автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Совершенствование процесса охлаждения алюминиевых слитков воздухом на основе моделирования регулируемого конвективного теплообмена

На правах рукопис

Горшенин Андрей Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОХЛАЖДЕНИЯ

АЛЮМИНИЕВЫХ СЛИТКОВ ВОЗДУХОМ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара 2013

005542712

005542712

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет».

Научный руководитель: Щелоков Анатолий Иванович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Усачев Александр Прокофьевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», профессор кафедры «Теплогазо-снабжение, вентиляция, водообеспеченне и прикладная гидрогазодинамика»

Удалов Владимир Павлович кандидат технических наук, доцент, Государственное автономное учреждение «Агентство энергосбережения» Саратовской области, заместитель директора

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ульяновский

государственный технический университет» (УГТУ)

Защита состоится « 7 » ноября 2013 года в часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.07 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77.

Автореферат разослан « 7 » октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Е.А. Ларин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

Объектам» 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 те-плофизических 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-

5

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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, определены научная новизна и практическая значимость.

В первой главе представлен анализ состояния технологии производства цилиндрических алюминиевых слитков, выбор направления исследования в области совершенствования процесса термической обработки алюминиевых слитков.

Анализ технологии производства цилиндрических слитков методом полунепрерывного литья в водоохлаждаемый кристаллизатор выявил главную проблему данного метода - образование неоднородной структуры слитка. Для ее устранения проводят термическую обработку слитков, одним из видов которой является гомогенизационный отжиг. Важным этапом термической обработки является охлаждение слитков после гомогенизации со скоростью, не превышающей критическую - 70 °С/ч для предотвращения их закалки.

Обзор применяемых в промышленности методов охлаждения слитков выявил три основных способа: охлаждение слитков вместе с гомогени-зационной печью; охлаждение слитков на открытом воздухе; охлаждение слитков в специальной камере. Анализ данных способов охлаждения показал, что охлаждение слитков вместе с гомогенизационной печью позволяет обеспечить заданную технологией скорость охлаждения, но в тоже время приводит к снижению производительности печи С, т/ч. Охлаждение слитков на открытом воздухе не требует каких-либо технических решений, не снижает производительность печи, но при этом повышается количество 6

бракованных слитков за счет повышенной скорости охлаждения торцов слитков и крайних слитков в садке. Величина скорости охлаждения слитка оценивалась по уравнению

где - падение температуры слитка за время Лт, °С;с,,„ - коэффициент теплоемкости алюминия, Дж/(кг °С); та, - масса слитка, кг\ а - коэффициент теплоотдачи слитка, Вт /(м-2 К); г", - начальная температура охлаждения слитка, "С; г„ - температура охлаждающего воздуха, "С \ Г - поверхность теплообмена, м2; г - время охлаждения, ч.

Проведенный обзор способов охлаждения алюминиевых слитков показал, что наиболее целесообразно использовать специальную камеру, позволяющую обеспечить заданную технологией скорость охлаждения слитков и повысить выработку качественной продукции.

Обобщение существующих конструкций камер охлаждения показало отсутствие данных о влиянии конструктивных и режимных факторов, таких как скорость охлаждающего воздуха, геометрические размеры садки и камеры охлаждения на время охлаждения алюминиевых слитков. Отсутствие этих данных не позволяет совершенствовать процесс охлаждения слитков.

В заключении главы сформулированы основные задачи исследований, проводимых в диссертационной работе.

Вторая глава посвящена разработке постановки задачи и математической модели конвективного теплообмена между алюминиевыми слитками и воздухом в камере охлаждения. Характеристика поверхности теплообмена представлена на рис. 1.

Постановка задачи конвективного теплообмена в системе ряд алюминиевых слитков - охлаждающий воздух включает описание процесса, расчетную схему теплообмена (рис. 2), систему дифференциальных уравнений, начальные и граничные условия, ограничения и принятые допущения.

Слитки в процессе охлаждения омываются поперечным потоком воздуха с постоянной скоростью \У,м/с и охлаждаются от начальной температуры Т0, "С до конечной тн, "С. При этом воздух нагревается от начальной температуры г„, °С до конечной гп„, "С.

(1)

Рис. 1. Расчетные параметры процесса теплообмена в системе «алюминиевые слитки - охлаждающий воздух»

Рис. 2. Расчетная схема теплообмена к постановке задачи в системе охлаждающий воздух - алюминиевые слитки

Система дифференциальных уравнений состоит из дифференциального уравнения теплопроводности при охлаждении цилиндра (2) и дифференциального уравнения энергии для воздуха (3)

дТ _ Г д 2Т 1 дТ Эг ЛЭг2 + Эг I'

Эг Эд-

дх- '

(2)

(3)

Использовались следующие граничные и начальные условия, а также ограничения:

граничные условия: - на наружной поверхности слитка, омываемого воздухом

эг

Эг

- в центре слитка

ЭТ дг

= 0;

(4)

(5)

начальные условия:

- температура алюминиевых слитков в начальный момент охлаждения

Т1-0=То-> (6)

- температура охлаждающего воздуха в начальный момент охлаждения

'ви='в- (7)

При разработке математической модели регулируемого конвективного теплообмена в системе алюминиевые слитки - охлаждающий воздух были приняты следующие допущения:

1) задача теплообмена принималась двухмерной; 2) теплообмен рассматривался в половине высоты канала б и при омывании половины слитка; 3) температура воздуха гв по высоте канала 8 принималась одинаковой; 4) температура охлаждающего воздуха при омывании каждого слитка принималась постоянной; 5) теплообмен рассматривался для каждого отдельного слитка. 8

Для термически тонких тел, которыми являются алюминиевые слитки с диаметром до 0,24 м, изменение температуры по радиусу слитка отсутствует. В соответствии с уравнением (2) это означает отсутствие изменения температуры во времени.

В связи с высокой степенью сложности применения известных классических подходов к решению данной задачи конвективного теплообмена (2) -(7) была разработана математическая модель регулируемого конвективного теплообмена, пригодная для аналитического исследования с использованием для этого физических особенностей задачи.

Математическая модель конвективного теплообмена в системе ряд горизонтальных алюминиевых слитков - охлаждающий воздух включает в себя расчетную схему (рис. 3), описание процесса теплообмена, ограничение по скорости охлаждения слитков (9), систему уравнений (10) и (11) по изменению температур слитков и воздуха.

Уравнение конвективного теплообмена в системе охлаждающий воздух - алюминиевые слитки было получено на основании рассмотрения теплового баланса в системе алюминиевый слиток - охлаждающий воздух и имеет вид

~'п) _ „—г о: г.. Л1 ^

- = ехр (- В/ • Л; • 4),

где г, - конечная температуры охлаждения слитка, °С; т0- начальная температура охлаждения слитка, "С; /в- температура охлаждающего воздуха, "С; Ро - критерий Фурье; В/ - критерий Био; а - коэффициент температуропроводности материала слитка, лг/с; г - время охлаждения, ч; сI -

диаметр слитка, Л

- коэффициент теплоотдачи слитка, Вт/(м-2 К);

коэффициент теплопроводности алюминия, Вт/(м ■ К).

Т.

и,« Л НМЛ-.и» 33с."? огшл*'-} Я-Р.'/Ч ОЫИС-И1Я

ч То . 1 Л Тп

\ Тз ~ 5

п ш ц п

¿1? ¿н

Т,ц

Рис. 3. Расчетная схема к математической модели

Описание процесса теплообмена. Процесс нагрева воздуха при охлаждении горизонтального ряда слитков количеством N основывается на решении уравнения (8) охлаждения одного слитка. В соответствии с принятыми допущениями теплообмен между воздухом и слитками рассчитывается отдельно для каждого слитка. В соответствии с этим каждый слиток

9

начинает охлаждаться с одной и той же температуры Т0. В соответствии с допущением о постоянстве температуры воздуха при омывании одного слитка, считаем, что его температура увеличивается скачком после омыва-ния слитка. Так как температура воздуха г. от слитка к слитку увеличивается, перепад температуры между слитками и воздухом в ряду будет уменьшаться, то есть каждый последующий слиток будет более горячим,. чем предыдущий.

При разработке математической модели регулируемого конвективного теплообмена было принято ограничение по скорости охлаждения слитков > которая в интервале температур 500 -300" С не должна превышать

dT dr

О Г*

< 70 с/

(9)

Система уравнений (10) и (11) по снижению температур Ты каждого из алюминиевых слитков количеством N, расположенных в горизонтальном ряду, и по увеличению температур воздуха тв выглядит следующим образом:

Ты =',„.,+(Т0-113„_,)х

0.25 Л

хехр

0,021-

-4-

N ■ d(h-7T-d/2)

•Pr!

■Л, ■£■ d

хехр

0,021-

а-т

"dТ

(10)

Gn-v

N-d{h-x-d/ 2)

0.8 г \0.25

Л«

а-т

0 0

Для расчета коэффициента теплоотдачи а использовалось критериальное уравнение при омывании волновой поверхности

= 0,021- Re»t • Pif^J" - , (12)

где Л'»-«!,,, — среднее значение критерия Нуссельта по длине канала; а -коэффициент теплоотдачи, Вт/(м-2 К); Л - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К)\ RexlS - среднее значение критерия Рейнольдса по длине канала; d.<m - эквивалентный диаметр канала, м\ v - коэффициент кинематической вязкости, м2/с; Ргж - среднее значение критерия Прандтля по длине канала; Ргс - среднее значение критерия Прандтля, определенного при температуре алюминиевых слитков; еш - коэффициент, учитывающий увеличение теплоотдачи вследствие искусственной шероховатости. 10

Третья глава посвящена аналитическому исследованию регулируемого конвективного теплообмена в камере охлаждения с использованием уравнений (10) и (11) полученной математической модели.

Результаты аналитического исследования конвективного теплообмена в камере охлаждения при поддержании постоянной в процессе охлаждения скорости воздуха IV, м/с для слитка диаметром <7 =0,24,м приведены на рис. 4.

Рис. 4. Изменение температуры и скорости охлаждения слитков от продолжительности охлаждения при постоянной скорости охлаждения VV = 1,1 м/с (1,2,...4 - номера слитков, (Т/т)илкс - максимальная скорость охлаждения)

Представленные на рис. 4 зависимости показывают, что при поддержании постоянной скорости охлаждающего воздуха w = const в процессе охлаждения не удается обеспечить заданную технологией скорость охлаждения 7Уг= 70 °С/ч, что приводит к снижению качества продукции вследствие закалки слитков. Кроме этого, сохранение постоянной скорости воздуха IV = const увеличивает продолжительность периода охлаждения.

В целях повышения качества продукции и предотвращения закалки алюминиевых слитков предложен алгоритм обеспечения номинальной скорости охлаждения каждого из алюминиевых слитков любого ряда во временной динамике процесса их охлаждения путем регулируемого конвективного теплообмена в горизонтальной камере охлаждения, учитывающий высоту канала между рядами слитков, их диаметр, изменение скорости воздуха в процессе охлаждения слитков в камере охлаждения.

Скорости охлаждения каждого из алюминиевых слитков любого ряда слитка обеспечивались согласно полученному уравнению

■ = « (Te.t|l)exp(-4.Bi.fi,), (13)

<7 г а'

где - изменение скорости охлаждения слитка во времени. Обозначим

= —. Выражение (13) показывает изменение скорости охлаждения от-ат г

дельного слитка в течение времени охлаждения.

Согласно уравнениям (10) и (11) математической модели температура воздуха при его течении от слитка к слитку увеличивается, а перепад температуры между слитками и воздухом в ряду, наоборот, уменьшается. Тогда каждый последующий слиток будет иметь более высокую температуру по сравнению с предыдущим. Это приводит к тому, что слитки будут недоохлаждаться, и для каждого последующего слитка величина недоох-лаждения будет увеличиваться.

Учитывая это, регулирование скорости охлаждения осуществляется путем регулирования скорости воздуха: сначала по температуре первого слитка до момента его охлаждения до 300°С, таким образом, чтобы она не превысила свое номинальное значение, то есть Т/т< 70 нС/ч. После этого предлагается переходить на регулирование скорости охлаждения по второму слитку, путем изменения скорости воздуха, таким образом, чтобы она не превысила свое номинальное значение, то есть 7Уг < 70 °С/ч и так до охлаждения последнего в ряду слитка до температуры 300°С. После этого скорость воздуха, а следовательно и скорость охлаждения увеличиваются до максимально возможного значения, поскольку при достижении температуры последнего в ряду слитка до величины 300°С эффекта закаливания алюминия, а следовательно потери качества не наступает. Укрупненная схема предлагаемого метода регулирования скорости охлаждения слитков приведена на рис. 5.

С целью проверки правильности предлагаемого метода были проведены соответствующие расчеты согласно аналитическим уравнениям (10), (11), (13) регулируемого конвективного теплообмена в камере охлаждения при переменной скорости воздуха IV,м/с, в последовательности, приведенной на рис. 5, для слитка диаметром <1 = 0,24, м с высотой канала 8 = 0,Ы, результаты которого приведены на рис. 6.

Графики изменения температур и скорости охлаждения слитков, представленные на рис. 6, подтверждают влияние переменной скорости охлаждающего воздуха IV,м/с на скорость охлаждения слитков Т/т, "С/ч и время охлаждения г,ч. Поддержание расчетной скорости воздуха при охлаждении слитков до 300°С позволяет выдерживать скорость их охлаждения, не приводящую к их закалке и тем самым повышать выработку качественной продукции. Увеличение скорости воздуха до максимальной после охлаждения слитков ниже 300° С позволяет существенно ускорить процесс охлаждения. Общее время охлаждения определяется только заданной технологией конечной температурой слитков.

Изменение температуры воздуха при омывании к-го слитка в течение времени

<нк =+ (Сг, - Св)-(Т„ - 1в)ехр(-4 ■ В/■ Л»))

С,: С„

Изменение температуры к-го слитка в течение времени

Тк =гв+(Т0-1в)ехр(-4 -Л'-Л»)

Расчет скорости охлаждения к-го слитка ^ = -А- В, ■ А. (т„ -1 „ )ехр(- 4 ■ в; ■ Ро)

нет

Увеличение скорости охлаждающего воздуха до максимально возможной

Охлаждение со скоростью \УК к -го слитка до температуры, « равной 300°С да ^^ ^ <ЖС./ч

> Охлаждение со скоростью И^ Ы-го последнего слитка

Рис. 5. Последовательность реализации операций в предлагаемом методе охлаждения

Рис. 6. Зависимости температуры и скорости

охлаждения слитков от времени охлаждения, (I = 0,24м, <5 = 0,1 м

при переменной скорости воздуха V/ (1,2,...,4 - номера слитков, (Г/т)-максимальная скорость охлаждения слитков)

В процессе исследования было выявлено, что высота канала 8 между горизонтальными рядами слитков не оказывает влияния на скорость их охлаждения.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию процессов охлаждения алюминиевых слитков в камере охлаждения. Для разработки конструкции камеры охлаждения был проведен поиск целесообразных соотношений конструктивных размеров садки, который позволил получить оптимальную высоту каната 8 между горизонтальными рядами слитков, определить габаритные размеры садки и экспериментальной камеры охлаждения. Экспериментальная камера охлаждения (рис. 7) состояла из рабочего пространства, раздающего и собирающего газоходов, приборов для измерения температуры слитков и скорости воздуха. Для подачи охлаждающего воздуха на раздающем газоходе установлены четыре осевых вентилятора ВО-13-284-12к/45-ЮСА с давлением 1645 -1180 Па , расход 14,6-22,1 м3/с.

Экспериментальная камера охлаждения была установлена на участке термической обработки алюминиевых слитков и производства алюминиевых профилей, показанном на рис. 8.

1 Л Л А.

Рис. 7. Схема экспериментальной камеры охлаждения алюминиевых слитков (1 - измеритель-регулятор 2ТРМ1, 2 - термопары ТХА, 3 - собирающий газоход, 4 - алюминиевые слитки, 5 - раздающий газоход, 6 - вентиляторы, 7 - трубка Прандтля, 8 - электронный манометр Сошагс С9557)

Рис. 8. План участка термической обработки (1 - моечная камера, 2 - сушильная камера, 3 - камера охлаждения, 4 - место для формирования садки, 5 - гомогенизационная печь)

Для гомогенизации использовалась газовая печь «Otto Junker», охлаждение слитков проводилось в экспериментальной камере. На участке также располагалось оборудование для покраски алюминиевых профилей -моечная и сушильная камеры.

Программой экспериментальных работ предусматривалось выявление закономерности изменения температуры слитков по вертикали и горизонтали в садке при переменной и постоянной скорости воздуха; выявле-

ние закономерности изменения температуры по сечению слитка; установление закономерности изменения скорости охлаждающего воздуха.

Экспериментальное исследование проводилось на слитках диаметром d= 0,24м, марка сплава АД, АМЦ. Температура слитков измерялась хромель-алюмелевыми термопарами градуировки ТХА с погрешностью измерения ±1-3 °С. Вторичным прибором служил многоканальный измеритель-регулятор температуры 2ТРМ1 с погрешностью измерения ±2%. Скорость охлаждающего воздуха определялась путем пересчета динамического давления, измеренного трубкой Прандтля. Вторичным прибором служил электронный манометр Comarc С9557 с погрешностью измере-ния±1,5%. Садка с установленными в слитках термопарами и подключение термопар к вторичному прибору показаны на рис. 9, 10.

Рис. 9. Садка с термопарами в слитках (1 - термопары, 2 - алюминиевые слитки, 3 - место для формирования садки)

J¡¡¡¡

Рис. 10. Подключение термопар к вторичному прибору (1 - вторичный прибор 2ТРМ1, 2- гомогенизационная печь, 3 - термопары)

Принятые методы измерений температуры слитков и скорости охлаждающего воздуха вносили систематические погрешности. Проведенная оценка погрешности измерений показала, что погрешность измерения температуры слитков и скорости охлаждающего воздуха не превышает 1,5 и 2,5% соответственно. По результатам экспериментального исследования были получены опытные данные по температуре слитков и скорости охлаждающего воздуха в течение процесса охлаждения, достаточные для оценки степени достоверности аналитического решения задачи конвективного теплообмена в камере охлаждения.

Поскольку полученные экспериментальные данные имели значения, искажающие общую оценку, было проведено отсеивание этих значений по величине нормализованных остатков. Для проверки несмещенности аналитического решения задачи конвективного теплообмена были вычислены величины средних остатков, практическое равенство которых нулю подтвердило несмещенность аналитического решения задачи конвективного теплообмена в камере охлаждения. Проверка аналитического решения модели конвективного теплообмена на адекватность с использованием критерия Фишера показала, что при уровне значимости а=0,05 распреде-

ление остатков можно считать нормальным, а использование критерия Фишера для оценки адекватности - обоснованным.

Сопоставление расчетной температуры слитков, определенной согласно теоретическим уравнениям (9), (10), (13) и экспериментальных данных для одной точки измерения представлено на рис. 11.

5 та>

ч Л

1

\

\

\

г

ТС ~гг 1-Г >г >г >г-

гречя охлаждения, ч

Рис. 11. Сравнение температур слитка, (сплошная линия - расчетные значения, точки - экспериментальные данные)

Среднее расхождение между теоретическими и экспериментальными данными составляет 34% с доверительной вероятностью 0,95 .

Полученная погрешность позволяет рекомендовать теоретические уравнения (9), (10), (13) полученной математической модели для применения в проектной и эксплуатационной практике.

Пятая глава посвящена повышению энергетической и обоснованию экономической эффективности использования камеры охлаждения в цикле термической обработки. Проведенный анализ и экспериментальное исследование показали целесообразность утилизации теплоты горячего воздуха из камеры охлаждения, что позволяет повысить энергоэффективность процесса термической обработки и снизить затраты на топливо. Для этого предложены схемы утилизации теплоты горячего воздуха (рис. 12-15) и методика расчета экономии топлива применительно к производственному участку, представленному на рис. 8: использование теплоты горячего воздуха в гомогенизационной печи; для нагрева раствора в моечной камере; в камере для сушки профилей; для воздушного отопления.

Рис. 12. Схема использования нагретого воздуха в гомогенизационной печи. I - камера охлаждения, 2 - гомогенизационная печь, 3 - газовая горелка, 4 - вентилятор

Рис. 13. Схема использования нагретого воздуха в моечной камере. 1 - камера охлаждения, 2 - теплообменный аппарат для нагрева воды, 3,4- вентилятор, 5 - моечная камера

. 130'с

J

,15'C

I fit

( г pv- t

3 V

,15'C

Рис. 14. Схема использования нагретого воздуха в сушильной камере. I - камера охлаждения, 2 - камера для сушки профилен, 3 - вентилятор

Рис. 15. Схема использования нагретого

воздуха для отопления 1 - камера охлаждения, 2 - рекуператор для нагрева отопительного воздуха, 3,4 - вентилятор

Анализ экономической эффективности проводился для условий производственного участка, представленного на рис. 8. Технико-экономический расчет проводился сравнением двух вариантов: термообработка (гомогенизационный отжиг и охлаждение) слитков только в печи гомогенизации и термообработка в печи гомогенизации и камере охлаждения. Во втором варианте учитывалась утилизация теплоты горячего воздуха из камеры охлаждения в соответствии с предложенными схемами утилизации теплоты. Проведенный технико-экономический анализ показал целесообразность применения камеры охлаждения в цикле термической обработки и утилизации теплоты горячего воздуха в печи гомогенизации: выработка продукции повышается на 15% и экономия топлива составляет 8%. Было оценено влияние подачи горячего воздуха из камеры охлаждения в гомогенизационную печь на процесс горения в образование оксидов азота. Показано, что подача горячего воздуха способствует более интенсивному термическому разложению углеводородов и протеканию окислительного пиролиза. Проведенный анализ показал, что подача горячего воздуха в гомогенизационную печь не ухудшает экологические показатели процесса горения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Литье алюминиевых сплавов в охлаждаемый кристаллизатор приводит к неоднородной структуре слитка и ухудшает его дальнейшее прессование. Для устранения неоднородной структуры слитка необходимо проведение термической обработки - гомогенизации, завершающим этапом которой является охлаждение слитков со скоростью охлаждения, не превышающей критическую, и не приводящую к закалке слитков. Проведенный анализ позволил установить, что наилучшие условия охлаждения слитков достигаются в специальных камерах с регулируемым конвективным теплообменом.

2. Предложенные на основе законов конвективного теплообмена и теплопроводности постановка задачи и математическая модель конвективного теплообмена в системе «ряд горизонтальных алюминиевых слитков -воздух» в горизонтальной камере охлаждения, позволяющие определять

средние температуры каждого из слитков горизонтального ряда во временной динамике процесса их охлаждения, включены в техническую документацию на установочную серию для горизонтальных камер охлаждения круглых алюминиевых слитков.

3. Разработанные 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 позволяют создать условия, не приводящие к его закалке, внедрены в рекомендации по применению предлагаемого метода и использованы при наладке и оптимизации режимов работы гомогенизационной печи «Otto Junkers» и камеры охлаждения ОАО «АНКОР» (г. Самара).

4. Увеличение скорости воздуха до максимально возможной величины в момент снижения температуры последнего слитка до значения, которое не приводит к его закалке, позволяет сократить продолжительность процесса охлаждения слитков в 1,6 раза и существенно повысить производительность камеры охлаждения.

5. Результаты выполненного экспериментального исследования конвективного теплообмена в опытной камере охлаждения доказали достоверность предлагаемой математической модели регулируемого конвективного охлаждения и позволили рекомендовать ее к применению в проектной и эксплуатационной практике с погрешностью, не превышающей 34% с доверительным интервалом 0,95.

6. Предложенные схемы утилизации теплоты горячего воздуха для условий конкретного производства повышают энергоэффективность процесса термической обработки слитков и позволяют снизить расход топлива на 6-8 %.

7. Технико-экономический анализ использования камеры охлаждения в цикле термической обработки и использования теплоты горячего воздуха по предложенным схемам подтвердил их реализуемость и значительную эффективность. Использование камеры охлаждения в цикле термической обработки увеличивает выработку продукции на 15% и сокращает расход топлива при использовании горячего воздуха в гомогенизационной печи на 8%.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях

1. Горшенин, A.C. Математическое моделирование теплообмена при охлаждении ряда алюминиевых слитков [Текст] / A.C. Горшенин П Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева. - 2012. - № 2(33). - С. 179-183. ISSN 1998-6629

2. Горшенин, A.C. Исследование теплообмена при охлаждении алюминиевых слитков с постоянными режимными и конструктивными факторами для повышения энергоэффективности [Текст] / A.C. Горшенин, А.И. Щелоков // Промышленная энергетика. - 2012 - № 10 - С 23-2б' ISSN 0033-1155. . - . .

3. Горшенин, A.C. Применение окислительного пиролиза для снижения выбросов оксидов азота [Текст] / A.C. Горшенин, А.И. Щелоков // Альтернативная энергетика и экология. - 2010. - №2 (82) - С 39-42 ISSN 1608-8298. '

Публикации в журналах и сборниках трудов конференций

4. Горшенин, A.C. Математическая модель охлаждения алюминиевого слитка после гомогенизационного отжига [Текст] / A.C. Горшенин // Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании, 2011: материалы Междунар. науч.-практ. конф. / Одесский нац. морской ун-т. - Одесса, 2011. - С. 3-5.

5. Горшенин, A.C. Исследование тепловых процессов при охлаждении алюминиевых слитков после их термической обработки [Текст] /

A.C. Горшенин, В.Е. Кривошеее // Энергетика и энергоэффективные технологии: материалы Междунар. науч.-практ. конф. / Липецк, гос техн vh-t -Липецк, 2011,-С. 60-62. '

6. Горшенин, A.C. Влияние режимных и конструктивных факторов для повышения энергоэффективности теплообмена при охлаждении алюминиевых слитков [Текст] / A.C. Горшенин, В.Е. Кривошеее // Решение проблем развития предприятий: роль научных исследований: материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Краснодар: Науч.-изд. центр «Априори», 2012. — С. 53-56.

7. Горшенин, A.C. Выбор целевой функции для оптимизации конструктивных и режимных факторов модели теплообмена алюминиевых слитков в камере охлаждения [Текст] / A.C. Горшенин, В.Е. Кривошеее // Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте: материалы Междунар. науч.-практ. конф. / Одесский нац. морской ун-т. - Одесса, 2012. - С. 6-9.

8. Горшенин, A.C. Влияние режимных и конструктивных факторов для повышения энергоэффективности теплообмена при охлаждении алюминиевых слитков [Текст] / A.C. Горшенин // Химическая физика и актуальные проблемы энергетики: материалы Всерос. молодежи, конф. / Томск политехи. ун-т. - Томск, 2012. - С. 74-78.

9. Горшенин, A.C. Исследование теплообмена при охлаждении алюминиевых слитков с переменными режимными и конструктивными факторами для повышения энергоэффективности [Текст] / A.C. Горшенин,

B.Е. Кривошеев // Энерго- и ресурсосбережение в теплоэнергетике и социальной сфере: материалы Междунар. науч.-техн. конф. / Южно-Уральский гос. ун-т. - Челябинск, 2013. - С. 94-98.

10. Gorshenin, A.S. The choice of target functions for the optimization of the structural and operational factors model of heat exchange of aluminum ingots in the cooling chamber [Text] / A.S. Gorshenin, V.E. Krivosheev // Prospective innovations in science, education, industry and transport: Materials of the International scientifically-practical conference / Odessa National Maritime Univ. - Odessa, 2012. - With. 6-9.

11. Gorshenin, A.S. Economic assessment of the use of the cooler in the cycle of thermal processing and increase of energy efficiency of using the heat of hot air [Text] / A.S. Gorshenin // Energy and resource saving in heat power industry and social sphere: Materials of the International scientific-technical conference / The South-Ural State University. - Chelyabinsk, 2013. - C. 155-158.

Подписано в печать 04.10.13 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 149 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru