Читать статью 'Расчет термодинамических функций для имитационной модели колонного струйно-эмульсионного реактора' в журнале Кибернетика и программирование на сайте nbpublish.com
Рус Eng За 365 дней одобрено статей: 1686,   статей на доработке: 340 отклонено статей: 368 
Библиотека

Вернуться к содержанию

Кибернетика и программирование
Правильная ссылка на статью:

Расчет термодинамических функций для имитационной модели колонного струйно-эмульсионного реактора

Сеченов Павел Александрович

кандидат технических наук

доцент, кафедра прикладных информационных технологий и программирования, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный индустриальный университет»

654007, Россия, Кемеровская область, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Sechenov Pavel

PhD in Technical Science

Docent, the department of Applied Information Technologies and Programming, Siberian State Industrial University

654007, Russia, Kemerovskaya oblast', g. Novokuznetsk, ul. Kirova, 42

pavesa89@mail.ru
Другие публикации этого автора
 

 
Рыбенко Инна Анатольевна

доктор технических наук

доцент, заведующий кафедрой прикладных информационных технологий и программирования, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный индустриальный университет»

654007, Россия, Кемеровская область, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42, каб. 502а

Rybenko Inna

Doctor of Technical Science

Docent, the department of Applied Information Technologies and Programming, Siberian State Industrial University

654007, Russia, Kemerovskaya oblast', g. Novokuznetsk, ul. Kirova, 42, kab. 502a

rybenkoi@mail.ru
Цымбал Валентин Павлович

доктор технических наук

профессор, кафедра прикладных информационных технологий и программирования, Сибирский государственный индустриальный университет

654007, Россия, Кемеровская область, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42, каб. 506а

Tsymbal Valentin

Doctor of Technical Science

Professor, the department of Applied Information Technologies and Programming, Siberian State Industrial University

654007, Russia, Kemerovskaya oblast', g. Novokuznetsk, ul. Kirova, 42

tsymbal33@mail.ru
Другие публикации этого автора
 

 

DOI:

10.25136/2644-5522.2020.2.34102

Дата направления статьи в редакцию:

14-10-2020


Дата публикации:

14-06-2021


Аннотация: Ранее в имитационной модели колонного струйно-эмульсионного реактора делалось предположение, что температура по высоте реактора и с течением времени не меняется, а находится в установившемся состоянии. Для учета изменения температуры в реакторе, необходимо знать количество тепла, требуемого на прогрев частиц, поглощаемого или выделяемого в ходе химических реакций, а также знать скорость теплопередачи в пространстве. Возможность расчета этих параметров для каждой витающей частицы в режиме онлайн ограничена быстродействием ЭВМ. Для ускорения расчетов принято решение создать базу данных этих параметров для всех веществ, участвующих в реакциях. При этом энтальпии и энтропии выражались через удельную теплоёмкость, для расчета которой использовался полином пятой степени. Значения коэффициентов полинома и фазовые переходы брались из справочников. Приведён алгоритм в виде блок-схемы для расчета удельной энтальпии частицы. С использованием разработанного алгоритма создана программа, позволяющая рассчитывать термодинамические функции. Взаимодействие между классами показаны на UML диаграмме классов. Приведены расчеты удельной энтальпии и энтропии для веществ на интервале температур 298-1850 К. Отклонения в значениях энтальпии и энтропии при температуре 1700 К по сравнению со справочными не превышают 1,2 %.


Ключевые слова: удельная теплоемкость, энтальпия, энтропия, термодинамические функции, колонный реактор, имитационная модель, температура, нагрев, программа, UML

Abstract: The simulation model of the column string-emulsion reactor previously suggested that the temperature does not change on the height of reactor and over time is consistent. The assessment of temperature changes in the reactor requires the knowledge on the amount of heat necessary to heat up the particles, absorbed or emitted in the course of chemical reactions, as well as the speed of heat transmission in space. The possibility of calculating these parameters for each floating particle in online regime is limited by the operating speed of the computer system. For accelerating the calculations, the author creates the database of these parameters for all substances involved in the reactions. In these circumstances, enthalpies and entropies were expressed in through the specific thermal capacity calculated based on the fifth degree polynomial. The coefficient values of the polynomial and phase transitions were taken from the reference books. The article provides an algorithm in form of the logic diagram for calculating the specific enthalpy of the particle. Based on the developed algorithm, the author creates the software that allows calculating thermodynamic functions. The interaction between the classes are demonstrated in the UML class diagram. The research presents the calculations of specific enthalpy and entropy for substances in the interval of temperatures of 298-1850 K. Variations of the values of enthalpy and entropy at the temperature of 1700 K compared to the reference values do not exceed 1.2 %.



Keywords:

simulation model, column reactor, thermodynamic functions, entropy, enthalpy, specific heat, temperature, heat, program, UML

Ранее [1, 2] была рассмотрена имитационная модель колонного струйно-эмульсионного реактора. Ядром этой модели было описание процесса витания частиц в потоке несущего газа [3, 4]. Помимо сил, действующих на частицу, учитывались взаимные столкновения частиц (упругие и неупругие) и механизмы преобразования веществ (плавление железной руды, «наматывание» шлака на газ, выгорание частиц углерода и др.). Физико-химические процессы, в том числе и плавление частицы, рассматривались в предположении, что температура в колонном реакторе постоянна. Для учета изменения температуры в реакторе, необходимо знать количество тепла, требуемого на прогрев частиц, поглощаемого или выделяемого в ходе химических реакций, а также знать скорость теплопередачи в пространстве. Возможность расчета этих параметров для каждой витающей частицы в режиме онлайн ограничена быстродействием ЭВМ. Расчеты термодинамических функций в среде Excel представлены в работах [5, 6]. Для реализации расчетов создана база данных по термодинамическим параметрам веществ, участвующих в реакциях при протекании физико-химических процессов в колонном струйно-эмульсионном реакторе. Помимо энтальпии нагрева также определяется энтропия веществ (а на её основе и энтропия химических реакций). Сравнение суммарных энтропий по колонному реактору при различных вариантах подачи входных веществ, их составов и режиме функционирования агрегата позволит выявить наиболее экономичный вариант, который будет соответствовать минимальной суммарной энтропии реактора.

Расчет удельной энтальпии в частицах позволит определить количество теплоты, требуемое для нагрева частицы по следующей формуле:

eqn001_03, (1)

где ∆H – изменение энтальпии, Дж/моль;

cp – удельная теплоёмкость при постоянном давлении, Дж/(кг∙К);

Т 0 и Т – начальная и конечная температура, К.

Если на интервале температур от Т 0 до Т для конкретного вещества встречаются фазовые переходы, то формула преобразуется:

eqn002_01. (2)

В свою очередь удельная теплоёмкость рассчитывается по следующей формуле:

eqn003, (3)

где c 0, c -2, c1 , c2 , c 3 – коэффициенты для расчета удельной теплоёмкости, взятые из справочника Глушко В.П. в четырех томах [7, 8], а также не изданные, но опубликованные на сайте [9] тома 5 и 6.

x – приведенная температура, К; вычисляемая по формуле:

eqn004 .

Интегрируя выражение (1) относительной температуры с учетом уравнения (3) получаем энтальпию при заданной температуре:

eqn005. (4)

Тогда энтальпия нагрева от начальной температуры – x j до конечной температуры – x i выражается уравнением:

eqn006 (5)

При этом в качестве x i берётся функция конечной температуры, а в качестве x j – начальной температуры. Формула (5) справедлива, если на интервале температур от x j до x i нет фазового перехода. Данные о наличие фазового перехода для различных веществ берутся из справочников [7, 8]. При наличии фазового перехода к формуле (5) добавляется энтальпия фазового перехода – H ф.п.:

eqn060(6)

Т.к. частицы, находящиеся в колонном реакторе, состоят из разных веществ, то энтальпия, требуемая для нагрева частицы, будет рассчитываться по формуле:

eqn008_02, (7)

где Hi (T ) – удельная энтальпия i -го вещества в частице, Дж/моль;

χ i – массовая доля i -го вещества в частице, %.

Расчет удельной энтропии в интегральном виде будет:

eqn009, (8)

где ∆S – изменение энтропии, Дж/моль.

Энтропия при заданной температуре:

eqn010. (9)

Аналогично формуле (5) рассчитывается энтропия нагрева:

eqn011. (10)

Ниже приведен алгоритм в виде блок-схемы для расчета удельной энтальпии частицы (рисунок 1), энтропия рассчитывается аналогичным образом, но на шаге 3 вместо формулы 6 используется формула 10.

1

Рисунок 1 – Алгоритм расчета удельной энтальпии

С использованием разработанного алгоритма с учетом данных [10], создана программа, позволяющая рассчитывать удельную теплоемкость, энтальпию и энтропию как функций температуры. В программе созданы классы: основной и классы для каждого вещества. На рисунке 2 показана UML [11, 12] диаграмма классов. Расчеты удельной теплоемкости, энтропии и энтальпии находятся в основном классе. Для каждого вещества создан класс с одноимённым названием, в котором находятся массивы коэффициентов удельной теплоёмкости, коэффициентов энтальпии и энтропии, заимствованных из справочника Глушко В.П. [7, 8].

uml___02

Рисунок 2 – UML диаграмма классов программы

Интерфейс программы представлен на рисунке 3. В программе есть возможность выбора:

– количества компонентов для расчета (если задается два и более компонента, то нужно также указать массовые доли веществ);

– расчет возможен: при заданной температуре; на интервале температур от 293 К до заданной с шагом 1 градус.

Программа рассчитывает: удельную теплоёмкость [13], энтальпию, энтропию, как на моль, так и на килограмм.

6_02 Рисунок 3 – Интерфейс программы для расчета удельной теплоёмкости, энтальпии, энтропии

Результаты расчета термодинамических функций на примере Fe, FeO, Mn, Si приведены на рисунках 4 - 6.

Рисунок 4 – Удельная теплоемкость веществ в интервале температур 298-1850 К

Рисунок 5 – Энтальпия веществ в интервале температур 298-1850 К

Рисунок 6 – Энтропия веществ в интервале температур 298-1850 К

С использованием разработанной программы были проведены расчёты энтальпии и энтропии для группы веществ, которые имеют место при реализации металлургического процесса в колонном струйно-эмульсионном реакторе. Сравнительный анализ расчётных и литературных данных из справочников [7, 8, 9] при температуре 1700 К показал, что отклонение по термодинамическим функциям не превышает 1,2 %.

Полученные результаты будут использованы в программе [14], реализующей имитационную модель колонного струйно-эмульсионного реактора [1].

Библиография
1.
Цымбал В.П., Павлов В.В., Сеченов П.А., Оленников А.А. Имитационное моделирование взаимодействия дисперсных частиц в агрегате СЭР и гравитационная сепарация // Черные металлы. – 2016. № 6 (1014). – С. 54-60.
2.
Сеченов П.А. Алгоритм и программная реализация имитационной модели гравитационного сепаратора колонного струйно-эмульсионного реактора // Программные продукты и системы. 2015. № 3. – С. 214-219.
3.
Сеченов П.А., Цымбал В.П., Оленников А.А. Имитационная модель разделения составляющих пыли марганцевого производства // Кибернетика и программирование. 2016. № 2. – С. 34-41.
4.
Сеченов П.А., Цымбал В.П. Имитационное моделирование гравитационного сепаратора в колонном струйно-эмульсионном реакторе // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 4. С. 278-283.
5.
Рыбенко И. А. Инструментальная система «Инжиниринг-Металлургия» для широкого круга оптимизационных задач / «Металлургия: технологии, инновации, качество: тр. XX междунар. науч.-практ. конф. : в 2 ч. Ч. 1 / Сиб. гос. индустр. ун-т ; под ред. Е. В. Протопопова. – Новокузнецк, 2017. – С. 75 – 82.
6.
Рыбенко И.А., Мочалов С.П. Разработка средствами Excel системы расчета металлургических процессов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2005. № 2. – С. 55-58.
7.
Глушко, В.П. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание: В 4-х т. / Л.В. Гурвич, И.В. Вейц, В.А. Медведев и др. – Т. I. Кн. 1. – М.: Наука, 1978. – 496 С.
8.
Глушко, В.П. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание: В 4-х т. / Л.В. Гурвич, И.В. Вейц, В.А. Медведев и др. – Т. I. Кн. 2. – М.: Наука, 1978. – 328 С.
9.
Термодинамические свойства индивидуальных веществ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.chem.msu.su/Zn/welcome.html – (13.10.2020).
10.
Трусов Б. Г. Программная система ТЕРРА для моделирования фазовых и химических равновесий при высоких температурах // III межд. симпозиум «Горение и плазмохимия». 24 – 26 августа 2005. Алматы, Казахстан. – Алматы : Казак университетi, 2005. – С. 52 – 57.
11.
Гогичаишвили Г., Сургуладзе Г. Разработка прикладного программного обеспечения интегрированных информационных систем управления на основе UML // Computer Sciences and Telecommunications. 2002. № 1 (1). С. 42-48.
12.
Дубаков С.А., Силич В.А. Использование набора диаграмм uml для построения моделей производительности // Известия Томского политехнического университета. 2005. Т. 308. № 3. – С. 154-158.
13.
Никифорова Г.Е., Тюрин А.В., Рюмин М.А., Брюханова К.И., Хорошилов А.В., Гавричев К.С. Теплоемкость и термодинамические функции ортониобата диспрозия в интервале 2–1300 K // Журнал неорганической химии. 2020. Т. 65. № 5. – С. 643-650.
14.
Сеченов П.А. Имитационная модель гравитационного сепаратора в колонном струйно-эмульсионном реакторе // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2016613685, 04.04.2016. Заявка № 2016611051 от 11.02.2016
References (transliterated)
1.
Tsymbal V.P., Pavlov V.V., Sechenov P.A., Olennikov A.A. Imitatsionnoe modelirovanie vzaimodeistviya dispersnykh chastits v agregate SER i gravitatsionnaya separatsiya // Chernye metally. – 2016. № 6 (1014). – S. 54-60.
2.
Sechenov P.A. Algoritm i programmnaya realizatsiya imitatsionnoi modeli gravitatsionnogo separatora kolonnogo struino-emul'sionnogo reaktora // Programmnye produkty i sistemy. 2015. № 3. – S. 214-219.
3.
Sechenov P.A., Tsymbal V.P., Olennikov A.A. Imitatsionnaya model' razdeleniya sostavlyayushchikh pyli margantsevogo proizvodstva // Kibernetika i programmirovanie. 2016. № 2. – S. 34-41.
4.
Sechenov P.A., Tsymbal V.P. Imitatsionnoe modelirovanie gravitatsionnogo separatora v kolonnom struino-emul'sionnom reaktore // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Chernaya metallurgiya. 2016. T. 59. № 4. S. 278-283.
5.
Rybenko I. A. Instrumental'naya sistema «Inzhiniring-Metallurgiya» dlya shirokogo kruga optimizatsionnykh zadach / «Metallurgiya: tekhnologii, innovatsii, kachestvo: tr. XX mezhdunar. nauch.-prakt. konf. : v 2 ch. Ch. 1 / Sib. gos. industr. un-t ; pod red. E. V. Protopopova. – Novokuznetsk, 2017. – S. 75 – 82.
6.
Rybenko I.A., Mochalov S.P. Razrabotka sredstvami Excel sistemy rascheta metallurgicheskikh protsessov // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Chernaya metallurgiya. 2005. № 2. – S. 55-58.
7.
Glushko, V.P. Termodinamicheskie svoistva individual'nykh veshchestv. Spravochnoe izdanie: V 4-kh t. / L.V. Gurvich, I.V. Veits, V.A. Medvedev i dr. – T. I. Kn. 1. – M.: Nauka, 1978. – 496 S.
8.
Glushko, V.P. Termodinamicheskie svoistva individual'nykh veshchestv. Spravochnoe izdanie: V 4-kh t. / L.V. Gurvich, I.V. Veits, V.A. Medvedev i dr. – T. I. Kn. 2. – M.: Nauka, 1978. – 328 S.
9.
Termodinamicheskie svoistva individual'nykh veshchestv [Elektronnyi resurs]. – Rezhim dostupa: http://www.chem.msu.su/Zn/welcome.html – (13.10.2020).
10.
Trusov B. G. Programmnaya sistema TERRA dlya modelirovaniya fazovykh i khimicheskikh ravnovesii pri vysokikh temperaturakh // III mezhd. simpozium «Gorenie i plazmokhimiya». 24 – 26 avgusta 2005. Almaty, Kazakhstan. – Almaty : Kazak universiteti, 2005. – S. 52 – 57.
11.
Gogichaishvili G., Surguladze G. Razrabotka prikladnogo programmnogo obespecheniya integrirovannykh informatsionnykh sistem upravleniya na osnove UML // Computer Sciences and Telecommunications. 2002. № 1 (1). S. 42-48.
12.
Dubakov S.A., Silich V.A. Ispol'zovanie nabora diagramm uml dlya postroeniya modelei proizvoditel'nosti // Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. 2005. T. 308. № 3. – S. 154-158.
13.
Nikiforova G.E., Tyurin A.V., Ryumin M.A., Bryukhanova K.I., Khoroshilov A.V., Gavrichev K.S. Teploemkost' i termodinamicheskie funktsii ortoniobata disproziya v intervale 2–1300 K // Zhurnal neorganicheskoi khimii. 2020. T. 65. № 5. – S. 643-650.
14.
Sechenov P.A. Imitatsionnaya model' gravitatsionnogo separatora v kolonnom struino-emul'sionnom reaktore // Svidetel'stvo o registratsii programmy dlya EVM RU 2016613685, 04.04.2016. Zayavka № 2016611051 ot 11.02.2016

Результаты процедуры рецензирования статьи

В связи с политикой двойного слепого рецензирования личность рецензента не раскрывается.
Со списком рецензентов издательства можно ознакомиться здесь.

Рецензируемая статья посвящена расчету термодинамических функций (удельной теплоемкости, энтропии, энтальпии) для взаимодействия веществ и газов, образующихся в ходе химических реакций. Автор уделяет большое внимание теоретическим зависимостям, используемым для расчета термодинамических характеристик, в т.ч. при наличии фазовых переходов. Отмечается необходимость учета отличия свойств различных веществ. Достоинством работы является создание независимого средства для расчета термодинамических характеристик, содержащее основные расчетные формулы и справочные данные.
Актуальность исследований не сформулирована отдельно, но Автор отмечает необходимость поиска наиболее экономичного варианта подачи входных веществ.
Научную новизну работы оценить затруднительно, т.к. в статье формулировка не приводятся, а обоснование алгоритма и его программная реализация базируются на использовании известных физических зависимостей.
Стиль изложения соответствует требованиям к научной публикации.
Структура не соответствует требованиям к научным публикациям. Необходимо выделить основные разделы (анализ публикаций в предметной области, постановка задачи, теоретические обоснования, собственное исследование, анализ и оценка результатов, выводы).
Содержание статьи в целом соответствует сформулированному названию. В статье приводятся зависимости для расчета термодинамических функций, результаты расчетов, однако практическая их использование (диапазон решаемых задач) не упоминается.
Библиография достаточна, содержит 14 позиций в отечественных исключительно в источниках, что связано со спецификой предметной области.
Замечания.
Отсутствует введение. Необходимо выделить раздел, содержащий анализ проблем в предметной области по опубликованным работам разных авторах. Представленный обзор сделан по публикациям одно авторского коллектива, что не дает объективной картины.
Не сформулирована область применения решаемой задачи, насколько актуально решение поставленной проблемы, область применения и какие характеристики.
Структуру статьи необходимо дополнить необходимыми разделами (введение, анализ работ других авторов, выводы). Статья производит впечатление части работы, обоснование которой приведено в другой публикации (ссылки).
Не вполне ясен выбор коэффициентов удельной теплоемкости, необходимо привести обоснование.
Необходимо проверить написание слагаемых в выражении (4).
Приведенная блок-схема (рис.1) является стандартной для решения физических задач, необходимо подчеркнуть внесенный Автором вклад.
Описание выполненной автором программной реализации необходимо дополнить указанием средств (языка программирования или программного пакета), требований к данным, ограничений, особенностям вывода результатов. Из приведенных данных (рис. 3) можно предположить, что реализация заключается в программировании формул и получении расчетных значений, что соответствует возможностям решения задачи в Excel (ссылка по тексту на работы других авторов). Необходимо подчеркнуть отличие расчетов в рецензируемой статье от аналогов.
Приведенные графические зависимости представляют интерес с точки зрения сравнения поведения разных веществ, однако Автор не приводит обоснование их выбора. В статье отсутствует анализ полученных зависимостей, однако их объяснение представляется важным этапом работы. Необходимо дополнить статью анализом результатов и их количественной оценкой (отмечена погрешность, однако не ясно как она получена). Если подобные расчеты проводились ранее и опубликованы в 1978г, требуется отметить в чем новизна работы Автора.
В статье отсутствуют выводы. Необходимо сформулировать основные результаты, достигнутые в ходе выполнения работы. В заключительном абзаце Автор отмечает, что результаты будут использованы в программе ЭВМ, однако по указанной ссылке приводится источник 2016г. Необходимо уточнить с чем связано такое несоответствие.
Поднятая проблема представляет интерес для узкого круга специалистов, однако реализация решения может быть полезна специалистам в различных предметных областях. После существенной доработки (готовность не более 50%) статья рекомендована к публикации в журнале «Кибернетика и программирование».
Замечания редактора от 10.06.2021: " Автор доработал статью. Ее можно публиковать".