Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса 11
2. Экспериментальные стенды для исследования аэродинамики и конвективного теплообмена в циклонных нагревательных устройствах с поперечной подачей заготовок. программа исследований 43
2.1. Описание экспериментальных установок и методики измерений
2.2. Погрешности измерений 51
2.3. Программа исследований 56
3. Результаты исследования аэродинамики циклонных нагревательных устройств с поперечной подачей заготовок 60
3.1. Особенности аэродинамики циклонного нагревательного устройства с двухсторонним симметричным вводом и выводом газов при расположении круглой заготовки в центре перпендикулярно оси рабочего объема 60
3.2. Влияние основных режимных и конструктивных характеристик на аэродинамику циклонного нагревательного устройства 79
3.2.1. Диаметр круглой цилиндрической заготовки 79
3.2.2. Количество параллельных заготовок 85
3.2.3. Диаметр выходного торцевого отверстия 90
3.3. Обобщение экспериментальных данных и рекомендации по расчету основных аэродинамических характеристик циклонных нагревательных устройств 90
4. Результаты исследования конвективного теплообме на поверхности заготовок в циклонных нагревательных устройствах с их поперечной подачей 97
4.1. Влияние основных режимных и конструктивных характеристик на теплоотдачу на поверхности заготовок
4.2. Обобщение экспериментальных данных и рекомендации по расчету теплоотдачи на поверхности заготовок
5. Рекомендации по расчету и проектированию циклонных нагревательных устройств с поперечной подачей заготовок 114
5.1. Особенности аэродинамического и теплового расчета циклонного нагревательного устройства 114
5.2. Пример расчета 125
5.3. Оптимизация геометрических и режимных характеристик циклонного нагревательного устройства, выбор оптимальной загрузки его рабочего объема и других геометрических характеристик, обеспечивающих наиболее эффективное использование топлива 141
6. Заключение 160
- Описание экспериментальных установок и методики измерений
- Особенности аэродинамики циклонного нагревательного устройства с двухсторонним симметричным вводом и выводом газов при расположении круглой заготовки в центре перпендикулярно оси рабочего объема
- Обобщение экспериментальных данных и рекомендации по расчету основных аэродинамических характеристик циклонных нагревательных устройств
- Обобщение экспериментальных данных и рекомендации по расчету теплоотдачи на поверхности заготовок
Введение к работе
Модернизация существующих энергетических установок, поиск путей оптимизации режимов их эксплуатации - эти и другие методы необходимы для решения вопросов экономии и рационального использования топлива, а как следствие и снижения вредных выбросов в атмосферу.
Нагревательные устройства для тепловой обработки металла обычно являются относительно низкоэкономичным и недостаточно производительным видом оборудования. Промышленные печи различного технологического назначения - один из крупнейших потребителей высококалорийного топлива. В печах известных конструкций скорость движения газов, как правило очень мала, и конвективный теплообмен практически отсутствует. Интенсификация конвективного теплообмена является одним из основных способов повышения экономичности работы нагревательного устройства [93].
С точки зрения интенсификации и повышения качества нагреваемого металла, значительного снижения удельного расхода топлива на нагрев циклонные печи представляют наибольший интерес. Циклонные печи, обеспечивают значительную интенсификацию теплообмена, прежде всего конвективного к заготовкам (изделиям) и стенкам рабочего объема, повышение равномерности подвода теплоты, а также интенсивное и полное сжигание топлива [94].
Циклонный принцип организации движения греющего потока может быть использован при создании печей для термообработки крупных, особо ответственных изделий (роторов, валов, специальных сварных конструкций и т.п.), нагрева заготовок под ковку и штамповку, нагрева слитков, а также в прокатных цехах в качестве секционных печей скоростного нагрева металла [92, 94].
Известные циклонные печи скоростного нагрева металла имеют характерный недостаток - малую степень заполнения рабочего объема. Ее можно повысить путем увеличения количества ручьев подачи заготовок параллель-
9 ных оси рабочего объема и расположенных симметрично относительно ее. Однако при их количестве более двух условия нагрева заготовок в ручьях будут различными, что часто недопустимо с точки зрения технологии. При этом значительно усложняется и конструкция нагревательного устройства.
Выполненные исследования и разработанные рекомендации по методам интенсификации конвективного теплообмена в промышленных нагревательных устройствах позволили рекомендовать циклонную печь с большой степенью заполнения рабочего объема и в то же время несложную по конструкции [3, 94, 101,102].
Экспериментальный материал по исследованию аэродинамики и конвективного теплообмена в циклонных устройствах с большой степенью заполнения рабочего объема - при расположении заготовок перпендикулярно оси рабочего объема, полученный в работах [101, 102], представлен в весьма ограниченном объеме, не позволяющем выполнить какие-либо обобщения и разработать рекомендации по расчету и проектированию таких устройств.
Отмеченные обстоятельства определили выбор темы диссертационной работы и решаемые в ней задачи.
Автор выносит на защиту следующие вопросы:
Результаты экспериментального исследования распределений осред-ненных и локальных параметров потока в рабочем объеме, установленные закономерности их изменения в зависимости от геометрических и режимных характеристик циклонных нагревательных устройств с поперечной подачей заготовок;
Результаты экспериментального исследования конвективного теплообмена на поверхности заготовок перпендикулярных оси рабочего объема; обобщенные уравнения подобия для расчета коэффициентов теплоотдачи;
Методику аэродинамического и теплового расчета циклонных нагревательных устройств с подачей заготовок перпендикулярно оси рабочего объема, включающую результаты обобщения полученных опытных данных,
*
10 энергоэкономическую оптимизацию их геометрических и режимных характеристик и программу их расчета на персональном компьютере.
Описание экспериментальных установок и методики измерений
Эксперименты выполнены на моделях циклонных нагревательных устройств. Схематический чертеж одной из моделей приведен на рис. 2.1. Модель представляла из себя гладкостенную циклонную камеру, которая имела необходимое количество устройств для крепления пневмометрического зонда, а также дренажных отверстий диаметром 0,0005 м на поверхности рабочего объема для отбора статического давления. Внутренний диаметр модели (циклонной камеры) DK = 2RK=0,3\2 м, длина LK = 0,526 м. Воздух в модель подавался через четыре тангенциальных шлица с размерами 0,044 х 0,044 м, расположенных попарно с диаметрально противоположных сторон на одинаковых расстояниях от оси заготовки (соответственно 0,064 и 0,238 м) при условии ее установки в центре модели. Относительная суммарная площадь входа потока / вх = 0,101. Газ из камеры выводился с торцов через круглые выходные отверстия, диаметром dBblx= 0,124 м. Загрузка рабочего объема осуществлялась цилиндрической заготовкой (вставкой), перпендикулярной оси рабочего объема. Диаметр заготовки ЛЪ= 0,107 м.
Скорость и давление потока в рабочем объеме измеряли цилиндрическим и сферическим зондами, имеющими соответственно диаметры насадков 0,0026 м и 0,005 м, по обычной методике. Координаты сечений для замеров статического давления по длине и периметру на боковой поверхности рабочего объема модели циклонного нагревательного устройства, а также скорости и давления потока показаны на рис. 2.1.
Схема модели циклонного нагревательного устройства с поперечным расположением заготовки и с указанием местоположения сечений замеров по периметру и вдоль оси камеры. I - циклонная камера; II - круглая цилиндрическая вставка, имитирующая заготовку; III - выходной пережим; IV - тангенциальный шлиц для подвода воздуха
Отбор избыточного давления на боковой поверхности рабочего объема циклонного устройства производился в 25 сечениях. Скорости и давления в потоке замеряли в 35 сечениях. (Для определения конкретного сечения его координата будет обозначаться буквой С с двухзначным индексом, первая цифра которого соответствует положению сечения вдоль оси рабочего объема, а вторая - по его периметру). Погрешность определения угла вектора полной скорости по отношению к горизонтали составляла ±0,5, а перемещения зонда в радиальном направлении - ±0,025-10"3 м. Замеры в циклонном устройстве производились по радиальному направлению через 0,001...0,01 м.
Избыточное давление замеряли не только на боковой поверхности рабочего объема по его длине и периметру, а так же в шлицах (рис. 2.1).
Для проведения замеров избыточного давления на поверхности цилиндрической заготовки использовались дренажные отверстия, диаметром 0,0005 м. Перемещение заготовки (продольное с точностью ±0,001 м и угловое с точностью ±1) обеспечивалось с помощью специального координатного устройства представленного на рис. 2.2, которое позволяло выполнять замеры давления в любой планируемой точке на ее поверхности.
Расход воздуха на установку измеряли нормальной диафрагмой с погрешностью ± 2,0 %, температуру - ртутным термометром ТЛ- 4 с ценой деления 0,1 С.
Конструкция модели предусматривала возможность ее разделения на две зеркально-симметричные автономные половины относительно плоскости, перпендикулярной оси вращающегося потока и проходящей через ось заготовки.
Воздух в модель вводили через четыре тангенциальных шлица, расположенных в шахматном порядке с диаметрально противоположных сторон. Относительная суммарная площадь входа fBX = 0,047. Диаметр выходного отверстия варьировали таким образом, что относительный его диаметр dBblx = dBbiK I DK принимал значения 0,2; 0,4; 0,6. В опытах относительный диаметр заготовок d3 = d3 I DK при их числе пъ = 1 составлял 0,08; 0,112; 0,144; 0,176; 0,240; 0,340, при щ = 2- 0,144; 0,240; 0,340, а при щ = 3 и 4 - 0,144. Количество заготовок в зависимости от d3 менялось от 1 до 14. Модель циклонного нагревательного устройства с глухим торцом и односторонним выводом газов может рассматриваться не только как модель с односторонним выводом, но и как одна из зеркально-симметричных половин рабочего объема модели циклонного нагревательного устройства с двухсторонним выводом газов. В этом случаи количество заготовок помещенных в зеркально-симметричную половину модели - половина от общего количества заготовок помещенных в циклонное нагревательное устройство с двухсторонним выводом газов. Длина модели циклонного нагревательного устройства с односторонним выводом газов может рассматриваться как полная длина модели устройства или как половина модели устройства с двухсторонним выводом газов.
При исследовании модели циклонного нагревательного устройства с односторонним выводом газов, с загрузкой рабочего объема одной заготовкой, ее ось располагалась на расстоянии 0,18 м от глухого торца ( zC3 = 0,5). При загрузке двумя заготовками их оси находились на расстоянии 0,12 ( zC3 = 0,25) и 0,24 м ( zC3 = 0,75) от глухого торца рабочего объема. При загрузке тремя и большим количеством заготовок они располагались на равном расстоянии друг от друга и торцов модели.
Особенности аэродинамики циклонного нагревательного устройства с двухсторонним симметричным вводом и выводом газов при расположении круглой заготовки в центре перпендикулярно оси рабочего объема
Поля скоростей и давлений в рабочем объеме рассматриваемого циклонного нагревательного устройства (рис. 2.1) отличаются сложностью и пространственностью. Представленные на рис. 3.1 осесимметричные распределения "и\р, wz, рс, рп подтверждают имеющиеся представления о движении газов в незагруженном рабочем объеме таких циклонных камер и существование симметрии их распределений относительно среднего сечения в обеих его половинах [94, 96]. Как видно из рис. 3.1 в пределах ядра потока тангенциальная составляющая w9 имеет наибольшую из всех трех компонент полной скорости величину. Наблюдаются две характерные зоны распределения и ф - квазипотенциальная и квазитвердая. Основным видом движения газов является вращательное, а главной его характеристикой также может быть принято максимальное значение вращательной скорости потока н фт. Подтверждается и довольно сложное распределение поля осевых скоростей wz. В пристенной области осевая составляющая полной скорости направлена к среднему сечению камеры, из обеих ее симметричных половин. Вблизи приосевой зоны поток направлен к выходным отверстиям. Обратное течение газов наблюдается в центральной области рабочего объема. Его появление обусловлено подсосом воздуха из вне, так как в приосевой области статическое и полное давления имеют значения ниже атмосферного.
Статическое рс и полное рп давления на внешней границе ядра потока имеют максимальные значения. Результаты опытов по исследованию аэродинамики рабочего объема камеры аналогичной геометрии, но разделенной на две симметричные половины тонкой перегородкой [13] представлены на рис.
Здесь же дополнительно приведено сопоставление опытных данных по м/ф, рс и рп для одного из сечений (C2.i) с расчетными по разработанной на кафедре теплотехнике методике расчета аэродинамики циклонных камер с односторонним выводом газов [96]. Расхождения опытных и расчетных данных для ядра потока несущественны. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что в дальнейшем при исследовании аэродинамики рабочего объема циклонных нагревательных устройств с числом заготовок более двух и конвективного теплообмена на их поверхности можно пользоваться моделями нагревательных устройств половинной длины с глухой торцевой стенкой и односторонним выводом газов.
На рис. 3.3 приведены распределения и ф, wz, wr, рс, полученные в опытах в одной из зеркально-симметричных половин рабочего объема, камеры загруженной круглой цилиндрической заготовкой, перпендикулярной ее оси [10]. Практически аналогичные распределения наблюдаются и в другой половине рабочего объема (рис. 3.4...3.8).
Из представленных данных видно, что в нагревательном устройстве, рассмотренной геометрии, поток сохраняет все свойства циклонного потока [10]. В общем случае не изменяется известное соотношение между компонентами полной скорости (кроме характерных сечений вблизи заготовки). Статическое и полное давления максимальны на внешней границе вращающегося потока и снижаются по направлению от стенки камеры к ее оси. Около оси рабочего объема они могут быть ниже атмосферного. По аналогии с общепринятой схемой движения для обычной циклонной камеры, в рассматриваемой можно выделить характерные области течения: центральную, периферийную и две приторцевые, а также дополнительно и околозаготовочную.
Обобщение экспериментальных данных и рекомендации по расчету основных аэродинамических характеристик циклонных нагревательных устройств
Влияние числа заготовок на аэродинамику рабочего объема циклонного нагревательного устройства, так же как и диаметра группы заготовок нельзя рассматривать без взаимной связи их между собой. Поэтому, если в первом приближении принять, что изменение Wjpcp от п3 и d3 главным образом определяется тормозящим действием заготовок, то можно предположить, что w9cp= Wjpcp (и3 k DJ LK DK) = w9cp(«3 dj IK). Геометрические характеристики моделей циклонных нагревательных устройств и соответствующие им значения геометрического комплекса Коп = щ dj LK приведены в табл. 3.3. Результаты обработки опытных данных в соответствии с этим предположением в автомодельной области течения позволили рекомендовать для практического использования следующую формулу [12, 13]: (1,0 + ю,-А-О), (3-І) где W(pCpo - среднеинтегральное значение тангенциальной скорости в рабочем объеме незагруженного циклонного нагревательного устройства с аналогичными геометрическими характеристиками (определяется путем интегрирования расчетного распределения для незагруженного циклонного устройства w = w (г)); соь со2 - поправочные функции, учитывающие влияние геометрических параметров камеры на зависимость w pCp = и фСр (Коп): со і = 0,236 dBbIX2 + 0,225 /вых-0,981; со2 = 3,967 dBbJ - 2,626 dBblx + 0,727.
Если предположить, что изменение с вх от d3 и и3 связано главным образом с изменением тангенциальной скорости, то вх = вх (Коп). Для опреде ленния зависимости вх = вх (Коп), где вх = вх / вх0 были проведены специальные опыты (табл. 3.4). Полученные данные удовлетворительно описываются формулой [11, 105]: Свх = вхО (1 + V/l On + \/2 Коп2 +Щ Коп 5), (3.2) где vj/і, \/2, Уз - поправочные функции, учитывающие влияние геометрических параметров рабочего объема на зависимость вх = вх (Коп): ц/ і = -20,463 JBblx2 + 12,993 JBbIX - 0,214; у 2 = 10,15 dBblx2 - 8,1 JBbIX + 1,346; ці 3 = 16,163 5ВЫХ2- 10,058 dBblx- 0,714. Независимо от значения Й?ВЬ1Х особенно резкое изменение вх наблюдается в диапазоне Коп = 0...0,2. Так при JBbIX = 0,2...0,4 и Коп = 0,2 значение й,вх составляет 40% от вх0, а при dBUX = 0,6 соответственно - 60%. Однако при dBUX = 0,2 и Коп 0,4...0,5 происходит его увеличение с 40 до 60% от вх0. Это, вероятно, связано с непосредственным воздействием крайней заготовки на условия формирования потока газов у выходного отверстия. Последний вариант загрузки (Коп 0,6) циклонного нагревательного устроист ва, рассмотренной геометрии, не является аэродинамически целесообразным не только по отмеченной причине, но и из-за снижения аэродинамической эффективности устройства в связи с резким возрастанием фСр. аэродинамические условия обеспечиваются в циклонном нагревательном устройстве при 4,Ь1Х = 0,4...0,6 и п3 = (0,15...0,5) LJ d3. Полученные экспериментальные данные и зависимости в дальнейшем использованы при исследовании конвективного теплообмена в циклонных нагревательных устройствах с подачей заготовок перпендикулярно оси рабочего объема.
Таким образом, основные результаты выполненных аэродинамических исследований сводятся к следующему: 1. В результате исследования аэродинамики циклонных нагревательных устройств с поперечной подачей заготовок выяснено влияние на их аэ родинамику основных конструктивных и режимных параметров. Диаметр и количество подаваемых заготовок являются параметрами, оказывающими наиболее значительное воздействие на аэродинамику таких нагревательных устройств. Основными конструктивными параметрами циклонных нагревательных устройств рассматриваемого типа являются относительный диаметр выходного отверстия и относительная длина рабочего объема. 3. На основании изучения движение газов у поверхности заготовки, рас положенной перпендикулярно оси циклонного потока, установлено, что местоположение и размеры области отрыва потока с поверхности заготовки определяются не только особенностями формирования по граничного слоя, но и вторичными течениями, обусловленными нару шением динамического равновесия во вращающемся потоке и усло виями стока газов из приосевой области. 4. Данные полученные в результате аэродинамических исследований по зволяют предположить, что подача заготовок перпендикулярно оси ра бочего объема дает возможность существенно интенсифицировать процесс конвективного теплообмена на их поверхности. 5. В результате обработки опытных данных предложены обобщающие уравнения для определения среднеинтегрального значения тангенциальной составляющей скорости и аэродинамического сопротивления циклонных нагревательных устройств с поперечной подачей заготовок. Уравнения обеспечивают необходимую точность расчетов и рекомендуются для практического использования.
Обобщение экспериментальных данных и рекомендации по расчету теплоотдачи на поверхности заготовок
Расчет распределения относительной плотности теплового потока по длине заготовки в рассмотренном диапазоне геометрических параметров ци-клонной камеры может быть выполнен по следующей предложенной нами зависимости [74].
Экспериментальные данные, полученные в результате исследования конвективного теплообмена на поверхности заготовки в модели циклонного нагревательного устройства с подачей заготовок перпендикулярно оси рабочего объема.
Формула справедлива при 6,3 103 Red 2,8 105. Вероятное относительное среднеквадратическое отклонение опытных точек от расчетной зависимости при коэффициенте надежности Р = 0,95 не превышает ± 7,6 %. Сопоставление опытных данных и зависимости (4.5) [11, 105] приведено на рис. 4.12.
При использовании в качестве определяющих параметров для чисел Nu и Re диаметра заготовки d3 и средней температуры потока, а для скорости среднеинтегральнои тангенциальной скорости wvcp, была получена следующая обобщающая зависимость [14]:
Формула (4.6) справедлива при 4,0 103 Re 1,5 105 и п3 = 1...4. Вероятное относительное среднеквадратичное отклонение опытных точек от расчетной зависимости при значении коэффициента надежности Р = 0,95 не превышает ±12,2 % (рис. 4.13).
Для определения среднеинтегрального значения тангенциальной скорости была использована формула (3.1).
При этом методе обобщения опытных данных отношение расчетных и опытных значений Nu несколько больше, чем в предыдущем случае, что связано с некоторой сложностью и поэтому недостаточной точностью определения W pcp.
Таким образом, в результате выполненного исследования конвективного теплообмена установлено:
1. Теплоотдача в циклонном нагревательном устройстве с подачей заготовок перпендикулярно оси рабочего объема отличается высокой интенсивностью и при прочих одинаковых условиях, в среднем в 2,2 раза выше, чем на поверхности заготовки соосной с ним.
2. В результате обобщения опытных данных получены уравнения подобия для расчета средних коэффициентов теплоотдачи применимые в широком диапазоне геометрических и режимных характеристик. Расчетные соотношения удовлетворительно согласуются с опытными данными. 3. Полученные уравнения могут быть использованы для расчета теплоотдачи при проектировании циклонных нагревательных устройств с поперечной подачей заготовок.
Математическая модель циклонного нагревательного устройства представляет собой описание взаимосвязи между общим уравнением теплового баланса, устанавливающим равенство между приходными и расходными статьями теплового баланса, и уравнениями баланса тепловых потоков, направленных на заготовку и кладку, уравнениями описывающими распределения температуры по сечению заготовки. Она также дополнительно учитывает взаимосвязь между расходом топлива, скоростью входа продуктов сгорания в рабочую камеру, ее аэродинамическими характеристиками и изменением теплофизических характеристик металла и продуктов сгорания от температуры.
Установленные в данной диссертационной работе закономерности аэродинамики и конвективного теплообмена в циклонных нагревательных устройствах с поперечной подачей заготовок позволили развить методику расчета, разработанную на кафедре теплотехники АГТУ [94], сделать применимой ее и для них [64].
В качестве примера рассмотрим циклонное нагревательное устройство с поперечной подачей заготовок, представленное на рис. 2.3. С учетом симметричности входных и выходных каналов методику расчета рассмотрим для одной из симметричных половин рабочего объема.
Похожие диссертации на Аэродинамика и конвективный теплообмен в циклонных нагревательных устройствах с поперечной подачей заготовок
