Многоуровневая система моделирования нестационарных и меняющихся режимов работы низкотемпературных установок, страница 2

Поэтому исследование этих процессов и системпроводится большей частью методами математического моделирования спривлечениемограниченногообъёмаэкспериментальнойинформации.Существует достаточно много различных программ по расчёту отдельных9частей или в целом низкотемпературных установок определённого типа, атакже вычислительных комплексов (ANSYS, HISYS, STARCD и др.),позволяющихматематическимоделироватьразнообразныепроцессывустановках. Однако при моделировании сложных установок состыковатьпрограммы для отдельных частей, чтобы рассчитать всю установку, бываетдостаточно сложно, а используемые вычислительные комплексы требуютадаптировать физическую модель к располагаемым вариантам этих комплексов.Использование сложных многомерных физических моделей требует мощногоматематического аппарата для их реализации, однако в большинствеинженерных задач без большой потери точности можно понизить мерностьфизической модели, что значительно облегчит решение задачи.

Кроме этого наэтапесозданияфизическоймоделинеобходимооценитьвлияниеразнообразных факторов на основной процесс, что позволит пренебречьнекоторыми второстепенными процессами.В связи с вышесказанным, основной задачей данной работы являетсямоделированиенестационарныхименяющихсяпроцессовтепло-имассообмена в низкотемпературных установках и создание многоуровневойрасчётнойсистемы,реализациявычислительных программ ссозданныхмоделейспомощьюиспользованием ограниченного количестваэкспериментальных данных, а так же теоретическое исследование с помощьюэтихпрограммнестационарныхименяющихсярежимовработынизкотемпературных установок.Цель исследованияРазвитие методов и способов моделирования нестационарных процессовтепло- и массообмена в низкотемпературных установках и меняющихсярежимов их работы, а так же получение и обобщение результатов расчётных иэкспериментальных исследований.Задачи исследования1)Анализ известных моделей теплового взаимодействия материальныхпотоков в теплообменных аппаратах низкотемпературной техники.2)10Создание новых моделей нестационарных и меняющихся процессовтеплообмена в низкотемпературных установках.3)Реализациясозданныхмоделейтеплообменныхаппаратовинизкотемпературных установок с помощью вычислительных программ сиспользованием ограниченного количества экспериментальных данных.4)Исследование с помощью этих программ нестационарных и меняющихсярежимов работы низкотемпературных установок, включающих теплообменныеаппараты, с целью установления рациональных режимов их работы.5)Оценка влияния различных факторов на процесс охлаждения объектов, втом числе и испытывающих фазовые превращения.6)Моделирование, теоретическое и экспериментальное исследование сцелью нахождения рационального проведения процесса охлаждения объектов,имеющих осевые каналы для течения хладагента.

Оценка возможностиприменения реверсирования потока хладагента для интенсификации процессаохлаждения.7)Исследование теплопередачи при охлаждении и замораживании пищевыхпродуктов. Оценка влияния испарения влаги на процесс охлаждения этихобъектов.8)Математическое моделирование процессов сопряжённого тепло- имассопереноса при охлаждении пищевых продуктов в скороморозильномаппарате.9)Анализ известных моделей массообменных процессов на границе разделажидкой и газообразной фаз.10)Оценка влияния процессов передачи массы и теплоты при движениибарботаже газа через слой жидкости и математическое моделирование работымассообменных аппаратов, использующих процессы барботажа, с цельюнахождения рациональных режимов их работы.Методы исследования.

Основной метод исследования – расчётнотеоретический в сочетании с экспериментальными исследованиями отдельныхустановок, анализ и обобщение расчётных и экспериментальных результатов.11Научная новизна работы заключается в следующем:- впервые предложен конечно-разностный метод для решения системуравнений, описывающих стационарные режимы работы теплообменников сучётом переменности теплофизических свойств на основе полученногоаналитического решения внутри каждого шага разбиения по координате.- предложена новая методика расчёта нестационарного режима работытеплообменного аппарата, позволяющая получать аналитические решения сучётом изменения теплофизических параметров по координате при заданнойстепени точности расчёта;- впервые создана многоуровневая расчетная система с постепеннымувеличением сложности используемых моделей для определения рациональныхпараметров работы низкотемпературных установок;- предложен новый метод определения времени охлаждения объектов, в томчисле и с фазовыми переходами, для оценки влияния различных факторов наданный процесс;- разработана новая модель процесса охлаждения тел с внутренними каналамипутёмреверсированиядвиженияхладагента,позволяющаяполучитьрациональные значения расхода и целесообразное время реверсированияпотока хладоносителя;-впервыевыполненоисследованиевлиянияиспарениявлагинатепломассообмен при охлаждении и замораживании пищевых и биологическихпродуктов;- впервые выполнен анализ основных процессов тепломассообмена придвижении газовых пузырей в жидкости и создана методика расчета процессовбарботажа для разных условий его проведения.Практическая значимость и реализация результатов работы1) На основе физических и математических моделей, описывающихработу тепло- и массообменных аппаратов для техники низких температур,разработаныновые,рациональныеиболееточныестационарных и нестационарных режимов их работы.методырасчёта122) На примере установки обратной конденсации азота разработанамногоступенчатая расчетная система для рационального осуществленияменяющихся режимов работынизкотемпературныхустановокиданыпрактические рекомендации.3) Разработаны рекомендации по проведению процесса экономичногоохлаждения изношенных автопокрышек потоком холодного воздуха как приреверсирования потока хладагента, так и без него.

Даны рекомендации повеличине массового расхода воздуха и периоду переключений потока.4) Проведён анализ процессов тепломассообмена при охлаждении изамораживаниипищевыхпродуктоврациональнойорганизацииработызамораживанияпищевыхпродуктовиполученырекомендациискороморозильныхнаосновеаппаратованализаподляпроцессовтепломассообмена.5) На основании результатов исследования механизмов переноса массыи теплоты при движении газовых пузырей в жидкости, разработаны методикидля расчёта и проектирования, а так же организации работы установок дляполучения газопаровых смесей заданного состава, очистки жидкости отрастворённого в них газа или для насыщения жидкостей растворённымигазами.Достоверность результатов исследований обеспечивалась:сравнением созданных моделей с имеющимися моделями по результатамрасчётов;соответствием полученных расчётных данных с экспериментальнымирезультатами испытаний конкретных установок;применением аттестованных измерительных средств и апробированныхметодик измерения экспериментальных величин;расчетной оценкой погрешностей результатов измерений и производныхот них величин.Работа содержит пять глав, введение и заключение.13В первой главе подробно рассмотрено моделирование процессовтеплообмена в низкотемпературных теплообменных аппаратах, различныемодели, области их применимости, методы расчета систем уравнений,описывающих стационарные и нестационарные режимы их работы.Вторая глава посвящена созданию расчетной системы рациональноговедения меняющихся режимов работы низкотемпературных установок наоснове различных моделей работы теплообменных аппаратов.

Системастроится на многоступенчатом принципе перехода от простой к сложноймодели, когда в качестве начального приближения значений искомыхнеизвестныхнатекущейрасчетнойступенииспользуетсярезультат,полученный на предыдущей ступени. В качестве средств регулированиянизкотемпературных установок используются соотношения расходов потоковпоаппаратамустановки.Даннаясистемареализованадлярасчётарациональных режимов работы установки обратной конденсации.В третьей главе приведены основные способы охлаждения объектов иразличные математические модели, используемые для их описания. Длямоделирования используются нестационарное уравнение теплопроводности дляохлаждаемого тела и уравнение конвективного теплообмена для потокаохлаждающей среды. Приведены оценки времени охлаждения по основныммеханизмам передачи теплоты.

Создана математическая модель для описанияпроцесса охлаждения тел с осевыми каналами, реализованная для системыохлажденияблоковиспользованныхавтопокрышекдляпоследующейкриодеструкции.Вчетвертойглавепредставленырезультатытеоретическогоиэкспериментального исследования процессов охлаждения и замораживанияпищевых продуктов в холодильных и морозильных камерах, а также вскороморозильныхаппаратах,чтонеобходимодляпроектированиясовременного холодильного оборудования с рациональной организациейтехнологических процессов.В пятой главе рассмотрены процессы тепломассообмена при движении14газовых пузырей в жидкости. При этом газовый пузырь может, как уменьшатьсвой объем за счет растворения в жидкости, так и увеличиваться, насыщаясьпарами жидкости и газами, растворенными в жидкости.