Системы диагностики тепловой работы лабораторных, полупромышленных и промышленных реакторов синтеза углеродных наноматериалов
Предложена концепция экспертной системы для анализа тепловой работы реакторов пиролитического синтеза УНМ, основанная на построении моментальных тепловых балансов....
Збережено в:
| Дата: | 2011 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2011
|
| Назва видання: | Промышленная теплотехника |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60371 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Системы диагностики тепловой работы лабораторных, полупромышленных и промышленных реакторов синтеза углеродных наноматериалов / А.Б. Бирюков, В.В. Кравцов, Е.В. Новикова, Н.А. Алехина // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33, № 5— С. 20-23. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-60371 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-603712014-04-15T03:01:38Z Системы диагностики тепловой работы лабораторных, полупромышленных и промышленных реакторов синтеза углеродных наноматериалов Бирюков, А.Б. Кравцов, В.В. Новикова, Е.В. Алехина, Н.А. Тепло- и массообменные аппараты Предложена концепция экспертной системы для анализа тепловой работы реакторов пиролитического синтеза УНМ, основанная на построении моментальных тепловых балансов. Запропоновано концепцію експертної системи для аналізу теплової роботи реакторів піролітичного синтезу УНМ, засновану на побудові моментальних теплових балансів реактора. Concept of expert system for carbon nanomaterials pirolytic synthesis reactors thermal work analysis based on momentary heat balances considering is proposed. 2011 Article Системы диагностики тепловой работы лабораторных, полупромышленных и промышленных реакторов синтеза углеродных наноматериалов / А.Б. Бирюков, В.В. Кравцов, Е.В. Новикова, Н.А. Алехина // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33, № 5— С. 20-23. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 0204-3602 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60371 544.723 ru Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Тепло- и массообменные аппараты Тепло- и массообменные аппараты |
| spellingShingle |
Тепло- и массообменные аппараты Тепло- и массообменные аппараты Бирюков, А.Б. Кравцов, В.В. Новикова, Е.В. Алехина, Н.А. Системы диагностики тепловой работы лабораторных, полупромышленных и промышленных реакторов синтеза углеродных наноматериалов Промышленная теплотехника |
| description |
Предложена концепция экспертной системы для анализа тепловой работы реакторов пиролитического синтеза УНМ, основанная на построении моментальных тепловых балансов. |
| format |
Article |
| author |
Бирюков, А.Б. Кравцов, В.В. Новикова, Е.В. Алехина, Н.А. |
| author_facet |
Бирюков, А.Б. Кравцов, В.В. Новикова, Е.В. Алехина, Н.А. |
| author_sort |
Бирюков, А.Б. |
| title |
Системы диагностики тепловой работы лабораторных, полупромышленных и промышленных реакторов синтеза углеродных наноматериалов |
| title_short |
Системы диагностики тепловой работы лабораторных, полупромышленных и промышленных реакторов синтеза углеродных наноматериалов |
| title_full |
Системы диагностики тепловой работы лабораторных, полупромышленных и промышленных реакторов синтеза углеродных наноматериалов |
| title_fullStr |
Системы диагностики тепловой работы лабораторных, полупромышленных и промышленных реакторов синтеза углеродных наноматериалов |
| title_full_unstemmed |
Системы диагностики тепловой работы лабораторных, полупромышленных и промышленных реакторов синтеза углеродных наноматериалов |
| title_sort |
системы диагностики тепловой работы лабораторных, полупромышленных и промышленных реакторов синтеза углеродных наноматериалов |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| publishDate |
2011 |
| topic_facet |
Тепло- и массообменные аппараты |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60371 |
| citation_txt |
Системы диагностики тепловой работы лабораторных, полупромышленных и промышленных реакторов синтеза углеродных наноматериалов / А.Б. Бирюков, В.В. Кравцов, Е.В. Новикова, Н.А. Алехина // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33, № 5— С. 20-23. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| series |
Промышленная теплотехника |
| work_keys_str_mv |
AT birûkovab sistemydiagnostikiteplovojrabotylaboratornyhpolupromyšlennyhipromyšlennyhreaktorovsintezauglerodnyhnanomaterialov AT kravcovvv sistemydiagnostikiteplovojrabotylaboratornyhpolupromyšlennyhipromyšlennyhreaktorovsintezauglerodnyhnanomaterialov AT novikovaev sistemydiagnostikiteplovojrabotylaboratornyhpolupromyšlennyhipromyšlennyhreaktorovsintezauglerodnyhnanomaterialov AT alehinana sistemydiagnostikiteplovojrabotylaboratornyhpolupromyšlennyhipromyšlennyhreaktorovsintezauglerodnyhnanomaterialov |
| first_indexed |
2025-07-05T11:29:28Z |
| last_indexed |
2025-07-05T11:29:28Z |
| _version_ |
1836806275132817408 |
| fulltext |
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №520
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
УДК 544.723
Бирюков А.Б., Кравцов В.В., Новикова Е.В., Алехина Н.А.
Донецкий национальный технический университет
СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ,
ПОЛУПРОМЫШЛЕННЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ РЕАКТОРОВ
СИНТЕЗА УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ
Запропоновано концепцію ек-
спертної системи для аналізу теп-
лової роботи реакторів піролі-
тичного синтезу УНМ, засновану
на побудові моментальних тепло-
вих балансів реактора.
Предложена концепция экспер-
тной системы для анализа тепловой
работы реакторов пиролитического
синтеза УНМ, основанная на по-
строении моментальных тепловых
балансов.
Concept of expert system for car-
bon nanomaterials pirolytic synthesis
reactors thermal work analysis based on
momentary heat balances considering
is proposed.
с – теплоемкость газообразной среды;
Q – статья теплового баланса;
t – температура газообразной среды;
V – расход газообразного потока (н.ф.у.);
τ – время.
Индексы верхние:
эл. нагр. – электрический нагреватель;
пот. реак. – тепловые потери реактора;
энд – указатель эндотермического эффекта;
Σ – интегральное значение величины за некото-
рый период времени.
Индексы нижние:
исх. угл. – исходный углеводород;
газ. прод. – газообразные продукты, покидаю-
щие реактор;
пр – принадлежность к приходной статье
теплового баланса;
расх – принадлежность к расходной статье
теплового баланса.
Имеется множество сведений о синтезе уг-
леродных наноматериалов (УНМ), в частнос-
ти углеродных нанотрубок (УНТ), при помо-
щи различных методов (электродуговое осаж-
дение, CVD-синтез, каталитический пиролиз
на поверхности подложек с катализатором и
т.д.) [1]. При обилии информации о результа-
тах применения каждого из методов в различ-
ных модификациях сложно определиться с вы-
бором оптимальных условий работы каждого
конкретного реактора.
Особенностью данной зарождающейся об-
ласти промышленности, по мнению авторов,
должен служить высокий уровень способнос-
ти к перестройке на новые технологические па-
раметры не только опытных, но и опытно-про-
мышленных и промышленных реакторов. При-
чиной тому является постоянное уточнение
сведений о рациональных параметрах реали-
зации каждого из методов получения УНМ
(например, выбор углеводорода). Таким образом,
особую роль приобретает система АСУ ТП
реактора, которая должна приобрести также
функции экспертной системы, позволяющей
интерпретировать информацию, получаемую
от датчиков, для динамического «доисследова-
ния» процесса.
В работе внимание сосредоточено на соз-
дании экспертной системы для анализа теп-
ловой работы реакторов каталитического пи-
ролиза УНМ на подложках с катализатором.
Поскольку как в этой, так и в других техноло-
гиях, процесс получения УНМ представляет
собой эндотермический процесс с одной сто-
роны, а выбор температуры процесса в значи-
тельной мере определяет его эффективность
с другой стороны, важна роль правильного
выбора тепловых параметров реализации тех-
нологии. Особенно актуальным является этот
вопрос, учитывая, возможность ситуации, при
которой реактор, используемый как промыш-
ленный, будет адаптироваться для новых па-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №5 21
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
раметров (например, другой углеводород) и
появится необходимость определения рацио-
нальных (оптимальных) тепловых параметров
работы в новых условиях.
Для замера температуры в реакционной
зоне реакторов каталитического пиролиза уг-
леводородов на подложках с катализатором в
большинстве работ используются термопары,
а в работе [2] предложено применять средства
пирометрии. Для поддержания заданной тем-
пературы в реакционной зоне при использова-
нии электрического нагревателя традиционно
применяется регулятор температуры, коррек-
тирующий выделяемую тепловую мощность на
основании обратной связи.
Особенностью предлагаемой в данной ра-
боте экспертной системы для управления теп-
ловой работой реакторов синтеза углеродных
нанотрубок является расчетная обработка ин-
формации, получаемой от стандартно применя-
емых в этой технологии датчиков (термопары,
расходомеры и т.д.).
Функции предложенной системы:
– оперативное управление тепловыми пара-
метрами технологии;
– построение моментальных и усредненных
тепловых балансов реактора;
– анализ тепловых балансов для случая ис-
пользования различных углеводородов и дру-
гих параметров технологии с целью выбора
рациональных (оптимальных) условий реали-
зации технологии в каждом конкретном случае.
Построение моментального теплового ба-
ланса с составляющими приходной и расхо-
дной частей:
Приходная часть:
1. Теплота с исходным углеводородом, Вт:
Q исх угл = V исх угл·c·(t исх угл)·t исх угл. (1)
2. Теплота от нагревателя:
Q эл нагр – моментальная мощность источника
тепла, Вт.
Расходная часть:
1. Теплота с уходящими газообразными про-
дуктами, Вт:
Q газ прод = V газ прод·c·(t газ прод)·t газ прод. (2)
2. Тепловые потери реактора:
Qпот реак – моментальные тепловые потери реак-
тора, Вт.
Эта величина определяются при помощи
расчетной модели с учетом геометрических и
теплофизических характеристик ограждения
реакторов и замеряемого значения температу-
ры в реакционной зоне. Вторым вариантом оп-
ределения этой величины может служить об-
работка сигналов термопар, заделанных в стен-
ках реактора, позволяющих идентифицировать
величины потоков теплопотерь.
3. Покрытие эндотермического эффекта реакций:
Qпот реак – тепловой поток, расходуемый на пок-
рытие эндотермического теплового эффекта ре-
акций пиролиза углеводородов, Вт.
Основным компонентом газовой смеси, по-
кидающей реактор, является водород, осталь-
ные компоненты представлены недоразложен-
ными углеводородами, в случае добавления в
исходную газовую смесь инертных газов по-
следние полностью уходят с газовым потоком,
покидающим реактор. Для автоматической ра-
боты предлагаемой системы диагностики не-
обходимо наличие библиотеки зависимостей
теплоемкостей газовых компонентов от тем-
пературы, для газов, которые могут присут-
ствовать во входящем и выходящем газовых
потоках. Такие зависимости могут быть либо
найдены в справочной литературе в функцио-
нальном виде готовом к использованию, либо
в табличном виде. Использование современ-
ных вычислительных пакетов типа MathCAD
позволяет сравнительно просто получить функ-
циональные зависимости на основании обра-
ботки табличных данных.
Уравновешивание моментального теплово-
го баланса производится путем определения
величины Qэнд :
Qэнд = Qисх угл + Qэл нагр + Qгаз прод + Qпот реак. (3)
Графическое представление теплового ба-
ланса реактора приведено на рис. 1.
пр
пр
расх
расх
расх
расх расх расхпр пр
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №522
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
ды, покидающей реактор (поз. 11). Сигналы
от всех датчиков передаются на контроллер,
где динамически производится расчет всех
составляющих теплового баланса, определе-
ние расхода тепла на покрытие эндотермичес-
кого эффекта реакций (3) и интегрирование
этой величины по времени (4).
Применение предложенной системы диаг-
ностики позволяет исследовать влияние раз-
личных технологических параметров на ин-
тенсивность протекания процесса образования
УНМ:
– вид углеводорода или состав углеводород-
ной смеси;
– доля инертных разбавляющих газов в слу-
чае добавки последних;
– температура в реакционной зоне;
– характер подачи газов в реактор (скорость
истечения, параметры пульсации и т.д.);
– состояние подложки с катализатором (не-
подвижное, кипящий слой, виброожиженное
состояние и т.д.).
Если в реакторе удается свести к минимуму
образование аморфного углерода, то изменение
величины Qэнд во времени дает представление
о скорости протекания реакций образования
нанотрубок, что позволяет определить значе-
ния констант скорости реакции и энергий акти-
вации для пиролиза различных углеводородов
на различных катализаторах.
Для исследования динамики роста УНМ в
работе [3] предложен способ, базирующийся
на измерении диэлектрической проницаемос-
ти реакционного пространства, что позволяет
идентифицировать динамику нарастания УНМ.
Взаимное дополнение предложенной сис-
темы диагностики тепловой работы и метода
определения скорости роста УНМ при помощи
замера диэлектрической проницаемости рас-
ширяет возможности углубленного исследова-
ния процессов синтеза УНМ.
Кроме того, анализ состава уходящих газов
позволяет судить о количестве выделившегося
в реакторе углерода и оценивать возможные
пути использования этих газов: повторное на-
правление в реактор, сжигание, заправка бал-
лонов.
Рис. 1. Графическое представление
моментального теплового
баланса реактора (ΔQ – разница
теплосодержаний выходящего и
входящего в реактор газовых потоков).
Изменение величины расхода тепла на по-
крытие эндотермического эффекта реакций во
времени Qэнд (τ) позволяет судить об истоще-
нии реакционной способности катализатора.
Общее количество тепла, израсходованного
на покрытие эндотермического эффекта реак-
ций, за весь период работы реактора:
QэндΣ. =
0
p
Q
τ
∫ (τ)·dτ. (4)
Сопоставление величины QэндΣ (τ) с количес-
твом образовавшихся нанотрубок и аморфного
углерода, позволяет уточнять тепловые эффек-
ты каталитического пиролиза для различных
углеводородов и катализаторов.
На рис. 2 представлена одна из традици-
онных схем реактора полунепрерывного дей-
ствия для синтеза УНМ на подложках с ката-
лизатором: цилиндрический реактор (поз. 1)
имеет патрубки для подвода и отвода газооб-
разных сред, в нижней части реакционной
зоны установлен электрический нагреватель
(поз. 2), позволяющий поддержать заданную
температуру, которая контролируется при по-
мощи специальной термопары (поз. 4). Кроме
того, имеется следующий набор контрольно-
измерительного оборудования: расходомеры на
каждом из патрубков газообразных сред (10),
термопары в каждом из патрубков (поз. 12),
газоанализатор для определения состава сре-
расх
расх
расх
расх расх
энд
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №5 23
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Рис. 2. Структурная схема системы диагностики тепловой работы реактора УНМ:
1 – реактор; 2 – электрический нагреватель; 3 – контроллер; 4 – термопара
в реакционной зоне; 5 – датчики диэлектрической проницаемости реакционного
пространства; 6 – реостат для управления тепловой мощностью, выделяемой
на нагревателе реактора; 7 – прибор для замера мощности, потребляемой
нагревателем; 8 – патрубок подвода углеводорода; 9 – патрубок отвода газообразных
продуктов; 10 – расходомеры; 11 – газоанализатор; 12 – термопары;
1-1, 2-2, 3-3, 4-4, 5-5 сигналы от соответствующих чувствительных элементов.
Выводы
1. Предложена экспертная система для
углубленного исследования тепловой работы
реакторов пиролитического синтеза УНМ на
подложках с катализатором.
2. Применение данной системы дает воз-
можность «доисследования» процесса в плане
определения важных параметров процесса на
основании сигналов от стандартного набора
датчиков, что важно для оптимизации работы
реакторов.
3. Вероятно, что предложенная концепция
для диагностики тепловой работы реакторов
пиролитического синтеза УНМ на подложках
с катализатором может быть с некоторыми
изменениями использована для реакторов дру-
гого типа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Раков Э.Г. Нанотрубки и фуллерены:
Учебн. пособие. – М.: Университетская книга,
Логос, 2006. – 376 с.
2. Ткачев А.Г. Аппаратура и методы синте-
за твердотельных наноструктур / А.Г. Ткачев,
И.В. Золотухин. – М.: Машиностроение-1,
2007. – 316 с.
3. Мищенко С.В. Углеродные наноматериа-
лы. Производство, свойства, применение / С.В.
Мищенко, А.Г. Ткачев.– М.: Машиностроение,
2008. – 320 с.
Получено 03.06.2011 г.
|