Методы теплотехнических исследований

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

№ 1193 

Кафедра теплофизики и экологии металлургического производства 

В.Ф. Бердышев 
К.С. Шатохин 

Методы теплотехнических 
исследований 

Лабораторный практикум 

Допущено учебно-методическим объединением 
по образованию в области металлургии в качестве учебного 
пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению 150100 – Металлургия 

Москва   Издательский Дом МИСиС   2010 

УДК 536.6.08: 531.7.088 
Б48 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. С.В. Коминов  

Бердышев В.Ф., Шатохин К.С. 
Б48 Методы теплотехнических исследований: Лаб. практикум. – 
М.: Изд. Дом МИСиС, 2010. – 44 с. 
 

В лабораторном практикуме исследуются методические погрешности, 
наиболее часто встречающиеся в теплотехнической практике. Лабораторные 
работы позволяют овладеть навыками постановки экспериментов с применением компьютерных средств сбора, хранения и обработки измерительной 
информации; использования современных методов расчета возникающих методических погрешностей. В каждой лабораторной работе приведены краткие теоретические сведения, указания по проведению экспериментов и обработке результатов исследований, контрольные вопросы. Приводится список 
необходимых источников информации. 
Предназначен для бакалавров специальности 150103, изучающих курс 
«Методы теплотехнических исследований». 

 

 
© Бердышев В.Ф., 
Шатохин К.С., 2010 

СОДЕРЖАНИЕ 

Предисловие.........................................................................................4 
Основные правила техники безопасности ........................................5 
Лабораторная работа 1. Разработка и исследование 
статистической имитационной модели 
теплотехнического объекта .....................................................................7 
Лабораторная работа 2. Разработка и 
идентифицирующее теплотехническое исследование 
динамической модели теплового объекта............................................19 
Лабораторная работа 3. Изучение методики 
имитационного моделирования температурного режима 
теплотехнического агрегата...................................................................29 
Лабораторная работа 4. Экспериментальное и 
аналитическое исследование температурного и 
теплового состояния рабочих поверхностей печи...............................35 
Библиографический список..............................................................43 

Предисловие 

Профессиональная подготовка студентов, изучающих вопросы 
постановки и проведения комплексного теплотехнического исследования, в значительной мере определяется их умением и навыками 
работы с сенсорно-информационными средствами современного 
уровня. 
Лабораторный практикум предназначен для развития и совершенствования практических навыков работы с микропроцессорными 
компьютеризированными системами теплотехнического исследования с высокой степенью программно-методической поддержки его 
проведения. 
Блочно-модульное аппаратное и программно-методическое обеспечение каждой системы исследования формирует у студентов умения и навыки экспериментирования, обработки и представления результатов исследования с помощью информационных технологий. 
Однотипность используемых средств исследования позволяет в короткие сроки освоить и эффективно применять творческий самостоятельный подход к решению поставленных учебных задач, а также 
освоить современные высокотехнологичные средства исследования. 
Для расширения объема усваиваемых навыков и умения проведения теплотехнического исследования в промышленной практике в 
курс обучения включена программа освоения современных интеллектуальных микропроцессорных зондовых датчиков и приборов 
теплотехнического контроля, сопрягаемых на информационном 
уровне с системой исследования. 

ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ 
БЕЗОПАСНОСТИ 

Лабораторные работы выполняются на специализированных 
стендах в лаборатории «Теплотехнические измерения в металлургии» с теплотехническим оборудованием, включающим натурные 
тепловые агрегаты – электрические печи различного назначения и 
конструкции; установки и средства метрологического обеспечения 
измерений; теплотехнические цифровые и микропроцессорные компьютеризированные измерительные системы; приборы и датчики; 
разные теплотехнические объекты исследования – термически «тонкие» и «массивные», стационарные и движущиеся, твердые и жидкие; а также средства энергообеспечения, защиты и пр. 
Данное оборудование относится к действующим электроустановкам и должно эксплуатироваться в соответствии с «Правилами техники безопасности при эксплуатации электроустановок»: 
1. Выполнение работы разрешается только на исправном стенде. 
Во избежание возникновения переходных процессов в измерительных цепях до начала работ все установки должны быть отключены. 
2. Перед началом работ следует ознакомиться с расположением 
всех выключателей электропитания и особенностями их отключения. 
3. При необходимости коммутации элементов исследовательского 
комплекса особое внимание следует уделять исправности электрической изоляции соединительных проводов, подсоединительных вилок, 
клемм и пр. О неисправностях следует незамедлительно сообщать 
преподавателю и дежурному лаборанту. 

ВНИМАНИЕ! Включение оборудования стенда без разрешения 
преподавателя категорически запрещено. 

4. При проведении экспериментов с использованием электронных 
приборов нельзя касаться испытательных стендов и корпуса прибора, 
соединенного с землей. Следует обращать внимание на исправность 
соединений приборов между собой и клеммой «земля». 
5. Проведение эксперимента с регулировкой напряжения, включением и выключением тумблеров и других операций следует выполнять одному из студентов и только одной рукой, при этом вторая 
рука не должна касаться аппаратуры стенда. 
6. На стендах, находящихся под напряжением, запрещается производить перекоммутацию соединений. При любом изменении в 

схеме соединений необходимо обесточить стенд с помощью соответствующего выключателя. 
7. При обнаружении любых повреждений или неисправностей на 
стенде, а также при появлении запаха перегретой изоляции, дыма, 
искрения следует немедленно обесточить стенд и сообщить об этом 
преподавателю или лаборанту. 
8. При поражении электрическим током требуется немедленно отключить стенд (силовое питание лаборатории, стенда, экспериментальной панели) пакетным выключателем. В случае невозможности 
быстрого отключения нужно принять меры по удалению пострадавшего от токоведущих частей. При этом следует пользоваться защитными средствами: резиновыми перчатками, резиновыми подстилочными ковриками или подручными средствами (сухие части одежды, 
деревянные и керамические предметы, изоляторы). 
9. При потере сознания и дыхания необходимо освободить пострадавшего от стесняющей одежды и делать искусственное дыхание 
до прибытия врача. 
10. Находясь в помещении лаборатории следует соблюдать меры 
безопасности, связанные с травматизмом (не делать резких движений, быть внимательным по отношению к себе и окружающим), ожогами (возможностью касания горячих предметов) и поражением зрения целеуказывающими лазерами измерительных приборов (необходимо следовать инструкциям по пользованию данными устройствами). 

Лабораторная работа 1 

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ 
СТАТИСТИЧЕСКОЙ ИМИТАЦИОННОЙ 
МОДЕЛИ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА 

(4 часа) 

1.1. Цели работы 

1. Научиться разрабатывать идентифицированную имитационную 
модель теплотехнического объекта. 
2. Освоить навыки применения на практике современных средств 
теплотехнического исследования параметров тепловой работы печного агрегата. 
3. Освоить процедуры планирования активного и пассивного эксперимента при проведении аванисследования промышленной печи. 
4. Освоить информационную технологию проведения исследования влияния погрешностей на качество идентифицированной модели 
теплотехнического объекта. 

1.2. Теоретическое введение 

Теплотехнические агрегаты и технологии, сложные по структуре, дорогостоящие, значительные по производительности, стоимости производимой продукции, перед проведением натурных промышленных исследований целесообразно подвергать аванисследованиям с применением идентифицирующих имитационных моделей 
теплотехнического исследования. Такие модели включают собственно модель теплотехнического объекта и модель системы теплотехнического исследования, функционирующих на стадии экспериментального исследования как метасистема информационного потока, дедуктивно генерирующего новое знание об объекте и системе исследования. При этом гарантированно решается задача позитивного выбора наиболее рациональной стратегии и тактики проведения промышленного эксперимента. Адекватность и точность 
идентификации в этом случае гарантируются правильностью выбора номенклатурного состава и точностных характеристик средств 
для промышленного исследования, что, в конечном итоге, обеспе

чивает достижение высоких результатов по совершенствованию 
теплотехнических процессов в агрегате. Технология такого исследования 
базируется 
на 
разработке 
вероятностнодетерминированных имитационных моделей объекта и самой системы исследования, для которых проводится планируемый эксперимент, с целью выбора наиболее рациональной номенклатуры 
средств исследования с последующей реализацией натурного эксперимента на промышленной печи. 
Рациональный выбор вида эксперимента (пассивный (ПЭ) или 
активный (АЭ)) и планирование типа эксперимента (полный факторный (ПФЭ) или дробный факторный (ДФЭ)) при исследовании и 
идентификации моделей сложных промышленных агрегатов оказывают решающее влияние на эффективность исследования, т.е. на 
качество получаемой модели и экономичность затрат на ее получение (рис. 1.1). 

 

Рис. 1.1. Схема разработки имитационной и натурной метасистем 
информационного потока при теплотехническом исследовании 

Для достижения основных целей обучения в качестве варианта 
выбора вида эксперимента рассмотрена автоматизированная система 
теплотехнического исследования работы камеры нагрева протяжной 
башенной печи, представленной на рис. 1.2. 

Рис. 1.2. Схема камеры нагрева протяжной печи и установки датчиков: 
1 – толщиномер; 2 – датчик скорости; 3–7 – зональные термометры; 
8 – пирометр контроля температуры металла 

В качестве модели объекта рассматривается нагрев термически 
«тонкого» тела – металлического листа, температура которого описывается уравнением 

 
(
)
з
м2
з
з
м1
м
м
м
м

2α
 
 
exp
,
ρ
δ

i
i
i
i
i
i
l
T
T
T
T
С
v

Σ
⎛
⎞
=
−
−
−
⎜
⎟
⎝
⎠
 

где Тзi 
– температура в i-й зоне печи; 
Тм1i, Тм2i – температура металла на входе и выходе i-й зоны печи 
 
 соответственно; 
αΣi 
– средний суммарный коэффициент теплоотдачи в i-й зоне; 

lзi 
– длина полосы в i-й зоне; 
ρм, См 
– соответственно плотность и средняя в i-й зоне тепло- 
 
 емкость металла; 
δм, vм 
– соответственно толщина и скорость транспортировки 
 
 металла в печи. 

Модель системы исследования включает модель наблюдений и 
модель выбора стратегии исследования совместно с моделью объекта 
и сгенерированных методических и инструментальных погрешностей измерения (случайных и систематических) выбранных средств 
исследования: случайных погрешностей σ1 и σ3 для ПЭ и σ2 и σ4 для 
АЭ; систематических погрешностей контактных зональных термометров и пирометров Tv1 и Tv3 для ПЭ и Tv2 и Tv4 для АЭ. 
На первом этапе проводится идентифицирующее исследование, 
при котором базовый уровень и интервалы отклонения технологических параметров (температуры в зонах печи) на лабораторном стенде 
(модели печи) задаются согласно варианту задания, выдаваемого 
преподавателем, а интервал отклонений показаний зональных температур при проведении ПЭ и АЭ генерируется программным модулем 
ТYEL. 
На втором этапе проводится вариативное имитационное исследование, при котором базовый уровень и интервалы отклонения технологических параметров (температуры в зонах) на модели печи и интервал отклонений значений зональных температур при проведении 
ПЭ и АЭ генерируются программным модулем ТYEL. 
Полученные массивы экспериментальных данных обрабатываются с помощью программы линейной регрессии ПШЛР. Программа 
позволяет улучшить точность предсказания целевой функции – температуры металла на выходе из камеры нагрева – путем отсеивания 
малосущественных переменных – значений температуры в зонах при 
переборе и вводе последних по мере убывания их влияния на целевую функцию. 
Моделирование предоставляет исследователю массивы значений 
действительных (Tмд, Tзд) и инструментально наблюдаемых (Tм, Tз) 
температур металла на выходе и в зонах печи, а также разность 

м
мд
м
Т
Т
Т
Δ
=
−
, где 
м
Т  – среднее значение инструментальной температуры металла. 
Статистическая обработка полученных с помощью расчетной 
программы массивов данных позволяет на программном модуле 
СТАТ рассчитать средние значения и среднеквадратичные отклоне

ния (СКО) каждой переменной. На каждом вариативном шаге расчета определяется множественный коэффициент корреляции Rмн, критерий Фишера F, коэффициенты регрессии ai, их среднеквадратичные отклонения, свободный член (пересечение) a0, критерий Стьюдента ТС. 
По результатам расчета выводятся данные: действительные, измеренные и расчетные значения температуры металла, их разности, 
среднеквадратичные отклонения этих разностей S1 и S2. 

1.3. Описание экспериментальной установки 

Работа выполняется на стенде № 3. В состав стенда включаются 
камерная электропечь; исследуемый объект – пластина с 6 стационарно закрепленными на её поверхности кабельными термопарами 
ТП-К 05.21-1.5-1000/2000; стационарный оптоволоконный пирометр 
«Термоскоп 600-ТПИК ВТО» (инфракрасная (ИК) термопара); 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. 

1.4. Порядок проведения работы 

Исходные данные для проведения АЭ и ПЭ приведены в табл. 1.1. 
В соответствии с указанным вариантом подготавливается соответствующее оборудование и составляется схема эксперимента. 

Таблица 1.1 

Исходные данные для проведения АЭ и ПЭ (число опытов 32) 

Параметры пассивного 
эксперимента, °С 
Параметры активного 
эксперимента, °С 
Номер 
варианта 
σ1 
σ3 
Tv1 
Tv3 
ЗТ* 
σ2 
σ4 
Tv2 
Tv4 
TYE** 

1 
0,33 
3,3 
3 
40 
20 
0,33 
3,3 
3 
40 
20 

2 
1,7 
10 
5 
5 
30 
1,7 
10 
5 
5 
30 

3 
3,3 
5 
10 
20 
10 
3,3 
5 
10 
20 
10