Материал: Исследование метода неразрушающего определения теплопроводности защитного покрытия их ПВХ на стальном изделии

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

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Энергообеспечение предприятий и теплотехника»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к бакалаврской работе

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

Содержание

Перечень условных обозначений и аббревиатур

Введение

1. Обзор литературных источников по теме: «Методы и средства неразрушающего теплофизического контроля полимерных покрытий на металлических основаниях»

1.1 Классификация методов теплофизического контроля

1.2 Схема измерительной системы для определения теплофизических свойств веществ

1.3 Полимерные покрытия различного назначения на металлических изделиях

1.4 Выводы по главе 1

2. Теоретическое обоснование и аппаратурное оформление неразрушающего теплового метода

2.1 Физическая модель метода

2.2 Математическая модель нестационарного теплопереноса для двухслойной системы

2.3 Измерительная система, реализующая метод неразрушающего контроля

2.4 Порядок осуществления измерительных операцій

2.5 Выводы по главе 2

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

. Имитационное исследование метода неразрушающего контроля

Заключение

Список использованных источников

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-- радиус нагревателя, мм;

Rиз-- радиус подложки измерительного зонда, мм;

q-- тепловой поток, Вт/м2;

Q-- тепловая мощность, Вт;

-- температура, °С;

e-- тепловая активность, Вт×с0,5/(м2×К);

-- теплопроводность, Вт/(м×К);

r-- плотность материала, кг/(м3);

-- время, с; T-- температура, К;.

-- шаг измерения температуры, с;

ИC-- измерительная система;

ИЗ-- измерительный зонд;

Н-- нагреватель;

НК-- неразрушающий контроль;

ПВХ-- поливинилхлорид;

ТП-- термоэлектрический преобразователь;

ТФС-- теплофизические свойства;

ТМ-- тепловой метод;

У-- усилитель;

БП-- блок питания.

Введение

При разработке конструкций изделий, особенно в машиностроительной и приборостроительной промышленности, одним из важнейших условий создания изделий на уровне мировых стандартов является правильное решение вопросов защиты конструкционных элементов и всего изделия из металла от коррозии. Часто важным является декоративное оформление изделий с учетом последних требований промышленной эстетики. С каждым годом увеличивается точность изготовления отдельных деталей и узлов изделния, при этом большое значение приобретает определение толщины покрытия как основного фактора, обеспечивающего надежность работы и коррозионную стойкость изделия.

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 определения теплофизических свойств»

.1 Классификация методов теплофизического контроля

неразрушающий контроль защитный покрытие

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 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].

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

Методы:

) 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.;

) 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].

. 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].