Введение к работе
Актуальность. Ускорение технического прогресса основано на самом широком использовании возможностей научно-технической революции и предусматривает применение принципиально новых технологических процессов, техники новых поколений, широкое внедрение ресурсе- и энергосберегающих малоотходных и безотходных технологий, коренное улучшение качества продукции, ускорение замены и модернизации морально устаревших технологических установок и агрегатов, снижение материалоемкости производства и удельных расходов топливно-энергетических ресурсов
В ряду важнейших проблем, поставленных наукой и практикой, особое место занимает проблема создания более совершенных тепловых агрегатов на базе математического моделирования процессов и технологий Совершенствование существующих и внедрение новейших технологий с минимальными затратами энергии и материалов на единицу продукции, проведение активной энергосберегающей политики в сфере промышленности и энергетики является важнейшей народно-хозяйственной задачей, что отражено в Федеральном законе «Об энергосбережении» от 1996 года и Федеральной целевой программе «Энергоэффективная экономика», утвержденной Постановлением Правительства Российской Федерации от 17 ноября 2001 года
Весьма актуальной является проблема повышения эффективности использования топлива в промышленных тепловых агрегатах, так как они являются достаточно емкими и «расточительными» потребителями топлива
При совершенствовании тепловых агрегатов широко применяются методы физического и математического моделирования, причем математическое моделирование вытесняет другие методы благодаря своим очевидным преимуществам
Цель работы. Разработка математических моделей и анализ процессов теплопереноса в ограждениях тепловых агрегатов различного технологического назначения, использование моделей для исследования характеристик теплопереноса, а также выработка на основе моделирования рекомендаций по совершенствованию элементов ограждения
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи
разработать и исследовать математическую модель теплопереноса через элементы тепловой изоляции усложненной формы в стационарном режиме, метод и алгоритм определения критической толщины изоляции при сочетании ограничивающих поверхностей различной формы,
разработать и исследовать динамическую математическую модель теплопереноса через элементы тепловых агрегатов при произвольной форме изменения краевых условий в нестационарном тепловом режиме,
исследовать и обосновать методы адаптации полученных математических моделей к условиям работы тепловых агрегатов, их физическую реализуемость, достоверность и применимость в практических задачах
Методы исследования. Для определения критического значения толщины ограждения сложной формы в стационарном режиме, соответствующего мини-
муму линейного термического сопротивления теплопередачи, аналитические зависимости термического сопротивления, полученные «методом источников -принципом наложения», подвергаются анализу с целью отыскания экстремума
Методом пространственно-временных интегральных преобразований определены динамические уравнения связи температур и тепловых потоков с изменением граничных условий в нестационарном режиме при учете обратных связей
Исследование полюсов и нулей характеристического уравнения, позволило выбрать рациональный метод аппроксимации передаточных функций Определено влияние чисел массивности стенки на решение характеристического уравнения, изучены физическая реализуемость и достоверность полученных решений Произведена численная адаптация разработанных математических моделей при периодическом изменении краевых условий
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем
впервые методом математического моделирования получены соотношения для определения критической толщины ограждения тепловых агрегатов усложненной формы для стационарного теплового режима, обеспечивающие реализацию энерго-и материалосберегающих конструкторских решений,
впервые методом конечных интегральных преобразований разработана динамическая математическая модель теплопередающей стенки для двух видов нестационарного теплового режима переходного и периодического,
получены аппроксимации для передаточных функций, связывающих температуры и тепловые потоки в стенке ограждений, обоснована адекватность полученных математических моделей теплофизическим процессам в теплопередающей стенке и определено их соответствие экспериментальным данным
Достоверность научных положений и выводов. Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы подтверждена конкретизацией области физической реализуемости математической модели и исследованием области существования решений характеристических уравнений Достоверность результатов также базируется на строго доказанных и конкретно использованных положениях теплофизики, математического моделирования В работе применены современные аналитические методы решения задач теплопереноса, сопоставленные с численными методами решения на ЭВМ и экспериментальными данными
Практическая значимость. Разработанная методика определения критической толщины изоляционного слоя ограждений тепловых агрегатов обеспечивает реализацию энерго- материалосберегающих конструкторских решений при усложненной форме ограничивающих поверхностей
Математическая модель динамических процессов в теплопередающей стенке позволяет определить реакцию температурно-тепловых параметров стенки на изменение граничных условий, то есть определить область безопасного с точки зрения оплавления или термического разрушения изменения температуры рабочего процесса или допустимого изменения условий отвода теплоты Результаты математического моделирования могут применяться для разработки режимов работы ограждений котельных агрегатов, нагревательных и термических
печей, теплонапряженных поверхностей охлаждаемых элементов металлургических печей
Предмет защиты.
-
Математическая модель и алгоритм определения критической толщины тепловой изоляции усложненной формы, обеспечивающие достижение энерго- и материалосберегающего эффекта при конструировании ограждений тепловых агрегатов
-
Метод построения математической модели динамических процессов в теплопередающей стенке при использовании пространственно-временных интегральных преобразований
-
Математическая модель тепловых процессов в теплопередающей стенке при переменных граничных условиях с учетом дополнительных термических сопротивлений
Использование результатов работы. Разработанные математические модели явились основой рекомендаций по определению оптимального значения толщины ограждений усложненной формы, переданных для реализации и принятых к внедрению на ТЭЦ-2, в ООО «Тепловые системы», г Челябинск, ООО «НІЖ Уралтермокомплекс», г Екатеринбург
Материалы диссертации внедрены ГОУ ВПО ЮУрГУ (г Челябинск), МГТУ (г Магнитогорск), ОмГУПС (г Омск) в учебный процесс при преподавании следующих дисциплин «Теоретические основы теплотехники», «Источники и системы теплоснабжения предприятий», «Котельные установки и парогенераторы», «Тепломассообменное оборудование предприятий», разработки также используются при курсовом и дипломном проектировании по специальности 140104 (100700) - Промышленная теплоэнергетика, направление 140100 (650800) - Теплоэнергетика
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 2-ой Всероссийской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Энергетики и металлурги настоящему и будущему России» (Магнитогорск, 2001), международной научно-практической конференции «Коммунальное хозяйство, энергосбережение, градостроительство и экология на рубеже третьего тысячелетия» (Магнитогорск, 2001), 2-ой международной научно-практической конференции «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии» (Москва, 2002), 3-ей Всероссийской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Энергетики и металлурги настоящему и будущему России» (Магнитогорск, 2002), 3-ей международной научно-практической конференции Регионального Уральского отделения Академии инженерных наук им А М Прохорова «На передовых рубежах науки и инженерного творчества» (Екатеринбург, 2004), 2-ой Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2005), XI International Scientific and Practical Conference of Students, Post-graduates and Young Scientists «Modern techniques and technologies» (Tomsk, TPU, Russia - IEEE, EDS, USA, 2005), XV школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А И Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» школа-
семинар в рамках Международного научно-технического симпозиума «Образование через науку» (Москва-Калуга, 2005), Всероссийской научно-технической конференции «Создание и внедрение корпоративных информационных систем (КИС) на промышленных предприятиях Российской Федерации» (Магнитогорск, 2005), 3-ей Международной научно-практической конференции «Металлургическая теплотехника история, современное состояние, будущее», посвященной столетию со дня рождения М А Глинкова (Москва, 2006), Всероссийских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы теплоэнергетики» (Челябинск, 2006, 2007), 6-ой Всероссийской конференции (с участием иностранных ученых) «Горение твердого топлива» (Новосибирск, 2006), XXXVI Уральском семинаре УрО РАН «Механика и процессы управления» (Екатеринбург, 2006), XVI Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А И Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» - грант РФФИ № 07-08-06006 (Санкт-Петербург, 2007)
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 22 печатных работах, в том числе 2 научные публикации - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 18 - в материалах международных, всероссийских, региональных конференций, 1 - учебное пособие (120 с ), 1 — монография (163 с )
Личный вклад автора заключается в формировании основных предпосылок исследования и разработке научных основ технических решений по выбору толщины ограждения тепловых агрегатов в направлении энерго- материалос-берегающих конструкторских решений при усложненной форме их ограничивающих поверхностей, методов, эффективных математических моделей тепло-переноса в нестационарном тепловом режиме и методов расчета переменных температур и тепловых потоков в ограждениях тепловых агрегатов
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 197 наименований Общий объем - 179 страниц, она содержит 11 таблиц, 31 рисунок
