Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Моделирование процессов синтеза состава и теплоотдачи при кипении смесей холодильных агентов

Специальности: 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

01.04.14 -Теплофизика и теоретическая теплотехника

доктора технических наук

Шуршев Валерий Федорович

Астрахань - 2006

Работа выполнена в Астраханском государственном техническом университете

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Попов Георгий Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ураксеев Марат Абдуллович,

доктор технических наук, профессор Большаков Александр Афанасьевич,

доктор технических наук, профессор Селиванов Николай Васильевич

Ведущая организация: Астраханский научно-исследовательский и проектный институт газа

Защита состоится 22 декабря 2006 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.009.03 при Астраханском государственном университете по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 20 «а», конференц-зал.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 20 «а», АГУ, секретарю диссертационного совета ДМ 212.009.03.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета.

Автореферат разослан «______» октября 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д. т. н., профессор Петрова И. Ю.

Общая характеристика работы

теплоотдача кипение холодильный агент

Актуальность темы. В качестве рабочих веществ холодильных машин нашли широкое применение хлорфторуглероды, которые долгое время считались экологически безопасными. В 70-х годах ХХ века было обращено внимание на уменьшение содержания озона в стратосфере и сделано предположение, что накопление веществ из группы хлорфторуглеродов, часть которых находится в атмосфере более сотни лет, может стать причиной уменьшения толщины защитного озонового слоя, предохраняющего людей от вредного ультрафиолетового излучения.

Для решения проблемы негативного воздействия на озон холодильных агентов были посвящены международные конференции и совещания, подписаны протоколы и соглашения, в которых конкретизированы вещества, разрушающие озоновый слой, сроки сокращения их производства и потребления. К таким веществам, в первую очередь, относится R12, широко используемый до последнего времени в холодильной технике.

Парк оборудования, работающего на хлорфторуглеродах, насчитывает несколько десятков миллионов единиц техники, и его ресурс составляет 20 - 40 лет. Обновить весь парк в короткие сроки новой техникой, работающей на озонобезопасных веществах, практически невозможно. Более реалистичным решением этого вопроса является перевод холодильных установок на смесь холодильных агентов, имеющую свойства, близкие к свойствам снятых с производства веществ, компоненты которой выпускаются отечественной промышленностью в достаточных объемах и имеют малую степень озоноактивности. В связи с этим встает проблема поиска и исследования новых веществ, способных заменить снимаемые с производства вещества, используемые в действующем холодильном оборудовании.

Вместе с тем, вопросы синтеза состава, теплоотдачи при кипении смесей холодильных агентов недостаточно изучены.

Выполненный анализ исследований в области математического моделирования позволил сделать вывод о том, что, несмотря на значительные успехи в моделировании сложных производственно-технологических, экономических и других систем, существует недостаток работ, посвященных комплексным методикам исследования и моделирования экологически безопасных смесей холодильных агентов.

Поэтому разработка моделей, методов, программных средств для изучения вопросов, связанных с исследованием озонобезопасных смесей, является актуальной научной проблемой, имеющей важное значение как для холодильной промышленности, так и для экологии в целом.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод о необходимости систематизации информации об озонобезопасных смесях холодильных агентов и решения проблемы поиска ретрофитов и исследования теплоотдачи при кипении смесей холодильных агентов с целью уменьшения негативного воздействия на озоновый слой Земли холодильных агентов из группы хлорфторуглеродов.

Основные разделы диссертации выполнялись в рамках тематики госбюджетных НИР АГТУ «Анализ холодильных установок», «Теоретические основы информационных систем», их содержание соответствует приоритетному направлению «Экология и рациональное природопользование» развития науки, технологий и техники Российской Федерации и перечню критических технологий, определяемых политикой РФ в области науки, технологий и техники на период до 2010 г. и дальнейшую перспективу - «Компьютерное моделирование».

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности процессов синтеза состава, идентификации режимов течения, теплоотдачи при кипении для смесей холодильных агентов путем разработки моделей, методов, алгоритмического и программного обеспечения.

Соответствующая указанной цели научная проблема может быть сформулирована следующим образом: создание методологий синтеза состава, расчетно-экспериментального исследования теплоотдачи, идентификации режимов течения при кипении смесей холодильных агентов на комплексной математической, алгоритмической и инструментальной основе.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать модель, метод, вычислительный алгоритм и инструментальное средство для процесса синтеза состава смеси холодильных агентов;

- разработать экспериментально-методический комплекс для исследования процесса теплоотдачи при кипении смеси холодильных агентов в большом объеме и внутри горизонтальной трубы;

- создать модели теплоотдачи при кипении смеси и на их основе получить расчетные зависимости, устанавливающие взаимосвязи коэффициента теплоотдачи с основными режимными параметрами;

- разработать модель, методы, вычислительный алгоритм и программное обеспечение для идентификации и согласования режимов течения двухфазного потока смеси холодильных агентов внутри горизонтальной трубы.

Методы исследования. Для решения поставленных задач и достижения намеченной цели использованы методы математического моделирования, теории подобия, системного анализа, теории принятия решений, теории множеств, теории вероятностей, экспериментальных исследований.

Достоверность и обоснованность диссертационных исследований определяются корректным применением методов исследований, подтверждаются результатами вычислительных экспериментов, проверкой адекватности результатов, полученных на основе разработанных моделей, с экспериментальными данными по теплоотдаче и режимам течения, успешным внедрением разработанных программных средств и результатов работы в различных организациях и на предприятиях, что отражено в актах внедрения.

На защиту выносятся:

- методология процесса синтеза состава смеси холодильных агентов, имеющая междисциплинарный характер и учитывающая как технологические, так и экологические аспекты проблемы;

- методология идентификации режимов течения двухфазных потоков, основанная на использовании диаграмм режимов течения и экспериментальных данных;

- методология расчетно-экспериментального исследования теплоотдачи при кипении, позволяющая провести опытные исследования и получить расчетные зависимости для вычисления коэффициента теплоотдачи при кипении смеси холодильных агентов;

- результаты реализации разработанных методологий в виде комплекса программного обеспечения для процессов синтеза состава, идентификации режимов течения, аппроксимации экспериментальных данных при кипении смеси холодильных агентов.

Научная новизна. Для смесей холодильных агентов сформулированы методологии синтеза состава, расчетно-экспериментального исследования теплоотдачи при кипении, идентификации режимов течения двухфазных потоков, включающие:

- комплексный эволюционный метод, комбинирующий методы эволюционного моделирования и поиска локально-оптимального решения,

- метод совместной идентификации и согласования результатов идентификации режимов течения;

- модифицированный метод К-ближайших соседей (МК-БС-метод) для классификации экспериментальных данных;

- расчетные зависимости, устанавливающие взаимосвязи коэффициента теплоотдачи с основными режимными параметрами;

- экспериментально-методический комплекс для исследования теплоотдачи при кипении смеси холодильных агентов;

- математические модели: 1) синтеза состава смеси холодильных агентов; 2) идентификации режимов течения на основе применения диаграмм режимов течения и экспериментальных данных по режимам течения; 3) теплоотдачи при кипении смеси, обобщающие экспериментальные данные и отражающие влияние определяющих теплообмен параметров.

Практическая ценность работы:

- разработаны комплексы программного обеспечения для синтеза состава смеси холодильных агентов, идентификации и согласования режимов течения двухфазного потока внутри горизонтальной трубы, аппроксимации экспериментальных данных, которые позволяют сократить необходимые вычислительные ресурсы и получить рациональное решение;

- получены расчетные соотношения для коэффициента теплоотдачи, необходимые при проектировании, конструировании и расчете испарителей холодильных машин и тепловых насосов;

- разработанное алгоритмическое и программное обеспечение представляет интерес для вузов, в учебные программы которых входят дисциплины, связанные с математическими методами, программированием, тепломассообменом, гидродинамикой, холодильной техникой, теплотехникой.

Выводы из работы внедрены на различных предприятиях в период с 1994 по 2006 гг. и использованы при переводе эксплуатируемого парка холодильных машин на смеси холодильных агентов, при расчете теплообменного оборудования.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы и внедрены в работах «Исследование процесса конденсации смесей бензинов с воздухом с помощью холодильной машины в комплексе защиты воздушной окружающей среды при сливо-наливных операциях в цистерны» в СКБ «Транснефтеавтоматика» (г. Москва), «Исследование и интенсификация теплообмена в аппаратах холодильных установок ДР-1У-2А, работающих на смесях холодильных агентов» в НИЦ ЦИАМ (г. Москва), «Разработка научных рекомендаций и их производственная апробация по переводу холодильного оборудования торговых и пищевых предприятий Астраханской области на экологически безопасные хладагенты», заказчик - Администрация Астраханской области, в ООО «Торговый дом «Холод»» для поверочного расчета холодильной установки, в ОАО «Астраханский рыбокомбинат», в Астраханском филиале ООО «ЛУКОЙЛ-Нижневолжск-нефтепродукт» на нефтебазе № 5, в Астраханском филиале ООО «Волготанкер АМС».

Учебный вариант разработанного программного комплекса используется в Астраханском государственном техническом университете для подготовки научных и инженерных кадров.

Апробация научных результатов. Основные положения докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции «Интенсификация технологичес-ких процессов в рыбной промышленности» (Владивосток, 1989 г.), Всесоюзной конференции «Пути интенсификации производства с применением искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса, торговле и на транспорте» (Одесса, 1989 г.), Всесоюзных конференциях «Холод - народному хозяйству» (Ленинград, 1991 г., Санкт-Петербург, 1993г.), Международных научно-технических конференциях «Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре» (Астрахань, 1994, 1995, 1997 гг.), Всероссийском совещании «Холодильная техника России. Состояние и перспективы» (Санкт-Петербург, 1995 г.), Международной научно-технической конференции «Холод и пищевые производства» (Санкт-Петербург, 1996 г.), Международной научно-технической конференции «Научно-технические разработки в решении проблем рыбопромыслового флота и транспорта» (Калининград, 1996 г.), Всероссийском семинаре с международным участием «Холодильная техника и технологии: перспективы в области получения и использования холода» (Краснодар, 1998 г.), Одиннадцатой международной научно-технической конференции по компрессорной технике (Казань, 1998 г.), Второй Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1998 г.), Международной научно-практической конференции «Холодильная техника: проблемы и решения» (Астрахань, 1999 г.), International Conference «Meeting of commision D2/3 and B2 of the International Institute of Refrigeration» (Астрахань, 2000 г.), VII Международной научно-практической конференции «Экономико-организационные проблемы проектирования и применения информационных систем» (Ростов-на-Дону, 2003 г.),VIII Международной конференции из серии «Нелинейный мир» «Образование. Экология. Экономика. Информатика» (Астрахань, 2003 г.), IX Международной открытой научной конференции «Современные проблемы информатизации в технике и технологиях» (Воронеж, 2004 г.), V, VI Международных научных конференциях «Наука и образование» (Белово, 2004 г., 2006 г.), 4-й Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии в экономике, науке и образовании» (Бийск, 2004 г.), Международной конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, 2004 г.), III, IV Всероссийских научно-практических конференциях «Информационные технологии и математическое моделирование» (Анжеро-Суджинск, 2004 г., 2005 г.), III, IV Всероссийских научно-технических конференциях «Вузовская наука - региону» (Вологда, 2005 г., 2006 г.), III Всероссийской конференции «Инновационные технологии в обучении и на производстве» (г. Камышин, 2005 г.), XVIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-18» (Казань, 2005 г.), VI Всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (Улан-Удэ, 2005 г.), Международной конференции «SORUCOM.2006: Развитие вычислительной техники в России и странах бывшего СССР: история и перспективы» (Петрозаводск, 2006 г.), на научных конференциях Астраханского государственного технического университета (до 1994 г. Астраханский технический институт рыбной промышленности и хозяйства) в 1989 - 2006 гг.

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 85 публикациях, в том числе в 1 монографии, 23 статьях в периодических научных и научно-технических изданиях, выпускаемых в Российской Федерации, в которых ВАК рекомендует публикацию основных результатов диссертаций, 25 статьях в материалах международных, всероссийских научных конференций, 1 патенте на изобретение, 5 свидетельствах Роспатента на программы для ЭВМ. Без соавторов опубликована 21 работа.

В работах, опубликованных в соавторстве, личное участие автора заключается в определении проблемы, постановке задач, разработке теоретичес-ких положений, проведении экспериментальных исследований, а также в непосредственном участии во всех этапах исследования.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав основного текста, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основная часть работы изложена на 285 страницах машинописного текста.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, определены цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе представлены аналитические исследования применения холодильных агентов, процесса кипения смесей, диаграмм режимов течения, методов идентификации, поисковых методов, систем поддержки принятия решения.

Анализ работ, посвященных исследованию вопросов создания новых озонобезопасных холодильных агентов и процессов теплоотдачи при кипении смесей, позволил сделать вывод о том, что холодильного агента, обладающего лучшей совокупностью термодинамических, экологических, эксплуатационных и иных свойств, не существует. Получить рабочее тело холодильных машин с оптимальными свойствами можно путем использования смесевых холодильных агентов. Выявлены особенности процесса теплообмена при кипении неазеотропных смесей, отличные от кипения однокомпонентных жидкостей. Полученные авторами полуэмпирические и эмпирические уравнения для расчета коэффициента теплоотдачи требуют наличия опытных данных и, как правило, описывают теплоотдачу исследованных в работах смесей.

Анализ методов поискового проектирования показал, что ни один из классических методов не подходит полностью для решения многокритериальных задач, к которым относится задача синтеза состава смеси холодильных агентов. Одним из путей решения данной проблемы при использовании приемлемых вычислительных мощностей является гибридизация нескольких методов для получения рационального результата.

Анализ работ по исследованию структуры течения парожидкостных потоков показал, что режимы течения парожидкостных потоков в горизонтальных трубах изучены достаточно полно, но не решены вопросы, связанные с согласованием режимов течения. При идентификации режимов по различным диаграммам течения результаты могут противоречить друг другу. Для повышения достоверности результатов определения структуры потока необходимо их согласование между собой с учетом опыта экспертов.

Использование для идентификации режимов течения по экспериментальным данным известных методов, например, методов сравнения с прототипом, К-ближайших соседей, вероятностных, нейросетевых, алгоритмов вычисления оценок, коллективов решающих правил и других в полной мере не удовлетворяет предъявляемым к ним требованиям, так как эти методы не позволяют получить в данном случае необходимую вероятностную оценку или обладают высокой вычислительной трудоемкостью и высокой сложностью реализации.

В главе показано, что, несмотря на определенные успехи в данных научных областях, не существует концептуального подхода к процессам синтеза состава и теплоотдачи при кипении смесей холодильных агентов, и выявлена необходимость проведения научных исследований в данном направлении.

Во второй главе разработана методология синтеза состава смеси холодильных агентов, которая опирается на девять основополагающих принципов.

Хранение и аккумуляция известных данных. Необходимый принцип, сос-тоящий в получении возможности структурировать информацию о свойствах холодильных агентов в виде базы данных для дальнейшей обработки ее математическими методами.

Формирование системы критериев. Принцип, необходимый для сравнения альтернатив, полученных в процессе синтеза смеси. Наличие полной системы критериев позволяет сформировать задачу выбора.

Формирование предпочтений лица, принимающего решение (ЛПР). ЛПР задает предпочтительные значения критериев выбора, отождествляемые с параметрами технических требований к смеси, а также параметры алгоритмов поиска.

Оценка важности целей. При наличии в задаче множества критериев выбора ЛПР или эксперты устанавливают приоритеты для оценки в числовой форме важности предпочтений.

Использование математической модели. Для формализации процесса синтеза состава необходима модель, позволяющая получить адекватные результаты.

Генерация вариантов возможных решений. В процессе генерации решений должны отбрасываться заведомо неэффективные решения, не удовлетворяющие введенной системе ограничений.

Анализ и оценка решений. Для оценки сгенерированного множества возможных вариантов решений при условии его большой размерности необходимо использование современных методов поиска, позволяющих в короткие сроки находить приемлемые решения с заданной точностью.

Уточнение проектной информации. Необходимо при несоответствии выбранного решения предпочтениям ЛПР. При этом могут уточняться ограничения и оценки важности целей. Эта процедура повторяется до получения, с точки зрения ЛПР, рационального варианта.

Принятие решения ЛПР с учетом неформализованных факторов. При наличии нескольких вариантов решений, удовлетворяющих предпочтениям, ЛПР самостоятельно принимает решения по слабоформализуемым критериям.

Разработанные принципы синтеза состава смеси холодильных агентов реализованы в виде метода решения задачи, воплощение методологии в практической форме осуществлено в виде алгоритмического и инструментального обеспечения системы поддержки принятия решения о составе смеси холодильных агентов.

Для реализации принципа формирования критериев были проведены анализ и систематизация параметров технических требований к смеси хладагентов, позволившие автору выявить структуру показателей, которые конкретизируют и достаточно полно отражают цель, позволяя получить наилучшее решение при решении задачи рационального качественного и количественного синтеза состава смесей холодильных агентов. Система критериев состоит из шести групп, представленных на рис. 1.

Первые три группы показателей образуют теплотермоэкологический (эндогенный) уровень в общей схеме выбора и принятия решения по качественному и количественному составу смеси. Показатели, вошедшие в данные группы, характеризуют как бы качественные, «внутренние», свойства смеси, которые присущи им по их физической природе.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1. Система критериев для оценки результатов синтеза состава смеси холодильных агентов

Вторые три группы показателей описывают альтернативные смеси холодильных агентов с «внешней» стороны, как составляющую более сложных систем, таких как холодильная машина, холодильная установка, производственный или технологические процессы в целом. Данные критерии образуют второй (экзогенный) уровень в общей схеме принятия решений. Данный уровень можно назвать экономико-производственным. Критерии данного уровня вводятся для обоснования рационального и реального решения задачи, так как критерии, входящие в первый уровень, не могут описать в точной мере практическую реализацию альтернативных смесей холодильных агентов в действующем оборудовании и при их производстве.

Набор критериев, входящих в каждую из шести групп, не является исчерпывающим и может пополняться, изменяться и дополняться в зависимости от целей задачи принятия решения при выборе альтернативного холодильного агента, в частности, набор данных критериев может варьироваться для конкретного класса холодильного оборудования, при изменении требований безопасности для человека или экосистемы.

Задача синтеза состава смеси холодильных агентов является многокритериальной задачей принятия решения и описывается парой =<, ОП>, где - множество различных вариантов смесей хладагентов; ОП - принцип оптимальности, дающий представление о качестве вариантов, выражаемый формализовано через функцию выбора V. Решением задачи является множество _o , полученное на основе принципа оптимальности: _o = V().

Вектор решения задачи представим в виде:

C={c₁, c₂, ..., c_i, ..., c_m},(1)

где с_i - массовая доля i-го холодильного агента; i=1..m, m - общее количество известных холодильных агентов; ;;

Каждый холодильный агент имеет оценку в заданной системе критериев U = {u_ik}, где u_ik - значение i-го критерия k-го холодильного агента смеси, i=1,...,n, k=1,...,m, n - количество критериев выбора.

Для реализации принципа использования математической модели для формализации процесса синтеза состава смеси холодильных агентов разработана общая математическая модель синтеза состава смеси хладагентов SSM, которую можно представить в следующем виде:

SSM = <SSO, U, С₀, С, F(C), RS, FP>,(2)

где SSO - объект моделирования (процесс синтеза состава смеси холодильных агентов);

U = {u_ik} - входные параметры;

C_о= (c_о1,...,c_оm) - выходные параметры (оптимальный состав смеси хладагентов);

C = (c₁,…,c_m) - управляемые параметры - массовые доли холодильных агентов в смеси, такие, что суммарное отклонение критериальных оценок полученной смеси от заданных ЛПР значений будет минимальным:

;. (3)

F(C)=(f₁(C),…,f_n(C)) - векторная целевая функция. Число целевых функций в задаче синтеза состава смеси холодильных агентов равно числу критериев выбора: f₁(C),…,f_n(C);

RS - правила вывода, включающие систему ограничений и предпочтения лица, принимающего решения, состоящие из следующих параметров:

Z = (z₁,...,z_n) - оценки важности целевых функций;

Т = (T₁,...,T_n) - параметры технических требований к смеси хладагентов, удовлетворяющие условиям: для количественно измеряемых критериев, обладающих свойством статической аддитивности, и (области допустимых значений) для качественных или слабоформализуемых критериев;.

FP - функция перевода (алгоритмы нормирования, ранжирования и поиска состава смесей холодильных агентов по заданным значениям критериев выбора).

При реализации принципа оценки важности целей исходим из того, что наилучшим решением задачи считается такая альтернатива C_o, при которой отклонение от оптимальных значений по каждой целевой функции f_i(C) достигает своего минимального значения. Оценка важности целей осуществляется методом последовательного сравнения, который позволяет получать наиболее точные оценки, благодаря последовательному применению ранжирования и непосредственной оценки критериев.

Для реализации принципов генерации вариантов возможных решений, анализа и оценки решений разработан комплексный эволюционный метод, который представляет собой гибридную вычислительную процедуру, где на определенных шагах алгоритма используются:

· метод эволюционного моделирования для поиска качественного состава смеси (холодильных агентов, входящих в состав смеси);

· метод поиска локально-оптимального решения для нахождения количественного состава смеси (массовой доли холодильных агентов в смеси).

Решения последовательно передаются от одного полученного алгоритма к другому.

Алгоритм синтеза состава смеси хладагентов включает в себя следующую последовательность действий.

Сначала случайным образом формируются M бинарных векторов решений X={x₁,…,x_m} задачи поиска качественного состава смеси холодильных агентов.

Далее для каждого вектора решений X методом поиска локального минимума функции V находится оптимальный количественный состав смеси - вектор С:

,(4)

где c_k?0, если x_k=1.

Система частных производных функции V выглядит следующим образом:

(5)

Для нахождения минимума функции V с помощью ЭВМ преобразуем систему частных производных в систему уравнений:

(6)

Среди полученных таким образом векторов решений C отбираются векторы с минимальными значениями V(C₀).

Если не выполнено условие останова:

,(7)

где - параметр останова (определяет точность решения), то генерируются новые вектора решений путем скрещивания и мутации, иначе завершается процесс поиска.

Для оптимизации работы алгоритма в процессе генерации альтернатив из множества возможных решений удаляются заведомо неэффективные решения, например, такие, в которых появляются холодильные агенты с массовой долей близкой к нулю.

В результате проведенных вычислительных экспериментов были найдены оптимальные значения управляющих параметров алгоритма КЭМ для решения поставленной задачи. На основании теорем о сходимости генетических алгоритмов доказана сходимость КЭМ.

Третья глава посвящена практической реализации методологии синтеза состава смеси холодильных агентов в виде компьютерной системы поддержки принятия решения (КСППР) для синтеза состава смеси холодильных агентов и ее применения для практических задач.

Приводится описание функциональной и инфологической моделей КСППР для синтеза состава смеси холодильных агентов. Рассматривается структура системы, описывается ее программная реализация.

Подсистема поддержки и ведения базы данных (ППД) предназначена для поддержки ЛПР при обработке данных, поступающих из различных источников, для формирования базы данных. Источниками данных в системе являются количественные характеристики критериев холодильной смеси, экспертные оценки, параметры алгоритма поиска.

Основной задачей подсистемы генерации решений (ПГР) является подготовка вариантов возможных решений. При этом учитываются заданные максимальные и минимальные значения критериев выбора и система ограничений математической модели синтеза состава смеси хладагентов.

Подсистема анализа и оценки (ПАО) помогает ЛПР проанализировать предлагаемые ПГР составы смесей холодильных агентов, оценить варианты, которые практически осуществимы в реальных условиях. Поиск наиболее рационального варианта решений реализуется с помощью разработанного КЭМ.

Подсистема управления (ПУ) реализует интеллектуальный пользовательский интерфейс, благодаря которому ЛПР может влиять на работу всех трех подсистем - ППД, ПГР и ПАО, а также принимать окончательное решение о выборе состава смеси холодильных агентов.

При несоответствии выбранного решения целям происходит уточнение проектной информации и выбираются другие ограничения для решения поставленной задачи. Эта процедура повторяется до получения рационального, с точки зрения ЛПР, варианта смеси хладагентов.

После выдачи программой нескольких вариантов смесей хладагентов, удовлетворяющих заданным параметрам, ЛПР самостоятельно принимает решения по слабоформализуемым критериям.

Разработанная компьютерная система позволяет синтезировать новые смеси холодильных агентов, обладающие заданными качествами и удовлетворяющие современным требованиям.

В четвертой главе описана методология расчетно-экспериментального исследования теплоотдачи при кипении смеси холодильных агентов, опирающаяся на следующие принципы.

Разработка модели локального коэффициента теплоотдачи при кипении внутри горизонтальной трубы для математической формализации процесса. В данной модели основное внимание уделено взаимному влиянию на теплоотдачу при кипении внутри трубы двух механизмов переноса теплоты - пузырькового кипения и конвекции.

Экспериментальное исследование. В ходе проведения опытов появляется новая информация, позволяющая уточнить и проверить адекватность разработанной модели.

Анализ опытных данных направлен на выявление закономерностей теплообмена при кипении смесей холодильных агентов для учета их в модели.

Хранение полученных экспериментальных данных и их структурирование необходимо для упорядочивания информации по различным признакам для дальнейшей обработки.

Применение модели поиска параметров теплоотдачи. Использование данной модели позволяет формализовать процесс нахождения параметров в уравнении теплоотдачи для получения результата, адекватного опытным исследованиям.

Реализация разработанной модели поиска параметров теплоотдачи в программном обеспечении. Программное обеспечение позволит получить по имеющимся экспериментальным данным математическую зависимость для расчета коэффициента теплоотдачи.

Для создания модели процесса необходима информация о последнем. Средством получения информации являются экспериментальные исследования, так как в ходе их проведения появляется новая информация, позволяющая более полно описать моделируемый процесс.

При построении модели особую актуальность имеет задача формирования входной информации. В нашем случае для расчета коэффициента теплоотдачи при конвекции и истинного объемного паросодержания существуют апробированные за несколько десятилетий в расчетной практике уравнения. В тоже время процесс теплоотдачи при кипении смесей холодильных агентов в большом объеме исследован недостаточно.

Для проведения экспериментальных исследований теплоотдачи при кипении смеси R22/R142b были спроектированы и созданы два экспериментальных стенда, оборудованные ресиверами для хранения агента и создания необходимой концентрации жидкости.

Для исследования процесса теплоотдачи при кипении смесей в большом объеме использован типичный для данных исследований стенд. Эксперименты проводились на гладкой горизонтальной медной трубе с внутренним электронагревателем рабочей длиной 300 мм с наружным диаметром 17,3 мм. Стенд для исследования теплоотдачи при кипении смесей внутри горизонтальной трубы (рис. 2) состоит из экспериментального и вспомогательного контуров. Опытные исследования проводились внутри горизонтальной гладкой трубы (1) из нержавеющей стали длиной 3320 мм, внутренним диаметром 13 мм и толщиной стенки 1 мм. Для изучения структуры потока на входе и выходе из трубы (1) установлены толстостенные стеклянные трубки (12). Тепловой поток, подводимый к холодильному агенту, создается путем непосредственного электронагрева трубы. Температуры поверхности трубы и холодильного агента измерялись в пяти сечениях по длине трубы на расстоянии 300, 700, 1130, 2220, 3120 мм от входа в трубу, расходы жидкости определялись объемным способом с использованием мерных емкостей (5), (6), (7).

Процесс в экспериментальном контуре происходит следующим образом. Исследуемая жидкость из ресивера (2) насосом (3) подается в экспериментальную трубу (1) через уровнедержатель (4) и мерную емкость (5). За счет подвода теплоты к трубе (1) жидкость кипит. Парожидкостная смесь из трубы (1) поступает в мерную емкость (6), откуда часть жидкости, которая не выкипела, направляется в ресивер (2), а образовавшийся пар - в конденсатор-испаритель (8), где конденсируется за счет отвода теплоты кипящим аммиаком из вспомогательного контура. Полученный конденсат стекает в мерную емкость (7) и далее сливается в ресивер (2).

При исследовании теплоотдачи при кипении в большом объеме и внутри горизонтальной трубы температуры поверхности трубы, пара и жидкости измерялись при помощи медь-константановых термопар, концентрации пара и жидкости определялись с использованием газового хроматографа. Эксперименты проводились при массовой концентрации R22 в жидкости с₂₂=0...1,0 кг/кг, давлении насыщения p от 0,064 МПа до 0,681 МПа, плотности теплового потока q от 1000 Вт/м² до 15000 Вт/м². При внутритрубном кипении массовая скорость w изменялась от 50 кг/(м²·с) до 400 кг/(м²·с) массовое расходное паросодержание на входе в трубу во всех опытах было постоянным и равнялось 0 кг/кг.

Рис. 2. Принципиальная схема экспериментального стенда для исследования теплоотдачи при кипении внутри горизонтальной трубы: 1 - экспериментальная труба, 2 - ресивер, 3 - насос, 4 - уровнедержатель, 5, 6, 7 - мерные емкости, 8 - конденсатор-испаритель, 9, 10 - ресиверы, 11 - предварительный нагреватель, 12 - визуальный участок, 13, 14 - вентили, 15 - компрессор низкого давления, 16 - компрессор высокого давления, 17 - конденсатор, 18 - промежуточный сосуд, 19 - дроссельный вентиль

Проведенные исследования показали, что при кипении в большом объеме происходит неаддитивное изменение коэффициента теплоотдачи _бо в зависимости от концентрации смеси с₂₂ (рис. 3а). При увеличении с₂₂ от 0 кг/кг до 0,30 кг/кг происходит уменьшение _бо, а затем в области 0,40...1,0 кг/кг наблюдается его увеличение. Анализ данных показал, что в сопоставимых условиях минимальное значение _бо меньше величины коэффициента теплоотдачи худшего, с точки зрения теплообмена, компонента смеси. Проведенные хроматографические исследования показали, что минимальное значение _бо приходится на область, соответствующую наибольшей разности равновесных концентраций между паром и жидкостью (рис. 3б). Эту особенность кипения смесей можно проследить по изменению степени влияния давления р на _бо (рис.4), величина которой уменьшается как при увеличении q, так и в области с₂₂=0,3...0,4 кг/кг, то есть там, где имеет место наибольшая разность концентраций.

Рис. 3. Зависимости коэффициента теплоотдачи при кипении R22/R142b в большом объеме (а) и разности равновесных концентраций между паром и жидкостью (б) от концентрации R22 в жидкости при t=+10 ⁰C

Рис. 4. Зависимость коэффициента теплоотдачи от давления насыщения при кипении R22/R142b в большом объеме при с₂₂=0,35 кг/кг

Рис. 5. Зависимость локального коэффициента теплоотдачи от длины трубы при разных режимах течения смеси R22/R142b в горизонтальной трубе,

1 (?) - w=100 кг/(м²·с), q=1 кВт/м²,

с _вх=0,70 кг/кг, p=0,539 МПа;

2 (_) - w=50 кг/( м²·с), q=10 кВт/м²,

с _вх =0,35 кг/кг, p=0,269 МПа;

3 (?) - w=200 кг/( м²·с), q=10 кВт/м²,

с_вх =0,25 кг/кг, p=0,109 МПа

Данный характер изменения теплоотдачи можно объяснить следующим. При кипении смесей преимущественно выкипает низкокипящий компонент, появляется диффузионное сопротивление, вызванное разностями концентраций между паром в пузыре, жидкостью в пограничном слое и объемом жидкости. В пристенном слое увеличивается содержание высококипящего вещества, вследствие этого повышается температура насыщения данного слоя, снижается его перегрев, уменьшается число действующих центров парообразования, что приводит к уменьшению _бо.

Анализ экспериментальных данных позволил построить модель теплоотдачи при кипении в большом объеме, которая может быть представлена в виде следующей совокупности:

, (8)

где АВО - процесс теплоотдачи при кипении смеси холодильных агентов в большом объеме (объект моделирования);

₁, ₂ - коэффициенты теплоотдачи при кипении соответственно первого и второго компонентов смеси, с - разность равновесных концентраций между паром и жидкостью; с - концентрация смеси, р - давление насыщения (входные параметры модели);

б_бо - коэффициент теплоотдачи при кипении смеси холодильных агентов в большом объеме (выходной параметр модели).

Анализ экспериментальных данных показал, что отклонение б_бо от аддитивного значения б_ад зависит, в частности, от разности равновесных концентраций между паром и жидкостью с, концентрации смеси, давления насыщения и других параметров. Причем минимум б_бо приходится на область с максимальным значением с.

Автором получена расчетная зависимость для определения коэффициента теплоотдачи при кипении смеси в большом объеме в следующем виде:

, (9)

где A, B, D, E - эмпирические коэффициенты, ₁ и ₂ рассчитываются при постоянном давлении насыщения р.

Для случая кипения смеси R22/R142b коэффициенты принимают следующие значения: A=1,42, B=0,66, D=0,85, E=0,35. Формула (9) обобщает 97% полученных экспериментальных данных в области кипения в исследованном диапазоне изменения режимных параметров, с относительной погрешностью ±15%.

Для обоснования адекватности принятой модели, заложенной в уравнение (9) для обобщения опытных данных по теплоотдаче при кипении смеси в большом объеме, проведена обработка известных экспериментальных материалов других авторов по кипению смесей, показавшая работоспособность использованной методики и правильность выбранного подхода.

В ходе исследования процесса кипения внутри горизонтальной трубы проводилось изучение структуры потока смеси холодильных агентов на входе и выходе из экспериментальной трубы, которое позволило выявить следующие режимы течения: cнарядный, волновой, расслоенный, волновой-кольцевой, кольцевой.

Экспериментально установлено, что величина локального коэффициента теплоотдачи изменяется по мере движения потока по трубе, при этом характер изменения , в общем случае, немонотонен и обусловлен структурой потока и режимными параметрами, при этом рост паросодержания приводит как к увеличению, так и к уменьшению значения коэффициента теплоотдачи (линия 3 на рис. 5). Так при снарядном режиме течения рост паросодержания приводит к повышению вследствие увеличения истинной скорости жидкости. При волновом и расслоенном режимах течения с ростом паросодержания происходит уменьшение значения коэффициента теплоотдачи, это объясняется тем, что по мере движения потока по трубе происходит выкипание из него жидкости, верхняя часть поверхности трубы заполняется паром, уменьшается часть поверхности трубы, соприкасающаяся с жидкостью. При волновом-кольцевом режиме, когда наблюдается периодический выброс жидкости в верхнюю часть трубы, и далее, при кольцевом режиме течения потока площадь поверхности сечения трубы, омываемая жидкостью, увеличивается, повышается истинная скорость жидкости, что благоприятно сказывается на теплоотдаче и ведет к ее увеличению. Вместе с тем, если на протяжении всей длины трубы наблюдаются один режим течения (линия 1 на рис. 5) или режимы, при которых теплоотдача с ростом паросодержания смеси изменяется в одном направлении, например, волновой и расслоенный (линия 2 на рис. 5), то изменение локального коэффициента теплоотдачи в данном случае имеет монотонный характер.

При кипении внутри трубы интенсивность теплоотдачи зависит от режимов течения потока и определяется взаимным влиянием пузырькового кипения и вынужденной конвекции.

Проведенные исследования, анализ экспериментальных данных позволили представить математическую модель локального коэффициента теплоотдачи при кипении внутри горизонтальной трубы в виде следующей совокупности:

, (10)

где АО - процесс теплоотдачи при кипении смеси холодильных агентов внутри горизонтальной трубы (объект моделирования);

_бо,_кон - коэффициенты теплоотдачи соответственно при кипении смеси в большом объеме и при конвективном теплообмене, - истинное объемное паросодержание (входные параметры модели);

- коэффициент теплоотдачи при кипении смеси холодильных агентов внутри горизонтальной трубы (выходной параметр модели);

FA - расчетные зависимости для коэффициента теплоотдачи при кипении смеси внутри трубы в зависимости от режима течения.

Для получения расчетной зависимости в модели теплоотдачи при кипении внутри горизонтальной за основу выбрана идея J. C. Chen. Предполагается, что при кипении внутри трубы оба механизма переноса теплоты - пузырьковое кипение и конвекция - проявляются во всем диапазоне изменения параметров, а их вклады суммируются:

б = б_q + б_w , (11),

где б_q - вклад в теплоотдачу пузырькового кипения, б_q = S1Мб_бо, где S1 - фактор, учитывающий влияние конвективного теплообмена на кипение, б_w - вклад в теплоотдачу конвекции, б_w = S2Мб_кон, где S2 - фактор, учитывающий влияние кипения на конвективный теплообмен.

Анализ опытных данных показал, что при прочих равных условиях конвективная составляющая теплоотдачи увеличивается при росте массовой скорости, а вклад пузырькового кипения возрастает при повышении плотности теплового потока.

Увеличение плотности теплового потока приводит к росту паросодержания смеси, так как при прочих равных условиях к единице массы потока в трубе подводится больше теплоты, и наоборот, чем больше массовая скорость, тем меньше паросодержание, так как в этом случае аналогичное количество теплоты подводится к меньшей массе потока.

Таким образом, можно записать:

б_q ~ ц , (12)

б_w ~ (1 - ц).(13)

Для определения вклада пузырькового кипения предложено уравнение:

б_q = А М б_боМ ц^b ,(14)

где A, b - коэффициенты, определяемые расчетным путем.

Для вычисления вклада конвекции в теплоотдачу предложено уравнение:

б_w = С Мб_конМ (1 - ц)^d , (15)

где С, d - коэффициенты, определяемые опытным путем, _кон - коэффициент теплоотдачи при конвекции, рассчитываемый по истинной скорости жидкости, в котором в качестве определяющего размера применяется эквивалентный диаметр сечения трубы, занятого жидкостью.

Тогда локальный коэффициент теплоотдачи при кипении в горизонтальной трубе определяется по выражению:

б = А М б_боМ ц^b + С М б_конМ (1 - ц)^d ,(16)

Для нахождения параметров уравнения теплоотдачи разработана соответствующая математическая модель.

Постановка задачи аппроксимации состоит в следующем.

Имеются экспериментальные данные процесса теплоотдачи при кипении смеси холодильных агентов внутри горизонтальной трубы.

Необходимо аппроксимировать экспериментальные данные процесса теплоотдачи при кипении смеси холодильных агентов внутри горизонтальной трубы.

Математическую модель поиска параметров теплоотдачи при кипении холодильных агентов можно представить в виде совокупности:

PAM = <PAO, ц, А, b, C, d, F, FPP >, (17)

где PAO - процесс поиска параметров теплоотдачи при кипении смеси холодильных агентов (объект моделирования);

ц - входной параметр модели;

А, b, C, d - коэффициенты уравнения теплоотдачи (выходные параметры);

F - целевая функция модели:

;(18)

FPP - функция перевода (алгоритм комплексного эволюционного метода (КЭМ)).

Для нахождения значений коэффициентов А, b, C, d в уравнении теплоотдачи при кипении смеси холодильных агентов внутри горизонтальной трубы был использован КЭМ.

Для получения возможности применения КЭМ в задаче выражение (16) было представлено в следующем виде:

, (19)

где ; .

Разработанная математическая модель реализована в компьютерной системе поиска параметров теплоотдачи, с помощью которой были определены параметры модели теплоотдачи при кипении смеси R22/R142b по имеющимся экспериментальным данным:

Параметры модели теплоотдачи при кипении смеси R22/R142b

Режимы	A	b	C	d
Снарядный	1,09	0,45	1,13	0,49
Волновой	0,69	0,40	1,16	0,13
Расслоенный	0,65	0,35	2,09	0,96
Волновой-кольцевой	0,78	0,30	1,18	0,41
Кольцевой	1,06	0,25	0,54	0,02

Величина относительной погрешности значений коэффициентов теплоотдачи, рассчитанных по уравнению (16), от опытных данных в диапазоне изменения с₂₂ в смеси на входе в трубу от 0 до 1,0 кг/кг, w от 50 кг/(м²·с) до 400 кг/(м²·с), давления от 0,064 МПа до 0,681 МПа, q от 1000 Вт/м² до 15000 Вт/м², массового расходного паросодержания на входе в трубу 0 кг/кг и на выходе из трубы до 0,8 кг/кг в 95% случаев находится в диапазоне ±15% при среднестатистической погрешности всех расчетных данных ± 7,5%.

В пятой главе представлена методология идентификации режимов течения двухфазных парожидкостных потоков.

Ввиду того, что значения коэффициента теплоотдачи при кипении внутри горизонтальной трубы значительно зависят от режима течения потока, необходимо определение режимов течения двухфазного потока смеси холодильных агентов внутри горизонтальных труб испарителей холодильных машин, где происходит кипение рабочего вещества. Для этого была разработана методология идентификации режимов течения двухфазных парожидкостных потоков. Методология базируется на принципах, составляющих полную систему, достаточную для решения не только задач идентификации, но и более широкого круга проблем. Определены семь следующих основных принципов процесса идентификации режимов течения и пути их реализации.

Формализация данных и знаний по режимам течения. Данные по режимам течения представляются в виде диаграмм режимов течения и наборов экспериментальных данных.

Структурирование, хранение и накопление известных данных. Имеющиеся знания по согласованию результатов идентификации режимов течения разрознены, не структурированы. Выполнено сведение знаний экспертов в единую продукционную базу.

Совместное использование теоретико-практических и экспериментальных данных по режимам течения. При идентификации режимов течения происходит совместное использование экспериментальных данных и диаграмм режимов течения. Для этого используются разработанные метод идентификации при помощи -окрестности, модифицированный метод К_ближайших соседей (МК-БС-метод) и схема согласования, основанная на правиле Шортлиффа.

Использование математической модели, формализующей процесс идентификации режимов течения. Для формализации процесса идентификации режимов течения двухфазных парожидкостных потоков в горизонтальных трубах теплообменных аппаратов на основе математических соотношений и продукционных правил разработана математическая модель, которая позволяет получить выводы, адекватные экспериментальным исследованиям.

...