WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

АФАНАСОВ ВЛАДИМИР ХРИСТОФОРОВИЧ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ СЕКЦИОНИРОВАННОГО БИОРЕАКТОРА ПЕРИОДИЧЕСКОГО АЭРОБНОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

по специальности 05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ Иваново 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пятигорский государственный технологический университет».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Першин Иван Митрофанович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Жуков Владимир Павлович кандидат технических наук, доцент Лихачев Алексей Кириллович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет»

Защита состоится « 18 » декабря 2009 г. в 1100 часов на заседании диссертационного совета Д 212.064.03 при ИГЭУ по адресу: 153003, г. Иваново, ул.

Рабфаковская 34, аудитория Б-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГЭУ, с авторефератом можно ознакомиться на сайте ИГЭУ www.ispu.ru Автореферат разослан « » 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Шульпин А.А.

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационного исследования. Биотехнологии играют все возрастающую роль во многих отраслях народного хозяйства и, в первую очередь, в пищевой промышленности. Большинство биотехнологических процессов идет при температуре, превышающей температуру окружающей среды, то есть осуществляется в разного рода биореакторах с подводом теплоты. Спецификой большинства биохимических процессов является то, что они эффективно протекают в весьма узком интервале температур. Кроме того, на определенной из стадии процесса начинаются эндо- и экзотермические реакции, возмущающие стационарный тепловой режим в секциях биореактора.

Типичным примером секционированного биореактора периодического аэробного культивирования является инкубатор, в котором яйца должны выдерживаться длительное время при постоянной температуре (точнее, в узком допустимом интервале температур, например, 36,8...38,3 оС для куриных яиц) и где на определенной стадии происходят экзотермические процессы.

При небольшом числе секций (в том числе, в естественных условиях) выравнивание температуры по секциям и ее стабилизация во времени не представляет особого труда. Однако такой режим соответствует низкой производительности аппарата. Значительное увеличение его объема с целью повышения единичной производительности приводит к температурным неоднородностям, и часть секций может оказаться в неприемлемых температурных условиях.

Компенсация этих перекосов требует секционирования внешних источников теплоты и их работы в индивидуальных режимах. Очевидно, что усложнение процесса приводит к тому, что система приобретает все большее число степеней свободы, и эмпирический подбор рациональных параметров ее функционирования становится крайне затруднительным. Поэтому важное значение здесь имеют математические модели тепловых процессов в подобных аппаратах, позволяющие если и не прогнозировать точно базовый режим, то хотя бы достоверно оценивать поведение системы при отклонениях от него.

Отсутствие таких моделей и определило цель настоящей работы, которая выполнялась в рамках ФЦП «Интеграция» и планов НИР Пятигорского государственного технологического университета.

Объект исследования – тепловые процессы в секционированном биореакторе с нагревательными элементами и вентилирующим газом.

Предмет исследования – Температурное поле секционированного биореактора и подходы к его стабилизации по пространству и во времени.

Цель исследования – исследование теплового состояния в секциях секционированного биореактора периодического аэробного культивирования (например, инкубатора) и способов влияния на пространственную и временную неравномерность этого состояния на основе ячеечных математических моделей.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи диссертационного исследования:

1. Разработать математическую модель процессов тепломассообмена в секционированном биореакторе 2. Разработать методику построения программ регулирования теплового состояния в секциях биореактора.

3. На основе разработанных математических моделей тепломассообменных процессов создать инженерный метод расчета нестационарного и установившегося теплового состояния секционированного биореактора периодического аэробного культивирования и построения программ регулирования теплового состояния в секциях при возникновении в них нестационарных тепловых возмущений Методы исследования.

Математическое моделирование процессов тепломассообмена и аэродинамики, вычислительный эксперимент.

Научная новизна.

1. Разработана ячеечная математическая модель прогрева секций секционированного биореактора периодического аэробного культивирования с учетом теплопередачи между секциями, неравномерности распределения температуры секций нагревательных элементов и параметров потока вентилирующего газа.

2. В численных экспериментах выявлены рациональные распределения температуры секций нагревательных элементов и параметры потока газа, обеспечивающие равномерное распределение температуры по секциям с заданной точностью.

3. Разработанная модель обобщена на случай тепловых возмущений в секциях, вызванных экзотермическими биохимическими реакциями, протекающими в случайные моменты времени.

4. Предложена математическая модель регулирования процесса стабилизации температурного поля объекта путем отключения нагревательных элементов и изменения расхода газа для поддержания температуры в секциях в заданном допустимом интервале.

Практическая ценность.

1. Разработан инженерный метод расчета нестационарного и установившегося теплового состояния секционированного биореактора периодического аэробного культивирования и его компьютерная реализация.

2. Предложена методика расчета рациональных программ регулирования теплового состояния в секциях биореактора при возникновении в них нестационарных тепловых возмущений.

3. Разработанный метод расчета и его программно-алгоритмическое обеспечение используется в практике проектирования и модернизации инкубаторного оборудования в ЗАО «Пятигорсксельмаш».

Реализация результатов работы.

Практические рекомендации по стабилизации теплового состояния в инкубаторе нашли применение в ЗАО «Пятигорсксельмаш».

Апробация результатов работы.

Основные положения диссертации были заслушаны и одобрены на следующих международных конференциях: «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-22», Псков, 2009, 14-ой МНТК студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ, 2009, XV МНК «Информационная среда вуза», Иваново, 2008, XV МНК «Состояние и перспективы развития электротехнологий», Иваново, 2009.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе, 2 работы в изданиях, предусмотренных перечнем ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация представлена на 136 стр. и состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка использованных источников (94 наименования) и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, охарактеризована научная новизна и практическая ценность полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе на основе литературных источников исследовано современное состояние проблемы моделирования теплового режима в секционированных биореакторах периодического аэробного культивирования - инкубаторах как весьма представительных объектах всего класса биореакторов. Выполнен обзор и сравнительный анализ аэродинамических и тепловых схем отечественных инкубаторов и проанализированы типовые требования к температурному режиму в них.

Выделяя из весьма сложного биохимического процесса только тепловую задачу, можно сформулировать ее следующим образом. На плоскости регулярным образом расположены обрабатываемые объекты, размещенные в отдельных ячейках, между которыми возможна теплопередача. Над объектами расположены нагревательные элементы, перекрывающие часть из них и в общем случае имеющие разную температуру. Между нагревательными элементами и обрабатываемыми объектами организован поток вентилирующего газа, в общем случае имеющий неравномерное распределение скоростей. Требуется обеспечить температуру всех обрабатываемых объектов в достаточно узком интервале допустимых значений в течение длительного времени, несмотря на действующие в системе внешние и внутренние тепловые возмущения, причем наиболее существенным из внутренних возмущений является тепловыделение биохимической реакции, начинающейся на определенной стадии обработки объектов.

Строгое решение задачи на основе фундаментальных уравнений гидродинамики и теплопереноса (например, с использованием коммерческих программ типа FLUENT) не является возможным (или, по крайней мере - эффективным) инструментом моделирования процесса. Представляется разумным введение упрощений с самого начала моделирования. В частности, предположение о возможности пренебречь неравномерностью температуры внутри обрабатываемых объектов позволяет представить каждый объект как конечную ячейку с одинаковой во всех точках температурой, и именно на этом уровне декомпозиции системы ставить и решать описанную выше технологическую задачу. Ячеечные модели и связанный с ними математический аппарат теории цепей Маркова являются эффективным инструментом моделирования процессов переноса и важной составной частью системного подхода к моделированию. Основные положения системного подхода применительно к механическим и тепломассообменным процессам развиты и систематизированы в работах В.В. Кафарова и его школы. Идея подхода состоит в том, что из процесса выделяется элементарная подсистема (ячейка), свойства которой могут быть описаны на основе базовых уравнений переноса в их исходной, часто простейшей форме. Основная задача моделирования состоит в описании потоков между ячейками, заполняющими весь рабочий объем процесса. Для этого наиболее эффективным оказывается применение аппарата теории цепей Маркова, описывающего эволюцию дискретных случайных состояний некоторой системы, у которой будущее состояние определяется только настоящим состоянием и не зависит от прошлого. Несмотря на то, что эта теория использовалась для описания теплофизических процессов многими авторами, новый всплеск интереса к ней вызван появлением эффективных средств компьютерной поддержки операций с матрицами (например, MATLAB). В значительной степени этот интерес инспирирован появлением монографии А. Тамира, а также работ международной исследовательской группы под руководством А. Бертье и В.Е. Мизонова, первоначально ориентированных на моделирование механических процессов в дисперсных средах, а затем получивших развитие в направлении тепловых и массообменных процессов. Именно эта стратегия моделирования была положена в основу нашей работы.

В заключение главы приведены детализированные задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке ячеечной математической модели процесса. Ее построение начато с одномерной расчетной схемы, представленной на рис.1. Теплота от источника передается к вентилирующему воздуху и нагревает его, то есть повышает его температуру. Этому соответствует тепловой поток Qcsg, природой которого в основном является вынужденная конвекция. Также путем вынужденной конвекции теплота от нагревшегося газа передается к нагреваемым телам (тепловой поток Qcgb). Кроме того, теплота от источника может непосредственно передаваться к обрабатываемым телам путем радиационного теплообмена (тепловой поток Qrsb). В продольном направлении теплота переносится в воздушном зазоре вместе с массой протекающего в нем вентилирующего воздуха, а между неравномерно нагретыми ячейками секционированного объема путем теплопередачи, преодолевая термическое сопротивление перегородок между ячейками. Кроме того, на определенной стадии термообработки тел в них могут возникать экзотермические биохимические реакции, приводящие к появлению в телах внутренних источников теплоты.

Рассматриваемая система представляет собой совокупность элементарных подсистем – ячеек, внутри которых в каждый момент времени все термодинамические параметры считаются равномерно распределенными по объему ячеек. Общая длина процесса L разбита на отрезки x, которые и формируют упомянутые ячейки.Считается, что длина отрезка x совпадает с длиной секции контейнера, то есть процесс разбивается на m=L/x ячеек. В результате получаются две параллельные цепи ячеек: одну для газа, между ячейками которой возможен перенос и массы и теплоты, и одну для обрабатываемых тел, вдоль которой возможен только перенос теплоты. Кроме того, сходственные ячейки обеих цепей могут обмениваться теплотой друг с другом и с источниками теплоты, то есть каждая из цепей является источником (стоком) теплоты для другой.

а) Источники теплоты Тs1 ТsQrsb Qcsg газ газ Qcgb Q1, t1, Q2, t2, Qj, tj, Qm, tm, V1, qV2, q2 Vj, qj Vm, qm Qbb х Обрабатываемые тела Контейнер L tsj б) tgj 1 2 … j m … tbj 1 2 … j m … - перенос теплоты - перенос массы Рис.1. Расчетная схема процесса (а) и его ячеечное представление (б).

Состояние системы рассматривается через малые дискретные промежутки времени. Тогда текущие моменты наблюдения состояния системы могут быть записаны как k =(k-1), где k=1, 2, 3, … - номер временного перехода или целочисленный аналог текущего времени. Таким образом, все переменные процесса становятся целочисленными: пространственная координата характеризуется номером ячейки j=1, 2, 3, …, m, время – номером перехода k=1, 2, … Состояние цепи в некоторый момент времени описывается векторомстолбцом состояния размером 1xm. Например, распределение температуры газа по ячейкам в k-й момент выглядит как k tgtk k gtg =. (1)...

k tgm Аналогично записывается распределение по ячейкам цепей всех других параметров процесса.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»