Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Важнейшими статьями расхода тепла в промышленных печах являются потери тепла с уходящими газами, на аккумуляцию тепла футеровкой, на излучение тепла футеровкой. Потери тепла на аккумуляцию и излучение кладкой промышленных печей колеблются от 50 до 90% в зависимости от конструкции печей. Эти потери могут быть сокращены двумя основными способами: уменьшением объема кладки стен и дверей печи или уменьшением теплоемкости или теплопроводности материала стен. Оба способа тесно взаимосвязаны, так как при высоких температурах уменьшение объема футеровки может быть произведено лишь при наличии малотеплопроводного материала с низкой аккумулирующей способностью.

Огнеупорные и теплоизоляционные материалы выполняют главную задачу в промышленной теплоэнергетике: сохранение тепла и поддержание температуры на требуемом технологическом уровне.

Для практического использования любого огнеупорного материала в качестве теплоизолятора важны 2 основные характеристики: температура длительного применения и аккумулирующая способность. С помощью теплоизоляционных материалов можно снизить массу футеровки печей в 9-12 раз, а количество теплоты, отнимаемой кладкой (аккумуляцию тепла кладки), в 10-11 раз. Толщина стенки из одного легковесного изделия заменяет кладку толщиной 3,5 изделий нормальных размеров; потери тепла на аккумуляцию при этом снижаются в 10 раз [1].

Применение огнеупорных легковесных изделий позволяет экономить время на разогреве и охлаждении печей в 5 раз. Общее сокращение расхода топлива при применении легковесных изделий составляет в печах непрерывного действия от 10 до 15%, в печах периодического действия 45%. Футеровка печей такими изделиями в 5-10 раз сокращает капитальные вложения на строительство печей (по данным США). Известно, что 1 т шамотных легковесных огнеупоров марки ШЛ - 1,3 по теплоизолирующей способности эквивалентна 3 т аналогичных по составу плотных огнеупоров. Снижение расхода топливно-энергетических ресурсов на 1% обходится в 2-3 раза дешевле, чем добыча эквивалентного количества топлива [1].

В рамках данного проекта был создан модуль для хранения данных с тепловизора, их обработка, и дальнейшего использования в ранее созданном модуле расчетов потерь теплоты через печные ограждения.

1. Описание предметной области

Предметом разработки в данном проекте является программный комплекс для расчета тепловых потерь через печные ограждения.

1.1 Общие сведения об огнеупорных стенках

Огнеупорная стенка имеет важное значение в металлургическом производстве. Ни одна печь не обходится без нее. Любая огнеупорная стенка состоит из огнеупорных материалов (огнеупоры).

Ещё на заре человеческой культуры с получением огня появилась необходимость в огнеупорных материалах. В результате тысячелетий развития человеческого общества и его культуры огнеупорные материалы стали основой современных доменных, сталеплавильных, медеплавильных, цементно-обжигательных, стекловаренных и других печей.

Огнеупоры в виде кирпичей, изготовляемых из огнеупорных глин и каолинов, стали производить после появления доменных печей. В России - приблизительно в середине XVII века. При Петре I значительное количество такого кирпича делали из подмосковных глин. На протяжении первой половины XIX вв. производство огнеупоров развивалось преимущественно на металлургических заводах будучи дополнением к общей направленности. Конечно, это пагубно влияло на производство, т.к. затормаживало работу и распыляло промышленный потенциал, однако из-за аграрной направленности страны, эта проблема не решалась в течении долгого времени. Промышленная Европа, претерпевшая к XIX веку индустриальный переворот, имела в своём распоряжении вовсю работающие огнеупорные заводы, основанные ещё в период Наполеоновских войн. По данным БСЭ, первое специализированное производство огнеупоров было организовано в Германии в 1810 году [2].

С резким развитием промышленности и выдвижением класса буржуазии на решающие политические и общественные роли, Российская империя интересуется уже не кустарным производством огнеупорных материалов, а специализированной ветвью, которая должна быть основой огнеупорной промышленности. Первыми шагами в данном вопросе стало создание первых заводов: Белокаменский огнеупорный завод в Брянцевке (1893 г.) [2].

Производство огнеупоров в бывшем Советском Союзе сосредоточено в трёх основных промышленных районах: Южном (Белокаменка, Часов Яр), Центральном (Подольск) и Уральском (Первоуральск, Богданович) и основной поставщик магнезита город Сатка (Челябинская обл.) [2].

На сегодняшний момент, наличие огнеупорной промышленности и качество огнеупоров в той или иной стране характеризует степень её индустриализации. Из более 212 стран мира, огнеупорная промышленность имеется только в 35 странах. Более половины мирового господства приходится на долю СНГ и США. Огнеупоры - это материалы, изготовляемые на основе минерального сырья и отличающиеся способностью сохранять без существенных нарушений свои функциональные свойства в разнообразных условиях службы при высоких температурах. Применяются для проведения металлургических процессов (плавка, отжиг, обжиг, испарение и дистилляция), конструирования печей, высокотемпературных агрегатов (реакторы, двигатели, конструкционные элементы и др.).

Большинство огнеупорных изделий выпускают в виде простых изделий типа прямоугольного параллелепипеда массой в несколько килограмм. Несколько видов огнеупорных материалов представлены на рисунке 1.1.



Рисунок 1.1 - Огнеупоры

Это универсальная форма для выполнения футеровки различной конфигурации. На сегодня в огнеупорной промышленности происходит уменьшение выпуска огнеупоров в виде простых изделий и соответствующее увеличение производства огнеупорных бетонов и масс.

Огнеупорные материалы отличаются повышенной прочностью при высоких температурах, химической инертностью. По составу огнеупорные материалы это керамические смеси тугоплавких оксидов, силикатов, карбидов, нитридов, боридов. В качестве огнеупорного материала применяется углерод (кокс, графит). В основном это неметаллические материалы, обладающие огнеупорностью не ниже 1580°C, применяются практически везде, где требуется ведение какого-либо процесса при высоких температурах.

Огнеупорные и теплоизоляционные материалы выполняют главную задачу в промышленной теплоэнергетике: сохранение тепла и поддержание температуры на требуемом технологическом уровне.

В процессе длительной службы в условиях примерно постоянных температур теплопроводность огнеупоров повышается на 10-15%, а в условиях переменных температур - понижается вследствие образования дополнительных микротрещин в структуре огнеупора. Теплоизоляционные материалы не только экономят энергетические ресурсы, но и во многих случаях способствуют интенсификации технологических процессов, улучшению экологии, упрощению конструктивных решений новых футеровок [3].

Особенно эффективным является применение огнеупорных теплоизоляционных материалов для футеровки стен печей в области высоких температур, так как оно дает возможность сократить длительность разогрева печей и уменьшить толщину футеровки. Эффективность применения теплоизоляционных огнеупоров растет с уменьшением рабочего пространства теплового агрегата, с укорочением рабочего цикла, с улучшением теплоизоляционных свойств материалов. По данным многих исследователей, КПД промышленных тепловых агрегатов весьма низок; КПД мартеновских печей составляет от 15 до 25%, вагранок от 25 до 40%, нагревательных печей для слитков от 25 до 45%, ковочных печей от 10 до 20%, отражательных и закалочных печей от 10 до 20%, керамических печей от 20 до 40% [3].

Важнейшими статьями расхода тепла в промышленных печах являются потери тепла с уходящими газами, на аккумуляцию тепла футеровкой, на излучение тепла футеровкой. Потери тепла на аккумуляцию и излучение кладкой промышленных печей колеблются от 50 до 90% в зависимости от конструкции печей. Эти потери могут быть сокращены двумя основными способами: уменьшением объема кладки стен и дверей печи или уменьшением теплоемкости или теплопроводности материала стен. Оба способа тесно взаимосвязаны, так как при высоких температурах уменьшение объема футеровки может быть произведено лишь при наличии малотеплопроводного материала с низкой аккумулирующей способностью.

При снижении массы футеровки примерно на 11% потери тепла снижаются с 14800 до 5800 Вт/м², т.е. на 61%. Наибольшее тепловое напряжение испытывают периклазоуглеродистые и переклазохромитовые огнеупоры [3].

Таким образом, теплоизоляция, кроме сокращения потерь тепла, устраняет термическое разрушение огнеупора, сохраняет кладку и тем самым увеличивает срок эксплуатации.

При частых остановках тепловых агрегатов футеровка разрушается вследствие колебания температур. В этом случае необходимо или поддерживать температуру в печи, сохраняя огнеупоры от разрушения, или отключать подачу топлива и охлаждать печь. При охлаждении футеровка неизбежно приходит в состояние, отличное от исходного, и может быть непригодна для повторного использования. В этом случае применяют термостойкие и теплоизоляционные материалы - волокнистые и высокоогнеупорные легковесные, обладающие наименьшей аккумулирующей способностью. Волокнистые материалы применяют как покрытие ранее установленного огнеупора для улучшения теплоизоляционных свойств футеровки или как полностью волокнистую футеровку печей [3].

1.2 Технические характеристики огнеупоров

Огнеупорные материалы бывают штучными изделиями (блоками) и неформованными. К последним относят наварочные материалы, мертели, засыпки и другие специальные набивные и формуемые массы, в том числе применяемые для производства огнеупорных бетонов и торкретирования.

Следует различать кислые, нейтральные и основные огнеупоры. Более детальная классификация [4] производится по их химическому составу:

· кремнеземистые;

· алюмосиликатные;

· глиноземистые;

· глиноземоизвестковые;

· высокомагнезиальные;

· магнезиально-известковые;

· известковые;

· магнезиально-шпинелидные;

· магнезиально-силикатные;

· хромистые;

· цирконистые;

· оксидные;

· углеродистые;

· оксидоуглеродистые;

· карбидкремниевые;

· бескислородные.

По степени пористости огнеупоры можно разделить на: особоплотные (открытая пористость до 3%), высокоплотные (открытая пористость от 3 до 10%), плотные (открытая пористость от 10 до 16%), уплотненные (открытая пористость от 16 до 20%); среднеплотные (открытая пористость от 20 до 30%), низкоплотные (пористость от 30% до 45%), высокопористые (общая пористость от 45 до 75%) и ультрапористые (общая пористость более 75%).

1.3 Тепловизоры

Тепловимзор - устройство для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности. Распределение температуры отображается на дисплее (или в памяти) тепловизора как цветовое поле, где определённой температуре соответствует определённый цвет. Как правило, на дисплее отображается диапазон температуры видимой в объектив поверхности. Типовое разрешение современных тепловизоров - 0,1°C [5].

1.3.1 Принцип работы тепловизора

Все объекты, температура которых выше абсолютного нуля (0 К = -273.15°C), излучают инфракрасные волны. Человеческий глаз не способен увидеть инфракрасное излучение.

Еще в 1900-х годов физик Макс Планк доказал наличие взаимосвязи между температурой тела и интенсивностью исходящего от него потока инфракрасного излучения. Тепловизор измеряет инфракрасное излучение в длинноволновом спектре в пределах поля обзора. Исходя из этого, осуществляется расчет температуры измеряемого объекта. Факторы расчета излучательной способности (е) поверхности измеряемого объекта и компенсации отраженной температура (КОТ = компенсация отраженной температуры) - значения этих переменных можно вручную задать в тепловизоре [6].

Термография (измерение температуры посредством тепловизора) является пассивным, бесконтактным методом измерения. ИК-изображение отображает распределение температуры на поверхности объекта. Поэтому, с помощью тепловизора вы не сможете «заглянуть» вовнутрь объекта или увидеть его насквозь.

Излучение, отражение, пропускание. Излучение, регистрируемое тепловизором, состоит из излучаемого, отраженного и проходящего длинноволнового инфракрасного излучения рисунок 1.2, исходящего от объектов, расположенных в пределах поля зрения тепловизора.

Рисунок 1.2 - Излучение, отражение и пропускание

Коэффициент излучения (е). Коэффициент излучения (е) это степень способности материала излучать (выделять) инфракрасное излучение.

е изменяется в зависимости от свойств поверхности, материала, и в случае с некоторыми материалами - от температуры измеряемого объекта.

Максимальная излучательная способность:е = 1 (т. 100%).

е = 1 в действительности не встречается.

Живые тела: е < 1, т.к. живые тела также отражают и по возможности пропускают излучение.

Многие неметаллические материалы (например, ПВХ, бетон, органические вещества) обладают высокой излучательной способностью в длинноволновом инфракрасном диапазоне, которая не зависит от температуры (е ? 0.8 до 0.95) [7].

Металлы, особенно материалы с блестящей поверхностью, обладают низкой излучательной способностью, которая может меняться в зависимости от температуры.

Коэффициент излучения е можно вручную задать в тепловизоре.

Коэффициент отражения (с). Коэффициент отражения (с) это степень способности материала отражать инфракрасное излучение. с зависит от свойств поверхности, температуры и типа материала.

Как правило, гладкие, полированные поверхности имеют большую отражательную способность, чем шероховатые, матовые поверхности, изготовленные из одного и того же материала [7].

Компенсацию отраженной температуры можно вручную настроить в тепловизоре (КОТ).

Во многих областях применениях отраженная температура соответствует температуре окружающей среды. Вы можете измерить ее.

КОТ можно определить посредством излучателя Ламберта.

Угол отражения отраженного инфракрасного излучения всегда совпадает с углом падения.

Коэффициент пропускания (ф). Коэффициент пропускания (ф) это степень способности материала пропускать (проводить через себя) инфракрасное излучение. ф зависит от типа и толщины материала. Большинство материалов являются материалами не пропускающего типа, т.е. устойчивыми к длинноволновому инфракрасному излучению.

Закон теплового излучения Киргофа. Инфракрасное излучение, регистрируемое тепловизором, состоит из:

* излучения, испускаемого объектом измерения;

* отраженного внешнего излучения и

* пропущенного объектом измерения излучения.

Сумма данных компонентов всегда принимается за 1 (или 100%):

е+с+ф=1.

Поскольку коэффициент пропускания редко играет значительную роль на практике, ф опускается и формула

е+с+ф=1,

упрощается до

е+с=1.

Для термографии это означает, что:

Чем ниже коэффициент излучения, тем выше уровень отраженного инфракрасного излучения, тем сложнее осуществить точное измерение температуры и тем более важным становится правильная настройка компенсации отраженной температуры (КОТ).

Взаимосвязь между излучением и отражением.

1. Объекты измерения с высоким коэффициентом излучения (е?0.8):

имеют низкий коэффициент отражения (с):=с=1-е.

Температуру данных объектов можно очень легко измерить с помощью тепловизора.

2. Объекты измерения со средним коэффициентом излучения (0.8<е<0.6):

имеют средний коэффициент отражения (с):с=1-е.

Температуру данных объектов можно легко измерить с помощью тепловизора.

3. Объекты измерения с низким коэффициентом излучения (е?0.6)

имеют высокий коэффициент отражения (r):r=1-е.

Измерение температуры посредством тепловизора возможно, но вам необходимо очень тщательно исследовать полученные результаты.

Крайне важно выполнять корректную настройку компенсации отраженной температуры (КОТ), поскольку это является одним из основных факторов при расчете температуры.

Корректная настройка коэффициента излучения критически важна при значительной разнице между температурой объекта измерения и рабочей температурой окружающей среды [7].

Когда температура измеряемого объекта выше температуры окружающей среды:

· чрезмерно высокий коэффициент излучения приведет к завышенным показаниям температуры;

· чрезмерно низкий коэффициент излучения приведет к заниженным показаниям температуры.

Когда температура измеряемого объекта ниже температуры окружающей среды:

· чрезмерно высокий коэффициент излучения приведет к заниженным показаниям температуры;

· чрезмерно низкий коэффициент излучения приведет к завышенным значениям температуры.

Точка измерения и расстояние до измеряемого объекта. Существуют три переменных, которые необходимо учитывать при определении оптимального расстояния до измеряемого объекта и максимального видимого и измеряемого объекта:

· поле зрения (FOV);

· наименьший видимый объект (IFOVgeo) и наименьший измеряемый объект / измеряемая точка (IFOVmeas).

Чем больше разница между температурой измеряемого объекта и температурой окружающей среды и чем ниже коэффициент излучения, тем более вероятно возникновение ошибок. Количество таких ошибок увеличивается, если коэффициент излучения задан неверно.

С помощью тепловизора вы можете измерить только температуру поверхностей; используя данный прибор, невозможно заглянуть внутрь объекта или увидеть сквозь него.

Несмотря на то, что многие материалы, например, стекло кажутся нам прозрачными, они проявляют себя как материалы не пропускающего типа, т.е. устойчивые к длинноволновому инфракрасному излучению материалы

Некоторые пропускающие материалы содержат, например, тонкий пластик или германий - материал, из которого изготовлен объектив и защитный фильтр для объектива тепловизора Testo.

Если компоненты, расположенные под поверхностью, влияют на распределение температуры по поверхности измеряемого объекта через проводимость, структуру внутреннего дизайна объекта измерения зачастую можно рассмотреть на полученном ИК-изображении / термограмме. Тем не менее, тепловизор может измерять только поверхностную температуру. Точное определение значений температуры внутренних элементов объекта с помощью тепловизора осуществить невозможно. На рисунке 1.3 изображено поле зрение тепловизора.

Рисунок 1.3 - Поле зрения тепловизора

Поле зрения (FOV) тепловизора представляет собой область, видимую тепловизором. Размеры данной площади определяются объективом, используемым с тепловизором. Более того, вам необходимо знать технические характеристики наименьшего видимого объекта (IFOVgeo) вашего тепловизора. С помощью этого определяется размер пикселя в зависимости от расстояния. С пространственным разрешением объектива 3,5 мрад и расстоянием до измеряемого объекта 1 м., наименьший видимый объект (IFOVgeo) имеет сторону пикселя равную 3,5 мм и отображается на дисплее в качестве 1-го пикселя. Для получения точных результатов измерения измеряемый объект должен быть в 2-3 раза больше наименьшего видимого объекта (IFOVgeo) [5]. Следовательно, следующий приближенный подсчет применяется к наименьшему измеряемому объекту (IFOVmeas): IFOVmeas ? 3x IFOVgeo.

1.3.2 Применение тепловизоров в металлургии

Температура в металлургии - ключевой параметр качества процесса, один из важнейших индикаторов степени развития дефектов в огнеупорных материалах, кессонах, изложницах и других объектах.

В настоящее время контроль температуры в металлургии производится пирометрами, либо контактными термопарными датчиками в ограниченном числе точек объекта. Это не позволяет оперативно выявлять зоны перегрева оборудования, связанные с появлением дефектов различного вида (эрозия и прогары футеровки, пустоты и трещины, локальные изменения теплофизических характеристик газопроницаемости и влагосодержание материалов ограждающих конструкций), координаты появления которых сложно прогнозировать. В то же время современная тепловизионная техника позволяет с высокой степенью достоверности, в реальном времени, дистанционно и бесконтактно получать информацию о распределении температуры по поверхности агрегатов, выявлять различные тепловые аномалии, связанные с отклонением параметров технологических процессов или характеристик материалов от номинальных и своевременно принимать меры по предупреждению аварийных ситуаций.

Тепловизионный мониторинг позволяет продлить сроки эксплуатации и увеличить промежутки между планово-предупредительными ремонтами дорогостоящего оборудования, такого, например, как плавильные печи различного типа, изложницы, конверторы, обжиговые известковые печи, миксеры, формы, кессоны, дымовые трубы, электролизные ванны, энергоустановки различного назначения. Несомненным достоинством тепловизионной технологии контроля является возможность оперативно обнаруживать аварийные утечки из теплопроводов и пульпопроводов, контролировать термическое состояние потери хвостохранилищ, других гидротехнических сооружений горно-металлургического комбината. Существенно, что тепловизионная цифровая аппаратура позволяет оперативно вводить информацию в ПЭВМ и обрабатывать ее по соответствующим алгоритмам в целях прогноза остаточного ресурса агрегатов, накопления базы данных и анализа дефектоскопических ситуаций.

2. Постановка задачи расчета потерь через печные ограждения и проверка корректности алгоритма расчета

2.1 Физическая постановка задачи

Рассмотрим методику расчета на примере расчета потерь теплоты через плоскую n слойную стенку.

Рассмотрим пример расчета для футеровки боковой стенки состоящей из трёх слоев тепловой изоляции. Сначала нужно найти коэффициент теплопроводности для каждого слоя. Для этого можно воспользоваться формулой:

Л_i=A_i+B_i·10^-3·t_cp+ C_i·10^-3·t_cp², Вт/(м·К), (2.1)

где A_i, B_i и C_i - коэффициенты полинома для i-го слоя стенки;

t_cp - средняя температура i-го слоя стенки, °С.

Чтоб определить среднее значение температуры слоя, необходимо знать значение температуры на границе слоев. Распределение температур в изоляции боковых стенок определяется простым перебором значений температур (это можно сделать при помощи математических пакетов, например MS Excel, или путем написания дополнительного алгоритма к программе, что было сделано в ходе данной работы), учитывая равенство значений теплового потока, проходящего через слои футеровки.

Значение удельного теплового потока находится по формулам:

q₀ = (t_вн - t_ст)/(?(д_i/л_i)+1/б_?), (2.2)

, (2.3)

, (2.4)

, (2.5)

где t_вн - максимальная температура печи,°С

t_ст - температура на наружной поверхности печи,°С

д₁, д₂, д₃-толщина слоев тепловой изоляции, м

л₁, л₂, л₃ - коэффициент теплопроводности слоев 1, 2, 3 соответственно, Вт/(м^.К)

б_? - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²•К)

Причем q₀=q₁=q₂=q₃

Потери теплоты через стенку печи определяются путем умножения удельного теплового потока на площадь стенки.

Q=F·q_0. (2.6)

2.2 Математическая модель

В качестве основы расчетов использовались методический материал по расчету тепловых потерь через печные ограждения [6]. Вся сложность расчетов состояла в нахождении температуры между слоями стенки. Ее можно найти методом подбора, основываясь на свойстве однородности тепловых потоков через слои стенки. Подробно методика представлена в таблице 2.1.

2.3 Характеристика тестового варианта расчета в электронных таблицах MS Excel

Для проверки правильности работы алгоритма расчета программы и для отработки методики расчета в рамках проекта создан расчетный файл с помощью MS Office Excel [7].

Книга состоит из 3-х листов:

* исходные данные;

* промежуточные расчеты;

* конечные расчеты;

Для начала необходимо ввести некоторые исходные данные. Характеристики печи, необходимые для расчета, приведены на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Основные характеристики многослойной стенки

Таблица 2.1 - Методика расчета тепловых потерь через плоскую многослойную стенку

№ уравнения	Наименование переменной	Единицы измерения	Расчетное уравнение (список обозначений в отдельной таблице)	Номинальное значение
1	2	3	4	5
Л1.1	Температура внутренней поверхности 1 го слоя	С	t1=tв - (q/б1)	tв
Л1.2	Температура наружной поверхности 3 го слоя	С	t4=tв - (q/б1)	tн
Л2.1	Коэффициент теплопроводности слоя 1	Вт/(м*К)	Л1=A+B*((t1-t2)/2)*10^(-3)+C*(((t1-t2)/2)^2)*10^(-6)
Л2.2	Коэффициент теплопроводности слоя 2	Вт/(м*К)	Л2=A+B*((t1-t2)/2)*10^(-3)+C*(((t1-t2)/2)^2)*10^(-6)
Л2.3	Коэффициент теплопроводности слоя 3	Вт/(м*К)	л3=A+B*((t1-t2)/2)*10^(-3)+C*(((t1-t2)/2)^2)*10^(-6)
Л3.1	Плотность теплового потока через 1 слой	Вт/м2	q1=(t1-t2)/(л1/S1)
Л3.2	Плотность теплового потока через 2 слой	Вт/м2	q2=(t2-t3)/(л2/S2)
Л3.3	Плотность теплового потока через 3 слой	Вт/м2	q3=(t3-t4)/(л3/S3)
Л3.4	Разность плотности теплового потока через 1 и 2 слой		q1-q2
Л3.5	Разность плотности теплового потока через 2 и 3 слой		q2-q3
Л3.6	Температура внутренней поверхности 2 го слоя	С	Подбором	t1-t1/3
Л3.7	Температура внутренней поверхности 3 го слоя	С	Подбором	t4+t1/3
Л4.1	Плотность теплового потока через стенку	Вт/м2	q=(tв-tн)/((л1/S1)+(л2/S2)+(л3/S3))
Л4.2	Тепловой поток	Вт	Q=F*q

2.4 Расчет тепловых потерь

После ввода данных переходим на лист с промежуточными расчетами, изображенный на рисунке 2.2.



Рисунок 2.2 - Промежуточные расчеты

Как можно заметить, полученные тепловые потоки через слои стенки имеют неравные значениями, т.е. q₁?q₂?q₃, для того, что бы уровнять потоки используем кнопку с написанным макросом рисунок 2.3.

Рисунок 2.3 - Кнопка подбора параметра

В эту кнопку записан следующий макрос:

Sub Прямоугольник1_Щелчок()

Range («M36»).GoalSeek Goal:=0, ChangingCell:=Range («M18»)

Range («M37»).GoalSeek Goal:=0, ChangingCell:=Range («M19»)

Range («O17»).Select

ActiveCell. FormulaR1C1 = Range («M17»)

Range («O20»).Select

ActiveCell. FormulaR1C1 = Range («M20»)

End Sub

Как видно из кода, в ячейках М36 и М37 (в них занесены значения температур t₂ и t₃ соответственно) подбирается такое значение, что бы значения разности между потоками в первом и втором слое и разности между потоками во втором и третьем слое были равны 0. Что приведет к равным потокам в каждом слое стенки, что проиллюстрировано на рисунок 2.4. Количество итераций подбора примерно равно 10-20.

Рисунок 2.4 - Промежуточные расчеты с q1=q2=q3

После того как мы нашли значения температур между слоями(t₂ и t₃) Мы можем найти полный тепловой поток и саму теплоту потерь рисунок 2.5.

Рисунок 2.5 - Окончательный результат расчетов

Формализация алгоритма методики расчета теплового баланса в электронных таблицах MS Office Excel позволила определить последовательность расчета, обеспечить проверку корректности алгоритма и получить набор тестовых данных. После этого приступили к реализации программного обеспечения.

3. Разработка программного обеспечения

Программа предназначена для выполнения расчетов тепловых потерь через плоскую многослойную стенку, хранения НСИ, входящих и расчетных данных, а так же хранение и осуществления взаимодействия с термограммами тепловизора.

тепловой огнеупор программный потеря

3.1 Архитектура информационной среды

Архитектура информационной системы построена вокруг базы данных. В базе данных хранятся исходные данные, и самое главное справочные материалы по огнеупорным материалам и термограммы тепловизора. В роли базы данных выступает .mdb файл сделанный в Microsoft access 2007.

Клиентом является программный продукт, разработанный в среде Microsoft Visual Studio 2010, и решает следующие задачи:

1) получение исходных данных и расчет Потерь теплоты через плоскую многослойную стенку;

2) организация взаимодействия с ПО «Testo IRSoft»;

3) хранение расчетных данных;

4) формирование отчета и вывод его на печать;

5) построение графиков.

Рисунок 3.1 - Архитектура информационной системы

3.2 Разработка функциональной модели системы

Процесс проектирования баз данных начинается с установления требований ряда пользователей к функционалу системы.

Формулирование и анализ требований являются наиболее трудным и длительным по времени этапом проектирования. Однако он является наиболее важным этапом, так как на нём основано большинство последующих проектных решений. Основной задачей является сбор требований, предъявляемых к содержанию и процессу обработки данных всеми известными и потенциальными пользователями базы данных. Анализ требований обеспечивает согласованность целей пользователей, а также согласованность их представлений об информационном потоке организации.

Для построения функциональной модели была использована программа BPWin 7 [9]. AllFusion Process Modeler 7 или как он ранее назывался BPwin - мощный программный продукт с помощью которого, можно проводить моделирование, анализ, описание и последующую оптимизацию бизнес-процессов. С помощью BPwin можно создавать графические модели бизнес-процессов. Графическое изображение схемы выполнения работ, организации документооборота, обмена различными видами информации позволяет визуализировать существующую модель организации бизнеса.

Далее на рисунке 3.2 показана функциональная модель информационной системы.



Рисунок 3.2 - Функциональная модель информационной системы

3.3 Создание инфологической и даталогической модели данных

Концептуальное (инфологическое) проектирование - построение семантической модели предметной области, то есть информационной модели наиболее высокого уровня абстракции. Такая модель создаётся без ориентации на какую-либо конкретную СУБД и модель данных. Термины «семантическая модель», «концептуальная модель» и «инфологическая модель» являются синонимами. Кроме того, в этом контексте равноправно могут использоваться слова «модель базы данных» и «модель предметной области» (например, «концептуальная модель базы данных» и «концептуальная модель предметной области»), поскольку такая модель является как образом реальности, так и образом проектируемой базы данных для этой реальности.

Конкретный вид и содержание концептуальной модели базы данных определяется выбранным для этого формальным аппаратом. Обычно используются графические нотации, подобные ER-диаграммам.

Чаще всего концептуальная модель базы данных включает в себя:

описание информационных объектов, или понятий предметной области и связей между ними;

описание ограничений целостности, т.е. требований к допустимым значениям данных и к связям между ними [10].

Логическое (даталогическое) проектирование - создание схемы базы данных на основе конкретной модели данных, например, реляционной модели данных. Для реляционной модели данных даталогическая модель - набор схем отношений, обычно с указанием первичных ключей, а также «связей» между отношениями, представляющих собой внешние ключи.

Преобразование концептуальной модели в логическую модель как правило осуществляется по формальным правилам. Этот этап может быть в значительной степени автоматизирован.

На этапе логического проектирования учитывается специфика конкретной модели данных, но может не учитываться специфика конкретной СУБД.

В настоящее время условным общепринятым языком описания базы данных стал язык ER-модели. Для ER-модели существует алгоритм однозначного преобразования ее в реляционную модель данных, что позволило в дальнейшем разработать множество инструментальных компьютерных систем, поддерживающих процесс разработки информационных баз данных, основанных на технологии баз данных. И во всех этих системах существуют средства описания инфологической модели разрабатываемой БД с возможностью автоматической генерации той даталогической модели (СУБД-ориентированной), на которой будет реализовываться проект в дальнейшем. Такие автоматизированные инструментальные системы, основанные на методологии DEF1X, называются CASE-средствами проектирования информационных систем. А сама технология разработки - CASE-технологию создания и сопровождения информационных систем [10].

Первоначальное значение термина CASE (Computer Aided System Engineering), ограниченное вопросами автоматизации разработки только лишь программного обеспечения, в настоящее время приобрело новый смысл, охватывающий процесс разработки информационных систем в целом. Под ним понимаются программные средства, поддерживающие процессы создания и сопровождения информационных систем, которые в общем случае включают следующие этапы:

анализ и формулировку требований предметной области;

проектирование баз данных и прикладного программного обеспечения;

генерацию кода для выбранной СУБД и языка приложений;

тестирование;

документирование;

обеспечение требуемого качества работы информационной системы.

CASE-технология представляет собой методологию проектирования информационных систем, а также набор инструментальных средств, позволяющих в наглядной форме моделировать предметную область, анализировать эту модель на всех этапах разработки и сопровождения информационной системы и разрабатывать приложения в соответствии с информационными потребностями пользователей.

Рассмотрим некоторые аспекты информационного моделирования и его автоматизации с использованием программного CASE-средства ERWin v7.1.

ERWin - это прежде всего средство концептуального моделирования базы данных, которое сочетает графический интерфейс Windows, инструменты для построения ER-диаграмм, редакторы для создания логической и физической модели данных, а также поддержку различных сетевых реляционных СУБД и настольных баз данных. Существенным преимуществом является то, что с помощью ERWin можно создавать или проводить обратное проектирование (реинжиниринг) баз данных, т.е. преобразовать физическую модель базы данных в концептуальную модель, не привязанную к конкретной СУБД.

ERWin создает визуальное представление (модель данных) для решаемой задачи в виде ER-диаграмм. Это представление может использоваться для детального анализа, уточнения и распространения в качестве части документации, необходимой в цикле разработки. В ERWin существуют два уровня представления и моделирования - логический и физический. Логический уровень означает прямое отображение фактов сущностей из реальной жизни. Например, печи, персонал, оборудование являются реальными объектами. Они именуются на естественном языке, с любыми разделителями слов (пробелы, запятые и т.д.). На логическом уровне не рассматривается использование конкретной СУБД, не определяются типы данных (например, целое или вещественное число) и не определяются индексы для таблиц. Целевая СУБД, имена объектов и типы данных, индексы составляют второй, физический уровень модели ERWin. ERWin предоставляет возможности создавать и управлять этими двумя различными уровнями представления диаграмм. Выбор между логическим и физическим уровнем отображения осуществляется через линейку инструментов или меню. Кроме этого, уровень детализации диаграммы информационной модели может изменяться проектировщиком. Например, могут отображаться только имена сущностей (таблиц), может быть включено / выключено отображение мощности связи и т.д.

Программа ERWin позволяет работать не со всей диаграммой, а с логически законченными группами сущностей (Subject Area), переключение между которыми производится выбором из раскрывающегося списка. Такая возможность позволяет проектировщику информационной модели удалить с экрана уже спроектированные блоки, чтобы они не загромождали диаграмму.

Все графические элементы модели ERWin могут редактироваться средствами, принятыми в Windows - группировка, копирование, удаление, перемещение, использование системного буфера обмена. С помощью удобных диалоговых окон имеется возможность использовать цветовое и шрифтовое выделение для различных компонентов диаграммы. Выделение может быть выполнено как для всей модели (например, все внешние ключи отображать красным цветом), так и для отдельного компонента (таблицы, атрибутов одной таблицы, одной связи и т.д.). Компоненты модели, представленные текстом (имена сущностей, атрибутов, текстовые комментарии) могут редактироваться непосредственно на экране. Использование цветового и шрифтового выделения на диаграмме информационной модели делает ее более наглядной и позволяет проектировщику обратить внимание пользователей диаграммы на ее отдельные элементы.

Процесс построения информационной модели в ERWin состоит из следующих этапов:

определение сущностей;

определение связей (зависимостей) между сущностями;

задание первичных и составных (альтернативных) ключей;

определение атрибутов сущностей;

приведение модели к требуемому уровню нормальной формы;

переход к физическому описанию модели: назначение соответствий имя сущности - имя таблицы, атрибут сущности - атрибут таблицы; задание ограничений предметной области;

генерация базы данных, т.е. формирование физической схемы для конкретной выбранной (целевой) СУБД.

Сущность на диаграмме изображается прямоугольником. В зависимости от режима представления диаграммы прямоугольник может содержать имя сущности, ее описание, список ее атрибутов и другие сведения. Горизонтальная линия прямоугольника разделяет атрибуты сущности на два набора - атрибуты, составляющие первичный ключ в верхней части и прочие (не входящие в первичных ключ) в нижней части. Сущность - это логическое понятие. Сущности соответствует таблица в реальной СУБД. В ERWin сущность визуально представляет три основных вида информации:

атрибуты, составляющие первичный ключ;

неключевые атрибуты;

тип сущности (независимая / зависимая).

Каждый атрибут сущности становится атрибутом соответствующего отношения. Для каждого атрибута задается конкретный допустимый с СУБД тип данных и обязательность или необязательность данного атрибута, т.е. допустимость или недопустимость NULL-значений для него. Первичный ключ сущности становится Primary Key соответствующего отношения. Атрибуты, входящие в первичный ключ отношения, автоматически получают свойство обязательности (NOT NULL).

Связи отображают функциональную зависимость между двумя сущностями. Связь - это понятие логического уровня, которому соответствует внешний ключ на физическом уровне. В ERWin связи представлены пятью основными элементами информации:

тип связи (идентифицирующая или неидентифицирующая связь);

родительская сущность;

дочерняя (зависимая) сущность;

мощность связи;

допустимость пустых (null) значений.

Напомним, что связь называется идентифицирующей, если экземпляр дочерней сущности идентифицируется через ее связь с родительской сущностью. Атрибуты, составляющие первичный ключ родительской сущности, при этом входят в первичный ключ дочерней сущности. Дочерняя сущность при идентифицирующей связи всегда является зависимой. Связь называется неидентифицирующей, если экземпляр дочерней сущности идентифицируется иначе, чем через связь с родительской сущностью. Атрибуты, составляющие первичный ключ родительской сущности, при этом входят в состав неключевых атрибутов дочерней сущности.

Для определения связей ERWin выбирается тип связи, затем мышью указывается родительская и дочерняя сущность. Идентифицирующая связь изображается сплошной линией; неидентифицирующая - пунктирной линией. Линии заканчиваются точкой со стороны дочерней сущности. При определении связи происходит автоматическое перемещение (миграция) атрибутов первичного ключа родительской сущности в соответствующую область атрибутов дочерней сущности. Поэтому такие атрибуты не вводятся вручную. Атрибуты первичного ключа родительской сущности по умолчанию мигрируют со своими именами. ERWin позволяет ввести для них роли, т.е. новые имена, под которыми мигрирующие атрибуты будут представлены в дочерней сущности. На физическом уровне имя роли - это имя колонки внешнего ключа в дочерней таблице.

Мощность связи в соответствии с методологией IDEF1X представляет собой отношение количества экземпляров родительской сущности к соответствующему количеству экземпляров дочерней сущности. Мощность связи записывается как 1:N. ERWin предоставляет 4 варианта для n, которые изображаются дополнительным символом у дочерней сущности: ноль, один или больше (по умолчанию); ноль или один; один или более; ровно N, где N - конкретное число. Допустимость пустых (null) значений в неидентифицирующих связей ERWin изображает пустым ромбиком на дуге связи со стороны родительской сущности.

Для каждой связи на логическом уровне могут быть заданы требования по обработке операций вставки, обновления и удаления (insert, update, delete) для родительской и дочерней сущности. Программа ERWin предоставляет следующие варианты обработки этих событий:

отсутствие проверки;

проверка допустимости;

запрет операции;

каскадное выполнение операции удаления / обновления (delete/update);

установка пустого (null-значения) или заданного значения по умолчанию.

В соответствии с выбранным вариантом программа ERWin автоматически создает необходимые процедуры обработки этих событий (триггеры) на языке SQL целевой СУБД, которые могут быть переопределены после генерации схемы базы данных.

Разработанные модели ERWin сохраняются на диск в виде файла с расширением *.er1. Имеется возможность хранить модель в целевой СУБД. Для этого с помощью самой программы ERWin в целевой СУБД создается метабаза ERWin, в которой сохраняется информация о модели.

Инфологическая модель предметной области, в данном случае характеризуется следующими особенностями:

· справочные данные попадают в базу данных по средствам ввода пользователем или автоматическим путем посредствам пакета Integration Services;

· расчет базируется на множестве параметров печи например температура внутри печи, толщины стенок, площадь поверхности и т.д.

Список сущностей, их назначение первичные и внешние ключи описаны в таблице 3.1.

Отношения между сущностями данной предметной области представляются в виде отношений: один-к-одному или один-ко-многим. Так же отношения между сущностями являются интуитивно понятными и не противоречат данной предметной области. Базовыми сущностями являются справочник типов материалов (tMatType), и справочник свойств стенки (tProperties) а так же Справочник предприятий и справочник типов печей. Эти сущности не содержат внешних ключей.

Таблица 3.1 - Список сущностей, их назначение первичные и внешние ключи

Сущность	Назначение	Первичный ключ	Внешние ключи
tMaterial	Является справочником огнеупорных материалов.	idMaterial	idType
tMatType	Является справочником типов огнеупорных материалов.	idType	-
tPredpriytie	Является справочником предприятий для которых выполняются расчеты.	idNomer	-
tPech	Является справочником печей на предприятии.	idPech	idPred, idTipPech
tProperties	Свойства стенки печи	id	-
tData_pred	Объединяет данные конкретного расчета к данным печи	idData_pred	idRasch, idPech
tRasch	Хранит исходные данные и расчетные данные	idRasch	idPredpriytie
tMaterial_to_rasch	Обьединяет расчет и набор материалов для слоев стенки	-	idStenka, idRasch
tTermogramma	Хранит данные с термограммами для конкретной печи	id	idPech, idData_pred
tPredTipPech	Является справочником типов печей	idTipPech	-
tStenka	Хранит данные материалов слоев стенки	idStenka	-

С ними в отношениях один-ко-многим состоит сущность Справочника огнеупорных материалов которая связана внешним ключом с типом огнеупорных материалов. Инфологическая модель (ER-диаграмма) текущей системы.

Даталогическое моделирование базы данных осуществляется непосредственно для конкретной СУБД. Даталогическое моделирование подразумевает под собой указание конкретных типов данных связанных с той или иной СУБД.

Решение данной задачи проходило в среде Microsoft Access 2007.

Microsoft Office Access или просто Microsoft Access - реляционная СУБД [11] корпорации Microsoft. Имеет широкий спектр функций, включая связанные запросы, связь с внешними таблицами и базами данных. Благодаря встроенному языку VBA, в самом Access можно писать приложения, работающие с базами данных. MS Access является файл-серверной СУБД и потому применима лишь к маленьким приложениям. Отсутствует ряд механизмов, необходимых в многопользовательских БД, таких, например, как триггеры. Существенно расширяет возможности MS Access по написанию приложений механизм связи с различными внешними СУБД: «связанные таблицы» (связь с таблицей СУБД) и «запросы к серверу» (запрос на диалекте SQL, который «понимает» СУБД). При этом имеется возможность совместить с присущей MS Access простотой инструменты для управления БД и средства разработки.

Далее будет представлено описание таблиц базы данных, их полей и типов данных. Первичные ключ(-и) обозначаются небольшой пиктограммой ключа напротив поля, которое им является.

На рисунке 3.4 изображена сущность tMaterial, которая является справочником Огнеупорных материалов.

Рисунок 3.4 - Сущность tMaterial

Первичный ключ является типом данных счетчик, который используется для формирования уникальных значений, которые могут применяться в качестве первичного ключа. Эти значения автоматически вставляются в поле при добавлении записи. Поля с типом данных «Счетчик» могут формироваться добавлением единицы, добавлением заданного значения или с помощью случайных чисел. 4 байта (16 байтов, когда поле используется как код репликации). mType - внешний ключ имеет тип данных числовой (длинное целое). Коэффициенты полинома mA, mB, mC имеют тип одинарное с плавающей точкой.

На рисунке 3.5 представлена структура таблицы tMatType, которая хранит в себе типы огнеупорных материалов.

Рисунок 3.5 - Сущность tMatType

В данной таблице первичный ключ idType имеет тип счетчик (Длинное целое). А поле fNAME Тип текстовый.

IdtDate_Pred имеет тип счетчик. idRasch, IdPesh - имеют тип Целое (2-байтовое целое число, содержащее значение от -32 768 до +32 767), чего вполне хватит для хранения идентификаторов. Поле Prim Имеет тип текстовый (Может храниться до 255 знаков).

Id имеет тип счетчик. pTel - имеет тип Целое. Поля pName, pAddress, pWork Имеет тип текстовый (Может храниться до 255 знаков).

IdTipPech имеет тип счетчик. TipPech имеет тип текстовый.

IdProperties имеет тип счетчик. MaxValue, MinValue - имеет тип Целое. Поле Name имеет тип текстовый.

IdRasch имеет тип счетчик. idProperties - имеет тип Целое. Поле value имеет тип одинарное с плавающей точкой (4-байтовое целое число, содержащее значение от -3,4 x 1038 до +3,4 x 1038 и до 7 значащих цифр).

IdStenka имеет тип счетчик. Material_1, Material_2, Material_3 - имеет тип Целое.

Id имеет тип счетчик. idPech, id_Datapred - имеет тип Целое. Поле link имеет тип текстовый.

3.4 Разработка приложения по сопровождению базы данных

При реализации программы необходимо решать две задачи: первая - создание многофункционального и удобного пользовательского интерфейса, удовлетворяющих все требования пользователя, документированность, масштабируемость программы, и задачу, связанную с разработкой универсальной программной архитектуры, которую впоследствии можно было бы расширять и дополнять, так же необходимо обеспечить документированность программного кода для дальнейшего роста программы.

Для разработки клиентского модуля использовалась среда разработки Microsoft Visual Studio 2010. Visual Studio - интегрированная среда, упрощающая создание, отладку и развертывание приложений. Microsoft Visual Studio 2010 создана чтобы обеспечить поддержку проектов создания программного обеспечения для Интернета (включая ASP.NET AJAX), Windows Vista, Windows Server 2010, выпуска 2010 системы Microsoft Office, и устройств под управлением Windows Mobile. Данная среда позволяет удобно управлять проектом, строить диаграммы классов и обладает огромным набором всевозможных функций, для создания современного многофункционального программного обеспечения [12].

Ранее мною была разработана математическая библиотека (RaschetStenki.dll), с помощью которой в данном проекте я буду моделировать процесс потери теплоты при прохождении плоской многослойной стенки. В приложении В подробно описан алгоритм расчета потерь теплоты.

3.4.1 Разработка главной формы

Данная форма предназначена для определения начальных задач, которые хочет выполнить пользователь. Будь то создать новый проект, загрузить старый, добавить новую термограмму или отредактировать старую. Основной функционал, который она несет это переход на нужную нам форму.

При нажатии на какую либо кнопку выполняется следующий код:

FrmTermNew frmTermNew = new FrmTermNew();

frmTermNew. ShowDialog();

Для каждой кнопки он соответсвенно отличается формой на которую мы переходим.

3.4.2 Разработка формы «Создания нового / загрузки расчета»

Это одни из основных форм проекта. На данной форме производится расчеты. Идет загрузка исходных данных или сохранение новых / измененных.

Форма создания нового расчета изначально заполняется примерными данными, которые потом надо редактировать. Загрузка старого расчета позволяет загрузить старый расчет поправить его и снова сохранить.

Исходные данные загружаются из базы данных посредствам SQL запроса. Так как у нас базы данных Microsoft Access, то все это производится посредствам OLE DB библиотеки. OLE DB (англ. Object Linking and Embedding, Database) - набор интерфейсов, основанных на COM, которые позволяют приложениям обращаться к данным, хранимым в разных источниках информации или хранилищах данных с помощью унифицированного доступа [13].

OLE DB (связывание и внедрение объектов, базы данных, а иногда в литературе встречается как OLEDB или OLE-DB) является API разработанной Microsoft для доступа к различным типам данных, которые хранятся в единой форме. Программа представляет собой набор интерфейсов реализованных с помощью Component Object Model (COM); в данном случае это связано с OLE. Она была разработана в качестве дальнейшего развития и должна прийти на замену и в качестве преемника ODBC, расширяя набор функций для поддержки более широкого круга нереляционных источников данных, таких как объектно ориентированные базы данных или электронные таблицы, и для которых не обязательно использовать SQL.

OLE DB отделяет хранилище данных из приложения, которое должно иметь доступ к нему через набор абстракций, которые включают DataSource, сессию, командную строку. Это было сделано потому, что различным приложениям необходим доступ к различным видам и источникам данных и не всегда нужно знать, как получить доступ к методологии функционирования конкретной технологии. OLE DB концептуально разделена на потребителей и поставщиков. Потребителями являются приложения, которым необходим доступ к данным, а поставщик реализует в своем интерфейсе программный компонент и, следовательно, обеспечивает информацией потребителя. OLE DB является частью Microsoft Data Access Components (MDAC). MDAC является группой технологий Microsoft, которые взаимодействуют вместе, как основа, которая позволяет программистам создать единый и всеобщий способ разработки приложений для доступа к данным практически любого хранилища. OLE DB провайдеры могут быть созданы для обеспечения простого доступа к таким хранилищам данных как текстовые файлы и электронные таблицы, вплоть до таких сложных баз данных, как Oracle, SQL Server и Sybase ASE. Он может также обеспечить доступ к иерархическими хранилищами данных таких, как системы электронной почты [14].