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, |
|
Защита входов |
±30 В (питание вкл.) |
|
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, |
|
Питание — от шины USB |
|
|
Потребляемый ток |
До 240 мА (в активном режиме без ЦАП), |
|
Выходы для питания внешних цепей |
+5 В, до 100 мА, |
|
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
