Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ оборудования для закалки стекла 8
1.1 .Оборудование для жидкостной закалки листового стекла 9
1.2.Воздухоструйная закалка стекла 16
1.2.1. Конструкция сопл закалочных решеток 27
1.2.2. Особенности воздухоструйной закалки стекол тонких номиналов 30
1.3.Назначение и конструкция сопла Лаваля 32
1 АМетодика расчета сопл Лаваля 34
1.5.Рабочие режимы сопла Лаваля 37
1.6.Выводы 41
1.7.Цель и задачи исследования. 42
2. Охлаждающее устройство. Методика расчета режимов термообработки изделия при использовании разработанного охлаждающего устройства 43
2.1 .Разработка охлаждающего устройства для закалки стекла тонких номиналов 43
2.2.Обоснование применения методики расчета для сопл Лаваля малых размеров 46
2.3. Выявление влияния коэффициента потерь при на нестационарных режимах на скорость истечения из сопл Лаваля 48
2.3.1. Аппроксимация экспериментальных графических зависимостей коэффициента потерь при нестационарных режимах 50
2.4. Методика расчета коэффициента теплоотдачи высокоинтенсивного охлаждающего устройства с применением сопл Лаваля малых размеров 52
2.4.1. Расчет геометрических параметров сопла Лаваля малых размеров (решение обратной задачи) 52
2.4.2. Определение запаса давления 55
2.4.3. Расчет коэффициента теплоотдачи высокоинтенсивного охлаждающего устройства при стационарных режимах работы... 56
2.4.4. Расчет коэффициента теплоотдачи при нестационарных режимах истечения 59
2.5.Методика расчета нелинейных режимов термообработки получаемых на разработанном охлаждающем устройстве 62
2.6.Выводы 73
3. Результаты аналитических исследований 74
3.1.Влияние конструктивно-технологических параметров высокоинтенсивного охлаждающего устройства на коэффициент теплоотдачи и продолжительность интенсивной закалки 74
3.2. Исследование влияния изменения коэффициента теплоотдачи на величину остаточных поверхностных и центральных напряжений в стекле 90
З.З.Выводы 101
4. Экспериментальные исследования 102
4.1 .Цели и задачи экспериментальных исследований 102
4.2. Проведение экспериментальных исследований по определению коэффициента теплоотдачи высокоинтенсивного охлаждающего устройства помощи миниатюрного комбинированного насадка 102
4.2.1. Описание экспериментального стенда и средств измерения... 102
4.2.2. Последовательность проведения эксперимента с использованием миниатюрного комбинированного насадка 108
4.2.3. Результаты экспериментальных исследований полученных при помощи миниатюрного комбинированного насадка 109
4.3. Экспериментальное определение охлаждающей способности охлаждающего устройства при помощи датчика коэффициента теплоотдачи 124
4.3.1. Выбор датчика для экспериментального определения коэффициента теплоотдачи 124
4.3.2. Проверка работоспособности датчика коэффициента теплоотдачи 132
4.3.3. Методика проведения экспериментальных исследований при помощи датчика 133
4.4. Выводы 137
5. Промышленное внедрение вертикального высокоинтенсивного охлаждающего устройства 138
5.1. Технологический процесс выработки закаленного стекла на вертикальном высокоинтенсивном охлаждающем устройстве 138
5.2.Промышленные испытания закаленного стекла 140
5.3.Расчет экономической эффективности 143
5.4.Выводы 147
Общие выводы 148
Литература 150
Приложение 160
- Особенности воздухоструйной закалки стекол тонких номиналов
- Выявление влияния коэффициента потерь при на нестационарных режимах на скорость истечения из сопл Лаваля
- Исследование влияния изменения коэффициента теплоотдачи на величину остаточных поверхностных и центральных напряжений в стекле
- Проведение экспериментальных исследований по определению коэффициента теплоотдачи высокоинтенсивного охлаждающего устройства помощи миниатюрного комбинированного насадка
Введение к работе
Одним из наиболее применяемых в строительстве при остеклении зданий промышленного, административного и жилищного назначения, в машиностроении при создании наземного, водного и воздушного транспорта материалом является листовое стекло [1, 2, 3].
Благодаря сочетанию таких свойств как прозрачность, высокая коррозионная стойкость, низкий коэффициент теплопроводности, повышенная механическая прочность (в 4...6 раз больше отожженного), безопасный характер разрушения, закаленное стекло находит все большее свое применение как в практике отечественного, так и зарубежного строительства [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9].
Одним из важнейших направлений при производстве закаленного стекла является совершенствование оборудования с целью снижения энергозатрат, а как следствие себестоимости готовой продукции, а также расширения номенклатуры выпускаемой продукции с 5...6 до 3 мм и менее.
Наиболее прогрессивным способом термоупрочнения стекла является воздухоструйная закалка. Однако данный способ является энергоемким. Кроме этого существующие конструкции закалочных устройств воздухоструйного типа не обеспечивают необходимой интенсивности охлаждения (коэффициент теплоотдачи а) достаточной для стекла толщиной 3 мм и менее.
Таким образом, целью представленной работы разработка
высокоинтенсивного охлаждающего устройства с применением
сверхкритического истечения воздуха и определением рациональных
конструктивно-технологических параметров обеспечивающих
интенсификацию процесса закалки стекла и снижение энергоемкости.
Объекты исследований: вертикальное высокоинтенсивное охлаждающее устройство, процесс нестационарной высокоинтенсивной закалки стекла.
Научная новизна работы:
заключается в аналитическом определении остаточных напряжений в закаленном стекле при высокоинтенсивных нестационарных режимах закалки; в аналитическом определении коэффициента теплоотдачи при сверхкритическом истечении воздуха, что позволяет разработать методику расчета охлаждающей способности устройства, подтвержденной экспериментальными данными; полученные взаимосвязи коэффициента теплоотдачи с параметрами устройства позволили выявить рациональные конструктивно-технологические параметры охлаждающих устройств для высокоинтенсивной закалки стекла; разработана конструкция высокоинтенсивного охлаждающего устройства, обеспечивающая интенсификация процесса закалки и снижение его энергоемкости.
Автор защищает следующие основные положения:
1. Методику расчета остаточных напряжений в закаленном стекле при
высокоинтенсивных нестационарных режимах закалки.
2. Методику расчета коэффициента теплоотдачи и конструктивно-
технологических параметров охлаждающего устройства при
высокоинтенсивной закалке стекла.
3. Конструкцию высокоинтенсивного охлаждающего устройства
включающую обдувочные решетки с системой сопл Лаваля.
Практическая ценность работы:
Разработана методика расчета коэффициента теплоотдачи и конструктивно-технологических параметров охлаждающих устройств при высокоинтенсивной закалке стекла.
Рассчитано, спроектировано и реализовано охлаждающее устройство, позволяющее интенсифицировать процесс закалки с возможность закалки изделий толщиной 3 мм и менее при одновременном снижении энергозатрат.
7 3. Проведены экспериментальные исследования по проверке
разработанной методики расчета коэффициента теплоотдачи
высокоинтенсивного охлаждающего устройства и выявлена
хорошая сходимость результатов экспериментальных
исследований с данными полученными аналитически.
Внедрение результатов работы: результаты работы апробированы и
внедрены в опытно - промышленное производство на ООО ПКФ «Уральская
стекольная компания», г. Екатеринбург.
Публикации: по теме исследований опубликовано 5 печатных работ, подана 1 заявка на получение полезной модели.
Апробация работы: результаты работы успешно доложены и одобрены на Международной научной конференции «Моделирование как инструмент решения технических и гуманитарных проблем», г. Таганрог, 2002 г.; на международной научно-практической конференции, г. Белгород, 2002 г.; на Втором международном конгрессе студентов, молодых ученых и специалистов «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (г. Москва 2002 год).
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы и 3 приложений. Работа изложена на 149 страницах, включает 71 рисунок, 10 таблиц. Библиография включает 128 источников.
Особенности воздухоструйной закалки стекол тонких номиналов
Расчет закалочных решеток рассмотрен в статьях [6, 21, 59, 60]. Наиболее часто встречающимся пороком закаленных стекол являются «закалочные пятна», вызванные неравномерной обдувкой листа по его площади [23, 37]. Для уменьшения неравномерности закалки обдувочные решетки приводят в колебательное или вращательное движение (рис. 1. 7). Фирма «Кобелькомекс» предлагает в качестве обдувочных сопел использовать резиновые трубочки. Во время движения закалочной решетки они совершают сложные движения с большой скоростью, что устраняет закалочные пятна на готовых изделиях [38, 61, 62].
К недостаткам устройств вертикального типа следует отнести большой удельный расход энергии.
При обдувке стекла появляется проблема эвакуации отработанного воздуха. Наиболее просто эта проблема решается при использовании гребенчатых (секционных) обдувочных устройств или решеток с цилиндрическими соплами-насадками с коноидальным входом (рис. 1. 8, б, в), в которых отработанный воздух удаляется через прорези (секции) решетки или проходит между трубчатыми соплами. Рис 1.13. Установка для горизонтального закаливания плоских стекол на твердых опорах 1 — рольганг транспортирующий; 2 — печь нагрева электрическая; 3 — устройство охлаждающее Наиболее прогрессивным и распространенным является способ горизонтальной закалки по сравнению с вертикальным в связи с рядом безусловных преимуществ: значительным в 3...5 раз увеличением производительности, уменьшением удельных энергозатрат, реальной возможностью автоматизации и роботизации технологического процесса с уменьшением обслуживающего персонала в несколько раз и облегчением условий труда. Способ эффективно используется для производства как плоского, так и гнутого листового стекла, основным потребителем которого является автомобильная промышленность [29, 63, 64].
При этом способе производства закаленного стекла листы, прошедшие предварительную обработку (резка по шаблону, обработка кромки, мойка и сушка заготовок стекла), двигаются горизонтально по роликовому конвейеру из асбестированных или керамических валков внутри электрической печи, где они нагреваются. Скоростной режим движения заготовок по длине линии закалки (рис. 1. 13) не является постоянным в силу специфических требований к отдельным фазам технологического процесса. Характерным видом брака изделий является дефект волнообразной деформации, регламентируемый ГОСТом 5727 - 88 [25].
Недостатком горизонтального способа закалки является неэффективность его использования в мелкосерийном и штучном производстве, а также высокая стоимость линий и большая занимаемая ими производственная площадь. Горизонтальный способ закалки используется только в массовом производстве крупными заводами про производству закаленного стекла. Установка для закалки стекла на газовоздушной подушке представлена нарис. 1. 14 [51].
Листы стекла предварительно нагревают на рольганге туннельной электропечи, а затем переводят на горячую газовую плоскую или гнутую опору, состоящую из множества струй, которые поддерживают стекло во взвешенном состоянии и нагревают его снизу. Сверху стекло обогревают электронагревателями сопротивления. С газовой опоры стекло перемещают для интенсивного охлаждения на воздушную опору обдувочного устройства.
Недостатками такого устройства являются: ухудшение оптических свойств готовых изделий и нарушение геометрии листа в связи с неравномерным нагревом на газовой опоре и охлаждением на воздушной подушке и, как следствие, сложность стабилизации режимов нагрева и охлаждения.
В патентной литературе описывается ряд устройств по закалке стекла на воздушной подушке. Основанием подушки служит охлаждающий модуль, набранный из большого числа элементов. Каждый из элементов имеет ниппель с несколькими отверстиями малого диаметра (рис. 1. 15) [64].
Выявление влияния коэффициента потерь при на нестационарных режимах на скорость истечения из сопл Лаваля
Как было сказано раннее, на самом деле коэффициент потерь в сопле р Лаваля, в зависимости от отношения давлений —-, будет принимать "о различные значения.
В [76] даны экспериментальные данные коэффициента потерь ,с в р соплах Лаваля в зависимости от отношения давлений єа = — и степени "о F2 расширения сопл f = -—, представленные в виде графиков (рис.2.2.). Из анализа графиков можно сделать вывод, что минимальные потери, соответствуют режиму истечения близкому к расчетному. При возрастании sa потери в сопле резко увеличиваются и достигают максимальной величины в близи критического значения „=0.55 - 0.65. При еще больших значениях sa потери уменьшаются. Такой характер кривых коэффициента потерь с, объясняется изменением волновых (возникающих в результате трения) и вихревых (вследствие отрыва потока от стенок сопла) потерь в сопле для второй и третьей группы режимов. Максимальные волновые потери соответствуют режиму єа = єІК. По мере перемещения скачков внутрь сопла (єа \к), т.е. при увеличении єа, волновые потери уменьшаются, а вихревые увеличиваются. На небольшом расстоянии за скачком поток вновь подходит к стенкам сопла, и вихревые потери уменьшаются. Поэтому коэффициент потерь начинает уменьшаться. На режимах єа є1т волновые и вихревые потери в сопле отсутствуют (режимы трубы Вентури) [76, 78, 88, 89]. б) Рис. 2.2. Кривые коэффициента потерь cfc в зависимости от а и степени расширения сопл /. а)— кривые волновых и вихревых потерь, б)- кривые суммарных потерь. Исходя из рассмотренного, в расчетах скорости истечения воздуха из сопл Лаваля, применяемых в охлаждающем устройстве, при непрерывном опорожнении ресивера, предлагается использование экспериментальных данных коэффициента потерь в сопле. Для этого предлагается аппроксимировать графики (рис.2.2.), представив их в виде функциональной зависимости.
Для аппроксимации экспериментальных графических зависимостей используется программное обеспечение Tc2d. Аппроксимировав графики, представленные на рис.2.2., были получены функциональные зависимости отдельно для каждого графика, в зависимости от степени расширения f, отличающиеся друг от друга и имеющие сходимость с экспериментальными данными лишь на некоторых участках. Исходя из этого, был сделан вывод, что данные зависимости трудноформализуемы. Проанализировав графики и исходя из полученных результатов, предлагается аппроксимировать графические зависимости в пределах каждой рабочей группы режимов сопла. Для этого графические зависимости (рис.2.2.) разбиваются на четыре участка, соответствующие рабочим режимам сопла: первый участок соответствует первой группе режимов Р Р —- —, второй - второй группе режимов єа—Є\кі третий - режиму "о "о єХт єа єІК/ а четвертый - режиму, когда сопло работает как труба Вентури (, ,„). Известно [76, 78, 83, 89], что в пределах первой группы режимов потери в сопле минимальны и равны потерям на трение и волновым потерям, которые для этого режима как видно из графика практически постоянны.
Кроме того, в четвертой группе режимов, когда сопло работает как труба Вентури, коэффициент потерь в сопле минимален, постоянен и определяется как потери на трение. Исходя из этого, аппроксимируем график только на двух участках, в пределах второй и третьей групп. На втором участке, в пределах второй группы режимов работы сопла, коэффициент потерь в сопле аппроксимируется зависимостью: Ha третьем участке в пределах третьей группы режимов работы сопла, коэффициент потерь аппроксимируется зависимостью вида: В конечном итоге результаты аппроксимации можно переписать в виде Полученные зависимости имеют хорошую сходимость с опытными данными и выражают коэффициент потерь в сопле от отношения давлений єа для любой степени расширения сопл f. Поэтому данные функциональные зависимости можно использовать для определения скоростных коэффициентов и истинной скорости истечения из сопл с различной степенью расширении, применительно к разработанному охлаждающему устройству периодического действия.
Исследование влияния изменения коэффициента теплоотдачи на величину остаточных поверхностных и центральных напряжений в стекле
Из рассмотренного можно сделать вывод: при избыточном давлении в ресивере ниже расчетного (необходимого для обеспечения сверхкритической скорости истечения, для заданной степени расширения сопла) временные зависимости коэффициента теплоотдачи будут иметь вид кривой 1, а при избыточном давлении в ресивере равного, либо выше расчетного - кривой 2 (рис.3.1.).
На рис.3.2. представлены временные зависимости коэффициента теплоотдачи а в зависимости от избыточного давления в ресивере.
Анализ графиков представленных на рис.3.2. показывает, что на время «сверхкритического» режима истечения из сопл существенное влияние оказывает избыточное давление в ресивере. Так с увеличение давления возрастает начальная скорость воздуха на срезе сопла, а следовательно и коэффициент теплоотдачи а, кроме того увеличивается продолжительность «сверхкритического» режима истечения из сопл закалочной решетки.
Однако, уровень роста начального значения коэффициента теплоотдачи а и продолжительность «сверхкритического» режима истечения из сопл весьма неоднозначен. Так при увеличении избыточного давления в ресивере с ЗхЮ5 до 4х105 Па, или в 1,33 раза, начальный коэффициент4 теплоотдачи а возрастает с 1095 до 1155 Вт/(м-К), т.е. на 5,48%, а продолжительность «сверхкритического» режима истечения увеличивается с 5,31 до 9,05 с, т.е. на 70,4%. При увеличении давления в ресивере с 4х 105 до 5x10 Па, или в 1,22 раза, начальный коэффициент теплоотдачи а возрастает с 1155 до 1192 Вт/(м -К), т.е. на 3,2%, а продолжительность «сверхкритического» режима истечения увеличивается с 9,05 с до 11,94 с, т.е. на 31,9%. При увеличении давления в ресивере с 5х 105 до 6х 105 Па, или в 1,2 раза, начальный коэффициент теплоотдачи а возрастает с 1192 до 1215 Вт/(м2-К), т.е. на 1,93%, а продолжительность «сверхкритического» режима истечения увеличивается с 11,94 до 14,29 с, т.е. на 19,7%. При увеличении давления в ресивере с 6х105 до 7x105 Па, или в 1,17 раза, начальный коэффициент теплоотдачи а возрастает с 1215 до 1227 Вт/(м2-К), т.е. на 0,98%, а продолжительность «сверхкритического» режима истечения увеличивается с 14,29 до 16,28 с, т.е. на 13,9%. При увеличении давления в ресивере с 7x10 до 8x10 Па, или в 1,14 раза, начальный коэффициент теплоотдачи а возрастает с 1227 до 1235 Вт/(м -К), т.е. на 0,65%, а продолжительность «сверхкритического» режима истечения увеличивается с 16,28 до 18 с, т.е. на 10,6%. При увеличении давления в ресивере с 8х 105 до 9х 105 Па, или в 1,13 раза, начальный коэффициент теплоотдачи а возрастает с 1235 до 1237 Вт/(м -К), т.е. на 0,2%, а продолжительность «сверхкритического» режима истечения увеличивается с 18 до 19,52 с, т.е. на 8,4%. При увеличении давления в ресивере с 9х 105 до 10х 105 Па, или в 1,11 раза, начальный коэффициент теплоотдачи а возрастает с 1237 до 1238 Вт/(м2-К), т.е. на 0,1%, а продолжительность «сверхкритического» режима истечения увеличивается с 19,52 до 20,88 с, т.е. на 7%.
Из всего этого можно сделать вывод, что увеличение избыточного давления в равное число раз неоднозначно сказывается на значении начального коэффициента теплоотдачи а. При увеличении избыточного давления в ресивере до расчетного — значение начального коэффициента теплоотдачи а заметно увеличивается (кривые 1,2,3,4,5). Увеличение давления свыше расчетного, не оказывает заметного влияния на значении начального коэффициента теплоотдачи а (кривые 6, 7, 8, 9). Оно влияет только лишь на продолжительность «сверхкритического» режима истечения.
Помимо этого, для достижения «сверхкритического» режима истечения из сопл решетки необходимо обеспечивать избыточное давление в ресивере Р0 свыше 2х 105 Па.
Причем продолжительность интенсивной закалки будет определяться как интервал времени истечения воздуха из сопл, обеспечивающих с а амин, где амин вычисляется по разработкам [74]. И, следовательно, исходя из минимальной продолжительности закалки, выбирается избыточное давление в ресивере. К примеру, для стекла толщиной 3 мм при вертикальном способе закалки необходимо производить обдув стекла продолжительностью т 8 -И2 с. Таким образом, из рис. 3.2. видно, что минимальное начальное избыточное давление в ресивере должно быть более 500 кПа, при других конструктивно-технологических параметрах представленных нарис. 3. 2.
Проведение экспериментальных исследований по определению коэффициента теплоотдачи высокоинтенсивного охлаждающего устройства помощи миниатюрного комбинированного насадка
Для полноты аналитических исследований проведем сравнение временных зависимостей коэффициента теплоотдачи а разработанного вертикального высокоинтенсивного охлаждающего устройства и вертикальной эжекторнои закалочной установки - наиболее экономичной и обладающей высоким коэффициентом теплоотдачи а из существующего закалочного оборудования [68], при одинаковых начальных условиях и конструктивно -технологических параметрах (рис. 3.8.).
Из рис. 3.8. видно, что временные зависимости коэффициента теплоотдачи а вертикального высокоинтенсивного охлаждающего устройства и вертикальной эжекторнои закалочной установки качественно отличаются друг от друга, в пределах значений коэффициента теплоотдачи сс=500 Вт/(м2-К) и выше (режимы «критического», «сверхкритического» истечения и близкого к «критическому»).
Так временные зависимости коэффициента теплоотдачи вертикального высокоинтенсивного охлаждающего устройства (кривые 1,2) представляют собой плавно ниспадающие кривые, состоящие из двух участков: «сверхкритического» и близкого к «критическому».
Временные же зависимости коэффициента теплоотдачи а вертикальной эжекторнои закалочной установки (кривые Xі, 7І) представлены плавно ниспадающими прямыми. Причем можно заметить, что вертикальная эжекторная закалочная установка, при тех же параметрах работает только в режиме близком к «критическому». При этом значение начального коэффициента теплоотдачи а, а так же продолжительность истечения до значения коэффициента теплоотдачи а = 500 Вт/(м -К) из вертикального высокоинтенсивного охлаждающего устройства выше, чем в вертикальной эжекторнои закалочной установке.
Так при избыточном начальном давлении в решетках Ро = 500 кПа, объеме ресивера Vp= 10 м и производительности компрессора П = 3,5 м /мин, начальное значение коэффициента теплоотдачи а эжекторнои закалочной установки составляет 695 Вт/(м -К), а вертикального высокоинтенсивного охлаждающего устройства - 1190 Вт/(м -К), что выше на 495 Вт/(м -К), т.е. на 71 %. При этом продолжительность истечения из вертикального высокоинтенсивного охлаждающего устройства составляет 20 с, что больше на 8 с, т.е. на 67 %, чем из эжекторнои закалочной установки (12 с).
При избыточном начальном давлении в решетках Ро= 1000 кПа, объеме ресивера Vp=10 м и производительности компрессора П= 28 м /мин, начальное значение коэффициента теплоотдачи а эжекторнои закалочной установки составляет 725 Вт/(м -К), а вертикального высокоинтенсивного охлаждающего устройства- 1238 Вт/(м -К), что выше на 513 Вт/(м -К), т.е. на %. Продолжительность истечения из вертикального высокоинтенсивного охлаждающего устройства при этом составляет 27,5 с, что больше на 6,5с, т.е. на 31 %, чем из эжекторной закалочной установки (21 с).
Сравнительный анализ показал, что при одних и тех же начальных условиях и конструктивно - технологических параметрах значения коэффициента теплоотдачи а и продолжительность истечения из вертикального высокоинтенсивного охлаждающего устройства выше, чем у вертикальной эжекторной закалочной установки.
В результате проведенных исследований было проанализировано влияние начальных условий и конструктивно — технологических параметров вертикального высокоинтенсивного охлаждающего устройства на значение коэффициента теплоотдачи а и продолжительность закалки, были выявлены следующие качественные показатели разработанного охлаждающего устройства: высокий коэффициент теплоотдачи а=1238 Вт/(м2-К), достаточный для закалки стекла тонких номиналов (3 мм и менее); продолжительность высокоинтенсивного охлаждения 8-12 секунд, достаточна для образования в закаливаемом стекле необходимых поверхностных напряжений; падение коэффициента теплоотдачи а за время, необходимое для образования поверхностных напряжений в изделии - незначительно; процесс охлаждения в вертикальном высокоинтенсивном охлаждающем устройстве более интенсивен, чем в предлагаемых раннее закалочных установках.
