Введение к работе
Актуальность темы. Проведение процессов при криогенных температурах (ниже 120 К) широко используется в пищевой и химической промышленности, в сельском хозяйстве, медицине, а также в авто- и аэрокос-мнческой технике. Применение сжиженных газов (метана, азота, гелия, кислорода и водорода) в промышленных масштабах связано с эксплуатацией систем, состоящих из резервуаров, соединительных трубопроводов вспомогательного оборудования и устройств, позволяющих выдавать потребителям криогенную жидкость с заданными термодинамическими параметрами. При этом эффективное функционирование криогенных систем возможно лишь при включении в их состав средств автоматизации и программных комплексов, базирующихся не только на современной вычислительной технике, но и на современном математическом обеспечении.
Потери криогенных жидкостей и ухудшение их качества зависят от содержания в них высококипящих примесей (в кислороде - углеводородные соединения, в водороде - азот и кислород и т.д.), которые накапливаются в виде «садка в элементах криогенных систем. Превышение допустимого предельного содержания примесей в осадке приводит к аварийным ситуациям (например, самодетанация кристаллов кислорода в жидком водороде наступает при толщине осадка п 100 мкм). Поэтому периодически производится очистка внутренних поверхностей элементов от осадка с помощью их отогрева (расход криогенной жидкости на последующее .за-холажнванне элемента составляет 25-30% его вместимости). Ясно, чи> преждевременные отогревы ведут к перерасходу криогенных жидкостей, а несвоевременные снижают уровень безопасности.
Возможности непосредственного измерения содержания примесей в криогенных системах ограничены. Суммарные концентрации примесей в жидкости, находящихся в растворенном виде и во взвеси, определяются специальными хроматографами .точность которых невелика ввиду низкой растворимости примесей, а толщина осадков до сих пор не измеряется из-за отсутствия такого рода приборов.
Поэтому контроль и прогнозирование содержания примесей в криогенных системах осуществляется расчетным путем. Однако математические модели, положенные в основу используемых расчетных методик, позволяют оценивать лишь максимальное увеличение содержания примесей на входе к потребителю и (или) в резервуарах, из-за чего точность кон і роля и прогнозирования мала. Это является следствием того, что пег достаточно адекватных математических моделей потоков примесей в элемешах криогенных систем при выполнении технологически*; операций. Эшм их-
объясняется отсутствие инвариантного к структуре криогенных систем математического и программного обеспечения задач анализа, контроля и прогнозирования содержания примесей.
Дальнейший рост производства и потребления криогенных жидкостей, а также стоимость их получения, повышают значимость разработки современного математического обеспечения для автоматизированных систем управления функционированием криогенных систем в условиях'образования твердой фазы высококипящих примесей.
Исследования выполнялись в рамках тем: "Математическое обеспечение задач технологии эксплуатации систем хранения, транспортировки и использования особо чистых криогенных жидкостей" (Nr.p.OI860130102); "Моделирование гидромеханических, тепло- и массообменных процессов при кристаллизации" (N г.р. 01870030782) в соответствии с координационным планом научно-исследовательских работ Минвуза на 1986-1990 гг. по направлению "Кристаллизация из растворов и газовой фазы", а также "Моделирование технологических систем, принципов и методов их автоматизированного проектирования" (N г.р. 01920008098, шифр 6.30.006); "Исследование и математическое моделирование процессов кристаллизации и осаждения микропримесей при охлаждении криогенных жидкостей" по результатам конкурса грантов в соответствии с программой фундаментальных исследований в области авиационной и ракетно-космической техники на 1993 год по разделу "Наземные комплексы, стартовое оборудование, эксплуатация летательных аппаратов и их систем" (направление 2 "Поисковые исследования путей сокращения энергоемкости стартового оборудования и затрат на подготовку летательных аппаратов к пуску", -2.2. "Разработка способов снимания потерь криогенных компонентов топлива при подготовке летательных аппаратов к пуску и при испытаниях").
Цель работы: разработка комплекса моделей параметрического анализа функционирования криогенных систем в условиях образования твердой фазы примесей в виде инвариантного математического обеспечения автоматизированных систем предметного назначения криогенной техники.
Задачи исследования: .
Исследование функционирования существующих криогенных систем в условиях образования твердой фазы высококипящих примесей и изучение их свойств и специфических особенностей построения математических моделей параметрического анализа накопления примесей в жидкостных криогенных системах.
Определение состлол и структуры математического обеспечения автоматизированной системы управления функционированием жидкостных криогенных систем.
Разработка математических моделей параметрического анализа: кинетики осаждения взвеси высококшшцич примесей и образования осадка п элементах криогенных систем; распределения компонентов газовых смесей в элементах криогенных систем, имеющих застойные зоны и тупиковые отводы; растворения примеесі во взвеси и в осадке; совокупного процесса кристаллизации и осаждения примесей при различных способах снижения температуры криогенных жидкостей.
Идентификация параметров комплекса математических моделей на основе опытных данных и численных экспериментов.
Разработка методик, вычислительных процедур, алгоритмов и программ параметрического анализа для : оценки распределения взвеси примесей по объему элементов криогенных систем II толщины- образующегося осадка при хранении криогенных жидкостей и их переливе; прогнозирования качества результатов технологической операции "газоподготовка"; оценки загрязнения криогенной жидкости при ее хранении в резервуарах; оценки распределения примесей в элементах криогенных систем при испарительном и циркуляционном охлаждении криогенных жидкостей.
Разработка программного обеспечения параметрического анализа функционирования криогенных систем.
Промышленное апробирование и внедрение результатов на реальных объектах криогенной техники.
Методы исследований. Основные теоретические и экспериментальные разработки, представленные в диссертации, базируются на применении математического аппарата и методов теории гидромеханических, тепло- н массообменных процессов, теории систем и моделирования.
Поведение криогенных высококипящих примесей носит общий характер, поэтому дли проведения исследований выбрана система азоч-водород в силу ее безопасности л доступности.
Научная новизна:
Математическое обеспечение инвариантное структуре крногаин.г. систем, в состав которого входят модели: осаждения малокониентриро ванных полидисперсных взвесей в элементах криогенных систем в условиях конвективного перемешивания с использованием сформулированною обобщен ного условия на границе взвесь-осадок; осаждения и распределе-
ния криогенных взвесей [і проточных элементах криогенных систем; распределения газовых смесей в элементах криогенных систем с застойными зонами и тупиковыми отводами при периодическом и непрерывном режимах их функционирования; совокупного процесса кристаллизации- осаждения нримесеіі в проточных и непроточных элементах при различных способах охлаждения криогенной жидкости; растворения осадка примесей и их взвеси при смешивании криогенных жидкостей; стратификации криогенной жидкости в резервуаре при циркуляционном охлаждении; аспирации при пробоотборе криогенных взвесей.
Методики и алгоритмы идентификации параметров предложенных математических моделей.
На основе предложенного математического обеспечения впервые получена информация: о дисперсном составе кристаллического азота в жидком водороде; кинетике его осаждения в условиях конвективного перемешивания; толщине образующегося осадка на стенках резервуаров; нс-личине размеров зародышей, скорости их образования и роста кристаллов азота при испарительном охлаждении жидкого водорода, а также дисперсный состав кристаллов азота во взвеси и и осадке; скорости растворения кристаллического азота в осадке в условиях конвективного перемешивания, вызванного тцплопритокамн тине.
На базе комплекса математических моделей и результатах экспериментальных исследований, проведенных на лабораторных н промышленных системах, разработана методика расчета потоков примесей при выполнении технологических операций газоподготовкп, захолаживания, перелива, охлаждения, хранения, отогрева, которая положена в основу компьютерных программ контроля и прогнозирования накопления примесей в промышленных жидкостных криогенных системах.
На защиту выносятся: математическое обеспечение аналіна, контроля и прогнозирования накопления примесей в криогенных системах, методики и алгоритмы идентификации параметров моделей, входящих в состав математического обеспечения; результаты экспериментов на лабораторных п промышленных установках.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Математическое обеспечение позволило разработать научно обоснованные предложения для осуществления эффективного анализа, контроля и прогнозирования содержания примесей в реальных жидкостных криогенных системах , на основе которых рекомендованы; вычислительные процедуры для расчета кинегпкн осаждения и образования осадка примесей в резервуарах и соединительных трубопроводах: пзгорнтмн определения качеепт не-
прерывной и периодической газоподготовки элементов криогенных систем; методы расчета образования, роста н осаждения примесей при охлаждении Криогенных жидкостей; методики определения скорости растворения осадка и расчета коэффициента аспирации при выполнении проио-отбора взвеси примеси из криогенной жидкости; способ введения дозы газа в криогенную жидкость; установка для переохлаждения и выдачи сжиженного газа.
Предложенное математическое обеспечение может быть применено в САПР, АСУ, АСНИ, АСУТП не только для криогенных систем, но и для других технологических объектов различного назначения.
В промышленность внедрены методика и программные средства для осуществления автоматизированного анализа, контроля и прогнозирования накопления примесей в жидкостных криогенных системах на предприятиях В-8469 и Р-6541, что позволило увеличить межотогревный период эксплуатации криогенных резервуаров до 2-х лет с сохранением существующего уровня безопасности, а также упростить технологию хранения
Апробация работы. Основные положения И результаты диссертации
докладывались и обсуждались на заседаниях семинара АН СССР по про
блеме "Теоретические основы химической технологии" (Москва, МГУ,
1985-1988 гг.) и научных конференциях - "IV Всесоюзная конференция по
массовой кристаллизации" (Иваново, ИХТИ, 1990); "Современные методы
теории краевых задач" (Воронеж, ВГУ,1992); "Информационные техноло
гии и системы. Технологические задачи механики сплошных
сред"(Воронеж, ВГУ, 1992); "Понтрягинские чтения"
(Воронеж,ВГУ, 1993,1995,1996); "Современные проблемы механики и математической физики" (Воронеж, ВГУ.І994); "КХТП-IV" (Москва РХТУ.1994); "Динамика-lV" (Ярославль, ЯГТУ, 1994); "Проблемы химии и химической технологии" (Воронеж, ВГУ. 1995); "2 Международная теп-лофизнческая школа" (Тамбов, ТГТУ, 1995), "Физико-химические основы пищевых и химических производств" (Воронеж, ВГТА, 1996); "Дифференциальные уравнения и применения" (С.-Петербург, СП6ГУ,1996).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 60 печатных раоот, в том числе 3 авторских свидетельства и один патент.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы из 235 наименований и приложения Материал диссертации изложен на 383 страницах и содержит 92 рисунка и 6 таблиц.
Теоретическая часть диссертации выполнена на кафедрах "Промышленная энергетика" и "Математическое моделирование техноло-
гнческих систем" Воронежскоіі государственной технологической академии, экспериментальная часть - в НПО ГИПХ (г. Санкт-Петербург) и в НИИМАШ (г. Нижняя Салда).
