WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Следующим шагом было решение прямой задачи методом математического моделирования Фурье (аналитическим методом). Для построения модели поверхность ИПС рассматривается как состоящая из большого количества тонких стержней, распространение тепла происходит в направлении длины стержня. На границах стержня происходит свободный теплообмен с окружающими средами.

В этом случае уравнение распространения тепла по длине стержня имеет вид:

(1)

где – константа; – постоянная времени прогрева изоляции; – постоянная времени нагрева воздуха внутри вагона;, ; – температура воздуха снаружи вагона в начальный момент времени; – максимальное значение температуры нагрева воздуха внутри вагона; R – градиент температур воздуха снаружи вагона; – коэффициент температуропроводности изоляционного материала ограждающей конструкции вагона; – длина стержня, характеризующая толщину изоляции вагона; – ненулевые начальные условия, характеризующие разницу между температурами воздуха внутри и снаружи вагона в начальный период времени проведения испытаний; – положительные корни уравнения ; – количество корней.

Для проверки правильности полученного аналитического решения проводилось теплотехническое обследование макета рефрижераторного контейнера и контейнера типа 1АА.

Испытания ограждающих конструкции проводились в двух режимах: первый режим характеризуется тем, что постоянная времени нагрева воздуха внутри конструкции значительно больше постоянной времени прогрева изоляции. Особенностью второго режима испытаний является соизмеримость этих постоянных.

Результаты моделирования макета рефрижераторного контейнера представлены на рис. 3.


Рис. 3. Моделирование теплового поля выбранной области

На графике по оси абсцисс отложено время испытаний в секундах,

по оси ординат – значения температур в градусах Цельсия

– данные об изменении температуры исследуемой поверхности крыши лабораторного контейнера с течением времени, полученные экспериментально, где – корректирующий коэффициент.

, – функции изменения температуры исследуемой поверхности со временем, полученные аналитически.

Максимальная разница между расчетными и экспериментальными данными не превышает 2 % для функций и.

На рис. 4 представлены экспериментальная и аналитическая зависимости изменения температуры на внешней поверхности ИПС для области 1 рефрижераторного контейнера типа 1АА.

Рис. 4. Моделирование теплового поля рефрижераторного контейнера

По оси абсцисс отложено время испытаний в секундах,

по оси ординат – значения температур в градусах Цельсия

– данные об изменении температуры исследуемой поверхности ИПС с течением времени, полученные экспериментально.

– расчетные функции изменения температуры исследуемой поверхности ИПС со временем.

Максимальное различие экспериментальных и расчетных данных не превышает 3 %.

Результаты аналитического решения позволяют найти решение обратной задачи, определить технические и теплотехнические характеристики кузовов ИПС по известным тепловым структурам: произведение удельной теплоемкости материала на плотность материала, коэффициент теплопроводности материала.

Локальный коэффициент теплопередачи кузовов ИПС определяется по следующей формуле:

, (2)

где и – температуры воздуха внутри и снаружи ИПС соответственно, – температура ограждающей поверхности ИПС.

Функция определяет свободные тепловые процессы в изоляции ограждающей конструкции изотермического вагона, при условии ненулевых начальных условий.

Функция определяется, в основном, характером изменения температурного поля внутри кузова изотермического вагона, и для ее расчета требуется знание основных характеристик кузова в эксплуатации.

Расчет функций и возможен при известных параметрах материала ограждающих конструкций ИПС.

Приведенный по поверхности контейнера коэффициент теплопередачи определяется следующим образом:

, (3)

где – локальные коэффициенты теплопередачи отдельных областей;

– площади поверхности выделенных областей.

При вычислении приведенного коэффициента теплопередачи (согласно (3)) возникает необходимость расчета площадей областей кузова ИПС с разными локальными коэффициентами теплопередачи. Для этого необходимо установить связь между геометрией области ограждающей конструкции с заданным коэффициентом теплопередачи и ее температурным полем, получаемым при нагреве воздуха внутри кузова ИПС.

Для решения данной задачи были взяты экспериментальные и конструкционные данные, полученные при проведении теплотехнических испытаний кузова опытного рефрижераторного контейнера типа 1АА, а именно результаты тепловой съемки участка кузова в течение четырех часов, значения температуры воздуха внутри и снаружи контейнера, геометрические размеры гофрированной конструкции стены контейнера.

На рис. 5а выделенный участок показан в виде пунктирного прямоугольника. Отметим, что изменения температурного поля выделенного участка наблюдаем в поперечном направлении (ось Х) периодической структуры ограждения.

Рис. 5а

Рис. 5б

Расчет температуры выделенного участка осуществляется как вычисление средней температуры в продольном направлении (ось Y) поверхности контейнера.

Полученные температурные поля тестовой области № 2 (рис. 5а) были совмещены с поперечным сечением конструкции области № 2 ограждающей поверхности ИПС и проектными значениями коэффициента теплопередачи данной области (рис. 5б).

На рис. 5б на графике по оси абсцисс отложено расстояние в пикселях, по оси ординат функция – значения температуры по поверхности кузова в градусах Цельсия.

Поперечное сечение конструкции кузова представлено функцией в относительных единицах. Функция определяет заданный конструкционный коэффициент теплопередачи.

В этом случае характер температурной структуры гофрированной поверхности кузова контейнера после прогрева его теплоизоляции полностью повторяет характер проектного коэффициента теплопередачи. Характер изменения температурного поля поверхности кузова контейнера показывает, что по прошествии 2-х часов после прогрева изоляции контейнера площади участков кузова, представляющие различные экспериментальные локальные значения коэффициентов теплопередачи, не изменяются и соответствуют своим проектным значениям. Отдельные неоднородности теплового поля поверхности кузова обусловлены неидеальным технологическим процессом изготовления данной конструкции контейнера.

Для выявления изменения температурной структуры поверхности кузова контейнера, связанного с определением площади участков с различными локальными коэффициентами теплопередачи, разработана математическая модель участка ограждающей конструкции ИПС. Решение задачи проведено численным методом конечных элементов, реализованном в программном комплексе ANSYS.

Полученное решение – распределение тепла на внешней поверхности модели – показано на рис. 6а. На рис. 6б непрерывной кривой показан график изменения внешнего температурного поля по координате. Точечными символами на рис. 6б показаны экспериментальные данные изменения температурного поля на поверхности ИПС.

На рис. 6а распределение тепла на внешней поверхности модели стержню показано графически. Приведен тепловой клин, согласно которому температура стержня изменяется: в цветовой гамме от синего до красного, что соответствует изменению от 14.6 °C до 15.1 °C. Следует уточнить, что участку, определенному цветом, соответствует средняя температура всех узлов на этом участке.

На рис. 6б показан характер изменения внешнего температурного поля по координате. По оси абсцисс отложено расстояние в относительных единицах, по оси ординат – значения температур экспериментальной и расчетной функций в градусах Цельсия.

Рис. 6а

Рис. 6б

– функция изменения теплового поля на поверхности стены контейнера, найденная экспериментально.

– расчетная функция изменения теплового поля исследуемой поверхности. Среднее отличие экспериментальных и расчетных данных не превышает 10 %.

Следующим шагом стало исследование изменения температурного поля дефектного участка конструкции с течением времени.

Рис. 7а

Рис. 8а

На рис. 7а, рис. 8а представлены выделенные участки дефектной области 3 и дефектной области 2 для расчета средней температуры в поперечном направлении.

Рис. 7б

Рис. 8б

На рис. 7б и рис. 8б по оси абсцисс отложено расстояние в пикселях, по оси ординат значения температуры по структуре стены,

Temp24_1i в градусах Цельсия в начальный момент времени, по прошествии 0.98 часа, 1.25 часа, 1.65 часа, 2.13 часа, 2.48 часа, 3.23 часа, 3.4 часа соответственно.

Величина D показывает изменение температурного поля дефектных областей кузова ИПС по оси Х (рис. 7б, рис. 8б) с течением времени.

В процессе прогрева участка ограждения контейнера с аномальной областью формируется уникальное температурное поле, которое в дальнейшем изменяется лишь по оси ординат, до момента достижения стационарного режима.

По оси абсцисс тепловое поле не изменяется и составляет постоянную величину D, что позволяет сделать вывод о том же характере распределения теплового поля по оси Y (рис. 7а, рис. 8а).

Таким образом, происходит совпадение площади температурного поля дефектной области 3 и области 2 конструкции кузова ИПС с их геометрическими площадями.

В третьей главе на основе стандартной методики МИ 3177-07017-00202127-2000 и теплотехнического ГОСТа 26629-85 разработана методика определения локальных и приведенного коэффициентов теплопередачи, а также метод сравнительных теплотехнических испытаний.

В основу инфракрасной диагностики положен тепловой (тепловизионный) метод неразрушающего контроля, дополненный информацией о контактных измерениях температурных параметров объекта контроля и метеорологических характеристик окружающей среды на момент проведения обследования.

Метод определения коэффициента теплопередачи с помощью ИК-радиометра основан на дистанционном измерении полей температур поверхностей ограждающих конструкций, между внутренними и наружными поверхностями которых создан перепад температур, и вычислении относительных сопротивлений теплопередаче участков конструкции, значения которых, наряду с температурой внутренней поверхности, принимают за показатели качества их теплозащитных свойств.

Температурные поля поверхностей ограждающих конструкций получают на экране тепловизора в виде черно-белого или цветного изображения, градации яркости или цвета которого соответствуют различным температурам.

Температура воздуха снаружи контролируется термометрами или термодатчиками.

При наличии локальной утечки тепла в зонах нарушения изоляции уровень инфракрасной светимости в них превышает светимость прилегающих зон, что, собственно, и позволяет локализовать и идентифицировать участки дефектов.

Полученная картина распределения температурного поля обрабатывается с помощью зонального метода расчета.

В четвертой главе рассмотрены этапы разработки программно-аппаратного комплекса тепловой диагностики ограждающих конструкций изотермического подвижного состава «Тепло-М» (рис. 9).

Рис. 9. Программно-аппаратный комплекс тепловой диагностики ограждающих конструкций изотермического подвижного состава «Тепло-М»

Комплекс предназначен:

  • для мониторинга технического состояния элементов ограждающих конструкций рефрижераторных вагонов;
  • организации своевременного ремонта и замены элементов ограждающих конструкций изотермического подвижного состава, исходя из фактического состояния его изоляции;
  • повышения качества ремонта ограждающих конструкций изотермических вагонов;
  • проведения сравнительных испытаний различных типов изотермического подвижного состава;
  • повышения качества конструирования нового изотермического подвижного состава.

Во время работы комплекс выполняет следующие основные функции:

  • автоматизирует теплотехнические испытания ограждающих конструкций изотермических вагонов;
  • определяет приведенный коэффициент теплопередачи кузова вагона по данным точечных измерений температуры;
  • регистрирует тепловые поля в виде термограмм с помощью портативной инфракрасной камеры высокого пространственного и температурного разрешения;
  • обрабатывает и сохраняет результаты испытаний ограждающих конструкций изотермических вагонов на персональном компьютере;
  • выявляет тепловые аномалии в ограждающих конструкциях вагонов и локализует их местонахождение;
  • определяет локальные коэффициенты теплопередачи ограждающих конструкций изотермического вагона;
  • составляет электронный теплотехнический паспорт на вагон.

В пятой главе приводятся результаты и анализ теплотехнических испытаний вагонов-термосов № 80000334, 91844480 № 91852301, 91853044, 91844506, АРВ № 83387050, рефрижераторный вагон секции ZB-5 № 87831137.

Испытания проводились согласно разработанным методикам. На рис. 10 представлена схема тепловой съемки боковой поверхности изотермического вагона.

© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»