УДК 621.1

АЛГОРИТМ РАБОТЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ УСТАНОВКИ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБЪЕКТОВ

Кабанов О.В.1, Панфилов С.А.2
1Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, аспирант
2Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, д.т.н. профессор

Аннотация
В данной статье обсуждается важная роль экспериментального исследования в определении теплофизических свойств исследуемого объекта. Анализируются ограничения, существующих методов определения ТФС. Представлена блок схема алгоритма для определения ТФС. Приводится описание принципа работы установки, разработанной для определения ТФС исследуемого объекта. Представлены необходимые формулы для проведения расчёта ТФС исследуемого объекта. Описаны основные достоинства разработанной установки, по сравнению с известными аналогами.

Ключевые слова: алгоритм, анализ, коэффициента теплопередачи, метод, сопротивление теплопередаче, теплопередача, установка, энергоэффективность


ALGORITHM OF AN AUTOMATED SETUP FOR DETERMINATION OF THERMAL PROPERTIES OF OBJECTS

Kabanov O.V.1, Panfilov S.A.2
1National Research Mordovian State University. N.P. Ogarev, post-graduate student
2National Research Mordovian State University. N.P. Ogarev, professor

Abstract
This paper discusses the importance of experimental research in determining the thermal properties of the object. Analyzes the limitations of existing methods for determining the TPP. Is a block diagram for determining the TPP. The description of the principle of operation of the plant, designed to determine the TPS of the object. We present the necessary formulas for calculating the TPP of the object. The basic advantages of the developed plants, in comparison with the conventional counterpart.

Keywords: analysis algorithm, energy efficiency, heat transfer, heat transfer coefficient, heat transmission resistance, the method of installation


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Кабанов О.В., Панфилов С.А. Алгоритм работы автоматизированной установки по определения теплофизических свойств объектов // Современные научные исследования и инновации. 2017. № 2 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2017/02/78735 (дата обращения: 27.05.2017).

Введение. Одной из актуальных проблем, в повышении энергоэффективности, является применение простых и надёжных способов (методов) определения потерь теплоты через ограждающие конструкции объекта, в окружающую среду и анализ теплофизических свойств (ТФС) – коэффициент теплопередачи, сопротивление теплопередаче и удельной тепловой характеристики, которые влияют существенным образом на тепловой режим. В настоящее время существуют различные способы и устройства для определения (коэффициента теплопередачи и сопротивление теплопередаче) исследуемого объекта [1-16, 24-31].

Методы, используемые для определения ТФС объектов делят на три основных вида: нестационарные, стационарные и комплексные [32-40]. Методы нестационарного определения ТФС являются наиболее перспективными, за счёт простоты, небольшого времени проведения эксперимента и т.п. При установлении ТФС в отличие от стационарных используют меньшее время и меньше тепловой энергии. ТМНК (температурные методы неразрушающего контроля) из вышеперечисленных занимают ведущее место при изучение ТФС. МНК имеют широкий функционал возможностей, высокую результативность, достоверность. Комплексные методы позволяют определять одновременно из одного эксперимента, при использование одной установки несколько теплофизических свойств в широком интервале температур. При сохранении времени на проведение эксперимента комплексные методы позволяют получить более полную информацию о ТФС объекта подвергаемого исследованию. Большинство используемых методов имеют ограничения, к которым можно отнести:

сложные уравнения для расчёта ТФС; сложность определения реальных граничных условий при исследование с теоретическими условиями; большая длительность процедуры исследования (не менее двух суток); применимы лишь для стационарного режима, который наступает лишь через несколько суток после начала нагрева конструкции; не применимость способов для определения ТФС свето-прозрачных конструкций; низкая функциональная возможность контроля ТФС исследуемой конструкции ( наличие ограничения вызвано тем, что размеры известного устройства определяют применение только для локального участка ограждающей конструкции, что бы определить данные коэффициенты всего объекта в целом потребуется большое количество времени, так же для проведения одного измерения требуется время от одних суток, такая длительность исследования существенным образом влияет на стоимость проводимых работ); неудобство эксплуатации установок (большие габариты, множество различных функциональных взаимосвязанных узлов); не применимость для исследования ТФС в нестационарных условиях, имеющих место в реальных условиях эксплуатации зданий и сооружений; сложная обработка результатов измерений, для чего требуется сложная аппаратура (это приводит к значительному удорожанию проведения измерений); необходимость наличия информации о конструкции (составе) исследуемого ограждения и неточность расчета погрешности определения ТФС.

Основная часть. Существующие методы определения сопротивления теплопередаче и коэффициента теплопередачи устанавливают данные коэффициенты, только определённого участка исследуемой поверхности, чтобы определить данные ТФС всего объекта в целом потребуется большое количество времени, так для проведения одного измерения требуется время от одних суток. Такая длительность исследования существенным образом влияет на стоимость проводимых работ. В ходе проведения исследования так же необходимо обеспечивать создание специальных условий (стабильную температуру на внутренней и наружной поверхности исследуемого объекта) в течение всего времени исследования, что как следствие, определяет высокую энергоёмкость проводимого  исследования.

Анализ существующих методов определения ТФС исследуемого объекта показал, что возможна разработка установки, которая будет определять ТФС объекта МНК с использованием современных средств управления и обработки информации за более короткий промежуток времени – нестационарным способом. В литературе [17-21, 24-40] отмечается, что нестационарные способы определения ТФС являются наиболее перспективными, за счёт простоты и небольшого времени проведения исследования. Основываясь на проведѐнном анализе был разработан алгоритм для энергоэффективного исследования ТФС объекта МНК представленный на рис.1.

Рис.1 – Блок-схема алгоритма определения ТФС объекта.

Блок схема состоит из 16 блоков. В 1 определяются значения необходимые для дальнейшего проведения исследования, а именно, мощность источника теплоснабжения, общая площадь исследуемого объекта по внешнему обмеру, объём исследуемого объекта по внешнему обмеру, температура поддержания внутри исследуемого объекта во время проведения исследования, диапазон температуры поддержания внутри исследуемого объекта, время проведения исследования, время задержки до момента включения установки. В 2 происходит запуск таймера отсчёта времени проведения исследования. В 3 проверяется условие «время проведения исследования больше или равно текущему времени проведения исследования», при выполнении условия управление передаётся блоку 4 в котором производится включение подачи теплоснабжения на разогрев температуры внутри исследуемого объекта, затем в 5 происходит запись показания окружающей температуры вне исследуемого объекта в память устройства. Затем в 6 происходит запуск подсчёта времени работы установки в активном режиме. В 7 происходит проверка условия «время проведения исследования больше или равно текущему времени проведения исследования» при выполнении условия в 8 проверяется условие «текущая температура внутри объекта больше или равна сумме заданной температуре с заданным диапазоном поддержания температуры» при невыполнении условия происходит возврат в 6, при выполнении условия в 9 производится остановка подачи теплоснабжения, в 10 производится запись показания окружающей температуры вне исследуемого объекта в память устройства, далее в 11 производится остановка на паузу времени подсчёта работы установки в активном режиме в течение заданного времени поддержания. В 12 производится проверка условия «время проведения исследования больше или равно заданному времени проведения исследования» при выполнении условия в 13 проверяется условие «текущая температура внутри объекта меньше или равно заданной температуре за вычетом из неё заданного диапазона поддержания температуры» при выполнении возврат в 4, при не выполнении в 14, где производится остановка подсчёта времени работы установки в активном режиме. В 15 производится запись показания окружающей температуры вне исследуемого объекта в память устройства, в 16 производится расчёт значений (коэффициента теплопередачи, сопротивления теплопередачи и удельной тепловой характеристики) всего исследуемого объекта в целом.

По выше приведенному алгоритму в среде программирования OWEN LOGIK была разработана программа представленная на рис.2

Рис.2 -Блок-схема программы для управления установкой по определению ТФС объектов.

Заключение. Достоинствами разработанного алгоритма управления автоматизированной установкой по определению теплофизических свойств объектов являются – возможность определения параметров объекта исследования без нарушения его конструкции, методом неразрушающего контроля, а так же низкая энергоёмкость эксперимента по сравнению с существующими аналогами.


Библиографический список
  1. Патент №2468359. РФ. Способ определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций строительных сооружений. Вавилов В. П., Григорьев А. В. Опубликовано: 27.11.2012.
  2. Патент №146590. РФ. Устройство определения приведённого сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций. Головнев С. Г., Мозгалев К. М. Опубликовано: 10.10.2014.
  3. Патент №105998. РФ. Стенд для измерения сопротивления теплопередаче строительных ограждающих конструкций. Верховскй А. А., Шубин И. Л. Опубликовано: 27.06.2011.
  4. Патент №2480739. РФ. Способ теплового неразрушающего контроля сопротивления теплопередаче строительной конструкции. Походун А. И., Соколов А. Н. Опубликовано: 27.04.2013.
  5. Патент №2478938. РФ. Способ измерения удельного сопротивления теплопередаче через объект и устройство для его осуществления. Богоявленский А. И. Опубликовано: 10.04.2013 .
  6. Патент №2476866. РФ. Устройство измерения сопротивления теплопередаче строительной конструкции. Сергеев С.С. Опубликовано: 27.02.2013.
  7. ГОСТ 26254 – 84 Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.
  8. ГОСТ 31166 – 2003 Конструкции ограждающие зданий и сооружений. Метод калориметрического определения коэффициента теплопередачи.
  9. Патент №2308710. РФ. Способ измерения теплового сопротивления (варианты) и устройство для его осуществления.Дацюк Т. А., Исаков П. Г. Опубликовано: 20.10.2007.
  10. Патент №2285915. РФ. Способ контроля теплозащитных свойств ограждающей конструкции. Лавров В. Н., Титаев В. А., Сосин Ю. Д. публиковано: 20.10.2006.
  11. Патент №2140070 РФ. Способ определения теплофизических характеристик строительных материалов многослойных конструкций без нарушения их целостности. Варфоломеев Б. Г., Орлова Л. П. Опубликовано: 20.10.1999.
  12. Патент №2287807. РФ. Способ определения теплофизических свойств многослойных строительных конструкций и изделий. Чернышов А. В., Слонова А. С. Опубликовано: 20.11.2006.
  13. Патент №2323435. РФ. Способ теплового неразрушающего контроля сопротивления теплопередаче строительных конструкций Будадин О. Н., Абрамова Е. В.  Опубликовано: 27.04.2008.
  14. Кабанов О.В., Панфилов С.А., Барычев В.И. Обзор современных методов определения теплофизических свойств материалов и объектов с использованием электротехнических устройств. Сб. науч.трудов. Развитие технических наук в современном мире. Выпуск II. Воронеж 2015. с.178 -180.
  15. Кабанов О.В., Панфилов С.А. Современные методы определения теплофизических свойств объектов. XLIV Огаревские чтения. Материалы научной конференции: в 3 частях. Ответственный за выпуск П. В. Сенин. – Саранск: Мордов. гос. ун-т, 2016. С. 156-160.
  16. Кабанов О.В., Панфилов С.А., Хрёмкин А.С., Бобров М.А. Разработка метода определения теплофизических свойств объектов. Научно-технический вестник Поволжья. №5 2015г. – Казань.с. 253-256.
  17. Аметистов Е.В. Основы теории теплообмена. М.:Изд. МЭИ, 2000.242с.
  18. Белов Е.А., Соколов Г.Я., Платунов Е.С. Цифровой экспресс-измеритель теплоограждающих конструкций с прямым отсчетом. Промышленная теплотехника.1986. № 4. С. 756 – 760
  19. Богословский В.Н. Теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования. М.: Высшая школа, 1982. – 415с.
  20. Вавилов В.П. Тепловые методы неразрушающего контроля: Справочник. М.: Машиностроение, 1991. 240 с.
  21. Табунщиков Ю.А., Хромец Д. Ю. Тепловая защита ограждающих – конструкций зданий и сооружений. М.: Стройиздат, 1986. 381с.
  22. Свидетельство №2016612034. РФ. Программа для системы автоматизированного определения теплофизических свойств исследуемого объекта. Панфилов С.А., Кабанов О.В., Хрёмкин А.С. Дата государственной регистрации: 17.02.2016.
  23. Свод Правил 50.133330.2012- Тепловая защита зданий.
  24. Kreith F. 2000.  Handbook of Thermal Engineering. CRC Press, pp: 496.
  25. James R. Welty, Charles E. Wicks, Robert E. Wilson, Gregory L. Rorrer, 2007. Fundamentals of Momentum, Heat and Mass transfer (5th edition). John Wiley and Sons. CRC Press, pp: 328.
  26. Sukhatme, S. P. ed., 2005. A Textbook on Heat Transfer (Fourth ed.). Universities Press. pp: 257–258.
  27. Overall Heat Transfer Coefficient. Date Views 07.06.2016 http://www.tlv.com/global/TI/steam-theory/overall-heat-transfer-coefficient.html
  28. George S. 2015. Heat Transfer Modeling: An Inductive Approach. Springer pp: 496.
  29. Paul S. 2016 Applied Superconductivity: Handbook on Devices and Applications. Wiley Press, pp: 600
  30. Moncef K. , 2016 Energy Audit of Building Systems: An Engineering Approach. CRC Press pp: 454
  31. Yufeng JZhiping WJing C. 2016 ntroduction to Microsystem Packaging Technology CRC Press, pp: 232
  32. Хремкин А. С. Кабанов О. В. Панфилов С. А. Способ определения теплофизических свойств строительных объектов. Вестник Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления. №5 (62). – Улан-Удэ 2016 г. – М.: Издательство ВСГУТУ. с.49-57.
  33. Фокин В.М., Ковылин А.В., Чернышов В.Н. Энергоэффективныеметоды определения теплофизических. свойств строительных материалов и изделий. – М.: Издательский дом «Спектр», 2011. -156 с.
  34. Кабанов О.В., Панфилов С.А., Андронова О.А. Аналитический обзор методов оценки (измерения) теплофизических характеристик исследуемого объекта. Актуальные вопросы науки и техники. Сборник научных трудов по итогам III международной научно-практической конференции. Самара: ИЦРОН, 2016. С. 107-111.
  35. Кабанов О.В., Панфилов С.А. Альтернативные источники энергии и их перспективы. Материалы XX научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Национального исследовательского Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарёва. Саранск: НИ МГУ Огарева, 2016. С. 164-169.
  36. Кабанов О.В., Панфилов С.А. Современных методов определения теплофизических свойств объекта. Материалы XX научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Национального исследовательского Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарёва. Саранск: НИ МГУ Огарева, 2016. С. 169-174.
  37. Кабанов О.В., Панфилов С.А. К вопросу использования альтернативных источников энергии. Актуальные проблемы энергетики АПК материалы VII международной научно-практической конференции. Саратов: ЦСА, 2016. С. 78-83.
  38. Кабанов О.В., Панфилов С.А. Влияние качества электроэнергии на работу энергосберегающего оборудования. Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики материалы XII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием в рамках III Всероссийского светотехнического форума с международным участием. Саранск: ИП Афанасьев, 2015. С. 526-533.
  39. Кабанов О.В., Панфилов С.А. Алгоритм автоматизированной системы управления системой теплоснабжения. Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики материалы XII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием в рамках III Всероссийского светотехнического форума с международным участием. Саранск: ИП Афанасьев, 2015. С. 534-538.
  40. Panfilov S. A., Kabanov O. V. Energy Saving Algorithm for the Autonomous Heating Systems. International Journal of Advanced Biotechnology and Research (IJBR) ISSN 0976-2612, Online ISSN 2278–599X, Vol-7, Issue-4, 2016, pp. 1395-1402.


Все статьи автора «Кабанов О.В.»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: