбента без разрушения его структуры.

3. Разработать методическое обеспечение экспериментального определения мощности источников тепла, действующих в сорбентах в процессе их насыщения.

4. Разработать техническое и программно-алгоритмическое обеспечение экспериментального определения параметров теплопереноса в сорбентах.

5. Найти условия экспериментального определения параметров теплопере-носа с наименьшими погрешностями, разработать методики расчета рациональных параметров процесса измерения и элементов измерительных устройств, выработать рекомендации по автоматизации процессов измерения.

6. Провести промышленные испытания и внедрение разработанных методов при решении задач контроля и диагностики поглотительной способности хемо-сорбентов для изолирующих средств защиты органов дыхания.

Научная новизна.

7. Разработана методология диагностики поглотительной способности сорбента по результатам определения мощности действующих в нем источников тепла и теплофизических свойств его твердой фазы, измеренных без разрушения структуры сорбента.

8. Предложена методика разработки математических моделей методов определения ТФС твердой фазы гетерогенных материалов на основе использования суперпозиции решений задач теплопереноса и определения параметров состояния газа в измерительных устройствах.

3. Разработаны методы определения теплофизических свойств твердой фазы гетерогенных материалов, предусматривающие нагрев их образцов плоской формы от источников постоянной мощности, отличающиеся тем, что герметизируют объем с образцом, уменьшают объем его газовой фазы, измеряют изменение давления и используют полученную информацию для определения ТФС по математическим моделям, параметрами которых являются температура, тепловой поток и давление газовой фазы контролируемого материала.

4. Разработан метод определения мощности источников тепла, действующих в пластине сорбента при обдуве ее газовой смесью с поглощаемым компонентом, предусматривающий определение коэффициента теплоотдачи на ее поверхности по результатам измерения температуры поверхности идентичного ей по размерам плоского нагревателя, выделяющего постоянную мощность, а также идентификацию параметров функции от времени мощности источников тепла в пластине по результатам измерения ее температуры.

5. Разработаны методики контроля поглотительной способности хемосор-бентов на основе перекисных соединений щелочных и щелочноземельных металлов по информации об изменении теплопроводности их твердой фазы и мощности действующих в них источников тепла, обусловленных процессом хемосорбции диоксида углерода.

Практическая значимость. Разработаны конструкции устройств для определения ТФС сыпучих сорбентов, сорбентов в форме пластины и блоков. Созданы автоматизированные установки и с их помощью исследованы ТФС сыпучих хемо-сорбентов, нанесенных на матрицы хемосорбентов и блоков хемосорбентов на основе перекисных соединений щелочных и щелочноземельных металлов в диапазонах температур эксплуатации и хранения. Полученные результаты позволили повысить точность технологических расчетов средств защиты органов дыхания человека, режимных и конструктивных параметров установок получения супероксидов калия, сократить затраты на проведение исследований и общее число приемосдаточных испытаний опытных партий сорбентов.

Разработаны и созданы измерительные установки для определения мощности источников тепла в пластине хемосорбента на основе надпероксида калия, обдуваемой влажной газовой смесью, содержащей СО₂; хемосорбентов на основе над-пероксидов калия и натрия в слое толщиной в зерно, продуваемых влажной газовой смесью, содержащей СО₂. Разработанные установки позволили получить экспериментальные данные об изменении степени отработки указанных хемосорбен-тов в процессе поглощения СО₂ из воздуха, на основе которых осуществлялось построение алгоритмов работы систем автоматизированного управления коллективными средствами защиты, а также разработка эксплуатационной документации на установки регенерации воздуха.

Разработано программное обеспечение установок для измерения ТФС, позволившее автоматизировать процесс определения параметров теплопереноса и обработки экспериментальных данных.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли испытания и внедрены в следующих организациях: ОАО НПО «Химавтоматика»

(Москва), НПО «Биопротект» (Тамбов), ОАО «Корпорация «Росхимзащита», (Тамбов), ОАО «Тамбовмаш» (Тамбов) и др. Результаты работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВО «ТГТУ».

Методы исследования. Поставленные в работе задачи решались моделированием и анализом моделей процессов теплопереноса и газодинамических процессов в пористых материалах. Аналитические методы исследований базируются на использовании теории теплопроводности, дифференциального и интегрального исчисления, математической статистики, теории измерений и метрологии.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Методология диагностики поглотительной способности сорбента на основе результатов определения мощности действующих в нем источников тепла и теплофизических свойств его твердой фазы, измеренных без разрушения структуры сорбента.

2. Метод комплексного определения коэффициента теплопроводности, коэффициента температуропроводности и объема твердой фазы гетерогенных материалов, предусматривающий осуществление измерительного процесса в два этапа, на первом из которых определяют коэффициент теплопроводности и объем твердой фазы, для чего создают и регистрируют постоянный перепад температур по толщине плоского образца материала, уменьшают объем его газовой фазы и измеряют увеличение давления, на втором этапе определяют коэффициент температуропроводности, для чего охлаждают материал при постоянных граничных условиях первого рода и регистрируют темп охлаждения.

3. Метод определения ТФС твердой фазы гетерогенных материалов, предусматривающий нагрев их плоских образцов от источников постоянной мощности, герметизацию объема с образцом, уменьшение объема его газовой фазы, измерение изменения давления и использование полученной информации для определения ТФС по математическим моделям, параметрами которых являются температура, тепловой поток и давление газовой фазы материала.

4. Математические модели косвенного измерения ТФС зернистых материалов, использующие в качестве первичных информативных параметров температуру, тепловой поток и изменение давления газа в пространстве между зернами и в их открытых порах вследствие пневматических воздействий, положенные в основу методов определения ТФС, отличающихся учетом в результатах определения ТФС случайных изменений структурных характеристик материала.

5. Метод определения мощности источников тепла, выделяемого в процессе сорбции компонента газовой смеси пластиной сорбента, предусматривающий обдув пластины газовой смесью, измерение температур поверхностей пластины и идентичного ей по размерам плоского нагревателя, выделяющего постоянную мощность, определение условий теплообмена на поверхностях нагревателя и пластины, определение мощности источников тепла сорбции по математической модели теплопереноса в пластине.

6. Метод определения мощности источников тепла, выделяемого в процессе сорбции компонента газовой смеси тонким слоем сыпучего сорбента, предусматривающий продувку газовой смеси через слой, измерение температур слоя и газа

на выходе из слоя, определение мощности источников тепла по разработанной математической модели теплопереноса.

7. Методики расчета рациональных параметров элементов измерительных устройств и процесса определения параметров теплопереноса, а также совокупность алгоритмов автоматизированного процесса измерения, полученные по результатам анализа теоретических оценок погрешностей ТФС, а также теоретических и экспериментальных исследований влияния сжатия газовой фазы образца на его температурное поле.

8. Методики диагностики и контроля поглотительной способности хемосор-бентов на основе перекисных соединений щелочных и щелочноземельных металлов по параметрам теплопереноса, разработанные на основе полученных экспериментальных данных, доказывающих, что в качестве параметров для оценки поглотительной способности указанных материалов можно использовать их теплопроводность и мощность источников тепла.

Степень достоверности обеспечивается тем, что теория разработанных методов базируется на известных фундаментальных уравнениях теории теплопроводности и состояния идеального газа, подтверждается экспериментальными результатами, полученными с использованием разработанных устройств, погрешности которых оценены из экспериментов со стандартными образцами или образцами материалов с хорошо изученными свойствами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были рассмотрены и обсуждались в ходе проведения международных теплофизических школ (Тамбов 2007, 2010, Душанбе, 2012, 2014), конференций «ИКИ-2003» (Барнаул, 2003), «Математические методы в технике и технологиях» (Санкт-Петербург, 2003), «Фундаментальные и прикладные исследования, инновационные технологии, профессиональное образование» (Тамбов, 2009), «Стратегия развития научно-производственного комплекса Российской Федерации в области разработки и производства систем жизнеобеспечения и защиты человека в условиях химической и биологической опасности» (Тамбов, 2009), «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов» (Воронеж, 2010), «Качество и инновации – основа современных технологий» (Новосибирск, 2012, 2014), «Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ» (Санкт-Петербург, 2012, 2015), «Наука и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2013), «Проблемы техногенной безопасности и устойчивого развития» (Тамбов, 2013), «Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ «РКТС-14» (Казань, 2014), «ICNAAM 2015» (Родос, 2015), «ICTHT 2015» (Лондон, 2015), «XV Минский международный форум по тепло-и массообмену» (Минск, 2016) и ряда других конференций.

Публикации. По теме исследования опубликовано 77 научных работ, в том числе 31 статья в журналах из перечня ВАК, получено 5 патентов РФ.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 206 наименований и 12 приложений. Основная часть диссертации изложена на 248 страницах, содержит 112 рисунков и 13 таблиц. Приложения содержат 78 страниц, включая 26 рисунков и 12 таблиц.

Возможности решения проблемы снижения рисков принятия неверных решений о годности сорбентов к использованию

Любой элемент шихты хемосорбента (блок, таблетка, гранула, пластина) представляет собой пористое тело с различными по диаметру порами, причем пористость находится в диапазоне 0,2...0,7 см3/см3, а определяющий размер пор составляет около 0,1 мкм. Основными компонентами хемосорбентов являются надпероксиды калия и натрия. Надпероксид калия представляет собой парамагнитное вещество [13], при комнатной температуре желтого цвета, которое взаимодействует с водой и различными газами с выделением кислорода и тепла по следующему основному механизму (Me = Na, К) [14 - 17]: 2Ме02 + Н20 2МеОН + 3/202, (1.1) 2МеОН + С02 Ме2С03 + Н20, 2 Ме02 + С02 Ме2С03 + 3/202. Реакции (1.1) протекают со значительными тепловыделениями и сопровождаются появлением расплава на поверхности зерен. Температуры в слое хемосорбентов, в зависимости от концентраций поглощаемых компонентов и химической природы хемосорбента, могут достигать 200..300 С и выше.

Поэтому при измерении ТФС указанных материалов требуется минимизация их контакта с влагой и СО2, содержащимися в воздушной среде. Надпероксид натрия в качестве основного компонента регенеративного продукта (хемосорбента, применяемого в изолирующих средствах защиты) обладает более низкой, по сравнению с надпероксидом калия, термостойкостью. Термостойкость хемосорбентов зависит от способа их получения. Согласно исследованиям Гладышева Н. Ф., Ульяновой М. А. [7], поведение при нагревании образцов регенеративного продукта на основе КО2, полученных путем взаимодействия гидроксида калия и пероксида водорода, а также путем сжигания металлического калия существенно отличаются. Например, для КО2, полученного путем взаимодействия гидроксида калия и пероксида водорода, наблюдается наличие экзотермического эффекта уже при температуре порядка 60–65 0С [7]. Поэтому при выборе методов и средств определения ТФС хемосорбентов необходимо учитывать способы их получения.

В отличие от изолирующих средств защиты, сорбционное оборудование фильтрующего вида в промышленности представлено наиболее широко. К такому оборудованию и изделиям относятся оборудование для очистки и осушки технологических газов, средства защиты органов дыхания (ГОСТ 12.4.034–2001), в которых очищаемый воздух или воздух для дыхания берется непосредственно из окружающей среды и очищается от вредных примесей при прохождении через слой адсорбента. Сюда же, отчасти, можно отнести оборудование для разделения газов методами короткоцикловой безнагревной адсорбцией, а также адсорбцией с колебанием температуры.

В перечисленном оборудовании используют как адсорбенты, так и хемосор-бенты. Рассмотрим наиболее распространенные из них.

Химические поглотители на основе гидроксидов лития и кальция, применяют для поглощения диоксида углерода и других вредных примесей. Например, известковый поглотитель гидроксид кальция Ca(ОН)2, взаимодействующий с СО2 с выделением тепла по следующему механизму [7]: Ca(ОН)2 + СО2 = CaCO3 +Н2 О. (1.2)

Широко распространенным в РФ является поглотитель марки ХПИ по ГОСТ 6755-88 с размерами зерен в диапазоне 5,5…6,5 мм (рисунок 1.6). В качестве добавок, улучшающих поглощение диоксида углерода, используют гидрок-сиды натрия и калия (например, поглотитель ХПИ-К производства ОАО “Корпорация “Росхимзащита”). Последнее время ведутся разработки поглотителей, нанесенных на армирующие матрицы - тканые материалы, металлические сетки [18]. Их, в основном, получают нанесением растворов известкового молока на пористые материалы в форме пластин толщиной до 3 мм.

Широко используемым видом сорбентов, являются цеолитовые адсорбенты - алюмосиликаты, содержащие в своем составе окислы щелочных и щелочноземельных металлов и отличающиеся строго регулярной структурой пор [19]. Их подразделяют на природные и синтетические. Природные цеолиты представлены главным образом клиноптилолитом, морденитом, эрионитом, шабазитом и др. Синтетические цеолиты отличаются от других адсорбентов практически идеальной однородной микропористой структурой и способностью избирательно адсорбировать молекулы малых размеров при низких концентрациях адсорбируемого компонента. Молекулярные сита выпускаются различных марок КА, NaA, СаА, NaX, СаХ (рисунок 1.6). Диаметр входного окна синтетических цеолитов состав о ляет 3..9 А. Большинство цеолитов хорошо поглощают воду.

Сорбенты на основе активных углей широко применяют для очистки газов, например в фильтрующих средствах защиты. По размеру и форме частиц угли подразделяют на порошковые и гранулированные. Последние, чаще всего, представляют собой частицы цилиндрической формы диаметром 2..5 мм. Как правило, структура угля представлена порами широкого диапазона размеров.

Для повышения избирательной активности адсорбентов в поры их углеродной основы вводят различные гигроскопические соли, (например СаСl2, LiCl, LiBr) или хемосорбционные добавки (например, FеСl3, NiCl2, CuSO4). Отечественной промышленностью выпускаются сорбенты на основе углей марки СКТ, купрамит, карбогель КГ на основе активного угля марки АГ-3, поглотители паров аммиака ХПА-Н, представляющие собой активные угли АГ-5 или СКТ-6, импре-гнированные хлоридом никеля и множество других сорбентов [20].

С учетом проведенного анализа, можно сделать вывод о том, что для определения ТФС сорбентов необходимы методы и устройства, которые должны удовлетворять следующим требованиям: 1) обеспечивать возможность комплексного определения ТФС насыпных слоев сыпучих сорбентов с зернами 2..7 мм, блоков с каналами, пластин толщиной 1..3 мм; 2) обладать достаточной чувствительностью, позволяющей обнаружить изменение параметров теплопереноса (теплопроводности, теплоемкости) при изменении степени насыщения сорбента; 3) обеспечивать возможность определения ТФС в температурном диапазоне хранения и эксплуатации сорбентов; 4) конструкции измерительных устройств, предназначенных для реализации методов, должны обеспечивать возможность определения ТФС сорбентов без их контакта с компонентами воздуха.

Методическое обеспечение экспериментального исследования теплофизических свойств на этапе решения задачи по определению

Для определения ТФС на первом и втором этапах работ, разработаны методы и реализующие их устройства, позволяющие в ходе одного измерительного процесса определять ТФС и порозность контролируемого образца.

В основе методов предложено использовать следующий принцип измерения: на образец оказывают тепловое воздействие и измеряют отклик, дополнительно оказывают пневматическое воздействие на газовую фазу образца и измеряют отклик в виде изменения давления газовой фазы. Используют отклики для получения информации о ТФС. Рассмотрим способы оказания пневматического и теплового воздействий и обработки откликов на оказанные воздействия.

Методическое обеспечение экспериментального исследования теплофизических свойств на этапе решения задачи по определению модели для расчета коэффициента теплопроводности твердой фазы сорбента

Для реализации предложенного принципа измерения поместим контролируемый материал 1 в герметичную емкость 2. На материал будем оказывать тепловое воздействие от источников 3. Вид теплового воздействия будет определяться задачами теплового контроля сорбентов, и зависеть от этапа выполнения работ по определению их ТФС. Одновременно с тепловым воздействием окажем пневматическое воздействие. Для этого уменьшим на заданную величину AV объем емкости 2 и измерим отклик в виде изменения давления Аp газа, заполняющего открытые поры и межзерновое пространство материала 1.

Рассмотрим уравнения состояния газа в емкости. Допустим, что известен первоначальный объем V емкости 2, а в начальный момент времени давление газа равно атмосферному. Уменьшив объем, занимаемый газом, на величину AV, пренебрегая повышением температуры газа при сжатии, получим следующее уравнение состояния газа pатм (V-Vт) = {pатм + ApV -Vт- AV), где pатм - атмосферное давление, Па. В записанном уравнении неизвестными являются Vт и pатм . Для определения pатм рассмотрим случай, когда емкость 2 не заполнена исследуемым материалом. Тогда, уменьшая ее объем на величину AV и измеряя изменение давления Аp0, искомое pатм можно вычислить по формуле p атм=Ap0(V-AV)/AV. С учетом выражения для pатм, формулы для определения объема твердой фазы и порозности примут вид:

Рассмотренный метод измерения Vт, как было показано в главе 1, называется методом газового замещения. При его практической реализации целесообразно уменьшать в процессе измерения не объем измерительной емкости с контролируемым материалом, а объем вспомогательной емкости, соединенной с измерительной посредством газоподводящей трубки [89]. Для практической реализации пневматического воздействия используют емкость 1 (рис. 2.4) в которую помещают контролируемый материал 14. Емкость герметично закрывают крышкой 13. Измерительную емкость посредством трубки соединяют с вспомогательной емкостью 4 переменного объема. Изменение объема осуществляют за счет перемещения поршня 6. Отклик на пневматическое воздействие измеряется манометром 8. На точность измерения Vт будут влиять как погрешности определения V, так погрешности определения объема трубки, соединяющей измерительную и вспомогательную емкости, а также объема тройника, используемого для подключения манометра.

Рассмотрим вариант реализации метода, предусматривающего исключение влияния объема газоподводящих трубок на точность измерения Vт за счет использования сравнительной емкости 2 на рисунке 2.4.

Методическое обеспечение экспериментального определения сорбционных свойств сорбента по мощности источников тепла

Устройство включает измерительную 1 и сравнительную 2 емкости одинаковых размеров, между которыми размещен нагреватель 3 с датчиком температуры 4. Сравнительная 2 и измерительная 1 емкости подключены к емкостям переменного объема 7 и 8, соответственно, внутри которых размещены поршни 9 и 10, жестко соединенные между собой и со стержнем 11. К емкости 1 подключен датчик давления 12. К емкости 2 подключены датчик давления 13 и дополнительная емкость 14 переменного объема с поршнем 15. Внешние поверхности емкостей 1, 2 в процессе измерения ТФС термостатируются посредством холодильников 5. Сигнал с датчика температуры передается в вычислительное устройство ВУ, включающее аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, устройство отображения информации о ТФС, цифро-аналоговый преобразователь. Управляющие сигналы, вырабатываемые микропроцессором, передаются в подсистему 6, управляющую перемещением стержня 11.

Рассмотрим алгоритм определения ТФС и обработки экспериментальных данных. Он построен на основе рассмотренных в разделах 2.2.1 и 2.2.2.2.2 математических моделях состояния газа и теплопереноса.

Процесс определения ТФС состоит в следующем. 1) Один из двух идентичных образцов контролируемого материала по мещают в сравнительную емкость 2. Поршни 9, 10, 15 емкостей 7, 8 и 14 приво дят в исходное состояние и герметично закрывают емкости 1, 2. Уменьшают объ ем измерительной и сравнительной емкостей на заданную величину AV0 и изме ряют изменение давления p 10 в измерительной емкости и p20 в сравнительной ем кости. Определяют атмосферное давление по формуле pатм = p10(V10 - AV0)/AV0 . Увеличивают объем емкости 14, приводя к равенству давления в емкостях 1, 2. Фиксируют изменение объема емкости 14. 2) Измеряют массу m второго контролируемого образца. Помещают его в измерительную емкость. Приводят систему поршней 9, 10 в исходное состояние, соответствующее максимальному объему емкостей 7, 8. 3) Подводят постоянное напряжение U на нагреватель измерительного устройства. По достижении стационарной стадии регистрируют температуру T1ао нагревателя и определяют коэффициент теплопроводности по (2.56). 4) Герметизируют емкости измерительного устройства. Уменьшают объ ем измерительной и сравнительной емкостей на величину AV = km путем пере мещения поршней 9 и 10 на заданное расстояние. Измеряют изменение давлений pіи p2 в измерительной и сравнительной емкостях и определяют удельный объем vт и порозность є по формулам (2.14), (2.15), соответственно. 5) При необходимости определения теплоемкости и коэффициента температуропроводности прекращают подводить напряжение к нагревателю. Начинают отсчет времени с нуля. Регистрируют температуру 7j нагревателя до момента достижения начальной температуры, равной Tх. Определяют Fo = a3x//42 и 0! =(fi -Гх)/(Гіоо -Гх). Из графика зависимости 1п0і = /(Fo) определяют i,, как тангенс угла наклона прямолинейного участка зависимости In і « /(Fo). Численно решают задачи (2.62)-(2.65) относительно параметра (34 и вычисляют коэффициент температуропроводности по формуле (2.67). Вычисляют удельную теплоемкость твердой фазы материала по формуле cт=—(сp)A-сгpг(Vlm-Kp2 lp2-\lpx)), (2.69) m полученной с учетом выражений (1.3) и (2.15) и (ф)4 = Хл/ал.

Методическое обеспечение экспериментального исследования теплофизических свойств на этапе решения задачи по определению зависимостей теплофизических свойств твердой фазы сорбентов от степени их насыщения и температуры

Для решения задачи определения зависимостей ТФС твердой фазы сорбентов от степени их насыщения и температуры предложен метод, основанный на теории регулярного режима второго рода, что позволяет сократить затраты времени на контроль ТФС по сравнению с методом, изложенным в предыдущем разделе. Теоретические основы разработанного метода и аспекты его практического применения опубликованы в работах [140 – 150]. Метод защищен патентом [143].

Поставим и решим задачу теплопроводности в системе, включающей плоский слой 1 контролируемого материала, размещенного в герметичной емкости, стенки которой образованы металлическими пластинами 2 (рисунок 2.10). Пластины 2 приведены с двух сторон в тепловой контакт с плоскими нагревателями 3, выделяющими постоянную мощность W =U2/(RV), где U, R, V – напряжение, сопротивление и объем нагревателя, соответственно. Противоположные поверхности нагревателей, температуры в центре которых измеряются термопарами 5, приведены в тепловой контакт с теплоизоляцией 4.

Введем следующие допущения: 1) потери тепла с торцевых сторон системы слоев отсутствуют (для уменьшения потерь тепла в конструкции ИУ применяют охранные нагреватели); 2) теплофизические свойства контролируемого материала постоянны в процессе измерения; 3) пластины 2 изготовлены из материала с хорошей теплопроводностью (например, из меди или алюминия), а их толщина невелика, что позволяет пренебречь перепадом температур на противоположных поверхностях пластин; 4) термическое сопротивление в плоскости контакта нагревателя и пластины отсутствует. C учетом сделанных допущений, можно считать, что температура пластины и приведенного с ней в тепловой контакт нагревателя равны. Из уравнения теплового баланса, записанного для некоторого малого промежутка времени Ат, которому будет соответствовать нагрев пластины на величину AT и постоянство ТФС материалов слоев ИУ, следует, что тепловой поток q от нагревателя в образец можно вычислить по выражению q. = U] /(RнSJ - qiи - снрнЯн спрпЯп , /=1,2, (2.70) где R - сопротивление, Ом; 5 - площадь, м2; U - напряжение, В; //- толщина, м; индексы н, п относятся нагревателю и пластине, соответственно; qи - плотность теплового потока в слой теплоизоляции.

Анализ погрешностей определения теплоемкости и коэффициента теплопроводности на квазистационарном этапе процесса измерения и определение рациональных параметров теплового воздействия на образец

Приведенные данные показывают, что скорость процесса хемосорбции в диапазоне безразмерного времени 0 0,4 изменяется относительно мало, что обусловлено влиянием двух разнонаправленных процессов, с одной стороны скорость реакции возрастает при увеличении концентрации реагентов по мере прохождения фронта хемосорбции (сорбции), с другой стороны скорость убывает по мере расходования активного вещества хемосорбента.

Таким образом, полученные данные расчета скорости массообмена при изменяющейся концентрации согласуются с данными экспериментального определения мощности источников тепла. Из анализа рисунков 3.4 и 3.5 видно взаимное соответствие W и dv/dt друг другу. Это доказывает справедливость использования выражения W= Н рС02 d/d, устанавливающего зависимость между мощностью источников тепла в слое хемосорбента и скоростью сорбции для исследованных процессов хемосорбции СО2 веществами на основе перекисных соединений щелочных и щелочноземельных металлов.

Рассмотрим картину изменения температуры во времени (рис. 3.3). По слою движется тепловой фронт, причем качественно его движение соответствует представлениям, изложенным в [128]. Тепло не успевает отводиться потоком газа и расходуется на нагрев сорбента. Однако ввиду особенностей процесса хемосорбции четко выраженного перемещения теплового фронта не существует, что может приводить к существенным погрешностям определения сорбционных свойств.

Для оценки погрешности определения ф проведем анализ выражения (3.3). Допустим, что численное интегрирование данного выражения в интервале времени [0,TJ не вносит погрешности в результат определения ф. Здесь хк - время от начала продувки ГС через слой, до остывания сорбента до начальной температуры. Введя обозначение Q = ЯЕрС02, и применив теорию погрешностей к (3.3), по лучим (Аф/ф)

Исследования проводят в следующей последовательности. Стеклянную трубку 1 длиной 400 мм, внутренним диаметром 40 мм и толщиной стенок 1 мм снаряжают исследуемым хемосорбентом 2. На заданных расстояниях по оси трубки размещают горячие спаи термопар Т13. Термопарные провода размещают в цилиндрическом корпусе толщиной не более 1 мм. Трубку размещают в воздушном термостате ТС. Вентилятором 3 обеспечивают обдув трубки воздухом. Через исследуемый сорбент с постоянным расходом продувают заранее под 102 готовленную ГС и регистрируют показания термопар. Обработку результатов измерения температур проводят по уравнению (3.13).

При математической обработке учитывали, что часть теплоты, выделяемой в процессе хемосорбции, расходуется на нагрев стенок трубки, то есть фактически величина фв уравнении (3.13) включает в себя определенную долю теплоемкости стенок трубки. Коэффициент теплоотдачи а включает и некоторую долю теплового сопротивления стенок трубки. Определение коэффициента теплоотдачи по методике, изложенной в работе [128], предполагающей продувку через контролируемый сорбент потока сухого горячего воздуха и определение времени тепловой релаксации трубки, являющегося функцией коэффициента теплоотдачи, было затруднительным. Так как требовалось не только осушать воздух, но и удалять из него компоненты, вступающие в химическую реакцию с хемосорбентом. Поэтому для определения коэффициента теплоотдачи использовали следующую методику.

Цилиндрический образец полиметилметакрилата длиной 400 мм и диаметром 40 мм с небольшим зазором помещали внутрь стеклянной трубки с толщиной стенок 1 мм. Для уменьшения теплового сопротивления, пространство между цилиндрическим образцом и внутренней поверхностью трубки заполняли пастой КПТ-8. В центре образца размещали термопару. Образец предварительно термо-статировали до температуры Т0 Тс, а затем, помещали в термостат, где его охлаждали при постоянной скорости обдува и регистрировали температуру ТЭ термопарой. При этом допускали, что образец полиметилметакрилата охлаждается в условиях, близких к условиям охлаждения исследуемого хемосорбента в трубке.

Для определения коэффициента теплоотдачи использовали выражение a = Bil/R0, где - теплопроводность полиметилметакрилата; RQ - радиус образца; Bi - число Био, определяемое из решения задачи v/;(r) + l\/;(r) + nfv/1(r) = 0, 0 г 1, Ці\(0) = 0, \/;(l) + Biv/1(l) = 0, г соответствующей краевой задаче теплопроводности в цилиндрическом образце, охлаждаемом при граничных условиях третьего рода. Здесь JLI1 - определяемый по результатам измерения температуры параметр, имеющий смысл тангенса угла наклона прямолинейного участка зависимости h0 = /(Fo) (рис. 3.7), где 0 = (Э - с)/(Т0 -Тс)- безразмерная температура; Fо = ax/R20 - число Фурье; температуропроводность полиметилметакрилата. Применив теорию погрешностей к выражению для а, получим (Аа/а)ск = V(ABi/Bi)2 + (Щ/Rj + (ДМ,)2

Кривые изменения во времени температур в сечениях с координатами 128 и 192 мм, полученные для хемосорбента на основе КО2 фракцией 3-5 мм при продувке ГС с содержанием СО2 4% и паров воды 13-14 мг/л

Используя результаты измерения температур, показанные на рисунке 3.8, учитывая Нъ =4200 + 506 Дж/г СО2, вычислены среднеквадратичные погрешности (5Ф)ск = (Аф/ф)ск определения величины (рис. 3.9).

Графики (р = /(т) (кривые 1, 2) и соответствующие им зависимости (5ф)ск =/(т) (кривые 1 , 2 ) для двух сечений, расположенных от входа в слой сорбента на расстояниях 128 мм и 192 мм, соответственно Анализ полученных в данном разделе результатов позволяет сделать следующие выводы. Уравнение (3.13) удовлетворительно описывает перенос тепла только для периода времени интенсивного развития температур в слое. Для опре df дт деления частных производных — и — могут быть использованы результаты дт dz опытов, соответствующие периоду интенсивного развития температур, так как только в этом случае можно гарантировать достаточно точное их определение. Температуры в слоях хемосорбента достигают значений выше 300 С, что является причиной появления дополнительных стоков тепла, обусловленных эндотермическим взаимодействием Са(ОН)2 и КО2. В этом случае необходимо вводить поправку в величину Нъ. Рассмотренному методу характерна большая длительность. С учетом сказанного поставим задачу уменьшения погрешностей определения сорбционных свойств и сокращения длительности измерительного процесса.

Математическая модель теплопереноса в плоском слое сорбента при продувке через него газовой смеси с поглощаемым компонентом

Рассмотрим слой сорбента толщиной h (рисунок 3.10) через который продувается ГС. С потоком газа подводится количество тепла Qвх, в слое действуют внутренние источники тепла, обусловленные протекающей экзотермической реакцией, объемная мощность W которых изменяется во времени. С потоком газа уносится 2вых тепла. Мощность внутренних источников тепла связана со скоростью поглощения компонента ГС выражением (3.3).

Примем следующие допущения. Пусть толщина слоя значительно меньше остальных его линейных размеров (ширины, длины). С учетом чего слой сорбента можно считать неограниченной пластиной. Будем считать, что потери тепла с торцевых сторон слоя пренебрежимо малы по сравнению с теплом, уносимым потоком продуваемой ГС. Допустим, что концентрация поглощаемого компонента на входе и выходе из слоя постоянна, что обусловлено большим расходом ГС и малой толщиной слоя, поэтому плотность источников тепла постоянна по толщине слоя. С учетом этих допущений будем считать, что температура в любой точке сорбента одинакова. Количество тепла, переносимого теплопроводностью в направлении оси х, пренебрежимо мало по сравнению с количеством тепла, переносимого потоком ГС. Для хемосорбентов на основе КО2 и Na02 введем допущение о постоянстве скорости ГС по толщине слоя, поскольку объемы поглощаемого СО2 и выделяемого О2 существенно меньше объема ГС. Теплоемкость сорбента будем считать постоянной.