Технические науки/3.Отраслевое машиностроение

 

Д.т.н. Алтухов А.В.

Филиал «Восход» Московского авиационного института, Россия

Д.т.н. Балабеков М.О.

Южно-Казахстанский государственный педагогический институт, Казахстан

 

Системно-поэлементная методология исследования и расчета экологически совершенного агрегата

 

Решение задач анализа, расчета, оптимального проектирования и управле­ния процессами химической технологии неразрывно связано с применением стратегии поэлементного рассмотрения всех элементарных актов физико-химических явлений и системного анализа их отдельного и совокупного воз­действия на протекание этих процессов [1, 2], т.е. системно-поэлементный анализ это мощный системно-логический и формально-математический аппарат.

Целью системно-поэлементного подхода является построение физико-математической модели химико-технологического процесса, которая ис­пользуется в дальнейшем для решения задач оптимизации, управления и про­ектирования [1].

Необходимость применения системно-поэлементного подхода особенно актуальна [2] при анализе процессов коагуляции и осаждения в многофазных турбулентных потоках, т. е. системах, для которых характерно многообразие явлений, совмещенность и взаимодействие явлений различной физико-химической природы. Построение     математического описания сложного химико - технологического процесса, какими являются процессы коагуляции (в том числе и конденсационно - коагуляционное укрупнение) и осаждения аэрозо­лей с позиций системного анализа включает три этапа: качественный ана­лиз структуры физико - химической системы (ФХС); синтез структуры функ­циональной схемы физико - химических эффектов; идентификация и оценка па­раметров системы по экспериментальным данным.

С точки зрения макропроцессов, следующие исследуемые явления можно отнести [2] к классу детерминированных систем: изменение размеров частиц аэ­розоля за счет механизмов конденсационного роста; диффузия молекул па­ровой фазы к поверхности частиц аэрозоля; образование пленочного тече­ния; молекулярно-диффузионное и инерционное осаждение аэрозоля на кап­лях, струях и пленках; перенос тепла в газовой, жидкой и твердой фазах. Одна­ко системам присущи и явления стохастического характера: вторичное зародышеобразование; распределение частиц полидисперсного аэрозоля по разме­рам; коагуляция частиц аэрозоля; пульсационно - хаотическое течение не­сущего потока и частиц; образование капельной поверхности осаждения при диспергировании жидкости за счет энергии турбулентного потока и т. п.

Взаимодействие явлений детерминированного и стохастического харак­тера и обусловливает особенности процессов укрупнения и осаждения аэ­розолей в турбулентных потоках [2].

Трудности при моделировании такого рода ФХС обусловлены не только их сложностью, но и тем, что до недавнего времени были недостаточно разра­ботаны соответствующие разделы теоретической механики неоднородных сред. Так, отсутствовали общие уравнения движения многофазных сред, кото­рые учитывали бы многокомпонентный массо- и теплоперенос, фазовые пре­вращения, химические реакции, неравномерность распределения частиц дис­персной фазы по размерам. Поэтому моделирование процессов коагуляции сводилось либо к решению уравнения баланса размеров частиц аэрозоля вне связи с силовыми и энергетическими взаимодействиями фаз, либо к опериро­ванию алгебраическими (при анализе установившихся режимов) уравнениями баланса массы и тепла для аппарата в целом как для объекта с сосредоточен­ными параметрами [2].

Использованный в работе [2] системно-поэлементный подход к опи­санию сложных ФХС позволяет получить достаточно общее математическое описание процессов укрупнения аэрозолей и их осаждения в многофазных турбулентных потоках, учитывающее все основные особенности в тесной взаимосвязи. На этапе качественного анализа структуры ФХС (рассматривая смысловой и количественный аспекты анализа) сформулированы общие урав­нения термогидромеханики полидисперсного аэрозоля (уравнения баланса по­пуляций, количества движения, энергии с учетом различного рода распределе­ния частиц по размерам и фазовых переходов). Тем самым созданы предпо­сылки для последовательного и обоснованного учета наиболее существенных явлений и их описаний в общей структуре эффектов при построении функ­циональной блок-схемы (оператора) коагуляции и осаждения полидисперс­ного аэрозоля в различных устройствах с различными механизмами взаи­модействия.

Стратегия системно-поэлементного подхода к исследованию и моделиро­ванию процессов коагуляции и осаждения аэрозолей в качестве первого этапа предполагает раздельный качественный анализ структуры процессов образо­вания, укрупнения и осаждения частиц аэрозоля, из которых выделяются два аспекта: эвристико-смысловой, т. е. предварительный анализ априорной ин­формации о физико-химических особенностях рассматриваемых процессов, и математический, т.е. качественный анализ структуры математических зависи­мостей, которые могут быть положены в основу описания процессов[2].

Рассматривая совокупность физико-химических эффектов и явлений, имеющих место в процессе взаимодействия ансамбля частиц с турбулентным потоком при наличии внешних воздействий, выделено [2] шесть типов та­ких взаимодействующих явлений и процессов: 1) совокупность явлений на мо­лекулярном уровне; 2) множество физико - химических явлений, связанных с движением единичной частицы (капли), и явлений межфазного тепло- и массопереноса; 3) физико - химические процессы в ансамбле частиц с учетом их столкновений и фазовых переходов; 4) совокупность процессов, определяю­щих скорость и эффективность процессов коагуляции в локальном объеме (ячейке) аппарата; 5) совокупность процессов, определяющих макрогидродинамическую обстановку в локальном объеме аппарата, процессы переноса и осаждения аэрозолей; 6) совокупность процессов, определяющих гидродина­мическую обстановку в    аппарате в целом.

Каждый тип рассмотренной структуры процесса коагуляции характеризу­ется [2,4] соответствующей формой математического описания (рисунок 1). Осно­ву описания явлений - первого и второго типов составляют феноменологиче­ские и статистические методы физико-химической кинетики и химической термодинамики.

Рисунок 1 – Структура математического описания процессов коагуляции и осаждения аэрозолей

 

Для описания явлений и процессов, характерных для третьего типа, ис­пользуют методы механики мелкомасштабных течений около частицы, гидро­динамические модели, основанные на представлениях о движении частиц аэро­золя и межчастичных столкновений в потоках с гомогенной и изотропной тур­булентностью, закономерности движения частиц в вихревом потоке, теории межфазного тепломассопереноса.

Основу описания явлений четвертого типа - структуры процесса коагуля­ции с учетом фазовых превращений составляют методы статистической теории механики аэрозолей, детерминированные модели переноса массы, импульса и энергии. Пятый тип структуры относится к процессам осаждения и включает модели гидродинамики потоков в локальном объеме аппарата, диссипативные модели каскадного переноса энергии и массы в вихревых потоках, модели, описывающие инерционно-диффузионные механизмы осаждения аэрозолей в потоках с вихревой структурой [2].

Таким образом, математическое описание стохастических свойств процес­са коагуляции, дополненное детерминированными моделями переноса массы, импульса и энергии, и инерционно-диффузионные модели осаждения аэрозо­лей в итоге должны привести к общей математической модели шестого типа процесса коагуляции и осаждения. Уравнения первого, второго, третьего, чет­вертого и пятого типов структуры эффектов процессов коагуляции и осажде­ния входят составной частью в математическое описание явлений шестого ти­па, как математическое описание элементов всей системы в масштабе аппара­та [2].

Практика показала, что это описание, прежде всего, должно быть доста­точно удобным и простым. Поэтому математическое описание процессов пер­вых трех типов, необходимо максимально упростить и ввести в описание четвертого, пятого и шестого типов в достаточно простой и компактной форме. Упрощение достигается оценкой порядка малости величин с выявлением наи­более значимых факторов, оказывающих доминирующее влияние на процесс коагуляции и осаждения аэрозолей [2].

Представленная схема отвечает лишь структуре математического описания процессов коагуляции и осаждения аэрозолей.

На наш взгляд для создания экологически совершенного агрегата включается более широкий спектр проблем и задач. Поэтому мы разработали структуру системно-поэлементной методологии (далее СПМ) создания экологически совершенного агрегата или установки (рисунок 2) [4]. Она состоит из 10 этапов, начиная с формулировки проблемы и выбора исходных данных (1-этап) и кончая заданием на проектирование (10-этап), т.е. включает комплекс задач, отвечающих современным требованиям по созданию новой техники.

 

1.                   

Проблема и исходные данные к исследованию

2.                   

Явления в наномасштабах

3.                   

Процессы в микромасштабах

4.                   

Единичный акт взаимодействия дисперсных материалов

5.                   

Структура и механизм взаимодействия группы единичных актов

6.                   

Эколого-экономическая эффективность конструктивного

решения аппарата

7.                   

Методика расчета и конструирования основного технологического аппарата

8.                   

Оптимальная компоновка агрегата, установки или

технологической линии

9.                   

Методика расчета экологически совершенного агрегата

10.               

Задание на проектирование

 

Рисунок  2 – Структура системно-поэлементной методологии (СПМ) экологической модернизации технологического оборудования.

 

Рассмотрим подробнее этапы и их задачи [4]:

1 этап – проблема и исходные данные. Передовые машиностроительные фирмы США, Западной Европы и Японии этому этапу уделяют самое пристальное внимание. К нему привлекаются крупные менеджеры, экономисты, технологи и проектировщики. Практически  от их решения зависит конкуренто- способность производимой продукции;

2 этап – явления в наномасштабах. На молекулярном уровне эти исследования практически завершены. Сейчас проблема стоит в получении наноматериалов. Она сложна и требует специальных исследований. Здесь следует отметить, что закономерности тепло- и массообмена на макро-, микро- и наномасштабах аналогичны [3];

3 этап – процессы в микромасштабах, которые применительно к направлению по обработке дисперсных материалов должны включать закономерности взаимодействия частиц между собой и внешней средой (столкновение, коагуляция и другие эффекты);

4 этап – исследования единичного акта, без которого невозможно оценить механизм взаимодействия дисперсных частиц под воздействием внешних сил;

5 этап – позволяет с наибольшей вероятностью установить механизм взаимодействия дисперсных частиц со сплошным потоком с учетом конструкционных особенностей разрабатываемого аппарата;

6 этап – выбор конструктивных и режимных параметров разрабатываемого аппарата с целью определения эколого-экономической эффективности;

7 этап – разработка методики расчета и конструирования  аппарата;

8 этап – оптимальный выбор экологического и вспомогательного оборудования, без которого невозможна компоновка агрегата, установки и технологической линии производства;

9 этап – разработка методики расчета экологически совершенного агрегата (машины, аппарата, установки);

10 этап – задание на проектирование, что является конечной стадией комплексной НИР с участием исследователей, технологов, экономистов и проектировщиков.

Безусловно, что в зависимости от поставленных  задач, их изученности и наличия аналогов разрабатываемого объекта количество этапов может быть сокращено.

Механизм взаимодействия частиц твердых материалов наноразмеров сейчас практически не изучен.  Для получения таких дисперсных материалов необходима специальная технология и оборудование. Например, можно предположить, что для получения наночастиц измельчением необходимы роторные мельницы с числом оборотов до 150-300 тысяч. Это огромные затраты. Поэтому для получения таких материалов следует использовать физические (холод, тепло, возгонка, конденсация и другие) и химические методы. Поэтому, учитывая, что в процессах пересыпки и сушки дисперсных материалов практически отсутствует пыль наноразмеров, 2 этап исследования был исключен из наших задач.

10 этап является практически известной нормативной составляющей методологии создания новой техники. Этот раздел может быть выполнен только научной и проектной организацией.

 

Литература:

1       Кафаров В. В., Дорохов И. Н. Системный анализ процессов химической тех­нологии. – М.: Наука, 1976 – 499с.

2       Ескендиров М.З. Системно-поэлементное моделирование процессов коагуляции и осаждения аэрозолей в прямоточных многофазных потоках организованной вихревой структуры. Автореф. …  докт. техн. наук. – Шымкент: 2005.-50с.

3       Дзюбенко Б.Ф., Кузма-Кичта Ю.А., Холпанов Л.П. и др. Интенсификация тепло- и массообмена на макро, - микро – и наномасштабах. –М.: ЦНИИАТОМИНФОРМ, 2008. -532с.

4       Балабеков М.О. Методология экологической модернизации технологического оборудования на примере сушильного барабанного агрегата./Автореф. канд. дисс., Тараз.- 2010. -20 с.