ВВЕДЕНИЕ 4
1 Обзор теории и практики предварительного нагрева 8
1.1 Способы передачи теплоты 8
1.2 Количественные характеристики переноса теплоты 10
1.3 Теплопроводность плоской стенки 11
1.4 Основные законы теплового излучения 15
1.5 Общие понятия и определения конвективного теплообмена 19
1.6 Дифференциальные уравнения теплообмена 25
1.7 Подобие процессов конвективного теплообмена 40
1.8 Теплофизические параметры воздуха 46
1.9 Теплофизические свойства металлов 50
1.10 Зарубежный аналог 56
Выводы по главе 59
2 Математическая модель конвекции, тепло - и массообмена 60
2.1 Постановка задачи расчета и основные допущения 61
2.2 Результаты численного моделирования 71
2.3 Анализ численного моделирования 79
Выводы по главе 83
3 Экспериментальные исследования 84
3.1 Установка предварительного нагрева огнеупора 84
3.2 Результаты экспериментальных исследований на опытной установке .. 88
3.3 Верификации полученных результатов 91
Выводы по главе 92
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 93
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 95
ПРИЛОЖЕНИЕ
Основная область применения разрабатываемого конвекционного нагревателя - цветная металлургия. Наиболее перспективным сегментом является - литейные отделения алюминиевых производств. На производствах эксплуатируют плавильно-литейные комплексы (ПЛА) для производства алюминиевых полуфабрикатов. ПЛА часто следующий состав: печь/миксер для переплава/приготовления расплавов, система литейных желобов и литейная машина. Актуальной задачей является предварительный нагрев системы желобов перед выливкой расплава алюминия из печи/миксера в литейную машину, для того чтобы снизить потери расплава алюминия в начале литья и уменьшить тепловые удары по огнеупорам, а, следовательно повысить срок их эксплуатации.
При литье расплавов существует проблема тепловых потерь расплава в литейных желобах в начале литья, когда холодный огнеупор отбирает тепловую энергию у расплава алюминия. Зачастую падение температуры от печи до литейной машины составляет более 3 °С для желобов на 1 метр длинны. Поэтому около 3% полуфабрикатов уходит в переплав по причине неудовлетворительного качества [1].
Для компенсации потерь и предварительного прогрева огнеупоров желобов применяют способы представлены на рисунке 1. Например, на рисунке 1 а - представлен радиационный нагреватель, размещенный в крышке желоба, на рисунке 1 б - пламенный нагреватель, на рисунке 1 в - встроенные нагреватели компании Пиротек, которые нагревают огнеупор за счет теплопроводности от нагревательного элемента. Все эти виды нагрева относительно дороги, пламенный нагрев снижает срок эксплуатации огнеупоров из-за перегрева и их сложно применить приметь для сложной и разветвленной системы желобов. По мнению автора диссертации конвективный нагрев через нагревательные элементы в крышке желоба или его торце позволяет подавать в желоб горячий воздух заданной температуры и направлять его вдоль сложного желоба на большое расстояние, нагрева огнеупор, независимо от формы и геометрии самого желоба.
Объект исследования - установка предварительного разогрева лотков перед началом литья и поддержанием температуры между операциями, с помощью конвективного нагрева.
Предмет исследования - процесс теплообмена при вынужденной конвекции между потоком горячего воздуха и огнеупором, с целью снижения тепловых потерь во время последующего литья расплава алюминия.
Целью диссертационной работы является разработка устройства предварительного нагрева огнеупоров для транспортировки расплава алюминия удлиненных желобов сложной формы, на основании использования вынужденной конвекции, исследование физических явлений и процессов теплообмена.
Для достижения цели необходимо решение следующих задач:
1. Проанализировать существующие установки для предварительного нагрева огнеупорных желобов, выявить физические явления в этих технических системах и методы их расчета, а так же выбрать наиболее рациональный способ
анализа физических процессов в данном классе исследуемых технических систем.
2. Предложен способ нагрева огнеупорных желобов конвективным нагревателем, выполнить техническое проектирование опытной установки и исследовать физические процессы в технической системе с целью подтверждения технологического эффекта.
3. Разработать параметрическую численную модель для исследования
процессов теплообмена в системе “нагреватель - желоб”. Выбрать и
обосновать техническое решение опытно - промышленного образца на основании натурных исследований и математического моделирования.
4. Разработать опытно-промышленный образец и провести его исследование, произвести верификацию данных математического моделирования, подтвердить достоверность полученных результатов математического моделирования, подтвердить работоспособность принятых технических решений и предложенного образца.
Методы исследования. В работе использован метод конечных элементов (МКЭ) для решения задачи анализа тепловых полей (пакет программ ANSYS). Теоретические исследования проводились с применением законов теплотехники, теории литейного производства.
Научная новизна результатов диссертации:
1. Разработаны математические модели объекта исследования и методика его параметрической оптимизации в зависимости от требований производительности, габаритных размеров нагреваемого объекта.
2. Впервые получены характеристики зависимости теплопередачи, выраженные в изменении температуры огнеупоров на поверхности, в зависимости от температуры и скорости подачи нагретого воздуха.
Практическая ценность.
1. Предложение применение нагревательного элемента с оптимальной формой нихромовой проволоки и навивкой секций, позволяющего улучшить теплосъем и снизить вредное влияние на равномерность теплового поля огнеупора застойных зон воздушного потока.
2. Предложен и обоснован переход от вентиляторных систем в силу их низкой надежности к обдуву с применением сжатого. При установке на выходе нагревателя термопары ХА, а в шкафу управления ПИД-регулятор и регулятор давления сжатого воздуха для эжектора, получается система нагрева с тонкой настройкой выходной температуры воздуха.
3. В рамках проекта разработана система теплового контроля нагревательного элемента по его сопротивлению. При локальном перегреве провода возникает повышение сопротивления, которое отслеживается и предотвращается.
Достоверность подтверждена сопоставлением результатов численного эксперимента, полученных с помощью разработанной математической модели, с результатами натурных исследований выполненных на опытном образце.
Реализация результатов диссертационной работы осуществлялась в ООО “Резонанс” при проектировании и использовании предварительного нагрева огнеупора и установок фильтрации.
Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
1. На основе анализа существующей техники предварительного нагрева огнеупоров сделан вывод, что применяемый на сегодняшний день предварительный нагрев имеют свои недостатки, такие как, низкая надежность, высокая стоимость и не равномерный нагрев. Для того, чтобы увеличить эффективность нагрева был предложен способ принудительного конвекционного нагрева, тепловые потери которого при использовании укрывных матов сводятся к минимуму.
2. Обобщен опыт использования, расчетов и проектирования аналогичных предложенной системы. Математический аппарат используемый для расчета тепломассообмена с постоянными параметрами нагревательного элемента в предложенной системе, а в процессе нагрева существенно меняются физические свойства воздуха. Все это позволили учесть численные модели, разработанные в универсальной программной системе конечно - элементного анализа - ANSYS.
3. Разработана численная модель для анализа тепловых полей в системе «нагреватель - желоб».
4. Проведена верификация разработанной численной модели, путем сравнения данных математического моделирования с данными натурных исследований на опытном образце. Мощности 17 кВт достаточно для разогрева огнеупора при = 300°С
5. Разработан алгоритм параметрической оптимизации конструктивных элементов нагревателя в зависимости от габаритов огнеупора, а также требований к производительности и качеству нагрева Основными параметрами являются: геометрические размеры огнеупора.
6. С помощью разработанной численной трехмерной параметрической модели подготовлен проект опытного образца с установленной мощностью 17 кВт Проведенный эксперимент подтвердил результаты математического моделирования, тем самым полученные результаты моделирования можно применять для проектирования опытно - промышленных установок.
7. Предложение применение нагревательного элемента с оптимальной формой нихромовой проволоки и навивкой секций, позволяющего улучшить теплосъем и снизить вредное влияние на равномерность теплового поля огнеупора застойных зон воздушного потока.
8. Предложен и обоснован переход от вентиляторных систем в силу их низкой надежности к обдуву с применением сжатого воздуха с использованием снижающего потребление сжатого воздуха из пневмосети. При установке на выходе нагревателя термопары ХА, а в шкафу управления ПИД- регулятор и регулятор давления сжатого воздуха для эжектора, получается система нагрева с тонкой настройкой выходной температуры воздуха.
9. В рамках проекта разработана система теплового контроля нагревательного элемента по его сопротивлению. При локальном перегреве провода возникает повышение сопротивления, которое отслеживается и предотвращается.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
