Диагностика тепловой работы реактора синтеза углеродных наноматериалов при использовании ограниченного числа датчиков
Запропоновано алгоритм роботи експертної системи для аналізу теплової роботи реакторів піролітичного синтезу ВНМ, що заснована на побудові моментальних теплових балансів, яка не має в своєму складі газоаналізатора для визначення вмісту компонентів в газоподібному середовищі, що покидає реактор. Пред...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Datum: | 2012 |
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2012
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59174 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Диагностика тепловой работы реактора синтеза углеродных наноматериалов при использовании ограниченного числа датчиков / А.Б. Бирюков, Е.В. Новикова, П.А. Гнитиев, Д.В. Манойлов, А.Н. Недбайло // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 3. — С. 39-43. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859985270598795264 |
|---|---|
| author | Бирюков, А.Б. Новикова, Е.В. Гнитиев, П.А. Манойлов, Д.В. Недбайло, А.Н. |
| author_facet | Бирюков, А.Б. Новикова, Е.В. Гнитиев, П.А. Манойлов, Д.В. Недбайло, А.Н. |
| citation_txt | Диагностика тепловой работы реактора синтеза углеродных наноматериалов при использовании ограниченного числа датчиков / А.Б. Бирюков, Е.В. Новикова, П.А. Гнитиев, Д.В. Манойлов, А.Н. Недбайло // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 3. — С. 39-43. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | Запропоновано алгоритм роботи експертної системи для аналізу теплової роботи реакторів піролітичного синтезу ВНМ, що заснована на побудові моментальних теплових балансів, яка не має в своєму складі газоаналізатора для визначення вмісту компонентів в газоподібному середовищі, що покидає реактор.
Предложен алгоритм работы экспертной системы для анализа тепловой работы реакторов пиролитического синтеза УНМ, основанной на построении моментальных тепловых балансов, не имеющей в своем составе газоанализатора для определения содержания компонентов в газообразной среде, покидающей реактор.
Working algorithm of expert system for carbon nanotubes pyrolitic synthesis reactors thermal work analysis basing on momentous heat balances constructing which has no gas analyzer for determining components content in gas flux living reactor in gauges set is proposed.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:28:36Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №3 39
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
15. Иваницкий Г.К., Недбайло А.Е. Аналити-
ческое исследование кавитации в рабочем ко-
лесе центробежных насосов // Пром. теплотех-
ника. – 2012. – Т. 34, № 2. – С. 40 – 47.
16. Артеменко С.В., Крийгсман П., Мазур В.
Термодинамическое поведение экологически
опасных веществ в сверхкритичеких природ-
ных флюидах // Восточно-европейский журнал
передовых технологий. – 2009. – Т. 42, № 6/5.
– С. 34 – 40.
17. Laroussi M., Mendis D.A., Rosenberg M.
Plasma interaction with microbes //New Journal of
Physics. – 2003. – № 5. – P. 1 – 10.
18. Ильгамов М.А., Иванов В.А., Гулин Б.В.
Прочность, устойчивость и динамика оболочек
с упругим заполнителем. – М.: Наука, 1977. –
184 c.
Получено 23.04.2012 г.
УДК 544.723
Бирюков А.Б.1, Новикова Е.В.1, Гнитиев П.А.1, Манойлов Д.В.1, Недбайло А.Н.2
1 Донецкий национальный технический университет
2 Институт технической теплофизики НАН Украины
ДИАГНОСТИКА ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ РЕАКТОРА СИНТЕЗА УГЛЕРОДНЫХ
НАНОМАТЕРИАЛОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ОГРАНИЧЕННОГО ЧИСЛА ДАТЧИКОВ
Запропоновано алгоритм ро-
боти експертної системи для
аналізу теплової роботи реакторів
піролітичного синтезу ВНМ, що
заснована на побудові моменталь-
них теплових балансів, яка не має
в своєму складі газоаналізатора
для визначення вмісту компонен-
тів в газоподібному середовищі,
що покидає реактор.
Предложен алгоритм работы
экспертной системы для анализа
тепловой работы реакторов пироли-
тического синтеза УНМ, основан-
ной на построении моментальных
тепловых балансов, не имеющей в
своем составе газоанализатора для
определения содержания компонен-
тов в газообразной среде, покидаю-
щей реактор.
Working algorithm of expert
system for carbon nanotubes pyrolitic
synthesis reactors thermal work analysis
basing on momentous heat balances
constructing which has no gas analyzer
for determining components content in
gas flux living reactor in gauges set is
proposed.
с – теплоемкость газообразной среды;
Q – статья теплового баланса;
t – температура газообразной среды;
V – расход газообразного потока (н.ф.у.);
Г – условное обозначение инертного газа;
γ – доля инертного газа в составе исходной
смеси газов для подачи в реактор;
τ – время;
χ – доля прореагировавшего углеводорода.
Индексы верхние:
эл. нагр. – электрический нагреватель;
пот. реак. – тепловые потери реактора;
энд. – указатель эндотермического эффекта;
Σ – указатель того, что берется интегральное
значение величины за некоторый период
времени.
Индексы нижние:
исх. угл. – исходный углеводород;
газ. прод. – газообразные продукты, покидаю-
щие реактор;
пр. – указатель принадлежности к приходной
статье теплового баланса;
расх. – указатель принадлежности к расходной
статье теплового баланса;
н, к – указатель того, что берется расход газов
на входе и выходе из реактора соответственно.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №340
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Введение
Имеется множество сведений о синтезе
углеродных наноматериалов (УНМ), в част-
ности углеродных нанотрубок (УНТ), при по-
мощи различных методов (электродуговое
осаждение, CVD-синтез, каталитический пи-
ролиз на поверхности подложек с катализато-
ром и т.д.) [1]. При обилии информации о ре-
зультатах применения каждого из методов в
различных модификациях сложно определить-
ся с выбором оптимальных условий работы
каждого конкретного реактора.
Применение систем диагностики позволя-
ет исследовать влияние различных технологи-
ческих параметров на интенсивность протека-
ния процесса образования УНМ:
- вид углеводорода или состав углеводород-
ной смеси;
- доля инертных разбавляющих газов в случае
добавки последних;
- температура в реакционной зоне;
- характер подачи газов в реактор (скорость
истечения, параметры пульсации и т.д.);
- состояние подложки с катализатором (непод-
вижное, кипящий слой, виброожиженное со-
стояние и т.д.).
Анализ публикаций на тему исследования
Область производства УНМ характери-
зуется постоянным уточнением сведений о
рациональных параметрах реализации техно-
логий (например, выбор углеводорода, темпе-
ратуры процесса, параметры подвода исход-
ной среды и т.д.) [1-3].
Особенностью данного зарождающегося
направления в промышленности является вы-
сокий уровень способности к перестройке на
новые технологические параметры не только
опытных, но и опытно-промышленных и про-
мышленных реакторов. Таким образом, осо-
бую роль приобретает система АСУ ТП реак-
тора, которая должна приобрести также функ-
ции экспертной системы, позволяющей интер-
претировать информацию, получаемую от дат-
чиков, для динамического «доисследования»
процесса [4].
В работе [4] предложена экспертная сис-
тема для углубленного изучения тепловой ра-
боты реакторов пиролитического синтеза УНМ
на подложках с катализатором. Применение
данной системы дает возможность «доиссле-
дования» в плане определения важных пара-
метров процесса на основании сигналов от
стандартного набора датчиков, что важно для
оптимизации работы реакторов.
Постановка задачи исследования
В данной работе усилия сосредоточены на
разработке алгоритма работы экспертной сис-
темы для анализа тепловой работы реакто-
ров пиролитического синтеза УНМ, основан-
ной на построении моментальных тепловых
балансов, не имеющей в своем составе газо-
анализатора для определения содержания ком-
понентов в газообразной среде, покидающей
реактор (рис. 1).
Изложение основных материалов
исследования и результатов
Согласно работе [4] моментальный тепло-
вой баланс работы реактора составляется на
основании сигналов датчиков при помощи
следующего набора зависимостей.
Приходная часть
1. Теплота с исходным углеводородом Qисх угл, Вт:
Qисх угл = V исх угл ·c(t исх угл)·t исх угл. (1)
2. Теплота от нагревателя:
Qэл нагр – моментальная мощность источника
тепла, Вт.
Расходная часть
1. Теплота с уходящими газообразными про-
дуктами, Вт:
Qгаз прод = V газ прод ·c(t газ прод)· t газ прод. (2)
2. Тепловые потери реактора:
Qпот реак – моментальные тепловые потери реак-
тора, Вт.
3. Покрытие эндотермического эффекта реак-
ций:
Qэнд – тепловой поток, расходуемый на покры-
тие эндотермического теплового эффекта реак-
ций пиролиза углеводородов, Вт.
Уравновешивание моментального теплово-
го баланса производится путем определения
пр
пр
расх
расх
расх
пр
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №3 41
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Рис. 1. Структурная схема системы
диагностики тепловой работы реактора
УНМ: 1 – реактор; 2 – электрический
нагреватель; 3 – контроллер; 4 – термопара
в реакционной зоне; 5 – датчики
диэлектрической проницаемости
реакционного пространства; 6 – реостат,
для управления тепловой мощностью,
выделяемой на нагревателе реактора;
7 – прибор для замера мощности,
потребляемой нагревателем; 8 – патрубок
подвода углеводорода; 9 – патрубок отвода
газообразных продуктов; 10 – расходомеры;
11 – термопары; 1-1, 2-2, 3-3, 4-4,
5-5 – сигналы от соответствующих
чувствительных элементов.
2 2
≈ U, B
1
3 4
5
6 7
2
9
8
10
10
11 11
1 1 1 1 1 1 2 2
3 3
3
3 4
4
4 4
величины Qэнд :
Qэнд = Qисх угл + Qэл нагр – Qгаз прод – Qпот реак. (3)
Изменение величины расхода тепла на по-
крытие эндотермического эффекта реакций во
времени Qэнд (τ) позволяет судить об истоще-
нии реакционной способности катализатора.
Величина Qпот реак определяется при помо-
щи расчетной модели с учетом геометричес-
ких и теплофизических характеристик ограж-
дения реакторов и замеряемого значения тем-
пературы в реакционной зоне. Вторым вари-
антом определения этой величины может слу-
жить обработка сигналов термопар, заделан-
ных в стенках реактора, позволяющих иденти-
фицировать величины потоков теплопотерь.
Основным компонентом газовой смеси, по-
кидающей реактор, является водород, осталь-
ные компоненты представлены недоразложен-
ными углеводородами, в случае добавления в
исходную газовую смесь инертных газов по-
следние полностью уходят с газовым потоком,
покидающим реактор. Для значительной части
существующих реакторов стационарный газо-
анализатор для изучения состава газообразной
среды, покидающей реактор, не установлен. В
данной работе создан алгоритм, позволяющий
определять величину теплового потока для
реакторов, не имеющих в составе КИП стаци-
онарного газоанализатора, в которых пироли-
тическое разложение исходного углеводорода
протекает по следующей схеме:
СmH2n → mCУНТ + n·H2,
и при этом не образуются никакие другие про-
дукты.
Сущность алгоритма заключается в сопо-
ставлении расходов исходного и покидающего
реактор газов.
В общем случае, полагая, что каталитичес-
кому разложению подвергается только часть
углеводорода, а остальная в своем начальном
состоянии переходит в конечный состав газов,
покидающих установку, имеем:
– для случая подачи чистого углеводорода ко-
нечный газ характеризуется наличием двух
компонентов (исходного углеводорода и водо-
рода) и имеет следующий процентный состав:
%СmH2n = (1 – χ)/(1 + χ·(n – 1))·100;
%H2 = χ·n/(1 + χ·(n – 1))·100;
– для случая использования в качестве началь-
ного сырья смеси исходного углеводорода и
инертного газа в составе конечного газа имеем
исходный углеводород, инертный газ и водород
при следующем процентном соотношении:
%СmH2n = (1 – χ)·(1 – γ)/((1 + χ·(n – 1))·(1 – γ) + γ)˟100;
расх
расх
расх
пр пр расх расх
расх
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №342
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Рис. 2. Процентное содержание
компонентов в газовой смеси, покидающей
реактор синтеза УНТ, в зависимости от ее
расхода для случая отсутствия инертного
газа: 1 – исходный углеводород, 2 – водород.
Рис. 3. Процентное содержание
компонентов в газовой смеси, покидающей
реактор синтеза УНТ, в зависимости
от ее расхода для случая использования
инертного газа: 1 – исходный углеводород,
2 – водород, 3 – инертный газ,
4 – линия проверки правильности
определения содержания компонентов.
%H2 = χ·n·(1 – γ)/((1 + χ·(n – 1))·(1 – γ) + γ)˟100;
%Γ = γ/((1 + χ·(n – 1))·(1 – γ) + γ)˟100;
Доля прореагировавшего углеводорода
определяется как:
χ = (Vк – Vn)/((n – 1)·Vn).
Использование предложенных зависимо-
стей представлено на рис. 2 и рис. 3. Для обо-
их рассмотренных случаев расход исходного
потока газов установлен на уровне 100 л/мин
(1,67·10-3 м3/с). В первом случае рассматрива-
ется пиролитическое разложение метана при
отсутствии инертного газа, на рис. 2 соответ-
ственно презентуется изменение долей мета-
на и водорода в зависимости от расхода газа,
покидающего реактор. Для рассматриваемого
примера предельное значение расхода уходя-
щих газов численно равно удвоенному расхо-
ду исходного углеводорода, что соответствует
случаю полного каталитического разложения
метана. Необходимым условием правильно-
сти полученных данных является выполнение
условия равенства суммы долей компонентов
смеси ста процентам при любом значении рас-
хода уходящих газов в диапазоне от Vн до 2Vн.
На рис. 3 продемонстрировано использо-
вание разработанных зависимостей для случая
разбавления исходного углеводорода (метана)
инертным газом, например, азотом или арго-
ном.
В рассмотренном примере исходная доля
инертного газа составляет 50 %. Возможные
значения расхода уходящих газов изменяются
в пределах от Vн до 1,5Vн. Левая граница этого
диапазона соответствует полному отсутствию
каталитического разложения углеводорода,
правая – полному разложению исходного угле-
водорода (метана).
Получение информации о составе га-
зов, покидающих реактор, позволяет опреде-
лять значение теплоемкости уходящих газов
c(tгаз прод):
c(t газ прод) = 0,01·(сСmH2n(t газ прод)·%СmH2n +
+ cH2
(t газ прод)·%H2 + cΓ(t газ прод)·%Γ),
где сСmH2n(t газ прод), cH2
(t газ прод), cΓ(t газ прод)·%Γ –
теплоемкости компонентов газовой смеси, по-
кидающих реактор, взятые при соответствую-
щей температуре.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №3 43
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
a) б)
Рис. 4. Зависимость удельной теплоемкости газового потока, покидающего реактор, от
расхода уходящих газов для разных значений температуры уходящих газов.
а – случай без использования инертного газа, б – с использованием инертного газа;
1 – температура уходящих газов 300 °С, 2 – 400 °С, 3 – 500 °С.
Для автоматической работы предлагаемой
системы диагностики необходимо наличие би-
блиотеки зависимостей теплоемкостей газо-
вых компонентов от температуры, для газов,
которые могут присутствовать во входящем
и выходящем газовых потоках. Такие зависи-
мости могут быть либо найдены в справочной
литературе в функциональном виде, готовом к
использованию, либо в табличном виде [5].
Использование современных вычислитель-
ных пакетов типа MathCAD позволяет срав-
нительно просто получить функциональные
зависимости на основании обработки таблич-
ных данных. Пример решения этой задачи для
случаев без использования инертного газа и с
его использованием для исходных данных, за-
действованных в приведенных выше примерах,
представлен на рис. 4.
Выводы
Разработаны подходы для работы эксперт-
ной системы, нацеленной на управление тепло-
вой работой реакторов каталитического синте-
за УНМ, в аппаратной части которой не ис-
пользуются стационарные газоанализаторы.
В основе предложенных решений лежит
углубленная интерпретация информации о рас-
ходах газообразных сред на входе и выходе из
реактора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Раков Э.Г. Нанотрубки и фуллерены:
Учебн. Пособие. – М.: Университетская книга,
Логос, 2006.– 376 с.
2. Ткачев А.Г. Аппаратура и методы синтеза
твердотельных наноструктур / А.Г. Ткачев, И.В.
Золотухин. – М.: Машиностроение-1, 2007.–
316 с.
3. Мищенко С.В. Углеродные наноматериа-
лы. Производство, свойства, применение / С.В.
Мищенко, А.Г. Ткачев.–М.: Машиностроение,
2008.–320 с.
4. Бирюков А.Б., Кравцов В.В., Новикова
Е.В., Алехина Н.В. Системы диагностики теп-
ловой работы лабораторных, полупромышлен-
ных и промышленных реакторов синтеза угле-
родных наноматериалов // Промышленная теп-
лотехника .– Выпуск (3).– C. 75-80.
5. Казанцев Е.И. Промышленные печи:
Справочное руководство для расчета и проек-
тирования, 2-е издание дополненное и перера-
ботанное.– М.: Металлургия, 1975.– 368 с.
Получено 23.01.2012 г.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-59174 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:28:36Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бирюков, А.Б. Новикова, Е.В. Гнитиев, П.А. Манойлов, Д.В. Недбайло, А.Н. 2014-04-06T19:12:57Z 2014-04-06T19:12:57Z 2012 Диагностика тепловой работы реактора синтеза углеродных наноматериалов при использовании ограниченного числа датчиков / А.Б. Бирюков, Е.В. Новикова, П.А. Гнитиев, Д.В. Манойлов, А.Н. Недбайло // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 3. — С. 39-43. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59174 544.723 Запропоновано алгоритм роботи експертної системи для аналізу теплової роботи реакторів піролітичного синтезу ВНМ, що заснована на побудові моментальних теплових балансів, яка не має в своєму складі газоаналізатора для визначення вмісту компонентів в газоподібному середовищі, що покидає реактор. Предложен алгоритм работы экспертной системы для анализа тепловой работы реакторов пиролитического синтеза УНМ, основанной на построении моментальных тепловых балансов, не имеющей в своем составе газоанализатора для определения содержания компонентов в газообразной среде, покидающей реактор. Working algorithm of expert system for carbon nanotubes pyrolitic synthesis reactors thermal work analysis basing on momentous heat balances constructing which has no gas analyzer for determining components content in gas flux living reactor in gauges set is proposed. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Тепло- и массообменные аппараты Диагностика тепловой работы реактора синтеза углеродных наноматериалов при использовании ограниченного числа датчиков Carbon nanotubes synthesis reactors thermal work diagnosis on limited number measuring gauges use Article published earlier |
| spellingShingle | Диагностика тепловой работы реактора синтеза углеродных наноматериалов при использовании ограниченного числа датчиков Бирюков, А.Б. Новикова, Е.В. Гнитиев, П.А. Манойлов, Д.В. Недбайло, А.Н. Тепло- и массообменные аппараты |
| title | Диагностика тепловой работы реактора синтеза углеродных наноматериалов при использовании ограниченного числа датчиков |
| title_alt | Carbon nanotubes synthesis reactors thermal work diagnosis on limited number measuring gauges use |
| title_full | Диагностика тепловой работы реактора синтеза углеродных наноматериалов при использовании ограниченного числа датчиков |
| title_fullStr | Диагностика тепловой работы реактора синтеза углеродных наноматериалов при использовании ограниченного числа датчиков |
| title_full_unstemmed | Диагностика тепловой работы реактора синтеза углеродных наноматериалов при использовании ограниченного числа датчиков |
| title_short | Диагностика тепловой работы реактора синтеза углеродных наноматериалов при использовании ограниченного числа датчиков |
| title_sort | диагностика тепловой работы реактора синтеза углеродных наноматериалов при использовании ограниченного числа датчиков |
| topic | Тепло- и массообменные аппараты |
| topic_facet | Тепло- и массообменные аппараты |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59174 |
| work_keys_str_mv | AT birûkovab diagnostikateplovoirabotyreaktorasintezauglerodnyhnanomaterialovpriispolʹzovaniiograničennogočisladatčikov AT novikovaev diagnostikateplovoirabotyreaktorasintezauglerodnyhnanomaterialovpriispolʹzovaniiograničennogočisladatčikov AT gnitievpa diagnostikateplovoirabotyreaktorasintezauglerodnyhnanomaterialovpriispolʹzovaniiograničennogočisladatčikov AT manoilovdv diagnostikateplovoirabotyreaktorasintezauglerodnyhnanomaterialovpriispolʹzovaniiograničennogočisladatčikov AT nedbailoan diagnostikateplovoirabotyreaktorasintezauglerodnyhnanomaterialovpriispolʹzovaniiograničennogočisladatčikov AT birûkovab carbonnanotubessynthesisreactorsthermalworkdiagnosisonlimitednumbermeasuringgaugesuse AT novikovaev carbonnanotubessynthesisreactorsthermalworkdiagnosisonlimitednumbermeasuringgaugesuse AT gnitievpa carbonnanotubessynthesisreactorsthermalworkdiagnosisonlimitednumbermeasuringgaugesuse AT manoilovdv carbonnanotubessynthesisreactorsthermalworkdiagnosisonlimitednumbermeasuringgaugesuse AT nedbailoan carbonnanotubessynthesisreactorsthermalworkdiagnosisonlimitednumbermeasuringgaugesuse |