Введение к работе
Актуальность темы. Современное развитие и состояние отраслей машиностроения предъявляет достаточно жесткие требования к вопросам энергосбережения и повышению качества производимой продукции.
Промышленные печи являются основным технологическим звеном высокотемпературных теплотехнологических систем в машиностроении, металлургии, химической и других отраслях промышленности. Совершенствование процессов теплообмена в высокотемпературных установках является главным резервом экономии топлива и энергии в промышленной теплоэнергетике. Повышение качества термической обработки изделий значительно увеличивает срок службы как отдельных деталей и узлов, так и машин в целом.
Термическая обработка является наиболее длительным и энергоемким процессом в производстве. Известно, что одним из распространенных способов повышения эффективности работы садочных печей является, рециркуляционный способ нагрева, обеспечивающий единый квазиизотермігче-ский поток продуктов горения и увеличивающий интенсивность теплоотдачи по поверхности садки. В печах термического производства машиностроительных заводов распространен нагрев сложных садок, образованных множеством сравнительно мелких деталей, расположенных насыпью или в контейнерах. Получить более равномерный нагрев и интенсифицировать процесс нагрева можно путем организации фильтрации газов через садку.
В инженерной практике продолжительность нагрева металла обычно определяется на основе имеющегося производственного опыта с помощью приближенных методов расчета или по эмпирическим данным, что не всегда является обоснованным. Практическая реализация более совершенных режимов нагрева сложных садок в термических печах с точки зрения повышения качества продукции и решения проблем энергосбережения требуют более точного определения температурных полей садки.
Экспериментальные исследования на физических моделях не всегда позволяют учесть в полном объеме особенности реальных режимов работы
4 промышленной печи. Эксперимент в производственных условиях является длительным, сложным и дорогостоящим процессом. Замена натурных экспериментов вычислительными экспериментами на математической модели может способствовать сокращению сроков разработки и внедрения режим-но-технологических карт нагрева, реализующих оптимальные тепловые режимы на действующих термических печах. Поэтому создание математической модели тепловой работы печи при нагреве насыпных садок с учетом фильтрации продуктов горения является актуальным.
Цель работы. Целью работы является совершенствование методов расчета теплообмена в термических печах при нагреве насыпных садок и улучшение технико-экономических показателей печей, действующих в условиях конкретного производства. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:
-
Анализ известных методов расчета задач внутреннего, внешнего и сопряженного теплообмена в нагревательных и термических печах и анализ известных подходов к решению задач тепломассопереноса в пористых средах.
-
Создание математической модели нестационарного трехмерного температурного поля пористого тела с фильтрацией теплоносителя и проверка ее адекватности.
-
Создание математической модели термической садочной печи, которая позволяет исследовать режимы нагрева металла, а также влияние фильтрации продуктов горения на время и качество нагрева металла и найти оптимальные по себестоимости режимы нагрева сложных садок и соответствующие им расход топлива и затраты электроэнергии, отвечающие технически обоснованным нормам потребления топлива и электрической энергии.
-
Проведение пассивного промышленного эксперимента с целью проверки надежности и достоверности математического моделирования тепловой работы садочной термической печи.
-
Исследование влияния фильтрации продуктов горения на время и качество нагрева металла.
б. Применение разработанных моделей для определения оптимальных режимов нагрева насыпной садки в действующих печах, разработки режим-но-технологических карт нагрева и технических решений, обеспечивающих фильтрацию продуктов горения сквозь насыпную садку.
Методы исследований. Исследования проводились с использованием методов математического моделирования и численного эксперимента, пассивного промышленного эксперимента.
Научная новизна работы:
-
Получено математическое описание и разработан алгоритм расчета нестационарного трехмерного температурного поля пористого тела, позволяющие определять трехмерные поле температур и поле давлений с учетом зависимости теплофизических свойств от температуры при фильтрации газа - теплоносителя.
-
Получено математическое описание и разработан алгоритм расчета сопряженного теплообмена при нагреве насыпных садок в термических печах с учетом фильтрации продуктов сгорания, позволяющие определять поле температур, а также поле давлений в трехмерной насыпной садке металла и температурное поле кладки с учетом их взаимного влияния.
-
Разработана математическая модель термической печи периодического действия для нагрева насыпных садок, позволяющая оптимгоировать режим работы действующих печей при эксплуатации в условиях конкретного производства.
Достоверность (адекватность) математических моделей обеспечивается совпадением полученных результатов с известными в литературе решениями и результатами промышленного эксперимента.
Практическая ценность. Разработанные алгоритмы и рабочие программы использованы для анализа тепловой работы термических садочных печей ОАО "Ивановский завод тяжелого станкостроения". Математическая модель термической печи периодического действия применяюсь для исследования существующих режимов нагрева насыпных садок, тоиска оптимальных режимов нагрева, в том числе с учетом фильтрации теплоносителя сквозь насыпную садку, а также для корректировки суще-
ствующих режимно-технологических карт. Полученные в ходе проведения промышленного эксперимента результаты, учитывая недостаточную изученность процессов нагрева насыпных садок в термических печах, представляют интерес с практической точки зрения. Предложено техническое решение, обеспечивающее равномерный нагрев насыпной садки металла за счет фильтрации продуктов горения через садку и утилизацию тепла отходящих газов в трубчатом рекуператоре. Техническое решение позволяет повысить качество термообработки и производительность печи.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы переданы на ОАО "Ивановский завод тяжелого станкостроения" и используются для корректировки существующих режимно-технологических карт нагрева насыпных садок в термических печах.
Результаты промышленных испытаний термической печи с выкатным подом, а также исследования влияния фильтрации на качество нагрева садки на математической модели пористого тела с фильтрацией используются в учебном процессе студентами специальности 100800 "Энергетика теплотехнологии".
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическое описание и алгоритм расчета нестационарного
трехмерного температурного поля пористого тела, учитывающие фильтра
цию теплоносителя и позволяющие определять трехмерные поля температур
и давлений с учетом зависимости теплофизических свойств от температуры.
-
Математическое описание и алгоритм расчета сопряженного теплообмена при нагреве сложных садок в термической печи с учетом фильтрации продуктов сгорания, позволяющие определять поле температур, а также поле давлений в трехмерной насыпной садке металла и температурное поле кладки с учетом их взаимного влияния.
-
Математическая модель термической печи периодического действия для нагрева насыпных садок с учетом фильтрации теплоносителя, позволяющая оптимизировать режим работы действующих печей при эксплуатации в условиях конкретного производства.
-
Результаты исследования влияния фильтрации на скорость нагрева и качество термообработки металла в садочной печи.
-
Оптимальные режимы нагрева сложной садки в термической печи.
6. Результаты промышленных испытаний термической садочной печи.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и
обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции "Современное состояние, проблемы и перспективы энергетики в технологии в энергостроении" (IV Бенардосовские чтения, Иваново, 1989 г.), на научно-техническом семинаре "Математическое моделирование процессов и аппаратов" (Иваново, 1990 г.), на Всесоюзной конференции "Научные основы создания энергосберегающей техники и технологий" (Москва, 1990 г.), на 3-й Всесоюзной научной конференции по проблемам энергетики теплотех-нологии "Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотехноло-гии" (Москва, 1991 г.), на II Минском международном форуме по тепломассообмену ММФ-92, на международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (IX Бенардосовские чтения, Иваново, 1999 г.), на международной конференции "Проблемы печной теплотехники" (Днепропетровск, 1999 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 146 страницах машинописного текста, содержит 23 иллюстрации, 14 таблиц, список литературы из 232 наименований, 7 приложений. Общий объем работы составляет 168 страниц.
