USD 71.2298

+0.35

EUR 80.2689

-0.14

BRENT 43.27

0

AИ-92 43.26

+0.05

AИ-95 47.33

+0.05

AИ-98 52.88

+0.01

ДТ 47.8

+0.02

13 мин
97
0

Программно-аппаратный комплекс для исследования теплофизических и гидродинамических процессов в жидкостях при их транспортировке

В статье приводятся результаты разработки программно-аппаратного комплекса для исследования теплофизических и гидродинамических процессов в жидкостях при их транспортировании в емкостях при динамическом изменении их ориентации в пространстве. Комплекс предназначен для сбора экспериментальных данных о распределении и изменении температурного поля внутри и снаружи, и  изменении температуры стенки транспортного сосуда при статическом и динамическом изменении его ориентации в пространстве. Данные о распределении температурного поля необходимы для оценки условий хранения и транспортирования криогенных и других жидкостей

В настоящее время ведутся работы по созданию универсальных математических моделей, которые описывают физические процессы, происходящие в транспортных емкостях при транспортировании в них и длительном хранении криогенных жидкостей и сжиженный природный газ. Разработка адекватных моделей невозможна без применения экспериментальных данных. Экспериментальные данные должны учитывать распределение температурного поля в жидкости как внутри, так и снаружи емкости, период и угол наклона емкости при движении. Все эти экспериментальные данные значительно усложняют модель и требует значительных ресурсных затрат связанных со сбором экспериментальных данных.

Проблема изучения теплофизических и гидродинамических процессов в жидкостях транспортируемых в емкостях в настоящие время актуальна, и частично изучена, т.к. для создания полноценной модели необходимо учитывать процессы, описываемые следующими науками: гидрогазодинамикой, теплофизикой, теплотехникой, механикой. Причинами этого являются разные по форме сосуды, и разные процессы теплопередачи в зависимости от того сосуд находиться в горизонтальном положении или изменяет свое положение в пространстве.

Литературный анализ источников [1-7] показал, что в настоящие время бурно изучаются теплофизические и гидродинамические процессы возникающие в транспортных емкостях при их транспортировке путем моделирования этих процессов средствами математического моделирования в среда ANSYS и MathLab, но не одна из моделей описываемых в данных источниках не подвергается практической верификации.

В процессе транспортировки жидкость в сосуде испытывает возмущающие воздействия, в результате которого изменяются условия теплообмена, по причине которых для некоторых типов жидкостей наступает условия их испарения и в результате происходит естественная убыль жидкости от 20% до 30%.[8]

Особенно актуальным на сегодня является рассмотрение поставленного вопроса применительно к средствам хранения и транспортировки водорода, сжиженного природного газа (СПГ) и этилена. В настоящее время решается задача создания современных высокоэффективных и безопасных систем долговременного хранения сжиженного природного газа (СПГ), в конструкции которых были бы максимально учтены все нюансы тепломассообменных процессов внутри криогенного резервуара [9, 10]. Однако, вопросы, связанные с накоплением экспериментальных данных, необходимых для верификации математических моделей практически не рассматриваются.

В настоящей работе был разработан программно-аппаратный комплекс предназначенный для исследования процессов теплообмена в транспортных емкостях при динамическом изменении их ориентации в пространстве. Комплекс состоит из двух узлов: системы сбора данных (комплекса измерения температуры и угла наклона подвижных платформ) и стенда имитации качки.

Комплекс позволяет контролировать следующие параметры:

- изменение текущего температурного поля в транспортном сосуде во время рабочего цикла;

- контроль текущего угла наклона подвижных платформ;

- Температура ………….. от минус 196°С до 130 °С;

- Период опроса каналов системы сбора данных ………….. от 0,01 с до 60 с;

- Точность измерения температуры ±0,1 °С.

Основные характеристики модуля аппаратной части комплекса показаны в таблице 1.

Таблица 1 – Технические характеристики модуля сбора данных программно-аппаратного комплекса


Количество каналов

32 с "общей землей"

Разрядность АЦП

14 бит

Эффективная разрядность

13,3 бит (100 кГц, диап. изм 2,5 В.)

Входное сопротивление (при одноканальном вводе)

Не менее 10 МОм

Поддиапазоны измерения входного сигнала

±10 В; ±2,5 В; ±0,6 В; ±0,15 В

Максимальная частота преобразования

200 кГц (для внутренней или внешней аппаратной синхронизации)

Синхронизация

От внешнего синхросигнала, по уровню аналогового сигнала,
внутренняя. Возможна многомодульная синхронизация

Защита входов

±30 В (питание вкл.)
±10 В (питание выкл. и в режиме suspend)

Микроконтроллер

Тип

AT91SAM7S256

Тактовая частота

48 МГц

Внутреннее ОЗУ данных

64 Кбайт

Внутреннее ППЗУ программ

256 Кбайт

ЦАП

Количество каналов

2

Разрядность

16 бит

Время установления ЦАП

0,7 мкс

Режим работы ЦАП

Синхронный, асинхронный

Максимальная частота выдачи данных

200 кГц

Выходной диапазон

±5 В

Выходной ток, не более

±10 мА

Цифровые входы и выходы

Входы-выходы синхронизации

Вход прерывания контроллера,
вход-выход синхронизации АЦП

Питание  —  от шины USB

Потребляемый ток

До 240 мА (в активном режиме без ЦАП),
до 380 мА (в активном режиме с ЦАП)

Выходы для питания внешних цепей

+5 В, до 100 мА,
±15 В, до 20 мА по каждой из цепей (опция)

Габариты  —  129x95x26 мм

Как видно из характеристик данный модуль обеспечивает частоту аналого-цифрового преобразования до 200 кГц, что является достаточным для решения большинства задач по сбору данных. Также в нем имеется возможность выбора необходимого коэффициента усиления сигналов, что позволяет использовать в одной системе датчики различного типа.

На рисунке 1 показана структурная схема аппаратной части комплекса.


Рисунок 1 – Структурная схема аппаратной части комплекса.

Архитектура аппаратной части комплекса позволяет независимо управлять тремя объектами: АЦП, ЦАП и цифровым вводом-выводом. В частности, реализуется независимость частот АЦП и ЦАП в синхронном режиме. Ввод-вывод этих объектов управления может быть независимо запущен или остановлен. Возможен как синхронный, так и асинхронный (однократный) режим, как АЦП, так и ЦАП.

Функционально схема состоит из:

  • микропроцессора типа AT91SAM7S2568 осуществляющего внутреннее управление модулем и поддержку интерфейса USB, а также отладочного интерфейса JTAG.[11]

  • 32-канального мультиплексора, предназначенного для коммутации сигналов c аналоговых входов на вход усилителя.[12, 13]

  • Усилителя, имеющего 4 уровня коэффициента усиления.

  • 14-ти битного АЦП последовательного приближения LTC1416.

  • EEPROM объёмом 1 Кбайт, необходимую для хранения калибровочных коэффициентов.

  • Двухканального 16-ти битного ЦАП.

  • Кварцевого генератора для синхронизации.

Вся периферия контроллера, относящаяся к сбору-выдаче данных (АЦП, ЦАП, цифровой ввод-вывод, синхролинии), подключена к ARM-контроллеру через ПЛИС. По своей функции ПЛИС выполняет роль подчинённого устройства (по отношению к ARM-контроллеру), согласующего логику работы периферийных портов АRM-контроллера с узлами сбора-выдачи данных.

Комплекс имеет два источника опорного напряжения ±5В для питания цепей входных аналоговых узлов модуля (датчиков). Режимы работы аналогового тракта, диапазоны измерения АЦП, количество опрашиваемых каналов и последовательность их опроса, тип и источник синхронизации, источник тактовых импульсов АЦП, частота преобразования являются программно конфигурируемыми.

Стенд для имитации динамического изменения положения сосудов в пространстве состоит из рамы, на которой размещаются две подвижные платформы, которые могут совершать пространственные колебания в двух плоскостях относительно горизонтального положения, в диапазоне углов ±45°, не зависимо друг от друга, с периодом колебаний от 7 секунд до нескольких минут. Для контроля угла наклона и периода динамического изменения положения, на подвижных платформах установлены датчики угла наклона. Визуализации процессов происходящих внутри непрозрачных сосудов производиться при помощи видеоэндоскопа. На рисунке 1 показана структурная схема Программно-аппаратный комплекс предназначенный для исследования процессов теплообмена в транспортных емкостях при динамическом изменении их ориентации в пространстве. В состав стенда входит рабочий стол 1, имитирующий бортовую качку, а также предусматривающий возможность установки и закрепления на нем испытуемого сосуда, механизм имитирующий килевую качку судна 2 и несущая рама 3. В качестве приводных элементов в данной конструкции используются два червячных мотор-редуктора, по одному на каждое колебательное звено. В таблице 2 приведены технические характеристики механической части стенда. На рисунке 2, 3 показаны кинематическая схема и фотография стенда имитации качки, в таблице 2 рассмотрены основные характеристики стенда.

Таблица 2 – Технические характеристики механической части стенда динамического изменения ориентации в пространстве

Характеристика

Значение

Примечание

1

Период (частота) качки, с

10…360


2

Угол наклона плоскостей, гр.

± 45°

XZ, YZ как отдельно так и совместно

3

Габаритные размеры подвижной платформы, мм

1500х1500


4

Грузоподъемность, кг

1000


5

Напряжение питания, В

220


6

Система крепления

Перфорированная платформа




Рисунок 2 – Структурная схема стенда механической части программно-аппаратного комплекса (1 – подвижная платформа 1; 2 – подвижная платформа 2; 3 – рама стенда)

Измерение температуры осуществляется с помощью термисторов, на базе которых построены измерительные преобразователи, которые преобразуют изменение фактического значения температуры в изменение электрического напряжения, преобразуемое при помощи аналогово-цифрового преобразователя в код и передаваемый на персональный компьютер для дальнейшей математической обработки.


Рисунок 3 – Установка имитации качки и длительных наклонов

Программное обеспечение системы разработано на языке Borland C++ Builder. Программное обеспечение состоит из следующих подпрограмм:

  • подпрограмма приема и обработки информации;

  • подпрограмма отображения информации;

  • подпрограмма настройки программного обеспечения;

  • подпрограмма записи тренда.

Подпрограмма приема и обработки информации предназначена для считывания информации с модуля сбора данных. Подпрограмма отображения информации выводит на экран изменение параметров стенда в реальном времени. Окно отображения информации отображено на рисунке 4. Частота обновления информации на экране 1 Гц.


Рисунок 4 – Скриншот экрана программы записи трендов изменения температуры по уровням контроля

Подпрограмма настройки программного обеспечения позволяет задавать параметры опроса модуля сбора данных. В подпрограмме настройки программного обеспечения задаются следующие параметры:

  • Тактовые импульсы. Источник формирования тактовых импульсов - внутренний или внешний.

  • Трансляция тактовых импульсов. Разрешить или запретить трансляцию тактовых импульсов.

  • Режим синхронизации. Значение данного поля может задавать различные виды синхронизации ввода данных с АЦП.

  • Число каналов. Количество активных каналов с которых принимается информация.

  • Частота АЦП.

  • Межкадровая задержка.

  • Частота кадров.

  • Номер физического канала. Задается соответствие логического канала отображаемого на экране и физического канала к которому подключен тот или иной датчик.

  • Диапазон. Устанавливается диапазон входных напряжений для текущего канала.

  • Название. Наименование текущего логического канала.

  • Масштабный коэффициент. Коэффициент масштабирования текущего логического канала.

  • Режим подключения датчика с общей землей).

  • Отображение. Осуществлять вывод текущего логического канала на экран или нет.

  • Считывание. Осуществлять прием данных с текущего логического канала или нет.

Подпрограмма работы с архивом предназначена для сохранения информации, а также для ее последующей обработки и отображения.

Разработанный программно-аппаратный комплекс предназначена для получения экспериментальных данных распределения температурного поля с датчиков температуры, система позволяет выводить полученные данные в виде графиков на экран персонального компьютера и массива данных в формате txt, что в дальнейшем значительно упрощает экспорт экспериментальных данных. Полученные результаты экспериментальных исследований с использованием системы сбора и передачи данных представлены в работах.

Апробация работы комплекса проводилась на базе сферического сосуда диаметром 360 мм с объемом 16 литров, который устанавливался на подвижную платформу, и заполнялся на 3/4 горячей водой с температурой 80 ℃. Сосуд подвергался качке, со следующими условиями: угол наклона платформы ±45º; с период одного полного колебания 14 секунд; время качки 3 часа. В процессе качки производилась непрерывная запись значений изменения температуры жидкости внутри и температуры стенки сосуда внутри и снаружи. Контроль температуры жидкости в сосуде осуществлялся при помощи зонда, состоящего из четырех термисторов расположенных в центре сосуда на расстоянии 50 мм (рисунок 5). Измерение температуры стенки производилось платиновыми термометрами сопротивления, распложенными на стенке сосуда с разных сторон.


Рисунок 5 – Общий вид температурного зонда.

На рисунке 6 показан график изменения средней температуры стенки сосуда в статическом режиме и при совершении колебаний сосуда. На рисунке 7 показано изменение температуры в центре сосуда в статическом режиме и при колебаниях. На рисунке 8 показано изменение температуры жидкости в разных слоях сосуда при колебаниях (нижний тренд изменения температуры получен с датчика находящегося верхнем слое жидкости, верхний тренд с нижнего, соответственно).


РИС. 6. График изменения средней температуры стенки сосуда в статическом режиме и при совершении колебаний сосуда


РИС. 7. График изменения температуры в центре сосуда в статическом режиме и при колебаниях


РИС. 8. График изменение температуры жидкости в разных слоях сосуда при колебаниях

Данные полученные при помощи программно аппаратного комплекса позволят производить анализ процессов происходящих в транспортных емкостях в статическом и в динамическом режиме (во время имитации транспортирования).

Проанализировав зависимости изменения температуры жидкости в сосуде видно, что остывание сосуда совершающего колебательные движения происходи в 2-3 раза быстрее. Скорее всего это связано с тем, что при качке жидкость начинает, перемещается в сосуде и омывает стенки сосуда, в результате увеличивается площадь и условия теплообмена.

Программно-аппаратный комплекс для исследования процессов теплообмена в транспортных емкостях позволяет производить непрерывную запись изменения температурного поля внутри и снаружи транспортной емкости. Данные могут быть использованы для верификации математических моделей и анализа процессов, происходящих в транспортных емкостях.

Список литературы

1. Das Manab Kumar Conjugate natural convection heat transfer in an inclined square cavity containing a conducting block / Das Manab Kumar, Reddy Sarah // Int. J. Heat and Mass Transfer. 2006. - V. 49, №25-26. - P.4987-5000.

2. Haldar S.С. Numerical study of laminar free convection about horizontal cylinder with longitudinal fins of finite thickness / S.C. Haldar, G.S. Koshbar, K. Manohar, R.K. Sahoo // J. Therm. Sei. 2007. - V. 46, №7. - P. 692-698.

3. Chen Tzong-Huei Study of buoyancy-inducted flows subjected to partially heated sources on the left- and bottom walls in a square enclosure / Chen Tzong-Huei, Chen Li-Yueh // Int. J: Therm. Sci. 2007. - V. 46, № 12. - P. 1219-1231.

4. Wang Xiuling Application of an;hp-adaptive FEM for solving thermal flow problems / Wang Xiuling, Pepper Darrell // W. J. Thermophys. and Heat Transfer. 2007. - V. 21, №1. - P. 190-198.

5. WangQ. W. Numerical i nvestigation о f nat ural со nvection in a inclined enclosure filled with porous medium under magnetic field / Q. W.Wang, M. Zeng, Z.P. Huang // Int. J. Heat and Mass Transfer. 2007. - V. 50, №17-18. -P. 3684-3689.

6. Cheikh Nader Ben Aspect ratio effect on natural convection flow in a cavity submitted to a periodical temperature boundary / Beya Brahim Ben, Lili Taieb // J. Heat Transfer. 2007. - V. 129, №8. - P. 1060-1068.

7. Courant R. On the partial difference equations of the mathematical physics / R. Courant, K.O. Friedrichs, H. Lewy // IBMJ. Res. Dev. 1967. - V.l 1. - P. 215-234.

8. Приказ Минэнерго РФ N 527, Минтранса РФ N 236 от 01.11.2010 "Об утверждении норм естественной убыли нефти и нефтепродуктов при перевозке железнодорожным, автомобильным, водным видами транспорта и в смешанном железнодорожно-водном сообщении" (Зарегистрировано в Минюсте РФ 21.12.2010 N 19297)

9. Солдатов Е.С., Архаров И.А. Анализ схемных решений в системах реконденсации паров сжиженного природного газа для транспортных и стационарных резервуаров долговременного хранения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 2. С. 263-276.

10. Солдатов Е.С. Моделирование процессов тепломассообмена в криогенном резервуаре долговременного хранения сжиженного природного газа // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Экономика. Информатика. 2019. Т. 46. № 1. С. 92-98

11. National Semiconductor. A Practical Guide To Cable Selection. - Application Note 916

12. National Instruments. Field Wiring and Noise Considerations for Analog Signals. -Application Note 25

13. National Instruments. Signal Conditioning Fundamentals for PC-Based Data Acquisition Systems. - Application Note 48



Статья «Программно-аппаратный комплекс для исследования теплофизических и гидродинамических процессов в жидкостях при их транспортировке» опубликована в журнале «Neftegaz.RU» (№6, 2020)

Авторы:
Читайте также
Система Orphus