СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ТВЕРДОГО ТЕЛА
ANALYSIS METHOD FOR NONSTEADY THERMAL CONDITION OF SOLID BODY

Изобретение относится к области тепловых измерений. Разработанный способ может применяться в строительстве, теплотехнике и теплоэнергетике при изучении особенностей нестационарного теплового режима, нахождении теплового баланса и определении теплофизических показателей твердых материалов различного предназначения.
Способ включает в себя бесконтактное неразрушающее тепловое воздействие на поверхность твердого тела источником инфракрасного излучения, период проведения тепловых измерений, регистрацию температур твердого тела с помощью системы термопреобразователей в фиксированных точках координатного пространства, этап построения нестационарного температурного поля твердого тела на основании экспериментальных данных по пространственно-временным координатам.
Известен способ аналитического определения нестационарного теплового режима твердого тела, заключающийся в решении краевой задачи теплопроводности с граничными условиям первого рода. Постановка краевой задачи, включающая условия однозначности: геометрические характеристики, физические и теплофизические параметры, начальные и граничные условия твердого тела - позволяет получить решение дифференциального уравнения теплопроводности и в результате исследовать тепловой режим твердого тела [Лыков А.В. Теория теплопроводности: учеб. для вузов / А.В. Лыков. - М.: Высшая школа, 1967. - С.74-78].
Недостатком данного способа является невысокая точность результатов, так как любой вариант аналитического решения дифференциального уравнения теплопроводности связан с геометрической идеализацией исследуемого объекта и соответствующих ему условий однозначности. Математическая сложность выполнения расчетов температурного поля твердого тела затрудняет исследование его теплового режима.
Известен способ дистанционного измерения температурного поля объектов, основанный на использовании тепловизора и предусматривающий выбор одной или нескольких реперных площадок на поверхности исследуемого объекта. Измерение температуры реперных площадок осуществляют контактным методом. Далее результаты контактной термометрии передают на тепловизор с целью определения отношения «амплитуда пикселя - величина температуры» для конкретных условий выполнения сеанса проведения тепловых измерений и корректирования по этим отношениям первоначальной градуировочной характеристики тепловизора. Определение температурных полей выполняют с помощью преобразования всех зарегистрированных пикселей цифрового изображения в значения температуры с последующим сглаживанием полученных значений с учетом температуры соответствующих реперных площадок исследуемого объекта [Патент РФ 2424496, кл. G01J 25/18, 2009].
К недостаткам данного способа можно отнести техническую сложность выполнения измерений температурного поля поверхности исследуемого объекта, связанную с многоэтапностью работы: определение температур в реперных точках объекта контактным методом; корректировка первоначальной градуировочной характеристики тепловизора; расчет фактического температурного поля исследуемого объекта по результатам калибровки тепловизора. Следует также отметить дороговизну проведения подобных тепловых измерений, обусловленную применением тепловизора в качестве измерителя температурного поля поверхности объекта.
Наиболее близким способом к заявленному изобретению является исследование теплового режима твердого тела с помощью системы термопреобразователей, распределенных по поверхностям и в толще твердого тела. Для создания нестационарного теплового режима в твердом теле используют внутренние источники теплоты - электрические обогреватели переменного или постоянного тока [Теплоэнергетика и теплотехника. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник./Под общ. ред. А.В. Клименко и В.М. Зорина. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - С.379-380].
Недостатком данного способа является применение внутренних источников теплоты, которые искажают температурное поле однородного и изотропного твердого тела. Использование электрических обогревателей, расположенных внутри твердого тела, небезопасно в связи с отсутствием возможности визуального контроля за проведением тепловых измерений.
Техническим результатом изобретения является повышение точности и надежности исследования нестационарного теплового режима твердого тела, повышение безопасности проведения тепловых измерений.
Данный технический результат достигается тем, что нестационарный тепловой режим твердого тела формируют с помощью бесконтактного неразрушающего теплового воздействия на переднюю лицевую поверхность твердого тела источником инфракрасного излучения. Температурное состояние твердого тела в фиксированных точках координатного пространства регистрируют в течение проведения тепловых измерений с помощью системы термопреобразователей, подключенных через аналогово-цифровой преобразователь и конвертер к компьютеру. На основании экспериментальных данных строят нестационарное температурное поле твердого тела по пространственно-временным координатам.
На фиг.1 показана принципиальная схема реализации способа.
На фиг.2-4 показаны схемы расположения термопреобразователей в твердом теле.
На фиг.5 показаны фотографии устройства, с помощью которого реализуют заявленный способ исследования нестационарного теплового режима твердого тела на примере фрагмента ограждающей строительной конструкции из керамического кирпича.
На фиг.6 показаны одномерное температурное поле фрагмента ограждающей строительной конструкции из керамического кирпича вида t=t(x,τ) при нестационарном тепловом режиме и его аппроксимация.
x=0
x=δ
На фиг.7 показано плоское температурное поле фрагмента ограждающей строительной конструкции из керамического кирпича вида t=t(y,z) и t=t(y,z) при нестационарном тепловом режиме.
x
x
x
x
x
0
0
δ
δ
а
а
Источник инфракрасного излучения 1 работает от электрической сети (фиг.1). Исследуемое твердое тело 2 в форме параллелепипеда толщиной 5 расположено на расстоянии s от источника инфракрасного излучения 1. Центральная ось источника инфракрасного излучения 1 и твердого тела 2 совпадают. На участке х∈[0,δ] твердого тела 2 при y=0 и z=0 зафиксированы термопреобразователи 3 в количестве N+1 (фиг.2): T0, T1, T2, …, T(N-1), TN соответственно в точках с координатами х=0, δ/N, 2δ/N, …, (N-1)δ/N, δ. На поверхностях твердого тела 2 в заданных координатах при х=0 и х=δ расположены термопреобразователи 3 с маркировкой соответственно (фиг.3, 4): Т0-Т4 и Т0-Т4. Координаты термопреобразователей 3 на поверхностях твердого тела 2 при х=0 и х=δ (фиг.3, 4) удовлетворяют условиям: |y|≤(0,9÷0,95) и |z|≤(0,8÷0,9)b, где и b - геометрические характеристики поверхностей твердого тела 2 при х=0 и х=δ. Термопреобразователи 3, расположенные в фиксированных точках координатного пространства твердого тела 2, подключены через аналогово-цифровой преобразователь (далее АЦП) и конвертер (условно не показаны) к компьютеру (условно не показан).
Устройство для реализации предложенного способа работает следующим образом.
x
x
x
x
x
0
0
δ
δ
В начальный момент проведения тепловых измерений температурное поле твердого тела 2 однородно и численно равно температуре окружающей среды (фиг.1). С момента реализации заявленного способа энергия в форме электричества поступает из электрической сети к источнику инфракрасного излучения 1, который преобразует и бесконтактно передает часть энергии в виде электромагнитного излучения поверхности твердого тела 2 при х=0. Поток инфракрасного излучения, равномерно падающий на переднюю лицевую поверхность твердого тела 2, преобразуется в теплоту, которая расходуется на нагрев всего объема твердого тела 2. Изменения температур твердого тела 2 вдоль оси 0х регистрируют термопреобразователи 3 (фиг.2): T0, T1, T2, …, T(N-1), TN, а на поверхностях твердого тела 2 при х=0 и х=δ термопреобразователи 3 с маркировкой соответственно (фиг.3, 4): Т0-Т4 и Т0-Т4. Термопреобразователи 3, расположенные в фиксированных точках координатного пространства твердого тела 2, в течение проведения тепловых измерений передают аналоговый сигнал на энергонезависимую память компьютера (условно не показан) через АЦП и конвертер (условно не показаны).
Достоинством предложенного способа является бесконтактный неразрушающий нагрев твердого тела источником инфракрасного излучения, а также схема измерения температур в фиксированных точках координатного пространства, позволяющая исследовать нестационарный тепловой режим твердого тела с минимальным числом термопреобразователей.
Пример конкретной реализации способа
а
Исследуем нестационарный тепловой режим твердого тела на примере фрагмента ограждающей строительной конструкции из керамического кирпича 2 (фиг.5) с геометрическими характеристиками передней и задней лицевой поверхностей =0,250 м и b=0,195 м.
Толщина ограждающей строительной конструкции δ=0,120 м.
В качестве источника инфракрасного излучения использован электрический инфракрасный излучатель марки ЭЛК 10R 1 суммарной мощностью 3 кВт, расположенный на расстоянии s=0,6 м от передней лицевой поверхности ограждающей строительной конструкции из керамического кирпича 2.
В качестве термопреобразователей использованы хромель-алюмелевые термопары 3, координаты расположения которых в ограждающей строительной конструкции из керамического кирпича 2 приведены в таблице.
Координаты расположения хромель-алюмелевых термопар в ограждающей строительной конструкции из керамического кирпича
№ п/п
Координаты (х, y, z), мм
№ п/п
Координаты (х, y, z), мм
№ п/п
Координаты (x, y, z), мм
Т0<sub>0</sub>
0, 0, 0
Т0<sub>0</sub>
0, 0, 0
T0<sub>120</sub>
120, 0, 0
Т1<sub>30</sub>
30, 0, 0
T1<sub>0</sub>
0, -125, 65
T1<sub>120</sub>
120, 125, 65
Т2<sub>60</sub>
60, 0, 0
T2<sub>0</sub>
0, 125, 65
Т2<sub>120</sub>
120, -125, 65
Т3<sub>90</sub>
90, 0, 0
Т3<sub>0</sub>
0, -125, -65
Т3<sub>120</sub>
120, 125, -65
Т4<sub>120</sub>
120, 0, 0
Т4<sub>0</sub>
0, 125, -65
Т4<sub>120</sub>
120, -125, -65
Продолжительность тепловых измерений составила Δτ=3600 с.
Температурное поле фрагмента ограждающей строительной конструкции из керамического кирпича 2 вида t=t(x,τ), построенное в программной среде TableCurve 3D, изображено на фиг.6.
x=0
x=δ
Температурное поле фрагмента ограждающей строительной конструкции из керамического кирпича 2 вида t=t(y,z) и t=t(y,z), построенное в программной среде SigmaPlot 11.0, представлено на фиг.7.
По результатам исследования нестационарного теплового режима передней и задней лицевой поверхностей фрагмента ограждающей строительной конструкции из керамического кирпича заявленным способом и методом инфракрасной диагностики с применением тепловизора SDS HotFind-D установлено, что расхождение измерений температурного поля не превышает 10-12% [Игонин В.И. Некоторые особенности проведения комплексного тепловизионного обследования производственных установок и строительного объекта (статья) / В.И. Игонин, Д.Ф. Карпов, М.В. Павлов, О.В. Стратунов // Научно-технический журнал «Инженерные системы». АВОК - Северо-Запад. - 2011. - №1. - С.46-51].