Введение к работе
Актуальность работы. Одним из эффективных энергосберегающих технологических приемов при изготовлении крупногабаритных сосудов и аппаратов является местная термообработка сварных швов взамен их термообработки при нагреве всего изделия в термической печи. Организация местного нагрева позволяет отказаться от строительства и эксплуатации печей больших размеров, что дает значительную экономию топлива и материальных средств, а также позволяет более рационально использовать производственные площади предприятий для других технологических целей.
Местная термообработка кольцевых швов сосудов имеет существенное отличие от термообработки в термических печах. Вследствие локального характера подвода теплоты от источника в стенке сосуда образуются градиенты температур не только по толщине, но и в направлении оси сосуда. При неправильной организации местной термообработки осевой градиент температур может достигать значительных величин, что вызывает большие термические напряжения (превышающие предел прочности материала) и приводит к разрушению сварного шва. Чтобы этого не произошло, необходимо решить вопрос рационального выбора ширины зоны подвода теплоты от внешнего источника; кроме того, необходимо учитывать энергетические факторы - процесс термообработки должен проводиться с минимальными энергозатратами. Все это вызывает необходимость всестороннего изучения теплотехнических процессов при нагреве кольцевых зон сосудов.
Основные теоретические разработки выполнены в рамках научной программы госбюджетных исследований Государственного Комитета РФ по высшей школе (тема ИГАСА 10/95-Б) и являются развитием и продолжением ранее проведенных исследований по местной термообработке крупногабаритных изделий.
Цель работы заключается в определении научно обоснованных геометрических и энергетических параметров нагревательных устройств, обеспечивающих технологические требования при местной термообработке сварных швов сосудов на основе разработки математических моделей и соответствующих программных средств.
Методы исследований. В расчетных исследованиях тепловых
процессов и энергозатрат использованы методы математического
моделирования и численного эксперимента; в экспериментальном
исследовании - физическая модель (использованы известные
результаты, полученные на промышленных установках).
Научная новизна работы:
-
Получены аналитические решения по расчету нестационарных двухмерных температурных полей стенок сосудов и трубопроводов, нагреваемых по кольцевой зоне равномерно распределенными и нормально-полосовыми источниками теплоты, расположенными снаружи или внутри. На основе полученных решений разработаны и реализованы на ЭВМ математические модели для расчета температур в стенках сосудов при нагреве электронагревателями излучения и индукторами.
-
Разработана и реализована на ЭВМ численная математическая модель по расчету двухмерных нестационарных температурных полей при нагреве кольцевой зоны сосуда. Модель учитывает переменность теплофизических свойств материала стенки и условий теплообмена на поверхностях от температуры.
-
Проведен комплекс исследований по повышению энергетической эффективности местной термообработки кольцевых швов сосудов: разработаны программные средства (ПС) и проведены численно-теоретические оценки по определению минимальных размеров односекционных и двухсекционных равномерно распределенных и нормально-полосовых источников теплоты; сопоставлены энергозатраты и время нагрева при указанных выше источниках теплоты.
Практическая ценность:
-
Разработанные математические модели и ПС по определению температурных полей стенок сосудов и минимальных размеров источников теплоты могут быть применены на стадии проектирования нагревателей излучения и индукционных установок для местной термообработки кольцевых зон сосудов и трубопроводов.
-
Расчетно-теоретический анализ температурных полей позволил установить минимальные размеры равномерно распределенных и нормально-полосовых источников теплоты для сосудов, выполненных из низколегированных конструкционных сталей. Выполнение этих размеров обеспечивает технологическое требование по максимально допустимому осевому перепаду температур в зоне сварного шва.
Реализация результатов работы:
1. Результаты численных расчетов по определению минимальных
параметров электронагревателей излучения и индукционных установок
переданы АО "Стальпроект" (г. Москва) для практического
использования.
-
Комплекс ПС по определению температурных полей стенки полого цилиндра при местном нагреве н определению параметров нагревательных устройств передан организации " Ивгортеплосеть" (г. Иваново) для практического использования.
-
Разработки по численному моделированию температурных полей методом тепловых балансов используются при выполнении лабораторного практикума студентами специальности 290700 - ТГВ Ивановской государственной архитектурно-строительной академии.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Аналитические, решения, математические модели и
программные средства для расчета температурных полей стенок
сосудов и трубопроводов при нагреве кольцевой зоны постоянно
действующими источниками теплоты q(x)=const и q(x)=q(0)exp(-kx2).
-
Расчетно-теоретический анализ температурных полей стенок полых цилиндров и пластин и их сопоставление; анализ температурных полей стенок цилиндров, энергозатрат и времени нагрева при различных условиях однозначности, реализованных в различных математических моделях.
-
ПС для определения минимальных размеров, энергозатрат и времени нагрева для односекцнонных и двухсекционных равномерно распределенных и нормально-полосовых источников теплоты для местной термообработки сварных кольцевых швов сосудов при соблюдении технологических требований по температурному полю.
4. Результаты численных расчетов и рекомендации проектным
организациям и промышленным предприятиям по определению
геометрических и энергетических параметров нагревателен излучения и
индукторов для местной термообработки сварных швов сосудов из
низколегированных конструкционных сталей.
Апробация работы. Материалы, составляющие основное содержание
работы, докладывались и обсуждались на: научных семинарах НИЛ
математического моделирования и автоматизированного
проектирования ИИСИ (1994-95 г.); межвузовской конференции "Опыт
информатизации образования в институте: состояние и перспективы"
(Иваново, 1995 г.), заседании секции "Архитектура и строительство"
Ивановского отделения Петровской Академии наук и искусств
(Иваново, 1996 г.); на научных семинарах кафедры
"Теплогазоснабжения и вентиляции" ИГАСА (1996 г.).
Публикации. Результаты исследований опубликованы в семи работах.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложена на 156 страницах, включает 39
таблиц и 26 рисунков, а также содержит список литературы из 126 наименований и приложения с материалами, подтверждающими внедрения результатов работы.
