ТЕПЛОВОЙ МЕТОД И КОНСТРУКЦИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ПОТОЧНЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ ВЛАГОМЕРОВ ЖИДКИХ МАТЕРИАЛОВ

INTERNATIONAL SCIENTIFIC JOURNAL SCIENCE AND INNOVATION SPECIAL ISSUE “MODERN PROBLEMS AND PROSPECTS FOR THE DEVELOPMENT OF DIGITAL TRANSFORMATION IN ENERGY” SEPTEMBER 24, 2025 117 ТЕПЛОВОЙ МЕТОД И КОНСТРУКЦИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ПОТОЧНЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ ВЛАГОМЕРОВ ЖИДКИХ МАТЕРИАЛОВ Матякубова П.М., Кодирова Ш.А, Авезова Н.И. Ташкентский государственный технический университет, Ташкент, Узбекистан https://doi.org/10.5281/zenodo.17558574 Аннотация. Обоснована необходимость исследований и разработки теплового метода и преобразователя для контроля влажности жидких материалов, что позволило проанализировать их основные элементы, построенные на их основе конструкции и разработан метод создания новых тепловых преобразователей влажности жидких материалов. Проведен анализ перспективности теплового метода и устройства для разработки прибора контроля влажности жидких материалов и разработаны математические модели тепловых преобразователей влажности жидких материалов. Ключевые слова: тепловой преобразователь, влагомет, влажности жидких материалов, повышение чувствительности, потоки жидкости. Annotation. The necessity of research and development of a thermal method and a converter for controlling the moisture content of liquid materials was substantiated, which made it possible to analyze their main elements, constructions built on their basis, and a method was developed for creating new thermal converters for the moisture content of liquid materials. The analysis of the prospects of the thermal method and device for the development of a device for controlling the moisture content of liquid materials has been carried out, mathematical models of thermal converters of moisture content in liquid materials have been developed. Key words: thermal converter, moisture meter, moisture content of liquid materials, increased sensitivity, liquid flows. Введение. В современном мире особое внимание уделяется созданию и модернизации измерительной техники и контролю качества с целью производства высококачественной продукции с наименьшими энергетическими, сырьевыми и временными затратами. В настоящее время одна из ведущих ролей отводится методам и устройствам автоматического контроля влажности жидких материалов для обеспечения качества продукции в химической, нефтехимической и пищевой промышленности. Вместе с тем, приобретает важное значение повышение чувствительности, точности и быстродействия преобразователей систем управления в технологических процессах, связанных с контролем потоков жидких материалов, уменьшением погрешности измерения влажности этих потоков жидкости, повышением их надежности при экстремальных условиях эксплуатации и уменьшением массогабаритных показателей. Особое внимание уделяется разработке высокоскоростных систем анализа качества выпускаемой продукции, моделей определения качественных показателей и характеристик конечной продукции и синтезу анализаторов качества конечной продукции. Сегодня в Республике Узбекистан особое внимание уделяется внедрению инновационных технологий в промышленность, реализации высокоэффективных систем INTERNATIONAL SCIENTIFIC JOURNAL SCIENCE AND INNOVATION SPECIAL ISSUE “MODERN PROBLEMS AND PROSPECTS FOR THE DEVELOPMENT OF DIGITAL TRANSFORMATION IN ENERGY” SEPTEMBER 24, 2025 118 контроля качества полуфабрикатов и готовой продукции, в том числе созданию виртуальных анализаторов конечной продукции. Постановка задачи. Способы измерения объемного влагосодержания нефти и нефтепродуктов, каждый из которых имеет свои особенности аппаратурного оформления и программного обеспечения, различаются не только условиями рабочей среды (температура, давление), но и диапазоном измерения влагосодержания и основными метрологическими характеристиками. Разработанные поточные влагомеры для нефти и нефтепродуктов имеют высокие метрологические характеристики, широкий диапазон измерений содержания влаги, высокое быстродействие. Однако в литературе мало сведений о тепловых поточных влагомерах, их возможностях и характеристиках. Вышеуказанные поточные влагомеры для жидких материалов весьма сложны по конструкциям, измерительным схемам, имеют определенные недостатки, связанные с инструментальными погрешностями, влияние сортности нефти, наличием свободного газа, солёности воды присутствующих в нефти. Как указано выше на фоне широко разработанных современных поточных влагомеров для нефти и нефтепродуктов весьма отстают разработки поточных влагомеров для широкого класса других жидких материалов имеющих место в химической, пищевой, фармацевтической, строительной и других областях промышленности, для которых необходимы поточные влагомеры, также имеющие широкий диапазон измерений, высокую чувствительность, многофункциональность и сопряженные с современными микропроцессорными устройствами и при этом имеющие невысокую стоимость. Такие поточные влагомеры могут быть разработаны на основе теплового метода контроля влажности, который как указывалось выше до настоящего времени недостаточно исследован и разработан [1, 2]. Описание и методы исследование. Однако, такой тепловой преобразователь пригоден только для весьма вязких жидких материалов, что ограничивает его применение для широкого круга других жидких материалов. Другое устройство для измерения - влажности материала на основе теплового метода (рис.1) содержит отрезок трубопровода с радиальными отверстиями, в которых поперек потока расположены зонды с термочувствительными элементами в виде двух транзисторов, включенных в электронную измерительную схему, однако и данное устройство для транспортировки контролируемого материала с постоянной скоростью имеет шнек, что также ограничивает его применение для жидких материалов. Анализ показывает, что для реализации теплового метода и устройства автоматического контроля влажности жидкого материала в непрерывном потоке в трубопроводе прежде всего необходимо обеспечить постоянство расхода (скорости) жидкого материала с помощью специального устройства стабилизации расхода жидкого материала в трубопроводе. В известных конструкциях тепловых устройств для непрерывного поточного контроля влажности материалов (в основном для сыпучих) для транспортировки с постоянной скоростью использован шнек. Для жидких материалов наиболее пригодны другие устройства такие как: бак постоянного уровня (БПУ), различные насосы и дозаторы потока жидкого материала. Стабилизация скорости (V=const) потока жидкого материала в трубопроводе теплового преобразователя при измерительных процессах теплообмена позволяет получить зависимость коэффициента теплоотдачи INTERNATIONAL SCIENTIFIC JOURNAL SCIENCE AND INNOVATION SPECIAL ISSUE “MODERN PROBLEMS AND PROSPECTS FOR THE DEVELOPMENT OF DIGITAL TRANSFORMATION IN ENERGY” SEPTEMBER 24, 2025 119 непосредственно от содержания влаги в жидких материалах благодаря зависимости коэффициента теплопроводности жидкого материала от влажности [3]. Как показано тепловой преобразователь влажности материала основан на применении трубчатого теплопровода 1, на поверхности которого установлен кольцеобразный нагреватель, который нагревает участок трубопровода под нагревателем и образуется температурное поле (распределение температуры до и после нагревателя) как показано на рис. 1. Рис.1. Конструкция (а) и распределения температуры Т(х) вдоль оси трубчатого теплопровода 1(б). 1измерительный участок трубопровода; 2 -нагреватель 3-термочувствительный элемент над нагревателем; 4 - термочувствительный элемент до нагревателя; 5-шнек; 6-бункер. Распределения температур Т1(х), Т2(х) и Т3(х) имеют колоколообразную форму и формируются они в результате теплообмена части нагретой стенки трубопровода 1 с потоком влажного материала. Распределение Т1(х) с максимальной температурой Т1 (примерно в середине нагревателя) имеет место при заполненном материалом в трубопроводе 1 при неподвижном потоке материала. При перемещении материала вдоль трубопровода в результате теплообмена между нагретой внутренней стенкой под нагревателем 2 и материалом температура до нагревателя оказывается ниже в результате охлаждения входящим материалом. На участке нагрева (х1, х2) пристеночный слой материала нагревается и повышается температура до Т1, Т2 и Т3, далее температура после х = х2 снижается. Когда движение потока отсутствует, коэффициент теплоотдачи α1 между внутренней поверхностью трубки 1 под нагревателем 2 и потоком материала минимальна, а температура в этой части нагревателя максимальна и равна Т1. При движении потока материала коэффициент теплоотдачи изменяется и в зависимости от влажности материала W принимает значения: при влажности W1 - α1, при влажности W2 - α2, при этом W2 >W1 и так далее. INTERNATIONAL SCIENTIFIC JOURNAL SCIENCE AND INNOVATION SPECIAL ISSUE “MODERN PROBLEMS AND PROSPECTS FOR THE DEVELOPMENT OF DIGITAL TRANSFORMATION IN ENERGY” SEPTEMBER 24, 2025 120 Согласно теории теплообмена потока материала в трубопроводе коэффициент теплоотдачи α определяется из формулы [95, 96] 𝛼 = 𝑁𝑢 𝜆жм 𝑑 . (1) где: Nu – критерий Нуссельта, - λЖМ – теплопроводность жидкого материала; dвнутренний диаметр трубы. λ жм = f(W), (2) При постоянной скорости потока материала V=const коэффициент теплоотдачи α пропорционален теплопроводности жидкого материала λжм, который в свою очередь зависит от влажности материала w. Таким образом, при стабилизации расхода (скорости) жидкого материала в трубе 1 коэффициент теплоотдачи однозначно зависит от теплопроводности жидкого материала λжм, что предопределяет возможность применения теплового преобразователя для контроля влажности жидкого материала. Однако, у теплового преобразователя на основе трубчатого теплопровода невысокая точность из-за больших потерь тепла от нагревателя в окружающую среду и большая динамическая погрешность из-за тепловой инерции. Лучшими характеристиками по точности и быстродействию обладает тепловой преобразователь влажности материала, который содержит отрезок трубопровода с радиальным отверстиями [3]. С целью выбора и усовершенствования, а также повышения точности и быстродействия, а в последующем и расширения функциональных возможностей тепловых устройств для контроля влажности жидких материалов для транспортировки жидкого материала с постоянной скоростью вдоль измерительного участка трубопровода целесообразно использовать наиболее пригодные для этой цели устройства: насос, дозатор, а также бак постоянного уровня. В данной работе использованы насосы и бак постоянного уровня. На рис. 2. представлен бак постоянного уровня, в отводящей трубе которого на горизонтальном измерительном участке трубопровода в радиальных отверстиях поперек потоку жидкого материала расположены зонды с термочувствительными элементами в виде двух терморезисторов, включенных в смежные плечи мостовой измерительной схемы, при этом второй по потоку из терморезисторов снабжен нагревателем. В дальнейшем будет показано, что данное тепловое устройство имеет широкие функциональные возможности, а именно может работать в двух режимах работы, один из которых стационарный при постоянной мощности нагрева (Р=const) и другой режим нестационарный, при котором нагревательный элемент может включаться с помощью специальной схемы на определённое время нагрева и далее отключаться, и выходным сигналом данного режима будет время охлаждения терморезистора с нагревательным элементом. На рис. 2. б и в показаны также физические модели выполнения зондов с термочувствительным 2 и нагревательным 3 элементами, где (в модели б) с сосредоточенными элементами могут быть точечные транзисторы и терморезисторы, и в модели в с распределенными элементами могут быть транзисторы или терморезисторы цилиндрического типа. В дальнейшем их математические модели будут учитывать сосредоточенность и распределенность тепловых параметров в процессах теплообмена. На основе вышеизложенного на рис. 2 приводится предлагаемая новая схема преобразователя для контроля влажности жидких материалов [4]. INTERNATIONAL SCIENTIFIC JOURNAL SCIENCE AND INNOVATION SPECIAL ISSUE “MODERN PROBLEMS AND PROSPECTS FOR THE DEVELOPMENT OF DIGITAL TRANSFORMATION IN ENERGY” SEPTEMBER 24, 2025 121 Рис. 2. Конструкция теплового преобразователя с баком постоянного уровня для контроля влажности жидких материалов: 1-бак постоянного уровня; 2-перегородка; 3 – подводящий трубопровод; 4 - отводящий трубопровод для сброса жидкого материала; 5 трубопровод подводящий жидкий материал к измерительному участку 6; 7, 10 - терморезисторы с выводами 8,9,12,13; 11нагреватель с выводами 14,15. Заключение. Большинство методов и устройств предусматривают определение влажности жидких материалов в лабораторных условиях и имеют нормативную базу на лабораторные исследования. Однако, лабораторные исследования требуют отбора пробы, применение сложного дорогостоящего оборудования и часто очень длительны. Поэтому целесообразно разрабатывать и применять поточные влагомеры для жидких продуктов. Выше было показано, что в области нефтедобычи и нефтепродуктов ряд фирм серийно выпускают поточные влагомеры. Однако в существующей литературе очень мало сведений о разработке поточных влагомеров для многих жидких продуктов, которые производятся и используются в таких областях промышленности как химическая, пищевая, строительная и другие. Для указанных областей производств необходимы непрерывные автоматические влагомеры жидких материалов, обладающие малой стоимостью, простотой конструкции и измерительной схемы отвечающие современным требованиям. Поэтому разработка указанных влагомеров жидких материалов является актуальной задачей. Как уже отмечалось, среди методов и устройств для поточного контроля влажности жидких материалов недостаточно исследованы и разработаны тепловые влагомеры для непрерывного автоматического контроля влажности многих жидких материалов. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Панковский Г.А. Анализ работ в области влагометрии масложирового производства. – Журнал Пищевая и перерабатывающая промышленность. Реферативный журнал, 2003 год, №3.-С.1249. H=const 6 INTERNATIONAL SCIENTIFIC JOURNAL SCIENCE AND INNOVATION SPECIAL ISSUE “MODERN PROBLEMS AND PROSPECTS FOR THE DEVELOPMENT OF DIGITAL TRANSFORMATION IN ENERGY” SEPTEMBER 24, 2025 122 2. Абдеев Р.Г. и др. Пути совершенствования метрологического обеспечения технических устройств для измерения и контроля влагосодержания продукции с учетом возмущающих факторов. – Журнал “Механики XXI веку”. – 2007 год, №6, С.197-201. 3. Копыльцова А.Б., Тарасов Б.П., Шмаков Д.Н. Влагометрия нефти. – Журнал контроль качества продукции.- 2014 год, №6, С.47-55. 4. Сёмин А.А., Белецкий С.Л. Взвешивание и анализ влагосодержания и критерии подбора весов и анализаторов влажности. – Журнал “Инновационные технологии производства и хранения материальных ценностей для государственных нужд”. -2018 год, №9 (9). С.173-184.