CC BY
13
УДК 681.7.013
DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2020.2(118).66-71
ИССЛЕДОВАНИЕ ИНФОРМАТИВНОСТИ ПАРАМЕТРОВ РАЗБРАКОВКИ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ
МЕТОДОМ НАКОПЛЕННЫХ ЧАСТОТ
Н.В.Филипченко, В.А.Карачинов, Д.А.Петров, А.В.Петров
STUDY OF INFORMATION CONTENT OF REJECTION HEAT PIPES PARAMETERS USING THE METHOD OF ACCUMULATED FREQUENCIES
N.V.Filipchenko, V.A.Karachinov, D.A.Petrov, A.V.Petrov
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого, 229726@std.novsu.ru
Проведены исследования по оценке информативности параметров разбраковки в рамках неразрушающего тепловизионного метода контроля качества тепловых труб с использованием коэффициента асимметрии, при центральной локализации источника теплового потока. Для получения количественных показателей информативности по результатам компьютерного эксперимента, разработана методика с применением метода накопленных частот. В ходе исследования были получены графики распределения частот параметров, а также график изменения параметров во времени. В работе показано, что наиболее информативным из выбранных для разбраковки ТТ является параметр, связанный с периметром скользящей изотермы. Ключевые слова: тепловая труба, метод, качество, тепловидение, параметр разбраковки, информативность, накопленная частота
As a result of intensive use of heat pipes in various areas of industry due to the efficiency of systems to ensure normal thermal conditions, as well as rapid growth of production of heat pipes. Studies have been performed to evaluate the information content of the parameters of rejection heat pipes, within the framework of the non-destructive thermal imaging method for controlling the quality of heat pipes using the asymmetry coefficient, with centralized localization of the heat flux source. To obtain quantitative indicators of information content according to the results of a computer experiment, a technique using the method of accumulated frequencies has been developed. In the course of the research, graphs of frequency distribution of parameters and graph of parameter changes with time were obtained. It is shown in the work that the most informative of the selected parameters of rejection is the parameter associated with the perimeter of the moving isotherm.
Keywords: heat pipe, method, quality, thermal imaging, parameters of rejection, information content, accumulated frequency
Введение
Известно, что тепловая труба (ТТ) осуществляет скоростной перенос теплового потока в пределах своего корпуса от локализованного на ее поверхности источника тепла почти без потерь [1]. В настоящее время как в России, так и за рубежом серийно выпускается различные типы ТТ, которые находят широкое применение в электронике (особенно в СВЧ-технике), ядерной энергетике, медицине и, конечно же, в компьютерах [2]. Определенный интерес для исследователей представляет класс ТТ, обладающих симметричной структурой, например, плоские, профильные. Последние часто рассматриваются как эталонные [3].
Следует подчеркнуть, что при массовом производстве ТТ к их надёжности предъявляют повышенные требования. Преимущественно используются неразрушающие методы контроля качества, в том числе тепловизионные, отличающиеся новизной и возможностью автоматизации [4,5].
Дальнейшее совершенствование этих методов затрагивает вопросы выбора и научного обоснования информативности параметров разбраковки ТТ. Эти сведения, к сожалению, в литературных источниках по ТТ носят ограниченный характер [3,5]. Поэтому в данном сообщении рассмотрены базовые вопросы подобной технологии применительно к ТТ с симметричной структурой.
Целью данного исследования является повышение надёжности тепловых труб.
Методика проведения исследований
Методика исследования информативности параметров разбраковки тепловых труб включает в себя проведение компьютерных опытов путём моделирования тепловых труб в ПО «Elcut 6.3» [6] с последующим измерением параметров изотерм в ПО «Компас-3D» [7]. Для расчёта информативности параметров методом накопленных частот и построения графиков используется ПО Microsoft Office [8].
Исследование морфологии температурного поля ТТ
Геометрическая модель ТТ. Тепловизионная методика контроля качества подразумевает фотонный нагрев импульсным источником тепловой энергии. Для произведения компьютерных расчётов была простроена модель тепловой трубы в ПО «Elcut» (рис.1) со следующими габаритными размерами: длина — 500 мм, ширина — 30 мм.
Метка на поверхности тепловой трубы имеет диаметр 20 мм.
Конфигурации пассивных дефектов на поверхности тепловой трубы:
1) круглый дефект: диаметр — 5 мм.
2) горизонтальный прямоугольный дефект: длина — 1 мм, ширина — 10 мм.
3) вертикальный прямоугольный дефект: длина — 10 мм, ширина — 1 мм.
Двумерная геометрическая модель тепловой трубы, построенная на координатном поле в пакете
Рис.1. Двумерная модель тепловой трубы в «ELCUT»
Тепловая модель ТТ. При построении тепловой модели прежде всего необходимо сделать некоторые упрощающие предположения, которые позволили бы решить задачу, не идеализируя её настолько, что она потеряла бы всякое отношение к описываемой системе [9].
Для создания адекватной тепловой модели исследуемой ТТ действует упрощение, что тепловая труба работает в режиме равномерного пуска.
Это означает, что плотность пара достаточно высока при температуре окружающей среды, и при подводе тепла сразу возникает достаточная циркуляция теплоносителя [10].
Так, моделью фитиля тепловой трубы будет стержень, форма и геометрические размеры которого совпадают с параметрами корпуса тепловой трубы, а температурное поле будет двумерным из-за наличия градиента температуры не только по длине ТТ, но и в толщине стенки корпуса [11].
Таким образом, тепловая модель исследуемой ТТ представляет собой стержень с эффективным коэффициентом теплопроводности. Такой вывод можно сделать также благодаря допущениям [11].
Из всего вышесказанного можно заключить, что двумерная тепловая модель ТТ будет выглядеть следующим образом (рис.2,3).
Рис.2. Двумерная тепловая модель исследуемой ТТ. 1 — корпус и фитиль ТТ; 2 — пассивный дефект на поверхности ТТ; 3 — источник теплового потока. Изображение получено при помощи ПО «Е!сиЬ
........ —
¿1 Файл Правка Вид Задача Сервис Окна
Рис.3. Двумерная тепловая модель исследуемой ТТ с построенной сеткой конечных элементов, количество элементов — 252. Изображение получено при помощи ПО «Е!сиЬ
Свойства используемых материалов
Составная часть Материал Плотность, [кг/м3] Теплопровод- Удельная теплоем-
ТТ ность, [Вт/(м*К)] кость, [Дж/(кг*К)]
Корпус ТТ Сплав алюминия 2710 180 921
Фитиль Порошок алюминия 2000 375,25 892
Пары аммиака 0,72 470*103 2008
Паровой канал Пары этанола 1,85 1,88*103 1420
Пары воды при P=0,05кг/см2 0,337 15,5*108 1885
Рис.4. Картина распределения теплового поля на поверхности ТТ в момент прохождения изотермой дефекта
При построении тепловой модели при помощи ПО «Е1сШ» удалось добиться разбиения лишь на 252 элемента. Это связано с ограничениями возможностей студенческой версии ПО «Е1си1», которая распространяется бесплатно.
Аналогично тепловой модели ТТ, изображённой на рис.3, строились тепловые модели с горизонтальной и вертикальной дефектами.
С использованием пакета «ELCUT 6.3.0-Student» были построены тепловые модели ТТ.
Так, измерения определённых признаков симметрично слева и справа от источника теплового потока с определённой достоверностью могут показать наличие пассивного дефекта. Параметром же является разность измеренных признаков справа (^ LR, PR) и слева LL, PL) от источника теплового потока в момент прохождения изотермой дефекта, где S — площадь охватываемая изотермой, L — расстояние от середины ТТ до фронта изотермы, а P — периметр изотермы.
шяяшя г* р }
; i< . 1
( 0 ) хвввв
Pi Pg
■Ни > ЯНН
Рис.5. Распределение параметров теплового поля на поверхности ТТ в момент прохождения изотермой пассивного дефекта
На рис.5 видно, что изотермы слева и справа имеют различную конфигурацию, это происходит, потому что изотерма, проходя через дефект, изгибается и замедляется вследствие создаваемых дефектом тепловых потерь.
Математическая модель ТТ. При построении математической модели ТТ была рассмотрена нестационарная задача теплопроводности в плоскопараллельной постановке. Для данного случая использовалось уравнение теплопроводности (1), а также начальное (2) и граничные условия (3-5) [12]:
8T , c„ Р— = 1
где cr
дТ и р
S2T ,
д 2T дх 2
+ 1
д 2T
у + "»•
(1)
удельная теплоемкость и плотность
материала; А*, Ху, Xz — коэффициенты теплопроводности; q0 — теплопроизводительность единицы объема источников тепловой энергии; Т — температура; х, у, z — координаты.
1. В начальный момент времени для ребер всех тел, входящих в модель, задавалось постоянство температуры:
T,i=o = T = const. (2)
2. Для всех ребер ИТП с учетом изотермично-сти поверхности задавалось условие первого рода
T = Тп. (3)
3. Для внутренних ребер, образующих паровой канал, задавались граничные условия второго:
дТ
= У i,
дп
(4)
На внешних ребрах (корпус) модели ТТ задавалось условие третьего рода, которое описывает как
конвективный, так и лучистый теплообмен с окружающей средой:
^ = % T — гс )—р(г4 - T4)
8n
(5)
где в — величина, равная произведению постоянной Стефана—Больцмана (ст0 = 5,7-10-8 Вт/м2к4) на коэффициент излучательности поверхности материала зонда; ak — коэффициент теплоотдачи конвекции. Численные значения коэффициента ak были получены из предварительных расчетов с использованием известного метода подобия [3]. Отвод теплового потока через кондуктивные связи крепежа ТТ не учитывался.
Исследования информативности параметров. Сущность метода накопленных частот заключается в построении эмпирических распределений признаков, принадлежащих двум различным классам в одних координатных осях и подсчёту накопленной частоты. Оценкой информативности будет служить модуль максимальной разности накопленных частот.
Имеются 2 значения признака х I X, принадлежащих двум матрицам «объект — признак» обучающих выборок A1 и A2. Далее по двум наборам значений признака x строятся эмпирические распределения и подсчитываются накопленные частоты как суммы частот от начального до текущего интервала распределения. Мерой информативности признака х служит модуль максимальной разности накопленных частот по формуле (6).
I(x) = max {Mi j - М2 j }, (6)
где M1 j — накопленная частота для j-го интервала выборки Ai; M 2 j — накопленная частота для j-го интервала выборки A2; (q+1) — число интервалов [13].
Задача состояла в рассмотрении следующего множества исходных признаков:
X = {S,L,P}. (7)
Пусть заданы обучающие выборки А1 и A2, отражающие результаты измерения этих параметров для двух состояний — «тепловая труба с дефектом» и «тепловая труба без дефектов» соответственно.
По каждой выборке построены эмпирические распределения признака х. Для этого вычислены минимальные и максимальные значения каждого из признаков и размах для всех данных xmm, xmax.
Было задано количество интервалов распределения так, чтобы размах значений признака примерно нацело делился на число q. В данном случае q = 5. Далее найдена величина А интервала распределения по формуле
x — x ■
д _ max min
(8)
Ч
Вычислены границы каждого]-го интервала:
dj = хт1П + ухд; j = 0, 1, ..., ч. (9)
Для построения эмпирического распределения признака х по выборке Ак (к = 1, 2) найдены количества тк]- попаданий значений признаков в каждый интервал, исходя из соотношения dj _ ! < х < dj.
Далее накопленная частота М^ для ^го интервала вычислялась следующим образом:
Q
j _o
m
kj
k _ 1,2.
(10)
Таким образом, рассмотрен типичный ход проведения расчетов информативности признака разбраковки ТТ.
Данный метод является весьма простым в изучении, что позволяет использовать его как инструмент для выбора параметров разбраковки тепловых труб.
Результаты исследований и их обсуждение
Результаты расчёта распределений относительных и накопленных частот для параметров Р, L представлены в виде графиков (рис.6-8), которые отражают максимальное отклонение свойств ТТ с дефектом от свойств ТТ без дефекта, что наглядно показывает информативность параметров, по которым производится разбраковка.
Рис.6. Распределение относительных ту и накопленных Му частот для параметра Р выборки А1 и А2
Рис.7. Распределение относительных ту и накопленных Му частот для параметра в выборки А1 и А2
3ml] —*—tvllj M2j
s q
Рис.8. Распределение относительных ту/ и накопленных Му частот для параметра L выборки Ау и А2
Из графиков (рис.6-8) можно сделать вывод, что наиболее информативным параметром разбраковки ТТ является периметр изотермы в момент прохождения дефекта.
Полученный результат можно объяснить тем, что в момент прохождения дефекта изотерма довольно сильно меняет свою форму.
Также для визуализации изменения параметров разбраковки ТТ 1(х) во времени на примере периметра были построен график (рис.9).
PR, PL, Р
900
800
700
600
500
400
300
200
100
р__
--
-
-
_
-
1
1
1
— -
-
3
10 20 30 40 50 60 70 80 ^ с
Рис.9. Изменение параметра Р во времени
Из графика (рис.9) можно судить о том, что с течением времени параметры становятся более информативными, т.к. различия между целой и дефект-
ной частью тепловой трубы становятся более наглядными.
Вывод
Исследование информативности параметров разбраковки ТТ, согласно компьютерному эксперименту, выявило как наиболее информативный параметр периметр изотермы в момент прохождении дефекта.
Также, согласно компьютерному эксперименту, достоверно можно сказать, что с течением времени информативность параметров растёт.
Данное исследование позволяет увеличить достоверность контроля качества, что в свою очередь повышает надёжность производства тепловых труб.
10.
11.
12. 13.
14.
15.
16.
17.
18.
ГОСТ 23073-78. Тепловые трубы. Термины, определения и буквенные обозначения.
Дан П.Д., Рэй Д.А. Тепловые трубы. М.: Энергия, 1979. 272 с
Лукс А.Л., Матвеев А.Г. Анализ основных расчетных и экспериментальных теплофизических характеристик аммиачных тепловых труб повышенной тепловой проводимости из алюминиевых сплавов // Вестник СамГУ. Естественнонаучная серия. 2008. №3(62). С.331-357. Патент № 2680178 РФ МПК F28D 15/02. Способ контроля качества тепловой трубы / В.А.Карачинов, Д.А.Петров, А.С.Ионов. Бюл. №5. Заявл. 01.03.2018. Опубл. 18.02. 2019.
Карачинов В.А., Петров Д.А., Килиба Ю.В. Анализ методов контроля качества тепловых труб // Вестник НовГУ. Сер.: Техн. науки. 2019. №2 (114). С.14-18. ELCUT. [Электронный ресурс]. URL: https://elcut.ru. (дата обращения: 20.01.2020).
Компас-3D. [Электронный ресурс]. URL: https://kompas.ru/.(дата обращения: 20.01.2020). Microsoft office 2016. [Электронный ресурс]. URL: https://products.office.com/ru-ru/microsoft-office-2016. (дата обращения: 20.01.2020).
Дульнев Г.Н., Беляков А.П. Тепловые трубы в электронных системах стабилизации температуры. М.: Радио и связь, 1985. 96 с.
Ивановский М.Н., Сорокин В.П., Чулков Б.Л., Ягодкин И.В. Технологические основы тепловых труб. М.: Атом-издат, 1980. 148 с.
Алексеев В.А., Арефьев В.А. Тепловые трубы для охлаждения и термостатирования радиоэлектронной аппаратуры. М.: Энергия, 1979. 128 с.
Лыков А.В. Тепломассообмен. М.: Энергия, 1978. 480 с. Быкова В.В., Катаева А.В. Методы и средства анализа информативности признаков при обработке медицинских данных // Программные продукты и системы. 2016. №2.
C.172-178.
Патент №2456524 РФ МПК F28D 15/02. №2010152904/06. Способ контроля качества тепловой трубы / В.А.Карачинов. Заявл. 23.12.10. Опубл. 20.07.12. Бюл. №20.
Karachinov V.A., Evstigneev D.A., Abramov A.M., Petrov
D.A Diagnostics of thermal pipes with symmetric structure thermal impact method // International Scientific Journals of Scientific Technical Union of Mechanical Engineering "Industry 4.0". Machines. Technologies. Materials. 2019. Vol.13. Iss.2. P.83-85.
Кульбак С. Теория информации и статистика / Пер. с англ. М., 1967. С.364-381.
Тарасов Е.М., Герус В.Л., Тарасова А.Е. Исследование информативности признаков при распознавании состояний рельсовых линий // Вестник Мордовского ун-та. 2018. Т.28. №2. С.191-206.
Карачинов В.А. Защита РЭС в экстремальных условиях. Специальные устройства охлаждения. Учебное пособие. В.Новгород: НовГУ, 2007. 176 с.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
References
1. GOST 23073-78. Teplovye truby. Terminy, opredeleniya i bukvennye oboznacheniya [GOST 23073-78. Heat pipes. Terms, definitions and letter symbols].
2. Dunn P.D., Reay D.A. Heat Pipes. Pergamon Press, 1976. (Russ. ed.: Dan P.D., Rey D.A. Teplovye truby. Moscow, Energiya Publ., 1979. 272 p.).
3. Luks A.L., Matveev A.G. Analiz osnovnykh raschetnykh i eksperimental'nykh teplofizicheskikh kharakteristik ammiachnykh teplovykh trub povyshennoy teplovoy provodimosti iz alyuminievykh splavov [Analysis of main calculated and experimental thermo-physical characteristics of advanced heat-transfer rate heat-pipes of aluminum alloys]. Vestnik SamGU. Estestvennonauchnaya seriya, 2008, No.3(62), pp.331-357.
4. Karachinov V.A., Petrov D.A.,Ionov A.S. Sposob kontrolya kachestva teplovoi trubi [Heat pipe quality control method]. Patent RF no.2680178 RF MPK F28D 15/02.
5. Karachinov V.A., Petrov D.A., Kiliba Yu.V. Analiz metodov kontrolya kachestva teplovykh trub [Analysis of quality control methods of heat pipes]. Vestnik NovSU, 2019, no.2 (114), pp.14-18.
6. ELCUT. Available at: https://elcut.ru (accessed: 20.01.2020).
7. Kompas-3D. Available at: https://kompas.ru/ ( accessed: 20.01.2020).
8. Microsoft office 2016. Available at: https://products.office.com/ru-ru/microsoft-office-2016. (data obrashcheniya: 20.01.2020).
9. Dul'nev G.N., Belyakov A.P. Teplovye truby v elektronnykh sistemakh stabilizatsii temperatury [Heat Pipes in electronic systems of temperature stabilization]. Moscow, Radio i svyaz', 1985. 96 p.
10. Ivanovskiy M.N., Sorokin V.P., Chulkov B.L., Yagodkin I.V. Tekhnologicheskie osnovy teplovykh trub
[Technological bases of heat pipes]. Moscow, Atomizdat Publ., 1980. 148 p.
11. Alekseev V.A., Arefev V.A. Teplovye truby dlya okhlazhdeniya i termostatirovaniya radioelektronnoy apparatury [Heat pipes for cooling and thermoregulation of the radio electronic equipment]. Moscow, Energiya, 1979. 128 p.
12. Lykov A.V. Teplomassoobmen [Heat and Mass Transfer]. Moscow, Energiya Publ., 1978. 480 p.
13. Bykova V.V., Kataeva A.V. Metody i sredstva analiza infor-mativnosti priznakov pri obrabotke meditsinskikh dannykh [Methods and tools for analysing informative features when processing medical data]. Programmnye produkty i sistemy, 2016, no.2, pp.172-178.
14. Karachinov V. A. Sposob kontrolya kachestva teplovoi trubi [Heat pipe quality control method]. Patent RF no.2010152904/06. Published: 20.07.12. Bul. no. 20.
15. Karachinov V.A., Evstigneev D.A., Abramov A.M., Petrov D.A Diagnostics of thermal pipes with symmetric structure thermal impact method. International Scientific Journals of Scientific Technical Union of Mechanical Engineering 'Industry 4.0'. Machines. Technologies. Materials. 2019, vol.13, iss.2, pp.83-85.
16. Kul'bak S. Teoriya informatsii [Information theory and statistics]. Moscow, 1967, pp.364-381.
17. Tarasov E.M., Gerus V.L., Tarasova A.E. Issledovanie informativnosti priznakov pri raspoznavanii sostoyaniy rel'sovykh liniy [Study of Informative Value of Features in Rail Condition Monitoring]. Vestnik Mordovskogo un-ta, 2018, vol.28, no.2, pp.192-206.
18. Karachinov V.A. Zashchita RES v ekstremal'nykh usloviyakh. Spetsial'nye ustroystva okhlazhdeniya [RPS protection under the extreme conditions. Special cooling equipment]. Uchebnoe posobie. Velikij Novgorod, 2007. 176 p.
