Организационное и методологическое обеспечение экспериментальных исследований Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК: GG1.89, 681.5 EDN: EAMHAF

DOI: https://doi.org/1G.47813/2782-528G-2G23-2-4-G238-G246

Организационное и методологическое обеспечение экспериментальных исследований

И. В. Ковалев1'2'3, В. В. Лосев1

1 СибГУим. М.Ф. Решетнева, Красноярск, Россия 2 Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия 3Красноярский государственный аграрный университет, Красноярск, Россия

Аннотация. В статье рассматривается подход к организационному и методическому обеспечению научных исследований, в части экспериментальных исследований. Подход отражает сопоставимость принципов и методик, реализуемых в автоматизации технологических процессов, при условии формализации технологического процесса (ТП) в решении задач экспериментальных исследований и разработке регламентов ТП, наличии объекта автоматизации и режимных параметров ТП. В качестве примера рассматривается модель экспериментальной установки для проведения исследований гидродинамических характеристик тепломассообменных устройств на системе воздух-вода. Приведена характеристика технологического объекта управления и описание ТП, задачи обслуживания объекта автоматизации, а также рассмотрено основное оборудование царговой колонны, сырье и компоненты, участвующие в процессе тепломассообмена в системе вода-воздух, а также типы и параметры энергоносителей, применяемых в ходе ТП. Выявлены важнейшие технологические ограничения, способные отклонить от режимных параметров ТП. В целом, автоматизация научных исследований, возможность многократного подтверждения результатов, позволяет обеспечить задачу серийности испытаний. Регистрация полученных результатов, как протоколов экспериментов и их последующий анализ, позволяет совершенствовать технологию проведения эксперимента, как режимов работы технологического оборудования и реализуемого технологического процесса.

Ключевые слова: научные исследования, экспериментальная установка, технологический объект, автоматизация процесса.

Для цитирования: Ковалев, И. В., & Лосев, В. В. (2023). Организационное и методологическое обеспечение экспериментальных исследований. Информатика. Экономика. Управление -Informatics. Economics. Management, 2(4), G238-G246. https://doi.org/1G.47813/2782-528G-2G23-2-4-G238-G246

© И В. Ковалев, В В. Лосев, 2G23 G238

Organizational and methodological support for experimental

research

I. V. Kovalev1'2'3, V. V. Losev1

1Reshetnev university, Krasnoyarsk, Russia 2 Siberian federal university, Krasnoyarsk, Russia 3Krasnoyarsk State Agrarian University, Krasnoyarsk, Russia

Abstract. The paper discusses the approach to organizational and methodological support of scientific research, in terms of experimental research. The approach reflects the comparability of the principles and methods implemented in the automation of technological processes, subject to the formalization of the technological process (TP) in solving the problems of experimental research and the development of TP regulations, the availability of an automation object and the operating parameters of the TP. As an example, we consider a model of an experimental setup for studying the hydrodynamic characteristics of heat and mass transfer devices on an air-water system. The characteristics of the technological control object and description of the TP, the tasks of servicing the automation object are given, and the main equipment of the drawer column, raw materials and components involved in the process of heat and mass transfer in the water-air system, as well as the types and parameters of energy carriers used during the TP are considered. The most important technological limitations that can deviate from the operational parameters of the TP have been identified. In general, the automation of scientific research and the possibility of multiple confirmation of results make it possible to ensure the task of serial testing. Registration of the results obtained, as experimental protocols and their subsequent analysis, allows us to improve the technology of conducting experiments, as well as the operating modes of technological equipment and the technological process being implemented.

Keywords: scientific research, experimental setup, technological object, process automation.

For citation: Kovalev, I. V., & Losev, V. V. (2023). Organizational and methodological support for experimental research. Informatics. Economics. Management, 2(4), 0238-0246. https://doi.org/10.47813/2782-5280-2023-2-4-0238-0246

ВВЕДЕНИЕ

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 научно-технической 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

необходимости, методик выполнения измерений и их участках, на заводах, в компаниях, на полигонах и т.д.

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

ИЗМЕРИТ ГЕЛЬНАЯ ЧАСТ Ъ (ЦАРГА)

Тепломассообмен в системе вода-воздух 1 D — (300-1200 мм)

РАСПРЕДЕЛИТЕЛИ ЖИДКОСТИ

Обеспечение равномерного орошения l Количество точек выхода жидкости = 100 точек/м2)

УЗЕЛ ВВОДА ВОЗДУХА (ТУРБОКОМПРЕССОР)

Нагнетание потока воздуха l F—100 до 8000 м3/час

КУБОВАЯ ЧАСТЬ (ЕМКОСТЬ НАКОПИТЕЛЬ)

Накопитель циркуляционной воды l D = 1,5 м, V = 1,8 м3

Встроенный гидрозатвор l Нпогружения — 600 мм

Циркуляционный насос l 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 (N2, O2) газ t — 240C

ЦИРКУЛЯЦ ИОННЫЙ НАСОС

Вода жидкость t = 24-550C

ЗАДВИЖКА СТАЛЬНАЯ

Вода жидкость t = 24-550C

ЦАРГА

Вода жидкость t = 24-550C

Воздух (N2, O2) газ t = 240C

ЕМКОСТ! э НАКОПИТЕЛЬ

Вода жидкость t = 24-550C

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРУБОПРОВОДЫ

Воздух (N2, O2) газ t = 240C

Вода 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 и=0,38 кВ

ЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ НАСОС

Электроэнергия Напряжение питания и=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.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Система разработки и постановки продукции на производство. Порядок выполнения научно-исследовательских работ. М.: ФГБУ «РСТ»; 2021.

[2] Лосев В.В., Ковалев И.В., Сарамуд М.В. Компьютерные технологии в науке и производстве: учеб. пособие. Красноярск: СибГУ им. М. Ф. Решетнева; 2023. 93.

[3] Экспериментальные исследования на системе воздух-вода. ООО ИВЦ «Инжехим» - инженерная химия. URL: https://ingehim.ru/uslugi/ei/eightmunsvv (дата обращения: 24.12.2023).

[4] Лосев В В., Гофман П.М., Ковалев И В. и др. АСНИ, САПР и АСУ в химической переработке древесины: учебное пособие. Красноярск: Сиб. гос. ун-т. наук. и техн-ий. 2019. 84.

[5] Гулевский, В. А. Концепция построения автоматизированной системы управления и ее интеграция в систему обеспечения безопасности химически сложных производств. Информационные и телекоммуникационные технологии. 2020; 47: 2-14. EDN YBCREB.

[6] Дворецкий С.И., Дворецкий Д.С., Кормильцин Г.С., Пахомов А.А. Основы проектирования химических производств: учебник. М.: Издательский дом «Спектр»; 2014. 356.

[7] ГОСТ Р 59853-2021. Информационные технологии. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения. М. : ФГБУ «РСТ»; 2021.

[8] Ковалев И.В., Лосев В.В., Калинин А.О. Вычислительные комплексы обеспечения научных исследований. Современные инновации, системы и технологии. 2023; 3(3): 0225-0243. https://doi.org/10.47813/2782-2818-2023-3-3-0225-0243

[9] Шинкевич А., Барсегян Н. Пути повышения эффективности организации производственных процессов на нефтехимических предприятиях за счёт применения систем автоматизации. Русский инженер. 2019; 4(65): 48-51. EDN BXIVBC

REFERENCES

[1] Sistema razrabotki i postanovki produkcii na proizvodstvo. Poryadok vypolneniya nauchno-issledovatel'skih rabot. M.: FGBU «RST»; 2021. (In Russian)

[2] Losev V.V., Kovalev I.V., Saramud M.V. Komp'yuternye tekhnologii v nauke i proizvodstve: ucheb. posobie. Krasnoyarsk: SibGU im. M. F. Reshetneva; 2023. 93. (In Russian)

[3] Eksperimental'nye issledovaniya na sisteme vozduh-voda. OOO IVC «Inzhekhim» -inzhenernaya himiya. URL: https://ingehim.ru/uslugi/ei/eightmunsvv (data obrashcheniya: 24.12.2023). (In Russian)

[4] Losev V.V., Gofman P.M., Kovalev I.V. i dr. ASNI, SAPR i ASU v himicheskoj pererabotke drevesiny: uchebnoe posobie. Krasnoyarsk: Sib. gos. un-t. nauk. i tekhn-ij. 2019.

84. (In Russian)

[5] Gulevskij, V. A. Koncepciya postroeniya avtomatizirovannoj sistemy upravleniya i ee integraciya v sistemu obespecheniya bezopasnosti himicheski slozhnyh proizvodstv. Informacionnye i telekommunikacionnye tekhnologii. 2020; 47: 2-14. (In Russian)

[6] Dvoreckij S.I., Dvoreckij D.S., Kormil'cin G.S., Pahomov A.A. Osnovy proektirovaniya himicheskih proizvodstv: uchebnik. M.: Izdatel'skij dom «Spektr»; 2014. 356. (In Russian)

[7] GOST R 59853-2021. Informacionnye tekhnologii. Kompleks standartov na avtomatizirovannye sistemy. Avtomatizirovannye sistemy. Terminy i opredeleniya. M. : FGBU «RST»; 2021. (In Russian)

[8] Kovalev I.V., Losev V.V., Kalinin A.O. Vychislitel'nye kompleksy obespecheniya nauchnyh issledovanij. Sovremennye innovacii, sistemy i tekhnologii. 2023; 3(3): 0225-0243. https://doi.org/10.47813/2782-2818-2023-3-3-0225-0243 (In Russian)

[9] Shinkevich A., Barsegyan N. Puti povysheniya effektivnosti organizacii proizvodstvennyh processov na neftekhimicheskih predpriyatiyah za schyot primeneniya sistem avtomatizacii. Russkij inzhener. 2019; 4(65): 48-51. (In Russian)

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ /

Ковалев Игорь Владимирович, доктор технических наук, профессор, кафедра программной инженерии, Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия

ORCГО: 0000-0003-2128-6661

tMATION ABOUT THE AUTHORS

Igor Kovalev, doctor of technical sciences, professor, department of softwaare engineering, Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russian Federation

Лосев Василий Владимсирович, кандидат технических наук, доцент, кафедра автоматизации производственных процессов, Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева

ORCID: 0000-0002-1996-2889

Vasiliy Losev, candidate of technical sciences, docent, department of automation of production processes, Reshetnev Siberian State University of Science and Technology, Krasnoyarsk, Russian Federation

Статья поступила в редакцию 15.10.2023; одобрена после рецензирования 22.12.2023; принята

к публикации 25.12.2023.

The article was submitted 15.10.2023; approved after reviewing 22.12.2023; accepted for publication

25.12.2023.