Способ тепловизионного контроля теплоизоляции сосудов и трубопроводов

Изобретение относится к области неразрушающего контроля. В способе нагрев стенки сосуда (трубопровода) под изоляцией для создания температурного перепада поперек слоя изоляции осуществляется методом наддува внутренней полости газом, сопровождаемого соответствующим адиабатным повышением температуры газа наддува, причем наддув осуществляется до оптимального давления р_опт, при котором адиабатное повышение температуры газа наддува является максимальным. Технический результат - способ позволяет обеспечить проведение тепловизионного контроля неразборных сосудов и протяженных трубопроводов и снизить энергетические затраты на проведение контроля. 7 ил.

 

Предлагаемый способ относится к области неразрушающего контроля, а именно к инфракрасной диагностике и методам теплового неразрушающего контроля.

Известны способы определения качества ограждающих строительных конструкций с использованием тепловизоров, описанные в руководящих документах (ГОСТ 26629-85 «Метод тепловизионного контроля качества. Теплоизоляция ограждающих конструкций». Международный стандарт ISO 6781-83 «Теплоизоляция. Качественное выявление теплотехнических нарушений в ограждающих конструкциях. Инфракрасный метод», Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Т.5: В 2 кн. Кн.1: Тепловой контроль. Кн.2: Электрический контроль. - М.: Машиностроение, 2004. - с.279).

В указанных способах температурный напор, обеспечивающий формирование температурных полей на наружных контролируемых с помощью тепловизора поверхностях, создается за счет тепловыделений внутри зданий и сооружений вследствие работы систем отопления, вентиляции, нагревательных и бытовых тепловыделяющих приборов.

Известен способ контроля качества линий электропередач (Канарчук В.Е., Чигринец А.Д. Бесконтактная тепловая диагностика машин. М.: Машиностроение, 1987. - с.153), а также способ тепловизионного контроля электронных плат (Кэсбери Б. Сокращение затрат времени и труда при отыскании повреждений на платах линии связи системы Х фирмы «Плесси» // Infrared Observer. 1987, №15; Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Т.5: В 2 кн. Кн.1: Тепловой контроль. Кн.2: Электрический контроль. - М.: Машиностроение, 2004. - с.298, 333).

В указанных способах температурный напор создается за счет выделения тепла Джоуля-Ленца в проводниках и потребителях, в которых течет электрический ток.

Недостатком перечисленных способов является то, что при отсутствии тепловыделений внутри исследуемых объектов исчезает температурный перепад между наблюдаемой поверхностью и окружающей средой, что делает невозможным проведение тепловизионного контроля.

Известен способ тепловизионного контроля качества асфальтобетонных покрытий автострад (Канарчук В.Е., Чигринец А.Д. Бесконтактная тепловая диагностика машин. М.: Машиностроение, 1987. - с.146). Способ основан на наружном (со стороны расположения тепловизора) нагреве контролируемой поверхности за счет солнечного излучения.

Недостатком данного способа является зависимость результатов измерений от погодных условий.

Перечисленные способы относятся к пассивным способам контроля.

Известны активные способы контроля, при которых исследуемая поверхность подвергается искусственному нагреву. При внешнем нагреве источник тепла размещается со стороны тепловизора (Драгун В.Л., Филатов С.А. Тепловизионные системы в исследованиях тепловых процессов. Минск: Наука и техника, 1989. - с.94). Внешний нагрев практически не применим для поверхностей сферических и цилиндрических объектов (например, сосудов и тубопроводов). Внутренний нагрев можно обеспечить путем размещения с обратной стороны или введения внутрь контролируемого объекта источников тепла (электронагревателей, теплоносителей и т.п.). Однако это не всегда представляется возможным и приводит к большим энергетическим затратам.

Наиболее близким по технической сути (прототипом) к предлагаемому способу является способ тепловизионного неразрушающего контроля качества многослойных композиций (Драгун В.Л., Филатов С.А. Тепловизионные системы в исследованиях тепловых процессов. Минск: Наука и техника, 1989. - с.95). Способ включает размещение внутри контролируемого объекта галогенных излучателей, создание с помощью них теплового потока к внутренней стороне контролируемой поверхности, контроль температурного поля на наружной стороне контролируемой поверхности с помощью тепловизора.

Недостатком указанного способа является невозможность его использования в неразборных сосудах и протяженных трубопроводах, а также высокие энергетические затраты на его реализацию.

Задачей изобретения является создание способа тепловизионного контроля теплоизоляции сосудов и трубопроводов, обеспечивающего получение технического результата, состоящего в обеспечении возможности контроля качества теплоизоляции неразборных сосудов и протяженных трубопроводов, а также в сокращении энергетических затрат на проведение контроля.

Этот технический результат достигается тем, что внутренняя полость сосуда (трубопровода) наддувается газом от внешнего источника до давления, соответствующего оптимальному значению p_опт, при котором адиабатное повышение температуры газа наддува оказывается максимальным. Указанная совокупность признаков (наддув внутренней полости газом и выбор давления наддува, равного оптимальному значению p_опт, обеспечивающему максимальное повышение температуры) позволит исключить установку внутренних источников тепла и соответствующую разборку сосудов (трубопроводов), совместить операции тепловизионного контроля с обязательными периодическими операциями по опрессовке и проверке герметичности и прочности сосудов (трубопроводов), а также ограничит количество газа, подаваемого во внутреннюю полость на наддув.

Повышение температуры газа наддува приводит к повышению температуры стенки сосуда (трубопровода) вследствие теплоотдачи и формированию перепада температуры поперек слоя тепловой изоляции, обеспечивая возможность проведения тепловизионного контроля наружной поверхности изоляции.

Величина p_опт определяется по формуле

p_опт=π_опт p₀,

где π_опт - оптимальная степень повышения давления при наддуве, p₀ - начальное давление в сосуде (трубопроводе).

1<n≤k,

где n - показатель политропы, k - показатель адиабаты газа наддува.

Физический смысл наличия максимума зависимости конечной температуры газа наддува от давления наддува можно объяснить следующим образом. При небольших степенях повышения давления при наддуве увеличение температуры начального газа в результате адиабатного сжатия недостаточно велико. При больших степенях повышения давления увеличение температуры начального газа значительно, однако оно нивелируется большой массой газа наддува. Оптимальному значению π соответствует ситуация, когда повышение температуры идеального газа в результате адиабатного сжатия уже достаточно велико, а масса газа наддува еще достаточно мала для сильного снижения температуры адиабатного сжатия.

Обоснуем величину оптимального давления p_опт наддува внутренней полости сосуда (трубопровода), при котором повышение температуры газа будет максимальным.

При наддуве теплоизолированных емкостей температура газа повышается в результате адиабатного сжатия газа, находившегося в объеме емкости до наддува.

Особенностью поведения газа при наддуве является то, что повышение внутренней энергии газа в результате совершения работы сжатия равномерно распределяется между начальным газом и газом наддува.

Проведем анализ процесса повышения температуры газа при наддуве теплоизолированной емкости объемом V.

Будем считать, что процесс наддува происходит в два этапа. Начальное состояние газа в емкости до наддува представлено на фигуре 1. Промежуточное состояние газа в емкости при достижении давления p_н представлено на фигуре 2. Конечное состояние газа в емкости после выравнивания температуры представлено на фигуре 3. На первом этапе начальный газ сжимается от начального давления Р₀ до давления газа наддува P_н без перемешивания с ним (условно отделенный от него невесомым герметичным поршнем). При этом сжатый газ, находившийся в емкости, займет объем V₁, его температура повысится до значения T_I, определяемого из уравнения адиабатного процесса

где Т₀ - начальная температура газа в емкости, к - показатель адиабаты,

- степень повышения давления при наддуве.

Газ наддува займет объем V_II. При этом

Изменением давления и температуры газа наддува в процессе заполнения емкости будем пренебрегать и считать их равными давлению Р_н и температуре Т_н в источнике газа наддува.

На втором этапе происходит выравнивание температурного поля в результате перемешивания газа наддува из объема V_II с начальным газом из объема V_I. В результате этого температура начального газа наддува понижается, а температура газа наддува повышается. Процесс завершается установлением конечного значения температуры Т_к во всем объеме емкости. Величину Т_к определяем из уравнения энергетического баланса

где U_k, U_I, U_II - величина внутренней энергии газа после выравнивания температуры в объеме емкости, а также до выравнивания в объемах U_I и U_II соответственно

В уравнениях (4, 5, 6) - удельные изохорные теплоемкости газа при температурах Т_к, T_I, Т_н, m_к - суммарная масса газа в емкости после наддува, m_I и m_II - масса начального газа и масса газа наддува в емкости.

При небольших изменениях температуры газа зависимость С_υ от Т можно не учитывать, так что

Отметим, что род газа наддува и начального газа - один и тот же.

Из уравнения баланса массы

На основании выражений (3-8) можно записать

Определим величины m_I и m_II.

Масса m_I равна массе m₀ начального газа, заполнявшего емкость до наддува.

При небольших степенях повышения давления сжимаемостью газа можно пренебречь, и тогда, в соответствии с уравнением Клапейрона-Менделеева

где μ - молярная масса газа; Дж/(кмоль К) - универсальная газовая постоянная.

Масса m_II равна массе газа наддува, заполнившего объем V_II при давлении p_н и температуре Т_н:

Из выражения (2)

Поскольку объем V_I формируется при сжатии начальной массы газа m₀=m_I до давления p_н, то его можно найти из выражения

После подстановки значений Т_I, m_I, m_II из выражений (1), (10), (11) с учетом (12) и (13) в формулу (9), после некоторых преобразований получаем

В формуле (14) а=(к-1)/к, а также принято, что температура начального газа и газа наддува совпадает: Т₀=Т_н.

Анализ зависимости Т_к=Т_к(π) показывает, что при π=1 Т_к=Т₀, а при π→+∞ T_k→T₀. Указанное обстоятельство свидетельствует о наличии максимума Т_к при некотором значении π=π_опт.

Величину π_опт найдем стандартным путем дифференцирования функции Т_к(π) по π и приравнивая производной нулю:

Для упрощения процедуры дифференцирования преобразуем выражение (14), разделив числитель и знаменатель на π:

Поскольку максимум величины Т_к(π) соответствует минимуму функции в знаменателе

То заменим формулу (15) на выражение

Дифференцирование (17) приводит к следующему результату:

а с учетом (18), получаем, что

Или, подставляя вместо а его значение:

Соответствующее значение максимально возможного повышения температуры составит

Так, для одноатомных газов (гелия, аргона), у которых к=1,67, значения π_опт и T_{к max} составят:

π_опт=3,59;

T_{к max}=1,23T₀.

Для двухатомных газов (воздуха, азота, кислорода, водорода), у которых k=1,4, значения π_опт и Т_{к max} составят:

π_опт=3,25;

Т_{к max}=1,14T₀.

Наконец, для трехатомных газов (водяного пара, углекислого газа), у которых к=1,33, значения π_опт и Т_{к max} составят:

π_опт=3,16;

T_{к max}=1,12T₀.

Характер зависимости относительного повышения температуры Т_к/Т₀ (обозначено Z) от степени повышения давления π (обозначено Y) при наддуве (при различных к) представлен на фиг.4 (для одноатомного газа; к=1,67), 5 (для двухатомного газа; к=1,4), 6 (для трехатомного газа; к=1,33).

Выражения для расчета максимального повышения температуры получены для случая адиабатного сжатия. Однако в реальных условиях сосуд или трубопровод, в которых осуществляется сжатие, покрыты теплоизоляцией с конечным термическим сопротивлением. Вследствие этого, в процессе наддува имеют место потери тепла от газа через теплоизоляцию в окружающую среду. В предельном случае, когда весь прирост внутренней энергии газа, полученный в результате сжатия, парируется эквивалентным отводом теплоты, процесс наддува будет иметь изотермический характер.

Таким образом, реальный процесс наддува емкости (трубопровода), покрытой теплоизоляцией с конечным термическим сопротивлением, будет находиться в диапазоне между изотермическим и адиабатным процессами.

Если пренебречь изменением теплоемкости газа в процессе наддува, то такой процесс можно считать политропным. В этом случае в формулах (21, 22) величина показателя адиабаты k должна быть заменена на величину показателя политропы n. При этом 1<n≤k:

Таким образом, оптимальная величина давления наддува внутренней полости сосуда (трубопровода) для обеспечения тепловизионного контроля теплоизоляции равна

где π_опт определяется из формул (21) или (23).

Наддув сосудов и трубопроводов до давлений, меньших р_опт, приводит к уменьшению чувствительности тепловизионного метода контроля вследствие недонагрева газа. Наддув же до давлений, больших р_опт, помимо уменьшения чувствительности метода, приводит к дополнительному расходу газа наддува и соответствующим экономическим затратам.

Пример реализации предлагаемого способа проиллюстрируем на основе работы установки, представленной на фиг.7. Установка включает источники газа наддува: компрессор 1 и баллон 2, распределительно-отсечные клапаны 3, 4, 5, редуктор 6, манометр 7, контролируемый сосуд 8 с теплоизоляцией 9, а также тепловизор 10.

Работа установки происходит следующим образом. Производится наддув сосуда 8 газом наддува от начального давления р₀ в сосуде 8 до давления р_опт. Для этого газ от компрессора 1 через клапан 3 или от баллона 2 через клапан 4 подается на редуктор 6, настроенный на выходное давление, и далее через открытый клапан 5 подается во внутреннюю полость сосуда 8. Контроль давления в сосуде 8 осуществляется по манометру 7. При достижении давления р_опт в сосуде 8 клапан 5 закрывается. Адиабатное повышение давления во внутренней полости сосуда 8 приводит к повышению температуры газа в сосуде, в результате которого нагревается стенка сосуда. Тепловой поток, вызванный перепадом температуры между стенкой сосуда и окружающей средой, передается через теплоизоляцию 9 на ее наружную поверхность, формируя на ней температурные поля различной конфигурации, определяемые качеством и текущим техническим состоянием теплоизоляции 9.

Контроль температурных полей на наружной поверхности теплоизоляции 9 производится с помощью тепловизора 10.

Способ тепловизионного контроля теплоизоляции сосудов и трубопроводов, включающий предварительный нагрев стенок сосудов и трубопроводов под изоляцией для создания перепада температуры поперек слоя теплоизоляции и последующий тепловизионный контроль температурных полей на наружной поверхности теплоизоляции, отличающийся тем, что предварительный нагрев осуществляется за счет наддува газом внутренней полости сосудов и трубопроводов и соответствующего адиабатного повышения температуры газа наддува, причем наддув осуществляется до оптимального давления p_опт, при котором адиабатное повышение температуры газа наддува является максимальным.