Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время все возрастающими темпами увеличивается ассортимент и объемы проката, получаемого из алюминиевых слитков. Качество алюминиевых слитков в значительной степени определяется их внутренней структурой и проведенной термообработкой, одним из этапов которой является их охлаждение с помощью специальных камер.
Камеры охлаждения алюминиевых слитков входят в состав многих технологических установок по производству алюминиевых изделий и в значительной степени влияют на их технико-экономические показатели.
Применение существующих режимов охлаждения не обеспечивает одинаковой скорости снижения температуры во всех частях алюминиевых слитков, особенно на их торцах и боковых поверхностях крайних слитков, что приводит к отклонению структуры и твердости металла от номинальной и появлению брака при изготовлении готовых изделий.
Однако в настоящее время отсутствуют методы расчета и режимы проведения процессов охлаждения, учитывающие геометрию садки и камеры охлаждения и обеспечивающие одинаковую скорость снижения температуры во всех частях алюминиевых слитков, а также способствующие снижению энергетических затрат.
В связи с этим совершенствование процесса охлаждения алюминиевых слитков воздухом на основе моделирования регулируемого конвективного теплообмена, обеспечивающего одинаковую скорость снижения их температуры во всех точках садки, является актуальной научной задачей, решение которой позволит обеспечить качество выпускаемой продукции.
Другой актуальной научной задачей является повышение эффективности использования топлива путем утилизации теплоты воздуха, уходящего из камер охлаждения.
Объектами исследования являются камеры охлаждения конвективного типа, использующиеся при термической обработке алюминиевых слитков.
Основная цель: совершенствование процесса термической обработки алюминиевых слитков охлаждающим воздухом на основе моделирования регулируемого конвективного теплообмена.
Задачи исследования:
1. Сформулировать постановку задачи конвективного теплообмена в системе алюминиевые слитки – воздух во временной динамике процесса их охлаждения.
2. Разработать математическую модель конвективного теплообмена в камере охлаждения в системе горизонтальный ряд алюминиевых слитков – охлаждающий воздух с учетом геометрических характеристик садки.
3. Разработать метод и уравнения регулируемого конвективного теплообмена по обеспечению номинальной скорости охлаждения каждого из алюминиевых слитков любого ряда во временной динамике процесса их охлаждения.
4. Проанализировать влияние конструктивных и режимных факторов на конвективный теплообмен в камере охлаждения, используя разработанные методы решения исследования.
5. Доказать достоверность математической модели регулируемого конвективного теплообмена в системе алюминиевые слитки – охлаждающий воздух в горизонтальной камере охлаждения.
6. Провести технико-экономический анализ эффективности предложенных решений и разработать мероприятия по внедрению камеры охлаждения в цикл термообработки алюминиевых слитков с учетом использования теплоты горячего воздуха.
Научная новизна:
1. Предложена постановка задачи конвективного теплообмена в системе алюминиевые слитки – воздух, учитывающая начальные и граничные условия на наружной поверхности и в центре слитка, температуру алюминиевых слитков и воздуха в начальный момент охлаждения, изменение теплофизических характеристик воздуха и слитков, а также скорости воздуха во временной динамике процесса их охлаждения.
2. Разработана математическая модель конвективного теплообмена в системе ряд горизонтальных алюминиевых слитков – охлаждающий воздух в горизонтальной камере охлаждения, позволяющая определять средние температуры каждого из слитков горизонтального ряда во временной динамике процесса их охлаждения.
3. Разработаны метод и уравнения регулируемого конвективного теплообмена по обеспечению номинальной скорости охлаждения каждого из алюминиевых слитков любого ряда во временной динамике процесса их охлаждения путем увеличения скорости воздуха в момент снижения температуры каждого предыдущего слитка до значения, которое не приводит к его закалке. В момент снижения температуры последнего слитка до этого значения скорость воздуха увеличивается до максимально возможной величины с целью сокращения продолжительности процесса охлаждения слитков.
Предложенные уравнения учитывают высоту канала между рядами слитков, их диаметр, изменение скорости охлаждающего воздуха в процессе охлаждения слитков в камере и позволяют обеспечивать качественный режим термообработки и предотвращать закалку алюминиевых слитков.
4. Экспериментально доказана достоверность математической модели регулируемого конвективного теплообмена в системе охлаждающий воздух – алюминиевые слитки в горизонтальной камере охлаждения путем проведения исследований в опытной камере конвективного охлаждения.
Практическая значимость и реализация работы:
1. Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований конвективного теплообмена в камере охлаждения, а также разработанные на их основе рекомендации использованы при наладке и оптимизации режимов работы гомогенизационной печи «Otto Junkers» и камеры охлаждения ОАО «АНКОР» (г. Самара).
2. Полученные результаты используются в учебном процессе кафедры «Промышленная теплоэнергетика» Самарского государственного технического университета при подготовке инженеров по специальностям «Промышленная теплоэнергетика», «Энергетика теплотехнологий», «Энергообеспечение предприятий», а также при обучении бакалавров по направлениям «Теплоэнергетика и теплотехника» и могут быть рекомендованы для подготовки инженеров по специальности «Металлургическая теплотехника».
3. Разработанные математические модели, методы, алгоритмы и пакеты прикладных программ переданы для внедрения и используются в ОАО «АНКОР» (г. Самара).
4. Предложенные методики расчета конвективного теплообмена в камерах охлаждения были использованы для разработки технической документации на камеры охлаждения круглых алюминиевых слитков.
Обоснованность и достоверность полученных результатов диссертационной работы обеспечиваются использованием методологии системного подхода при решении поставленных задач, применением фундаментальных законов математики, теплофизики, теоретических основ теплотехники, использованием современных методов оценки инвестиции. Разработанные математические модели и методы расчета прошли проверку на адекватность путем сравнения результатов моделирования с опытными данными, полученными путем прямых измерений на опытной установке. Различие между расчетными и экспериментальными результатами не превышает ±34% с доверительной вероятностью 0,95.
Положения, выносимые на защиту:
1. Постановка задачи конвективного теплообмена в системе алюминиевые слитки – воздух во временной динамике процесса их охлаждения.
2. Математическая модель расчета конвективного теплообмена в камере охлаждения в системе цилиндрические алюминиевые слитки – охлаждающий воздух во временной динамике процесса их охлаждения.
3. Метод и уравнения регулируемого конвективного теплообмена по обеспечению номинальной скорости охлаждения каждого из алюминиевых слитков любого ряда во временной динамике процесса их охлаждения путем увеличения скорости воздуха.
4. Экспериментальное доказательство достоверности математической модели регулируемого конвективного теплообмена в системе алюминиевые слитки – охлаждающий воздух в горизонтальной камере охлаждения.
5. Результаты технико-экономического обоснования и внедрения камеры охлаждения в цикл термической обработки с учетом использования схем утилизации теплоты горячего воздуха.
Апробация работы. Основные научные и прикладные результаты диссертационной работы докладывались на: Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» (Одесса, 2011); Международной научно-практической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (Липецк, 2012); Всероссийской молодежной конференции «Химическая физика и актуальные проблемы энергетики» (Томск, 2012); Международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте» (Одесса, 2012); Региональном форуме по вопросам повышения энергоэффективности и энергосбережения в образовательных учреждениях (Самара, 2012); на международной научно-практической конференции «Решение проблем развития предприятий: роль научных исследований» (Краснодар, 2012).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационного исследования опубликованы в 11 работах, в том числе 3 в изданиях, рекомендуемых перечнем ВАК РФ.
Объем диссертационной работы. Диссертация изложена на 151 странице и состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников. Работа содержит 62 рисунка, 11 таблиц. Список использованных источников включает 89 наименований.
