Введение к работе
Актуальность темы. Переход современного производства на рыночные отношения и усиление конкуренции производителей вынуждает последних повышать качество продукции и увеличивать эффективность производства. Это вызвало необходимость существенного увеличения ассортимента новых перспективных полимерных, теплоизоляционных и конструкционных материалов, многие из которых по своим физическим свойствам относятся к неоднородным твердым материалам (композиционные, зернистые, дисперсные и волокнистые материалы, металлокерамика и т.п.). Качественные показатели таких материалов и изделий из них в значительной степени определяются режимами технологических процессов теплопереноса и характеризуются их теплофизическими свойствами (ТФС). Неоднородные материалы пред- У ставляют собой гетерогенные системы, обладающие эффективными ТФС, под которыми понимаются среднеинтегральные по достаточно большому объему (площади) значения теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости.
Интенсификация производственных процессов связана с расширением диапазона используемых температур, где учет зависимости ТФС от температуры становится обязательным при проектировании оборудования, а при эксплуатации необходимым требованием проведения контроля ТФС является сохранение структуры дорогостоящих объектов и образцов.
Поэтому особую актуальность приобретает разработка комплексных методов неразрушающего контроля (НК) ТФС различных по природе и физическому состоянию материалов, построение на их базе лабораторных или мобильных установок и приборов, а также внедрение в производство комплексных автоматизированных систем научных исследований (АСНИ), позволяющих повысить оперативность и надежность контроля ТФС, образцов и готовых изделий из различных материалов.
Для современного развития техники теплофизических исследований характерна тенденция к повышению производительности и информативности эксперимента, которая предусматривает два направления. Первое - создание энергомалоемких и быстродействующих методов и измерительных устройств для исследования ТФС различных материалов. Второе - разработка и развитие методов и измерительных устройств, обеспечивающих получение информации о совокупности ТФС в ходе одного эксперимента.
Длительность всего процесса НК можно сократить заменой серии однотипных длительных тепловых измерений одним многостадийным управляемым экспериментом. Поэтому поставленная нами проблема разработки и создания методов, приборов и измерительных систем неразрушающего теп-лофизического контроля, позволяющих повысить точность и оперативность контроля комплекса эффективных ТФС изделий и образцов из неоднородных твердых материалов в заданном диапазоне температур в производственных и лабораторных условиях, является важной и актуальной.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с координационными планами НИР АН СССР на 1976 - 1990 гг., тема 1.9.1.6; Научного совета РАН на 1993 - 2000 гг. по комплексной проблеме "Теплофизика и тепло-
энергетика" (раздел 1.1, тема 1.4); планом НИР Минвуза РСФСР на 1986 -
-
гг., шифр 2.2.7.6; планом Госкомитета РФ по высшему образованию на
-
- 2000 гг.; планом Министерства образования РФ на 1995 - 2000 гг.; планами НИР ТГТУ на 1981 - 2000 гг.
Цель работы состоит в решении проблемы повышения точности и оперативности неразрушающего контроля эффективных теплофизических свойств изделий и образцов различных размеров и форм из неоднородных твердых материалов.
Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
разработки общего подхода применения математического аппарата интегральных пространственно-временных преобразований и интегралывлх характеристик температуры и теплового потока к созданию методов и устройств НК ТФС изделий и образцов из неоднородных твердых материалов;
разработки обобщенной методики НК температурозависимых ТФС изделий и массивных образцов, основанной на контроле и учете их начального неравномерного распределения температуры и использующей зональный принцип в разработанных методах и устройствах НК;
разработки теоретических основ построения новых интегрирующих преобразователей поверхностной температуры для измерительных устройств НК эффективных ТФС изделий и образцов из неоднородных твердых материалов;
разработки методов и устройств НК эффективных ТФС изделий и образцов из неоднородных твердых материалов, слоя сыпучего материала или анизотропных сред;
разработки многостадийных методов НК ТФС изделий и образцов из неоднородных твердых материалов, обеспечивающих повышение оперативности и точности НК эффективных ТФС;
разработки обобщенной методики выбора оптимальных условий НК ТФС, обеспечивающих адекватность его идеализированной модели реальному процессу НК ТФС;
разработки методов уменьшения влияния контактных термических сопротивлений на точность НК ТФС изделий и образцов;
разработки аппаратного, алгоритмического и программного обеспечения мобильных приборов и автоматизированных промышленных систем НК ТФС, а также лабораторных АСНИ ТФС, имеющих доступ к ресурсам локальных и глобальных научно-образовательных компьютерных систем;
проведения промышленных испытаний и внедрение результатов работы.
Научная новизна. Предложена теория комбинированных пространственно-временных интегральных характеристик температуры и теплового потока в плане постановки и решения многомерных краевых задач теплопроводности с начальным неравномерным распределением температуры, положенных в основу принципиально новых методов и устройств НК температурозависимых ТФС материалов изделий и образцов различных размеров и форм.
Разработана единая методологическая база пространственно-временных интегральных характеристик температуры и теплового потока, позволивших осуществить обобщенный подход к созданию методов НК комплекса ТФС изделий и образцов из неоднородных твердых, сыпучих и анизотропных материалов.
Разработан и теоретически обоснован метод измерения интегральной температуры нагреваемого участка поверхности исследуемого образца из неоднородного твердого материала с помощью плоских интегрирующих преобразователей температуры.
Разработан комплекс методов и средств для НК теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости готовых изделий и образцов из неоднородных твердых, сыпучих и анизотропных материалов для реализации в промышленных и лабораторных условиях.
Предложены методы уменьшения влияния контактных термических сопротивлений на точность НК ТФС, основанные на результатах теоретических и экспериментальных исследований и позволяющие учитывать конструктивные особенности и условия контакта измерительного устройства и исследуемого образца.
Впервые предложены обобщенная методика определения условий корректного проведения реального процесса НК ТФС и оценка адекватности математической модели тепловому процессу эксперимента, а также нахождения параметров оптимального режима проведения процесса контроля, включающая в себя: выбор оптимальных размеров измерительных устройств и исследуемых образцов; выбор температурного и временного режима процесса НК ТФС; анализ влияния геометрических размеров исследуемых образцов и измерительных устройств, нелинейности температурной зависимости ТФС, свойств нагревателей и датчиков температуры на точность результатов НК ТФС; выбор числа и длительности экспериментов при многостадийном ведении НК ТФС; выбор вида и типа измерительного устройства в зависимости от свойств исследуемого материала, формы изделия, точности НКТФС.
Разработаны алгоритмы адаптации автоматизированных систем нераз-рушающего контроля и измерительных устройств к изменению внешних условий и отклонению геометрических, временных, режимных параметров НК ТФС от заданных.
Практическая ценность работы. На основе единой методологической базы пространственно-временных интегральных характеристик температуры и теплового потока разработаны и созданы принципиально новые методы НК комплекса ТФС изделий и образцов различной формы из неоднородных твердых материалов.
Разработаны конструкции преобразователей информативных параметров -плоских круглых или прямоугольных интеграторов температуры (ИТ), позволившие упростить конструкции измерительных устройств - зондов, улучшить метрологические и эксплуатационные характеристики приборов и систем НК эффективных ТФС неоднородных, сыпучих и анизотропных материалов.
Разработаны и созданы измерительные устройства, автоматизированные приборы, измерительно-информационные системы (ИИС) и АСНИ для НК эффективных ТФС (теплопроводности X, температуропроводности а и объемной теплоемкости Ср) изделий и образцов из неоднородных твердых материалов.
Создано универсальное математическое, алгоритмическое, программное, метрологическое и техническое обеспечение единой АСНИ, ориентированное на использование любого из разработанных методов и измерительных устройств с одной и той же АСНИ, или одновременно несколько разных измерительных устройств с одной АСНИ.
Созданы различные измерительные устройства - зонды, позволяющие проводить НК ТФС на малом участке поверхности исследуемого образца различных форм (круг, полоса, прямоугольник) из неоднородных материалов с разной пористостью, анизотропией и дисперсностью.
Разработаны и созданы автоматизированные приборы и АСНИ различных структур для проведения НК зависящих от температуры ТФС изделий или образцов из неоднородных твердых материалов.
Разработана методика экспериментального определения контактных термических сопротивлений в реальных измерительных устройствах, позволяющая учитывать в расчетных зависимостях конструктивные неточности, погрешности и свойства поверхности контролируемого изделия.
Реализация научно-технических результатов. Результаты работы были использованы при выполнешш научно-исследовательских работ и в виде автоматизированных приборов, АСНИ и технической документации переданы для использования предприятиям: филиал ВИАМ (г. Обнинск, 1977 г. -экономический эффект - 40 тыс. рублей, 1978 г. - экономический эффект -50 тыс. рублей); предприятие п/я А-1147 (1978, 1979 гг., изготовлена опытная партия приборов НК ТФС в количестве 3 шт., экономический эффект -130 тыс. рублей); НПО "Технология" (г. Обнинск, 1979 г. - экономический эффект - 80 тыс. рублей); НПО "Союз" (г. Люберцы, Московская обл., 1979 г.); п/я Г-4725 (1980 г. - экономический эффект - 45 тыс. рублей); Каз-НИИХП (г. Казань, 1981 г. - экономический эффект - 135 тыс. рублей, 1982 г. - экономический эффект - 122 тыс. рублей, 1984 г. - экономический эффект - 180 тыс. рублей, 1986 г. - экономический эффект - 120 тыс. рублей); НПО "Биотехника" (г. Москва, 1989 г. - экономический эффект -92 тыс. рублей); ВНИПИМ (г. Тула, 1991 г. - экономический эффект -50 тыс. рублей); ВНИИПО (г. Москва, 1990, 1992 гг.); "Тамбоваппарат" (г. Тамбов, 2000 г.); НПО "Энергия" (г. Воронеж, 2000 г.).
Автоматизированная система, позволяющая измерять ТФС плоских образцов и насыпного слоя "САЭНИ-ТФС-87" демонстрировалась на ВДНХ СССР в рамках выставки "Ресурсосбережение-88" и была отмечена серебряной медалью.
Материалы. диссертации используются в учебных курсах ТГТУ при обучении студентов специальностей 21.02.17 и 07.20.00.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были рассмотрены и обсуждались на Всесоюзном совещании "Термия-75" (г. Ленинград, 1975 г.); 5 Европейской конференции по теплофизическим свойствам веществ при высоких температурах (г. Москва, 1976 г.); 5 и 6 Всесоюзных конференциях по теплофизическим свойствам веществ (г. Минск, 1976, 1978 гг.); 5 Всесоюзной теплофизической школе (г. Краснодар, 1987 г.); Всесоюзной конференции "Тепломассообмен и моделирование в энергетических установках" (г. Тула, 1979 г.); 2 Всесоюзном научно-техническом семинаре (НТС) "Метрологическое обеспечение теплофизиче-ских измерений при низких температурах" (г. Хабаровск, 1979 г.); Всесоюзном НТС "Обратные и сопряженные задачи теплопереноса" ГКНТ СССР, ИТТФ УССР (г. Киев, 1979 г.); Всесоюзной научной-технической конференции (НТК) по методам и средствам машинной диагностики состояния газотурбинных двигателей и их элементов (г. Харьков, 1980 г.); Всесоюзном НТС "Современное состояние теплофизического приборостроения" РДЭНТП и ИТТФ АН УССР (г. Киев, 1980 г.); Всесоюзной НТК "Процессы и аппараты производства полимерных материалов, методы и оборудование для переработки их в изделия" (г. Москва, 1982 г.); Всесоюзной НТК "Совершенствование техники, технологии сушки сельскохозяйственных и пищевых продуктов" (г. Полтава, 1984 г.); Всесоюзной НТК "Теплофизические измерения в решении актуальных задач современной науки и техники" (г. Киев, 1987 г.); Всесоюзной НТК "Автоматизация и роботизация в химической промышленности" (г. Тамбов, 1986 г.); Всесоюзной НТК "Методы и средства тешюфизических измерений" (г. Севастополь, 1987 г.); IX и X Всесоюзных теплофизических школах (г. Тамбов, 1988, 1990 гг.); Всероссийской НТК "Математическое и машинное моделирование" (г. Воронеж, 1988 г.); Всесоюзной конференции "Моделирование систем автоматического проектирования, автоматизированных систем научных исследований и гибких автоматизированных производств" (г. Тамбов, 1989 г.); I, II, III Международных теплофизических школах "Теплофизические проблемы промышленного производства" (г. Тамбов, 1992, 1995, 1998 гг.); 14-ой Европейской конференции по теплофизическим свойствам (г. Лион, Франция, 1996 г.); 12-ой и 13-ой Международных научных конференциях "Математические методы в технике и технологиях": ММТТ-12 и ММТТ-2000 (г. Великий Новгород, 1999 г.; г. Санкт-Петербург, 2000 г.); Международной НТК "Информационные технологии и проектирование микропроцессорных систем": ИТ ПМПС-2000 (г. Тамбов, 2000 г.).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в трех книгах и более чем в 90 статьях, докладах, авторских свидетельствах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основная часть диссертации изложена на 336 страницах машинописного текста. Содержит 115 рисунков и 17 таблиц. Список литературы включает 391 наименование. Приложения содержат 194 страниц, включая 42 рисунка и 25 таблиц.
