Абдулин С.Ф. Системы автоматики предприятий стройиндустрии

Подождите немного. Документ загружается.

– тиристора с токовым управлением или оптотиристора. Следует

отметить, что оптотиристор уступает тиристору только в диапазоне токов

до 160 А, а по показателям безопасности в эксплуатации, стабильности и

дешевизны схемы управления оптотиристор имеет лучшие

характеристики. Реальная экономия средств в электроустановках на-

пряжением 0,4 кВ может быть получена при использовании ТРН на базе

оптотиристорных модулей с цифровой системой управления и

стабилизации. [92]

Опыт внедрения этих устройств пришелся на период становления в

России новой экономики, в конце 90-х годов XX века. В 1997 г. кировское

предприятие «Энергис» приступило к выпуску ТРН с применением

модульных оптотиристоров и цифровой системой управления на

импортных компонентах. Основными требованиями при разработке

оборудования стали необходимость иметь гибкую конфигурацию,

применимость для решения различных задач регулирования и ограничения

электрической нагрузки питающей сети.

Разработанный ТРН предназначен для плавного регулирования

действующего напряжения на активной, активно-индуктивной нагрузке

вручную или дистанционно в стандартной сети напряжением 220/380 В с

частотой 50 Гц. Область применения – управление нагревательными

установками различного назначения, а также осветительными установками

с лампами накаливания. Функции, реализованные в ТРН: регулирование

напряжения в каждой фазе раздельно (или совместно) в % от

номинального входного напряжения. Эта функция реализуется вручную

кнопками (регулятором) на панели управления ТРН или дистанционно

внешним токовым сигналом.

Принцип работы регулятора ТРН основан на изменении угла

отпирания силовых тиристоров α, величина которого определяется в

зависимости от величины внешнего управляющего сигнала, подаваемого

на вход ТРН.

Преимущества применения ТРН основаны на конструктивных

особенностях изделия:

1) блочно-модульная схема ТРН доступна при наладке и

обслуживании и, более того, допускает замену блоков без дополнительной

регулировки;

2) защита настроек ТРН исключает последствия вмешательства или

несанкционированного отключения сети;

3) дистанционное управление ТРН допускает раздельное

регулирование в фазах (группы нагревателей, линии освещения и т.д.);

4) пусконаладочные работы с ТРН доступны электромонтеру средней

квалификации, выполняющему требования Правил техники безопасности в

электроустановках до 1000 В.

Практическое применение разработанные терморегуляторы

напряжения ТРН нашли на разных предприятиях России. На предприятии

«Аврора-ЭЛМА» (г.Волгоград) для производства пьезокерамических

элементов применяются электропечи с особыми характеристиками.

Особенность этих печей состоит в применяемых нагревательных

элементах полупроводникового типа. Для управления температурой при

запуске необходимо глубокое регулирование напряжения на

нагревательном элементе. Для этих целей было применено 15 регуляторов

ТРН с максимальным током 160 А, управляемых дистанционно от ШИМ

регулятора. Применение данной системы позволило исключить

сверхвысокие пусковые токи электропечи и обеспечить следящий режим

регулирования температуры рабочей зоны.

В химическом производстве, производстве полимеров ТРН обычно

применяются для точного регулирования тепловых характеристик

компонентов и готовой продукции, как это реализовано на предприятии

«КОМИНТЭКС» при производстве полимерных строительных материалов

и линолеумов.

4.3. Технология комплексного теплового

неразрушающего контроля зданий и строительных

сооружений. Опыт и современная теория

В сентябре 2003 г. Правительство России утвердило «Энергетическую

стратегию России на период до 2020 г.». Одной из основных целей госу-

дарства в данной сфере является достижение намеченных стратегических

ориентиров роста энергоэффективности путем ужесточения требований к

энергосбережению, контроля энергопотребления, установления стандартов

энергопотребления и предельных норм энергопотерь, обязательной серти-

фикации энергопотребляющих объектов.

Важным направлением государственной политики становится под-

держка специализированного бизнеса в области энергосбережения, пока

слабо развитого в России. Это позволит сформировать экономических

агентов (энергосервисные и энергосберегающие компании), реализующих

оптимальные научные, проектно-технологические и производственные

решения, направленные на снижение энергоемкости продукции и услуг.

Одним их важнейших направлений энергосбережения является обес-

печение высокого качества тепловой изоляции наружных ограждающих

конструкций и соблюдение норм энергопотерь и энергоэффективности при

проектировании, строительстве и эксплуатации зданий. Как показывают

исследования, по этой причине сверхнормативно теряется до 40% энергии,

расходуемой на отопление зданий [78].

Определяющими теплотехническими характеристиками качества

строительства являются: в первую очередь величина приведенного

сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции здания

(например, для стен здания норматив фактического приведенного

сопротивления в зависимости от требуемого удельного расхода тепловой

энергии установлен в пределах 2,3–3,7 м

2 °

С/Вт), положение точки росы и

плоскости промерзания, а также промежуток времени, в течение которого

возможно функционирование здания при аварийном отключении

теплоснабжения и др.

В настоящее время эти характеристики определяются, как правило, на

стадии проектирования объекта расчетным путем. Однако эти результаты

имеют весьма большую погрешность и не отражают фактические

эксплуатационные характеристики строительной конструкции, так как не

учитывают наиболее важный этап между проектированием и эксплуа-

тацией – этап строительства, на котором проектные характеристики

конструкции могут быть существенно искажены как в лучшую, так и в

худшую сторону. Многолетний опыт практической работы

Технологического института энергетических обследований, диагностики

и неразрушающего контроля «ВЕМО» по тепловизионному обследованию

зданий и строительных конструкций показывает, что, по крайней мере,

треть сдаваемых в эксплуатацию зданий и строительных сооружений не

соответствует существующим нормам по энергопотерям и

энергосбережению. При этом проекты всех сооружений прошли все

необходимые обязательные экспертизы и соответствуют строительным

нормам. Это происходит по той причине, что в процессе строительства,

как показывает опыт обследований, часто происходят отступления от

проектной документации и технологий строительства, замены

стройматериалов и др.

Для определения фактического состояния характеристик

строительных объектов, Технологическим институтом «ВЕМО» разра-

ботана и внедрена в практику технология комплексного теплового

(тепловизионного) обследования зданий и строительных сооружений в

реальных условиях их эксплуатации (в летний и зимний периоды),

включающая в себя:

· энергетические обследования строительных конструкций с

определением приведенного сопротивления теплопередаче по стенам и

окнам, выявлением и локализацией зон и участков сверхнормативных

тепловых потерь;

· определение положения точки росы и плоскости промерзания;

· время охлаждения внутреннего воздуха здания при отключениях,

отказах и авариях системы теплоснабжения (с определением максимально

возможного времени остывания);

Рис. 4.22. Графики зависимости теплопотерь от начального

сопротивления теплоотдаче

· определение необходимой толщины утеплителя на участках

сверхнормативных теплопотерь.

На рис. 4.22 в качестве примера приведены усредненные зависимости

влияния величины сопротивления теплопередаче наружной ограждающей

конструкции на ее теплопотери и энергоэффективность.

Порядок контроля приведенного сопротивления теплопередаче

определен в ГОСТ 26629-85. Однако изложенная в нем методика

измерений по ряду объективных причин и в первую очередь вследствие

нестационарного характера теплопередачи в ограждающей конструкции,

трудно применима на практике. Причем погрешность измерений в

некоторых случаях может достигать 400% и более.

Технологическим институтом «ВЕМО» разработаны методика и

комплекс программно-аппаратных средств определения приведенного

сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций

строительных сооружений в реальных условиях их эксплуатации,

исключающие вышеназванные недостатки. В основе методики лежит

решение обратной задачи теплового неразрушающего контроля в

многослойной пространственной области с подобластями, имитирующими

дефекты, в условиях нестационарного процесса теплопередачи. Обратная

задача теплового контроля сводится к задаче на поиск экстремума

(минимума) следующего «функционала правдоподобия» [интегрирование

ведется по некоторому интервалу времени (0, t)]:

() ()

[ ]

d),(UUФ

tQttQ

, (4.1)

где

– набор параметров.

Решение обратной задачи в общем виде опирается на решение прямой

задачи в следующем смысле: необходимо так подобрать параметры

исследуемого объекта, чтобы его рассчитанная «реакция» [некоторая

функция времени U(τ))] оказалась по возможности более близка к изме-

ренной «реакции» U

(τ). Близость понимается в смысле близости в

функциональном пространстве (пространстве функций, удовлетворяющих

некоторым условиям гладкости).

Полученное реальное значение приведенного сопротивления

теплопередаче с соответствующими, определенными экспериментально

путем измерений на исследуемом объекте, начальными и граничными

условиями лежит в основе метода определения положения точки росы и

плоскости промерзания, теплового состояния строительной конструкции

при отказах и аварийном отключении системы теплоснабжения (с

определением максимально допустимого интервала времени отключения).

Проблема анализа движения фронта промерзания (или оттаивания)

влаги, содержащейся в наружных ограждениях здания, и координаты

точки росы имеет большое практическое значение, так как

непосредственно связана с вопросами ресурса и долговечности ог-

раждающих конструкций, определения их эксплуатационного

тепловлажностного режима и фактического сопротивления теплопередаче.

Последний фактор определяет теплопотери и энергоэффективность здания.

В зоне перемещения фронта промерзания создаются крайне

неблагоприятные условия эксплуатации строительных материалов

вследствие циклического процесса чередования замерзания и оттаивания

влаги, что постепенно приводит к снижению прочности а в конечном счете

и к возможному разрушению строительной конструкции.

Анализ процесса промерзания рассматривается как задача, в которой

изменение агрегатного состояния внутриконструкционной влаги (фазовый

переход «вода – лед») происходит при определенной температуре Т

(температуре замерзания), т.е. имеется четкая изотермическая граница,

отделяющая области агрегатного состояния внутриконструкционной влаги

в виде льда и жидкости.

Для определения координат границы раздела фаз «вода–лед» решается

система из двух уравнений нестационарной теплопроводности,

соответственно для областей жидкой и твердой фаз влаги, и, помимо

граничных условий на поверхности тела, дополнительно задаются два

условия на границе раздела фаз.

Например, в одномерной постановке:

1. Теплового баланса:

( ) ( )

Lxx

=+=

--=

. (4.2)

2. Равенства температур:

(х=х

–0)=Т

(х=х

+0)=Т

. (4.3)

Первый член уравнения (4.2) выражает плотность теплового потока S

который отводится от границы раздела фаз через область тела, с влагой в

твердой фазе (лед); второй член – плотность теплового потока S

поступающего к границе раздела фаз из области с влагой в жидкой фазе

(вода).

Задача в такой формулировке называется задачей Стефана о переме-

щении границы раздела фаз. В качестве примера, иллюстрирующего воз-

можности разработанного метода, на рис. 4.23 приведен график изменения

положения фронта промерзания для двух типов однородных стен –

кирпичной и из пенополистирола. Температура на внешней поверхности

стены принимается равной Т

= –20 °С, температура внутренней поверхно-

сти Т

=20 °С, температура замерзания влаги Т

=0°С. Из графика видно,

что кирпичная стена толщиной 0,2 м полностью промерзнет менее чем за

1,5 суток.

Одной из крайне важных характеристик жилых зданий является

время охлаждения внутреннего воздуха здания в различных

Рис. 4.23. Движение границы промерзания в однородной стене из кирпича и

пенополистерола с учетом эффектов скачка теплоемкости на границе

Рис. 4.24. Комплексный тепловизионный контроль зданий и строительных

конструкций

метеорологических условиях (температура наружного воздуха, скорость

ветра, влажность) при частичном ограничении либо отключении системы

теплоснабжения вследствие ее отказа или аварии. В течение этого времени

необходимо провести ремонтные работы и включить систему отопления

либо обеспечить слив теплоносителя из системы отопления для исключе-

ния возможного ее размораживания.

В основе методики определения времени охлаждения внутреннего

воздуха здания лежит математическая модель, описывающая процесс не-

стационарной теплопередачи в наружных и внутренних ограждающих

конструкциях, цокольном этаже и чердачном помещении здания с учетом

граничных и начальных условий и внутренних источников энергии. В

предлагаемой постановке тепловое состояние здания при отключении сис-

темы отопления в зимний период определяется расчетно-эксперименталь-

ным методом. Методика включает совместное решение системы n диффе-

ренциальных уравнений нестационарной теплопроводности в частных

производных и связывающей их системы (n–1) обыкновенных диф-

ференциальных уравнений теплового баланса с учетом соответствующих

граничных и начальных условий.

Одна из систем дифференциальных уравнений нестационарной тепло-

проводности описывает процесс теплопередачи в наружных ограждающих

Рис. 4.25.

Объект обследования: общий

вид фасадной части Константиновского

дворца, С.-Петербург, Стрельня

конструкциях здания, другие (n–1) системы дифференциальных уравнений

нестационарной теплопроводности описывают процесс теплопередачи в

наружных ограждающих конструкциях цокольной и чердачной частей, во

внутренних конструкциях здания и т.д. Температура внутреннего воздуха в

различных частях здания определяется решением системы обыкновенных

дифференциальных уравнений текущего теплового баланса воздуха во

внутреннем объеме дома с учетом внутренних источников энергии (внут-

реннее тепловыделение). Размерность системы – количество

дифференциальных уравнений – определяется сложностью обследуемой

строительной конструкции здания и требуемой точностью получения ре-

зультатов.

Таким образом, произведя экспериментальные, в т.ч. тепловизионные,

обследования и расчетно-теоретический анализ полученных данных по

разработанным методикам, определяются основные теплотехнические ха-

рактеристики наружных ограждающих конструкций в эксплуатационных

условиях.

На рис. 4.24 приведена структурная схема технологии комплексного

обследования зданий и строительных конструкций. Она включает три ос-

новных этапа:

Этап 1. Получение и регистрация первичной информации с контроли-

руемого объекта в реальных усло-

виях его эксплуатации: характери-

стики строительных конструкций,

температурные «истории» конструк-

ций контролируемого объекта и

окружающей среды, термограммы

объекта и его реперных зон, метеоро-

логические данные и т.п. и ее

предварительная компьютерная

обработка.

Этап 2. Определение теплотех-

нических характеристик обследуе-

мого объекта (приведенное

сопротивление теплопередаче по

стенам и окнам, положение точки

росы и плоскости промерзания,

тепловое состояние строительной конструкции при отключении системы

теплоснабжения с определением максимально допустимого времени

отключения).

Этап 3. Итоговый анализ материалов обследования, подготовка от-

четных материалов и заключений с оформлением вкладыша к энергетиче-

скому паспорту здания.

Все методики теплового (тепловизионного) обследования зданий и

строительных сооружений утверждены Департаментом государствен-

ного энергетического надзора Минэнерго РФ, Мосгосэнергонадзором и

аттестованы Госстандартом РФ.

Достоверность и надежность методик подтверждена трехлетним опы-

том работы по ним более 10 специализированных энергоаудиторских ор-

ганизаций при обследовании почти 300 строительных объектов.

Выводы:

1. Впервые решена задача комплексного теплового (тепловизион-

ного) неразрушающего контроля и диагностики технического состояния

строительных сооружений с определением численных значений их тепло-

технических характеристик в реальных условиях эксплуатации, а именно:

· сопротивление теплопередаче в каждой точке и приведенное

сопротивление теплопередаче наружных ограждающих конструкций;

· приведенное сопротивление теплопередаче светопрозрачных

конструкций – окон и светопрозрачных стен;

· местоположение точки росы и плоскости промерзания в наружных

ограждающих конструкциях;

· тепловое состояние строительной конструкции при отключении сис-

темы отопления (с определением максимально возможного времени

отключения).

2. Разработаны (не имеющие мировых аналогов) технологии и мето-

дики теплового неразрушающего контроля строительных конструкций,

обеспечивающие определение их фактических теплотехнических ха-

рактеристик в реальных условиях эксплуатации в различных климатиче-

ских условиях, в т.ч. в зимний и летний периоды. Созданные методики

обеспечивают определение численных значений теплотехнических харак-

теристик с погрешностью не более 10 – 15%, имеют соответствующие сер-

тификаты Госстандарта РФ и признаны Госэнергонадзором РФ и Мин-

энерго РФ как базовые для определения теплотехнического качества

строительства и показателей энергоэффективности строительных конст-

рукций.

3. Все методики реализованы в виде соответствующей технологической

документации и программного обеспечения с использованием

стандартных измерительных и вычислительных средств. Методики

контроля разработаны во исполнение федеральной целевой программы

«Энергоэффективная экономика» (раздел «Энергоэффективность ЖКХ»)

по поручению Госстроя РФ и Госэнергонадзора России и являются одним

из инструментов исполнения «Энергетической стратегии России на период

до 2020 г.».

Современная теория и технология теплового неразрушающего

контроля [78]

В настоящее время актуальной является задача определения качества

и оперативная достоверная диагностика технического состояния

материалов и конструкций изделий, в т.ч. в реальных условиях их

эксплуатации. Тепловой неразрушающий контроль в силу своей

специфики (бесконтактности, возможности контроля объектов в процессе

их испытаний и штатной эксплуатации, высокой информативности и т.п.)

позволяет эффективно решать эту задачу. Качественно новые возможности

теплового контроля связаны с переходом от тепловой дефектоскопии

(обнаружения внутренних дефектов) к тепловой дефектометрии

(определению численных характеристик внутренних нарушений

сплошности) и далее к оценке остаточного ресурса объектов.

Количественный анализ температурных полей с определением

характеристик исследуемого объекта (геометрических, теплотехнических,

теплофизических) строится на расчетных моделях, связанных с решением

обратной задачи теплопроводности. Она формулируется в виде задачи на

экстремум «функционала правдоподобия».

Постановка и решение прямой и обратной задач теплового

неразрушающего контроля

Решение обратной задачи в общем виде опирается на решение прямой

задачи в следующем смысле: необходимо так подобрать параметры

исследуемого объекта, чтобы его посчитанная реакция [некоторая функция

времени U(τ)] оказалась по возможности более близка к измеренной

реакции U

(τ). Близость понимается в смысле близости в функциональном

пространстве (пространстве функций, удовлетворяющих некоторым

условиям гладкости). Эту близость можно измерять с помощью разных

метрик, мы же будем пользоваться среднеквадратичной (4.4) по причине

простоты последней:

[ ]

¶-=

)(U)(U]U[

tttF

(4.4)

Доказано существование и единственность решения обратных задач

(быть может, в ограниченной области пространства параметров), т.е.

обеспечено наличие экстремума (4.4) .

В функционале (4.4) выделим зависимость от параметров для реакции

(t), тем самым превратив его в функцию, минимум которой в

пространстве этих параметров необходимо определить. Функционал (4.4)

приведем к виду (Θ – набор параметров)