Содержание к диссертации
Введение
1. Моделирование тепловой работы промышленных печей (аналитический обзор) 11
1.1. Особенности процесса обжига керамических изделий 13
1.2. Моделирование внутреннего теплообмена 14
1.3. Моделирование внешнего теплообмена 17
1.3.1. Методы решения задач радиационного теплообмена в промышленных печах 17
1.3.2. Методы решения задач конвективного теплообмена в промышленных печах 21
1.3.3. Методы расчета радиационно-конвективного теплообмена в печах 23
1.4. Пакеты прикладных программ, используемые для решения теплотехнических задач 24
1.5. Математическое моделирование тепловой работы промышленных печей 27
1.6. Выводы и задачи исследования 35
2. Исследование эффективности методов решения многомерных задач теории теплопроводности 37
2.1. Применение метода Либмана для решения многомерных задач внутреннего теплообмена 38
2.2. Применение метода дробных шагов для решения многомерных задач внутреннего теплообмена 49
2.3. Оценка эффективности метода дробных шагов и метода Либмана 51
2.4. Выводы по главе 2 60
3. Экспериментальное исследование тепловой работы туннельных печей и сушил 73
3.1. Экспериментальное исследование туннельной электрической печи ЗАО «ИСМА» 73
3.1.1. Общая характеристика туннельной электрической печи и технология обжига 73
3.1.2. Результаты экспериментального исследования тепловой работы туннельной электрической печи 76
3.2. Экспериментальное исследование туннельных печей и сушил ОАО «Ивстройкерамика» 80
3.2.1. Общая характеристика туннельных печей и сушил 80
3.2.2. Технология сушки и обжига керамического кирпича 85
3.2.3. Исследование качества керамического кирпича
после сушки и обжига по технологии фирмы «Fuchs» 90
3.2.4. Результаты экспериментального исследования режима работы туннельных сушил фирмы «Fuchs» 97
3.2.4.1. Исследование изменения температуры и влажности сушильного агента 97
3.2.4.2. Исследование изменения температуры и влажности кирпича-сырца в процессе сушки 101
3 2.4.3. Результаты внедрения рекомендаций
по совершенствованию процесса сушки 105
3.2.5. Результаты экспериментального исследования
тепловой работы туннельной печи фирмы «Fuchs» 107
3.3. Выводы по главе 3 109
4. Математическая модель тепловой работы туннельной электрической печи для обжига абразивных изделий 110
4.1. Решение задачи внешнего теплообмена 110
4.1.1. Расчет угловых коэффициентов излучения 113
4.1.2. Расчет радиационного теплообмена 116
4.2. Решение задачи внутреннего теплообмена 118
4.2.1. Математическая постановка задачи 118
4.2.2. Метод решения и алгоритм расчета 121
4.3. Алгоритм реализации математической модели 126
4.4. Результаты вычислительных экспериментов и проверка их достоверности 129
4.4.1. Проверка адекватности математической модели 129
4.4.2. Исследование температурного режима обжига абразивных изделий 130
4.5. Разработка рекомендаций по совершенствованию тепловой работы туннельной электрической печи 137
4.5.1. Рекомендации по совершенствованию режимов обжига абразивных изделий 138
4.5.2. Рекомендации по использованию вторичных энергоресурсов 141
4.6. Выводы по главе 4 142
5. Математическая модель тепловой работы туннельной газовой печи для обжига керамического кирпича 144
5.1. Решение задачи внешнего теплообмена 144
5.1.1. Расчет обобщенных угловых коэффициентов излучения 146
5.1.2. Расчет радиационно-конвективного теплообмена 148
5.2. Решение задачи внутреннего теплообмена 154
5.2.1. Математическая постановка задачи 154
5.2.2. Метод решения и алгоритм расчета 155
5.3. Алгоритм реализации математической модели 157
5.4. Проверка адекватности математической модели 160
5.5. Рекомендации по совершенствованию тепловой работы туннельной газовой печи 160
5.6. Выводы по главе 5 162
Основные выводы и результаты работы 163
Список литературы
- Методы решения задач радиационного теплообмена в промышленных печах
- Применение метода дробных шагов для решения многомерных задач внутреннего теплообмена
- Результаты экспериментального исследования тепловой работы туннельной электрической печи
- Расчет угловых коэффициентов излучения
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время одной из важнейших проблем является экономия топливно-энергетических ресурсов. При этом особое значение энергосбережение имеет для энергоемких отраслей промышленности, к которым относится производство керамических изделий.
Для обжига керамических изделий производственного и бытового назначения широко применяют туннельные печи, обладающие большими потенциальными возможностями для повышения их энергетической, технологической и экономической эффективности за счет совершенствования конструкции и режимов работы данных высокотемпературных установок.
Обжиг керамических изделий представляет собой сложный технологический и теплофизический процесс. При обжиге под влиянием теплового воздействия в керамических массах протекают физико-химические процессы, связанные с различной степенью спекания материала. При этом для получения высококачественных изделий, не имеющих трещин и деформаций, необходимо обеспечить рациональный режим термической обработки, заключающийся в равномерном нагреве и охлаждении изделий по всей массе с допустимой скоростью изменения температуры.
Таким образом, необходимыми условиями получения высококачественной продукции и повышения производительности туннельных печей являются правильная организация их тепловой работы и точное выдерживание температурного графика обработки изделий.
Экспериментальные исследования в производственных условиях являются дорогостоящим, сложным и длительным процессом. Современное состояние вычислительной техники и средств математического обеспечения, включая численные методы реализации сложных математических моделей, позволяют получать достаточно точную и обширную информацию о различных тепловых процессах путем проведения вычислительных экспериментов. Этот метод исследования существенно сокращает сроки и затраты на разработку рациональных тепловых режимов
В связи с этим актуальное значение приобретают задачи повышения эффективности тепловой работы действующих агрегатов, выбора рациональных режимов обжига и конструктивного совершенствования туннельных печей на основе магматического моделирования их тепловой работы.
Целью работы является исследование и совершенствование режимов обжига керамических изделий при помощи специально разработанных математических моделей тепловой работы туннельных электрических и газовых печей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Осуществить выбор численного метода решения многомерных задач теории теплопроводности Для этого исследовать эффективность двух основных методов решения задач этого класса: метода дробных шагов и метода Либмана.
Разработать математическую модель тепловой работы туннельной электрической печи для обжига абразивных кругов на керамической связке, учитывающую многоярусность установки, особенности геометрических размеров садки, её внутреннего строения и изменение теплофизических свойств материала в процессе термообработки.
Разработать математическую модель тепловой работы туннельной газовой печи для обжига керамического кирпича, учитывающую тепловые эффекты химических реакций, происходящих в обжигаемых изделиях, а также порозность керамического кирпича.
Выполнить экспериментальное исследование тепловой работы туннельной двухщелевой электрической печи и туннельной газовой печи. Проверить адекватность математических моделей сопряженного теплообмена в туннельных обжиговых печах.
Провести исследование тепловой работы туннельных электрической и газовой печей при помощи математической модели. Разработать рекомендации по совершенствованию режимов обжига керамических изделий.
Научная новизна работы.
Исследована эффективность двух основных методов решения многомерных задач теории теплопроводности: метода дробных шагов и метода Либмана. Построены номограммы, позволяющие определять оптимальные параметры пространственно-временной сетки и выбирать метод решения.
Разработана новая методика экспериментального исследования характеристик качества керамического кирпича (трещинообразование, сопротивление на сжатие и изгиб), учитывающая особенности, как технологического режима, так и состава сушильно-печного оборудования.
Разработана математическая модель тепловой работы туннельной двухщелевой электрической печи для обжига абразивных кругов на керамической связке, учитывающая особенности строения садки и изменение теплофизических свойств
материала в процессе обжига, а также позволяющая выбирать рациональные тепловые режимы термообработки изделий различного типа и исследовать влияние конструкции печи на равномерность и скорость нагрева (охлаждения) материала.
4. Разработана математическая модель тепловой работы туннельной газовой печи для обжига керамического кирпича, учитывающая тепловые эффекты химических реакций, происходящих в объеме керамического кирпича в процессе обжига, а также позволяющая выбирать рациональные режимы обжига изделий и исследовать влияние конструкции ограждений печи на равномерность и скорость нагрева (охлаждения) кирпичной садки.
Достоверность представленных в работе результатов и выводов, полученных путем проведения вычислительного эксперимента, подтверждена при проверке адекватности математических моделей путем сравнения расчетных данных с результатами промышленных экспериментов.
Практическая ценность работы.
Экспериментально получена новая информация об изменении температуры и влажности горячего теплоносителя, а также температуры и влажности кирпича в процессе сушки в туннельном сушиле с однорядным по высоте расположением кирпичей в садке.
Сконструировано устройство, позволяющее в условиях повышенных температур в течение длительною времени измерять и регистрировать ряд параметров іермообрабатьіваемьіх изделий (патент на полезную модель № 48630).
3. В результате комплексного экспериментального исследования процесса
сушки разработаны рекомендации по совершенствованию режима сушки керами
ческого кирпича.
Математические модели по расчету температурных полей и режимов обжига керамических изделий в туннельной электрической и газовой печах реализованы в виде вычислительного программного комплекса «Tunnel furnaces», имеющего современный интерфейс. Программный комплекс может быть использован наладочными и проектными организациями при проектировании и эксплуатации установок данного типа.
Предложены номограммы, позволяющие определять рациональный режим работы туннельной электрической печи, обеспечивающий заданное качество продукции. Номограммы могут быть использованы при составлении новой технологической инструкции режима обжига абразивных кругов на керамической связке.
Для условий работы туннельной газовой печи получена функциональная зависимость производительности печи от расхода топлива, позволяющая выбирать рациональный режим термообработки керамического кирпича при заданной температуре обжига.
Предложено техническое решение по утилизации тепловых потерь из рабочего пространства туннельной электрической печи. Новая конструкция ограждений печи позволит повысить эффективность использования энергии, увеличить срок службы клемм электронагревателей и регулировать интенсивность охлаждения садки.
В результате теоретического и экспериментального исследования тепловой работы туннельных электрической и газовой печей разработаны рекомендации по совершенствованию режимов обжига керамических изделий.
Реализация результатов. Результаты диссертационной работы в виде рекомендаций по совершенствованию тепловой работы туннельной двухщелевой электрической печи для обжига абразивных кругов на керамической связке переданы ЗАО «ИСМА». Внедрение предложенных рекомендаций позволит снизить брак готовой продукции.
Результаты диссертационной работы в виде рекомендаций по совершенствованию тепловой работы туннельной газовой печи для обжига керамического кирпича переданы ОАО «Ивстройкерамика». Внедрение предложенных рекомендаций позволит повысить качество керамического кирпича.
Математические модели туннельных электрической и газовой печей переданы ОАО «Теплопроект» для использования при проектировании и наладке печей указанного типа.
Вычислительный программный комплекс «Tunnel furnaces», предназначенный для исследования и расчета температурных полей и режимов обжига керамических изделий в туннельных электрической и газовой печах, используется в учебном процессе Ивановского государственного энергетического университета. Личный вклад автора в получении результатов состоит: в исследовании эффективности методов решения многомерных задач теории теплопроводности;
в разработке комплексных математических моделей туннельных печей с электрическим и газовым отоплением для обжига керамических изделий, которые реализованы в виде вычислительного комплекса «Tunnel furnaces»;
в разработке рекомендаций по совершенствованию режимов обжига керамических изделий;
в составлении программ промышленных испытаний и обработке результатов эксперимента. Автор защищает:
результаты исследования и рекомендации по совершенствованию тепловой работы туннельных электрической и газовой печей для обжига керамических изделий;
математическую модель тепловой работы туннельной электрической печи для обжига абразивных кругов на керамической связке;
математическую модель тепловой работы туннельной газовой печи для обжига керамического кирпича;
результаты исследования эффективности двух основных методов решения многомерных задач теории теплопроводности: метода дробных шагов и метода Либмана.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты данной работы представлялись:
на международных научно-практических конференциях: «Состояние и перспективы развития электротехнологии. XI и XII Бенардосовские чтения» (Иваново, ИГЭУ, 2003 и 2005); «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии» (Москва, МИСиС, 2002); «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2004 и 2005); «XII Туполевские чтения» (Казань, КГТУ, 2004); «Металлургическая теплотехника: история, современное состояние и будущее» (Москва, МИСиС, 2006); «XII Sympozjum Wymiany Ciepla і Masy» (Краков, Польша, 2004);
на всероссийских научно-практических конференциях: «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования» (Иваново, ИГЭУ, 2002 и 2005); «Энергетики и металлурги настоящему и будущему России» (Магнитогорск, 2002, 2003 и 2004);
на национальной конференции по теплоэнергетике «НКТЭ-2006» (Казань, Иссл. центр пробл. энерг. КазНЦ РАН, 2006).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 27 публикациях [172-198], в том числе в 17 статьях и докладах, 1 патенте на полезную модель, 9 тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 191 страницу машинописного текста, рисунки, таблицы, список литературы из 198 наименований и приложения.
В первой главе проводится аналитический обзор современного состояния вопроса экспериментального и теоретического исследования тепловой работы промышленных печей.
Во второй главе исследована эффективность двух основных методов решения многомерных задач теории теплопроводности: метода дробных шагов и метода Либмана. Результаты проведенного исследования эффективности методов решения многомерных задач теории теплопроводности представлены в виде номограмм, которые позволяют в каждом конкретном случае определять оптимальные параметры пространственно-временной сетки, а также выбрать предпочтительный метод расчета.
В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования тепловой работы туннельной электрической печи ЗАО «ИСМА» г. Иваново и туннельных печей и сушил австрийской фирмы «Fuchs», установленных на ОАО «Ив-стройкерамика» г Иваново. Результаты экспериментального исследования режимов обжига туннельных электрической и газовой печей использованы для проверки адекватности математических моделей тепловой работы печей данного класса.
В четвертой главе разработана математическая модель сопряженного теплообмена в двухщелевой электрической печи сопротивления. Предложенная математическая модель тепловой работы туннельной электрической печи позволяет выбирать рациональный режим обжига керамических изделий путем оперативного регулирования мощности электронагревателей в зависимости от типа и объема садки, а также совершенствовать конструкцию печи с целью уменьшения тепловых потерь через её ограждения.
В пятой главе разработана математическая модель тепловой работы туннельной газовой печи, учитывающая тепловые эффекты химических реакций, происходящих в объеме керамического кирпича в процессе обжига, и позволяющая выбирать рациональные тепловые режимы термообработки изделий и исследовать влияние конструкции ограждений печи на равномерность и скорость нагрева обрабатываемого материала.
Методы решения задач радиационного теплообмена в промышленных печах
В электрических печах с диатермичной средой основным видом теплоперено-са является радиационный теплообмен. Математическое описание процесса радиационного теплообмена строится на базе интегральных уравнений Фредгольма второго рода, составленных для плотности потоков того или иного вида излучения (собственного, результирующего или эффективного) [87-90].
Точное аналитическое решение системы уравнений, описывающих радиационный теплообмен, возможно только для самых простейших случаев [74]. Для решения задачи радиационного теплообмена в наиболее общей физической постановке используют эмпирические и теоретические методы.
В работе [88] представлен подробный обзор эмпирических методов расчета радиационного теплообмена: метода аналогий и метода теории подобия.
Теоретические методы расчета процессов радиационного теплообмена можно разделить на три группы: методы, основанные на приближенном решении уравнения переноса излучения, стохастические методы и приближенные методы.
Методы, основанные на приближенном решении уравнения переноса излучения, в настоящее время не нашли применения в технических задачах.
Стохастическая теория переноса излучения и лучистого теплообмена, основанная на законе сохранения вероятностей, разработана Ю.А. Суриновым [153-155]. По мнению автора, перспективы развития стохастической теории переноса излучения связаны с разработкой и обоснованием новых методов исследования и решения нелинейных нестационарных задач радиационного теплообмена в селективно излучающих и поглощающих анизотропно рассеивающих средах.
Приближенные методы расчета радиационного теплообмена подразделяют на четыре группы методы решения интегральных уравнений радиационного теплообмена, дифференциальные методы, статистические методы и алгебраические ме-юды.
Достоинство приближенных аналитических методов решения интегральных уравнений радиационного теплообмена [6, 90, 93, 94, 104] заключается в том, что они позволяют непосредственно исследовать влияние геометрических и оптических характеристик. Однако, получаемое решение при этом весьма громоздко, поэтому приближенные аналитические методы дают приемлемый результат лишь для задач в наиболее простой постановке.
Подробный обзор дифференциальных методов решения уравнений радиационного теплообмена выполнен В.Н. Адриановым [90]. Для решения задач печной теплотехники наибольшее распространение получил метод дифференциально-разностного приближения или метод Шустера-Шварцшильда. Суть метода дифференциально-разностного приближения заключается в представлении лучистого потока для рассматриваемого направления в виде разности двух встречных потоков. При этом если учитывается продольный перенос излучения в печи, то метод называется четырехпотоковым, а при учете только поперечного излучения - двухпото-ковым.
Достоинством дифференциальных методов является возможность определения локальных энергетических характеристик и температурного поля в излучающих системах. Получаемые в результате применения данного метода дифференциальные уравнения радиационного теплообмена хорошо увязываются с уравнениями газодинамики, конвективного и кондуктивного теплообмена. Недостаток дифференциальных методов - неизбежная неточность задания неизвестных заранее коэффициентов переноса, фигурирующих в расчетных уравнениях и являющихся функциями температурного поля.
К статистическим методам решения интегральных уравнений излучения относятся: метод Монте - Карло [4, 6, 91, 92] и метод отслеживания пучков энергии [155]. Метод Монте - Карло применяют для решения сложных задач радиационно го теплообмена. Идея метода Монте - Карло заключается в статистическом моделировании радиационного обмена между выделенными зонами рассматриваемой системы. С помощью этого метода удобно вычислять коэффициенты радиационного теплообмена между зонами [4, 5, 141]. Однако, метод имеет существенные недостатки: - статистический характер результатов и отсутствие строгих критериев, гарантирующих сходимость метода; - недостаточная общность, поскольку для каждой задачи требуется своя методика; - значительные затраты машинного времени.
Алгебраические методы основаны на решении систем нелинейных алгебраических уравнений, аппроксимирующих соответствующие интегральные уравнения излучения. К ним относятся: зональные методы (классический и резольвентный), зонально - узловые, упрощенный зональный метод, модифицированный зональный метод и др.
Наиболее часто при расчете лучистого теплообмена в высокотемпературных г установках используют различные модификации зонального метода [4, 5, 91]. Суть зонального метода заключается в разбиении излучающей системы на дискретные зоны, в пределах которых энергетические и оптические характеристики принимаются постоянными. М.С. Глазман [95] предложил триадную модель расчета радиационного тепло обмена в туннельных печах большой длины. Следуя триадной модели, расчет лу чистого теплообмена проводят только для системы, состоящей из трех зон (цен тральной и двух соседних), считая, что все излучение центральной зоны поглоща ется соседними зонами. Данное допущение справедливо, если длина зон много больше их поперечного размера. Недостатком триадной модели расчета радиаци онного теплообмена является то, что при её использовании коррекция значений уг ловых коэффициентов излучения по свойствам замкнутости и взаимности приво І дит к неконтролируемой погрешности расчета.
Применение метода дробных шагов для решения многомерных задач внутреннего теплообмена
Рассмотрим расчет температурного поля двумерного цилиндра и трехмерной пластины методом дробных шагов. Данный метод основан на сведении многомерной задачи теплопроводности к совокупности отдельных одномерных задач. В рамках такого локально-одномерного подхода температурное поле двумерного цилиндра рассчитывают по формуле (2.12) в два этапа, а температурное поле трехмерной пластины по формуле (2.13) в три этапа. При этом уравнения (2.12) и (2.13) преобразуются к виду: для двумерного цилиндра А,/С! -В,/Г-1 +С,/П; + Р„ =0, D,, = Е„ =0; (2.14) о, /с -В. /С+Е. /С+Рч=. А.,=С. і = ; (2-15) для трехмерной пластины Ap1JJirrj 11-Bp1JkT-;,+Cp1JJl7;i+Pp(Jl=0, Dp,jk=Ep1Jk=Fp,Jk=Gp,jls=0; (2.16) DP,,j,;.\-вр1Лт-; +EP(Jj-;,\+pplJk = Ap„k = ,,,= ,,, =GP,JV =O; (2.17) їф„ J," -. -BPlJ J"; +0 , , +Pp; Jk =0, Ap,)k =Cp,Jk =Dp,jk =Ep,jk =0. (2.18) Уравнения (2.14)-(2.18) представляют собой системы линейных уравнений с трехдиагональными матрицами. Наиболее эффективным методом решения таких систем является метод прогонки. Сущность метода прогонки заключается в том, что решение систем разностных уравнений (2.14)-(2.18) представляется в виде: ТГ = +0,, (2.19) где g=i для системы уравнений (2.14), g=j для системы уравнений (2.15), g=i для системы уравнений (2.16), g=j для системы уравнений (2.17), g=k для системы уравнений (2.18), ag,Pg- некоторые вспомогательные коэффициенты (коэффициенты прогонки). Таким образом, на каждом шаге по времени задача определения температуры сводится к расчету величин ag, Pg. Алгоритм расчета температурного поля двумерного цилиндра методом дробных шагов включает в себя: 1. Ввод исходных данных и построение разностной сетки. 2. Задание начального условия - присвоение всем узлам сетки начального значения температуры. 3. Начало цикла по времени. 4. Решение системы линейных разностных уравнений (2.14), описывающей перенос тепла вдоль оси г: 4.1. Расчет коэффициентов Ач, Вч, Сч, Рч; 4.2. Расчет прогоночных коэффициентов по формулам в,,- ,, вч-с,Лі 4.3. Расчет промежуточных значений температур Т по формуле (2.19). 5. Решение системы линейных разностных уравнений (2.15), описывающей пере нос тепла вдоль оси z (промежуточные значения температур Т ч принимаем в ка честве исходных): 5.1. Расчет коэффициентов В , Dij( Elj5 Р, ,; 5.2. Расчет прогоночных коэффициентов по формулам В1-Е11о11,Р В -Е, , 5.3. Расчет температурного поля двумерного цилиндра Т по формуле (2.19).
Анализ окончания цикла по времени. Алгоритм расчета температурного поля трехмерной пластины методом дробных шагов строится аналогично: 1. Ввод исходных данных и построение разностной сетки. 2. Задание начального условия - присвоение всем узлам сетки начального значения температуры. 3. Начало цикла по времени. 4. Решение системы линейных разностных уравнений (2.16), описывающей пере нос тепла вдоль оси х: 4.1. Расчет коэффициентов Ap,jk, BpIJk, Cpijk, Pp,jk; 4.2. Расчет прогоночных коэффициентов по формулам a Лр"ь , р =СРч-Р-1 + Рр.Л . Вр.л-Ср. а,, Вр. -Ср. а,, 4.3. Расчет промежуточных значений температур T, Jk по формуле (2.19). 5. Решение системы линейных разностных уравнений (2.17), описывающей пере нос тепла вдоль оси у (промежуточные значения температур T, jk принимаем в качестве исходных): 5.1. Расчет коэффициентов Bpljk,Dp,jk, Ep1Jk, Pp Jk; 5.2. Расчет прогоночных коэффициентов по формулам а Dp р _ЕР.лРн + рР. л. Bp.jk-Ep,, ,, Bp,Jk-EpijkaH 5.3. Расчет промежуточных значений температур T,"Jk по формуле (2.19). 6. Решение системы линейных разностных уравнений (2.18), описывающей пере ! нос тепла вдоль оси z (промежуточные значения температур T/ jk принимаем в качестве исходных): 6.1. Расчет коэффициентов Bp1Jk,Gpjk, Fp,Jk, Pp,"jk; 6.2. Расчет прогоночных коэффициентов по формулам . OP.i» ,р РРпА +РР ; Bpljk-Fp,jkakl k Bp,jk-Fpijkak] 6.3. Расчет температурного поля трехмерной пластины тк по формуле (2.19). 7. Анализ окончания цикла по времени.
Результаты экспериментального исследования тепловой работы туннельной электрической печи
Цель экспериментального исследования тепловой работы электрической печи - определение температурного поля в садке в процессе обжига.
Экспериментальная садка была сформирована из трех абразивных кругов диаметром 250x76мм и высотой 40 мм уложенных друг на друга с внесением слоя порошкообразного электрокорунда между заготовками. Температура измерялась в двух точках садки: между плитой-основанием и нижним кругом, а также между первым и вторым абразивными кругами при помощи термоэлектрических термометров типа ТХА и компенсационного самопишущего потенциометра КСП-3. Помимо исследуемых изделий, на ту же плиту были помещены две стопки кругов меньшего диаметра. Расположение кругов на плите во время проведения опыта показано на рис. 3.2. Экспериментальная садка была помещена в верхний ярус печи.
В процессе эксперимента обжиг абразивных изделий проводился в соответствии с технологической инструкцией завода (рис. 3.3). Общая мощность нагревателей составила 70,2 кВт. При этом мощность нагревателей зоны нагрева была равна 25,6 кВт, зоны обжига верх - 17,5 кВт, зоны обжига низ - 27,1 кВт.
Результаты измерения температур в садке в процессе обжига приведены на рис. 3.4 и 3.5. Сравнение представленных на рис. 3.4 экспериментальных данных изменения температурного поля абразивных кругов в процессе обжига с технологической кривой позволяет сделать вывод о том, что температурный режим обжига соответствует общим технологическим требованиям. Однако максимальная температура изделий в печи за время эксперимента составила 1180-1200 С, что ниже заданной по технологии на -7% Также на температурных кривых, полученных опытным путем, отсутствует участок выдержки при максимальной температуре.
На рис. 3.4 показаны значения температур, измеренных печными термопарами в верхнем и нижнем ярусах. Следует отметить, что из 14 термопар, установленных на печи для контроля за процессом термообработки, во время проведения эксперимента работали только шесть. По данным заводской лаборатории известно, что основную часть брака составляют изделия обжигаемые в нижнем ярусе печи
Как видно из рис. 3.4, показания контролирующей термопары в нижнем ярусе в зоне нагрева на 100С ниже заданной по технологии, что вполне может служить причиной большого количества брака.
Как уже отмечалось выше, при нагреве и охлаждении абразивных кругов в них возникают термические напряжения, что может привести к появлению разрывов и трещин. Согласно [1], скорость нагрева от 20 С до 700 С, обеспечивающая отсутствие брака, должна быть 30-40 С/ч для крупногабаритных изделий и 80-120 С/ч для малогабаритных, а скорость охлаждения от температуры 800 С до 300 С должна быть не более 40-30 С/ч. Кроме этого, во избежание образования крупнокристаллического строения стекла связки необходимо производить резкое охлаждение изделий от 1250 С до 850 С.
На рис. 3.5 выделено семь характерных участков с постоянной скоростью нагрева и охлаждения. Анализ полученных результатов показывает, что требуемые скорости термообработки обеспечиваются на протяжении всего периода нагрева и в конце периода охлаждения. Однако в интервале температур 800-600 С скорость охлаждения изделий превышает предельно допустимую на 37%. Участок резкою охлаждения изделий в интервале температур 1250 С - 850 С отсутствует.
Погрешность измерения температур в эксперименте оценивалась исходя из погрешности измерительного комплекса, включающего термопару и измерительный прибор [2]: 5„к=± т+6 б, (3.1) где 8Т и 8приб - основные погрешности термопары и измерительного прибора КСП-3.
В соответствии с ГОСТ 3044-84 пределы основной допустимой погрешности (V) термопар типа ТХА составляют ±1,5С в диапазоне температур от - 40 до 375С, а в диапазоне температур от 375 до 1350С она может быть определена как V= 0,004Т. При температуре измерения 1200С V= ±5С. В соответствии с ГОСТ 8.401-80 предельная допустимая погрешность измерения т.э.д.с. автоматическим потенциометром типа КСП с классом точности 0,5 и ценой деления 10С не превышает ± 5С. При измерении и регистрации контролируемых величин учитывали также вариации и погрешности [3] (при условии нормальной работы приборов), возникающие вследствие неточной установки диаграммы и снятия показаний. Пер вая увеличивает погрешность на 0,15 % от диапазона шкалы прибора (0 - 1300С), вторая увеличивает погрешность не более, чем на 10 %. Учет вышеприведенных данных показал, что максимальная абсолютная погрешность в диапазоне темпера-тур от 0 до 375 С не могла превышать ± 2С, а в диапазоне температур от 375 до 1200С - ±15С. Таким образом, погрешность измерительного комплекса термопара-потенциометр, рассчитанная по формуле (3.1), составила менее 1,5 %.
Основным видом продукции, выпускаемым ОАО «Ивстройкерамика» г. Ива ново, является керамический кирпич. Производство кирпича осуществляется на сушильно-печном оборудовании австрийской фирмы «Fuchs». Отделение сушил и печей включает: одно предварительное сушило (накопительный туннель), четыре туннельных сушила и четыре туннельные обжиговые печи. По проекту предусмот рена работа сушильно-печного отделения парами: сушило - печь. Каждая пара (сушило - печь) представляет собой единую конструкцию, при этом сушило располагается непосредственно под обжиговой печью (рис. 3.6). Длина сушильного и печного туннелей 132 м, ширина -4 м. Каждый туннель вмещает 44 вагонетки с кирпичом.
Туннельные сушила работают по противоточной тепловой схеме - сушильный агент движется навстречу вагонеткам с кирпичом. Сушка кирпича осуществляется горячим воздухом, забираемым из зоны охлаждения печи. Воздух подается в сушило с температурой 140-15 0С, а удаляется с температурой 30—35С и относительной влажностью 90%. При этом влажность кирпича изменяется от 25% до 3-4%.
Расчет угловых коэффициентов излучения
Ширина прямоугольной по верхности длиной 1\ равна а, ширина прямоугольной поверхности длиной /2 равн« Ъ. Прямоугольные поверхности расположены во взаимно перпендикулярных плос костях, причем сторона k является продолжением стороны /] (рис. 4.46 при L = 0): ФІ1(а,Ь,І1,12) = -[(1 + к)ф0і(а,Ь,І1+12)-ф0і(а,Ь,І1)-кф0і(а,Ь,І2)],гдек=-2-;(4.6) z і, 7) угловые коэффициенты излучения ф21(а,Ь,1,,12,Ь) прямоугольной поверхности длиной /] на прямоугольную поверхность длиной І2. Ширина прямоугольной по верхности длиной 1\ равна а, ширина прямоугольной поверхности длиной равна Ъ. Прямоугольные поверхности расположены во взаимно перпендикулярных плос костях, причем стороны / и 1г лежат на линии пересечения этих плоскостей на рас стоянии L друг от друга (рис. 4.4 б): Ф2і(а,Ь,І,,12,Ь) = фи(а,Ь,11,Ь + 12)-ф,і(а,Ь,І1,Ь). (4.7)
Далее приведен пример расчета угловых коэффициентов излучения между зонами і-го расчетного обогреваемого участка (рис. 4.2), где f-доля поверхности №2 занятая нагревателями.
Согласно общепринятой классификации [4], при расчете радиационного теплообмена различают зоны первого, второго и третьего рода. В рассматриваемой постановке задачи внешнего теплообмена в пределах каждого расчетного участка выделили 5 расчетных зон (рис. 4.2): -зона №1 верхнего и среднего ярусов, соответствующая тепловоспринимаю-щей поверхности изделий (поверхности нагрева), а также зона №2 среднего и нижнего ярусов, соответствующая нижней поверхности плиты, являются зонами первого рода. Для них при решении задачи радиационного теплообмена задана температура, а неизвестной является плотность потока результирующего излучения, которая необходима для решения внутренней задачи; -зона №1 нижнего яруса, соответствующая поверхности пода, является зоной второго рода. Для нее, согласно одному из допущений, Q(p, I} = 0; -зона №2 верхнего яруса, соответствующая поверхности свода печи, зоны №3 и №4 верхнего, среднего и нижнего ярусов, соответствующие боковым поверхностям кладки, а также зона №5 нижнего яруса, соответствующая торцевым по верхностям (i=l, 28), являются зонами третьего рода. Для них справедливо уравнение теплового баланса: Q(im) +"(im)T(im) +"(im) = " где h(im)=-k;m)F(im) и h( im)=k(Tim)F(im)T0 - балансовые коэффициенты; k(Tim) - коэффициент теплопередачи через футеровку печи в окружающую среду; F(lm) площадь т-ой поверхностной зоны і-го расчетного участка; То - температура окружающей среды, і - номер расчетного участка; m - номер поверхностной зоны; -зона №5, соответствующая поверхности нагревателей, является зоной второго рода. Для нее Q(p5) + Р, =0, где Рх - электрическая мощность нагревателей в пределах і-го расчетного участка; -зона №5 верхнего и среднего ярусов, соответствующая торцевым условным абсолютно черным поверхностям (і =1, 28), является зоной первого рода. Для н е задана температура Т0
Для единообразия уравнения теплового баланса для зон второго рода удобно представить в общем виде: Q(im) +"(im)T(im) +"(im) =" где балансовые коэффициенты h()m) и h(lm) равны нулю.
Систему зональных уравнений для зон второго и третьего рода можно получить, подставив в приведенное выше уравнение теплового баланса выражение, лежащее в основе резольвентного зонального метода, для результирующего теплового потока: Q(P.m = EaonH.n T in - (4-8) (jn) В результате подстановки получим 2ja(jn)-(im) (jn) (! m) (im) " ""(im) = "» V ") On) где h и h - балансовые коэффициенты, учитывающие тепловыделение в (i,m) (i,m) электрических нагревателях и потери тепла в окружающую среду; а(1 т) о п) - коэффициенты радиационного теплообмена. Коэффициенты радиационного теплообмена в сером приближении определяют по формуле a(im)-(jn) =(im)aOF(im)l(imHjn)E(jn)-8(im)-(jn)j (4-Ю) где (, m) и F(, m) - степень черноты и площадь m-ой зоны i-ro расчетного участка; о"о - постоянная Стефана-Больцмана; Ф(, т) о п)" разрешающие угловые коэффициенты излучения с m-ой зоны і-го расчетного участка на n-ую зону j-ro расчетного участка; 5(, т) о п) - символ Кронекера. Разрешающие угловые коэффициенты в рамках резольвентного зонального метода находят в результате решения следующей системы уравнений [4]: (&(1mHjn)=9(1m)-(jn) + Z(P("m)-kRk0k-(jn) (4Л1) k где ф( m) о п) - угловые коэффициенты излучения; Rk - отражательная способность к-й зоны. Решая систему балансовых зональных уравнений (4.9), находят температуры поверхностей электрических нагревателей и кладки печи - поверхностей второго и третьего рода.
