Организационное и методологическое обеспечение экспериментальных исследований

DOI:

Процесс организации и проведения фундаментальных и прикладных исследований нацелен на получение конкретных результатов, что в свою очередь, предполагает установление общих требований к организации научно-исследовательских работ (НИР); функциям основных участников НИР, порядку их взаимодействия; требованиям к порядку выполнения и приемки отдельных этапов и НИР в целом; порядку разработки, согласованию и утверждению документов при организации и выполнении НИР; порядку реализации и использования результатов законченных НИР.

Рассмотрим типовые этапы выполнения прикладных научно-исследовательских работ:

– выбор направления исследований;

– формулировка цели и задач исследования;

– моделирование;

– экспериментальные исследования;

• –    анализ, обобщение, оценка результатов исследований, выпуск отчетной научнотехнической документации по НИР;

• –    внедрение результатов и определение экономической эффективности.

Одним из этапов, требующих значительных ресурсов, в том числе организационных, технических и вычислительных является этап экспериментальных исследований [1].

Экспериментальные а) разработка цели и задач эксперимента исследования

• б)    планирование эксперимента

• в)    разработка программы исследований

• г)    выбор средств измерений

• д)    при отсутствии необходимых средств измерений — разработка новых средств измерений

• е)    конструирование приборов, макетов, аппаратов, моделей, стендов, установок и других средств проведения и обеспечения эксперимента

• ж)    обоснование способов измерений, разработка, при необходимости, методик выполнения измерений и их аттестация

• з)    проведение эксперимента в лаборатории, на опытных участках, на заводах, в компаниях, на полигонах и т.д.

• и)    обработка результатов измерений

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Рассмотрим модель экспериментальной установки для проведения исследований гидродинамических характеристик тепломассообменных устройств на системе воздух-вода.

В качестве технологического процесса рассмотрим процесс тепломассообмена в системе вода-воздух. Модель представляет собой царговую колонну с возможностью установки царг в измерительной части колонны (рисунок 1, позиция 1). Узел ввода потока воздуха (рисунок 1, позиция 2), оснащается устройством, равномерно распределяющим газовый поток по сечению аппарата. Кубовая часть (рисунок 1, позиция 3) имеет встроенный гидрозатвор [2, 3].

Характеристика технологического объекта управления

Описание технологического процесса. В колонну через трубопровод (рисунок 1, позиция 4) с помощью турбокомпрессора (рисунок 1, позиция 5) нагнетается поток воздуха. Подача воды в верхнюю часть колонны на орошение осуществляется насосом (рисунок 1, позиция 6). Насос запитан из кубовой части аппарата. Вода через запорную арматуру поступает во всасывающий патрубок насоса. Режимы работы экспериментальных исследований требуют соблюдения регламентных (режимных) параметров. Соответственно наличие датчиков температуры, давления и расхода воды, а также регистрирующих приборов является неотъемлемой частью реализации технологического процесса на данном объекте.

Рисунок 1. Схема автоматизации технологического объекта управления – царговой колонны.

Figure 1. Automation diagram of a technological control object for the shell of column.

Важнейшими задачами обслуживания являются:

• -    поддержание расхода воды в верхнюю часть колонны на орошение, в зависимости от диаметра исследуемых царг (300 мм до 1200 мм и насадочный слой высотой от 0,5 м до 2 м) в диапазоне 350-450 л/час до 40 м³/час);

• -    поддержание расхода воздуха с помощью турбокомпрессора в диапазоне от 100 до 8000 м³/час.

Следует не допускать, чтобы:

• -    водяной насос, обеспечивающий циркуляцию воды в системе вода-воздух, был выключен при работающем турбокомпрессоре;

• -    турбокомпрессор, обеспечивающий нагнетание потока воздуха в систему вода-воздух, был выключен при работающем водяном насосе;

• -    уровень в кубе был выше максимального;

• -    уровень в кубе был ниже минимального значения.

Рассмотрим основное оборудование царговой колонны (таблица 1).

Таблица 1. Оборудование царговой колонны.

Table 1. Equipment for the shell of column.

Наименование и целевая функция	Количество	Характеристика и свойства
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ (ЦАРГА)
Тепломассообмен  в  системе вода-воздух	1	D = (300-1200 мм)
РАСПРЕДЕЛИТЕЛИ ЖИДКОСТИ
Обеспечение     равномерного орошения	1	Количество    точек    выхода жидкости = 100 точек/м2)
УЗЕЛ ВВОДА ВОЗДУХА (ТУРБОКОМПРЕССОР)
Нагнетание потока воздуха	1	F=100 до 8000 м3/час
КУБОВАЯ ЧАСТЬ (ЕМКОСТЬ НАКОПИТЕЛЬ)
Накопитель   циркуляционной воды	1	D = 1,5 м, V = 1,8 м3
Встроенный гидрозатвор	1	H погружения = 600 мм
Циркуляционный насос	1	F=350-450 л/час до 40 м3/час

В таблице 2 указаны сырье и компоненты, участвующие в процессе тепломассообмена в системе вода-воздух.

Таблица 2. Сырье и компоненты.

Table 2. Raw Materials and Components.

Наименование сырья	Химический состав	Физические свойства	Технологические требования
Турбокомпрессор
Воздух	(N 2 , O 2 )	газ	t = 240C

ЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ НАСОС
Вода	Н 2 O	жидкость	t = 24-550C
ЗАДВИЖКА СТАЛЬНАЯ
Вода	Н 2 O	жидкость	t = 24-550C
ЦАРГА
Вода	Н 2 O	жидкость	t = 24-550C
Воздух	(N 2 , O 2 )	газ	t = 240C
ЕМКОСТЬ НАКОПИТЕЛЬ
Вода	Н 2 O	жидкость	t = 24-550C
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРУБОПРОВОДЫ
Воздух	(N 2 , O 2 )	газ	t = 240C
Вода	Н 2 O	жидкость	t = 24-550C

В таблице 3 указаны типы и параметры энергоносителей, применяемых в ходе технологического процесса.

Таблица 3. Энергоносители.

Table 3. Energy carriers.

Наименование энергоносителей	Требования
ТУРБОКОМПРЕССОР
Электроэнергия	Напряжение питания U=0,38 кВ
ЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ НАСОС
Электроэнергия	Напряжение питания U=0,38 кВ
ЦАРГА
Вода	-
Воздух	-

Согласно терминологии, технологический объект управления представляет собой совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям или регламентам технологического процесса производства продуктов, полупродуктов, изделий или энергии [4-6].

Поскольку рассматриваемая установка предназначена для проведения экспериментальных исследований, то в качестве продукта могут выступать полученные эмпирическим путем гидродинамические характеристики тепломассообменных устройств на системе воздух-вода.

Обзор экспериментальной установки (испытательного стенда) позволяет выделить технологический объект управления (объект автоматизации [7]) и формализовать технологический процесс, реализуемый на данном объекте, соответственно здесь могут быть применены принципы и подходы автоматизации управления технологическим процессом.

Таким образом, программа исследований может быть интерпретирована набором регламентов, характеризующих режимы технологического процесса, реализованного на экспериментальной установке [8, 9].

В связи с этим, в качестве методик проведения экспериментальных исследований может выступать методика выполнения измерений параметров технологического процесса: регулируемых, регулирующих, контролируемых и прочих режимных параметров.

Для получения объективных результатов экспериментальных исследований требуется проведение серии испытаний, исключающих ошибки лабораторного персонала, погрешность измерений, отказы оборудования. Соответственно, одной из задач проведения эксперимента становится обеспечение автоматизации измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Важнейшим элементом результативности эксперимента является подтверждение исходных научных гипотез. Экспериментальные исследования требуют значительных расчетных обоснований и проведения серии экспериментов. Вместе с тем, при формализации объекта управления, разработки программы исследований, отдельных регламентов, методов и подходов становится возможным выделить объект автоматизации и формализовать технологический процесс, реализуемый на данном объекте. Всё это позволяет применить принципы и подходы автоматизации управления технологическими процессами в задачах научных исследований. В целом, автоматизация научных исследований, возможность многократного подтверждения результатов, позволяет обеспечить задачу серийности испытаний. Регистрация полученных результатов в качестве протоколов экспериментов и их последующий анализ позволяют совершенствовать технологию проведения эксперимента, как режимов работы технологического оборудования и реализуемого технологического процесса.