Методы теплотехнических исследований. Лабораторный практикум

Для проведения идентифицирующего исследования сигналы с нескольких протяжных кабельных термоэлектрических термометров, установленных предварительно в исследуемых точках (как минимум на поверхностях «верх» и «низ», в «центре») термически «массивного» опытного образца (заготовки), а также закрепленного на опытной заготовке термометра, обращенного рабочим спаем в пространство печи, непрерывно подаются на автоматическую микропроцессорную систему сбора, хранения и передачи данных. Заготовка, двигаясь вместе с основным металлом внутри печи, нагревается и выдается после нагрева из печи для прокатки. При этом автоматически регистрируется пространственно-временной температурный режим нагрева металла и позонный температурный режим рабочего пространства печи. Данные экспериментального нагрева вносятся в файл, из которого поступают в программный блок идентифицирующей экспертной оценки качества теплотехнического режима печи и нагрева металла.

Качество теплотехнического режима нагрева принято оценивать по следующим критериям:

–отсутствие нарушений по допустимой температуре нагрева поверхности металла и кладки печи;

–отсутствие нарушений по допустимому перепаду температуры в сечении нагреваемого металла на протяжении нагрева;

–отсутствие на выдаче непрогретых до температуры последующей тепловой и механической обработки участков заготовки – «темных пятен»;

–высокая эффективность теплоусвоения металла в ходе нагрева;

–низкая окисляемость и отсутствие обезуглероживания поверхности нагреваемого металла;

–высокий коэффициент использования топлива и тепла. Теплотехническим объектом является физическая модель,

реализованная с помощью камерной печи, управляемой программно по режиму, автоматически воспроизводящему режим работы методической нагревательной печи. В этом случае температурные уставки автоматически изменяются в соответствии с заданными значениями температуры в зонах методической печи. При этом длительность стабилизации каждого заданного значения в последовательной очередности должна соответствовать времени нахождения металла в этой зоне. Таким образом удается

пространственно-временной график теплотехнического режима заменить на последовательно-временной график режима с доста-

21

точно адекватным результатом по характеру нагрева металла. Заданные значения автоматически отслеживаются программой в координатах «изменение температуры – время» измерителемрегулятором.

В качестве режимов, которые обычно используются при нагреве металла в методических печах, рассматриваются следующие: 1-ступенчатый, 2-ступенчатый и 3-ступенчатый.

Наглядное представление регистрируемого режима лучше всего совмещать с изображением рабочего пространства печи, которое может быть получено сканированием чертежа и составлением комбинированного изображения «график – рисунок» или, что наиболее целесообразно, получать единое графическое отображение температурного режима и конфигурации рабочего пространства. Преимущества такого представления очевидны:

1)единое масштабирование;

2)полная идентичность отображения графиков на пространствен- но-временной сетке, что облегчает и повышает качество теплотехнического анализа.

На рис. 2.2 показана реализация такого приема отображения.

Рис. 2.2. Термометрирование опытного сляба на методической печи

22

2.3. Описание экспериментальной установки

Работа выполняется на стенде № 4. В состав стенда включаются камерная электропечь; исследуемый объект – опытный образец термически «массивного» тела с 6 стационарно установленными кабельными термопарами; двухсенсорная (пирометр и термопара) система контроля температуры металла «FTS 500/2000» в печи с блоком программного управления и визуализации; 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.

Качество режима нагрева металла оценивается автоматизированным программным блоком идентификации качества нагрева (БИКН). Результаты экспериментального исследования теплотехнических режимов (изменения температуры печи и нагреваемого металла в процессе нагрева) вводятся в файл исходных данных БИКН, который выдает идентификационную электронную таблицу и графическое отображение, позволяющее оценить теплотехническое качество реализации исследуемого режима. Предварительно в БИКН вводятся настроечные и исходные параметры. Пример расчета температурного режима нагрева металла приведен в файле, пиктограмма которого отображена на рис. 2.3. Щелкнув дважды левой кнопкой «мыши» на изображении пиктограммы, можно открыть доступ к рабочей версии программного блока идентификации, в который требуется при выполнении работы ввести исходные данные – результаты экспериментального исследования нагрева – и получить результаты расчетов и экспертные оценки качества режима нагрева заготовки в методической печи с прогнозом параметров гарантированного режима нагрева.

C:\Documents and

Settings\user\Deskto

Рис. 2.3. Пиктограмма идентифицирующе-прогностической программы

23

2.4.Порядок проведения работы

2.4.1.Получить вариант исходных данных для выполнения работы из табл. 2.1.

* МЗ – методическая зона печи.

**СЗ – сварочная зона печи.

***ТЗ – томильная зона печи.

2.4.2. Подготовить табл. 2.2 для программирования режима нагрева на измерителе-регуляторе. Значения времени нагрева в зонах определить расчетом по соотношению

ti = tнli , L

где tн – общее время нагрева, мин;

li – длина соответствующей зоны (определяется из табл. 2.1 и согласовывается с преподавателем);

L – длина активного пода печи, м.

24

Таблица 2.2

Параметры программирования

2.4.3. Запрограммировать измеритель-регулятор для выполнения заданного режима и включить установку, при этом регистрировать значения температуры печи, заготовки в центре, на верхней и нижней поверхностях с интервалом

t = tн , N

где tн = b Z ; N – количество заготовок в печи;

N = L – для толкательной печи; b

N = L – для печей с шагающим подом и шагающими балками.

S

Результаты исследования внести в заранее подготовленную электронную таблицу EXCEL (табл. 2.3) отображения конфигурации рабочего пространства и графиков режима нагрева. Для этого использовать покоординатный ввод данных отображения пространства печи (см. рис. 2.2) согласно полученному заданию и расчетным данным.

2.4.4. По окончании процесса нагрева ввести в идентифицирующую программу необходимые данные экспериментального исследования и параметры экспертных оценок:

1)начальный номер интервала регистрации;

2)стартовый момент времени начала эксперимента и величину интервала регистрации;

3)начальную координату положения заготовки в печи и длину координатного шага в пространстве печи;

4)файл полученных данных регистрации значений температуры: верней грани опытной заготовки Тв, нижней грани заготовки Тн, геометрического центра заготовки Тц, рабочего пространства печи Тп.

25

2.4.5. Провести автоматизированный анализ качества режима нагрева, используя программный блок БИКН, который на каждом интервальном шаге процедуры автоматизированной идентификации и прогнозирования предоставляет следующую текущую и интегральную информацию:

1)относительную и абсолютную нессиметричность прогрева металла по толщине с текстовым сообщением о наличии таковой и ее координатах в рабочем пространстве печи и текущем времени;

2)значение перепада температур по толщине исследуемой заготовки с текстовым сообщением о превышении допустимого уровня и указанием координат и текущего времени этого нарушения в рабочем пространстве печи;

3)мгновенные значения скорости нагрева верхней и нижней поверхностей и центра опытной заготовки с текстовым сообщением о малоэффективности нагрева и указанием координаты и времени для идентификации;

4)изменение текущих значений удельного времени нагрева с текстовым покоординатным сообщением об их отклонении от принятых на практике для печей данного класса;

5)изменение средней по сечению температуры заготовки, температуры ее верхней и нижней граней на пространственно-временной сетке исследования с текстовым заключением об истинном моменте окончания нагрева;

6)изменение теплового потока и усвоенного нагреваемым металлом тепла в процессе всего нагрева с поинтервальным расчетом каждого значения;

7)изменение конвективного, радиационного и суммарного коэффициентов теплоотдачи в ходе нагрева;

8)изменение почасовой скорости нагрева, числа Фурье;

9)изменение термических напряжений в металле с текстовым сообщением о превышении предельных значений и указанием координаты и времени такого нарушения, а также номеров заготовок, подвергшихся такому воздействию;

10)заключение о допустимости перепада температуры, скорости нагрева, величины теплового потока и температурного режима печи;

11)изменение коэффициента использования топлива с численным

итекстовым заключением об эффективности использования топлива;

12)теплотехнический режим гарантированного нагрева с текстовым диагностическим сообщением о периодах собственно нагрева и выдержки;

27

13) совмещенные координатно-временные графики существующего и гарантированного теплотехнических режимов нагрева.

2.4.6. Сделать общий вывод по оценке качества и корректировке режима нагрева, используя экспертные рекомендации и выводы, полученные с помощью идентифицирующего блока.

2.5.Требования к отчету о работе

Вкачестве отчета следует представить электронную таблицу отображения результатов исследования и выводы по работе.

2.6.Контрольные вопросы

1.Что входит в задачу параметрической идентификации теплотехнической оценки качества режима нагрева?

2.Что входит в процедуру автоматизированной идентификации и прогнозирования теплотехнического режима нагрева?

3.По каким показателям оценивают качество нагрева металла в печи?

4.По каким показателям оценивают качество режима нагрева?

5.Что понимается под пространственно-временной координатой теплотехнического режима печи?

6.В чем заключается этап экспериментального исследования?

7.Какова цель этапа идентифицирующего анализа и прогнозирования?

8.Какие параметры идентификации прямо указывают на применимость режима, а какие косвенно?

9.Как формируется электронная таблица графического отображения конфигурации рабочего пространства печи и температурных режимов печи и нагрева металла?

28

Лабораторная работа 3

ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДИКИ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО АГРЕГАТА

(4 часа)

3.1.Цели работы

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

2.Освоить формы информационного представления схемы исследования, отображения динамики температурного режима, табличного представления автоматизированного заключения о качестве нагрева.

3.Изучить методологию проведения параметрической идентификации модели нагрева.

3.2.Теоретическое введение

Любая модель является идеализацией реального процесса и для нее требуется соответствующая идентификация и верификация.

Теплотехническая параметрическая идентификация есть определение на основе анализа выходных данных теплотехнического объекта такой модели из заданного класса моделей, которой эквивалентен исследуемый процесс. Идентификация чаще всего проводится с помощью экспериментальных методов исследования, с привлечением прямых и косвенных методов измерения.

Наиболее целесообразно осуществлять такую идентификацию на имитационной модели, которая адекватно воспроизводит исследуемый процесс. Однако при любом моделировании возникают ошибки, связанные со следующими обстоятельствами:

– приближенность математической модели, вызванная математическими допущениями, неточностями описаний закономерностей процесса, случайностью факторов, влияющих на процесс и т.п.;

29

–неточность вычислений;

–несоответствие внешних воздействий, вводимых в объект и модель;

–неточность аппаратуры, воспроизводящей экспериментальные данные.

Теплотехническая математическая модель адекватна реальному объекту только в том случае, если расчетные характеристики, полученные с помощью модели, идентичны экспериментальным результатам, полученным на реальном теплотехническом объекте.

Если структура объекта моделирования принята с точностью до значений параметров, то рассматривается задача параметрической идентификации. Она сводится к отысканию или уточнению численных коэффициентов математической модели, которая способна при воспроизведении процессов с одинаковыми условиями протекания с заданной точностью предсказать аналогичные экспериментально полученные характеристики.

Математическая модель процесса нагрева металла в методической толкательной печи

Результатом эксперимента по исследованию температурных полей с помощью автономного регистратора температурных режимов являются графики изменения температуры печи, поверхностей и центра заготовки по мере ее продвижения по длине печи.

Под температурой печи понимается локальная «эффективная» температура на определенном участке печи, которую фиксирует термопара, расположенная в нескольких сантиметрах над металлом и экранированная от него. Введение локальной «эффективной» температуры печи позволяет упростить в дальнейшем расчет внешней задачи теплообмена. Кроме того, локальная «эффективная» температура печи является важным параметром для диагностики тепловой работы агрегата, так как именно она создает эффективный температурный напор и определяет суммарный тепловой поток, направленный на металл.

Математическая модель реализована в виде программы расчета температурных режимов нагрева металла в нагревательных методических печах. Задача такой программы – выявление на основании результатов данного эксперимента нарушения режима нагрева металла и расчет нового оптимального режима нагрева металла в исследуемой печи. Под оптимальностью в данном случае понимается наискорейшая стратегия технологии нагрева, при которой достигает-

30