Разработка методов расчетов двумерных температурных полей в электротермических установках и анализ их сравнения с экспериментальными данными тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Пименова, Екатерина Львовна

• Пименова, Екатерина Львовна
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пименова, Екатерина Львовна

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов расчетов двумерных температурных полей в электротермических установках и анализ их сравнения с экспериментальными данными»

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

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Пименова, Екатерина Львовна

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пименова, Екатерина Львовна, 2008 год

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.