CC BY
5
2. Gray, J. The Transaction Concept: Virtues and Limitations [Text] / J. Gray // Proceedings of the 7th International Conference on Very Large Databases. - 1981. - P. 144-154.
3. Brewer, E. CAP twelve years later: How the "rules" have changed [Text] / Computer. - 2012. - Vol. 45, Issue 2. - P. 2329. doi: 10.1109/mc.2012.37
4. Gilbert, S. Brewer's conjecture and the feasibility of consistent, available, partition-tolerant web services [Text] / S. Gilbert, N. Lynch // ACM SIGACT News. - 2002. - Vol. 33, Issue 2. - P. 51-59. doi: 10.1145/564585.564601
5. Birman, K. Overcoming CAP with Consistent Soft-State Replication [Text] / K. Birman, D. Freedman, Q. Huang, P. Dowell // Computer. - 2012. - Vol. 45, Issue 2. - P. 50-58. doi: 10.1109/mc.2011.387
6. Gilbert, S. Perspectives on the CAP Theorem [Text] / S. Gilbert, N. Lynch // Computer. - 2012. - Vol. 45, Issue 2. -P. 30-36. doi: 10.1109/mc.2011.389
7. Pritchett, D. BASE: an ACID alternative [Text] / D. Pritchett // Queue. - 2008. - Vol. 6, Issue 3. - P. 48-55. doi: 10.1145/1394127.1394128
8. Bailis, P. Eventual consistency today [Text] / P. Bailis, A. Ghodsi // Communications of the ACM. - 2013. - Vol. 56, Issue 5. - P. 55-63. doi: 10.1145/2447976.2447992
9. Gupta, M. K. In-Memory Database Systems - A Paradigm Shift [Text] / M. K. Gupta, V. Verma, M. S. Verma // International Journal of Engineering Trends and Technology. - 2013. - P. 333-336.
10. Шапоренков, Д. А. Эффективные методы индексирования данных и выполнения запросов в системах управления базами данных в основной памяти [Tекст]: дис. канд. физ.-мат. наук / Д. А. Шапоренков. - СПб., 2006. - 126 с.
Рекомендовано до публгкацИ д-р техн. наук Бузовський О. В.
Дата надходженнярукопису 20.06.2017
Добровольський Олександр Юршович, кафедра обчислювально! техшки, Нацюнальний техшчний
ушверситет Укра!ни «Ки!вський полггехтчний шститут iм. 1горя Окорського», пр. Перемоги, 37,
м. Ки!в, Укра!на, 03056
E-mail: dobrunya777@gmail.com
УДК 536.62
Б01: 10.15587/2313-8416.2017.108935
АНАЛ1З АПРОКСИМАЦП РЕЗУЛЬТАТ1В ВИМ1РЮВАННЬ ТЕПЛОВОГО ПОТОКУ БОМБОВОГО КАЛОРИМЕТРА В НЕСТАЦ1ОНАРНОМУ РЕЖИМ1
© В. П. Бабак, А. О. Запорожець, О. О. Назаренко, О. О. Редько
Дослiджено принцип функцюнування бомбового калориметра та методи визначення теплоти згорання полива. Проведет експериментальш до^дження по визначенню теплоти згорання дерев 'яних пелетiв. На основi проведених до^джень показам потенцiальнi зони скорочення часу встановлення показiв ре-зультатiв вимiрювання бомбового калориметра. Запропоновано метод скорочення часу вимiрювання теплоти згорання палива та проаналгзоваш його iмовiрнiснi характеристики
Ключовi слова: бомбовий калориметр, теплота згорання палива, iнтерполяцiйнi функцИ, коефщент детермiнацii
1. Вступ
Забезпечення енергоефективносп та енергозбе-реження е одним 1з прюритетних напрям1в розвитку сучасного шовацшно-технолопчного суспшьства. На щдприемствах р1зних сфер промисловосп для контролю енергетично! ефективносп багатьох техшчних за-собiв та оцшки теплотворно! здатносп палив в обов'язковому порядку використовуються калоримет-ричш установки. Тому виршення проблем метролоп-чного забезпечення вишрювань, що характеризують теплотворну здатшсть енергетичних ресурав, е одним iз стратепчних завдань розвитку промисловосп, зок-рема паливно-енергетичного сектору. Перехвд на но-вий техшко-економ1чний р1вень облшу транспорту-вання та постачання енергоресурав за енергетичними показниками вимагае виршення комплексу важливих науково-техшчних проблем, орiентованих на вдоско-налення взаемопов'язаних еталон1в, оснащення п1дп-риемств нов1тн1ми приладами та методами облшу ене-
ргетичних параметр1в та досягнення сучасного р1вня метролопчного забезпечення таких приладiв.
2. Лггературний огляд
До теперiшнього часу на бшьшосп п1дприемств для визначення теплотворно! здатносп р1зних вид1в енергетичних палив в основному використовуеться бомбовий ащабатичний калориметр спалювання В2-08 [1, 2]. Випускаються також 1нш1 марки калориметр1в, наприклад, АБК-1, що е аналогами В2-08. Вони базу-ються на вишрюванш зм1ни температури калоримет-рично! р1дини при спалюванн1 речовини в сосудi («бомбi»), що розм1щуеться в цш р1дин1 [3]. Процес вим1рювання е достатньо довгим (складае близько 3040 хвилин) 1 в його основ1 лежать емп1ричн1 формули алгоритму перетворення зм1ни температури в кшьшсть теплоти. Процес вим1рювання на цих калориметрах проходить в нашвавтоматичному режим1 1 вимагае для роботи квалiфiкованого оператора.
Серед заруб1жних калориметрiв, що викорис-товуються для визначення енергетичних властивос-тей палив, широко вiдомi засоби фiрм: Anter Corporation (США), Gearing Scientific Ltd (Великоб-ританiя), Instrument Specialists Inc. (США), Leco Corporation (США), Linseis Messgeraete GmbH (Шме-ччина), Mettler-Toledo International Inc. (США), MicroCal Incorporated (США), NETZSCH Group (Hi-меччина), Parr Instrument Company (США), PerkinElmer Inc (США), Rigaku Corporation (Японiя), Setaram Instrumentation (Франщя), Shimadzu Corporation (Японiя), TA Instruments (США), Xentaur Corporation (США), БМЦ (Бшорусь) та iншi [4, 5].
Бшьшють марок калориметрiв вiд виробнишв, наведених вище, використовують аналогiчний вичи-зняним метод вимiрювання, але виграють у швидко-дп та степеш автоматизаци, при цьому ïx варпсть значно вища.
Точнiсть вимiрювання як впчизняних, так i за-рубiжниx калориметрiв, залежить вiд швидкостi змь ни температури навколишнього середовища та ввд робочого тiла калориметра [6]. Тому часто на них працюють в спещальних примiщенняx зi стабшьною температурою та вологiстю повiтря [7].
Ддаметричт калориметри вимiрюють тепловий потк, що йде вiд бомби з речовиною, що спалюеться, через чутливий елемент до масивного блоку. При штег-руваннi сигналу, що пропорщйний тепловому та мае iм-пульсний характер, безпосередньо визначаеться кшь-юсть теплоти, що видiлилася при спалюванш палива [8].
В роботах [9, 10] наведет орипнальт ршен-ня, направленi на скорочення часу вимiрювань в дiа-метричних калориметрах. Але через порiвняно висо-кий тепловий отр термобатареï при роботi в максимально можливих дiапазонаx та при частих експери-ментах вщбувався перегрiв вимiрювальноï комiрки, що призводило до зростання похибки.
В робот [11] наведенi балiстичнi методи, що е допомiжними у приладах типу КТС. Вони дозволя-ють скоротити тривалють робочого режиму, але при цьому значно зменшуеться точнiсть визначення енергетичних характеристик палива. Попереднш результат вимiрювання може бути доступний вже через 2-3 хвилини шсля пiдпалу палива, при цьому експериме-нтатор може або зупинити вимiрювання, або продо-вжити його до настання стацiонарного режиму. Про-те данi про точнiсть вимiрювань не наводяться.
3. Мета та задачi дослiдження
Мета дослiдження - скорочення часу визначення теплотворноï здатносп палив (твердих, рiдкиx, газоподiбниx) шляхом iнтерполяцiï даних вимiрю-вань iз забезпеченням мiжнародниx стандартiв.
Для досягнення мети були поставлен наступи
задачi:
- дослiдити принцип функцюнування та ре-жими роботи розробленого квазщиференщального бомбового калориметра КТС-4;
- провести експериментальш дослiдження визначення теплотворно!' здатносп палива;
- розробити метод скорочення часу вимiрю-вання шляхом апроксимацiï отриманих даних;
- оцшити ймовiрнiснi характеристики розробленого методу та описати рекомендацп щодо його впровадження.
4. Методи та засоби дослщження теплотво-рних властивостей палив на баз1 бомбового калориметра
Калориметричний експеримент звичайно роз-дiляють на 3 перiоди:
1) початковий - передуе спалюванню проби та служить для врахування теплообм^ калориметрич-ного сосуду з навколишшм середовищем в умовах початково! температури експерименту;
2) головний - вщбуваеться спалювання проби, вiдведення калориметричною рщиною теплоти, що видiлилася, та вирiвнювання температури в калори-метричному сосудц
3) шнцевий - служить для врахування теплоо-бмiну в умовах кшцево! температури експерименту.
Вимiрювання теплоти Q, що виднеться пiд час спалювання проби палива, можливо декшькома способами. 1нтегральний спосiб е основним, вш за-безпечуе найменшу похибку вимiрювання та найтри-валiший час проведения експерименту. Тривалють вимiрювання визначаеться часом встановлення ста-цiонарного режиму в тепловому блоцг Протягом робочого режиму циктчно проводиться вимiрювання сигналу вiд теплово! оболонки та його подальше ш-тегрування. В дослщжуваному калориметрi один цикл обробки iнформацii складае Atc=1 с. Юлькють циклiв ненормована, та залежить ввд багатьох пара-метрiв. Визначення величини Q iнтегральним способом вщбуваеться за формулою:
Q ='jw (t) • dt = A • (1+X E„) -X (K - K 0) -Ate,
0 <=1
де W(t) - поточне значення теплово! потужностi; A - коефщент перетворення; (1+£En) - множник, що враховуе мультиплшативш поправки; K - вимiряне значення сигналу вiд теплометрично! оболонки, K0 - усереднене значення сигналу вщ теплометрично! оболонки за останш 3 хвилини перед шдпалом палива.
Мультиплiкативнi поправки En враховують як методичнi, так i iнструментальнi похибки. Значення множника A(1+^En) визначаеться експериментально при градуюваннi калориметра та заноситься в пам'ять мжроконтролера. При проведенi повiрок калориметра значення цього множника може бути вщ-коректованим. Кшцеве значення величини Q при ви-мiрюваннi штегральним способом вiдображаеться на диспле! тсля завершення робочого режиму.
Для вимiрювання значення Q використовуеть-ся також балiстичний спосiб, що дозволяе значно скоротити час робочого режиму, проте точнють ви-мiрювання за цим методом значно знижуеться в по-рiвняннi з iнтегральним способом. Тривалють робочого режиму при балютичному способi визначаеться часом tmaz, при якому сигнал вiд теплометрично! оболонки досягае максимального значення Kmaz тсля т-
дпалювання проби палива. Далi вимiрювання Q проводить за допомогою апроксимуючо' полiномiальноi функци:
Q = Т Pj ■ (Кmax - Kо)J ,
J
де коефiцieнти полiнома Pj визначаються експериме-нтально при градуюванш калориметра та заноситься до пам'яп мiкроконтролера. Тривалiсть пвдготовки при балютичному способi iдентична iнтегральному, але результат може бути отриманий вже через 2-3 хвилини шсля пiдпалу палива.
Теплотворну здатнiсть палив в експерименл було дослiджено за допомогою калориметра типу КТС-4, що розроблений у вщдш теплометри, дiагно-стики та опташзацп в енергетицi 1ТТФ НАН Укра'-ни. Прилад КТС-4 е бомбовим анеро'д ним iзоперi-болiчним калориметром теплового потоку. Принцип роботи калориметра базуеться на вимiрюваннi теплового потоку, що формуеться при спалюванш проби палива, та його штегруванш, внаслiдок чого визнача-ють теплоту, що видшяеться при спалюванш палива.
В порiвняннi з шшими моделями калориметрiв КТС [12, 13], в конструкцш пристрою КТС-4 додано ряд удосконалень, направлених на шдвищення тех-нологiчностi виготовлення, зменшення часу шдгото-вки та пiдвищення точности вимiрювання. Диапазон вимiрювань калориметра - ввд 10 до 40 кДж, похибка вимiрювань складае ±0,1 %, тривалють процесу шд-готовки - не бшьше 90 хвилин, тривалють процесу вимiрювання - 30 хвилин. Техшчш характеристики бомбового калориметра КТС-4 приведет в табл. 1.
Представлене в робот дослвдження мае на меп ско-ротити час вимiрювання теплотворних характеристики палив.
Таблиця 1
Основнi технiчнi характеристики калориметра КТС-4
Параметри Значення
Дiапазон вимiрюваноi кшькоста теплоти, кДж 10-40
Меж основно' вдаосно' похибки, % ±0,1
Загальний час пiдготовки до вимiрювань, хв <90
Час проведения вимiрювань, хв 30
Потужшстъ (вiд мережi 220 В, 50 Гц), ВА <850
1ндикащя результатв вимiрюваиь цифрова
Маса, кг - теплового блоку - електронного блоку - калориметрично' бомби 50,0 15,0 2,5
Зовшшнш вигляд бомбового калориметра КТС-4 представлено на рис. 1.
До його складу входять:
1) тепловий блок, призначений для розмщен-ня в ньому проби палива, забезпечення необидного температурного режиму роботу та вимiрювання теп-ловидшення iз бомби при спалюваннi проби палива;
2) двi калориметричнi бомби БКУ-2, призна-ченi для спалювання проби палива в киснi;
3) електронний блок, призначений для регу-лювання теплового режиму, вимiрювання та обробки сигналiв первинних перетворювачiв, формування електричного iмпульсу пiдпалу проби палива, пере-дачi вимiрювальноi iнформацii в персональний комп'ютер.
F^f ■ » |
Рис. 1. Зовнiшнi вигляд бомбового калориметра КТС-4
Вимiрювання шлькосп теплоти, що видшяеть-ся при спалюванш проби палива вщбуваеться насту-пним чином [14]. Проба палива, пвдготовлена вщпо-вiдно до стандарта, спалюеться в калориметричнiй бомбi, що встановлюеться в тепловому блоцi калориметра та заповнена киснем, при тиску 2,5... 3 МПа.
Температура поверхнi теплового блоку стабшзуеться за допомогою електронного регулятора. Теплота, що видiляеться при спалюваннi проби палива, визнача-еться iнтегруванням теплового потоку, що вимiрю-еться термоелектричним перетворювачем теплового потоку. Вимiрювання й обробка iнформацii прово-
дяться на базi мiкропроцесорного пристрою, а результат вщображасться на цифровому диспле! елект-ронного блоку у виглядi одиниць кiлькостi теплоти, що видiлилася при спалюваннi палива (Дж/ккал). Отриманий результат передаеться до комп'ютера для подальшо! обробки, а саме розрахунку вищо! i ниж-чо1 теплоти згоряния, внесения поправок, друкування протоколу. Для виклю-чення впливу температури i конвекцп повiтря тепловий блок калориметра ро-змiщують в клiматичнiй камерi, а для стабшзацп напруги живлення в мережi використовують стабiлiзатор мережево! напруги.
При шдготовщ проби проводиться вимiрювання маси проби паливного матерiалу М-ие1, мiдного запального дроту М*}, полiетиленовоi упаковки Мр та наповнювача М-ц¡. При проведенш кало-риметричного дослiду визначаеться теплота Qfue¡, що видiляеться при спалю-ваннi проби. Пiсля дослщу вимiрюеться залишкова маса запального дроту М*2. Питома теплота згорання палива в бомбi розраховуеться за формулою:
Ъь = \_Qfuel - 9* ■ (М*1 " М*2) " Ър ■ Мр - — ■ ММ ~\1М/„е, >
де Ъь - питома теплота згорання палива в бомбi калориметра; QfUel - вимiряна теплота згорання проби палива, Дж; ъ* - питома теплота згорання дроту пвдпа-лу (2510 Дж/г); ър - питома теплота згорання упаковки iз полiетилену (46382 Дж/г); — - питома теплота згорання наповнювача (16700 Дж/г).
5. Результата експериментальних дослЬ джень вимпркшамии теплоти згоряння палива в бомбовому калориметрi
Процес вимiрювання в бомбовому калориметрi вiдбувався при переходi з одного стацiонарного режиму в шший. Моменти початку i кiнця вимiрювання визначаються ступенями досягнення стацiонарного режиму.
Калориметрична бомба, попередньо заповнена речовиною, теплота згоряння яко! вимiрюеться в екс-периментi, та киснем пщ^валася до температури, що дещо перевищуе робочу температуру калориметра (звичайно, на 2-3 °С). Далi калориметрична бомба розмiщувалася у вимiрювальнiй комiрцi калориметра, пiсля чого розпочинався процес вимiрювання. Ш-сля спадання значень теплового потоку вщ калори-метрично! бомби до заданого (стацiонарного) рiвня вiдбувалося загоряння речовини вщ спiралi пiдпалу, що знаходилася в контакт з речовиною. Одночасно з цим починалося iнтегрування сигналу, що надходив вiд сенсорiв теплового потоку, ввд згоряння речовини. Спочатку рiвень сигналу зростав до максимального значення, пiсля чого ввдбувалося його спадання до встановлення стацiонарного режиму. Пiсля цього штегрування закiнчувалося i на монiторi вщобража-лося чисельне значення теплоти згоряння речовини, характеристика яко! дослiджувалася в експерименп.
В приведеному дослiдженнi проводилося ви-значення теплоти згоряння дерев'яних пелепв. На рис. 2 показанi графiки змiни рiвня теплового потоку Q протягом часу вимiрювання t при переходi мiж стацiонарними рiвнями.
В ходi експериментальних дослiджень проводилося два окремих вимiрювання значень теплоти згоряння однакових зразшв дерев'яних пелепв. Встановлено, що теплота згоряння (тсля штегруван-ня сигналу вiд сенсорiв теплового потоку) 1-го зразка становила Qw=11243 Дж, 2-го - QM=13273 дЖ (на рис. 2 графки Ej та E2 вiдповiдно).
Перюд встановлення стацiонарного режиму калориметрично! бомби до пвдпалювання дерев'яних пелетiв у 1-му експерименп склав 2786 с, у 2-му -3410 с.
Часовий промiжок ввд моменту тдпалу до встановлення максимального значення теплового потоку у 1-му експерименп склав 23 с, у 2-му - 25 с при максимальних значеннях рiвня теплового потоку склали 64,851 Дж та 78,278 Дж вщповвдно.
Час встановлення стацiонарного режиму тсля досягнення ткового значення теплового режиму у 1-му експерименп 1774 с, у 2-му - 1773 с.
6. Обговорення результат втпркшаиия теплоти згоряння палива в бомбовому калориметрi
Зпдно ДСТУ 3581-97 (ГОСТ 30517-97) вимiрю-вання вищо! i нижчо! теплоти згоряння твердого палива слвд проводити згiдно ДСТУ ISO 1928:2006. В нацюна-льному стандарт! ДСТУ ISO 1928:2006 зазначаеться, що результатом випробування е середньоарифметичне значення (Eave) результатов двох паралельних вимiрювань, зб!жшсть яких не бiльше шж 120 кДж/кг.
В данiй робоп пропонуеться метод скорочення часу встановлення питомо! теплоти згоряння палива, який полягае у прогнозуванш значення вщл!ку часу за значенням Eave в режимi реального часу. Завдання прогнозування вирiшуеться використанням визначе-но! функцiонально! залежностi, отримано! шляхом апроксимацi! результатiв вимiрювання теплоти згоряння палива через деякий час тсля досягнення т-кового значення теплового потоку. Цей часовий про-м!жок е одним з найбшьш шформативних параметрiв у процеа визначення теплоти згоряння палива.
Рис. 2. Змша теплового потоку в ход! експериментальних досль джень на бомбовому калориметр!
Осшльки головним результатом в даному дос-лiдженнi е найбiльше наближення шукано! функцю-нально! залежностi до експериментальних даних, то було прийнято рiшення застосувати iнтерполяцiйний метод, оскшьки вiн забезпечуе спiвпадiння значень апроксимуючо! функцй' ф(х) з вихiдними вимiряними значеннями функцii y(x). При вах значениях аргументу розумiють, що y(x)~^(x), та !х близькiсть отри-мують введенням в апроксимуючу функцп вiльних параметрiв c=(cj, c2,...cn} i вiдповiдним ix вибором. Пiдбiр вдалого виду функцiональноi' залежностi ф(х;с) проводився в програмному пакетi MathCAD. Пошук найкращих рiвномiрниx наближень для функцп задано! на промiжку [a, b], визначаеться умовою:
А( y,q>) = min, де А( y,q>) - a ™™b\y( х) -q>( х)|.
Якiсть обраного виду та розрахованих параме-трiв рiвнянь штерполянпв визначалась шляхом роз-рахунку та порiвняння коефiцiентiв детермiнацii R2, область значень якого ввд 0 до 1 (чим ближче значен-ня R2 до 1, тим бшьша вiдповiднiсть моделi вxiдним даним):
R2 = Ё (y(Xt) -ф(х)))J [y(x,)-Ё y(xi )jnj .
Загальний аналiтичний вид тишв функцiй та визначенi !х параметри, що використовувалися для iнтерполяцii даних на часовому пром1жку вiд тково-го значения Q до його затухания з штервалом 1 с, наведено в табл. 2.
На рис. 3-7 наведет штерполянти для вибраних тишв функцiй, що апроксимують результати вимрю-вання теплоти згорання палива пiсля досягнення тко-вого значення теплового потоку. Для спрощення розра-хункiв часовий вщлш по осi абсцис встановлювався на рiвнi 0 с для шкового значення теплового потоку.
Як видно з рис. 3-7, найбшьший коефщент детермiнацii на всьому часовому промiжку експери-менту забезпечуеться iнтерполяцieю експоненщаль-ною функцieю - Л2ехр=0,994, найменший -Л2ро14=0,075 (iнтерполяцiя полiномом 4-го порядку).
Для дослвдження можливостi раннього встано-влення питомо! теплоти згоряння в процеа вим1рю-вання, були розрахованi коефiцieнти детермiнацii для визначених штерполюючих функцiй на к = [* (QкlИ)_ * (QпoЧ )]/30 часових iнтервалах вiд шко-
вого значення Q до встановлення стабiльнoгo низько-го значення з кроком в 1 с. Довжина кожного часового штервалу збшьшуеться на 30 с: *Ыт = у -30, де
У = 1,к. На рис. 8, 9 вщображена змша коефщенпв детермiнацii для вс1х тип1в застосованих штерполян-т1в в залежносл в1д к-го часового штервалу. Деяш рoзрахoванi значення кoефiцieнтiв детермшацп на рь зних часових штервалах наведено в табл. 3.
Таблиця 2
1нтерполяцшт функцй' для обробки експериментальних даних
Тип функцй Загальний вигляд Експериментальний вигляд
Логарифмiчна Q(t) = a-ln(t + b) + с Qiog (t) = 11,85 -ln(t) + 83,322
Степенева Q (t) = a-tb + с Qpow (t) = 200,094-1-0,514
Експоненцiальна Q(t) = a • ebt + с Qexp(t) = 70,424 • e-7,359*10"' +1,017
Сигмоiдна Q(t)=1 a -1 1 + b -e = 5,284 x 1014 Qsig (t) = 1 + 7,544 x1012-e6-872*10-3"
Полiномiальна:
2-го порядку Q(t) = a •t2 + b-t + с Qp0l2 (t) = 2,867 x 10-5 -t2 --0,068 -t + 36,146
3-го порядку Q(t) = a-t3 + b-t2 + +с•t + d Qp„,3(t) = -4,532 x10-8 -t3 + +1,512x 10 4-t2 --0,156 -t + 49,428
4-го порядку Q(t) = a-t4 + b-t3 + +с • t2 + d-t + e QPo,4 (t) = -7,611x10-11 -t4 + +2,858 x 10-7 -t3 --3,419 x 10-4-t2 + +0,129-t + 8,618 x 10-4
8DT
Q, №
60
40-
20-
^,„=0,868
600
t,c
1200
Phc. 3. IfflepnoM^a pe3ymTaTiB eKcnepnMerny ^yHKqiero BHgy Qlo,
801
R1 =0,662
pow
1200
PHC. 4. iHTepnon^i» pe3ymTaTiB eKcnepnMerny ^yHKqiero BHgy Qp,
1800
1800
80-
Q
_ JT4P.
60-'
40--
20 -
R- =0,994
0 600 1200
t,c
Phc. 5. IfflepnoM^a pe3ymTaTiB eKcnepnMerny ^yHKqiero BHgy Qexp 80-
R2. =0,989
1200
PHC. 6. IfflepnoM^» pe3ymTaTiB eKcnepnMerny ^yHKqiero BHgy Qsi
1800
"Tsoo
Рис. 7. !нтерполящя результатв експерименту функщею виду Qpol2, Qpol3, Qpol4
Рис. 8. Графжи змiни значень коефщенпв детермiнацiï Bcix тишв штерполяцшних функцш
Рис. 9. Графiки змши значень коефщенпв детермiнацiï деяких тип1в штерполяцшних функцiй (R2pol2, R2pol3, R2pol4, R2
R sig)
Таблиця 3
Коефщенти детермiнацii штерполяцшних функцiй на рiзних часових пром1жках встановлення стацюнарного _режиму_
tшт c Rpol2 R2pol3 R2pol4 R2 ^ exp R2log R2 Л pow R2 л Sig
90 0,9974 0,9988 0,9997 0,9971 0,8252 0,6257 0,9963
180 0,9987 0,9991 0,9994 0,9987 0,891 0,6645 0,9974
270 0,9945 0,9994 0,9994 0,9992 0,9255 0,6862 0,9951
360 0,9859 0,9991 0,9995 0,9993 0,9448 0,7132 0,9931
450 0,9741 0,9976 0,9996 0,9991 0,955 0,7345 0,9919
540 0,9601 0,9951 0,9994 0,9987 0,9593 0,7519 0,9915
630 0,9446 0,9915 0,9989 0,9982 0,9598 0,7119 0,9915
720 0,928 0,9868 0,9981 0,9978 0,9574 0,7213 0,9918
810 0,9109 0,9813 0,9968 0,9973 0,9532 0,72 0,9921
900 0,8935 0,975 0,9951 0,9968 0,9476 0,7276 0,9924
990 0,876 0,968 0,9931 0,9964 0,9411 0,7241 0,9927
1080 0,8587 0,9605 0,9906 0,996 0,9338 0,7297 0,9928
1170 0,8416 0,9525 0,9877 0,9956 0,9261 0,7246 0,9929
1260 0,8248 0,9442 0,9845 0,9952 0,9181 0,7301 0,993
1350 0,8083 0,9356 0,9809 0,9949 0,9098 0,7338 0,993
1440 0,7923 0,9267 0,9771 0,9946 0,9015 0,7273 0,993
1530 0,7767 0,9176 0,973 0,9944 0,893 0,7313 0,9929
1620 0,7616 0,9085 0,1431 0,9941 0,8845 0,7337 0,9929
1710 0,7468 0,8992 0,1339 0,9939 0,8761 0,7371 0,9928
1800 0,7324 0,8901 0,1257 0,9937 0,8679 0,7401 0,9928
Як видно з рис. 8, 9 та табл. 3, найбшьше значения коефщента детермшацп на]-их промiжках часу до t шт-750 с забезпечуеться для полiномiальноi функцii 4-го порядку, але на всьому промiжку експе-рименту найбiльший коефiцieнт детермiнацii забезпечуеться експоненшальною iнтерполюючою функ-цiею Я2ехр=0,994.
Слiд звернути увагу, що на ]-их промiжках часу вiд шкового значення Q до t шт-660 с для всiх обраних моделей штерполяипв, окр1м степеневоi та на деяких штервалах логарифмiчноi, коефщен-ти детермшацп Я2 приймають значення 61льш1 н1ж 0,995, що св1дчить про високу адекватшсть розра-хованих параметр!в запропонованих математичних моделей.
Таким чином, шдтверджуеться можлив1сть за-стосування методу скорочення часу вимiрюваиня пи-томо1' теплоти згоряння палива шляхом штерполяци отриманих даних зм1ни теплового потоку в чаа, вже через деякий час п1сля досягнення його шкового значення (-90 с). Для використання даного методу необ-х1дно волод1ти емпiричною iнформацiею про характер нестацюнарного режиму спалюваиия окремого виду палива в бомбовому калориметра Прогнозуван-ня значення теплоти згоряння можливо двома способами, за визначеними емтрично iнтерполюючими функциями: на всьому пром^жку часу в1д п1кового значення до початку стацюнарного режиму або на ]-ому пром!жку часу.
Реал!зашя запропонованого методу можлива шляхом введення в електронний блок схеми запро-понованого розрахункового алгоритму та модулю ре-естрування функцюнальних залежностей зм1ни теплового потоку в час для р1зних титв палива. При цьому, данi про вим!рювання питомоi теплоти згоряння палива будуть вiдображеннi на штерфейс оператора програмного забезпечення калориметра через
встановлюваний короткий промiжок часу (/-120 с) пiсля запалювання експериментального зразка.
В наступних роботах плануеться представити розрахунок значення розширено! невизначеносп результату вимiрювання питомо! теплоти згоряння палива, для рiзних номшальних значень величини q рь зних видiв палив та для обох способiв запропонова-ного методу прогнозування.
7. Висновки
1. Розглянуто принцип функцiонування та ос-новнi технiчнi характеристики розробленого в 1нсти-тутi технiчноi теплофiзики НАН Укра!ни квазвдифе-ренцiального бомбового калориметра КТС-4. Наве-денi методика визначення теплоти згоряння палива та методи скорочення часу експериментальних дос-лвджень.
2. Проведенi експериментальнi дослiдження по визначенню теплоти згорання дерев'яних пелепв. Середне значення теплоти згоряння в експеримеип склало Qb=12258 Дж. Загальний час проведення двох експериментiв склав -165 хв. Показано, що найбшь-ший потенцiал до скорочення часу вимiрювань ле-жить в межах встановлення стацюнарних режимiв (1 - до пвдпалювання експериментального зразку, 2 -тсля досягнення пiкового значення теплового потоку). Скорочення часу встановлення першого стацю-нарного режиму можливе шляхом вдосконалення апаратно! частини бомбового калориметра. Скоро-чення часу встановлення значення теплоти спалю-вання палива можливе шляхом використання резуль-тапв математичних методiв обробки вимiрювальних експериментiв.
3. Запропоновано метод скорочення часу встановлення значення питомо! теплоти згоряння палива шляхом апроксимацп результатiв вимiрювального експерименту за допомогою iнтерполяцiйних функ-
цш рiзних типiв (логарифмiчно!, степенево!, експоне-нщально!, сигмоiдноi, полiномiальноi рiзних поряд-кiв).
4. Показано, що застосування експоненщаль-но! функцii для штерполяцп експериментальних да-них забезпечуе найбiльший коефiцiент детермiнацii серед розглянутих функцiональних залежностей (К2ехр=0,994), що сввдчить про адекватнiсть запропо-новано! математично! моделi. При цьому результат вимiрювання можна отримати вже через декшька секунд пiсля досягнення шкового значения теплового потоку. Коефiцiенти детермшацп для iнших типiв розглянутих функцюнальних залежностей на всьому
часовому пром!жку встановлення стащонарного режиму в порядку !х спадання становлять: R2slg=0,989 (сигмовдна); R2poi3=0,890 (полшом!альна 3-го порядку); R2iog=0,868 (логарифм!чна); R2pol2=0,732 (полшо-м!альна 2-го порядку); R2pow=0,662 (степенева); R2pol4=0,075 (полшом!альна 4-го порядку).
Для пвдвищення точности та зменшення часу визначення теплоти спалювання палива доцшьно за-стосовувати б!блютеку даних, створення яко! можли-ве шляхом збертання та опрацювання даних вим!рю-вань вщповщно до кожного виду та стану паливних матер!ал!в. Реал!зац!я даного методу буде розглянута в наступних роботах.
Лiтература
1. Машкинов, Л. Б. Быстродействующий диатермический бомбовый калориметр сжиганий БКС-2Х [Текст] / Л. Б. Машкинов, П. К. Васильев, В. В. Батылин // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2008. - Т. 74, № 4. - С. 42-44.
2. Корчагина, Е. Н. Калориметрия сгорания топлива [Текст] / Е. Н. Корчагина, Е. В. Ермакова, В. П. Варганов // Мир измерений. - 2012. - № 2. - С. 32-39.
3. Yang, X. Construction of a rotating-bomb combustion calorimeter and measurement of thermal effects [Text] / X. Yang, S. Chen, S. Gao, H. Li, Q. Shi // Instrumentation Science & Technology. - 2002. - Vol. 30, Issue 3. - P. 311-321. doi: 10.1081/ci-120013509
4. Peralta, D. Coal blend performance during pulverised-fuel combustion: estimation of relative reactivities by a bomb-calorimeter test [Text] / D. Peralta, N. P. Paterson, D. R. Dugwell, R. Kandiyoti // Fuel. - 2001. - Vol. 80, Issue 11. - P. 1623-1634. doi: 10.1016/S0016-2361(01)00031-X
5. Yu, X. Study on thermodynamic properties of glyphosate by oxygen-bomb calorimeter and DSC [Text] / X. Yu, C.-R. Zhou, X.-W. Han, G.-P. Li // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. - 2012. - Vol. 111, Issue 1. - P. 943-949. doi: 10.1007/s10973-012-2384-5
6. Zhao, M.-R. Thermodynamic properties of diosgenin determined by oxygen-bomb calorimetry and DSC [Text] / M.-R. Zhao, H.-J. Wang, S.-Y. Wang, X.-X. Yue // Russian Journal of Physical Chemistry A. - 2014. - Vol. 88, Issue 12. - P. 2280-2282. doi: 10.1134/S003602441412022X
7. Lyon, R. E. Thermal dynamics of bomb calorimeters [Text] / R. E. Lyon // Review of Scientific Instruments. - 2015. -Vol. 86, Issue 12. - P. 125103. doi: 10.1063/1.4936568
8. Overdeep, K. R. Design and functionality of a high-sensitivity bomb calorimeter specialized for reactive metallic foils [Text] / K. R. Overdeep, T. P. Weihs // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. - 2015. - Vol. 122, Issue 2. - P. 787-794. doi: 10.1007/s10973-015-4805-8
9. Иноземцев, Я. О. Калориметр для контроля эффективности энергоемких системи и калорийности энергоресурсов [Текст] / Я. О. Иноземцев, А. Б. Воробьев, Ю. Н. Матюшин // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. -№ 1. - С. 71-74.
10. Максимук, Ю. В. Метрологическое обеспечение измерений теплоты сгорания твердых и жидких топлив [Текст] / Ю. В. Максимук, В. В. Фесько, И. В. Васаренко, В. Г. Дубовик // Методы измерений, контроля, диагностики. - 2014. - № 2 (9). - С. 67-74.
11. Воробьев, Л. И. Кондуктивный бомбовый калориметр для измерения теплоты сгорания топлива [Текст]: дис. канд. техн. наук / Л. И. Воробьев. - К., 2000. - 185 с.
12. Воробьев, Л. И. Определение теплотворной способности биотопливных смесей [Текст] / Л. И. Воробьев, Л. Н. Грабов, Л. В. Декуша, О. А. Назаренко, А. И. Шматок // Промышленная теплотехника. - 2011. - Т. 33, № 4. - С. 87-93.
13. Бабак, В. П. Апаратно-програмне забезпечення мониторингу об'екпв генерування, транспортування та споживан-ня теплово! енергп [Текст]: монограф!я / В. П. Бабак, В. С. Берегун та ш.; ред. В. П. Бабак. - К.: 1нститут техшчно! теплофь зики НАН Укра!ни, 2016. - 298 с.
14. Burova, Z. A. Biofuels: the combustion heat analysis [Text] / Z. A. Burova, L. I. Vorobyov, O. O. Nazarenko // SWorld Journal. - 2016. - Vol. 10, Issue 11. - P. 152-155.
Дата надходженнярукопису 29.06.2017
Бабак Вггалш Павлович, доктор техтчних наук, професор, член-кореспондент НАН Укра!ни, Ввддш теплометрп, д!агностики та ошташзаци в енергетищ, 1нститут техшчно! теплоф!зики НАН Укра!ни, вул. Желябова, 2а, м. Ки!в, Укра!на, 03057 E-mail: vdoe@ukr.net
Запорожець Артур Олександрович, кандидат техтчних наук, старший науковий сшвробгтник, Ввддш теплометрп, д!агностики та ошташзаци в енергетищ. 1нститут техшчно! теплоф!зики НАН Укра!ни, вул. Желябова, 2а, м. Ки!в, Укра!на, 03057 E-mail: art.morco@gmail.com
Назаренко Олег Олексшович, астрант, вщдш теплометр!!, д!агностики та ошгашзацп в енергетищ, 1н-ститут техшчно! теплоф!зики НАН Укра!ни, вул. Желябова, 2а, м. Ки!в, Укра!на, 03057 E-mail: encenter@bigmir.net
Редько Олександр Олександрович, провщний !нженер, cлужбa головного метролога, Нацюнальний аыацшний ушверситет, пр. Космонавта Комарова, 1, м. Ки!в, Укра!на, 03058, E-mail: o.redko.ua@gmail.com
