Содержание к диссертации
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 4
ВВЕДЕНИЕ 7
1. ВНЕШНИЙ ТЕПЛООБМЕН И ТЕРМИЧЕСКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ТЕЛАХ, ПОГРУЖЕННЫХ В ДИСПЕРСНЫЙ СЛОЙ. (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР) S4
1.1. Нестационарный теплообмен между поверхностью и слоем дисперсного материала /4
1.2. Температурные поля, термические напряжения и деформации в телах при термообработке
1.3. Выводы по литературному обзору, постановка задачи и цели исследований , 29
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНЕГО ТЕПЛООБМЕНА МЕЖДУ ПОВЕРХНОСТЬЮ И СЛОЕМ ДИСПЕРСНОГО МАТЕРИАЛА 34
2.1. Применение гиперболического уравнения теплопроводности для исследования процесса нестационарного теплообмена пластины с плотным слоем дисперсного материала. Граничные условия I рода 34
2.2.Нестационарный теплообмен между плотным слоем дисперсного материала и погруженным в него телом при граничных условиях 4 рода 42
2.3. Нестационарный теплообмен между пластиной с источником тепла и слоем дисперсного материала
2.4. Стационарный теплообмен пластины с перемешиваемым слоем дисперсного материала 62
2.5. Выводы 70
3. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУР, НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОР МАЦИЙ В ТЕЛАХ ПРИ ТЕРМООБРАБОТКЕ В ДИСПЕРСНОМ СЛОЕ
3.1. Методика расчета полей температур, напряжений и деформаций с учетом основных факторов термообработки..
3.2. Расчет температур, термических напряжений и деформаций в пластине, закаливаемой в виброкипящем слое дисперсного материала 79
3.3. Сравнение расчетных и опытных данных 93
3.4. Влияние пульсаций коэффициента теплообмена на температуры и термические напряжения в пластине, закаливаемой в виброкипящем слое дисперсного материала /00
3.5. Выводы
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ I. Расчет полей температур, напряжений и деформаций при несимметричном радиационно-конвективном нагреве заготовки в трехзонной методической проходной печи трубозаготовочного стана Днепровского металлургического завода им. Ф.Э.Дзержинского /25
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Анализ термонапряженного состояния свободно деформирующейся пластины и разработка на его основе способов измерения теплового потока и теплопроводности твердых тел
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. О работах, выполненных в соавторстве
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Документы о внедрении и использовании результатов диссертационной работы
Введение к работе
Современный уровень производства предъявляет высокие требования к качеству изделий, подвергаемых термообработке, их физико-механическим и прочностным свойствам. Большой и важной проблемой является снижение коробления. В связи с этим идет поиск новых сред для термообработки, а также выбора ее оптимальных режимов. Перспективными в этом направлении являются псевдоожиженные дисперсные системы. Такие свойства псевдоожиженных слоев, как изотермичность, высокий коэффициент теплообмена,регулируемость скорости охлаждения и нагрева, химическая инертность по отношению к поверхности обрабатываемых изделий, пожаробезопасность создают им определенные преимущества по сравнению с традиционно применяемыми в термообработке средами. У нас в стране и за рубежом накоплен достаточно большой положительный опыт применения кипящего слоя для термообработки металлических изделий / 1-3 /. Сюда относятся процессы нагрева и охлаждения, отпуск, отжиг, патенти-рование и закалка деталей. Вместе с тем следует отметить, что перспектива широкого использования псевдоожиженных систем в процессах термообработки остается открытой. Сдерживающим фактором, наряду с определенными трудностями эксплуатирования промышленных установок с псевдоожиженными слоями, является отсутствие исследований процессов, происходящих в телах при термообработке их в дисперсном слое (на практике известны случаи пятнистой структуры при закалке, а также коробления изделий).
Поскольку многие процессы термообработки протекают в условиях значительного изменения температуры, они сопровождаются фазовыми превращениями материала обрабатываемых изделий и появлением в них остаточных напряжений и деформаций, которые могут привести к короблению и снижению прочности. Поэтому определение величины на -a пряжений и деформаций существенно для выбора режима термообработки и характеристик применяемой дисперсной среды ( диаметра и материала частиц, режима их движения и т.д.). Развитие полей температур, структурных превращений, термических напряжений и деформаций в телах при термообработке определяется условиями внешнего теплообмена между обрабатываемыми изделиями и дисперсными слоями. Известно/ 4 /, что теплообмен тела с неоднородными псевдоожижен-ными слоями осуществляется преимущественно путем нестационарного теплообмена с "пакетами" частиц, подходящими к поверхности из ядра слоя, контактирующими с ней некоторое время и возвращающимися назад в ядро слоя. Контактирующий с поверхностью "пакет" частиц можно с определенными допущениями считать плотным неподвижным слоем дисперсного материала. Поэтому изучение нестационарного теплообмена поверхности с плотным слоем дисперсного материала имеет большое значение как для выяснения механизма переноса тепла в псевдоожиженных системах, так и для непосредственных расчетов коэффициента теплообмена по широко распространенной "пакетной" теории /4/.
Целью данной работы является теоретическое исследование внешнего теплообмена и разработка методики расчета температур, напряжений и деформаций в телах, подвергаемых термообработке в дисперсном слое.
Первая глава диссертации посвящена обзору имеющихся литературных данных по теплообмену тел с плотными слоями дисперсного материала, а также состоянию вопроса по исследованию температурных полей, термических напряжений и деформаций в телах при термообработке. На основе анализа имеющихся данных в этой главе приводится также постановка задач и цели исследований.
Во второй главе получили дальнейшее развитие идеи о теплообмене между плотным слоем дисперсного материала и погруженным в него телом при кратковременных тепловых воздействиях, развивае -9 мые в ИПЮ им. А.В.Лыкова АН БССР под руководством Н.Б.Антонишина. Впервые для исследования нестационарного теплообмена поверхности с плотным слоем дисперсного материала применено гиперболическое уравнение теплопроводности. Гиперболическое уравнение использовано при исследовании теплообмена между пластиной и слоем дисперсного материала при граничных условиях 1-го и 4-го рода. Сравнение расчетных и известных из литературы опытных данных показало их удовлетворительное согласование, что позволило сделать вывод о применимости гиперболического уравнения для исследования теплообмена в гетерогенных средах. Эти результаты обладают новизной и выносятся на защиту. Исследован практически важный случай теплообмена пластины со слоем дисперсного материала при граничных условиях 4 рода. Показано, что при исследовании теплообмена погруженных в слой тел необходимо учитывать влияние параметра, характеризующего отношение объемных теплоємкостей и геометрических размеров слоя и материала тела. Расчеты показали, что тепловой поток при некоторых значениях г О больше, а при других меньше теплового потока в однородной среде. Отмеченные особенности теплообмена тела в дисперсной среде, учитывающие изменение температуры поверхности, необходимо принимать во внимание при расчете теплообмена как в плотном, так и в кипящем слое.
На основе гиперболического уравнения теплопроводности дисперсных систем рассмотрен нестационарный теплообмен между пластиной с источником тепла и слоем дисперсного материала. Решение этой задачи для тепловых потоков и температур на границе использовано при анализе работы тепловых датчиков, применяемых для измерения пульсаций теплового потока в псевдоожиженном слое.
В этой же главе сформулирована и решена задача о теплообмене поверхности с перемешиваемым слоем дисперсного материала. При этом сделана попытка выделить общий механизм переноса, характерный для перемешиваемых дисперсных слоев разного типа (кипящих, виброкипящих, слоев с мешалками и т.д.). Получены выражения для температурных полей и тепловых потоков по газовой и твердой фазам в отдельности, которые могут быть полезны при обобщении опытных данных по теплообмену для перемешиваемых слоев разного типа.
В третьей главе диссертации рассмотрена задача о расчете полей температур, фазовых превращений, напряжений и деформаций в телах при термообработке их в дисперсном слое. На основе данных теории термической обработки и металловедения, механики сплошных сред предложена методика расчета полей температур, напряжений и деформаций в телах с учетом фазовых превращений материала изделий при термообработке и эффекта кинетической пластичности при фазовых превращениях. Предлагаемая методика использована для расчета полей температур, напряжений и деформаций в пластине, закаливаемой в виброкипящем слое дисперсного материала. Для сравнения величины возникающих остаточных напряжений при закалке тел в разных средах, аналогичные расчеты выполнены при закалке пластины в масле и воде. Эти результаты обладают новизной и имеют определенное самостоятельное значение для исследования термонапряженного состояния тел в различных видах термообработки. На основе разработанной методики сформулирована и решена задача о влиянии пульсаций коэффициента теплообмена между дисперсным слоем и поверхностью на развитие полей температур и термических напряжений в закаливаемой пластине. Полученные результаты не выявили заметного влияния пульсационного характера теплообмена на распределение остаточных напряжений в пластине после закалки.
Исследование температур, напряжений и деформаций является важной и актуальной практической задачей не только при термообработке изделий в новых средах, какими являются дисперсные материалы, а также в традиционных видах термообработки и нагрева. В качестве примера, предложенная в этой главе методика расчета температур, напряжений и деформаций при термообработке использована
-// при решении задачи о несимметричном радиационно-конвективном нагреве заготовки в печи трубозаготовочного стана в условиях Днепровского металлургического завода им. Ф.Э.Дзержинского. Результаты этих расчетов приведены в приложении к диссертации. Проведенные совместно с заводом исследования привели к изменению теплового режима печи ЗЗС, что позволило улучшить качество готовой продукции, снизить удельный расход топлива и окалинообразование. На защиту автором выносятся:
- применение гиперболического уравнения для описания процессов нестационарной теплопроводности в дисперсных средах и полученные на его основе результаты аналитического исследования теплообмена пластины с плотным слоем дисперсного материала при граничных условиях 1-го и 4-го рода;
- методика расчета температур, напряжений и деформаций при термообработке тел в дисперсных средах, учитывающая основные факторы термообработки и результаты численных расчетов этих величин в пластине, закаливаемой в виброкипящем слое;
- данные о влиянии пульсаций коэффициента теплообмена на развитие полей температур и напряжений в закаливаемой пластине.
Результаты работы получены при выполнении в лаборатории теп-лообменных процессов и аппаратов ИТМО им.А.В.Лыкова АН БССР плановых тем: I) "Разработка методов теплотехнического расчета, создание новых высокоэффективных способов безокислительного и необез-углероживающего нагрева, отличных от концевого нагрева металла". Постановление ГК СМ СССР по науке и технике $ 170 от 20.05.1971г. Раздел "а": "Исследование нестационарного теплообмена при повышенных температурах и изготовление лабораторной установки для исследования радиационного нагрева изделий". 2) "Разработать методы расчета и создать принципиально новые устройства для на грева металла в дисперсном слое, ликвидирующие угар и обезуглероживание и значительно сокращающие расход тепла на нагрев". Постановление ГК СМ СССР по науке и технике J6 II от 19.01.1976 г.
Основные результаты работы обсуждались: на 2 Всесоюзной конференции по применению аэрозолей в народном хозяйстве, Одесса, 1972 г.; 5 Всесоюзной конференции по тепло- и массообмену, Минск, 1976 г.; 4 Всесоюзной конференции по механике сыпучих материалов, Одесса, 1980 г.; 6 Всесоюзной конференции по тепло- и массообмену, Минск, 1980 г.; семинаре лаборатории теоретической физики Института физики металлов ВДИШМ, 1981г. материалы диссертации опубликованы в следующих изданиях:
1. Антонишин Н.В., Геллер М.А., Парнас А.Л. Гиперболическое уравнение теплопроводности дисперсных систем. - ИФЖ, 1974, т. 26, I 3, с. 503-508.
2. Антонишин Н.В., Геллер М.А., Лущиков В.В., Парнас АД., Симченко Л.Е. Нестационарный теплообмен между плотным слоем дисперсного материала и погруженным в него телом при граничных условиях 4-го рода. - ИФЖ, 1975, т. 29, № 3, с. 426-431.
3. Антонишин Н.В., Геллер М.А., Гурвич I.P., Парнас АД. 0 нестационарном теплообмене между пластиной с источником тепла и слоем дисперсного материала. - В кн.:"Тепломассообмен-5". Материалы
5 Всесоюзной конференции по теплообмену. Минск, 1976, т.6,с.3-Ю.
4. Антонишин Н.В., Геллер М.А., Иванютенко В.И. Теплопередача в "псевдо турбулентном" слое дисперсного материала. - ИФЖ, 1981, т. 61, № 3, с. 465-469.
5. Геллер М.А., Парнас АД. Численное исследование процессов термообработки изделий в дисперсном слое. - Тезисы докладов 4 Всесоюзной конференции "Механика сыпучих материалов", Одесса, 1980, с. 258.
6. Геллер М.А., Парнас АД. Численное исследование процесса закалки пластины в виброкипящем слое.-В кн.: "Исследование процес -/з сов переноса в дисперсных системах". Минск, 1981, с. 136-143.
7. Геллер М.А., Парнас АД. Численное исследование температур и термических напряжений при термообработке металлических изделий. ИФЖ, 1983, т.44, & 2, стр. 304-310.
8. А.с. 600402. Способ определения величины теплового потока. /Парнас А.Д., Геллер М.А., Антонишин Н.В./-Опубл. в Б.И., 1978, № 12.
9. А.с. 757950. Способ измерения теплопроводности твердых тел. /Рабинович Г.Д., Антонишин Н.В., Геллер М.А., Парнас А.Л./-Опубл. в Б.И., 1980, гё 31.
10. Геллер М.А. 0 постановке сопряженной задачи теплообмена тела с перемешиваемым слоем дисперсного материала. - В кн.: Тепло массоперенос в аппаратах с дисперсными системами", Минск, 1983, с. 21-24.
