CN109580427A - 一种模拟微通道阻塞的实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟微通道阻塞的实验方法，本发明旨在提供一种模拟微通道阻塞的试验方法，本发明利用局部加热或制冷的方法模拟微通道发生阻塞时的温度迁移，在模型训练过程中将采集到的流量数据和温度数据作为输入数据，阻塞位置作为输出数据，得到支持向量回归模型，基于支持向量回归模型，在已知微通道外壁温度和微通道内部流体流量的情况下，可以推断出微通道内部阻塞故障的位置，本发明可以有效克服现有技术缺陷，本发明无需使微通道发生形变即可实现阻塞模拟，操作过程简便易行，成本和设计复杂度低，本发明可通过改变加热线或制冷片的温度模拟不同程度的阻塞。
Description
技术领域
本发明涉及微化工的微通道技术领域，尤其是一种模拟微通道阻塞的实验方法。
背景技术
微化工行业作为我国的传统行业，在国民经济中占有极为重要的地位，微化工技术，尤其是制备农业、医药等化工中间体的通过过程强化来实现绿化合成的一门新技术，自20世纪90年代中期，微反应技术兴起以来，微通道反应器的研究和应用受到国内外研究人员的广泛关注，在医学、农药、精细化工产品以及中间体合成等领域中得到越来越广泛的应用，成为化工过程强化领域的重要发展方向之一。
目前对于模拟微通道阻塞的研究，一般是采用在微通道内直接放置阻塞的方法，例如医学中使用到的线栓法和在血管内放置栓塞微球，另外就是从微通道外部入手，通过改变微通道内部的流量来模拟阻塞，比如结扎法，将线缠扎在微通道需要进行阻塞模拟的位置处，使流体无法通过，实现阻塞的目的。
潘莲在《鸡胚卵黄囊膜血管缺血模型的建立与研究》中提出一种方案，以血管结扎法对鸡胚膜腹主血管结扎，为研究血管再生及缺血后再灌注提供研究模型。将鸡胚模型置于放大镜下，用单股尼龙线穿过实验组鸡胚右侧腹主血管，牵拉后确认从血管下穿过并打结，实现血管阻塞。现有技术存在以下缺点：一、现有技术通过结扎模拟阻塞情况，只适用于软管，适用范围小；二、该技术只能模拟完全阻塞情况，模拟效果较为单一。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种模拟微通道阻塞实验方法，本发明利用局部加热或制冷的方法模拟微通道发生阻塞时的温度迁移，在模型训练过程中将采集到的流量数据和温度数据作为输入数据，阻塞位置作为输出数据，得到支持向量回归模型，基于支持向量回归模型，在已知微通道外壁温度和微通道内部流体流量的情况下，可以推断出微通道内部阻塞故障的位置，在实际应用中，通过采集微通道外壁温度，就可以计算出实际的阻塞位置，本发明可以有效克服现有技术缺陷，本发明无需使微通道发生形变即可实现阻塞模拟，根据微通道的传热特点，利用加热线和制冷片模拟阻塞发生时的温度迁移，通过检测微通道表面温度的实时变化，判断微通道内部的阻塞故障位置，操作过程简便易行，本发明可模拟不同程度阻塞，可通过改变加热线或制冷片的温度模拟不同程度的阻塞。
为实现该技术目的，本发明的方案是：一种模拟微通道阻塞的实验方法，本发明中借助的实验平台由恒温水浴箱、平流泵、微通道、温度采集系统、加热线、制冷片组成，所述恒温水浴箱与平流泵连接，所述平流泵的出液端与微通道相连，所述温度采集系统由温度采集卡、贴片传感器、上位机组成，实验开始前，向恒温水浴箱中加入实验所需的纯净水，将恒温水浴箱的工作温度设为实验所需温度，在等待恒温水浴箱加热的过程中，将温度采集系统中的多路贴片传感器均匀放置在微通道各处，当恒温水浴箱中的纯净水温度达到实验要求时，开启平流泵，温度采集系统对微通道的实时温度进行采集，由温度采集系统将温度数据收集并上传至上位机中进行显示和存储，作为实验的基准温度，完成基准温度的采集后，在实验中引入阻塞部分，首先进行放热反应情况下的阻塞实验，保持与采集基准温度时相同的实验条件，在微通道上缠绕加热线模拟阻塞，改变阻塞位置与初始流量，对多路温度数据进行采集，获得放热反应情况下阻塞发生时的温度数据，然后进行吸热反应下的阻塞实验，同样保持与采集基准温度时相同的实验条件，选取与放热反应情况下相同的阻塞位置进行模拟，将制冷片固定在微通道上，改变阻塞位置与初始流量，采集温度数据，获得吸热反应情况下发生阻塞时的温度数据，完成数据的采集后利用滤波器对得到的温度数据进行处理，以降低由于温度采集系统噪声干扰产生的偏差，对处理后的数据进行归一化，归一化后的数据即可作为训练样本进行模型训练，由于微通道的流体行程很短，可以在实验中放置贴片传感器的位置有限，获得的样本容量较小，所以本实验优选支持向量回归(Support Vector Regression，SVR)来进行数据拟合，支持向量回归是在分类支持向量机的基础上发展起来的，常用来处理回归预测等问题，所需训练样本较传统拟合方法更少，且泛化性能好，在各个领域得到了广泛应用，在模型训练过程中将流量数据和温度数据作为输入数据，阻塞位置作为输出数据，得到支持向量回归模型，基于支持向量回归模型，在已知微通道外壁温度和微通道内部流体流量的情况下，可以推断出微通道内部阻塞故障的位置，在实际应用中，通过采集微通道外壁温度，就可以计算出实际的阻塞位置。
支持向量回归的基本原理是假设给定样本集{(x1，x1)，…，(x1，x1)}，xi∈R1通过训练得出函数f(x)，让输入样本的输入值和输入样本所对应的期望值误差在损失函数参数ε内，并且要求曲线尽可能平滑，本发明中优选非线性支持向量回归，通过引入核函数的方法，使输入样本空间的非线性变换到一个高维的线性特征空间，并在此空间中用线性方法解决问题，将原非线性模型转化为特征空间的线性回归模型如式(8)所示：
其中，ω，b是需要进行辨识的参数，将式(8)转化为对偶问题，可得非线性函数：
式(9)中αi和为拉格朗日乘子，κ(Xt，X)为核函数，SVR中核函数的选择目前还没有明确的理论方法指导，常用的有线性核、多项式核、高斯核和S型核，本发明通过比较分析优选高斯核函数，高斯核函数主要用于线性不可分的情形，适用范围广，不受样本的大小及空间维度的影响。
将式(10)代入式(9)中可得
式(11)中，αj为拉格朗日乘子；xj是训练样本输入数据向量，xv是预测样本输入数据向量，f(x)为输出向量集合，通过模型训练可以得出参数αj和b的值，从而得到支持向量回归模型，支持向量回归模型的输入输出共包含三个方面的内容，分别是微通道管壁温度、流体流速和阻塞位置，由于三者之间的单位和量纲不同，不能将其直接作为输入向量，需要通过标准化方法对数据进行处理，min-max标准化方法也称离差标准化方法，是一种线性变换方法，通过此变换可将相应的数据映射到[0，1]区间上，如公式(12)所示，其中x表示样本数据，xmin表示样本数据中的最小值，xmax表示样本数据中的最大值。
在进行训练与预测前，需要对SVR的参数进行确定，SVR中参数的选择直接影响模型预测的效果，对于放热反应情况本研究取最优正规化参数C值为10000，核函数参数g的值取0.55，对于吸热反应情况，最优正规化参数取10000，核函数参数g取0.69，将通过训练得到的模型参数αj和b代入式(11)中，即可得到支持向量回归模型，只需将采集到的温度数据和流量数据输入到支持向量回归模型中，即可判断出微通道内部的阻塞位置。
本发明同现有技术相比具有以下优点：
一、本发明无需使微通道发生形变即可实现阻塞模拟，根据微通道的传热特点，利用加热线和制冷片模拟阻塞发生时的温度迁移，通过检测微通道表面温度的实时变化，判断微通道内部的阻塞故障位置，操作过程简便易行。
二、本发明可模拟不同程度的阻塞，可通过改变加热线或制冷片的温度模拟不同程度的阻塞。
三、本发明成本和设计复杂度低，流量数据由微通道实验系统设定，温度数据通过温度采集系统实时监控，一旦阻塞发生，根据温度数据的变化，利用支持向量回归模型进行计算，即可判断出微通道内部阻塞位置。
附图说明
图1为本发明实验原理图。
图2为本发明微通道内阻塞示意图。
图3为本发明吸放热反应温度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如附图所示，本发明实施例的一种模拟微通道阻塞的实验方法，本发明中借助的实验平台由恒温水浴箱、平流泵、微通道、温度采集系统、加热线、制冷片组成，所述温度采集系统由温度采集卡、贴片传感器、上位机组成，所述恒温水浴箱与平流泵连接，所述平流泵的出液端与微通道相连，所述温度采集系统由温度采集卡、贴片传感器、上位机组成，实验开始前，向恒温水浴箱中加入实验所需的纯净水，将恒温水浴箱的工作温度设为实验所需温度，在等待恒温水浴箱加热的过程中，将温度采集系统中的多路贴片传感器均匀放置在微通道各处，当恒温水浴箱中的纯净水温度达到实验要求时，开启平流泵，温度采集系统对微通道的实时温度进行采集，由温度采集系统将温度数据收集并上传至上位机中进行显示和存储，作为实验的基准温度，完成基准温度的采集后，在实验中引入阻塞部分，首先进行放热反应情况下的阻塞实验，保持与测量基准温度时相同的实验条件，在微通道上缠绕加热线模拟阻塞，改变阻塞位置与初始流量，对多路温度数据进行采集，获得放热反应情况下阻塞发生时的温度数据，然后进行吸热反应下的阻塞实验，同样保持与采集基准温度时相同的实验条件，选取与放热反应情况下相同的阻塞位置进行模拟，将制冷片固定在微通道上，改变阻塞位置与初始流量，采集温度数据，获得吸热反应情况下发生阻塞时的温度数据，完成数据的采集后利用滤波器对得到的温度数据进行处理，以降低由于温度采集系统噪声干扰产生的偏差，对处理后的数据进行归一化，归一化后的数据即可作为训练样本进行模型训练，由于微通道的流体行程很短，可以在实验中放置贴片传感器的位置有限，获得的样本容量较小，所以本发明优选支持向量回归(Support Vector.Regression，SVR)来进行数据拟合，支持向量回归是在分类支持向量机的基础上发展起来的，常用来处理回归预测等问题，所需训练样本较传统拟合方法更少，且泛化性能好，在各个领域得到了广泛应用，在模型训练过程中将流量数据和温度数据作为输入数据，阻塞位置作为输出数据，得到支持向量回归模型，基于支持向量回归模型，在已知微通道外壁温度和微通道内部流体流量的情况下，可以推断出微通道内部阻塞故障的位置，在实际应用中，通过采集微通道外壁温度，就可以计算出实际的阻塞位置。、
支持向量回归的基本原理是假设给定样本集{(x1，x1)，…，(x1，x1)}，xi∈R1通过训练得出函数f(x)，让输入样本的输入值和输入样本所对应的期望值误差在损失函数参数ε内，并且要求曲线尽可能平滑，本发明中优选非线性支持向量回归，通过引入核函数的方法，使输入样本空间的非线性变换到一个高维的线性特征空间，并在此空间中用线性方法解决问题，将原非线性模型转化为特征空间的线性回归模型如式(8)所示：
其中，ω，b是需要进行辨识的参数，将式(8)转化为对偶问题，可得非线性函数：
式(9)中αi和为拉格朗日乘子，κ(Xt，X)为核函数，SVR中核函数的选择目前还没有明确的理论方法指导，常用的有线性核、多项式核、高斯核和S型核，本发明通过比较分析优选高斯核函数，高斯核函数主要用于线性不可分的情形，适用范围广，不受样本的大小及空间维度的影响。
将式(10)代入式(9)中可得
式(11)中，αj为拉格朗日乘子；xj是训练样本输入数据向量，xv是预测样本输入数据向量，f(x)为输出向量集合，通过模型训练可以得出参数αj和b的值，从而得到支持向量回归模型，支持向量回归模型的输入输出共包含三个方面的内容，分别是微通道管壁温度、流体流速和阻塞位置，由于三者之间的单位和量纲不同，不能将其直接作为输入向量，需要通过标准化方法对数据进行处理，min-max标准化方法也称离差标准化方法，是一种线性变换方法，通过此变换可将相应的数据映射到[0，1]区间上，如公式(12)所示，其中x表示样本数据，xmin表示样本数据中的最小值，xmax表示样本数据中的最大值。
在进行训练与预测前，需要对SVR的参数进行确定，SVR中参数的选择直接影响模型预测的效果，对于放热反应情况本研究取最优正规化参数C值为10000，核函数参数g的值取0.55，对于吸热反应情况，最优正规化参数取10000，核函数参数g取0.69，将通过训练得到的模型参数αj和b代入式(11)中，即可得到支持向量回归模型，只需将采集到的温度数据和流量数据输入到支持向量回归模型中，即可判断出微通道内部的阻塞位置。
在实验平台中，恒温水浴箱通过Cu50传感器将水槽内水的温度转换为电阻值，经过集成放大器的放大、比较后，输出控制信号，有效地控制电加热管的平均加热功率，使水槽内的水保持恒温，本发明使用的是单控恒温水浴箱，温控范围为室温到100℃，精度为±0.5℃，恒温水浴箱与平流泵连接，平流泵为2PB系列并联式双泵头结构，左右两柱塞交替往复运动分别配合进出口单向阀开关，完成连续的吸液排液，从而实现恒流输送液体，工作流量范围为0.1～100ml/min，工作压力范围为0～5.0MPa，平流泵的出液端与微通道相连，实验过程中平流泵将连续不断地向微通道中注入流速与温度均恒定的实验流体，温度检测系统由三个部分组成，即温度贴片传感器、温度采集卡和上位机，针对微通道外形尺寸微型化的特点及实验测量精度的要求，选用铂电阻PT100作为温度贴片传感器，测量多个等距间隔位置点的温度情况，温度采集卡采用的是聚英电子有限公司的DAM-PT08温度采集卡，拥有8路PT100采集通道，支持标准Modbus协议，上位机则采用NI公司的标准数据采集和仪器控制软件LabVIEW，LabVIEW与温度采集卡的通信采用了以RS485接口、RTU模式的Modbus为通信协议的方式，计算机即PC机的串口通过一个RS232-RS485的转换器连接到总线上作为Modbus主设备，温度采集卡作为Modbus从设备，从设备在系统中有唯一的地址号，主设备和从设备连接在一条总线上，应用LabVIEW的数据记录和监控模块(DSC)完成标准Modbus通信功能，固定在微通道上的加热线和制冷片则是用来模拟阻塞时的温度迁移，当微通道内发生放热反应时使用在微通道上缠绕加热线的方式来模拟阻塞，加热线内部由康铜加热线和耐火保温玻璃纤维缠绕而成外部为硅橡胶耐热绝缘层，加热线直径2mm，加热面积为3.2π-6.4πmm2，加热范围为0-110摄氏度，使用时将加热线缠绕在模拟阻塞位置处，两端分别与电源和温度控制器相连，可根据实验需要调节加热线温度，制冷片选用的是大小为15*15*3.5mm的半导体制冷片，利用半导体材料的珀耳帖效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，实现制冷的目的，使用时将两个制冷片的吸热面分别固定在微通道上模拟阻塞处的两侧，在放热面均匀涂抹上散热硅脂，接通电源，制冷片即可开始制冷。
本发明的放热反应物理模拟，放热反应情况下阻塞的物理模拟由于微通道直径＜1mm，在实验室条件下很难实现在微通道内部任意位置放置阻塞物，并固定阻塞物，所以采用模拟阻塞的方法进行实验，对于稳态传热过程，在确定范围内，微通道管内流体传热量Φ等于外壁与环境自然对流传热量Φ1与外壁对环境的辐射传热量Φ2之和，即：
Φ＝Φ1+Φ2 (1)
设微通道管内流体流量为M，比热容为C1，则
Φ＝MC1Δtf (2)
其中Δtf为一定距离内微通道管内流体的温度值之差，由式(2)可知，比热容C1为已知量，且微通道管内流体Δtf近似等于微通道管外壁流体温度变化，即Δtf可由实验测得，所以只需求出微通道管内流体传热量Φ值，即可得到温度值与流量值之间的模型关系。由式(1)可知，微通道管内流体传热量Φ可由微通道外壁与环境自然对流传热量Φ1与微通道管外壁对环境的辐射传热量Φ2求出，微通道管外壁与环境自然对流传热量Φ1可通过自然对流传热准则关系式得到：
Nu＝C(Gr·Pr)n＝CRan (3)
按照微通道管外壁温度与外界环境温度的平均值查空气物性数据可知式(3)中的C、n以及Ra的值，从而求得努赛尔常数Nu，再由
h＝Nu(λ/d) (4)
式中λ表示空气热导率，d表示微通道管外直径，h则为微通道与外界环境之间的对流换热系数，设两截面之间外壁面积为A，则根据牛顿冷却定律可得
Φ1＝h(to-te)A (5)
其中to为微通道管外壁温度，te为外界环境温度，均可通过测量得到，Φ2可由辐射传热方程得出
式中ε为不锈钢材料的发射率取0.12，黑体辐射系数Cb＝5.67W/(m2·K4)。由此可推导出微通道管内流体传热量Φ与流体流量M之间的模型关系为
由式(7)可知，两截面之间外壁面积A与微通道管内流体温度差值成正比。如附图所示，当阻塞发生时，微通道内可供流体通过的直径由l2变为l1，即微通道半径变小，从而两截面之间外壁面积A变小，流过微通道的流体流量一定，所以一定距离内微通道管内流体的温度值之差Δtf则会变小，当微通道发生阻塞时，温度随微通道管道长度下降的程度会变缓，会出现温度的局部突增，因此选择在微通道上缠绕加热线的方式来模拟阻塞。
本发明吸热反应情况下阻塞的物理模拟，以碳和二氧化碳反应为例对微通道内发生吸热反应时的温度分布情况进行模拟，从微通道入液端开始，从左至右管道内的温度逐渐升高，这是由于反应物从微通道管道左端进入，首先在微通道管道左端发生反应，开始大量吸热，导致微通道左端管内温度降低，并逐渐向右推进，当温度降低到反应起始温度之下时，反应不再发生，同时停止吸收热量，因此从左至右温度逐渐升高，由此可知，当微通道内发生吸热反应时，微通道内的温度从起始端到末端是逐渐升高的，当微通道内出现阻塞时，阻塞物的周围会出现温度的突增，且反应结束后微通道内的温度终值也增高，如图所示，在吸热反应过程中，阻塞的存在会改变温度曲线的梯度，使梯度变大，终值升高，对于温度上升过程来说，阻塞的发生使梯度变大，从而温度上升幅度增大，终值增高，同理，对于温度下降过程来说，阻塞同样使温度曲线梯度增大，温度下降幅度也变大，终值降低，因此，对于吸热反应采取在微通道上放置制冷片的方法达到使温度下降梯度增大的目的，从而实现吸热反应情况下阻塞故障的模拟。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种模拟微通道阻塞的实验方法，本发明中借助的实验平台由恒温水浴箱、平流泵、微通道、温度采集系统、加热线、制冷片组成，其特征是，所述恒温水浴箱与平流泵连接，所述平流泵的出液端与微通道相连，所述温度采集系统由温度采集卡、贴片传感器、上位机组成，实验开始前，向恒温水浴箱中加入实验所需的纯净水，将恒温水浴箱的工作温度设为实验所需温度，在等待恒温水浴箱加热的过程中，将温度采集系统中的多路温度贴片传感器均匀放置在微通道各处，当恒温水浴箱中的纯净水温度达到实验要求时，开启平流泵，温度采集系统对微通道的实时温度进行采集，由温度采集系统将温度数据收集并上传至上位机中进行显示和存储，作为实验的基准温度，完成基准温度的采集后，在实验中引入阻塞部分，首先进行放热反应情况下的阻塞实验，保持与采集基准温度时相同的实验条件，在微通道上缠绕加热线模拟阻塞，改变阻塞位置与初始流量，对多路温度数据进行采集，获得放热反应情况下阻塞发生时的温度数据，然后进行吸热反应下的阻塞实验，同样保持与采集基准温度时相同的实验条件，选取与放热反应情况下相同的阻塞位置进行模拟，将制冷片固定在微通道上，改变阻塞位置与初始流量，采集温度数据，获得吸热反应情况下发生阻塞时的温度数据，完成数据的采集后利用滤波器对得到的温度数据进行处理，以降低由于温度采集系统噪声干扰产生的偏差，对处理后的数据进行归一化，归一化后的数据即可作为训练样本进行模型训练，在模型训练过程中将流量数据和温度数据作为输入数据，阻塞位置作为输出数据，得到支持向量回归模型，在已知微通道外壁温度和微通道内部流体流量的情况下，基于支持向量回归模型，可以推断出微通道内部阻塞故障的位置，在实际应用中，通过采集微通道外壁温度，就可以计算出实际的阻塞位置。
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