Методы теплотехнических исследований. Лабораторный практикум

ния (СКО) каждой переменной. На каждом вариативном шаге расчета определяется множественный коэффициент корреляции Rмн, критерий Фишера F, коэффициенты регрессии ai, их среднеквадратичные отклонения, свободный член (пересечение) a0, критерий Стьюдента ТС.

По результатам расчета выводятся данные: действительные, измеренные и расчетные значения температуры металла, их разности, среднеквадратичные отклонения этих разностей S1 и S2.

1.3. Описание экспериментальной установки

Работа выполняется на стенде № 3. В состав стенда включаются камерная электропечь; исследуемый объект – пластина с 6 стационарно закрепленными на её поверхности кабельными термопарами ТП-К 05.21-1.5-1000/2000; стационарный оптоволоконный пирометр «Термоскоп 600-ТПИК ВТО» (инфракрасная (ИК) термопара); многоканальный прецизионный измеритель-регулятор температуры «ИРТ МИТ-8»; микропроцессорная компьютеризированная система сбора, хранения и обработки данных; программно-методическое обеспечение стенда, включающее инструкции, паспорта на оборудование, средства измерения и правила техники безопасности; системное и специализированное программное обеспечение для проведения лабораторной работы.

Выбор оборудования для проведения работы осуществляется на основании анализа выданного преподавателем варианта задания и исходных данных, а также имеющихся в наличии средств исследования.

1.4. Порядок проведения работы

Исходные данные для проведения АЭ и ПЭ приведены в табл. 1.1. В соответствии с указанным вариантом подготавливается соответствующее оборудование и составляется схема эксперимента.

Таблица 1.1

Исходные данные для проведения АЭ и ПЭ (число опытов 32)

11

Окончание табл. 1.1

*ТЗ – зональная температура.

**TYE – заданная температура.

1.4.1.Из средств измерений и оборудования стенда сформировать функциональную схему текущего исследования. Согласовать разработанную схему с преподавателем и выполнить необходимую подготовку к началу эксперимента.

Экспериментальная часть работы проводится путем имитации режима нагрева в протяжной печи с помощью программируемого во времени режима камерной печи, когда в одной камере в последовательные промежутки времени осуществляется режим, соответствующий каждому проходу камеры нагрева протяжной печи. Для осуществления данной технологии исследования на измерителерегуляторе камерной печи устанавливается заданное значение температуры, соответствующее температуре Т3, и рассчитывается время нахождения металла по соотношению tпр1 = Lпр / vм, где Lпр – длина прохода камеры печи. По истечении этого времени записываются значения температуры в зоне Т3 по показаниям термопары и температуры металла Т3м по показаниям ИК-термопары.

Затем описанные выше действия повторяются для имитации режима в следующем проходе и определяется время tпр2,измеряется Т4 и Т4м. Данные вносятся в электронную таблицу EXCEL (см. ниже табл. 1.7).

1.4.2.Для проведения аналитического имитационного исследования необходимо получить у преподавателя значения параметров технологического режима и оформить данные в виде электронной таблицы EXCEL, аналогичной табл. 1.2.

12

1.4.3.Установить погрешности выбранных средств исследования

ивнести данные в электронную таблицу EXCEL, аналогичную табл. 1.3. В качестве таких средств могут быть использованы: цифровые термоэлектрические зондовые термометры конвективного, скользящего и штыкового типа; пирометры – яркостные, радиационные, частичного излучения и спектрального отношения. Выбор того или иного типа определяется заданным диапазоном измерения, допустимыми погрешностями технологического режима, предполагаемой методикой измерения. При вводе в расчетную программу значения допустимых погрешностей следует уменьшить в 3 раза (значения

всех σi).

1.4.4. Подготовить экспериментальную установку к работе, включив компьютеризированную систему сбора данных, подготовить ответы на контрольные вопросы и сдать тест на допуск к работе.

13

1.4.5. Провести ПЭ, задав число опытов (9 ≤ N ≤ 80 ), случайную погрешность зональных термометров (0,3 ≤ σ1 ≤10), случайную погрешность пирометра для измерения температуры металла (0,3 ≤ σ3 ≤10) , систематические погрешности зональных термометров (−40 ≤ Tv1 ≤ 40) и (−40 ≤ Tv3 ≤ 40) , интервал варьирования зональных температур (5 ≤ ЗТ ≤ 40) . После получения расчетных данных провести по стандартной методике регрессионный анализ полученных массивов в количестве (1 ≤ М ≤ 5) , исключая каждый раз по

результатам анализа полученных данных несущественные параметры из исходных данных.

1.4.6. Провести АЭ, согласовав с преподавателем тип плана (полный или дробный кратности ½) и введя в расчетные данные значения: 0,3 ≤ σ2 ≤10, 0,3 ≤ σ4 ≤10, −40 ≤ Tv2 ≤ 40 , −40 ≤ Tv4 ≤ 40 и

5 ≤ TYE ≤ 40 . После ввода исходных данных производится расчет и регрессионный анализ полученных массивов в количестве 1 ≤ М ≤ 5 . Каждый раз по результатам расчета из анализа полученных данных исключаются несущественные исходные данные. При этом по согласованию с преподавателем может быть выбран один из планов: полный – 32 эксперимента или дробный кратности ½ – 16 экспериментов.

1.4.7. Для сравнительного анализа с АЭ в ходе ПЭ провести 5 серий экспериментов при разных значениях N (10, 16, 32, 55, 80), внося результаты в электронную таблицу EXCEL (табл. 1.4).

1.4.8. Провести 5 серий ПЭ при разных значениях σ1 (0,33; 1,7; 3,3; 5; 10) и σ3 (0,33; 1,7; 3,3; 5; 10) при N = 32. Данные внести в электронную таблицу (табл. 1.5).

14

1.4.9.Провести 5 серий ПЭ при принятых в п. 1.4.8 значениях параметров, но при разных значениях Tv1 и Tv3 (3, 5, 10, 20, 40). Результаты внести в табл. 1.5.

1.4.10.Провести 2 серии ПЭ при заданных в табл. 1.1 значениях параметров с использованием ПФЭ и ДФЭ. Результаты внести в табл. 1.6.

1.4.11. Провести по 5 серий ПФЭ при принятых исходных параметрах, но разных значениях σ1 и σ3; Tv1 и Tv3; Tv2 и Tv4. Данные внести в табл. 1.5.

1.5.Обработка результатов исследования

1.5.1.Результаты исследования необходимо аппроксимировать степенным уравнением n-го порядка. Вид уравнения подбирается

15

таким образом, чтобы описать полученную температурную зависимость с заданным коэффициентом корреляции. Полученные результаты оформить в виде электронной сводной таблицы (табл. 1.7).

Построить графики зависимостей Rмн = f(n), где n – число введенных переменных. Сделать вывод об изменении Rмн и коэффициентов регрессии ai при изменении числа слагаемых степенного уравнения для экспериментов АЭ и ПЭ.

1.5.2. Построить в EXCEL графики зависимостей S1 = f(N), S2 = f(N) для ПЭ и АЭ.

1.5.3. Определить число опытов, необходимых для получения предварительно заданной точности воспроизведения температуры металла ± 5; 10 °С для ПЭ и АЭ.

1.5.4. Построить в EXCEL графики следующих зависимостей: S1 = f(σ1); S1 = f(σ2); S1 = f(σ3); S1 = f(σ4); S2 = f(σ1); S2 = f(σ2); S2 = f(σ3); S2 = f(σ4); S1 = f(Tv1); S1 = f(Tv2); S1 = f(Tv3); S1 = f(Tv4); S2 = f(Tv1); S2 = f(Tv2); S2 = f(Tv3); S2 = f(Tv4); R = f(Tv1); R = f(Tv2); R = f(Tv3); R = f(Tv4); R = f(σ1); R = f(σ2); R = f(σ3); R = f(σ4) (R – частный коэффициент корреляции).

1.5.5.Сделать выводы о характере влияния погрешностей средств исследования на точность регрессионных моделей и выбрать необходимый тип уравнения из табл. 1.7 для проведения натурного исследования на лабораторной печи.

1.5.6.Провести натурное исследование, выбрав наилучшие по показателям план и средства эксперимента. Данные внести в табл. 1.8.

Сравнить полученные результаты и сделать окончательный вывод.

16

1.6. Требования к отчету о работе

Для защиты работы необходимо представить отчет, содержащий краткий конспект теоретического введения, таблицы результатов исследования, соответствующие графики зависимостей и выводы. Отчет следует представить в виде презентации (5-6 слайдов), выполненной средствами Power Point.

1.7.Контрольные вопросы

1.Что включает в себя метасистема информационного потока?

2.В чем преимущества и недостатки ПЭ?

3.В чем смысл применения ПЭФ?

4.Какие средства исследования температурного режима печей применяют на практике?

5.В чем заключаются принципиальные отличия ПЭ и АЭ?

6.С какой целью применяют имитационное моделирование системы исследований?

7.Каковы цели идентифицирующего теплотехнического исследования?

8.Зачем проводится аванисследование теплотехнических агрега-

тов?

9.Почему аванисследование проводится перед натурными промышленными и лабораторными экспериментами?

10.Какой физический смысл имеют коэффициенты регрессионной зависимости?

11.О чем свидетельствует величина коэффициента множественной корреляции?

12.Что можно установить по регрессионной зависимости при теплотехническом исследовании?

13.Как проверяется значимость коэффициентов регрессионной зависимости?

14.Есть ли теплотехнический смысл в значении свободного члена регрессионной зависимости?

15.Как следует понимать термин «вероятностнодетерминированная имитационная теплотехническая модель»?

18

Лабораторная работа 2

РАЗРАБОТКА И ИДЕНТИФИЦИРУЮЩЕЕ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕПЛОВОГО ОБЪЕКТА

(4 часа)

2.1.Цели работы

1.Приобрести навыки экспериментального и аналитического исследования динамики изменения температурных режимов нагрева термически «массивного» металла в методических нагревательных печах.

2.Освоить методику разработки и практического применения идентифицирующего алгоритма температурного режима печи.

3.Освоить формы информационного представления схемы исследования, отображения динамики температурного режима, табличное представление автоматизированного заключения о качестве нагрева.

4.Научиться методологии проведения автоматизированной параметрической идентификации модели режима нагрева в методической печи.

2.2.Теоретическое введение

Достижение гарантированных теплотехнических режимов нагрева в промышленных печах является необходимым условием обеспечения современного уровня развития техники. Однако до настоящего времени в практике изучения тепловой работы печей не разработаны достаточно надежные и простые методики проведения соответствующих теплотехнических исследований, поскольку такой эксперимент является трудоемким, затратным и длительным по времени.

Настоящая лабораторная работа знакомит с современной информационной технологией идентифицирующего исследования и автоматизированной экспертной оценки качества теплотехнического режима печи и нагрева металла в промышленной печи по результатам экспериментального изучения динамики процесса нагрева.

Теплотехнический режим нагрева следует рассматривать как двуединое целое – тепловой и температурный режимы функционирования рабочего пространства печи и температурный и тепловой режи-

19

мы прогрева металла, ограниченные пространственно-временными рамками существующего печного агрегата.

Вся процедура исследования разбивается на два этапа:

1.Экспериментальное теплотехническое исследование режима нагрева в пространственно-временном отображении.

2.Аналитико-дедуктивная обработка полученных результатов с привлечением методов экспертной теплотехнической оценки.

Последовательное отображение этапов исследования показано на рис. 2.1.

Экспериментальное исследование теплотехнического режима

Экспериментальные данные существующего теплотехнического режима

Аналитико-дедуктивное описание и исследование экспериментальных данных

Автоматизированная экспертная оценка качества существующей технологии нагрева и прогнозирование гарантированного теплотехнического режима

Рис. 2.1. Структурная схема проведения автоматизированного идентифицирущего аналитико-прогнозирующего теплотехнического исследования режима нагрева металла в печных агрегатах

20