Интерактивная 2D/3D визуализация и тепловые карты печей

1. Назначение и концепция подсистемы визуализации

В процессе проектирования, пусконаладки и оперативной эксплуатации металлургических печей и сушильных барабанов инженеру-технологу критически важно иметь не только интегральные табличные показатели (тепловой КПД $\eta$, часовой расход топлива, суммарные теплопотери), но и наглядное пространственно-временное представление о распределении температурных полей, зон интенсивного горения, градиентов теплопередачи через футеровку и динамики нагрева садки.

В рамках платформы «UrFU HeatBalance» разработан высокопроизводительный фронтенд-компонент ThermalMap, интегрированный во все расчётные модули платформы (камерные, конвейерные, электрические печи и сушильные барабаны), а также в панель диспетчеризации промышленного интернета вещей (IoTPanel).

---

2. Режимы отображения теплового агрегата

Компонент визуализации поддерживает три взаимно дополняющих режима отображения технологического объекта:

2.1. Продольный разрез (2D Longitudinal View)

Режим продольного вертикального сечения печи вдоль оси движения садки и дымовых газов:

• Рабочее пространство: отображает цветовой градиент температуры печной атмосферы от зоны загрузки до зоны выгрузки.
• Зоны активного горения / нагрева: визуализирует локализацию факелов газовых горелок либо расположение нихромовых/карбидокремниевых электронагревателей с пиковыми температурами до 1000–1200 °C.
• Садка материала: наглядный прогрев садки от начальной температуры сырья ($t_{start} \approx 20$ °C) до технологической температуры сушки/обжига.
• Эвакуация газов: траектория дымовых газов и охлаждение потока при теплообмене с материалом до температуры уходящих газов ($t_{ух}$).

2.2. Разрез футеровки (2D Wall Profile)

Режим послойного сечения многослойной огнеупорной стенки и свода печи:

• Внутренний горячий слой: огнеупорный шамотный кирпич (ШБ, ШЛ), контактирующий с факельным пространством при температурах 800–1200 °C.
• Теплоизоляционный слой: перлитовая засыпка, каолиновые маты или диатомитовый кирпич, обеспечивающие резкое падение температурного напора.
• Внешний металлический кожух: температура наружной обечайки ($t_{кожух} \approx 40..60$ °C) для контроля санитарных норм безопасности персонала и расчёта потерь теплопередачей в окружающую среду ($Q_5$).

2.3. Полноценный 3D-режим (Interactive 3D Digital Twin)

Пространственная модель агрегата с интерактивным управлением сценой:

• Свободная камера (Orbit Controls): вращение мышью по осям Pitch (тангаж) и Yaw (рыскание), плавное масштабирование колесом мыши (Zoom) и перемещение центра взгляда (Pan).
• Автоматическое вращение (Auto-Rotate): круговой демонстрационный обзор установки со скоростью фонового вращения для мониторных видеостен диспетчерских пунктов.
• Динамический срез корпуса (Clipping 0–100%): возможность плавно «срезать» наружный кожух и верхний свод печи с помощью интерактивного слайдера клиппинга, позволяя заглянуть внутрь рабочей камеры и оценить распределение температур садки и горелок.
• Термальная сетка и каркас (Wireframe & Thermal Grid): включение координатно-расчётной сетки изотермических узлов для точной привязки точек перегрева.

---

3. Цветовая шкала и изотермический анализ

Для интуитивной интерпретации тепловых полей используется спектральная шкала Turbo Thermal Spectrum, адаптированная под металлургические температурные диапазоны:

Температура, °C	Цвет отображения	Технологическая зона
$20 - 80$	Тёмно-синий $\rightarrow$ Голубой	Холодное входящее сырьё, окружающая среда, температура продувочного воздуха
$80 - 200$	Голубой $\rightarrow$ Бирюзовый / Зелёный	Зона интенсивного испарения технологической влаги ($W$), температура уходящих газов
$200 - 450$	Зелёный $\rightarrow$ Жёлтый	Зона подогрева садки, промежуточные слои теплоизоляционной засыпки
$450 - 750$	Жёлтый $\rightarrow$ Оранжевый	Зона прокалки и термообработки, наружные поверхности огнеупорного шамота
$750 - 1000$	Оранжевый $\rightarrow$ Ярко-красный	Рабочая зона камерной/конвейерной печи, область факелов газовых горелок
$1000 - 1250$	Насыщенный красный $\rightarrow$ Белый калильный	Пиковые температуры факела горения топлива и резистивных нагревательных элементов

Инструменты экспресс-анализа:

1. Динамические изотермы (Isotherms): векторные изолинии равных температур с шагом 100–150 °C, автоматически накладываемые на температурное поле. Позволяют мгновенно выявлять градиенты и локальные зоны тепловых застоев.
2. Инспекция точки под курсором (Hover Tooltip): при наведении курсора мыши на любую точку 2D-разреза или 3D-модели всплывает информационная подсказка с точным расчётным значением температуры в данной координате:
   $$T(x, y) = T_{min} + \Delta T(x, y)$$

---

4. Слайдер времени и динамика тепловых процессов

Металлургические агрегаты периодического действия (камерные печи сушки и обжига) и переходные пусковые режимы проходных агрегатов характеризуются нестационарным теплообменом во времени.

Для детального исследования кинетики нагрева в компонент визуализации интегрирован интерактивный слайдер времени (Time Slider):

Функциональные возможности шкалы времени:

• Элементы управления мультимедиа: кнопки «Воспроизведение / Пауза» (Play / Pause), перемотка на шаг назад (StepBackward), ускоренный переход (FastForward) и сброс на нулевую отметку.
• Плавная покадровая интерполяция: анимация изменения изотерм и прогрева массива футеровки в темпе моделируемого технологического времени.
• Анализ узких мест сушки: технолог может визуально отследить момент полного удаления влаги из центральной части садки и исключить возникновение термомеханических трещин в изделиях из-за чрезмерной скорости подъёма температуры ($dT/dt$).

---

5. Топология датчиков КИПиА на технологических схемах

В файле [furnaceSensorLayouts.js](file:///c:/Users/gnz29/Documents/GitHub/UrFU-HeatBalance-Microservices/frontend/src/pages/IoTPanel/furnaceSensorLayouts.js) реализована физически выверенная номенклатура и координатная сетка размещения 15 классов датчиков для 4 типов оборудования:

1. Конвейерная сушильная печь (conveyor)

• Входной створ: термопара садки $T_{вх}$ (conv_inlet_material, $u=0.10, v=0.72$), влагомер $W_{вх}$ (conv_inlet_moisture).
• Зонт уходящих газов: термопара $T_{ух}$ (conv_exhaust_stack, $u=0.22, v=0.12$), газоанализатор $\alpha / O_2$.
• Центральный свод рабочей зоны: пирометр свода $T_{свод}$ (conv_firing_zone, $u=0.52, v=0.32$), расходомер газа.
• Выходной створ: датчик конечной температуры материала $T_{вых}$ (conv_outlet_material, $u=0.90, v=0.72$).

2. Камерная печь периодического действия (chamber)

• Сводовые и подовые термопары: контроль перепада температур по высоте рабочей камеры $\Delta T_{h} = T_{верх} - T_{низ}$.
• Контур рециркуляции: датчики расхода и температуры рециркулирующего дымового теплоносителя.
• Стенные термопары: контроль температуры наружной поверхности кладки для детекции локального прогара.

3. Электрическая печь сопротивления (electric)

• Секции нихромовых/карбидокремниевых ТЭНов: позонный контроль электрической мощности ($P_{kW} = U \cdot I \cdot \sqrt{3}$).
• Вытяжной вентиляционный зонт: контроль влагосодержания паровоздушной смеси.

4. Промышленный сушильный барабан (drum)

• Смесительная камера (топка): температура факела первичного теплоносителя ($T_{топ}$).
• Тело барабана: контроль температуры пересыпающегося сырья по зонам перевалочных лопаток.
• Разгрузочная головка и циклон: температура отходящих газов и разрежение в тракте дымососа.

На 2D-схемах и 3D-моделях каждый датчик обозначается интерактивным маркером со статусной цветовой подсветкой (зелёный — норма, жёлтый — предупреждение, красный — авария/выход за уставки, серый — датчик не на связи). Клик по маркеру открывает карточку технологических параметров с графиком показаний за последние 24 часа.