У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.net

РЕФЕРАТ дисертації на здобуття-конкурс- наукового ступеня-міри- доктора технічних наук Дніпр

Работа добавлена на сайт samzan.net: 2016-06-20

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

Выберите тип работы:

Скидка 25% при заказе до 6.4.2025

Національна металургійна академія украЇни|

УДК 621.785

ЯКОВЛЄВА Ірина Геннадіївна

ТЕПЛОФІЗИЧНІ ОСНОВИ РАЦІОНАЛЬНОЇ ТЕПЛОВОЇ

ОБРОБКИ ПОРОЖНИСТИХ МЕТАЛОВИРОБІВ

05.14.06 - Технічна теплофізика| і промислова теплоенергетика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття|конкурс| наукового ступеня|міри|

доктора технічних наук

Дніпропетровськ - 2005

Дисертація є|з'являється,являється| рукописом.

Робота виконана в Запорізькій державній інженерній академії.

Науковий консультант:      доктор технічних наук, професор

      академік АН| технологічної кібернетики України

      заслужений| діяч народної освіти України| 

Павленко Юрій Павлович

Запорізька державна інженерна академія

завідувач|завідуючий| кафедри охорони праці і екології

металургійного| виробництва

Офіційні опоненти:                           доктор технічних наук, професор

Капустін Євгеній Олександрович

Приазовський національний технічний університет, професор кафедри „Металургійні печі”

доктор технічних наук, професор

Губинський Володимир Йосипович|Іосифович|

Національна металургійна академія України, зав.кафедри Теплотехніки та екології металургійних печей

доктор технічних наук, професор

Горбунов|горбунів| Олександр Дмитрович

Дніпродзержинський національний технічний університет, професор кафедри промислової теплоенергетики

Провідна установа: Інститут технічної теплофізики|, м. Київ

Захист відбудеться “_22_”_червня______2005р. у ___12____годині на засіданні спеціалізованої ради|поради| Д08.084.03 Національної металургійної академії України Міністерства освіти і науки України за адресою:49005, м. Дніпропетровськ, пр.Гагарина,4.

З|із| дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4, НМетАУ України, 1-й учбовий корпус.

Автореферат розісланий “_19_”_____травня________2005р

.

Вчений|учений| секретар

спеціалізованої вченої ради|поради|

доктор технічних наук, професор                                                         Л.В.Камкіна

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми.  В умовах сучасного розвитку економіки України особливо гостро стоїть проблема підвищення ефективності, довговічності та надійності енергетичного устаткування|обладнання|. Провідна роль при цьому належить термічній обробці, яка є| першопричиною структурних перетворень, зміни термонапруженого| стану виробів.

Одним з ефективних енергозберегаючих теплотехнічних принципів при організації різних високотемпературних технологічних процесів є місцевий нагрів виробів замість загального|спільного| (пічного) нагріву. В деяких випадках такий процес, є|з'являється,являється| єдино можливим при проведенні відновної термообробки (наприклад, нагрів кільцевої зони реакторів атомних станцій в зоні розташування тепловиділяючих елементів). Крім того, великогабаритні посудини і апарати різного технологічного призначення виготовляються з|із| окремих обічайок зваркою|зварюванням| з|із| подальшою|наступною| термообробкою. При цьому забезпечується необхідний комплекс властивостей металу в зоні термічного впливу в умовах сприятливого розподілу залишкових зварювальних напруг|напружень|.

Серед різних технологій обробки матеріалів з використанням місцевого нагріву по ширині застосування|вживання| особливо виділяється високий відпуск|відпуск|, здійснюваний електричними засобами|коштами| нагріву (електронагрівачами опору, індукційними нагрівачами). Для раціональної організації цього технологічного процесу  необхідне дотримання досить|достатньо| жорстких вимог, пов'язаних із забезпеченням допустимого рівня нерівномірності розподілу температури у виробі. Виконання вказаних вимог можливо за допомогою вибору відповідних джерел нагріву із|із| заданими характеристиками (геометричними, енергетичними).

Розробка засобів і режимів нагріву базується, в основному, на експериментальних дослідженнях місцевого нагріву. Наявні теоретичні дослідження, в даній області, обмежені розв’язанням |розв'язанням,вирішенням,розв'язуванням| ряду|лави,низки| приватних завдань|задач|. Виникає необхідність створення|створіння| теплофізичних основ місцевої теплової обробки порожнистих осесиметричних виробів і розробки загальних|спільних| підходів для здійснення процесів з|із| мінімальними енерговитратами.

Таким чином, актуальність дисертаційної роботи визначається сучасним станом розвитку енергетики і, пов'язаної з цим, необхідністю розв’язання |розв'язання,вирішення,розв'язування| проблеми раціональної теплової обробки великогабаритного технологічного устаткування|обладнання|.

Зв'язок роботи з|із| науковими програмами, планами, темами. Спрямованість виконаної роботи відповідає Національній програмі енергозбереження, основним напрямкам|направленням| НДР Запорізької державної інженерної академії, а саме, роботам по підвищенню ресурсу вузлів устаткування|обладнання| для АЕС (теми ЗІІ| №8-2/83), по вдосконаленню теплової роботи нагрівального устаткування|обладнання| металургійних і машинобудівних підприємств (госпдоговірні роботи з|із| ВАТ “Дніпроспецсталь”, ВАТ “Дніпроенерго”, ДП| “Гіпропром”).

Мета|ціль| досліджень –розробка теплофізичних основ технології відпуску|відпуску| порожнистих металовиробів з використанням місцевого нагріву з метою удосконалення технологічного процесу, розробки нових технічних рішень|розв'язань,вирішень,розв'язувань|, проектування ефективних технологій і управління ними.

Об'єкт дослідження –теплоенергетичні технології і нагрівальні пристрої|устрої|, використовувані для місцевого нагріву кільцевих зон великогабаритних осесиметричних виробів.

Предмет дослідження –теоретичне обгрунтування теплофізичних, енергетичних і геометричних параметрів джерел теплоти і раціональних технологій локального нагріву.

Поставлена мета|ціль| досягнута шляхом|колією,дорогою|:

створення|створіння| теплофізичних основ технології відпуску |відпуск     великогабаритних порожнистих металовиробів за допомогою місцевого електронагріву. Розроблені науково-методичні основи включають:

–комплекс теоретичних досліджень процесів теплопереноса| при локальних теплових діях в процесі відпуску|відпуску| великогабаритних посудин|посудин| і розробку на їх основі науково-обгрунтованих характеристик засобів|коштів| нагріву;

–теоретичні дослідження внутрішнього і зовнішнього теплообміну при місцевому нагріві кільцевих зон багатошарових конструкцій;

–розробку методичного підходу до вибору характеристик засобів|коштів| і режимів нагріву для локальної теплової обробки за умови забезпечення рівномірності теплового стану зміцнюваного виробу;

–розробку нових єдиних підходів і методик визначення енергетичних і геометричних характеристик секційних електронагрівачів опору різної конфігурації;

–розробку концепції оцінки енергетичної досконалості нагрівального устаткування|обладнання| і технологічного процесу на основі методу граничного енергозбереження.

Методи дослідження. Аналітичні і чисельні методи розв’язання задач теплопровідності використані в теоретичних дослідженнях формування температурних полів в стінках порожнистих циліндрів, що нагріваються електронагрівачами опору.

Аналітичними методами вирішений|розв'язаний| комплекс завдань|задач| в лінійній постановці локального нагріву поверхневими|поверховими,зверхніми| джерелами теплоти одношарових виробів при внутрішньому і зовнішньому підведенні теплоти.

Проведено зіставлення результатів розрахунків з|із| експериментальними даними, одержаними|отриманими| на досвідчено-промисловій установці.

Чисельними методами вирішені|розв'язані| завдання|задачі| за визначенням температурних полів в багатошарових стінках корпусного устаткування|обладнання| з|із| різними теплофізичними параметрами по товщині і з урахуванням|з врахуванням| їх залежності від температури.

З використанням методу елементарних теплових балансів розроблена модель дво-| і тривимірного|трьохмірного| температурного поля при нагріві кільцевої зони двошарової посудини|посудини| секційними електронагрівачами, багаторядності опору.

Інтегральний метод розрахунку променистого теплообміну з урахуванням|з врахуванням| геометричних особливостей системи використаний при аналізі впливу форми поверхні секції електронагрівача на умови нагріву.

Наукова новизна|новинка| отриманих результатів.

Розроблені теплофізичні основи технології відпуску|відпуску| великогабаритних порожнистих металовиробів осесиметричної форми при локальних теплових діях електронагрівачами опору (поверхневими|поверховими,зверхніми| джерелами теплоти).

Розроблені наукові положення|становища| термічної обробки порожнистих металовиробів при локальних теплових діях індукційними струмами|токами| різної частоти (об'ємними джерелами теплоти).

Вперше|уперше| проведений комплекс аналітичних досліджень теплопереноса| в одношарових порожнистих циліндрах і плоских тілах, при нагріві локальними поверхневими|поверховими,зверхніми| джерелами теплоти з|із| довільним законом розподілу питомого теплового потоку за різних граничних умов.

Запропонована нова методика розрахунку теплообміну на граничних поверхнях, що не входять в зону розташування джерел теплоти. Визначені параметри, що входять в рівняння, що описує закон зовнішнього теплообміну.

Розроблені науково-методичні основи визначення теплових станів ізотропних і багатошарових анізотропних посудин|посудин| при нагріві поверхневими|поверховими,зверхніми| і об'ємними джерелами теплоти з урахуванням|з врахуванням| теплообміну на поверхнях.

Узагальнені аналітичні рішення задач зовнішнього теплообміну при нагріві осесиметричного виробу електронагрівачами опору різної конфігурації.

Стосовно складних нелінійних завдань|задач| теорії місцевого нагріву розроблені нові методики розрахунку теплових режимів при нагріві двошарових посудин|посудин| з|із| різними теплофізичними характеристиками шарів дворядною секційною електронагрівальною|електронагрівною| установкою.

Запропонована оригінальна методика теплового розрахунку секційної нагрівальної установки для термообробки кільцевих зон, що дозволяє визначати умови, які забезпечують ефективну реалізацію технології відпуску|відпуску| за допомогою місцевого нагріву.

Розроблена універсальна методика розрахунку температури випромінюючих елементів секційних електронагрівачів опору з урахуванням|з врахуванням| їх різної конфігурації і місцерозташування.

Розроблена єдина методика визначення допустимої щільності теплового потоку залежно від типорозміру| посудини|посудини| і його теплофізичних властивостей.

Достовірність наукових положень|становищ|, висновків|виведень| і рекомендацій обгрунтована:

використанням класичної теорії теплопровідності, законів тепломасообміну|;

достатньою збіжністю результатів розрахунково-теоретичного аналізу теплових процесів місцевого нагріву осесиметричних конструкцій з|із| експериментальними даними;

узгодженістю|погодженістю| наукових положень|становищ| роботи і висновків|виведень| з|із| результатами, представленими|уявленими| в науково-технічній літературі: з|із| узагальнених рішень|розв'язань,вирішень,розв'язувань|, одержаних|отриманих| дисертантом, витікають відомі приватні рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування|, одержані|отримані| іншими авторами.

Практичне значення роботи.

Розроблені теплофізичні основи місцевої теплової обробки осесиметричних металовиробів, узагальнені аналітичні і чисельні рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування|, дозволяють по заданих параметрах виробу:

- вибрати, спроектувати і створити раціональні нагрівальні  пристрої|устрої| для локальної теплової обробки;

- провести місцеву теплову обробку з|із| максимальною енергетичною ефективністю і за мінімальними витратами|затратах|;

- підвищити надійність роботи нагрівального устаткування|обладнання| за рахунок мінімізації використовуваних засобів|коштів| нагріву і зниження температури обробки.

Практична реалізація роботи.

Отримані в роботі результати використані:

—у ВАТ “Дніпроенерго”при здійсненні локальної теплової обробки елементів котельного устаткування|обладнання|;

—у ДП| “Гіпропром”для проектування різних нагрівальних пристроїв|устроїв| з|із| мінімальними витратами|затратами| енергії на термообробку;

—на ВАТ “Дніпроспецсталь”при проектуванні системи опалювання “темними”трубними випромінювачами.

Матеріали виконаних досліджень по температурних полях, променистому теплообміні, енергозбереженні використовуються в учбовому процесі в Запорізькій державній інженерній академії в лекційному матеріалі, курсовому проектуванні і практичних заняттях в процесі викладання дисциплін: “Прикладні питання теплообміну в теплоенергетичних установках”, “Енергозбереження в промисловій теплоенергетиці”, а також при виконанні студентами НДРС| і дипломному проектуванні.

Особистий|особовий| внесок|вклад| автора у виконану роботу.

Основні ідеї і положення|становища| дисертаційної роботи розроблені особисто автором. Впровадження результатів розробок здійснювалося за сприяння фахівців|спеціалістів| ДП| „Гіпропром”, ВАТ „Дніпроенерго”, ВАТ „Дніпроспецсталь”. У монографії [1] особисто автором одержані|отримані| рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування|, приведені в розділах 2.3-2.6, в навчальному посібнику [3] підготовлені 2,3,4 глави, в навчальному посібнику [2] –розділ 4. Дисертантом особисто вирішені|розв'язані| завдання|задачі| променистого теплообміну в системі поверхонь [4,5,14,16]; розроблені математичні моделі і одержані|отримано| рішення задач за визначенням температурних полів в стінках різних виробів при нагріві поверхневими|поверховими,зверхніми| джерелами теплоти [6,7,9,21], проведено визначення енерговитрат при місцевій термообробці кільцевих зон посудин|посудин|, запропоновані заходи щодо зменшення теплових втрат [15], розроблена математична модель процесу нагріву об'ємними джерелами теплоти, одержано|отримано| рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування| в безрозмірному вигляді|виді| [11].

Апробація|випробування| роботи. Основні положення|становища| дисертаційної роботи докладалися|доповідалися| і дістали схвалення на Міжнародній науково-технічній конференції „Стан і перспективи розвитку електротехнології” (Іваново, 1992), на Міжреспубліканській науково-технічній конференції „Термодинаміка технологічних систем” (Краматорськ, 1993), на Ювілейній науково-технічній конференції Івановської державної архітектурно-будівельної академії (Іваново, 1996), на Міжнародній конференції „Экология і теплотехніка” (Дніпропетровськ, 1996), на Міжнародній науково-технічній конференції “VIII Бенардосовскі читання” (Іваново, 1997), на Міжнародній науково-практичній конференції “Будівництво - 98” (Ростов-на-Дону, 1998), на Міжнародній науково-практичній конференції ''Рациональне використання електроенергії в будівництві і на транспорті'|' (Ростов-на-Дону, 2000), на науково-практичній конференції ''Будівництво-2001'' (Ростов-на-Дону, 2001), на Ювілейному Міжнародному симпозіумі “Методи дискретних особливостей в завданнях|задачах| математичної фізики”(Харків, 2003), на IV Міжнародній науково-практичній конференції „Проблеми енерго- і ресурсозберігання в промисловості і житлово-комунальному комплексах” (Пенза,2003).

Публікації. Основні положення|становища| дисертаційної роботи опубліковані в 34 наукових роботах, зокрема: 1 монографії, 2 навчальних посібниках, виданих в співавторстві, 22 статтях в наукових журналах|часописах| і збірках|збірниках| наукових праць і 9 матеріалах праць міжнародних, національних науково-практичних конференцій.

Структура і об'єм|обсяг| роботи. Дисертація складається із загальної|спільної| характеристики роботи, шести глав, висновків|виведень|,|укл викладена на 298 сторінках машинописного тексту, містить|утримує| 55 малюнків, 48 таблиць, список використаних джерел з|із| 215 найменувань.

Робота виконана в Запорізькій державній інженерній академії.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ|вміст,утримання| РОБОТИ

СТАН ПРОБЛЕМИ ЛОКАЛЬНОЇ ТЕПЛОВОЇ ОБРОБКИ ПОРОЖНИСТИХ МЕТАЛОВИРОБІВ. ЗАВДАННЯ|задачі| ДОСЛІДЖЕНЬ

У першому розділі проведений аналіз літератури з різних питань нагріву кільцевих зон посудин|посудин| і трубопроводів для їх термообробки. Описані  області застосування|вживання| місцевого нагріву, вид вживаного нагрівального устаткування|обладнання|, режими термообробки зварних з'єднань, наявні моделі і методи розрахунку теплових явищ при нагріві кільцевих зон, вибір геометричних і енергетичних параметрів нагрівальних установок для проведення цього процесу. На підставі проведеного огляду поставлені завдання|задачі| досліджень, сформульовані у введенні|вступі| і послідовно вирішені|розв'язані| у відповідних розділах роботи.

1. Області застосування|вживання| локального нагріву порожнистих металовиробів.

1.1. Відновна термообробка. У атомній енергетиці нагрів кільцевих зон реакторів успішно застосовується для відновної термообробки. Встановлено|установлено|, що в корпусах реакторів в зоні розташування тепловиділяючих елементів (ТВЕЛ) відбувається|походить| окрихчування металу внаслідок|внаслідок| дії швидких нейтронів. Як ефективний прийом|кошт| для відновлення властивостей опроміненого металу застосовується відновна термообробка (відпал|випал|) вказаної кільцевої зони за допомогою електронагрівачів опору. Відновлення структури металу, його пластичності є|з'являється,являється| необхідною умовою для продовження терміну їх експлуатації.

Технологія, обгрунтування режимів і створення|створіння|  засобів|коштів| нагріву кільцевих зон реакторів розроблені інститутом атомної енергетики ім. Курчатова І.В., НВО “Енергія”, Центральним науково-дослідним інститутом технології машинобудування (м. Москва) і Запорізьким індустріальним інститутом (нині ЗГІА|). За участю автора розроблена математична модель за розрахунком температурних полів стінки реактора при нагріві кільцевої зони секційними нагрівачами опору, яка дозволила визначити раціональні параметри нагрівального пристрою|устрою|, що забезпечує технологічні вимоги до рівномірності температурного поля. За результатами|за результатами| проведених досліджень виготовлений промисловий зразок|взірець| електронагрівальної|електронагрівної| секційної установки. Починаючи|розпочинаючи,зачинаючи| з|із| 1987 року, це устаткування|обладнання| успішно застосовувалося для відновної термообробки корпусів реакторів АЕС колишнього СРСР і за кордоном (Болгарія, Німеччина|Германія|). У цих випадках локальний нагрів кільцевих зон є|з'являється,являється| єдино можливим  варіантом теплової дії, оскільки|тому що| демонтаж реакторів і їх транспортування на завод-виготівник пов'язані з|із| великими економічними витратами|затратами|, технологічними і організаційними труднощами.

Крім того, нагрів кільцевих зон широко застосовується для локальної термічної обробки при відновному ремонті котельних барабанів котлів в умовах діючих електростанцій. В процесі їх експлуатації на внутрішній поверхні виникають дефекти у вигляді тріщин і їх скупчень. Ці дефекти усуваються механічним способом абразивним інструментом, а потім зачищені місця наплавляються до первинної товщини стінки. Ремонтні роботи проводяться|виробляються,справляються| при попередньому і супутньому підігріві|підігріванні| з|із|  подальшою|наступною| термообробкою кільцевих зон. Ці роботи проводяться різними організаціями (Харьковенергоремонт, Дніпроенергоремонт, Мосенергоремонт, Ростовенергоремонт та ін.).

Нагрів кільцевих зон широко застосовується для відновної термообробки зварних швів різних трубопроводів на електростанціях з метою продовження ресурсу їх експлуатації.

1.2. Нагрів кільцевих зон при термічній обробці зварних з'єднань корпусного устаткування|обладнання| і трубопроводів. З використанням  локальної теплової дії проводиться|виробляється,справляється| термообробка (відпал, високий відпуск|відпуск|, нормалізація) зварних кільцевих швів великогабаритних судин|посудин| при їх виготовленні в енергетиці (барабани котлів, сепаратори пара АЕС), металургії (корпуси конвертерів), хімічній і нафтопереробній промисловості (реактори для переробки нафти), будівельній індустрії (корпуси цементних печей, що обертаються) і інших галузях народного господарства.

У монтажних умовах нагрів кільцевих зон застосовується для виготовлення великогабаритних виробів з|із| окремих блоків (технологічні колони і реактори для переробки нафти і інше устаткування|обладнання|).

Останніми роками широкого поширення набула місцева термообробка зварних кільцевих швів трубопроводів різного призначення ( газопроводів великих діаметрів, що транспортують сіркаводеньзмістовні| середовища|середу|). У 1995 році число відмов на газопроводах перевищило 100 тисяч випадків, зокрема більше 25,5% у зв'язку з корозійним руйнуванням зварних швів. З метою підвищення ресурсу зварні з'єднання газопроводів повинні піддаватися  термічній обробці по режиму високого відпуску|відпуску| для зниження рівня зварювальних напруг|напружень|. Єдино можливим і здійсненним в польових умовах варіантом нагріву є|з'являється,являється| локальний нагрів.

Місцевий нагрів посудин|посудин| по кільцевих зонах здійснюють також в процесі термообробки зварних з'єднань при приварюванні штуцерів до технологічного реактора.

2. Устаткування|обладнання| і способи місцевого нагріву.

Для здійснення нагріву кільцевих зон набули поширення три основні способи: радіаційний нагрів елементами опору, індукційний і газополум'яний нагрів. Переважне застосування|вживання| секційних електронагрівачів опору обумовлене тим, що при нагріві кільцевих зон великогабаритного корпусного устаткування|обладнання| необхідно забезпечити жорсткі умови на розподіл температури по товщині стінки, кола і у напрямі осі виробу. Забезпечити ці умови можна нагрівачем, що має широкі межі регулювання у всіх трьох напрямах|направленнях|. Такою якістю володіють секційні електронагрівачі опору.

3. Огляд методів розрахунку теплової потужності і теплообміну при нагріві кільцевих зон посудин|посудин| і трубопроводів.

Для розрахунку температурних полів в стінках порожнистих металоконструкцій необхідно мати в своєму розпорядженні енергетичні показники джерел теплоти: ефективною тепловою потужністю і її розподілом в зоні нагріву, яке характеризується коефіцієнтом зосередженості питомого теплового потоку. У роботах Алексєєва Г.Ф., Ліхачова А.К., Ревуна М.П. показано, що для джерел, вживаних для місцевого нагріву, тепловий потік в першому наближенні можна представляти|уявляти| законом нормального розподілу q(x)=q(o)·exp(-kx). Одержані|отримані| розрахункові залежності за визначенням теплової потужності і коефіцієнта зосередженості питомого теплового потоку для деяких нагрівачів опору, соленоїдних| індукторів, які можна використовувати при аналізі теплових процесів і порівнянні ефективності джерел теплоти. Відома методика наближеного визначення теплової потужності при нагріві кільцевих зон великогабаритних виробів в газополум'яній печі.

Для дослідження температурних полів при нагріві кільцевих зон застосовуються аналітичні і чисельні методи. Методом джерел одержані|отримані| залежності за визначенням теплового стану пластини (у першому наближенні стінки циліндра), теплоти обмежених розмірів, що нагрівається поверхневими|поверховими,зверхніми| або об'ємними джерелами. Методом інтегральних перетворень одержані|отримані| розрахункові формули за визначенням температурного поля стінки порожнистого циліндра без урахування теплообміну з|із| навколишнім середовищем на граничних поверхнях. Це є|з'являється,являється| недоліком|нестачею| вказаних рішень|розв'язань,вирішень,розв'язувань|.

Відомі деякі математичні моделі, розроблені з використанням методу елементарних теплових балансів. Ці моделі не дозволяють проводити аналіз температурних полів при зовнішньому нагріві секційними електронагрівачами опору, а також при нагріві багатошарових виробів.

4. Питання енергозбереження.

Не дивлячись на те, що нагрів кільцевих зон порожнистих металовиробів замість нагріву всього виробу в печі є|з'являється,являється| энергоресурсозберегаючим| процесом, важливим|поважним| і актуальним є|з'являється,являється| визначення умов його проведення з|із| мінімальними енерговитратами. Одним з методів аналізу енергетичних показників місцевого нагріву може бути прийнятий метод граничного енергозбереження, який дозволить оцінити сучасний рівень здійснення процесу, вживаного устаткування|обладнання| і намітити шляхи|колії,дороги| його вдосконалення.

На підставі огляду літературних і виробничих даних, структуризації засобів|коштів| і способів нагріву порожнистих металовиробів, з урахуванням|з врахуванням| стану і перспектив їх розвитку виникла необхідність створення|створіння| теплофізичних основ раціональної теплової обробки, використовуваних для отримання|здобуття| науково-обгрунтованих технічних рішень|розв'язань,вирішень,розв'язувань| по розробці ефективних засобів|коштів| і способів нагріву і забезпечення нормованих технологічних параметрів процесу.  

Ці завдання|задачі| послідовно вирішені|розв'язані| в розділах дисертаційної роботи.

АНАЛІТИЧНІ РІШЕННЯ ЗАДАЧ ЗА ВИЗНАЧЕННЯМ

ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ СТІНОК ПОРОЖНИСТИХ ЦИЛІНДРІВ ПРИ

НАГРІВІ КІЛЬЦЕВОЇ ЗОНИ

Другий розділ присвячений розробці комплексу аналітичних рішень|розв'язань,вирішень,розв'язувань| за визначенням нестаціонарних дво-| і тривимірних|трьохмірних| температурних полів при нагріві кільцевих зон з|із| обліком|урахуванням| і без урахування теплообміну на граничних поверхнях, застосовних для аналізу теплового стану виробів поверхневими|поверховими,зверхніми| і об'ємними джерелами теплоти (нагріві електронагрівачами опору і індукційному нагріві).

Для визначення температурних полів стінки порожнистого циліндра, при нагріві різними засобами|коштами| нагріву, одержано|отримано| загальне|спільне| рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування| при довільному законі розподілу питомого теплового потоку від джерела. Завдання|задача| вирішене|розв'язане| в наступній|такій| постановці.

Даний нескінченний|безконечний| порожнистий циліндр, що має внутрішній радіус r, зовнішній радіус r. На зовнішній поверхні є|наявний| симетричне джерело теплоти q = q(х). На внутрішній і зовнішній поверхнях, поза|зовні| зоною розташування джерела, теплообмін з|із| навколишнім середовищем відсутній.

Рішення задачі одержане|отримане|, при сумісному|спільному| використанні  інтегральних перетворень Ханкеля і Фур'є відповідно по змінних  r і х і має вигляд|вид|

                                  (1)

З|із| одержаного|отриманого| рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування| виходять приватні, відомі в літературі:

1) q (x) = q, x  [- l, l ],                       2) q(x)= q(o) exp (- kx)

                            о, x [ -l, l ],                      3) q(x)= q(x )= const (x[, ])

що указує|вказує| на достовірність одержаного|отриманого| рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування| (1).

Одержані|отримані| приватні рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування| записані в безрозмірному вигляді|виді| з використанням критерію Кирпічева.

Для аналізу теплових процесів при розташуванні нагрівального устаткування|обладнання| усередині порожнистого циліндра вирішене|розв'язане| завдання|задача| нагріву джерелом з|із| довільним розподілом щільності теплового потоку у напрямі осі виробу. Одержане|отримане| рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування| багато в чому співпадає|збігається| з|із| рішенням|розв'язанням,вирішенням,розв'язуванням| (1): відрізняються коефіцієнти перед інтегралами в перших доданках вказаних рішень|розв'язань,вирішень,розв'язувань|; крім того, відрізняються аргументи функцій Бесселя першого роду першого порядку|ладу|, що стоять в знаменнику під знаком суми. Рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування| представлене|уявлене| в безрозмірному вигляді|виді|.

При нагріві кільцевих зон посудин|посудин| в газополум'яній печі або при нагріві електронагрівачами опору закритого|зачиненого| типа тепловий потік від джерела підводиться на певній вузькій зоні, а на решті поверхні відбувається|походить| теплообмін з|із| навколишнім середовищем. Виникає необхідність в рішенні|розв'язанні,вирішенні,розв'язуванні|, що враховує складні граничні умови.

Одержано|отримано| рішення задачі, за визначенням температури стінки порожнистого циліндра, що нагрівається по кільцю джерелом теплоти, розташованим|схильним| всередині|усередині|. На зовнішній і внутрішній поверхні, поза|зовні| зоною розташування джерела, відбувається|походить| теплообмін з|із| навколишнім середовищем, причому інтенсивність теплообміну f змінюється по координаті і часу згідно із законом:

                          .                                                    (2)

Математична постановка завдання|задачі|:

        (3)

   (4);   , (5)

                                                                                       (6)

     

                     (7)

               . (8)

Застосувавши нескінченне|безконечне| косинус-перетворення Фур'є по змінній Х, кінцеве|скінченне| перетворення по змінній R і перетворення Лапласа, одержали рішення|:

                       (9)

Одержано|отримано| також рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування| при розташуванні джерела теплоти на зовнішній поверхні порожнистого циліндра і обліку|урахуванні| теплообміну з|із| навколишнім середовищем, яке має аналогічну структуру.

Приведені рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування| складні для реалізації. Для спрощення використання в інженерній практиці розрахунково-теоретичного аналізу температурних полів стінки порожнистого циліндра, одержано|отримано| аналітичне рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування| за визначенням температури в пластині при постановці завдання|задачі| аналогічній (3 - 8). Окремий випадок одержаного|отриманого| рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування| за визначенням температури при нагріві необмеженої пластини тепловим потоком q (x, у|в,біля| ) = const співпадає|збігається| з|із| відомим рішенням|розв'язанням,вирішенням,розв'язуванням| в класичній теорії теплопровідності.

У різних галузях промисловості застосовуються багатошарові судини|посудини|. Стінки таких посудин|посудин| виконані з|із| однорідних шарів методом рулонування|. Між шарами виникає додатковий термічний опір процесу теплопровідності. Для отримання|здобуття| рішень|розв'язань,вирішень,розв'язувань| за розрахунком тривимірних|трьохмірних| температурних полів при нагріві кільцевих зон багатошарових посудин|посудин| окремими секціями електронагрівача випромінюванням і індукторами застосований класичний метод –метод джерел. Стінка циліндра умовно представлена|уявлена| у вигляді багатошарової пластини. Скоректовані відомі рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування| за визначенням температурного поля при нагріві поверхневим|поверховим,зверхнім| і об'ємним джерелами теплоти. Одержані|отримані| рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування| багато в чому співпадають|збігаються| з|із| відомими. Відмінності полягають в співмножниках, що враховують зони дії джерел.

У скоректованому рішенні|розв'язанні,вирішенні,розв'язуванні| від об'ємного джерела безрозмірна температура  виражена|виказана,висловлена| через максимальну об'ємну інтенсивність внутрішніх джерел теплоти q (0,0,0) при х = у|в,біля| = z = 0. Чисельна оцінка q (0,0,0) буває скрутною, тому  q (0,0,0) виражена|виказана,висловлена| через загальну|спільну| потужність джерела Q(Вт), відому для технічних розрахунків з|із| паспортних даних нагрівального устаткування|обладнання|

q (0,0,0) = ,                                 (10)

де k, k,k –коефіцієнти зосередженості питомого теплового потоку по координатах х,у,z. Ці параметри для різних джерел нагріву визначені в роботі.

Встановлена|установлена| залежність між q (0,0) і q (0,0,0)

                                        q (0,0) = q (0,0,0)  .                              (11)

Відоме рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування| і методика розрахунку температурних полів при індукційному нагріві кільцевих зон порожнистих циліндрів (що розглядаються|розглядуються| як пластини). При цьому приймається, що вся потужність підводиться через поверхню виробу, тобто розглядається|розглядується| завдання|задача| нагріву поверхневим|поверховим,зверхнім| джерелом теплоти.

При нагріві багатовитковим індуктором теплова потужність виділяється і розподіляється нерівномірно в поверхневому|поверховому,зверхньому| шарі (деякому об'ємі|обсязі|). Представляє|уявляє| науковий і практичний інтерес розрахунок температурного поля з урахуванням|з врахуванням| об'ємного характеру|вдачі| розподілу потужності. Одержано|отримано| відповідне рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування|

. (12)

Для розрахунку температурного поля по рішенню|розв'язанню,вирішенню,розв'язуванню| (12) необхідно оцінити К, К, R, q (0,0,0). Методика розрахунку К залежно від ширини індуктора, зазора між ним і металом, частоти струму|току| відома в літературі. Приведена методика розрахункової оцінки К, R залежно від відомих законів розподілу внутрішніх джерел теплоти (енергії Е) по товщині стінки (осі Z) і прийнятої глибини r дії джерела.

Прийнявши                             Ez = z1 = Ez = про exp (-kz)                     (13)

    і                                   qz = r = qz =0  exp (-kr) = 0,01 qz = 0                       (14)

одержано|отримано|                          К = / z,         R = 4,60 / K,                      (15)

де  z –глибина проникнення струму|току| при індукційному нагріві.

Для практичного використання рішень|розв'язань,вирішень,розв'язувань| проведені розрахунки безрозмірних комплексів К, R для різних частот індукційного нагріву і різної товщини стінок .

Проведена оцінка значення q (0,0,0). Для джерел з|із| розподілом щільності теплового потоку по осі х у вигляді q (x) = q (0)  exp (-kx) одержане|отримане| 

                           q(0,0,0)=.                                              (16)

Адекватність математичної моделі за розрахунком температурного поля перевірена експериментальними (запозиченими з|із| літератури) даними при нагріві двосекційним індуктором соленоїдного| типу струмом|током| частотою 50 Гц, шириною кожної секції 235 мм і при зазорі між секціями 70 мм. Потужність, що генерується в металі однією секцією 115 кВт. Нагріву піддавалася кільцева зона порожнистого циліндра завдовжки 2500 мм, зовнішнім діаметром 2030 мм, завтовшки стінки 115 мм. Матеріал –конструкційна легована сталь 16ГНМ. Відмічена задовільна, для інженерної практики, збіжність розрахункових і експериментальних температур з|із| погрішністю 10-15%.

ЧИСЕЛЬНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ТЕПЛОВИХ ПРОЦЕСІВ ПРИ НАГРІВІ КІЛЬЦЕВИХ ЗОН

Одержані|отримані| в другому розділі аналітичні рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування| дозволяють аналізувати температурні поля в стінках посудин|посудин| і трубопроводів при нагріві кільцевих зон різними джерелами теплоти без урахування залежності від температури теплофізичних характеристик матеріалів, умов зовнішнього теплообміну, потужності джерела. Це вносить певну погрішність до результатів розрахунків. Рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування| дають можливість|спроможність| оцінювати температурні поля при режимі нагріву q () = const. У практику місцевого нагріву секціями електронагрівача поширені також режими нагріву при постійній температурі поверхні секцій нагрівача  Tн() = const, і при постійній швидкості нагріву Сн() = const. При цих режимах необхідно прогнозувати поля температур, що викликає|спричиняє| необхідність розробки відповідних математичних моделей.

Третій розділ присвячений розробці чисельних математичних моделей при обліку|урахуванні| нелінейностей| І і ІІ роду за визначенням температурних полів в стінках посудин|посудин| при зовнішньому нагріві кільцевих зон секціями електронагрівача при різних режимах q () = const,  Сн () = const, Тн () = const.

Кільцеві зони осесиметричних виробів нагрівають зазвичайно|зазвичай| секціями, розташованими по колу|схильними| в один або два ряди вздовж осі посудини|лави,низки| |. Якщо секції розміщуються по колу один до одного| або з|із| невеликим зазором, в стінці виникає двовимірне температурне поле, що змінюється по| осі виробу і товщині стінки. При значних зазорах між секціями –тривимірне|трьохмірне| поле.

Застосовуючи метод елементарних теплових балансів, одержані|отримані| розрахункові формули і розроблені алгоритми розрахунку двовимірного і тривимірного|трьохмірного| температурного поля стінки циліндра, що нагрівається по| кільцевій зоні секційним однорядним і дворядним електронагрівачем опору. Прийнято, що нагрів металу проводиться|виробляється,справляється| випромінюванням від поверхні секцій по| закономірностям променистого теплообміну в системі двох сірих поверхонь. Одночасно із зовнішньою поверхнею циліндра враховується променистий і конвективний теплообмін з|із| навколишнім середовищем, а усередині циліндра –перенесення|перенос| теплоти випромінюванням по його осі, викликаний|спричинений| нерівномірністю температурного поля по| довжині циліндра. Конвективним теплообміном всередині|усередині| полого циліндра нехтуємо.

При складанні розрахункових рівнянь за визначенням двовимірних і тривимірних|трьохмірних| температурних полів враховані:

  •  залежності теплофізичних властивостей матеріалу від температури;
  •  змінні значення теплових втрат конвекцією і випромінюванням на зовнішній поверхні циліндра, залежні від температур розрахункових елементів в процесі нагріву;
  •  змінні значення результуючих теплових потоків від секцій нагрівача на зовнішні поверхні циліндра.

Зокрема, для складання алгоритму стінка циліндра розбивається на розрахункові елементи (рис.1). Для отримання|здобуття| розрахункових рівнянь за визначенням температури у виділених елементах складаються баланси теплоти по| всім поверхням елементів, з|із| яких визначаються температури розрахункових об'ємів|обсягів| в подальший|наступний| момент часу  + через відомі температури в попередній момент часу . За| структурою балансів всі розрахункові елементи розділимо на 3 групи:

1. Елементи i=1...n, j = 1, примикаючі до зовнішньої поверхні стінки циліндра.

Рис.1.Нагрів кільцевої зони полого циліндра секціями електронагрівача.

2. Елементи i = 1...n, 1 < j < m, що знаходяться|перебувають| усередині стінки циліндра.

3. Елементи i = 1...n, j = m, що примикають до внутрішньої поверхні циліндра.

Температура для всіх елементів визначається в зоні 0 х L. Нижче приводиться|призводиться,наводиться| розрахункове рівняння для елементів i=1...n, j=1, що примикають до зовнішньої поверхні стінки циліндра:

                                          (17)

Аналогічно складаються розрахункові рівняння для інших груп розрахункових елементів.

При складанні розрахункової моделі тривимірного|трьохмірного| температурного поля двошарової неоднорідної стінки розрахункові об'єми|обсяги| розділені на чотири групи. В порівнянні з раніше розглянутим|розгледіти| завданням|задачею| складається розрахункове рівняння для об'ємів|обсягів|, що знаходяться|перебувають| на межі|кордоні| двох шарів.

Щільність результуючого теплового потоку q(i,j,k) від секцій однорядного нагрівача на розрахунковий об'єм|обсяг| (i, 1, k ), що має площу|майдан| F(i, 1, k)= 2рRоl / (nо·n ·2p) визначається з урахуванням|з врахуванням| принципу суперпозиції за формулою:

               (18)

де φН(i,1,k)–середній кутовий коефіцієнт випромінювання секції нагрівача на поверхню посудини,|посудини|

φ(i,1,k) Н –середній кутовий коефіцієнт випромінювання з поверхні судини|посудини| на  секцію нагрівача.

nчисло секцій по колу;

n довільне число розбивання секцій по колу між осями;

2р –довільне число  розбивання  по довжині посудини;

Алгоритм розрахунку дозволяє проводити|виробляти,справляти| аналіз впливу на температурне поле (двовимірне, тривимірне|трьохмірне|) і економічність нагріву наступних|слідуючих| чинників|факторів|:

  •  режимів нагріву (Тн() = const, q() = const, Cн() = const);
  •  розмірів секцій, їх температури, зазорів між секціями, відстані   від поверхні секцій до металу, відстані між рядами|лавами,низками| секцій;
  •  наявність теплообміну на зовнішній, внутрішній або обох поверхнях;
  •  величин розрахункового елементу на точність результатів розрахунку.

Достовірність розроблених моделей підтверджується збігом розрахункових температур по| відповідним аналітичним рішенням|розв'язанням,вирішенням,розв'язуванням| і запропонованим чисельним моделям з достатнім ступенем|мірою| точності.

ЕНЕРГЕТИЧНА І ТЕХНОЛОГІЧНА ЕФЕКТИВНІСТЬ

НАГРІВАЧІВ ОПОРУ ДЛЯ МІСЦЕВОЇ

ТЕПЛОВОЇ ОБРОБКИ КІЛЬЦЕВИХ ЗОН ПОСУДИН|посудин| І ТРУБОПРОВОДІВ

Четвертий розділ присвячений дослідженню технологічної і енергетичної ефективності нагріву кільцевих зон плоскими і циліндровими (опуклими|випуклими| і вогнутими|угнутими|) секціями електронагрівача опору, встановленими|установленими| всередині|усередині| або зовні посудин|посудин| і розробці методики розрахунку температур випромінюючих елементів секцій.

Під технологічною ефективністю приймаємо забезпечення рівномірності температурного поля, що регламентується, по колу кільцевої зони посудини|посудини| при нагріві окремими секціями електронагрівача, встановленими|установленими| по| периметру. Температурне поле в стінці посудини|посудини| значною мірою визначається розподілом променистої енергії від секцій нагрівача по поверхні полого циліндра. Результуючі теплові потоки на довільно вибрані майданчики поверхні від секцій різної форми залежать від чисельних значень відповідних кутових коефіцієнтів власного випромінювання секцій. Методом інтеграції одержані|отримані| і приведені до єдиної модульної форми запису  аналітичні рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування| за визначенням кутових коефіцієнтів від поверхонь плоских і циліндрових (опуклих|випуклих|, вогнутих|угнутих|) секцій, встановлених|установлених| всередині|усередині| або зовні посудини|посудини| на довільно розташовані|схильні| майданчики .З використанням одержаних|отриманих| рішень|розв'язань,вирішень,розв'язувань| виконаний чисельний аналіз впливу форми випромінюючої поверхні секції на кутові коефіцієнти і питомі теплові потоки випромінювання на довільні майданчики  зовнішньої або внутрішньої поверхонь посудини|посудини|, які використані для розрахунків коефіцієнтів зосередженості питомих теплових потоків по| колу (k, 1/м) і довжині посудини|посудини| (k, 1/м).

За запропонованою раніше автором методиці проведені розрахунки чисельних значень k і k від плоских і циліндрових (опуклих|випуклих| і вогнутих|угнутих| ) секцій, розташованих|схильних| всередині|усередині| і зовні|ззовні| при наступних|слідуючих| початкових|вихідних| даних: розміри секцій нагрівача 0,65х0,43 м; радіус циліндра R приймали 1,0; 1,5; 2,0 м; відстань від секції до поверхні циліндра варіювали від 0,10 до 0,25 м через 0,05 м.

Результати розрахунків (табл.1) дозволяють зробити висновок|укладення,ув'язнення|:

1. Коефіцієнт зосередженості питомого теплового потоку k по колу зменшується майже у всіх випадках для плоскої, опуклої|випуклої| і вогнутої|угнутої| секції із|із| збільшенням відстані від них до поверхні судини|посудини| (внутрішній і зовнішній).

. При малих відстанях r(r < 0,15 м) між секцією і поверхнями посудини|посудини| k від плоскої форми секції має менше значення, чим від опуклої|випуклої| і вогнутої циліндричної|угнутій|.

При відстанях r > 0,15 К від випуклої секції має менше значення, чим від плоскої і вогнутої|угнутої|. У проведених раніше дослідженнях автором було встановлено|установлено|, що рівномірність температурного поля по колах підвищується при нагріві джерелом теплоти з|із| меншими значеннями k;

Таблиця 1.

Коефіцієнти зосередженості питомого теплового потоку

при зазорі між секціями і поверхнею судини|посудини| r=0,15м (у чисельнику) і 0,25м (у знаменнику)

Форма

поверхні

секції

Секція розташована|схильна| всередині|усередині|.   |ззовні|

Секція  розташована|схильна| зовні|ззовні|

k

k

k

k

Плоска

6,82/6,24

,42/6,79

,52/9,14

,35/6,33

Цил. випукла

,91/3,18

,04/5,83

,92/7,61

,24/6,58

Цил. увігнута

,57/7,51

,38/5,05

,89/13,93

,83/5,79

3. Чисельні значення k, що характеризують розподіл променистої енергії по| довжині посудини|посудини|, у всіх розглянутих|розгледіти| випадках  близькі один до одного, тобто форма секції практично не впливає на розподіл променистої енергії по| довжині посудини|посудини|.

З метою виявлення технологічної ефективності форми поверхні секцій нагрівача проведені розрахунки за визначенням температури стінки посудини|посудини|  = 2,03м, завтовшки стінки = 0,115 м, що нагрівається секціями плоскої і циліндрової (опуклій|випуклій| і вогнутій|угнутій|) форм потужністю 15 кВт, що розташовуються з боку внутрішньої і зовнішньої поверхні посудини|посудини|. Чисельні значення k і k для різних секцій прийняті по табл.1. Результати представлені|уявлені| на рис.2.

З|із| приведених значень температур виходить, що при розташуванні секцій всередині|усередині| і зовні|ззовні| полого циліндра мінімальне значення температури на осі симетрії джерела (х=0) наголошується при нагріві опуклою|випуклою| циліндровою секцією, а велике - при нагріві плоскою і вогнутою|угнутій| циліндровою. Різниця температур  по колу  при нагріві  опуклими|випуклими| секціями –мінімальна. Значно більше значення вона досягає  при нагріві плоскою і вогнутою секціями.|угнутою|

Таким чином, опукла|випукла|  форма поверхні приводить|призводить,наводить| до менших перепадів температур по колу і є|з'являється,являється| переважною, що підтверджує проведені раніше дослідження.

Досліджена енергетична ефективність секцій різної форми поверхні. Як критерій ефективності прийнята частка|доля| енергії, що випромінюється  секцією на поверхню посудини|посудини|. Ця частка|доля| оцінюється відповідним кутовим коефіцієнтом. Для зручності аналізу середніх кутових коефіцієнтів поверхня посудини|посудини|, що нагрівається, позначена цифрою 1, поверхня секції  –цифрою 2, а поверхня зазору між секціями –.

Одержані|отримані| розрахункові формули за визначенням  і  від плоских і циліндрових секцій.

По| одержаним|отриманим| залежностям проведені розрахунки  від плоских, циліндрових (опуклих|випуклих| і вогнутих|угнутих|) при наступних|слідуючих| початкових|вихідних| даних: діаметр D посудини|посудини| 2,0 м, діаметр d циліндрової секції 0,274м (площа|майдан| поверхні всіх секцій постійна і рівна F = 0,65х0,43м). Кількість секцій по колу n варіювали від 4 до 20. Зазор S між осями симетрії секцій визначали по| співвідношенню S = D/n.

На підставі чисельного розрахунку показано, що максимальна енергетична ефективність у|в,біля| плоскої секції ( = 1), найменша, –у|в,біля| вогнутої|угнутої| ( = 0,64).

Запропонована уточнена методика розрахунку температур випромінюючих елементів нагрівача секцій різної форми. Методика заснована на скоректованій залежності, що враховує реальні розміри посудин|посудин| і секцій нагрівача, їх форму, зазори між осями секцій, відстань від секцій до поверхні (внутрішній або зовнішній) посудини.

Проведені розрахунки температур поверхні випромінюючих елементів плоских, опуклих|випуклих| і вогнутих|угнутих| секцій, розташованих|схильних| всередині|усередині| і зовні|ззовні|. Початкову температуру поверхні посудини|посудини| Тs приймали 300 К, температуру в кінці|у кінці,наприкінці| нагріву –К. Щільність теплового потоку  варіювали і приймали рівною 20000 Вт/м  і 48000 Вт/м. Кутові коефіцієнти визначені для нагріву кільцевої зони посудини|посудини| R = 1,5м при зазорі між секціями і посудиною|посудиною| 0,1м. Величина розрахункового майданчика S прийнята 0,108х 0,0736 м. Результати проведених розрахунків і існуючі в літературі представлені|уявлені| в табл.2.

Таблиця 2

Розрахункові температури поверхні випромінюючих елементів

секцій різних форм.

Fполн –повна|цілковита| площа|майдан| поверхні секції;Fакт  - сумарна площа|майдан| випромінюючих елементів

Форма

поверхні секції

q = 20000 Вт/м

q = 48000 Вт/м

ТS = 300 К

ТS = 900 К

ТS = 300 К

ТS = 900 К

Fакт / Fполн = 1,000

опукла|випукла|

923

увігнута|угнута|

905

плоска (розр|.)

840

плоска (літ. дані)

827

Fакт / Fполн = 0,837

опукла|випукла|

965

увігнута|угнута|

946

плоска (розр|.)

887

плоска (літ. дані)

827

1034

З|із| результатів розрахунків виходить:

1. У всіх розглянутих|розгледіти| випадках температура секцій опуклої|випуклої| форми поверхні найвища; декілька нижче –температура секцій вогнутої|угнутої| форми і значно нижче –температура секцій плоскої форми. Відмінність температур досягає 100 оС|.

2. Облік|урахування| в розрахунку коефіцієнта активної поверхні секцій К=Fакт /Fполн  у всіх розглянутих|розгледіти| випадках приводить|призводить,наводить| до підвищення необхідної температури секцій нагрівача, що забезпечують задану щільність результуючого теплового потоку.

. Всі розрахункові значення температур секцій плоскої, опуклої|випуклої| і вогнутої|угнутої| форм більше, ніж розрахункові значення температур, наявні в літературі. Відмінність досягає в деяких випадках 150 оС|.

Експериментальна перевірка розрахункових температур випромінюючих елементів плоских секцій показала їх збіг з|із| погрішністю що не перевищує 3% (експериментальні дані запозичені з|із| літератури).

РОЗРАХУНКОВО-ТЕОРЕТИЧНА ОЦІНКА

ЕНЕРГОВИТРАТ І ПАРАМЕТРІВ НАГРІВАЧІВ ВИПРОМІНЮВАННЯ

П'ятий розділ присвячений розрахунково-теоретичній оцінці геометричних параметрів однорядних і дворядних нагрівачів випромінювання, визначенню енерговитрат при місцевій термообробці зварних швів посудин|посудин| за різних умов нагріву.

При оцінці геометричних параметрів нагрівального пристрою|устрою| для нагріву кільцевих зон посудин|посудин| необхідно визначити такі його розміри, які б забезпечували фактичні осьові перепади температури Тфакт нижче граничних Тпред при нагріві до температури 400 оС|(у цей період релаксація напруги|напруження| і пластична деформація, сприяючі зниженню напруги|напруження|, практично відсутні). Для різних типорозмірів| посудин|посудин| (R = 1,0; 1,5; 2,0м = 0,05; 0,1; 0,15м), виконаних з|із| конструкційних легованих сталей| (2647,9 МПа, Еср = 17,652 10Па,  ср| = 13х 10-6  1/К) проведені розрахунки перепадів температур Тпред, що гранично допускаються за технологічними умовами значень, в зоні 2 от осі симетрії зварного шва у напрямі осі посудини|посудини|. Показано, що для всіх значень R, при внутрішньому нагріві Тпред менше, ніж при зовнішньому (відмінність в значеннях досягає 30%). Таким чином, при розташуванні джерела теплоти усередині посудини|посудини| пред'являються жорсткіші умови до температурного поля в зоні зварного шва, чим при розташуванні його зовні|ззовні|.

У літературі відоме використання необгрунтовано постійної щільності теплового потоку на осі симетрії джерела q=20000 Вт/м незалежно від товщини стінки посудини|посудини|, що, зрештою, приводить|призводить,наводить| до збільшення часу нагріву і, отже, енерговитрат. Головним технологічним фактором формування властивостей металу в зоні зварного шва є|з'являється,являється| перепад температур по осі посудини|посудини| і по| товщині стінки, який залежить від щільності теплового потоку. З метою раціонального використання теплової енергії необхідно знати допустимі значення щільності теплового потоку.

З використанням знайдених значень Тпред запропонована уточнена методика оцінки геометричних параметрів нагрівачів опору, що враховує допустиму (за умовами технології) величину щільності теплового потоку залежно від товщини стінки посудини|посудини| і теплофізичних властивостей стали. Результати розрахунків qдоп  приведені в табл. 3.

Аналізуючи результати розрахунків укладаємо|ув'язнюємо,замикаємо,поміщаємо|, що при малій товщині стінки qдоп може в 2...3 разу перевищувати застосовану раніше для розрахунку величину q=20000 Вт/м. Наприклад, при λ=20,30 и 40 Вт/(м·К), δ=0,05 м, qдоп=48000 Вт/м при ΔΤдоп=30оС , а при ΔΤдоп =40оС величина qдоп досягає значення 64000 Вт/м. Застосування|вживання| в практиці нагріву розрахункових значень qдоп дозволить інтенсифікувати процес нагріву, що приведе до зменшення часу нагріву і  зменшення енерговитрат на проведення термообробки. Результати розрахунків показують, що при великій товщині стінки qдоп повинно бути в 2 –,5 разу менше величини, що приймається раніше.

Таблиця 3.

Технологічно допустимі значення питомих теплових потоків qдоп, Вт/м, залежно від товщини стінки судини|посудини| δ (м) і коефіцієнта теплопровідності матеріалу λ (Вт/(м·К))

Товщина стінки

δ, м

ΔΤдоп =30оС

ΔΤдоп=40оС

λ=20

λ=30

λ=40

λ=20

λ=30

λ=40

0,050

0,075

0,100

0,125

0,150

Наприклад, при λ=20 Вт/(м·К), δ=0,1 м, qдоп=10667 Вт/м при ΔΤдоп=40оС, а при ΔΤдоп=30оС величина qдоп повинна бути  тільки|лише| 8000 Вт/м. У цих випадках проведення режиму нагріву для термообробки посудини|посудини| δ=0,15м при q=20000 Вт/м, λ=20 Вт/(м·К) приводить|призводить,наводить| до перепаду температури по| товщині 75оС, що неприпустимо|недопустимо| за| умовою технологічного процесу, оскільки не забезпечуються необхідні структурні перетворення.

Таким чином, для здійснення технологічного процесу можна рекомендувати Τдоп=30оС, що створює передумови для якісного нагріву.

Використовуючи запропоновану методику приведені розрахунки, для посудин|посудин| R = 1,0; 1,5; 2,0м = 0,05; 0,1; 0,15м, за визначенням максимально граничних значень коефіцієнтів зосередженості питомого теплового потоку Кmax від нагрівачів опору різної форми при зовнішньому і внутрішньому їх розташуванні. Допустимі значення Кдоп у всіх випадках повинні бути менше, ніж Кmax . Ця умова може бути забезпечена або збільшенням ширини секції нагрівача, або збільшенням зазору між ними і поверхнею посудини|посудини|. З урахуванням|з врахуванням| умови Кдоп < Кmax визначений мінімальний зазор для секцій 0,65х0,43м, вживаних в промисловості (при розташуванні їх всередині|усередині| і зовні посудини|посудини|), при щільності теплового потоку 20000 Вт/м, коефіцієнті теплопровідності матеріалу стінки посудини|посудини| λ=20…40 Вт/(м·К) і допустимому перепаді температур по| товщині стінки 30ºС,  що забезпечує технологічну вимогу ΔТфакт<ΔТ пред для вказаних вище посудин|посудин|. Розроблено програмний засіб|кошт|, що дозволяє проводити розрахунки Кдоп для будь-яких типорозмірів| посудин|посудин|, виконаних з|із| різних марок сталей|. Це дає можливість|спроможність| визначити форму і розміри секцій нагрівальної установки і відстань між секцією і поверхнею виробу, що нагрівається.

Ефективним прийомом отримання|здобуття| зони з|із| рівномірною температурою в області шва і забезпечення умови ΔТдоп  < ΔТпред є|з'являється,являється| застосування|вживання| дворядного нагрівального пристрою|устрою|. Це дозволяє зменшити його загальну|спільну| ширину, що включає ширину двох рядів|лав,низок| і зазор між ними, в порівнянні з шириною однорядного нагрівального пристрою|устрою|. Вперше|уперше| цей прийом реалізований в промисловій практиці при місцевому індукційному нагріві зварних швів трубопроводів двосекційними індукторами.

Розроблена програма і проведені розрахунки на ПЕВМ за визначенням мінімальних відстаней між центрами двох паралельних рядів|лав,низок| секцій плоскій, циліндровій |угнутій| форм. Початкові|вихідні| дані і результати розрахунків для секцій плоскої форми при відповідних qдоп представлені|уявлені| в табл.4.

Аналіз результатів розрахунків і їх зіставлення з|із| відомими для однорядної секційної установки свідчить, що застосування|вживання| дворядного нагрівача дозволяє зменшувати його загальну|спільну| ширину (включаючи ширину двох рядів|лав,низок| секцій і зазор між ними) в порівнянні з шириною однорядного нагрівального пристрою|устрою| до 30%. При цьому форма поверхні секції практично не впливає на відстань між рядами|лавами,низками|.

Таблиця 4.

Гранично мінімальні відстані між центрами

двох рядів|лав,низок| плоских секцій шириною по 0,65м

Товщина стінки

судини|посудини|

δ, м

qдоп,

Вт/м

Зовнішній радіус судини,|посудини|

м

Нагрівачі всередині|усередині|

Нагрівачі зовні|ззовні|

Зазор між металом і нагрівачем

Зазор між металом і нагрівачем

,2

,3

,2

,3

0,05

,0

,5

,0

,37

,46

,75

,36

,46

-

,28

,39

,46

,22

,38

,45

0,1

,0

,5

,0

,5

-

,61

,51

,58

-

,41

,53

,58

,41

,53

,60

0,15

,0

,5

,0

,56

,66

,72

,57

,67

,71

,47

,53

,68

,47

,53

,69

З обліком|урахуванням| забезпечення основної технологічної вимоги ΔTфакт<ΔTпред, проведені розрахунки за визначенням мінімальної ширини рівномірно розподіленого джерела, витрати теплоти і часу нагріву до 400оС для посудин різних типорозмірів| |посудин|.Результати розрахунків представлені в|уявлені| табл. 5.

Аналізуючи результати розрахунків, бачимо|показно| збільшення мінімальної ширини джерела, залежно від збільшення товщини стінки посудини|посудини| і його діаметру. Це пояснюється тим, що при збільшенні радіусу посудини|посудини| і товщина стінки зменшується допустимий осьовий перепад температури ΔTдоп, і для забезпечення основної технологічної вимоги ΔTфакт<ΔTпред необхідно застосовувати джерела теплоти більшої ширини. Слід зазначити, що|слід відзначити , що,следует отметить | із|із| збільшенням товщини стінки збільшується час нагріву до заданої температури внаслідок|внаслідок| збільшення маси металу околошовної| зони стінки посудини|посудини|, що нагрівається.

Таблиця 5.

Розрахункові енергетичні і технологічні показники односекційного рівномірно розподіленого джерела теплоти

Rнар., м

Товщина стінки судини|посудини|, м

Мінім. ширина джерела, м

Витрата теплоти, МДж

Час нагріву, с|із|

Площа|майдан| підведення теплоти, м

Питомі витрати|затрати| теплоти, МДж/м

1,5

,075

0,105

0,135

0,150

Відповідно до збільшення часу нагріву і зростання|зросту| мінімальної ширини джерела теплоти збільшується витрата теплоти із|із| збільшенням Rнар и δ.  Питомі витрати|затрати| теплоти на одиницю поверхні залежать, в основному, від товщини стінки і майже не залежать від радіусу посудини|посудини|.

Весь вищенаведений аналіз виконаний для випадку, коли джерело нагріву розташовано|схильний| зовні посудини|посудини|. Якісно всі сформульовані положення|становища| справедливі також для випадку, коли джерело теплоти розташовано|схильний| усередині посудини|посудини|, тільки|лише| чисельні значення всіх параметрів будуть іншими. У зв'язку з цим представляє|уявляє| інтерес зіставити результати розрахунку зовнішнього і внутрішнього нагріву.

З|із| даних табл. 5 видно|показно|, що у всіх випадках мінімальна ширина джерела теплоти приблизно на 15% менше при його зовнішньому розташуванні в порівнянні з внутрішнім нагрівом. Ця різниця трохи збільшується із|із| зростанням|зростом| зовнішнього діаметру посудини|посудини| і товщини стінки.

На рис.3 представлена|уявлена| залежність ширини рівномірно розподіленого джерела від зовнішнього радіусу судини|посудини| з|із| товщиною стінки δ=0,12м.

Графічне представлення результатів розрахунків ілюструє вищевикладені основні положення|становища| по| вибору ширини рівномірно розподіленого джерела.

Незважаючи на переваги місцевого нагріву кільцевих зон, натомість їх термообробки при нагріві в термічній печі з|із| висувним черенем важливим|поважним| і актуальним залишається питання підвищення енергетичної ефективності місцевого нагріву і виявлення резервів економії палива|пального|.

Рис.3. Необхідна ширина рівномірно розподіленого джерела:

–при внутрішньому нагріві; 2 –при зовнішньому нагріві.

Проведена оцінка енерговитрат при місцевому нагріві зварних швів посудин|посудин|. Перехід від екстенсивних способів економії паливно-енергетичних ресурсів до інтенсивного енергозбереження і виявлення резервів економії палива|пального| можливий на основі методу граничного енергозбереження. Використовуючи цей метод оцінені гранично-низькі (теоретично мінімальні) витрати|затрати| теплоти для термодинамічно ідеального процесу термообробки, коли симетрично нагрівається миттєво до заданої температури зона шириною 2від осі шва (за наявності адіабатних| граничних умов на всіх поверхнях).

У реальних умовах на ідеальний процес місцевої термообробки впливають фізичні, технологічні і технічні умови (явище теплопровідності, допустима щільність теплового потоку джерела теплоти і його параметри, відсутність теплоізоляції на поверхнях посудини|посудини|), які приводять|призводять,наводять| до збільшення енерговитрат. Проведені розрахунки фактичних витрат|затрат| теплоти при обліку|урахуванні| фізичних і технологічних факторів при нагріві до 650С кільцевої зони посудини|посудини| Dн=2,0м, виконаного з|із| легованої конструкційної сталі (табл.6).

Таблиця 6.

Витрата теплоти Qфакт (МДж) при різній ширині джерела теплоти.

Товщина стінки судини|посудини|, м

Ширина джерела теплоти, м

,6

,7

,8

,9

,0

,1

0,1

1760

0,15

0,2

4200

Результати розрахунків показують, що втрати теплоти теплопровідністю уздовж|вздовж,уподовж| стінки посудини|посудини| складають 100 –% мінімально необхідної кількості теплоти на термодинамічно ідеальний процес. Отже, подальше|дальше| підвищення енергетичної ефективності місцевого нагріву може бути реалізовано регенерацією цих теплових втрат.

Слід зазначити, що|слід відзначити , що,следует отметить | ефективність місцевого нагріву із|із| збільшенням товщини стінки судини|посудини| зменшується, оскільки товстостінні судини|посудини| нагріваються з|із| меншою швидкістю (меншою щільністю теплового потоку).

Видно|показно|, що витрата теплоти зростає із|із| збільшенням ширини нагрівального пристрою|устрою| і наявністю теплообміну на поверхнях посудини|посудини|. Накладення ізоляції, особливо на внутрішню поверхню посудини|посудини|, є|з'являється,являється| трудомісткою і незручною для виконання операцією. Тому на практиці нагрів здійснюють або за відсутності ізоляції на внутрішній поверхні посудини|посудини|, або за відсутності її на обох поверхнях. Показано, що з метою економії теплоти доцільно застосування|вживання| теплової ізоляції, особливо на внутрішній поверхні посудини|посудини|. З урахуванням|з врахуванням| фізичних, технологічних і технічних умов (зокрема, за відсутності теплової ізоляції на обох поверхнях) Qфакт перевищує Qmin=732МДж в 5 і більше разів.

У тих випадках, коли необхідно провести місцеву термообробку одного зварного шва на посудині|посудині|, доцільність застосування|вживання| місцевого нагріву кільцевої зони замість нагріву всього виробу в термічній печі не викликає|спричиняє| сумнівів. Із|із| збільшенням числа кільцевих швів, що піддаються термообробці, відмінність у витратах|затратах| теплоти в обох варіантах зменшується. Тому важливо|поважно| оцінити ефективність і доцільність застосування|вживання| місцевої термообробки зварних швів вважаючи|гадаючи|, що їй піддається не один, а всі кільцеві шви, що є|наявний| на посудині|посудині|. Як основний критерій оцінки даних варіантів прийнятий коефіцієнт енергозбереження Кэ:

(19)

де q- питоме, теоретично необхідне теплоспоживання технологічного процесу, кДж/кг;

q - фактична питома кількість теплоти, закумульована початковим|вихідним| матеріалом (об'єктом) в технологічному процесі.

Проведений розрахунок Кэ при термічній обробці одного і семи зварних швів посудини|посудини| Dн= 2,0м, = 0,1м, масою 106 т. Прийнято: tнач= 20оС, tкон = 650оС. Витрата природного газу в печі місцевого нагріву 70 м/год, в термічній печі - 1200 м/год (за даними АТ “Червоний Казаняр”, м. Таганрог). Час нагріву в обох випадках однаково –години. З|із| проведених розрахунків виходить, що Кэпри місцевій термообробці семи зварних швів приблизно в чотири рази вище, ніж при термообробці в печі з|із| висувним черенем при нагріві всього виробу. Оскільки|тому що| Кэ прийнято рахувати одним з первинних і основних критеріїв оцінки енергозберігаючих варіантів, то витікає, що доцільно застосовувати місцеву термообробку всіх кільцевих швів.

ПРАКТИЧНІ РОЗРОБКИ ПО| НАГРІВУ КІЛЕЦЬ

ЗОН ПОСУДИН|посудин|

Шостий розділ присвячений розробці методики розрахунку електронагрівальної|електронагрівної| установки і рекомендаціям по модернізації секцій.

Розроблена методика розрахунку секційної електронагрівальної|електронагрівної| установки для нагріву кільцевих зварних швів посудин|посудин|. Початковими|вихідними| даними для розрахунку є|з'являються,являються|: зовнішній і внутрішній діаметри посудини|посудини|, марка стали, з|із| якої виготовлена посудина|посудина|, початкова і кінцева|скінченна| температура нагріву зварного шва, нерівномірність температури по колу, перепад температури по| товщині стінки, форма поверхні секцій електронагрівача, матеріал випромінюючих елементів секцій нагрівача, розміщення секцій нагрівача, що допускається (всередині|усередині|, зовні|ззовні|).

Розрахунковими параметрами є|з'являються,являються|:

граничнодопустимий осьовий перепад температури доп|, оС|, максимальна щільність теплового потоку джерела теплоти qmax, Вт/м, ширина секцій електронагрівача, що забезпечує необхідне обмеження по| осьовому перепаду температур факт <  перед, температура випромінюючих елементів секцій на початку і кінці нагріву, загальна|спільна| теплова потужність електронагрівальної|електронагрівної| установки, конструктивні розміри випромінюючих елементів секції і їх розміщення, електричні параметри (величина струму|току|, напруга|напруження|) секції.

У розділі приведений приклад|зразок| розрахунку, що включає початкові|вихідні| дані. Розрахунок проводиться з використанням формул, табличних даних, приведених в роботі.

Сформульовані рекомендації по| вдосконаленню геометричних і енергетичний параметрів випромінюючих елементів секцій з метою зменшення нерівномірності температурного поля кільцевої зони по колу. Вказана нерівномірність може бути зменшена при наступних|слідуючих| варіантах модернізації секцій або управлінню розподілом потужності:

. Пропонується подача більшої потужності на крайні випромінюючі елементи (кількість їх варіюється), а на середні –меншої потужності. Таким чином, виходить “трьохзонна”секція. Збільшена потужність крайніх випромінюючих елементів компенсує “витік”теплоти теплопровідністю в ділянки, що не “обігріваються”, по колу між секціями, що приведе до меншої нерівномірності температурного поля;

. Пропонується конструктивне виконання випромінюючих елементів із|із| змінними зазорами між ними: між крайніми елементами зазори менше, а між середніми –більше. Це приведе до перерозподілу загальної|спільної| потужності секції як в попередньому варіанті.

а)                                                               б)

 

Рис.2. Варіанти конструктивного виконання секцій:

а) з|із| постійним зазором між випромінюючими елементами Q > Q;  Т > Т;

б) із|із| змінним зазором між електронагрівальними|електронагрівними| елементами: Т=const.

Запропоновані варіанти управління температурним полем по колу не складно реалізувати в практичній діяльності.

ВИСНОВОК

|укладення,ув'язнення|

  1.  Для одного з ефективних енергозберегаючих технологічних процесів обробки матеріалів (місцевого нагріву при здійсненні технології відпуску|відпуску|) виконаний аналіз теплових і супутніх їм явищ з метою забезпечення раціональної його організації, орієнтованої на підвищення ефективності, довговічності і надійності енергетичного устаткування|обладнання|..
  2.  Розроблені теплофізичні основи технології відпуску|відпуску| великогабаритних порожнистих осесиметричних виробів із застосуванням місцевого нагріву електронагрівачами опору і індукційними струмами|токами| різної частоти. Встановлені|установлені| фізичні закономірності протікання багатовимірних|багатомірних| процесів теплопровідності, які пов'язані з локальними тепловими діями. З метою проектування раціональних технологічних режимів, методами математичного моделювання вивчені можливості|спроможності| дії на тепловий стан виробів різних геометричних і енергетичних параметрів нагрівального устаткування|обладнання|.
  3.  Вперше|уперше| проведений комплекс аналітичних досліджень теплопереноса| в одношарових порожнистих циліндрах і плоских тілах при нагріві локальними поверхневими|поверховими,зверхніми| джерелами теплоти (електронагрівачами опору) з|із| довільним розподілом щільності теплового потоку за різних граничних умов. Запропонована нова методика розрахунку теплообміну на поверхнях, що не входять в зону розташування джерел теплоти. Визначені параметри, що входять в рівняння, яке описує закон зовнішнього теплообміну.
  4.  Розроблені науково-методичні основи визначення теплових станів ізотропних і багатошарових анізотропних посудин|посудин| при нагріві поверхневими|поверховими,зверхніми| і об'ємними джерелами теплоти з урахуванням|з врахуванням| теплообміну на поверхнях. Теоретично обґрунтовано, що для рулонованих| виробів величина перепаду температур по товщині стінки має менше значення, ніж для квазімонолітних. Показано, що облік|урахування| впливу анізотропії багатошарових виробів підвищує точність визначення температурних полів.
  5.  Стосовно складних нелінійних завдань|задач| теорії місцевого нагріву знайшли подальший|дальший| розвиток методики розрахунку теплових режимів при нагріві двошарових посудин|посудин| з|із| різними теплофізичними характеристиками шарів дворядною секційною електронагрівальною|електронагрівною| установкою. Досліджено вплив ефектів неоднорідності на тепловий стан системи. Теоретично обґрунтовано, що для раціональної організації технології відпуску|відпуску| товстостінних виробів доцільно застосування|вживання| дворядної секційної нагрівальної установки.
  6.  Узагальнені аналітичні рішення задач зовнішнього теплообміну при місцевому нагріві осесиметричних порожнистих виробів електронагрівачами опору різної конфігурації (плоскої, циліндрової опуклої|випуклої| і циліндрової вогнутої|угнутої|). На підставі обчислювальних експериментів досліджено вплив форми поверхні секції електронагрівача на особливості зміни теплового стану тіл, що нагріваються. Розроблені рекомендації по вибору раціональної форми поверхні секції нагрівача опору.
  7.  Запропонована оригінальна методика теплового розрахунку секційної нагрівальної установки для термообробки кільцевих зон, що дозволяє визначати умови, що забезпечують ефективну реалізацію технології відпустки|відпуску| за допомогою місцевого нагріву. Методика дозволяє враховувати величину допустимої щільності теплового потоку, форму випромінюючої поверхні, геометричні характеристики секції (ширину, довжину, зазор між секцією і металом), її відносне місце розташування.
  8.  Розроблена універсальна методика розрахунку температури випромінюючих елементів секцій електронагрівачів опору з урахуванням|з врахуванням| їх різної конфігурації і місце розташування. Одержані|отримані| залежності покладені в основу визначення раціональних енергетичних, геометричних характеристик джерел теплоти (засобів|коштів| нагріву). Показано, що облік|урахування| того чинника|фактору|, що поверхня секції є|з'являється,являється| не суцільною, а сегментарною приводить|призводить,наводить| до підвищення необхідної її температури (приблизно на 50-100оС), що забезпечує задані режимні параметри.
  9.  Розроблена єдина методика визначення допустимої щільності теплового потоку залежно від типорозмірів| посудини|посудини| і його теплофізичних властивостей. Розрахунково-теоретичний аналіз показав, що організація місцевого нагріву з урахуванням|з врахуванням| qдоп .дозволяє здійснити цей процес з|із| мінімальними енерговитратами.
  10.  На основі методу граничного енергозбереження проведена оцінка мінімально-можливих і фактичних енерговитрат при місцевій термообробці великогабаритних порожнистих виробів, що враховують фізичні, технологічні і технічні умови (явище перенесення|переносу| теплоти в ділянки, що не обігріваються, теплопровідністю, допустиму щільність теплового потоку, відсутність або наявність теплової ізоляції). Показано, що Qфакт може перевищувати Qmin п'ять і більше разів. Виявлені резерви зниження витрати теплоти при дотриманні технологічних і технічних умов процесу.
  11.  На підставі дослідження особливостей процесів теплопереносу | при локальних теплових діях в умовах організації високого відпуску|відпуску| розроблені технічні рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування| по підвищенню ефективності нагріву кільцевих зон посудин|посудин|. Запропонована модифікація конструктивного виконання випромінюючої поверхні секцій:

- із|із| змінним кроком між випромінюючими елементами секції;

- перерозподілом потужності між елементами секції, коли менша потужність подається на середні елементи, велика потужність подається на крайні елементи секції.

В наслідок|унаслідок,внаслідок| досліджень, виконаних в дисертаційній роботі, вирішена важлива|поважна| науково-технічна проблема створення|створіння| теплофізичних основ технології відпуску|відпуску| великогабаритних порожнистих виробів із застосуванням місцевого нагріву. Представлені|уявлені| розробки актуальні для удосконалення існуючих технологічних процесів, здійснення нових технологічних режимів, проектування ефективних технологій і керування ними.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих научных работах:

1. Алексеев Г.Ф., Лихачев А.К., Яковлева И.Г. Моделирование температурных полей при нагреве кольцевых зон сосудов и трубопроводов. - Иваново: Иванов. гос. арх. - строит. акад. - 1997.- 188с.

. Алексеев Г.Ф., Яковлева И.Г. Трубопроводный транспорт газа. Часть 1. Гидравлические и тепловые расчеты // Учебное пособие. - Ростов н/Д. :Рост. гос. строит. ун-т.-2000. - 80с.

. Алексеев Г.Ф., Яковлева И.Г. Тепловые процессы и энергосбережение при местной термообработке сварных соединений магистральных газопроводов и сосудов // Учебное пособие. - Ростов н/Дону: Рост. гос. стр. ун-т. - 2001. - 67с.

. Алексеев Г.Ф., Яковлева И.Г. Регрессионные уравнения по расчету коэффициентов сосредоточенности от нагревателей излучения плоской и цилиндрической форм // Сб. научно-информ. статей Ивановского инж.-стр. ин-та. Выпуск 1 –Иваново.- 1994.-С.172-175.

. Алексеев Г.Ф., Яковлева И.Г. Модуль лучистого теплообмена в системе двух поверхностей инженерных конструкций // Энергоресурсосбережение и охрана окружающей среды: Межвузовский сборник научн.-информ. статей ИИСИ. Выпуск 2. –Иваново.- 1995.-C.83-87.

6. Алексеев Г.Ф., Яковлева И.Г. Температурное поле пластины при местном нагреве с учетом теплообмена на поверхностях // Известия Иванов. отделения Петровской академии наук и искусств.- Иваново: Иванов. гос. арх.-стр. академия.- 1996. - С.15-20.

. Алексеев Г.Ф., Яковлева И.Г. Температурное поле стенки цилиндра, нагреваемого секционными источниками теплоты // Известия Ивановского отделения Петровской академии наук и искусств. - Иваново: Иванов. гос. арх. акад.- 1996. - С.20-25.

. Яковлева И.Г. Моделирование температурных полей при местной термообработке крупногабаритных сосудов // Создание и развитие информационной среды вуза: состояние и перспективы: Сб. статей Ивановской гос. арх.-стр. акад. - Иваново.- 1997.-С.133-134.

. Яковлева И.Г., Алексеев Г.Ф. Моделирование температурных полей при местном нагреве стенок крупногабаритных сосудов электронагревателями плоской и цилиндрической формы // Состояние, проблемы и направления развития производства цветных металлов в Украине: Сборник научных трудов ЗГИА. – Запорожье: ЗГИА. –. - С. 400-405.

10. Яковлева И.Г. Температурное поле многослойной пластины при местном нагреве поверхностным источником теплоты // Металлургия.- Запорожье: ЗГИА, 1998. - С.119-123.

11. Алексеев Г.Ф., Яковлева И.Г. Температурное поле массивной пластины при местном нагреве объемными источниками теплоты // Известия Ростов. гос. строит. ун-та. Выпуск 3. - Ростов н/Д. –. - С.114-119.

. Яковлева И.Г. Энергетическая эффективность нагревателей различной формы при термообработке кольцевых зон осесимметричных конструкций // Металлургия. –Запорожье: ЗГИА.- 2001. - С.108-113.

13. Яковлева И.Г. Влияние условий нагрева на расход теплоты при местной термообработке кольцевых сварных швов // Металлургическая теплотехника. - Днепропетровск: НМетАУ. - 2001. -С.60-64.

. Алексеев Г.Ф., Яковлева И.Г. Оценка облученности поверхности пола помещения от прямоточного „темного” трубного излучателя с постоянной расчетной температурой по длине // Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды: Межвузовский сб. научн. тр. Выпуск 6. - Ростов н/Дону. –. - С.3-5.

15. Яковлева И.Г., Алексеев Г.Ф. Оценка энергозатрат при местной термообработке сварных швов сосудов // Промышленная энергетика.-2002. - №7. - С.50-54.

. Алексеев Г.Ф., Дрепин В.В., Яковлева И.Г. Расчетная оценка облученности поверхности помещения при отоплении зданий прямоточными “темными”трубными излучателями с переменной температурой по длине // Металлургическая теплотехника: Сборник науч. трудов. –Дн-ск: НМетАУ.-2002. - С.32-35.

17. Яковлева И.Г. Анализ режимов нагрева кольцевых зон сосудов электронагревателями сопротивления // Металлургическая теплотехника: Сборник науч. трудов. Том 8. –Дн-ск:НМетАУ.-2002. - С.75-79.

18. Яковлева И.Г. Распределение энергии по поверхности сосуда от секции электронагревателя сопротивления при местной термической обработке сварных кольцевых швов // Сварочное производство.- 2002. - №11. - С.22-24.

. Яковлева И.Г. Моделирование температурного поля сварного шва для разработки технологии местной термообработки // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2003.- №1.- С.114-117.

20. Яковлева И.Г. Расчет угловых коэффициентов излучения от секций электронагревателя сопротивления при местной термообработке сварных кольцевых швов сосудов // Промышленная теплотехника. - 2003.- №1.- С.45-50.

. Алексеев А.Г., Яковлева И.Г., Василенко О.В. Обобщение задач нагрева массивных тел поверхностными источниками теплоты// Металлургия. –Запорожье: ЗГИА. - 2003. - С.96-99.

. Яковлева И.Г. Методика расчета геометрических параметров секций электронагревателя сопротивления для местной термообработки кольцевых швов сосудов // Промышленная энергетика. - 2003.-№5.-С.38-42.

. Яковлева И.Г. Метод расчета параметров при индукционном нагреве кольцевых зон сосудов и трубопроводов с учетом внутренних источников теплоты // Металлургическая теплотехника: Сб. научн. тр. –Дн-ск: НМетАУ.- 2003. - Т.9. - С.154-162.

. Яковлева И.Г. Моделирование трехмерных температурных полей при наружном нагреве кольцевых зон сосудов электронагревателями сопротивления // Вестник Харьковского национального университета. -2003.- №  -С.277-281.

. Яковлева И.Г. Энергетическая целесообразность местной термической обработки сварных швов сосудов // Металлургическая теплотехника: Сб. научн. тр. –Дн-ск: НМетАУ. - 2004. –С.279-283.

АННОТАЦИИ

ЯКОВЛЕВА И.Г. Теплофизические основы рациональной тепловой обработки полых металлоизделий.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.14.06 –Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск -  2005.

Получены аналитические решения по расчету двухмерного температурного поля стенки полого цилиндра, нагреваемого снаружи или изнутри по кольцевой зоне источником теплоты с распределением удельного теплового потока по длине цилиндра по произвольному закону с теплообменом и без теплообмена на граничных поверхностях. Из решений в наиболее общей постановке задач (с учетом теплообмена) следуют решения при частной постановке (без теплообмена с окружающей средой), а также при нагреве по кольцевой зоне равномерно-распределенным и нормально-полосовым источником теплоты. Получены аналитические решения по расчету трехмерных температурных полей в многослойных пластинах (схематизирующих многослойные стенки цилиндров), нагреваемых поверхностными и объемными источниками теплоты. С учетом полученных решений предложен метод расчета температурного поля в стенке сосуда при индукционном нагреве кольцевых зон с оценкой численных значений всех параметров, учитываемых в расчете. Проведена экспериментальная проверка расчетных температур при нагреве полого цилиндра наружным диаметром 2030мм и толщиной стенки 115мм двухсекционным индуктором соленоидного типа при частоте тока f=50 Гц.

Разработаны численные математические модели по расчету двух- и трехмерных температурных полей стенок полых изделий, нагреваемых по кольцевой зоне однорядным и двухрядным секционными электронагревателями сопротивления. Предусмотрена реализация режимов нагрева q(τ)=const, сн(τ)=const.

Проведена экспериментальная проверка расчетных температурных полей.

Получено и представлено в единой модульной форме записи аналитическое решение по определению угловых коэффициентов излучения от плоских, цилиндрических (выпуклых, вогнутых) секций электронагревателя на произвольно расположенные участки внешней или внутренней поверхности полого цилиндра. С использованием полученного решения проведен анализ технологической и энергетической эффективности, а также эксплуатационной надежности секций различной формой поверхности. Показано, что с целью получения более равномерного температурного поля по окружности полого изделия предпочтительно применение секций с цилиндрической формой поверхности. По энергетической эффективности имеют наилучшие показатели секции плоской формы.

По эксплуатационной надежности предпочтительны секции плоской формы, т.к. они могут иметь наиболее низкую температуру в процессе нагрева при прочих равных условиях. Разработана методика расчета температуры излучающей поверхности секций. Проведена экспериментальная проверка расчетных температур излучающей поверхности секции. Расхождение расчетных и экспериментальных значений не превышает ±3%.

Предложена методика и проведена расчетно-теоретическая оценка геометрических параметров нагревателей сопротивления с учетом максимально-допустимых значений плотности теплового потока источника теплоты и технологического ограничения на температурное поле в направлении оси цилиндрического изделия. Определена минимально возможная ширина секции, зазоры между излучающими элементами секций нагревателя и поверхностью изделия; предельные (максимально допустимые) значения коэффициентов сосредоточенности удельного теплового потока от излучающих элементов секций нагревателя при расположении их внутри или снаружи полого изделия, численно оценены минимальные расстояния между центрами секций двухрядного нагревателя. Подтверждено, что применение двухрядного нагревателя позволяет уменьшить его общую ширину (с учетом расстояния между рядами).

На основе метода предельного энергосбережения проведена оценка энергозатрат при нагреве кольцевых зон сосудов. Определены предельно низкие (теоретически минимальные) затраты теплоты с учетом физических факторов (явления теплопроводности) и теплообмена на поверхностях. Вскрыты резервы экономии теплоты.

Предложена методика расчета одно –и двухрядной секционной нагревательной установки, располагаемой внутри или снаружи полого изделия. Методика позволяет определить энергетические и геометрические параметры нагревательной установки при обеспечении заданного технологического требования по ограничению осевого перепада температуры в зоне сварного шва. Методика иллюстрирована примером расчета.

Разработаны технические решения по повышению эффективности нагрева кольцевых зон полых изделий за счет модификации конструктивного исполнения излучающей поверхности секций и перераспределения мощности между отдельными элементами секций (на крайние, излучающие элементы подается большая мощность).

Основные результаты работы внедрены в производство и в проекты ГП Гипропром, ОАО Днепроэнерго, ОАО Днепроспецсталь.

Ключевые слова: локальные тепловые воздействия, температурное поле, время нагрева, аналитические решения, численные методы, секции электронагревателя, форма поверхности секций, угловые коэффициенты, осевой перепад температуры, технологические ограничения, эффективность нагрева, методика расчета, температура секций, двухсекционная нагревательная установка.

ЯКОВЛЄВА І.Г. Теплофізичні основи раціональної теплової обробки порожнистих металовиробів.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.14.06 - Теоретична теплофізика та промислова теплоенергетика. Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ - 2005.

Дисертація присвячена створенню теплофізичних основ місцевого нагріву великогабаритних вісьосиметричных конструкцій, розробці науково-обгрунтованних положень по забезпеченню умов проведення процессу локальноїтеплової обробки й визначенню раціональних параметрів засобів нагрівання.

У роботі наведені результати досліджень по вивченню теплових процесів при локальних теплових впливах і розробок із модернізації нагрівальних пристроїв, що забезпечують  технологічні вимоги на рівномірність температурного поля по вісі виробу, що нагрівається.

Результати роботи упроваджені до виробництва на ВАТ Дніпроенерго, ВАТ Дніпроспецсталь, ДП Гіпропром.

Ключові слова: локальні теплові впливи, променистий теплообмін, нагрівач опору, секційна нагрівальна установка, секція нагрівача опору, чисельна модель, багатошарова стінка виробу.

Yakovleva I.G. Thermal and physical foundation of  rational thermal  treatment of hollow  metallic  wares.

The technical  engineering sciences  doctorate degree  thesis on speciality 05.14.06 Industrial Heat Power Engineering. National Metallurgical Academy of Ukraine, Dnepropetrovsk - 2005

The thesis is devoted to the creation of  thermal  and physical fundamentals of local heating of massive axis and asymmetrical structures,  developing of well founded bases providing conditions of  process  delivering of local thermal treatment  and  definition of rational parameters of  heating means are given.

The  results of  research on thermal process study under the local and  thermal effects and modernization of heating devices  which provide the technological requirements uniformity of a temperature field on an axis of a heated up item

The results of the work are implemented to the industrial production in JSC Dneproenergo, JSC Dneprospezstal, SM Gyproprom.

Keywords: local thermal effects, radiative thermoexchange, resistance heater, sectional heating plant, section of resistance heater, numerical model, multilayer wall of an item.

Підписано до друку 16.05.2005р. Формат 60х84 1/32. Папір офсетний.

Умовн. друк. арк. 1,8. Наклад 100 прим.

Віддруковано друкарнею

Запорізької державної інженерної академії

З компютерного оригінал-макету пошукувача

69006, м. Запоріжжя, пр. Леніна, 226

РВВ ЗДІА, тел. 2-238-240




1. Развитие предпринимательства в отечественной экономике
2. модернизация стран третьего мира стала синонимом их европеизации а точнее тем вектором развития который
3. секретарь Непременного совета М
4. Работа прокуратуры с жалобами, предложениями и заявлениями
5. Методические рекомендации по выполнению самостоятельной работы студента Самостоятельная работа студен
6. Николай Рубцов
7. I ~u qulln~c~n~~ k~zden ke~irilmegen cemi s~mr~~lr~ red eteldi
8. реферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата економічних наук Львів ~ Д
9. а Вы Джонни Депп и Брэд Питт в одном флаконе
10. Поскольку усиливается их влияние как на финансовое состояние субъектов хозяйствования так и на качество п