Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Энергообеспечение предприятий и теплотехника»

УТВЕРЖДАЮ Зав. кафедрой ______________________Н.П. Жуков подпись, инициалы, фамилия «___» _____________________ 2017 г.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к бакалаврской работе на тему:

«Исследование  метода неразрушающего определения теплопроводности защитного покрытия их ПВХ на стальном изделии»

Автор бакалаврской работы Полковников Дмитрий Владимирович

фамилия, имя, отчество

Группа БТЭ41

Направление 13.03.01 – «Теплоэнергетика и теплотехника»

номер, наименование

Обозначение бакалаврской работы _____________ ТГТУ.13.03.01.015 ДЭ

Обозначение титульного листа работы __________ТГТУ. 13.03.01.015 ТЭ–ТЛ

Руководитель работы Н.Ф.Майникова

подпись, дата инициалы, фамилия

Нормоконтролёр _ А.А. Балашов

подпись, дата инициалы, фамилия

Тамбов 2017 г.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Энергообеспечение предприятий и т еплотехника»

УТВЕРЖДАЮ Зав. кафедрой __________________Н.П. Жуков подпись, инициалы, фамилия «___» _________________ 2017 г.

ЗАДАНИЕ НА БАКАЛАВРСКУЮ РАБОТУ

Студент ________Полковников Д.В.____________ __код 13.03.01.015 группа БТЭ41

фамилия, инициалы

Обозначение бакалаврской работы ТГТУ. 13.03.01.015 ДЭ

Обозначение задания на бакалаврскую работу_____ТГТУ. 13.03.01.015 ТЭ-ЗД

1. Тема «Исследование метода неразрушающего определения теплопроводности защитного покрытия из ПВХ на стальном изделии»

утверждена приказом по ТГТУ № 68-08 от « 16 » мая 2017 г.

2. Срок предоставления работы к защите « 26 » июня 2017 г.

3. Исходные данные: Метод неразрушающего контроля предусматривает нагрев с постоянной мощностью местного участка поверхности объекта. Полимерно-металлический объект: основание из стали 40 с покрытием из ПВХ.. Диаметр измерительного зонда 50 мм, диаметр нагревателя 20 мм.

4. Перечень разделов пояснительной записки:

4.1. Обзор литературных источников по теме: «Тепловые методы неразрушающего контроля двухслойных изделий»_____________________________

4.2. Теоретическое обоснование и аппаратурное оформление неразрушающего теплового

метода. ________________________________________________________

4.3. Свойства материалов, применяемых для изготовления двухслойных полимерно-металлических изделий ______________

4.4. Имитационное исследование метода неразрушающего контроля. _____________________

4.5. Заключение _________________________________________________________________

4.5. Список использованных источников______________________________________________

Руководитель работы: ___________________________________________Н.Ф. Майникова

подпись, дата инициалы, фамилия

Задание принял к исполнению: ________________________________________ __Д.В. Полковников

подпись, дата инициалы, фамилия

АННОТАЦИЯ

Выпускной бакалаврской работы на тему: «Исследование метода неразрушающего определения теплопроводности защитного покрытия из ПВХ на стальном изделии».

Год защиты работы: 2017.

Направление подготовки: 13.03.01 – « Теплоэнергетика и теплотехника»

Автор: студент группы БТЭ-41 Полковников Д.В.

Руководитель работы: д.т.н., профессор кафедры «Энергообеспечение предприятий и теплотехника» ФГБОУ ВО Тамбовского государственного технического университета – Майникова Н.Ф.

Выпускная бакалаврская работа посвящена численному исследованию метода неразрушающего контроля качества двухслойных изделий, состоящих из стали 40 с поливинилхлоридным покрытием.

Выбрана измерительная схема зондового метода неразрушающего контроля. Измерительный зонд снабжён круглым плоским нагревателем постоянной мощности, встроенным в подложку из теплоизоляционного материала.

Квалификационная бакалаврская работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, содержащего 27 ссылок. Содержание работы изложено на 56 страницах машинного текста, включая 42 рисунка и 4 таблицы.

ABSTRACT

Graduation bachelor's thesis on a theme: "research of a method of nondestructive determination of thermal conductivity of the protective coating of PVC on steel product".

Year of operation: 2017.

Direction of training: 13.03.01 – "heat Power engineering"

Author: student of BTE-41 Colonels D. V.

Supervisor: doctor of Sciences, Professor of the Department "energy Supply companies and engineering" FSBEI Tambov state technical University, Mordovian N. F.

Graduation bachelor work is devoted to numerical study of a method of nondestructive quality testing of two-layer products consisting of 40 steel with PVC coating.

The selected measurement scheme of the probe method of nondestructive testing. The probe has a circular flat heater of constant power, built-in substrate of insulating material.

Qualification bachelor work consists of introduction, four chapters, conclusion, list of references, contains 27 references. The content of the work contained 56 pages of text engine, including the 42 figure, and 4 tables.

Содержание ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И АББРЕВИАТУР……………3 ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………..4 1 Обзор литературных и патентных источников по теме: «Методы и средства неразрушающего теплофизического контроля полимерных покрытий на металлических основаниях»………………………………………………………6 1.1 Классификация методов теплофизического контроля…………………6 1.2 Схема измерительной системы для определения теплофизических свойств веществ………………………………………………………………12 1.3 Полимерные покрытия различного назначения на металлических изделиях …………………………………………………………………….16 1.4 Выводы по главе 1………………………………………………………19 2 Теоретическое обоснование и аппаратурное оформление неразрушающего теплового метода………………………………………………………………20 2.1 Физическая модель метода………………………………………….…21 2.2 Математическая модель нестационарного теплопереноса для двухслойной системы……………………………………………….…………….22 2.3 Измерительная система, реализующая метод неразрушающего контроля…………………………………………………………………….24 2.4 Порядок осуществления измерительных операцій………………….27 2.5 Выводы по главе 2………………………………………………………28 3 Свойства материалов, применяемых для изготовления двухслойных полимерно-металлических изделий………………………………………….29 3.1 Свойства материалов, применяемых для изготовления двухслойных полимерно-металлических изделий……………………………………….29 3.2 Свойства поливинилхлорида………………………………………….33

Перечень условных обозначений и аббревиатур

	 температуропроводность, м2/с;
c	 удельная теплоемкость, Дж/(кгК);
h1	 толщина слоя покрытия, мм;
h2	 толщина металлической пластины, мм;
L1	 длина образца, мм;
L2	 ширина образца, мм;
Rн	 диаметр нагревателя, мм;
Rиз	 диаметр подложки измерительного зонда, мм;
q	 тепловой поток, Вт/м2;
Q	 тепловая мощность, Вт;
	 температура, С;
	 тепловая активность, Втс0,5/(м2К);
	 теплопроводность, Вт/(мК);
	 плотность материала, кг/(м3);
	 время, с;
T	 температура, К;.
	 шаг измерения температуры, с;
ИC	 измерительная система;
ИЗ	 измерительный зонд;
Н	 нагреватель;
НК	 неразрушающий контроль;
ПМ	 полимерный материал;
ТП	 термоэлектрический преобразователь;
ТФС	 теплофизические свойства;
ТМ	 тепловой метод;
У	 усилитель;
БП	 блок питания.

Введение

Совершенствование известных и создание новых методов и средств контроля качества (толщины, теплопроводности, наличия дефектов и др.) двухслойных изделий, состоящих из высокотеплопроводного основания и низкотеплопроводного покрытия, востребованы и являются актуальными в связи с большими объемами строительства бассейнов, спорткомплексов, различных зданий с большими площадями перекрытий и высоким остеклением.

Тепловые методы неразрушающего контроля (НК) и диагностики позволяют определять качество исследуемых материалов и готовых двухслойных изделий по теплофизическим свойствам (ТФС), к числу которых относятся теплоемкость, теплопроводность, температуро-проводность, тепловая активность [1-3].

В случае НК активными тепловыми методами искомое ТФС проявляются через температурный отклик (термограмму) исследуемого объекта на тепловое воздействие, которому он подвергается в специально организованном эксперименте [1-5].

В настоящее время для обработки данных эксперимента при НК ТФС материалов и двухслойных изделий с высокотеплопроводным основанием (металл) и низкотеплопроводным покрытием (полимер) применяют в основном два подхода.

Во-первых предполагается получение и использование эмпирических зависимостей на основе проведения большого числа экспериментов в достаточно узком диапазоне контролируемых свойств и материалов. Достоинством данного подхода является простота математического обеспечения измерительных систем. Появляется возможность реализации приборов измерения дешевыми техническими средствами. Существенный недостаток первого подхода ─ достаточную точность можно обеспечить лишь для узкого класса материалов. [1,5].

Во-вторых, предполагается использование аналитических моделей, получаемых решением классических задач теплопроводности. Высокая точность в широком диапазоне исследуемых свойств ─ неоспоримое достоинство этих элементов. И все же это не позволяет учесть все индивидуальные особенности конкретных процессов измерения, несмотря на относительно точное и подробное математическое описание динамики тепловой системы. К тому же расчетные и экспериментальные термограммы не совпадают на всем временном интервале. Таким образом, методы второго подхода не дают возможности избежать значительных погрешностей во всем диапазоне измерения [6, стр.7].

Тепловое воздействие и получение измерительной информации в процессе эксперимента можно осуществлять лишь на ограниченном участке поверхности исследуемого объекта, тем самым затрудняется проведение тепловых методов неразрушающего контроля ТФС. Исходя из этого, разработка физико-математических моделей, наиболее точно описывающих тепловые процессы в объектах контроля. При создании новых методов неразрушающего контроля ТФС это самая важная им сложная задача [6].

В пределах временного интервала изменения на термограмме (зависимости температурного отклика от времени) имеются рабочие участки (или один участок), для которых обеспечивается высокая точность совпадения с результатами вычислительных экспериментов по аналити-ческим моделям, причем этим участкам соответствуют тепловые режимы опыта, вышедшие на стадии регуляризации [6].

Таким образом, исследование метода НК ТФС защитных покрытий на металлических основаниях ─ актуальная задача.

Предметом исследования бакалаврской работы является тепловой метод контроля качества двухслойных изделий, который позволяет получить объективную и достоверную картину зависимостей температурных полей в двухслойном изделии с покрытием из ПВХ.

Первая глава бакалаврской выпускной работы посвящена обзору литературных и патентных источников по выбранной теме. В ней представлена краткая классификация метода неразрушающего контроля качества, описано назначение каждого метода, приведена информация по средствам теплового НК, и дано краткое описание двухслойных материалов и полимерно-металлических изделий.

Вторая глава работы посвящена теоретическому обоснованию и аппаратурному оформлению теплового метода НК. Представлена физическая модель метода, математическая модель нестационарного теплопереноса для двухслойной системы. Приведена схема измерительной системы, реализующей метод НК, а также описан порядок измерительных операций.

В третьей главе работы приведены свойства материалов, которые используются для изготовления двухслойных полимерно-металлических покрытий.

Четвертая глава посвящена имитационному исследованию теплового метода НК. Представлены результаты имитационного исследования процесса нестационарного теплопереноса для двухслойной системы.

Бакалаврская работа состоит из введения, четырех глав, выводов по каждой главе и списка литературы (27 наименований).

1 Обзор литературных источников по теме: «Классификация методов и приборов для измерения теплофизических свойств»

1.1 Классификация методов теплофизического контроля.

Методы, предназначенные для определения теплофизических свойств веществ, могут классифицироваться по следующим признакам: по измеряемому ТФС; в зависимости от требований к форме и размерам образцов; в зависимости от характера изменения значений температуры и тепловых потоков во времени; по характеру изменения внешнего теплового воздействия во времени [1–5].

1.1.1 Методы для ТФС по измеряемому теплофизическому свойству.

Для определения одной теплофизической величины, например [1]:

­– удельной теплоемкости;

– объемной теплоемкости;

– теплопроводности;

– температуропроводности;

– динамической вязкости;

– коэффициента диффузии.

Для определения комплекса теплофизических свойств:

– объемной теплоемкости, теплопроводности и температуропроводно-сти;

– теплопроводности и вязкости;

– температуропроводности и коэффициента диффузии.

Теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность являются важнейшими характеристиками веществ и материалов, так как входят в качестве коэффициентов во все уравнения аналитической теории теплопроводности. Количественные расчеты тепловых и температурных полей реальных тел возможны только тогда, когда известны конкретные значения теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности материала эти тел [2].

Необходимым условием распространения тепла является наличие температурного градиента. Опыт показывает, что передача тепла теплопроводностью происходит по нормали к изотермической поверхности от мест с большей температурой к местам с меньшей температурой [3].

Основной закон теплопроводности: плотность теплового потока прямо пропорциональна напряженности температурного поля, или плотность теплового потока прямо пропорциональна градиенту температуры [3].

Температуропроводность – это физическое свойство вещества, от которого зависит скорость изменения температуры в нестационарных процессах [3].

1.1.2 Теплофизические методы и приборы различаются в зависимости от требований к форме и размерам образцов [1,3,5,6].

Методы:

1) работающие с одномерными образцами и простой формы, например, в виде:

– неограниченной пластины;

– неограниченного цилиндра;

– шарового слоя;

2) работающие с двухмерными образцами простой формы, например, в виде:

– неограниченного бруса;

– полупространства;

– цилиндра ограниченной длины и т.п.;

3) работающие с трехмерными образцами, например, в виде:

– параллелепипеда;

– цилиндра ограниченной длины, обогреваемого неравномерно распределенным внешним тепловым потоком и т.п.

1.1.3 Методы определения теплофизических свойств классифицируют в зависимости от характера изменения во времени температуры и тепловых потоков [1].

Различают:

1. Стационарные методы и средства, предназначенные для измерения теплофизических свойств веществ после завершения всех тепловых переходных процессов в исследуемом образце, т.е. в условиях T = const, и q = const, [4].

Стационарный метод применяется для контроля теплофизических свойств изделий с анизотропией теплопроводности, контроля пористости, излучательной способности объектов.

Контролируемые параметры: теплопроводность, теплоемкость, коэффициент излучения, излучательная способность. Данный метод не может применяться при недопустимой температуре нагрева объекта, временной и пространственной нестабильности излучения объекта [4].

2. Нестационарные методы и средства, предназначенные для измерения теплофизических свойств материалов и изделий в ходе теплового переходного процесса, когда T ≠ const, и/или q ≠ const, [4].

Нестационарный метод применяется для контроля теплофизических свойств материалов с большой теплопроводностью, динамики нагрева (охлаждения) объектов, контроля дефектов типа нарушения сплошности в сотовых и композитных материалах, полимерах, контроля тепловых деформаций.

Контролируемые параметры: теплопроводность, тепловая постоянная времени, размер дефектов, температурная деформация [4].

1.2 Схема измерительной системы для определения теплофизических свойств веществ.

В основу всех современных теплофизических методов и приборов положено то, что искомое теплофизическое свойство находится через температурный отклик рассматриваемого образца на внешнее тепловое воздействие, которому подвергают этот образец в ходе специально организованного эксперимента.

Устройство задания тепловых воздействий (УЗТВ) позволяет создавать в образце необходимые начальные условия (НУ) за счет управления граничными условиями (ГУ) и внутренними источниками тепла (ВИТ), а затем в ходе эксперимента изменять значения ГУ и ВИТ по закону, заданному программным обеспечением персонального компьютера (ПК). Устройство УРО и СКД служит для размещения образца и для создания контактного давления на внешних поверхностях образца, что позволяет снизить контактные тепловые сопротивления на граничных поверхностях образца [4].

Блок измерительных преобразователей (БИП) включает в себя преобразователи температуры (ПТ), преобразователи теплового потока (ПТП), преобразователи других величин (ПДВ), например, устройства для измерения электрической мощности, тока, напряжения и т.п. Коммутатор обеспечивает возможность подключения выходного сигнала любого из измерительных преобразователей ко входу усилителя (У), коэффициент передачи которого задается персональным компьютером ПК. Выходной сигнал усилителя преобразуется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в цифровой сигнал, воспринимаемый персональным компьютером ПК. Устройство боковой защиты образца (УБЗО) позволяет создать необходимые тепловые условия на боковых поверхностях исследуемого образца, например, адиабатические условия, позволяющие исключить теплообмен боковых поверхностей образца с окружающей средой.

Персональный компьютер (ПК) обеспечивает управление ходом эксперимента как во время его подготовки, так и во время активной стадии проведения эксперимента. Системный адаптер (СА) позволяет проводить теплофизический эксперимент в режиме удаленного доступа через Интернет [3].

Рисунок 1.1 – Схема компьютерного устройства измерительной системы для определения ТФС веществ. Обозначения блоков представлены в тексте

На схеме (рисунок 1.1) представлены следующие обозначения:

ИУ – измерительное устройство; УЗТВ – устройство задания тепловых воздействий на образец, обеспечивающее управление начальными условиями (НУ), граничными условиями (ГУ) и внутренними источниками тепла (ВИТ); БИП – блок измерительных преобразователей, включающий в себя преобразователи температуры (ПТ), преобразователи теплового потока (ПТП), преобразователи других величин (ПДВ); У – усилитель; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; УРО и СКД – устройство для размещения образца и создания контактного давления; УБЗО – устройство боковой защиты образца от теплообмена с окружающей средой; ПК – персональный компьютер, включаю-щий в себя: П – процессор; Кл – клавиатуру; ЦОУ – цифровое отсчетное устройство; Пр – принтер; СА – системный адаптер; ЗУ – запоминающее устройство.