CC BY
12
УДК 681.7.013 DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2020.5(121).39-43
ИССЛЕДОВАНИЕ ЯРКОСТНОГО КОНТРАСТА ПРОФИЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ В УСЛОВИЯХ ДИАГНОСТИКИ КАЧЕСТВА
С.С.Шергин, В.А.Карачинов, И.С.Осипова
INVESTIGATION OF THE BRIGHTNESS CONTRAST FOR QUALITY CONTROL
OF A PROFILE HEAT PIPE
S.S.Shergin, V^Karachinov, I.S.Osipova
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого, stepan.shergin@mail.ru
Проведен исследовательский эксперимент тепловизионного метода контроля качества тепловых труб (ТТ). В эксперименте в качестве геометрической модели была выбрана алюминиевая ТТ с аммиачным теплоносителем. Особенностью данной модели являлось центральное расположение источника теплового потока. Результатами эксперимента были термограммы с эволюцией температурного поля с фронтальной и тыльной стороны профильной ТТ. Произведен анализ результатов эксперимента. На основе термограммы были предложены следующие модели: модель нагруженной ТТ как объект с произвольным пространственным распределением яркости, модельное представление сигнала от обратной стороны нагруженной ТТ на равномерном фоне, геометрическая, оптико-геометрическая, тепловая и математическая модели. Проведен расчет по математической модели. Предложенные модели способствуют повышению качества контроля надежности ТТ. Ключевые слова: тепловая труба, модель, температура, энергетическая яркость
Для цитирования: Шергин С.С., Карачинов В.А., Осипова И.С. Исследование яркостного контраста профильной тепловой трубы в условиях диагностики качества // Вестник НовГУ. Сер.: Технические науки. 2020. №5(121). С.39-43. DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2020.5(121).39-43.
A research experiment of the thermal imaging method for quality control of heat pipes was carried out. In the experiment, an aluminum heat pipe with an ammonia coolant was chosen as a geometric model. A feature of this model was the central location of the heat flow source. The results of the experiments were thermograms with the evolution of the temperature field from the front and back sides of the heat pipe profile. The analysis of the experimental results is carried out. On the basis of the thermogram, the following models were proposed: a model of a loaded heat pipe as an object with an arbitrary spatial distribution of brightness, a model representation of the signal from the reverse side of a loaded heat pipe against a uniform background, geometric, optical-geometric, thermal, and mathematical models. The calculation was carried out using a mathematical model. The proposed models are a way to improve the quality of control of a heat pipe reliability. Keywords: heat pipe, model, temperature, energy brightness
For citation: Shergin S.S., Karachinov V..А., Osipova I.S. Investigation of the brightness contrast for quality control of a profile heat pipe // Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences. 2020. №5(121). P.39-43. DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2020.5(121).39-43.
Введение
Проблема обеспечения тепловых режимов электронной и радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) наземного применения является актуальной, что в первую очередь связано с достаточно узким температурным диапазоном ее функционирования, в котором обеспечиваются ее номинальные характеристики. Однако для целого ряда задач наиболее эффективным является использование активных и пассивных систем обеспечения тепловых режимов на основе двухфазных теплотранспортных систем — тепловых труб (ТТ).
К надежности ТТ предъявляются высокие требования и цель состоит в повышении эффективности и надежности специальных систем охлаждения на основе ТТ. Метод контроля качества ТТ, предложенный в патенте [1], имеет преимущества перед другими методами диагностики [2]. Для исследования данного метода был проведен эксперимент. В результате этого эксперимента были получены термограммы температурного поля аммиачной ТТ. На их основе была предложена
модель уникального распределения температурного поля. Особенностью данной модели является то, что фон находится вокруг контрастной метки, по центру моделированной поверхности ТТ. Для оценивания данного распределения температурного поля будут предложены оптико-геометрическая, геометрическая, тепловая и математическая модель. Математическая модель будет рассчитана для более качественной оценки.
Методика исследований
Описание измерительного стенда Экспериментальные исследования проводились на лабораторном стенде, структурная схема которого показана на рис.1. Он осуществлял возможность импульсного нагрева ТТ как с помощью излучения, так и с помощью резистивного нагрева. Для этих целей использовался управляемый генератор электрических импульсов (1), максимальное время нагрева составляло 120 с. В условиях резистивного нагрева в качестве источника теплового потока (ИТП) (2) применялся пленочный резистор на ситалловой подложке, который крепился
строго в центре ТТ (3) на стороне (4). Регистрация теплового, яркостного контраста теневой стороны (5) ТТ осуществлялась с помощью ТИС, состоящей из германиевого входного объектива (7), ИК-камеры телевизионной передающей (8) на базе неохлаждаемого модуля ГЯ-113 (X = 8-14 мкм), канала связи (9) и ПЭВМ (10) с ПО [3]. Расстояние от исследуемой ТТ до входного объектива не превышало одного метра. Настройка и калибровка ТИС осуществлялась с использованием визирной линии (6) и макета абсолютно черного тела. Методика ориентирована на ТТ с симметричной структурой. Поэтому для апробации методики были выбраны алюминиевые профильные ТТ с аммиачным теплоносителем, обладающие симметричной структурой [4].
Рис.1. Измерительный стенд: 1 — ИК импульсный источник света; 2 — импульсный источник теплового потока; 3 — тепловая труба; 4 — зона поверхности подвода тепла; 5 — зона поверхности измерения температуры; 6 — контрастная метка; 7 — входной объектив; 8 — тепловизор; 9 — канал связи; 10 — персональный компьютер с программным обеспечением
Алюминиевые профильные ТТ — класс тепловых труб, корпуса которых изготовлены в виде профилей специальной конструкции из алюминиевых сплавов (АД-31 по российскому стандарту ГОСТ 4784-74) методом экструзии, одноканальные или двухканальные, а в качестве капиллярно-пористой структуры используются продольные канавки, сформированные в едином технологическом цикле. В качестве теплоносителя (рабочего тела) в таких низкотемпературных ТТ наиболее часто применяют ацетон и аммиак высокой чистоты.
Таблица 1
Технические характеристики исследуемой аммиачной ТТ
Характеристика Величина(норма)
Материал профиля ТТ АС-КРА6.0-Р2, с каплевидными канавками
Материал штенгель-трубки АД-31
Материал заглушки АД-31
Максимальная теплотранспорт-ная способность, Вт 100
Термическое сопротивление, К/Вт < 0,05
Предельная температура зоны испарения, °С < + 55
Перепад температур между зонами испарения и конденсации, °С < 5
Нормируемый угол наклона, ° 7
В эксперименте в качестве геометрической модели была выбрана алюминиевая ТТ с аммиачным теплоносителем. Особенностью данной модели являлось центральное расположение источника теплового потока (ИТП). В экспериментах использовались ИТП круглой и прямоугольной формы.
Визуализация температурного поля
Созданная при видеорегистрации последовательность файлов изображений ТТ подвергалась цифровой обработки в рамках известных алгоритмов, с целью формирования термограмм, в которых пиксельные амплитуды выражены в «радиационных» температурах.
Сравнение эволюции морфологических картин теплового поля с фронтальной и тыльной стороны ТТ показало общие закономерности. Характерным для двух сторон ТТ является то, что структура нестационарного теплового поля ТТ образована системой изотермических зон. Их протяженность, согласно проведенным экспериментам, претерпевала значительные изменения вдоль оси ТТ во времени в сторону увеличения. Такая эволюция теплового поля соответствовала известному режиму равномерного пуска, который реализовывался автоматически за счет большой величины давления пара аммиака уже при комнатной температуре. Дефектные области ТТ ярко выразились в виде отдельных очагов (рис.2, тыльная сторона, t = 12 с), нарушающих гомогенность окраски зон.
Результаты моделирования
Дальнейшие исследования методом моделирования будут относиться только к обратной стороне, нагруженной ТТ. За начальное изображение будет взят рис.2, морфология эволюции температурного поля обратной стороны в зафиксированное время t = 6 с, и на его основе предложим 5 моделей:
а) модельное представление нагруженной ТТ как объекта с произвольным пространственным распределением яркости с тыльной стороны (рис.3);
б) модельное представление сигнала от обратной стороны нагруженной ТТ на равномерном фоне (рис.4);
в) оптико-геометрическая модель обратной стороны нагруженной ТТ (рис.5);
г) геометрическая модель (рис.6);
д) тепловая модель (рис.7);
е) математическая модель (рис.8).
Разработки математической модели аммиачной профильной ТТ
В нашем случае подходит модель как объект в виде ограниченного по размерам 4 и 1у прямоугольника с равномерным пространственным распределением, описывающийся выражением [5]:
А1Х (х, у,Х) = Мх (Х)гес1^, ^ (1)
Для расчета следует задать начальные условия. Пусть температура Т элемента излучающей поверхности М равна 310 К, средняя температура фона
Tф= 300 К, длина волны излучения X равна 8 мкм, и
поток излучения Ф равен 0,01 Вт.
Рис.2. Температурное поле аммиачной ТТ в момент времени t = 6 c (обратная сторона)
Рис.3. Модельное представление нагруженной ТТ как объекта с произвольным пространственным распределением яркости с тыльной стороны
Рис.4. Модельное представление сигнала от обратной стороны нагруженной ТТ на равномерном фоне. ПО(КОМПАС-3D v18.1). Lo(x,y) — энергетическая яркость поверхности объекта, Lф(x,y) — энергетическая яркость фона, 1~ф(х, у) — средняя энергетическая яркость фона
Рис.5. Оптико-геометрическая модель, нагруженной ТТ обратной стороны. ПО(КОМПАС-3D v18.1)
Рис.6. Геометрическая модель обратной стороны, нагруженной ТТ
41
Рис.7. Тепловая модель обратной стороны, нагруженной ТТ. ПО ELCUT Student
Температура(К)
О 10 20 30 40 50 60 70 00 Э0 100 110 120 130 140 150 160 170 180 1Э0 200
Рис.8. График зависимости температуры от координаты ПО ELCUT Student
Для определения dA построим геометрическую модель обратной стороны нагруженной ТТ (рис.6).
На основе начальных параметров предлагается тепловая модель (рис.7).
Для более подробного описания температурного режима предложенной тепловой модели построим график, показывающий зависимость температуры от координаты по оси абсцисс (рис.8). По построенному графику можно определить, какой координате соответствует своя температура, и рассчитать более точно энергетическую яркость от входящих параметров.
По предложенной математической модели произведем расчет энергетической яркости в зависимости от координат [6]. Определим в начале отдельные части выражения:
а) прямоугольная функция:
recti Х, у-
1x ^y
x y
1x ly
xy
1x ^y
xy
1x ly
1
> 2
" 2; 1
< 2
(2)
б) спектральная энергетическая яркость:
AZ*(A.) — s
dZ0 (h,T)
dT
AT
m ■
(3)
T—T
Зависимость флуктуаций яркости теплового фона от длины волны X носит регулярный характер и в первом приближении определяется функцией кон-
трастной яркости
dZZj (h,T ) dT
при заданном значении
средней температуры фона Тф.
Спектральная яркость АЧТ Ь°х связана со спектральной плотностью энергетической светимости М ? соотношением:
Zo мh
(4)
Подставив в (4) закон Планка, характеризующий распределения спектрального излучения, получим [7]:
Z0 (h,T ) — q^h"5
Ь
-1
(5)
Зависимость спектральной яркости излучения от температуры и длины волны определяем по закону распределения Планка [7].
В первом приближении уравнение примет вид:
dLh(h,T) — c _-i.-5 dT —ci% h
exp| hf I-1
exP[Ш^. (6)
Коэффициентом теплового излучения (коэффициентом черноты) е реальных источников: МеХ (Х,Т)
s (h,T) —
MOh (h,T)
(7)
2
1
Спектральная плотность энергетической светимости для реальных источников описывается уравнением:
МеЛ КГ) = ^.
Подставим вместо энергетической светимости Mх уравнение:
М*(хг)=dАх
АГМ выражается как:
ДГм = Г0(х, у)-Гф, где lx, ly — размеры ТТ, lx1 — длина излучаемой поверхности dA и равна 92,5 мм.
Соответственно, dA равен: dA = lx\ • ly.
Результаты расчета сведены в табл.2.
Таблица 2 Значение энергетической яркости [8]
модели был произведен расчет для предложенной модели и на основе этих результатов можно более качественно оценить эффективность и надежность ТТ.
Номер точки Температура Т, К Координаты точек, (х, у) Энергетическая яркость ДЬК(х, у,Х), Вт/см2мкм
О1 310 (-53,75;0) 1,79340-5
О2 310 (53,75;0) 1,793^ 10-5
О3 308 (-100;0) 0,89740-5
О4 308 (100;0) 0,89740-5
Выводы
На основе результатов исследовательского эксперимента тепловизионного метода контроля качества тепловых труб были предложены следующие модели:
а) модельное представление нагруженной ТТ как объект с произвольным пространственным распределением яркости с тыльной стороны;
б) модельное представление сигнала от обратной стороны нагруженной ТТ на равномерном фоне;
в) оптико-геометрическая модель обратной стороны, нагруженной ТТ;
г) математическая модель обратной стороны, нагруженной ТТ;
д) тепловая модель.
Предложенные модели позволяют достичь повышения эффективности и надежности специальных систем охлаждения на основе ТТ. По математической
1. Патент на изобретение № 2685804 РФ МПК F28D 15/02 Способ контроля качества тепловой трубы / В.А.Карачинов, Ю.В.Килиба, Д.А.Петров, А.С.Ионов. Бюл. №12. Заявл. 07.05.2018. Опубл. 23.04.2019.
2. Карачинов В.А., Петров Д.А., Килиба Ю.В. Анализ методов контроля качества тепловых труб // Вестник НовГУ. 2019. №2(114). С.14-18.
3. Поскачей А.А., Чубаров Е.П. Оптико-электронные системы измерения температуры. М.: Энергоатомиздат, 1988. 248 с.
4. Колючкин В. Я., Мосягин Г. М. Тепловизионные приборы и системы: Учебное пособие. М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2000. 60 с.
5. Коротаев В.В., Мусяков В.Л., Энергетический расчет ОЭП учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. 44 с.
6. Дульнев Г.Н., Семяшкин Э.М. Теплообмен в радиоэлектронных аппаратах. Л.: Энергия, 1968. 360 с.
7. Куинн Т. Температура. М.: Мир, 1985.-448 с.
8. ГОСТ 8.654-2016 «Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Фотометрия. Термины и определения».
References
1. Karachinov V.A, Kiliba V., Petrov D.A., Ionov A.S. Sposob kontrolya kachestva teplovoy truby [Method for quality control of heat pipe]. Patent RF. 23.04. 2019.
2. Karachinov V.A., Petrov D.A., Kiliba Y.V. Analiz metodov kontrolya kachestva teplovykh trub [Analysis of methods for quality control of heat pipes]. Vestnik NovSU, 2019, no. 2 (114), 2019, pp.14-18.
3. Dul'nev G.N., Semyashkin E.M., Teploobmen v radioelek-tronnykh apparatakh: «Energiya», [Heat exchange in radio-electronic devices]. Leningrad, Energy Publ., 1968. 360 p.
4. Kolyuchkin V. Ya., Mosyagin G. M. Teplovizionnye pribory i sistemy. Uchebnoe posobie [Thermal imaging devices and systems. Tutorial] Moscow, MGTU im. N.E.Baumana Publ., 2000 , 60 p.
5. Quinn T.J. Temperature. London: Academic Press Ltd., 1983. (Rus. ed.: Temperatura. Leningrad, Mir Publ., 1985, 448 p.].
6. Poskachey A.A., Chubarov E.P. Optiko-elektronnye sistemy izmereniya temperatury [Optoelectronic temperature measurement systems]. Moscow, Energoatomizdat, 1988. 248 p.
7. Korotaev V.V., Musyakov V.L. Energeticheskiy raschet OEP uchebnoe posobie po kursovomu i diplomnomu proektiro-vaniyu [Energy calculation of OEP textbook on course and diploma design]. Moscow, ITMO University Publ., 2006, 44 p.
8. GOST 8.654-2016 «Gosudarstvennaya sistema obe-specheniya edinstva izmereniy (GSI). Fotometriya. Terminy i opredeleniya» [GOST 8.654-2016 'State system for measuring the interval of measurements (GSI). Photometry. Terms and Definitions'].
