Введение к работе
Актуальность темы
Обеспечение экономического подъема народного хозяйства на более 1ЫСОКИЙ уровень требует от науки и промышленности интенсификации и ювышения эффективности всех производственных процессов, улучшения сачесіва продукции и снижения ее материалоемкости.
Осуществление технологических процессов на предприятиях строительных материалов, химической, пищевой промышленности существенно іависит от работы и состояния агрегатов самого разного назначения, їольшую часть стоимости таких объектов составляют затраты на изоля-шю и футеровку поверхностей, подверженных действию высоких температур. Правильный теплотехнический расчет этих элементов позволяет іначительно сократить теплопотери и улучшить санитарно-гигиенические ,'словия труда, создает большие резервы увеличения производительности, улучшения качества выпускаемой продукции, экономии сырья, материа-юв, топлива.
Известно, что многие промышленные процессы нагревания тел в пе-іах происходят в нестационарных тепловых условиях, из-за чего прихо-штся учитывать особешюсти изменения температуры и тепловых потоков. Определение температурных изменений имеет не только самостоя-ельный интерес, но и дает исходные данные для вычисления термических іапряжений. Их важность возрастает в связи с повышением тепловых па-иметров и скоростей тепловых процессов. Правильная оценка термиче-:ких условий позволяет избежать опасных явлений в несущих консгрукци-гх и изоляционном слое. Это способствует увеличению межремонтных ;роков и продолжительности службы теплотехнических сооружений, а ~акже уменьшает расход материалов вследствие обоснованного снижения іапасов прочности.
Анализ технологий показывает, что изменение температуры ведет к вменению теплофизических характеристик вещества Математически это [оказывается тем, что дифференциальное уравнение, описывающее про-іесс, становится нелинейным. Последнее затрудняет решение задачи и заставляет прибегать к приближенным методам.
В настоящее время инженерные расчеты выполняются по номо-раммам Лыкова [24], Греберна, Эрка [2j или Будрина и Красовского 26]. Все эти номограммы достаточно точно отражают процесс, если на-реваемые тела не изменяют своих теплофизических характеристик в ходе
нагревания. Однако есть значительное число строительных материалов (к ним относятся большое число огнеупоров), у которых коэффициент теплопроводности и теплоемкость изменяются в функции от температуры по линейному закону. Поэтому разработка методик, учитывающих зависимость теплопроводности и объемной теплоемкости от температуры в процессе нагрева является актуальной, особенно, в современных условиях.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является создание методов для инженерных расчетов нагрева тел при изменяющихся теплофизических характеристиках. Для достижения поставленной цели были выдвинуты следующие задачи:
И разработать способ решения задачи теплопроводности с прямолинейной зависимостью теплофизических характеристик вещества от температуры; И реализовать полученный метод ігутем численного интегрирования на
ЭВМ и но результатам расчетов построить номограммы; О провести экспериментальное подтверждение теоретических исследований закономерности нагреза пластины в регулярном режиме при граничных условиях 1-го рода; Н разработать методику определения температуры центра тела с изменяющимися ТФХ в процессе нагрева.
Методы исследования. В данной работе для решения поставленных задач были использованы основные положения теории теплопроводности, методы теории подобия, математического анализа, математической статистики, а также численные методы решения на ЭВМ.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
исследована математическая модель нагрева тел с учетом температурной зависимости теплопроводности и объемной теплоемкости в регулярном режиме;
впервые построены номограммы для инженерных расчетов температурного поля в регулярном режиме при переменных ТФХ вещества;
разработан инженерный способ нахождения температуры центра тела в зависимости от изменения теплофизических свойств материала по номограммам и таблицам;
доказана эффективность использования итерационного метода для расчета температурного перепада в начальном периоде при прямолинейном изменении температуропроводности;
подтверждена возможность получения температурного поля для бруса квадратного сечения путем перемножения температурных критериев при изменяющихся ТФХ;
получена возможность определения темпа изменения теплопроводности в регулярном режиме в зависимости от температуры.
Практическая значимость и результаты внедрения.
Разработанные методики и составленные на их основе номограммы для расчета нагрева тел могут найти широкое применение в проектных и научно-производственных организациях для решения актуальных задач в сфере промышленного производства строительных, теплоизоляционных и облицовочных материалов. Этим создаются предпосылки для условий тепловой защиты, энергосберегающих тепловых процессов и благоприятной экологической обстановки. Полученные закономерности могут использоваться дли экспериментального определешк темпа изменения теплсяро-зодности вещества и определения температуропроводности тела на установке, изготовленной в лаборатории кафедры «Теплотехника» Волг ГАСА, 5ез погружения образца в жидкую среду.
Результаты исследований получили внедрение при выполнении ра-г)От по хоздоговорам, договорам о творческом содружестве. Материалы іиссертации используются в учебном процессе в РГАС, Волг ГАСА, <ГТУ, ВГТУ. Теоретическая часть включена в программу курса «Теорети-іеские основы теплотехники», читаемого дня студентов по специальности "ІГС, ТГВ, ПСК и др.
Достоверность результатов, полученных при исследовании процесса іагрева твердых тел в регулярном режиме с изменяющимися теплопро-юдностью и объемной теплоемкостью была подтверждена математическими и физическими экспериментами. Расхождения, полученные при сравнении результатов экспериментов с теоретическими положениями фугнх авторов, составили менее 7%.
Аргументированность работы
Разработки и выводы автора в диссертационной работе основаны на юзультатах анализа научной и технической литературы, а также на со-ілюдении существующих нормативных материалов при выполнении ис-ледований.
Теоретическое значите работы заключается в получении аналити-:еской закономерности нагрева тел с изменяющимися ТФХ вещества; в іазработке метода нахождения температуры центра и поверхности тела в іегулярном режиме с температурной зависимостью теплопроводности и бъемной теплоемкости материала; в получении возможности определе-:ия темпа изменения теплопроводности в регулярном режиме в зависимо-
сти от температуры; в подтверждении использования итерационного метода для приближенного расчета температурного поля в начальной стадии процесса и подтверждении возможности использования принципа перемножения температурных критериев, когда в процессе нагревания ТФХ вещества изменяются.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-практических конференциях по теплофизике и тешюмасеопереносу в период с 1995-1999 г. в Волгоградской архитектурно-строительной академии;
на межвузовской научно-практической конференции студентов и молодых ученых ВолгГАСА (Волгоград, 1997 );
Международном научном симпозиуме в рамка Конгресса «Экология, жизнь, здоровье» (Волгоград, 1996 );
семинаре по вопросам теплообмена и гидродинамики при Ростовской Государственной академии строительства (Рсстоа-на-Дону, 1998);
семинаре по вопросам теплообмен при Красноярском государственном техническом университете (Красноярск, 1997 - 1998 гг.)
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 1 учебное пособие и 5 статей.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав с основными результатами и выводами, общих выводов, приложений и списка использованной литературы из 76 наименований.
Работа содержит 103 страницы основного текста, включая 32 рисунка и 6 таблиц. Приложение выполненное ввиде таблиц содержит 132 печатных страницы.