автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка методов расчетов двумерных температурных полей в электротермических установках и анализ их сравнения с экспериментальными данными

Пименова Екатерина Львовна

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТОВ ДВУМЕРНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ И АНАЛИЗ ИХ СРАВНЕНИЯ С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ ДАННЫМИ

Специальность: 05.14.04 - «Промышленная теплоэнергетика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003452305

На правах рукописи

Пименова Екатерина Львовна

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТОВ ДВУМЕРНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ И АНАЛИЗ ИХ СРАВНЕНИЯ С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ ДАННЫМИ

Специальность: 05.14.04 - «Промышленная теплоэнергетика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2008

Работа выполнена

в Московском государственном индустриальном университете

Научный руководитель: д.т.н , профессор, Охотин Александр Сергеевич Официальные оппоненты:

Д.т.н. Козляков Вячеслав Васильевич, профессор Московского государственного индустриального университета

К.т.н. Курочкин Илья Александрович, начальник пуско-наладочного участка ООО ФЭТРОМ (фирма энерготеплоремонт, обслуживание и монтаж)

Ведущая организация

Всероссийский теплотехнический институт (ОАО ВТИ)

заседании диссертационного совета Д212.137.01 в Московском государственном открытом университете по адресу: 107996, г. Москва, ул. Павла Корчагина, д. 22.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного открытого университета.

Автореферат разослан » 2008 г.

Ученый секретарь

Защита состоится

аудитории в ЛЬ час на

диссертационного совета

А.Б. Пермяков

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Для получения широкого класса материалов в настоящее время наиболее распространенными являются универсальные электротермические установки (ЭТУ). В ЭТУ реализуются такие процессы, как получение сверхчистых металлов, полупроводников, пенометаллов и ферросплавов, проведение плазмохимических реакций и другие. Все эти процессы требуют создания в ЭТУ заданных достаточно сложных тепловых режимов: поддержание в зоне нагрева постоянной температуры на уровне 1000-1500°С с высокой (до ± 0,01 °С) точностью; создание градиента температур до Ю0-200град/см; сохранение постоянного градиента температур при уменьшении температуры ЭТУ; поддержание высокой температуры в зоне нагрева (до 1600 °С) при ограниченной подведенной мощности; поддержание температуры внешнего корпуса ЭТУ в течение всего процесса на требуемом уровне. Все эти условия накладывают жесткие требования при проектировании ЭТУ. Одним из этих требований является выполнение точных тепловых расчетов всего устройства в целом и отдельных его элементов. И если конструкция, а, следовательно, и общий тепловой баланс ЭТУ сугубо индивидуальны, то ряд их конструктивных элементов может с успехом использоваться в любой из разрабатываемых модификаций устройств.

Современное проектирование ЭТУ обычно решается суммированием многих вопросов в качестве единого целого. Инженерная методика таких расчетов достаточно разработана. Однако, сложность и многообразие конструкций и тепловых процессов, протекающих в ЭТУ, не позволяет говорить об исчерпанности этих вопросов. Не всегда методика этих расчетов учитывает температурные зависимости теплофизических свойств (прежде всего теплопроводности) конструктивных материалов применяемых в печах, а также влияние изменения направленности теплового потока на температурные перепады в элементах этих конструкций.

Учет этих факторов с применением методов математического моделирования позволяет получить достаточно точные закономерности распределения температуры на поверхности наиболее распространенных элементов конструкций ЭТУ. Как указывается в справочнике «Промышленная теплоэнергетика» 2007г. Специальными задачами теплотехнических расчетов ЭТУ являются расчет температуры нагревателей печей сопротивления с учетом их конфигурации; нестационарных температурных полей в нагреваемом изделии с учетом внутренних источников теплоты, например для установок индукционного нагрева; теплообмена в установках инфракрасного нагрева с учетом характеристик излучателя и нагреваемой поверхности; теплообмена потока плазмы и пучка электронов с нагреваемым изделием; теплообмена электрической дуги с потоком газа в плазменных установках.

Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертации является теоретическое и экспериментальное исследование двумерных температурных полей на теплопередающих поверхностях элементов конструкций ЭТУ. Основной задачей для этого исследования стала разработка методов и

программ расчетов двумерных температурных полей с учетом температурной зависимости теплопроводности на основе сравнения рассчитанных и экспериментальных данных. Анализ полученных расчетных результатов сравнивался с экспериментальными данными полученными с помощью тепловизионной системы ПегтаСАМ™ БСЗООО и ее программного обеспечения.

Научная новизна диссертации заключается в:

- создании математической модели двумерного распределения температуры на поверхностях элементов ЭТУ с учетом температурной зависимости коэффициентов теплопроводности;

- разработке вычислительной программы для расчета двумерных температурных полей на поверхностях элементов ЭТУ;

- установлении возможности использования предложенного метода и программ для определения температурных полей на основе сравнения экспериментальных и теоретических данных в пределах допустимой погрешности.

Достоверность полученных результатов подтверждается совпадением результатов расчета с помощью разработанной программы и экспериментальных данных, полученных на лабораторной установке.

Практическая ценность работы заключается в создании программного комплекса для расчета двумерных температурных полей и потерь тепла в элементах конструкций ЭТУ.

Содержание работы. Диссертация состоит из введения и четырех глав. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях и конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, Всероссийской научно-технической конференции «Текстиль-2001», Всероссийской научно-технической конференции «Текстиль-2002», Всероссийской научно-технической конференции «Текегиль-2003», Всероссийской научно-технической конференции «Текстиль-2004», международной научной конференции в Витебском государственном технологическом университете 2002 г., юбилейная 55-я межвузовская научно-техническая конференция «Студенты и молодые ученые КГТУ - производству» и на научных семинарах кафедры промышленной теплоэнергетики МГИУ в 2006-2008 гг.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 10-ти публикациях.

Содержание работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав выводов, списка используемой литературы из 67 наименований. Общий объем диссертации 102 страницы, включая 36 рисунков.

Во введении обосновывается актуальность выбранной тематики и рассмотрены основные направления исследований.

В главе 1 проанализированы основные конструктивные схемы электротермических установок (рис.1), исследованы их конструктивные

элементы, поле температур в которых двумерное и наблюдаются значительные градиенты температуры. Выделены их следующие типовые варианты:

- Диск с отверстием, в котором происходит поворот теплового потока от радиального до аксиального направлений;

- Прямоугольный брус с поворотом теплового потока на 90°;

- Цилиндрическая шайба с поворотом теплового потока от радиального до аксиального направления;

- Цилиндрическая трубка в которой теплота отводится через сегмент ее поверхности.

Показано, что при значительных градиентах температуры в указанных конструктивных элементах их тепловой расчет необходимо проводить с учетом температурной зависимости коэффициента теплопроводности материалов, из которых они изготовлены. Это существенно повысит точность расчетов температурных полей и теплообмена в электротермических установках.

Рис.1. Конструктивные схемы электротермических установок В главе 2 исследован тепловой расчет определенных выше типовых конструктивных элементов электротермических установок. Рассмотрены некоторые основные, общие для всех ЭТУ, конструкционные элементы и особенности протекания процессов переноса тепла в этих элементах. В нашей работе выбранные для анализа элементы в дальнейшем будем условно называть «диск с отверстием», «брус», «трубка» и «шайба». Схемы подвода и отвода тепла приведены на рис. 2.

На рисунке (2, а) элемент, осуществляющий симметричную развертку и поворот теплового потока (диск с отверстием) внешним радиусом Кн=0.04 м,

йв

П7

а,

<• I ' N

О*

Рис. 2. Схемы подвода и отвода тепла в элементах ЭТУ Температурное поле в элементе, осуществляющем симметричную разводку и поворот потока (рис. 2, а), описывается с точностью до константы уравнением:

2 к ' Я

О)

Рисунок (2, б) - плоский переходник, осуществляющий поворот теплового потока (брусок прямоугольной формы) длина, ширина и высота которого, соответственно, х = 0.06м, а = 0.03 м, Ь = 0.02 м.

Температурное поле в плоском переходнике, осуществляющем поворот теплового потока (рис. 2, б), описывается с точностью до константы уравнением:

Толстостенная трубка, изображенная на рисунке (2, в) имеет следующие габариты: внешний радиус Ян=0.025 м, внутренний радиус рв=0.015 м, длина х = 0.1 м.

Температурное поле в элементе (рис. 2, в) по радиальной составляющей определяется уравнением:

Я Я ял (3)

I п2 {К/гУ-{гШУ

Температурное поле в элементе (рис. 2, в) по осевой составляющей определяется уравнением:

^^^{р^-О^х2+^х + с0 = (4)

На рисунке 2 (г-е) рассмотрена конструкция элементов, предназначенных для симметричного поворота теплового потока. Характерный температурный перепад

А( = 1(г, г)- 1{р, б) =

4 3

2яХ8г2

Термическое сопротивление

1 ( г 28\1

К^1ХТ8+1~г)Тх- (5)

Представляет интерес вопрос о влиянии цилиндра на термическое сопротивление элемента. Если цилиндр не расположен с той стороны, куда

отводится тепловой поток (рис. 2, д), то температурное поле в элементе определяется выражением:

2Ьд„2,ят{яп5/Ь)10(пяр/Ь)Г пш к2Х У п2 10(япг/Ь) I Ъ

0 2ЬЯ{2 Характерный температурный перепад

А1 - 1(г,0 <г< <?)- 1{р,Ь). Термическое сопротивление

(6)

_ А182?.г 1 Ъ2 т .ип(3/ь)

2л

1 ~ 1Ъ2 .

— + Ь---+

4Ь ЗЬ

(7)

где Ь =Ь/г; 8 = 5/г.

Для цилиндра, расположенного с прилежащей стороны (рис. 2, е), температурное поле определяется выражением;

0 2ЬЛ

51И

1

пк 3

«Л'р

Л

Ь ) !пкг соу — V Ь

(8)

Термическое сопротивление:

=— — + сГ---+ . х

¿тг^й 3 Ъ) к $

2л

■А $т\пл;(1 - 3/Ь)] „з

/Дия/б)

(9)

Представлена зависимость

на основании которой можно сделать следующие выводы:

1. Для «тонкого» диска (&Г-0.1) цилиндр с любой стороны уменьшает термическое сопротивление.

2. Для «толстого» диска {¿/г=0.3-г0.5) цилиндр со стороны отвода потока увеличивает сопротивление, д противоположной стороны — уменьшает.

Таким образом, цилиндр со стороны, противоположной направлению отвода теплового потока, всегда обеспечивает уменьшение термического сопротивления. Особенно эффективен он для тонкого диска.

Для учета температурной зависимости теплопроводности в математическую модель вводится переменная Кирхгофа:

г

в= ¡Л(Т)С1Т (И)

т

' П11П

где Ттт - некоторая минимальная температура, для которой известен коэффициент теплопроводности Я(Ттт).

Для конкретных вычислений использовались зависимости теплопроводности от температуры в виде X = АТХ. Обратная функция Т(в) для вычисления температуры по известной переменной Кирхгофа реализована с помощью решения уравнения

0(Т)=0О или 0(Т)-0О=О (12)

методом половинного деления.

В главе 3 изучен характер температурной зависимости теплопроводности материалов и ее учет при выполнении расчетов двумерных температурных полей в конструктивных элементах электротермических установок, а также при проведении экспериментальных исследований.

В нашей работе учет температурной зависимости теплопроводности будет проведен по формуле, отражающей эту зависимость в общем виде:

где величины (А) и (X) вычислялись и сопоставлялись с теоретически предсказанными в условиях рассмотренных выше моделей фононной теплопроводности.

При анализе теплофизических свойств материалов, применяемых в конструкциях электротермических установок, необходимо охватить широкий диапазон их теплопроводности. В работе были изучены материалы с наиболее достоверными справочными данными в требуемом диапазоне температур, такие как алюминий, сталь, латунь и окись алюминия.

Применение различных конструкционных материалов ЭТУ обуславливает исследование зависимостей их теплопроводности от температуры.

В диссертационной работе проведено исследование температурных зависимостей теплопроводности исследуемых материалов и получены их степенные зависимости. Если представить теплопроводность исследуемых конструкционных материалов в виде Л = АТ", то в рабочем диапазоне температур степень изменения теплопроводности от температуры алюминия

будет равна х = -0,062, стали х = -0,772, латуни х - 0,63 и окиси алюминия х = -0,6.

С целью выполнения расчетов температурных полей в теплонапряженных конструктивных элементах электротермических установок с учетом температурной зависимости коэффициента теплопроводности, составлена программа на языке С++.

Для проверки полученных выше решений задачи переноса тепла в конструктивных элементах электротермических установок была разработана и смонтирована экспериментальная установка. Исследуемые образцы элементов конструкций изготовлены из алюминия и имеют полированную поверхность.

С целью экспериментального обоснования особенностей поведения теплового потока в различных конструкционных элементах ЭТУ была разработана экспериментальная установка (рис. 3). Эта установка включает в себя следующие функциональные узлы:

— система измерения теплового потока

— экспериментальные образцы

— опорное устройство для фиксации положения деталей

3

-220

Рис. 3. Экспериментальная установка для исследования теплового потока. 1 - ноутбук; 2 - тепловизор; 3 - зрительное окно; 4 -термометр, 5 - деталь; 6 -камера; 7 - экран; 8 - теплоизолирующая подложка; 9 - автотрансформатор

В результате экспериментальных исследований получены данные в виде набора термограмм и ряда графических зависимостей полей температуры для каждой детали при различных задаваемых мощностях теплового потока.

<2 ^

-220

Рис. 4. Конструкции рабочих ячеек, а - диск с отверстием; б - брус; в - трубка; 1 - нагреватель; 2 -теплоизоляция; 3 - деталь

В соответствии с данными, полученными в расчетной части работы при различных значениях мощности подводимого теплового потока, получены данные в виде набора термограмм и графических зависимостей полей температуры для каждой детали.

Рабочая ячейка (рис. 4) помещалась в термоизолированную камеру исключающую воздействие внешних условий и позволяющую поддерживать температуру окружающей среды на заданном уровне (2S±/°C). Внутри камеры дополнительно установлены экраны, гасящие отраженное радиационное излучение. Ячейка устанавливалась на теплоизолированной (асбест) подложке, исключающей тепловые потери от дна детали. Тепловая изоляция детали выполнена в виде асбестовой «рубашкой» равномерной толщины Sm=0,003 м, таким образом, что потери с боковых поверхностей минимальны. Соответственно, основной тепловой поток направляется к поверхности детали, где осуществляется съемка полей температуры.

В ходе проведения эксперимента детали «шайба» и «брусок» располагались горизонтально. Тепловизионная система в этих случаях определяла поле температур на горизонтальной поверхности. Далее с помощью программы «ThermaCAM Researcher» определялись средние температуры по поверхности и температуры в узлах. Так как задача носит, в случае диска, симметричный характер, то кривая изменения температур построена по линии радиуса детали, соответственно выбрано необходимое количество узлов на поверхности детали. Температура на поверхности бруса измерялась в точках, расположенных по ширине детали. При рассмотрении детали «трубка» температура измерялась в точках, расположенных по радиальной и осевой составляющей.

В случае определения полей температуры на поверхности цилиндра задача несколько усложнялась из-за того, что поверхность цилиндра не является плоской и в качестве участка теплоотвода выделен сектор углом сро = 30°. В результате съема полей температуры также получены осредненные значения температур поверхности и значения температур в узлах.

В главе 4 проведен анализ полученных расчетных и экспериментальных данных по исследованию температурных полей в теплонапряженных элементах конструкций электротермических установок. В диссертационной работе исследуется поведение теплового потока в наиболее распространенных элементах конструкций теплоиспользующего оборудования, изготовленных из следующих материалов: алюминий (^=237 Вт/м К), латунь {ХсР-128 Вт/м К), сталь (Хср=76.4 Вт/м К), окись алюминия (Хср~28 Вт/м К).

Для наиболее эффективного анализа теплофизических свойств исследуемых элементов построены графические зависимости не абсолютных значений температуры от характерного размера, а зависимости перепада температур At от характерного размера, при этом считается, что температура электронагревателя в каждом случае (температура точки соприкосновения нагревателя и детали) является постоянной и меняется фактически только при изменении электрической мощности нагревателя.

В соответствии с данными, полученными в расчетной части работы, проведено измерение полей температуры с поверхностей деталей при следующих значениях мощности подводимого теплового потока: Ql = 800 Вт, <2г = 600 Вт, <2з = 400 Вт. Мощность теплового потока (нагревателя) регулировалась автотрансформатором 9 (рис. 3). При указанных выше мощностях теплового потока в расчете кривые, построенные при средних значениях теплопроводности совпадают с кривыми, рассчитанными с учетом температурного хода теплопроводности.

На рис. 5 проведено сравнение результатов, полученных численным методом и экспериментальным путем для детали «диск с отверстием». Экспериментальные зависимости выполнены в виде зависимостей перепада температуры А1 от характерного размера. Точкой отсчета является значение внутреннего радиуса г = 0.02 м. Дальнейшее изменение А1 происходит по гиперболе в зависимости от мощности подводимого потока до значения внешнего радиуса детали Я = 0.04 м. Отмечается, что вид кривых в каждом случае совпадает с видом кривых, построенных на основании расчетных данных, что свидетельствует о корректности проведенных расчетов. Максимальное отклонение экспериментальных данных от результатов расчета составляет 8.35%.

Диск с отверстием К, м

-»-01 —*-д>2 —«-оз

Рис. 5. Сравнение значений температур в узлах в результате расчета и экспериментальных

данных

На рис. 6 проведено сравнение результатов, полученных численным методом и экспериментальным путем для детали «брус». Кривые выполнены в виде зависимостей перепада температуры Аь от характерного размера. Точкой отсчета является значение ширины а = 0.00 м. Дальнейшее изменение /¡( происходит по гиперболе в зависимости от мощности подводимого потока до значения а = 0.03 м. Совпадение с экспериментальными данными результатов расчета составляет примерно 8.35%.

Для определения характеристик детали «толстостенная трубка» по расчетным и экспериментальным данным построены графические зависимости

перепада температур Ж от характерного размера угла. Т. к. задача является симметричной, то построены графические зависимости только для половины рассматриваемого сектора. Кривые имеют специфический характер, обусловленный тем, что определены поля температур как на поверхности открытого участка трубки, так и на поверхности детали, закрытой тепловой изоляцией. Поэтому в интервале ср = О- 30° вид функций параболический, рост Л? носит достаточно интенсивный характер; с переходом в область, закрытую тепловой изоляцией, характер кривой меняется, приобретая вид гиперболической функции, интенсивность роста Ах снижается. Графики представляют собой три кривые, расположенные одна под другой.

Брус

а, м

О 0,006 0,012 0,018 0,024 0,03

— (31 02 — 03 1

Рис. 6. Сравнение значений температур в узлах в результате расчета и экспериментальных

данных

Трубка ф, град

0 30 60 90 120 150 180

-»-01 —*-С?2 —»-03

Рис. 7. Сравнение значений температур в узлах в результате расчета и экспериментальных

данных

На поверхности толстостенной трубки по осевой составляющей задача также носит симметричный характер, т. к. в геометрическом центре осевой наблюдается ярко выраженный максимум температуры и изменения температуры в стороны имеет одинаковый характер.

На рис. 7, 8 проведено сравнение результатов, полученных численным методом и экспериментальным путем. Вид экспериментальных кривых в каждом случае совпадает с видом кривых, построенных на основании расчетных данных, что свидетельствует о корректности проведенных расчетов. Присутствует некоторое отклонение значений, полученных экспериментально от расчетных на поверхности трубки по радиальной (11.55%) и осевой составляющих (10.80%).

Трубка по длине х, м

-«- д! д2 дз

Рис 8 Сравнение значений температур в узлах в результате расчета и экспериментальных

данных

В работе так же проведены расчеты тепловых полей элементов, упомянутых выше при величинах подводимого теплового потока 0/ - б кВт, 0.2 ~ 4 кВт, £>з = 2 кВт, с учетом температурной зависимости теплопроводности материала и принимая Я средней в этом диапазоне температур.

Для детали «диск с отверстием» разница между расчетными кривыми при среднем значении коэффициента теплопроводности и с учетом его температурного изменения составила (6.9-9.2)%.

На рис. 9 проведено сравнение результатов, полученных численным методом с учетом температурного изменения теплопроводности материала и экспериментальным путем. Зависимости выполнены в виде зависимостей перепада температуры ¿1? от характерного размера. Отмечается, что вид кривых в каждом случае совпадает с видом кривых, построенных на основании расчетных данных, что свидетельствует о корректности проведенных расчетов. Присутствует некоторое отклонение значений, полученных экспериментально от расчетных. Совпадение с экспериментальными данными результатов расчета составляет 7-11%.

Для детали «брус» различие между расчетными кривыми построенными при среднем значении коэффициента теплопроводности и зависимостями построенными с учетом его температурного изменения составила (3.1-6.9)%.

На рис. 10 проведено сравнение результатов, полученных численным методом с учетом температурного изменения теплопроводности материала и экспериментальным путем. Отклонение экспериментальных данных от результатов расчета составляет 6-13%.

Диск с отверстием Алюминий К, м

0,02 0,025 0,03 0,035 0,04

0 15

4 30

н

5 45 60 75

— Q1 —Q2 — Q3

Рис. 9. Сравнение значений перепада температур в узлах в результате расчета и экспериментальных данных

Брус

Алюминий а, м

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03

120

— Ql — Q2-*-Q3

Рис. 10. Сравнение значений перепада температур в узлах в результате расчета и

экспериментальных данных Для детали «толстостенная трубка» разница между расчетными данными при среднем значении коэффициента теплопроводности и данными

полученными с учетом его температурного изменения по радиальной составляющей (6.9-9.2)% и по осевой (10 6-10.7)% соответственно.

Трубка Алюминий Ф, град

О 30 60 90 120 150 180

3

15

30

45

=—— // ■у

■01 —02 -*-оз

Рис. 11. Сравнение значений перепада температур в узлах в результате расчета и экспериментальных данных

Трубка

Алюминий х, м

Рис. 12. Сравнение значений перепада температур в узлах в результате расчета и

экспериментальных данных На рис. 11, 12 проведено сравнение результатов, полученных численным методом с учетом температурного изменения теплопроводности материала и экспериментальным путем. Кривые выполнены в виде зависимостей перепада температуры Лг от характерного размера. Отмечается, что вид экспериментальных кривых в каждом случае совпадает с видом кривых, построенных на основании расчетных данных, что свидетельствует о корректности проведенных расчетов. Отклонение значений, полученных

экспериментально от расчетных по радиальной составляющей 8-11%, по осевой составляющей 9-13%.

Необходимо также отметить, что экспериментальные кривые располагаются несколько ниже, чем расчетные. Погрешность обуславливается, на наш взгляд, наличием тепловых потерь, возникающих в ходе проведения эксперимента, которые в расчете не учитывались.

Хорошая сходимость результатов расчетов и экспериментальных данных говорит о корректности предложенного метода расчета и о возможности его применения для определения двумерных температурных полей и теплообмена в теплонапряженных элементах конструкций электротермических установок.

ВЫВОДЫ

1. На основе математической модели температурных полей в элементах конструкций электротермических установок, разработана программа, позволяющая рассчитать распределение температур с учетом поворота теплового потока и температурной зависимости теплопроводности материала.

2. Показано, что зависимости тепловых свойств могут быть представлены в виде функции Я = AT* и получены численные значения величины X для всех исследованных материалов.

3. Для подтверждения результатов расчета разработана и создана экспериментальная установка на основе тепловизионной системы «ThermaCAM™ SC3000», позволяющая определять распределение температуры в образцах с погрешностью ±2% в исследованном интервале температур.

4. Разработан метод расчета и программный комплекс, позволяющий выполнять расчет температурных полей элементов электротермических установок с погрешностью, не превышающей ±10%.

5. В результате выполненной работы получены метод и программа расчета двумерных тепловых полей в элементах электротермических установок, учитывающие температурную зависимость коэффициента теплопроводности.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Направление рационального использования энергоресурсов в текстильных производствах. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Текстиль-2002» 26-27.11.2002 г., Пименова Е.Л., с. 159.

2. Экспериментальное исследование температурных полей. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Текстиль-2003» 1819.11.2003 г., Сенникова О.Б., Пименова Е.Л., с. 236.

3. Изучение процессов теплопроводности в двумерных системах. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Текстиль-2004» 24.112004 г. Пименова Е.Л., Сенникова О.Б., с. 195.

4. Экспериментальное исследование коэффициентов теплоотдачи при стабилизированном течении теплоносителя. Энергосбережение и

водоподготовка. №1, - М. 2004 г., Марюшин JI.A., Сенникова О.Б., Пименова E.JI., с. 61.

5. Влияние теплофизических свойств материала оребренной поверхности на выбор ее оптимальных геометрических характеристик. М.( ж. «Известия МГИУ», 2006, №1(2). Корнеев С.Д, Пименова Е.Л., Костюков A.M., Кирсанов В.М., Эфендиев С.Я., с. 56.

6. Анализ влияния теплофизических свойств и геометрии поверхности теплообменного аппарата на интенсивность теплоотдачи в зоне кипения теплоносителя. М., ж. «Известия МГИУ», 2006, №4(5). Охотин A.C., Корнеев С.Д., Марюшин Л.А., Пименова Е.Л., с. 47.

7. Анализ эффективной теплопроводности цветных металлов на основе моделей подвижности и релаксации. М., ж. «Известия МГИУ», 2006, №4(5). Охотин A.C., Марюшин Л.А., Сенникова О.Б., Пименова Е.Л., с. 52.

8. Экспериментальное исследование температурных полей в элементах конструкций теплообменных аппаратов. М., ж. «Известия МГИУ», 2007, №4(9). Охотин A.C., Сенникова О.Б., Пименова Е.Л., Марюшин Л.А., с.49.

9. Анализ влияния теплопроводности некоторых металлов и их сплавов на эффективность процессов переноса тепла. Сборник научных трудов ЭЭИ «Вопросы повышения эффективности энергетических систем». -М.: 2007., Охотин A.C., Марюшин Л.А., Пименова Е.Л., с. 37.

10. Исследование температурных полей на теплопередающих поверхностях теплотехнологического оборудования Сборник научных трудов ЭЭИ «Вопросы повышения эффективности энергетических систем». - М.: 2007., Охотин A.C., Пименова Е.Л., Заикин A.A., с. 53.

Подписано в печать 15.10.08 Формат бумаги 60x84/16 Усл. печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 100. Заказ № 679

Издательство МГИУ, 115280, Москва, Автозаводская, 16 www.izdat.msiu.ru; e-mail: izdat@msiu.ni; тел, (495) 677-23-15

Отпечатано в типографии издательства МГИУ

ВВЕДЕНИЕ.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ГЛАВА 1. Обзор наиболее распространенных элементов конструкций электротермических установок.

1.1. Обзор элементов и процессов электротермических установок.

1.2. Моделирование тепловых процессов в электротермических установках.

ГЛАВА 2. Тепловой расчет элементов электротермических установок.

2.1. Учет температурной зависимости теплопроводности исследуемых материалов в математической модели.

ГЛАВА 3. Характер теплопроводности материалов и его учет в расчетных и экспериментальных исследованиях.

3.1. Тепловые свойства конструкционных материалов электротермических установок.

3.2. Описание программы для расчета температурных полей на теплопередающих поверхностях элементов.

3.3. Описание экспериментальной установки.

3.4. Методика проведения эксперимента.

ГЛАВА 4. Анализ расчетных и экспериментальных данных.

4.1. Анализ расчетных и экспериментальных исследований элемента «диск с отверстием».

4.2. Анализ расчетных и экспериментальных исследований элемента «брус».

4.3. Анализ расчетных и экспериментальных исследований элемента «трубка».

4.4. Анализ расчетных исследований элемента «шайба».

4.5. Анализ расчетных исследований элемента «шайба поток снизу».

4.6. Анализ расчетных исследований элемента «шайба поток сверху».

4.7. Анализ расчетных и экспериментальных данных при больших величинах теплового потока.

ВЫВОДЫ.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

Для получения широкого класса материалов в настоящее время наиболее распространенными являются универсальные электротермические установки (ЭТУ). В ЭТУ реализуются такие процессы, как получение сверхчистых металлов, полупроводников, пенометаллов и ферросплавов, проведении плазмохимических реакций и другие. Все эти процессы требуют создания в ЭТУ заданных достаточно сложных тепловых режимов: поддержание в зоне нагрева постоянной температуры на уровне 1000-1500°С с высокой (до ± 0,01 °С) точностью; создание градиента температур до 100-200град/см\ сохранение постоянного градиента температур при уменьшении температуры ЭТУ; поддержание высокой температуры в зоне нагрева (до 1600 °С) при ограниченной подведенной мощности; поддержание температуры внешнего корпуса ЭТУ в течение всего процесса на требуемом уровне. Все эти условия накладывают жесткие требования при проектировании ЭТУ. Одним из этих требований является выполнение точных тепловых расчетов всего устройства в целом и отдельных его элементов. И если конструкция, а, следовательно, и общий тепловой баланс ЭТУ сугубо индивидуальны, то ряд их конструктивных элементов может с успехом использоваться в любой из разрабатываемых модификаций устройств.

Современное проектирование ЭТУ обычно решается суммированием многих вопросов в качестве единого целого. Инженерная методика таких расчетов достаточно разработана. Однако, сложность и многообразие конструкций и тепловых процессов, протекающих в ЭТУ, не позволяет говорить об исчерпанности этих вопросов. Не всегда методика этих расчетов учитывает температурные зависимости теплофизических свойств (прежде всего теплопроводности) конструктивных материалов применяемых в печах, а также влияние изменения направленности теплового потока на температурные перепады в элементах этих конструкций.

Учет этих факторов с применением методов математического моделирования позволяет получить достаточно точные закономерности распределения температуры на поверхности наиболее распространенных элементов конструкций ЭТУ. Как указывается в справочнике «Промышленная теплоэнергетика» 2007г. Специальными задачами теплотехнических расчетов ЭТУ являются расчет температуры нагревателей печей сопротивления с учетом их конфигурации; нестационарных температурных полей в нагреваемом изделии с учетом внутренних источников теплоты, например для установок индукционного нагрева; теплообмена в установках инфракрасного нагрева с учетом характеристик излучателя и нагреваемой поверхности; теплообмена потока плазмы и пучка электронов с нагреваемым изделием; теплообмена электрической дуги с потоком газа в плазменных установках.

Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертации является теоретическое и экспериментальное исследование двумерных температурных полей на теплопередающих поверхностях элементов конструкций ЭТУ. Основной задачей для этого исследования стала разработка методов и программ расчетов двумерных температурных полей с учетом температурной зависимости теплопроводности на основе сравнения рассчитанных и экспериментальных данных. Анализ полученных расчетных результатов сравнивался с экспериментальными данными полученными с помощью тепловизионной системы ThermaCAM SC3000 и ее программного обеспечения. Научная новизна диссертации заключается в: - создании математической модели двумерного распределения температуры на поверхностях элементов ЭТУ с учетом температурной зависимости коэффициентов теплопроводности;

- разработке вычислительной программы для расчета двумерных температурных полей на поверхностях элементов ЭТУ;

- установлении возможности использования предложенного метода и программ для определения температурных полей на основе сравнения экспериментальных и теоретических данных в пределах допустимой погрешности.

Достоверность полученных результатов подтверждается совпадением результатов расчета с помощью разработанной программы и экспериментальных данных, полученных на лабораторной установке.

Практическая ценность работы заключается в создании программного комплекса для расчета двумерных температурных полей и потерь тепла в элементах конструкций ЭТУ.

Апробация работы. Результаты, полученные в ходе выполнения работы, были опубликованы в следующих печатных работах:

1. Экспериментальное исследование температурных полей. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Текстиль-2003» 18-19.11.2003 г.

2. Изучение процессов теплопроводности в двумерных системах. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Текстиль-2004» 24.112004 г.

3. Экспериментальное исследование коэффициентов теплоотдачи при стабилизированном течении теплоносителя. Энергосбережение и водоподготовка. №1, - М. 2004 г.

4. Анализ эффективной теплопроводности цветных металлов на основе моделей подвижности и релаксации. М., ж. «Известия МГИУ», 2006, №4(5).

5. Анализ влияния теплопроводности некоторых металлов и их сплавов на эффективность процессов переноса тепла. НОУВПОЭИ «Вопросы повышения эффективности энергетических систем» сб.трудов.

6. Исследование температурных полей на теплопередающих поверхностях теплотехнологического оборудования. НОУВПОЭИ «Вопросы повышения эффективности энергетических систем» сб.трудов.

Содержание работы. Диссертация состоит из введения и четырех

ВЫВОДЫ

1. На основе математической модели температурных полей в элементах конструкций электротермических установок, анализируемых в диссертации, разработана программа, позволяющая рассчитать распределение температур с учетом поворота теплового потока и температурной зависимости теплопроводности материала.

2. Показано, что зависимости тепловых свойств могут быть представлены в виде функции Л = ATх и получены численные значения величины X для всех исследованных материалов.

3. Для подтверждения результатов расчета разработана и создана экспериментальная установка на основе тепловизионной системы «ThermaCAM™ SC3000», позволяющая определять распределение температуры в образцах с погрешностью ±2% в данном интервале температур.

4. Разработан метод расчета и программный комплекс, позволяющий выполнять расчет температурных полей элементов электротермических установок с погрешностью, не превышающей ±10%.

5. В результате выполненной работы получены метод и программа расчета двумерных тепловых полей в элементах электротермических установок.

1. Альтгаузен А.П. Применение электронагрева и повышение его эффективности. М.: Энергоатомиздат, 1987.

2. Арутюнов В.А., Бухмиров В.В., Крупенников С.А. Математическое моделирование тепловой работы промышленных печей. М.: Металлургия, 1990.

3. Берд Р., Стюарт В., Лайтфут Е. Явления переноса. М.: Химия, 1974.

4. В.К. Наумов, А.С. Охотин, С.Н. Царевский, Тепловой расчет элементов конструкций установок космической технологии. М.: Наука, 1977.

5. Вавилов В.П., Климов А.Г. Тепловизоры и их применение. М.: Интел универсал, 2002.

6. Вукалович М.П., Бабиков Ю.М., Рассказов Д.С. Теплофизические свойства органических теплоносителей. — М.: Атомиздат, 1970.

7. Герасимов Я.И., Крестовников А.Н., Шахов А.С. Химическая термодинамика в цветной металлургии. Справочное руководство. — М.: Металлургиздат, 1965.

8. Гольдфарб Э.М. Теплотехника металлургических процессов. М.: Металлургия, 1967.

9. ГОСТ 8.011-72. Показатели точности измерений и формы представления результатов измерений. М.: Издательство стандартов, 1972.

10. ГОСТ 8.207-76. Прямые измернеия с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений.- М.: Издательство стандартов, 1976.

11. ГОСТ Р50431-92. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования. М.: Издательство стандартов, 1953.

12. Гроссорг Ж. Инфракрасная термография: основы, техника, применение. М.: Мир, 1988.13.