Автореферат (Разработка метода расчета и создание пневмовакуумной установки концентрирования химических растворов)

На правах рукописиУДК 621.54; 57.088.2Борисов Юрий АлександровичРАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА И СОЗДАНИЕПНЕВМОВАКУУМНОЙ УСТАНОВКИ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯХИМИЧЕСКИХ РАСТВОРОВСпециальность 05.04.06 – Вакуумная, компрессорная техника ипневмосистемыАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительдоктор технических наук,профессорА.В.ЧернышевМосква – 2017Работа выполнена в Московском государственном техническомуниверситете имени Н.Э. Баумана (НИУ) (МГТУ им. Н.Э.

Баумана).Научный руководитель:доктор технических наук, профессорФГБОУ ВО МГТУ им. Н.Э. Баумана(НИУ)Чернышев Андрей ВладимировичОфициальные оппоненты:доктор технических наук, профессорБурмистров Алексей Васильевич,профессор кафедры "Вакуумной техникиэлектрофизических установок" ФГБОУ ВО«КНИТУ»кандидат технических наукКрутиков Алексей Александрович,инженер-конструктор 1 кат. АО«ГИДРОПРЕСС»Ведущее предприятие:ОКБФедеральное государственное бюджетноеучреждение науки Институт аналитического приборостроения Российской академиинаукЗащита диссертации состоится «29» ____марта__ 2017 г. в 16:30 час. назаседании диссертационного совета Д 212.141.16 при Московскомгосударственном техническом университете им.

Н.Э. Баумана по адресу:105005, Москва, Лефортовская наб., д.1С диссертацией можно ознакомиться в библиотекеМГТУ им. Н.Э. Баумана и на сайте http://www.bmstu.ru.Ваш отзыв на автореферат в 2 экз., заверенных печатью учреждения, просимнаправлять по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская улица, д.5, стр.1Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.141.16.Автореферат разослан «____» _______________ 2017г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.141.16кандидат технических наук, доцентМ. А. КолосовОбщая характеристика работыАктуальность исследованияС каждым годом увеличивается значимость научных исследований в областях, связанных со здоровьем и жизнедеятельностью человека.

Необходимость своевременной диагностики организмов на наличие новых вирусов ибактерий, и нахождения лекарства от них, обнаружения источников зараженияи способов его распространения отчетливо отражается в направлении развитиясовременных технологий. Задачей анализа образцов продуктов питания, почвы,крови, тканей живых организмов и других является определение содержаниятех или иных компонентов в исследуемых материалах. Один из этапов такогоанализа – пробоподготовка. Оборудование для подготовки проб являетсянеотъемлемой частью оснащения клинико-диагностических лабораторий(КДЛ), исследовательских центров и лабораторий.

Цель пробоподготовки –разрушение образца до такого состояния, которое обеспечит высокую (близкуюк 100%) вероятность определения наличия или отсутствия искомых компонентов при дальнейших анализах: микробиологическом, бактериологическом, биохимическом и других.

Чаще всего в результате процесса пробоподготовки образуется смесь микроколичества разрушенного образца и значительно большего объема растворителя. Для проведения последующих исследований с необходимой скоростью и точностью получаемого результата, необходимо максимально сократить количество растворителя. Устройства, предназначенные длярешения этих задач, называют концентраторами.Необходимо отметить, что концентраторы растворов используются нетолько в процессе пробоподготовки, но и широко применяются в лабораторнойпрактике, поэтому основными областями их применения являются: медицина;молекулярная биология; биохимия, пищевая промышленность; химическаяпромышленность и другие.Данная работа посвящена разработке метода расчета рабочих процессов исозданию новых пневмовакуумных концентраторов микрообъемов химическихрастворов.Начиная с конца прошлого века, ведутся активные работы по разработкеподобного оборудования, как в отечественной промышленности, так и за рубежом.

Созданием таких устройств занимаются такие фирмы как: Экохим (Россия), Stuart, Techne (Великобритания), Thermo Scientific, Labconco, Genevac(США), Eppendorf (Германия), Labogene (Дания), и другие.Однако перед разработчиками возникает несколько существенных проблем: методы расчета, описанные в научно-технических источниках, не позволяют определить необходимые для проектирования нового оборудования параметры рабочих процессов.

С помощью известных методов невозможно определить влияние потока газа, движущегося в проточной части концентратора, навеличину массового поток пара со свободной поверхности жидкости; при изменении параметров побудителя расхода рабочего газа, геометрии и расположения проточной части концентратора скорость испарения жидкости из пробирокможет существенно колебаться. Оценка факторов, влияющих на быстродей1ствие испарительного устройства, является важной задачей для разработчиковнового оборудования; разработчики концентраторов для интенсификации испарения стараются понизить давление в надпробирочной полости или повыситьтемпературу жидкости. Однако применение этих способов может привести кпотере или разрушению исследуемой пробы.Объектом исследования является пневмовакуумная испарительная установка для концентрирования химических растворов.Предметом исследования являются рабочие процессы, протекающие впневмовакуумном концентраторе химических растворов и влияющие на скорость и качество концентрирования жидкостей.Цель работы:Разработка метода расчета и создание пневмовакуумной установки дляконцентрирования химических растворов.Задачи исследования:1.

Разработка классификации и критериев оценки для обоснованного выбора вариантов установки.2. Разработка метода расчета и математической модели рабочих процессовв установке концентрирования химических растворов, позволяющихопределить зависимость массового потока пара со свободной поверхности жидкости от различных параметров.3. Проведение расчетно-теоретических исследований рабочих процессов вконцентраторе химических растворов.4. Разработка экспериментального стенда, методики проведения эксперимента и проведение экспериментальных исследований испарения жидкости из пробирок для проверки адекватности созданной математической модели.5.

Разработка установки концентрирования химических растворов и внедрение результатов работы.Научная новизна1. Впервые разработана классификация и критерии оценки для обоснованного выбора вариантов исполнения установки для концентрирования химических растворов.2. Впервые разработана математическая модель рабочих процессов впневмовакуумной установке концентрирования химических растворов.3.

Впервые разработан метод расчета, позволяющий определить зависимость массового потока пара от параметров потока и геометрии концентратора химических растворов.4. Впервые получены результаты расчетно-теоретических исследований сиспользованием созданных метода расчета и математической моделирабочих процессов в пневмовакуумном концентраторе химических растворов: распределение скоростей течения газа в проточной полостиустройства, толщину зоны градиента концентрации паров, зависимостьмассового потока пара от скорости и давления газа на входе в концентратор, геометрии проточной части устройства.25. Разработаны экспериментальный стенд, методика и проведены экспериментальные исследования рабочих процессов в концентраторе химических растворов, подтвердившие адекватность разработанной математической модели рабочих процессов в концентраторе химических растворов.Практическая ценность1.

Разработан метод расчета рабочих процессов, протекающих в пневмовакуумном концентраторе химических растворов, который может бытьиспользован при проектировании новых устройств, а также для модернизации и улучшении работы уже созданных.2. Проведенные исследования процессов испарения со свободной поверхности позволяют выбрать принципиальную схему нового устройства,которая наиболее подходит для использования в тех или иных условияхэксплуатации.3. Результаты работы использованы при выполнении НИР «Созданиенаучной базы разработки вакуумного и пневмоэлектромеханическогооборудования с применением методов быстрого прототипирования(Шифр ГБ3301сп) и НИР «Расчетно-теоретические и экспериментальные исследования рабочих процессов в устройствах систем пробоподготовки для анализа ДНК методом ПЦР» (Шифр ГЭ3302сп) в МГТУ им.Н.Э.

Баумана, Москва.4. Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ЗАО«Синтол», г. Москва в процессе проведения научно-исследовательскойи опытно-конструкторской работы по разработке роботизированногокомплекса для молекулярно-генетических исследований и внедрены вучебный процесс ФГБОУ ВО МГТУ им. Н.Э. Баумана, г.

Москва, чтоподтверждено актами о внедрении.Достоверность полученных данных подтверждена сравнением результатов расчетно-теоретических исследований с экспериментальными данными,опубликованными в открытых источниках литературы и данными, полученными при испытании устройств концентрирования химических растворов.Положения, выносимые на защитуМетод расчета и математическая модель рабочих процессов в пневмовакуумном концентраторе химических растворов. Результаты расчетнотеоретических и экспериментальных исследований рабочих процессов в пневмовакуумном концентраторе химических растворов.Апробация работыОсновные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и выставках:Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «БудущеемашиностроенияРоссии».МГТУим.Н.Э.Баумана(Москва,2011,2012,2013,2014,2015 гг.);Вторая и Шестая научно-техническая конференция аспирантов, магистрантов, студентов, творческой молодежи профильных предприятий и органицаций, посвященная 70-летию ОмГТУ.

(Омск, 2012, 2016 гг.);3(VI и VII)Международная научно-техническая конференция «Медикотехнические технологии на страже здоровья» (Португалия, 2013 г., Крым, 2015г.);Экспериментальный образец установки концентрирования химическихрастворов, экспонировался на выставках:Молодежная научно-инженерная выставка «Политехника». Москва,МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011, 2012, 2013, 2014, 2015 гг.; XIV Всероссийскаявыставка научно-технического творчества молодежи. Москва, ВВЦ, 2014 г.В 2012 и 2013 гг.

результаты исследований вошли в работы, награжденные дипломом I степени в конкурсе научно-исследовательских работ студентови аспирантов МГТУ им. Н.Э. БауманаВ 2013 г. пневмовакуумная установка для концентрирования химическихрастворов была награждена дипломом II степени в номинации «Технологии вмашиностроении и приборостроении» на молодежной научно-инженерной выставке «Политехника».По результатам работы разработана новая установка концентрированияхимических растворов, получены 3 патента РФ на полезную модель различныхисполнений данной установки.Личный вклад автора заключается в разработке метода расчета и создание математической модели рабочих процессов в пневмовакуумных концентраторах химических растворов; проведении расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, создании экспериментального стенда и методикипроведения эксперимента; разработке нового устройства для концентрированияжидкостей.ПубликацииПо результатам проведенных исследований опубликовано 13 научных работ.