Разработка прогностической модели для определения оптимальных условий изготовления кабельных термопар
|
1 Теория и практика современного состояния исследований процессов
теплопереноса при изготовлении кабельных термопар 16
1.1 Важность измерения температуры в различных отраслях
промышленности 16
1.2 Краткий обзор современных методов измерения температуры 18
1.3 Основные проблемы производства и изготовления кабельных термопар 23
1.4 Теоретические основы изготовления кабельных термопар 25
2 Моделирование теплофизических и физико-химических процессов,
протекающих при изготовлении кабельных термопар 34
2.1 Физическая постановка 34
2.2 Математическая модель 35
2.3 Методы решения 38
2.4 Решение тестовых задач 38
2.4.1 Одномерный теплоперенос в плоской двухслойной бесконечной
пластине 38
2.4.2 Двумерный теплоперенос в однородной пластине 42
2.4.3 Двумерный теплоперенос в неоднородной пластине с включением 44
2.4.4 Двумерный теплоперенос в однородной пластине с химической реакцией в материале (термическое разложение) и с излучением на границах 47
2.4.5 Тестовой расчет теплопереноса при равности теплофизических
характеристик термоэлектродов 50
3 Результаты исследований моделирования процессов тепломассопереноса, в
условиях интенсивных физико-химических полимеризация и фазовых превращениях 52
3.1 Влияние условий теплообмена на характеристики полимеризации при
изготовлении кабельных термопар 52
3.2 Влияние лучистого теплообмена на условия изготовления кабельных
термопар 59
3.3 Влияние теплофизических характеристик термоэлектродов на условия
изготовления кабельных термопар 60
3.4 Влияние возможного наличия влажности в изоляционном слое на условия
изготовления кабельных термопар 66
3.5 Влияние различных математических моделей на прогностический потенциал времени полимеризации при изготовлении кабельных термопар 67
4 Разработка автоматизированной системы управления полимеризационной
печи 69
4.1 Выбор структуры системы автоматизированного управления
полимеризационной печи 69
4.2 Проектирование функциональной схемы автоматизированной системы
управления полимеризационной печи 70
4.3 Выбор технических средств АСУ полимеризационной печи 73
4.3.1 Выбор датчика температуры 73
4.3.2 Выбор микропроцессорного контроллера 78
4.3.3 Выбор пусковой аппаратуры 79
4.3.4 Выбор исполнительного механизма 80
4.4 Проектирование принципиальной схемы АСУ полимеризационной печи
83
4.5 Проектирование монтажной схемы АСУ полимеризационной печи 85
4.6 Выбор проводов, кабелей и защитных труб 89
5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение... 89
5.1 Предпроектный анализ
5.2 Календарный план-график выполнения работ 92
5.3 Бюджет научного проекта 95
5.4 Критерий эффективности 97
6 Социальная ответственность 100
6.1 Техногенная безопасность труда 100
6.1.1 Опасность поражения электрическим током 100
6.1.2 Опасность механического травмирования 101
6.1.3 Метеорологические условия работы в помещениях 102
6.1.4 Производственное освещение 104
6.2 Физиологические и психофизиологические показатели 105
6.2.1 Психологические показатели 105
6.2.2 Социально-психологические требования 105
6.3 Вибро-акустические вредные факторы 107
6.4 Электробезопасность 107
6.4.1 Заземление 108
6.5 Экологическая безопасность 108
6.5.1 Анализ влияния кабельного производства на окружающую среду 108
6.5.2 Обоснование мероприятий по защите окружающей среды 109
6.6 Безопасность в чрезвычайных ситуациях (ЧС) 109
6.6.1 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть в лаборатории при проведении моделирования. Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка порядка действия в случае возникновения ЧС 109
6.7 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 110
Заключение 112
Список публикаций 113
Список использованных источников 114
Приложение А Заказная спецификация средств автоматизации 126
Приложение Б Development of prognostic model for determination of optimum manufacturing conditions for cable thermocouples 129
теплопереноса при изготовлении кабельных термопар 16
1.1 Важность измерения температуры в различных отраслях
промышленности 16
1.2 Краткий обзор современных методов измерения температуры 18
1.3 Основные проблемы производства и изготовления кабельных термопар 23
1.4 Теоретические основы изготовления кабельных термопар 25
2 Моделирование теплофизических и физико-химических процессов,
протекающих при изготовлении кабельных термопар 34
2.1 Физическая постановка 34
2.2 Математическая модель 35
2.3 Методы решения 38
2.4 Решение тестовых задач 38
2.4.1 Одномерный теплоперенос в плоской двухслойной бесконечной
пластине 38
2.4.2 Двумерный теплоперенос в однородной пластине 42
2.4.3 Двумерный теплоперенос в неоднородной пластине с включением 44
2.4.4 Двумерный теплоперенос в однородной пластине с химической реакцией в материале (термическое разложение) и с излучением на границах 47
2.4.5 Тестовой расчет теплопереноса при равности теплофизических
характеристик термоэлектродов 50
3 Результаты исследований моделирования процессов тепломассопереноса, в
условиях интенсивных физико-химических полимеризация и фазовых превращениях 52
3.1 Влияние условий теплообмена на характеристики полимеризации при
изготовлении кабельных термопар 52
3.2 Влияние лучистого теплообмена на условия изготовления кабельных
термопар 59
3.3 Влияние теплофизических характеристик термоэлектродов на условия
изготовления кабельных термопар 60
3.4 Влияние возможного наличия влажности в изоляционном слое на условия
изготовления кабельных термопар 66
3.5 Влияние различных математических моделей на прогностический потенциал времени полимеризации при изготовлении кабельных термопар 67
4 Разработка автоматизированной системы управления полимеризационной
печи 69
4.1 Выбор структуры системы автоматизированного управления
полимеризационной печи 69
4.2 Проектирование функциональной схемы автоматизированной системы
управления полимеризационной печи 70
4.3 Выбор технических средств АСУ полимеризационной печи 73
4.3.1 Выбор датчика температуры 73
4.3.2 Выбор микропроцессорного контроллера 78
4.3.3 Выбор пусковой аппаратуры 79
4.3.4 Выбор исполнительного механизма 80
4.4 Проектирование принципиальной схемы АСУ полимеризационной печи
83
4.5 Проектирование монтажной схемы АСУ полимеризационной печи 85
4.6 Выбор проводов, кабелей и защитных труб 89
5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение... 89
5.1 Предпроектный анализ
5.2 Календарный план-график выполнения работ 92
5.3 Бюджет научного проекта 95
5.4 Критерий эффективности 97
6 Социальная ответственность 100
6.1 Техногенная безопасность труда 100
6.1.1 Опасность поражения электрическим током 100
6.1.2 Опасность механического травмирования 101
6.1.3 Метеорологические условия работы в помещениях 102
6.1.4 Производственное освещение 104
6.2 Физиологические и психофизиологические показатели 105
6.2.1 Психологические показатели 105
6.2.2 Социально-психологические требования 105
6.3 Вибро-акустические вредные факторы 107
6.4 Электробезопасность 107
6.4.1 Заземление 108
6.5 Экологическая безопасность 108
6.5.1 Анализ влияния кабельного производства на окружающую среду 108
6.5.2 Обоснование мероприятий по защите окружающей среды 109
6.6 Безопасность в чрезвычайных ситуациях (ЧС) 109
6.6.1 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть в лаборатории при проведении моделирования. Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка порядка действия в случае возникновения ЧС 109
6.7 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 110
Заключение 112
Список публикаций 113
Список использованных источников 114
Приложение А Заказная спецификация средств автоматизации 126
Приложение Б Development of prognostic model for determination of optimum manufacturing conditions for cable thermocouples 129
Цель работы - разработка прогностической модели для определения оптимальных условий изготовления кабельных термопар.
В работе был проведен аналитический литературный обзор по современному состоянию исследований процессов теплопереноса при изготовлении кабельных термопар; разработаны математические модели с одним и двумя термоэлектродом, учитывающие процессы полимеризации и сушки изоляционного слоя; выполнено исследование влияния внешней среды и внутренней структуры кабельной термопары на времена полимеризации его изоляционного слоя.
В процессе проектирования разработаны структурная, функциональная, принципиальная схемы и щит управления и автоматизации автоматизированной системы управления полимеризационной печи. Отображена оценка эффективности разработки. Рассмотрены вопросы, связанные с охраной труда на производстве.
Область применения: производство кабельной продукции.
ВВЕДЕНИЕ
Целью работы является разработка основных элементов математической базы, обеспечивающей адекватное моделирование процессов теплопереноса, протекающих совместно в условиях интенсивного радиационно-конвективного теплообмена при изготовлении кабельных термопар.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Проведение аналитического литературного обзора по
современному состоянию исследований процессов теплопереноса при изготовлении кабельных термопар.
2. Разработка математической модели с одним электродом и
учитывающая процесс полимеризации изоляционного слоя.
3. Разработка математической модели с двумя электродами и
учитывающая процесс полимеризации изоляционного слоя.
4. Разработка математической модели с двумя электродами и
учитывающая процессы полимеризации и сушки в изоляционном слое.
5. Проведение вычислительных экспериментов (исследование
влияния внешней среды и внутренней структуры кабельной термопары на времена полимеризации его изоляционного слоя).
6. Проведение сравнительного анализа полученных моделей.
7. Разработка автоматизированной системы управления полимеризационной печи.
Научная новизна работы. Впервые поставлена и решена группа задач математического моделирования комплекса физико-химических превращениях (полимеризация) и фазовых (испарение воды), протекающих в кабельных термопарах, учитывающих двумерный нестационарный сопряженный, конвективный, кондуктивный и радиационный теплоперенос. Задачи не имеют аналогов по постановке и полученным результатам.
Практическая значимость. Разработанные математические и физические модели, алгоритмы численного решения задач теплопереноса могут быть использованы для анализа качества изоляционного слоя кабельной термопары и повышения энергоэффективности процессов сушки и полимеризации при их изготовлении. Представленные в работе исследования позволят существенно повысить ресурсоэффективность (время, энергия, материал и т.д.) рассматриваемых процессов на производстве кабельных термопар.
В первой главе отражается современное состояние теоретических и экспериментальных исследований современного состояния исследований процессов теплопереноса при изготовлении кабельных термопар. Выполнен обзор опубликованных экспериментальных и теоретических работ по процессам полимеризации и сушки, которые можно использовать при построении моделей основных физико-химических процессов. Установлено отсутствие результатов основных элементов математической базы, обеспечивающей адекватное моделирование процессов теплопереноса при изготовлении кабельных термопар.
Во второй главе представлена постановка задачи нестационарного сопряженного кондуктивного, конвективного и радиационного теплопереноса, позволяющая выполнять численные исследования процессов, протекающих в процессе изготовления кабельных термопар. Приведены результаты численного решения тестовых задач для верификации выбранных численных методов и используемого алгоритма решения основной задачи.
В третьей главе описаны исследования моделирования процессов тепломассопереноса, в условиях интенсивных физико-химических полимеризация и фазовых превращениях. Приведены основные результаты численных исследований, в частности, влияние условий теплообмена, лучистой составляющей теплообмена, теплофизических характеристик термоэлектродов, возможного наличия влажности в изоляционном слое на условия изготовления кабельных термопар. Описаны основные рекомендации для прогностической оценки процессов полимеризации при известных параметрах работы полимеризационной печи.
В четвертой главе разработана автоматизированная система управления полимеризационной печи, позволяющая осуществлять контроль и управления температурой в процессе полимеризации кабельного изделия. Представлено описание структурной, функциональной, принципиальной и монтажной схем, а также выбор технических средств АСУ.
В пятой главе рассмотрено экономическое обоснование разработанного проекта, в результате которого был составлен календарный график-план выполнения и смета затрат технического проекта, а также представлен критерий эффективности проекта.
В шестой главе выполнен анализ наличия опасных и вредных факторов, а также их воздействие на исследователя и рабочий персонал и предложены меры по снижению данного воздействия.
В заключении подведены основные итоги теоретических и экспериментальных исследований, а также сформулированы соответствующие выводы.
В работе был проведен аналитический литературный обзор по современному состоянию исследований процессов теплопереноса при изготовлении кабельных термопар; разработаны математические модели с одним и двумя термоэлектродом, учитывающие процессы полимеризации и сушки изоляционного слоя; выполнено исследование влияния внешней среды и внутренней структуры кабельной термопары на времена полимеризации его изоляционного слоя.
В процессе проектирования разработаны структурная, функциональная, принципиальная схемы и щит управления и автоматизации автоматизированной системы управления полимеризационной печи. Отображена оценка эффективности разработки. Рассмотрены вопросы, связанные с охраной труда на производстве.
Область применения: производство кабельной продукции.
ВВЕДЕНИЕ
Целью работы является разработка основных элементов математической базы, обеспечивающей адекватное моделирование процессов теплопереноса, протекающих совместно в условиях интенсивного радиационно-конвективного теплообмена при изготовлении кабельных термопар.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Проведение аналитического литературного обзора по
современному состоянию исследований процессов теплопереноса при изготовлении кабельных термопар.
2. Разработка математической модели с одним электродом и
учитывающая процесс полимеризации изоляционного слоя.
3. Разработка математической модели с двумя электродами и
учитывающая процесс полимеризации изоляционного слоя.
4. Разработка математической модели с двумя электродами и
учитывающая процессы полимеризации и сушки в изоляционном слое.
5. Проведение вычислительных экспериментов (исследование
влияния внешней среды и внутренней структуры кабельной термопары на времена полимеризации его изоляционного слоя).
6. Проведение сравнительного анализа полученных моделей.
7. Разработка автоматизированной системы управления полимеризационной печи.
Научная новизна работы. Впервые поставлена и решена группа задач математического моделирования комплекса физико-химических превращениях (полимеризация) и фазовых (испарение воды), протекающих в кабельных термопарах, учитывающих двумерный нестационарный сопряженный, конвективный, кондуктивный и радиационный теплоперенос. Задачи не имеют аналогов по постановке и полученным результатам.
Практическая значимость. Разработанные математические и физические модели, алгоритмы численного решения задач теплопереноса могут быть использованы для анализа качества изоляционного слоя кабельной термопары и повышения энергоэффективности процессов сушки и полимеризации при их изготовлении. Представленные в работе исследования позволят существенно повысить ресурсоэффективность (время, энергия, материал и т.д.) рассматриваемых процессов на производстве кабельных термопар.
В первой главе отражается современное состояние теоретических и экспериментальных исследований современного состояния исследований процессов теплопереноса при изготовлении кабельных термопар. Выполнен обзор опубликованных экспериментальных и теоретических работ по процессам полимеризации и сушки, которые можно использовать при построении моделей основных физико-химических процессов. Установлено отсутствие результатов основных элементов математической базы, обеспечивающей адекватное моделирование процессов теплопереноса при изготовлении кабельных термопар.
Во второй главе представлена постановка задачи нестационарного сопряженного кондуктивного, конвективного и радиационного теплопереноса, позволяющая выполнять численные исследования процессов, протекающих в процессе изготовления кабельных термопар. Приведены результаты численного решения тестовых задач для верификации выбранных численных методов и используемого алгоритма решения основной задачи.
В третьей главе описаны исследования моделирования процессов тепломассопереноса, в условиях интенсивных физико-химических полимеризация и фазовых превращениях. Приведены основные результаты численных исследований, в частности, влияние условий теплообмена, лучистой составляющей теплообмена, теплофизических характеристик термоэлектродов, возможного наличия влажности в изоляционном слое на условия изготовления кабельных термопар. Описаны основные рекомендации для прогностической оценки процессов полимеризации при известных параметрах работы полимеризационной печи.
В четвертой главе разработана автоматизированная система управления полимеризационной печи, позволяющая осуществлять контроль и управления температурой в процессе полимеризации кабельного изделия. Представлено описание структурной, функциональной, принципиальной и монтажной схем, а также выбор технических средств АСУ.
В пятой главе рассмотрено экономическое обоснование разработанного проекта, в результате которого был составлен календарный график-план выполнения и смета затрат технического проекта, а также представлен критерий эффективности проекта.
В шестой главе выполнен анализ наличия опасных и вредных факторов, а также их воздействие на исследователя и рабочий персонал и предложены меры по снижению данного воздействия.
В заключении подведены основные итоги теоретических и экспериментальных исследований, а также сформулированы соответствующие выводы.
В ходе работы впервые разработана группа физических и математических моделей, обеспечивающая адекватное моделирование процессов теплопереноса, протекающих совместно в условиях интенсивного радиационно-конвективного теплообмена при изготовлении кабельных термопар.
Рассмотрено влияния условий теплообмена, лучистой составляющей теплообмена, теплофизических характеристик термоэлектродов, возможного наличия влажности в изоляционном слое на условия изготовления кабельных термопар.
Представленные в работе математические модели, а также сформулированные рекомендации можно использовать при выборе температурных режимов полимеризации изоляционных слоев кабельных термопар, а также прогностической оценке процессов полимеризации при известных параметрах работы полимеризационной печи.
Разработана автоматизированная система управления полимеризационной печи, для возможной реализации которой спроектированы: структурная схема и функциональная схема; составлена заказная спецификация приборов и средств автоматизации; принципиальная электрическая схема соединений, общий вид и спецификация оборудования щита управления.
Приведено экономическое обоснование разработанного проекта, в результате которого была составлена смета затрат технического проекта и календарный график-план выполнения.
Выполнен анализ наличия вредных и опасных факторов, а также их воздействие на исследователя и рабочий персонал, перечислены меры по снижению данного воздействия.
Рассмотрено влияния условий теплообмена, лучистой составляющей теплообмена, теплофизических характеристик термоэлектродов, возможного наличия влажности в изоляционном слое на условия изготовления кабельных термопар.
Представленные в работе математические модели, а также сформулированные рекомендации можно использовать при выборе температурных режимов полимеризации изоляционных слоев кабельных термопар, а также прогностической оценке процессов полимеризации при известных параметрах работы полимеризационной печи.
Разработана автоматизированная система управления полимеризационной печи, для возможной реализации которой спроектированы: структурная схема и функциональная схема; составлена заказная спецификация приборов и средств автоматизации; принципиальная электрическая схема соединений, общий вид и спецификация оборудования щита управления.
Приведено экономическое обоснование разработанного проекта, в результате которого была составлена смета затрат технического проекта и календарный график-план выполнения.
Выполнен анализ наличия вредных и опасных факторов, а также их воздействие на исследователя и рабочий персонал, перечислены меры по снижению данного воздействия.