Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследований ... 20
1.1.Основные процессы и параметры вращающихся печей обжига 20
1.2.Процесс образования защитной обмазки 40
1.3 .Методы исследования тепловых процессов в печах 46
1.3.1. Классификация численных методов решения нестационарной задачи теплопроводности 50
1.3.2. Прямые (вариационные) методы решения задач теплопереноса 51
1.3.3. Конечно-разностные методы 53
1.3.4. Консервативные разностные схемы 56
1.3.5. Экономичные разностные схемы 59
1.4.Контролируемые процессы и параметры. Классификация дефектов 61
1.5.ИК термография и системы контроля температуры 66
1.5.1.История ИК термографии 67
1.5.2.Бесконтактные системы контроля температуры 80
1.6.Выводы 88
ГЛАВА 2. Математическое моделирование физических процессов в трубных печах, ориентированное на решение задач теплового неразрушающего контроля 92
2.1.Постановка задачи моделирования тепловых процессов во внутреннем пространстве печи и в стенке корпуса 92
2.1.1. Тепловые процессы, происходящие во время сжигания топлива 98
2.1.2. Теплообмен между топочными газами, обжигаемым материалом и внутренней поверхностью печи 100
2.1.3. Теплообмен внутри клинкера 101
2.1.4. Теплообмен между клинкером и внутренней поверхностью печи 106
2.1.5. Теплопередача внутри корпуса печи 109
2.1.6. Теплообмен между корпусом печи и окружающей средой 109
2.1.7. Задачи моделирования 111
2.2.Метод решения задачи теплообмена в обжиговой печи в трехмерной постановке 112
2.2.1. Общие положения, используемые при моделировании 112
2.2.2. Теплопередача вдоль радиуса 116
2.2.3. Теплопередача вдоль осевой координаты 119
2.2.4. Теплопередача по азимуту 120
2.2.5. Решение полученных систем уравнений методом прогонки 121
2.3.Основные результаты математического моделирования 123
2.3.1. Описание исходных данных 124
2.3.2. Влияние параметров дискретизации на результаты моделирования 138
2.3.3. Адекватность математической модели 142
2.3.4. Зависимость температуры внешней поверхности от размеров дефекта 145
2.3.5. Влияние конструктивно-технологических параметров печи, клинкера и топочных газов на тепловые процессы... 151
2.3.6. Зависимость температуры корпуса от ТФХ теплозащитных слоев 158
2 3.7. Влияние степени черноты на температуру внешней поверхности 162
2.3.8. Влияние окружающей среды на температуру корпуса печи 163
2.4.Идентификация дефектов внутренней поверхности печи 168
2.4.1. Решение прямой задачи в/^-геометрии 169
2 4.2. Решение обратной задачи теплопереноса в Я-геометрии... 174
2.4.3. Сравнение полей температур для трехмерной и упрощенной моделей 175
2.4.4. Сравнение результатов решения обратной задачи и
прямого расчета по трехмерной модели 178
2.5. Выводы 181
ГЛАВА 3. Влияние различных факторов на тепловые процессы во вращающихся печах и выработка требований к аппаратуре контроля и программному обеспечению 183
3.1.Источники шумовых воздействий при тепловом контроле печей 183
3.2.Нестационарные тепловые процессы при изменении параметров печи 184
3.2.1. Процессы, возникающие после скола обмазки 184
3.2.2. Тепловые процессы при изменении температуры топочных газов 186
3.2.3. Влияние изменений других внутренних параметров печи на температуру внешней поверхности 188
3.3.Изменение степени черноты как источник шумового воздействия на аппаратуру теплового контроля 189
3.3.1. Определение степени черноты и индикатрисы излучения корпуса печи 1
3.3.2. Тепловые процессы после изменения степени черноты... 194
3.3.3. Процессы, возникающие при образовании и сколе грязевой корки 201
ЗАИзменение параметров внешней среды как шумовой фактор... 212
3.4.1. Влияние температуры окружающей среды 212
3.4.2. Воздействие солнечного излучения 213
3.4.3. Шумы, обусловленные изменением скорости ветра 215
3.4.4. Шумы, связанные с флуктуациями интенсивности выпадения осадков 216
3.5.Совместное воздействие шумов от различных источников 217
3.6 Активный тепловой НРК корпуса печи 219
3.6.1. Активный тепловой контроль при воздействии на внешнюю поверхность водяным орошением 220
3.6.2. Активный тепловой контроль при обдуве воздухом 225
3.7.Уточнение границ дефектов с помощью градиентных методов... 230 3.8.Применение модели тепловых процессов для оценки эффективности управляющих воздействий на технологические параметры печи 233
3.8.1. Влияние формы распределения теплового излучения топочных газов 235
3.8.2. Оценка воздействий путем принудительного охлаждения внешней поверхности 240
3.8.3. Влияние охлаждающих воздействий на стационарное распределение температуры наружной стенки печи и температуру футеровки 244
3.9.Идентификация дефектов внутренней поверхности во время нестационарных процессов, вызванных изменениями параметров печи и внешней среды 249
З.Ю.Некоторые результаты сравнения расчетных данных с лабораторными и натурными экспериментами 253
3.11.Концепция применения математического моделирования для контроля и управления технологическими процессами в обжиговых печах 259
3.11.1. Применение математического моделирования для контроля текущих технологических параметров печи... 260
3.11.2. Применение математического моделирования для целей дефектоскопии внутренней поверхности 261
3.11.3. Применение математического моделирования для автоматизированного управления технологическими процессами в печах 262
3.11.4. Требования к аппаратуре и программному обеспечению системы контроля 262
3.12.Выводы 265
ГЛАВА 4. Информационные модели изображений при тепловом контроле вращающихся печей 267
4.1.Графическая информационная модель 267
4.2.Аналитическое описание шумов теплового поля поверхности обжиговой печи 274
4.3 . Экспериментальная оценка статистических параметров тепловых помех на поверхности обжиговой печи 278
4.4.Выводы 281
ГЛАВА 5. Практические результаты исследований 283
5.1.Принципы проектирования и описание систем контроля вращающихся печей 283
5.1.1. ИК сканер как оптико-электронная система 283
5.1.2. Описание и характеристика разработанных систем 288
5.1.3. Краткое описание отдельных блоков разработанных ИК систем 305
5.2.Программное обеспечение, разработанное для контроля вращающихся печей 315
5.2.1. Задачи, возлагаемые на программное обеспечение 315
5.2.2. История разработки программного обеспечения 317
5.2.3. Программа моделирования тепловых процессов в печи "Обжиг R-p-Г 329
5.3.Выводы 333
Заключение 335
Литература
- Классификация численных методов решения нестационарной задачи теплопроводности
- Теплообмен между топочными газами, обжигаемым материалом и внутренней поверхностью печи
- Влияние изменений других внутренних параметров печи на температуру внешней поверхности
- Экспериментальная оценка статистических параметров тепловых помех на поверхности обжиговой печи
Введение к работе
Актуальность диссертационных исследований
В металлургии, целлюлозно-бумажной и цементной промышленности вращающиеся обжиговые печи являются ключевым видом технологических установок, от правильного функционирования которых зависит качество конечного продукта. Печи предназначены для обжига сырьевых шихт и превращения их в полуфабрикат, например, в клинкер при производстве цемента. В свою очередь, условием штатного функционирования печей является соблюдение технологических требований к тепловому режиму в различных участках внутреннего пространства печи, где температура обжигаемого материала изменяется от +90 - +100С в зоне сушки до +1400 -+1470С в центре зоны спекания. Температурное (тепловое) поле в обжиговых печах характеризуется существенными пространственно-временными неоднородностями, обусловленными как требованиями технологического процесса, так и конструкцией печей.
С точки зрения технической реализации, вращающиеся печи являются сложными технологическими агрегатами, представляющими собой одновременно физико-химический реактор и топочную камеру. В печах протекают взаимосвязанные механические, химические, газодинамические, тепловые и другие процессы. Большая мощность, крупные габариты, высокие температуры, вращение печи усложняют исследования перечисленных процессов в реальных производственных условиях.
В связи с утверждением в последние годы в Российской Федерации общемировой тенденции к контролю качества производимой продукции и сбережению энерго- и материальных ресурсов, промышленная практика в строительной индустрии начинает предъявлять повышенные требования к технологическому оборудованию, качеству сырьевых шихт, полуфабрикатов и конечных продуктов. Это требует разработки и внедрения
автоматизированных систем, включающих как первичные датчики для контроля технологических режимов, так и исполнительные механизмы для управления производственными процессами. Применительно к обжиговым печам это означает необходимость многоточечного контроля температурных и механических процессов внутри и снаружи печи с возможностью их регулирования.
С позиций неразрушающего контроля (НРК) качества в рамках описанной проблемы стоит задача снижения аварийности в работе печей, что связано со своевременным обнаружением и коррекцией дефектов в их тепловой защите.
Реализация указанных практических задач требует анализа тепловых процессов, происходящих как во внутреннем объеме печей, так и в их многослойном корпусе. С академической точки зрения, это означает необходимость, во-первых, разрабатывать алгоритмы сбора и обработки информации в автоматизированных системах контроля вращающихся печей, а, во-вторых, решать обратные краевые задачи теплового НРК с учетом специфики конкретных объектов испытаний и условий их функционирования.
Факторами актуальности выполненных диссертационных исследований являются: 1) общемировая тенденция к контролю качества промышленной продукции и сбережению энерго- и материальных ресурсов; 2) растущая необходимость разработки эффективных алгоритмов управления технологическими режимами обжиговых печей на фоне оживления деловой активности в промышленности; 3) необходимость разработки алгоритмов решения обратных задач теплового НРК для идентификации и корректировки скрытых дефектов; 4) необходимость создания автоматизированных систем контроля технологических режимов и обнаружения дефектов во вращающихся обжиговых печах, которые бы реализовали компромисс между техническими требованиями,
обусловленными решением вышеуказанных теоретических задач, и приемлемой для современного российского производства стоимостью.
Актуальность работы подтверждена включением ее в соответствующие научно-технические программы (инновационную программу «Датчики» Госкомвуза РФ, 1993-1997 гг., программу НИР и ОКР АО «Концерн Цемент», 1995-1996 гг., программу НИР «Исследования и разработка аппаратуры теплового неразрушающего контроля многослойных оболочек энергопотребляющих объектов промышленности» по единому заказу-наряду Минобразования РФ, 1996-1999гг.), а также актами внедрения на 8-ми предприятиях Российской Федерации, в которых используются результаты исследований.
Цель диссертационных исследований
Решение научных и практических задач технической диагностики технологических режимов вращающихся обжиговых печей, включая создание и промышленное внедрение автоматизированных систем теплового неразрушающего контроля технических параметров и скрытых дефектов указанных объектов.
Задачи диссертационных исследований:
разработка модели тепловых и механических процессов, происходящих во вращающихся обжиговых печах, на базе решения трехмерной задачи нестационарного теплообмена;
создание методики теплового НРК многослойной теплозащиты вращающихся печей на основе моделирования;
разработка алгоритмов обнаружения и методики расчета параметров дефектов теплозащиты печи на фоне помех, обусловленных неоднородной поверхностью объекта контроля и изменениями свойств окружающей среды;
разработка методики управления тепловым режимом обжиговых печей по результатам температурных измерений, включая корректирующие действия по снижению тепловой нагрузки на печь в дефектных зонах и восстановлению дефектов обмазки;
исследование влияния параметров обжиговых печей и метеорологической ситуации на результаты теплового контроля и выработка требований к техническим характеристикам аппаратуры и программному обеспечению;
создание информационных моделей ИК изображений исследуемых поверхностей для снижения психофизической избыточности экспериментальных данных, повышения оперативности, достоверности и наглядности результатов контроля;
разработка принципов построения автоматизированных строчно-сканирующих ИК систем для контроля теплового состояния и диагностики корпусов вращающихся обжиговых печей с учетом теплофизических характеристик (ТФХ) материалов корпуса, оптических свойств внешней поверхности и условий теплообмена с окружающей средой;
разработка программных комплексов, реализующих предложенные модели, методики и алгоритмы, для экспериментального исследования процессов в печах и применения в практических системах контроля;
производство и мелкосерийный выпуск указанных автоматизированных систем контроля, их внедрение на предприятиях РФ.
Методы исследования
В качестве теоретической базы для решения рассматриваемых задач использован математический аппарат и специальные программы математического и статистического анализа. При разработке модели тепловых и механических процессов, происходящих во вращающейся обжиговой печи, применены методы решения уравнений математической
физики, в частности, конечно-разностные методы. При проведении экспериментальных исследований использован импульсный метод определения теплофизических характеристик материалов (метод Паркера), метод статистического моделирования (метод Монте-Карло). При разработке аппаратных средств применены методы анализа и построения оптико-электронных систем.
Положения, выдвигаемые к защите:
анализ и оптимизация теплового режима работы вращающихся обжиговых печей, а также обнаружение скрытых дефектов, требуют, помимо сплошного измерения температуры наружной поверхности, моделирования тепловых и технологических процессов в печи на основе решения прямой трехмерной задачи нестационарного теплообмена и механического перемещения материала в печи;
моделирование работы вращающейся обжиговой печи, представляющей собой сложную техническую систему, рекомендуется проводить путем разбиения объекта исследований на множество ячеек Дирихле в трехмерных цилиндрических координатах, для каждой из которых используется метод расщепления совокупности взаимосвязанных параллельно протекающих процессов на ряд простых последовательных процессов;
оптимизация технологических процессов в печи и повышение качества продукции обеспечиваются решением прямой задачи тепло- и массообмена с учетом параметров функционирования обжиговых печей (температуры, формы и положения факела, теплозащитных свойств футеровки и обмазки, внешних условий теплообмена).
разработку и уточнение алгоритмов идентификации дефектов внутренней поверхности печи при наличии помех необходимо проводить на основании модельных исследований различных режимов работы печи, а
также помех, обусловленных неоднородной поверхностью объекта контроля и флуктуациями свойств окружающей среды; решение обратной задачи теплопередачи на основе одномерной нестационарной модели для идентификации внутренних дефектов корпуса печи позволяет достичь компромисса между объемом вычислений и допустимой погрешностью определения толщины обмазки;
применение активного теплового контроля, заключающегося в стимуляции наружной поверхности печи орошением водой и обдувом воздухом, позволяет повысить достоверность контроля внутренних дефектов; в частности, при орошении водой тепловой контраст между дефектной и бездефектной зонами увеличивается в 1,5 раза;
автоматизированные системы теплового контроля вращающихся печей целесообразно строить на базе линейных ИК сканеров, которые, помимо регистрации температурных распределений, связанных с дефектами теплозащитного слоя и технологическими параметрами печей, должны дополнительно контролировать: температуру обжигаемого материала и время обжига, угловую скорость вращения печи, число оборотов печи за смену, потери тепла через корпус, осевое смещение печи, а также осуществлять корректирующие воздействия по снижению тепловой нагрузки на печь в дефектных зонах и восстановлению дефектов обмазки.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем: Разработана математическая модель вращающейся обжиговой печи, которая позволяет проводить трехмерное моделирование взаимосвязанных тепловых и механических процессов в печи и получать пространственные зависимости температуры от времени, параметров печи, характеристик внутренних дефектов, а также изменяющейся метеорологической обстановки. Существенным моментом данной модели является представление объекта исследований в виде совокупности ячеек малого размера (ячеек Дирихле с границами, соответствующими
поверхностям равного влияния узлов пространственной сетки). Адекватность предложенной модели подтверждена численными экспериментами, натурными исследованиями, а также сравнением с результатами работ других авторов. Суммарная погрешность моделирования при рекомендованных шагах расчета по времени и пространству не превышает 8С. Результаты моделирования использованы для оптимизации теплового режима работы печи, а именно, для оценки температуры в обжигаемом материале, в тепловой защите корпуса печи, а также для активного воздействия на опасные дефекты.
Решена одномерная нестационарная обратная задача теплообмена в обжиговой печи, в результате чего предложен алгоритм оценки параметров внутренних дефектов. Идентификация дефектов в корпусе печи требует задания входных параметров (теплофизических свойств материалов и параметров окружающей среды) с точностью не хуже 10%. Ошибка определения температуры на наружной поверхности печи на уровне 10С ведет к ошибке определения толщины обмазки в зоне дефекта в 1 см.
Проанализированы источники помех, воздействующих на входной сигнал ИК систем теплового контроля (скол грязевой корки, флуктуации скорости ветра, флуктуации степени черноты внешней поверхности, суточные колебания температуры окружающей среды, флуктуации солнечного излучения и флуктуации интенсивности выпадения осадков), в результате чего определен вклад каждого источника, а их суммарное воздействие оценено средней амплитудой 35С. Предложены физические способы учета указанных помех, позволившие снизить суммарный вклад помех до среднего уровня 20С, что эквивалентно погрешности идентификации глубины дефектов в обжиговых печах - 2 см.
Экспериментально исследованы пространственно-частотные спектры основных помех и установлено, что, например, в зоне кальцинирования
пространственные частоты сосредоточены в интервале от 0,077 до 1,54 см"1. Амплитудные оценки помех использованы для определения порога амплитудной фильтрации температурных сигналов и построения карт дефектов.
Разработан алгоритм осуществления корректирующих воздействий для ликвидации дефектов обмазки в корпусе обжиговой печи с использованием предложенной математической модели.
Применен принцип активного теплового контроля для повышения достоверности обнаружения и идентификации дефектов в обжиговых печах с использованием различных видов стимулирующих воздействий на внешнюю поверхность печи: естественное изменение метеорологических условий, орошение водой, обдув воздухом, воздействие воздушно-водяной эмульсией.
Разработана концепция применения имитационного моделирования в ИК термографических системах контроля, обеспечивающая прогнозирование технологического процесса.
Предложены информационные модели ИК изображений технологических зон печи, позволяющие повысить наглядность и оперативность контроля.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
Разработана структура автоматизированных систем теплового контроля параметров вращающихся обжиговых печей, которая, в отличие от известных систем, наряду с регистрацией температурного поля поверхности печей реализует принципы дефектометрии и активного воздействия на обнаруженные дефекты.
Предложена методология корректировки дефектов в обмазке теплозащиты вращающихся печей по результатам контроля путем изменения формы факела, орошения водой и обдува воздухом.
Результаты математического моделирования тепловых процессов в обжиговых печах с внутренними дефектами реализованы в компьютерных программах «Обжиг» и «Обжиг R-(p-Z» для лабораторных исследований.
Алгоритмы моделирования, обработки и отображения экспериментальных данных, разработанные для ИК систем контроля, воплощены в специализированном программном обеспечении (последняя версия - программа «Термоинспектор 3-09»), позволяющем осуществлять автоматизированный сбор данных, представлять информацию в удобной для оператора форме в реальном масштабе времени, осуществлять активное воздействие на параметры печей и архивировать результаты контроля в виде термограмм и карт дефектности.
Разработаны технические условия ЖТАБ 2.820.000 ТУ «ИК система автоматизированного контроля температуры поверхности вращающейся печи обжига».
Разработано несколько поколений ИК систем контроля вращающихся обжиговых печей: «ИКСА-01», «ИКСА-02», «ИКСА-03», «ИКСА-04», «ИНТРОКОН-04», «ИНТРОКОН-05», «ИНТРОКОН-06»; на предприятиях Российской Федерации (АО «Мальцовский портландцемент», АО «Воскресенский цементный завод», АО «Катавцемент», АО «Искитимцемент», АО «Топкинский цемент», АО «Кокс», АО «Яшкинский цементный завод», АО «Ангарский цементный завод») внедрено 44 установки с годовым экономическим эффектом около 0,4 млн. руб. на систему контроля.
Материалы диссертации применены в научно-исследовательских работах, проводимых в НИИ интроскопии, г.Томск; научные результаты, разработанные линейные сканеры и программный продукт использованы при выполнении дипломных и магистерских работ в Томском
политехническом университете и Томском университете систем управления и радиоэлектроники.
Апробация работы
Основные положения диссертации и содержание отдельных разделов докладывались и обсуждались на 15-и отечественных и 7-й международных конференциях, симпозиумах и семинарах, в том числе: «Обработка изображений и дистанционные исследования» (Россия, 1984г, 1987г, 1990г), «Конверсия в приборостроении» (Россия, 1994г), «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами» (Россия, 1997г), «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий» (Россия, 1997г), 7-й Европейской конф. по НРК (Дания, 1998г), «Компьютерные методы и обратные задачи в неразрушающем контроле и диагностике» (Белоруссия, 1998г), «Quantitative infrared thermography - QIRT» (Франция, 1998г, Польша, 2000г), KORUS-99 (Россия, 1999г), «AeroSense» (США, 2003г, 2004г), «Неразрушающий контроль и диагностика» (Россия, 1999г, 2005г).
Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 43 печатные работы, получено 6 авторских свидетельств.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений, изложенных на 409 страницах, содержит 150 рисунков, 20 таблиц и список литературы из 238 наименований.
Классификация численных методов решения нестационарной задачи теплопроводности
Привести строгое законченное математическое описание тепловых процессов в обжиговой печи и решить аналитически получаемую при этом систему уравнений не предоставляется возможным в силу сложности и много-гранности анализируемых процессов.
Для решения нестационарной задачи теплопроводности применяют, как правило, численные методы решения, которые можно разделить на две большие группы: - конечно-разностные методы, - прямые (вариационные) методы.
Данная классификация является условной. Например, С.Л.Соболев дал следующее определение [164]: "Прямыми называются такие методы решения задач теории дифференциальных и интегральных уравнений, которые сводят эти задачи к конечным системам алгебраических уравнений". Под это определение попадают практически все методы решения задач теплопереноса: как конечно-разностные, так и собственно прямые. В настоящее время две выше упомянутые группы методов различаются способом аппроксимации «бесконечномерного» пространства функций распределения температур каким-либо «конечномерным» пространством.
Прямые (вариационные) методы применяют приближения функций распределения температур функциональными конечными рядами, например, конечными рядами Фурье, конечными рядами разложения по некоторым базисным функциям и т.п.
Конечно-разностные методы применяют пространственно-временную дискретизацию для функций распределения температур.
Исторически вариационные методы решения задач математической физики ведут начало от трудов Ритца, Бубнова, Галеркина и др. начала 20-го века. Основная идея вариационных методов заключается в том, чтобы искать решение уравнений A-U = f, (1.2) (U - функция, которую необходимо найти из уравнения, А - заданный ин-тегро-дифференциальный оператор,/ - заданная функция) не в бесконечномерном пространстве L, а в конечномерном пространстве функций типа N ;=1 где а, - вещественные числа, составляющие собственно конечномерное пространство, w, - некоторые функции из пространства L, называемые координатными функциями [131].
При этом решение исходной задачи (1.2) заменяют решением эквивалентной системы линейных уравнений относительно неизвестных а„ конкретный вид которой зависит от способа ее получения. Среди таких методов наряду с упомянутыми можно привести методы Куранта, Конторовича, наименьших квадратов, метод конечных элементов и др.
Сходимость вариационных методов гарантируется при условии, что коэффициенты системы линейных уравнений вычисляются абсолютно точно, что на практике невыполнимо. Кроме того, полученную систему линейных уравнений также невозможно решить абсолютно точно. Поэтому возникает вопрос о влиянии погрешностей вычисления коэффициентов матрицы и погрешностей решения полученной системы уравнений на конечный результат. Если ограниченные (в смысле некоторой нормы) погрешности коэффициентов матрицы и свободных членов уравнения приводят к ограниченным (в той же норме) погрешностям решения, то говорят об устойчивости матрицы. Устойчивость характеризуется числом обусловленности [132]: 6 = 7 . 0-4) где Ятах, Ятт - соответственно максимальное и минимальное собственные числа матрицы. Чем больше число обусловленности Q, тем хуже устойчивость матрицы к погрешностям в коэффициентах и в решении системы уравнений. Система координатных функций называется устойчивой, если число обусловленности получающейся матрицы ограничено сверху при любом числе координатных функций.
Для целей моделирования тепловых процессов печи важно выделить следующие особенности применения вариационных методов:
- применение вариационных методов позволяет сократить размерность получаемой матрицы, что дает возможность надеяться (после проведения подготовительной работы) на экономию общего числа операций, требуемых для получения результата;
- полученное решение выражается в аналитическом виде разложением в ряд по координатным функциям;
Теплообмен между топочными газами, обжигаемым материалом и внутренней поверхностью печи
При тепловом обмене между раскаленной газовой средой, обжигаемым клинкером и внутренней поверхностью печи возможны процессы теплопередачи путем конвекции и путем теплового излучения.
Теплопередача путем конвекции описывается законом Ньютона-Рихмана [99,118]: Чконв -ет = аконв,г-ст {Тг Тш ) At» (2-18) где qKomt m - количество теплоты при конвективной теплопередаче от газа к стенке или клинкеру, аконвг.ст - коэффициент теплоотдачи конвекцией от газового потока материалу, Тст - температура стенки (кирпичной футеровки, обмазки или клинкера), Тг - температура газовой среды, AS - элемент площади внутренней поверхности печи, At - промежуток времени.
Выражение (2.18) справедливо при малых размерах AS, где поверхность теплообмена изотермическая (это ограничение распространяется на математические модели других процессов, рассматриваемых ниже). Коэффициент теплоотдачи может зависеть от многих факторов - режима и скорости протекания топочных газов, температуры газов, клинкера и обмазки. Его определяют на основе критериев подобия с применением эмпирических зависимостей между критериями.
Теплопередача посредством излучения описывается законом Стефана-Больцмана [99,118]: W«-= -VS«-(tf-:)-AS-A/, (2.19) где дизл,г-ст - количество теплоты при лучистой теплопередаче от газа к стенке или клинкеру, а = 5,67-10 8 Вт/(м2-К4) - постоянная Стефана-Больцмана, єст- степень черноты внутренней поверхности (кирпичной футеровки, обмазки или клинкера), єг- степень черноты топочных газов (для практических расчетов єг=\ [62]).
Поскольку в уравнения теплового баланса для дымовых газов (2.4) и клинкера (2.5) входит эффективный коэффициент теплообмена, учитывающий как конвекцию, так и тепловое излучение, необходимо найти выражение для оценки вклада излучения в рассматриваемый процесс. Учитывая, что интенсивность теплового излучения выражается формулой (2.19), можно записать следующее выражение: где аизл г.ш - лучистая составляющая эффективного коэффициента теплообмена. Данный прием линеаризации уравнения лучистого теплопереноса является распространенным (см., например, [135]) и позволяет упростить решение задачи при использовании численных методов.
Теплообмен внутри клинкера обусловлен следующими процессами: - передачей тепла путем теплопроводности, - механическим массопереносом клинкера, - химическими реакциями, происходящими внутри клинкера при его обжиге.
Аспекты теплопроводности будут рассмотрены ниже при анализе особенностей теплопередачи внутри обмазки, футеровки и кожуха. Химические реакции, происходящие в процессе спекания клинкера, многочисленны, зависят от исходного материала, и в работах [10,11,38,46,51,61,62,65,221] описываются в различной форме. Однако, все происходящие реакции для целей моделирования тепловых процессов можно разделить на две группы: экзотермические реакции и реакции эндотермические.
Согласно литературным источникам, в зоне спекания преобладают экзотермические реакции. Общий тепловой эффект химических реакций в зоне спекания является положительным и составляет величину не более 10% от суммарных тепловых затрат [61,62]. Очевидно, что при точном имитационном моделировании тепловых процессов в печи необходимо учитывать влияние химических реакций. Вместе с тем подобный учет достаточно сложен как по количеству реакций, так и по причине отсутствия общепринятого математического описания. Принимая во внимание, что для решения задачи дефектоскопии теплозащитного слоя достаточно учесть интегральное влияние данных процессов, при последующем моделировании введем при необходимости дополнительный источник тепла - QXUMKj, (интенсивность тепловыделения в результате химических реакций, протекающих в обжигаемом материале):
Ухим,кл Цел Яхт,кл \z) (2-21) где Со, - производительность печи (масса клинкера, проходящего через сечение печи за единицу времени), qXUMtw, удельное тепловыделение клинкера, которое в зависимости от технологической зоны будет различным и может иметь разные знаки.
Вопросы механического перемещения обжигаемого материала проанализируем более подробно. При движении клинкера происходят следующие процессы: - перемещение клинкера по линии наибольшего скатывания, при этом скатывающиеся частицы перемешиваются,
Влияние изменений других внутренних параметров печи на температуру внешней поверхности
Во второй главе было рассмотрено влияние статических изменений внутренних параметров печи на температуру ее наружной поверхности. Полученные результаты можно использовать при анализе влияния ступенчатых изменений данных параметров на температуру внешней поверхности. По аналогии с выводами, сделанными в п. 3.2.1-3.2.2 можно утверждать, что величина температурного сигнала через 80000-100000 с после начала ступенчатого изменения внутреннего параметра будет равна величине изменений температуры внешней поверхности, вызванных статическими изменениями соответст вующего внутреннего параметра. Запаздывание температурного отклика от начала переходного процесса будет составлять около 5000-15000 с. Таким образом, можно сделать следующие выводы: - ступенчатое изменение температуры клинкера на входе в зону спекания на 300С может привести через сутки к изменению температуры внешней поверхности в зоне дефекта приблизительно на 25С; - ступенчатое уменьшение скорости вращения печи с 2,0 до 0,5 об/мин может привести (также через сутки) к увеличению температуры внешней поверхности в зоне дефекта примерно на 25 С; - ступенчатое уменьшение степени заполнения печи с 16% до 4% может привести к увеличению температуры внешней поверхности в зоне дефекта на 20 С.
Следовательно, ступенчатые изменения внутренних параметров могут привести к погрешностям в определении глубины дефекта на уровне 1-2 см. При необходимости учесть динамические факторы можно несколько усложнить обратную задачу, введя в расчетные формулы производную температуры по времени и непрерывно моделируя распределение температуры внутри корпуса печи.
Коэффициент излучения внешней поверхности является важным параметром, влияющим как на теплообмен с окружающей средой, так и на процесс измерения температуры. Источники рекомендуют различные величины для степени черноты. Так, в работе [47,118] для окисленной металлической поверхности рекомендован диапазон 0,7-0,85, в работах [80,82] предлагается использовать для цементных печей значение 0,82-0,85. Измерения степени черноты, проведенные авторами работы [42], дали значение 0,95.
Можно предположить, что степень черноты изменяется в пределах 0,7 до 0,95 вследствие, например, атмосферных осадков, а также под воздействием других изменений в окружающей среде. Кроме того, согласно [99], степень черноты металлической поверхности линейно зависит от температуры. Поэтому было решено провести самостоятельные измерения степени черноты стального корпуса и грязевой корки, а также определить индикатрисы излучения этих материалов.
При измерении зависимости коэффициента излучения от направления визирования для материалов с шероховатой поверхностью чаще всего используют гипотезу о ламбертовском (диффузном) характере излучения. Тем не менее, в настоящем исследовании получены экспериментальные данные по распределению теплового излучения образца из стали и грязевой корки в пространстве. Использован тепловизор Thermovision-570, который визировал поверхность образцов под различными углами: 22; 45; 67; 90; 112; 135 и 157 (см. рис. 3.5.а; данная методика использовалась автором ранее [128], в том числе, при проведении экспериментов по определению ТФХ материалов, описанных во 2-й главе).
Стальной образец, включавший также зону с нанесенным цементным слоем толщиной 3 мм, нагревали лампой КГ-220-500 до 28С и измерения проводили в стационарном режиме. Методика эксперимента включала: 1) определение коэффициента излучения на поверхности стали и корки при нормальном визировании (исследовали естественный и зачерненный сажей образец); 2) определение коэффициентов излучения при визировании под различными углами. Расчеты выполнены по известному уравнению ИК тер-мографирования серого нагретого объекта, окруженного средой с более низкой температурой): Фу =еТ +(1- ) =єгЛ, где Фу - полный по ток, испускаемый образцом в заданном направлении и регистрируемый тепловизором; є -искомый коэффициент излучения исследуемой зоны образца в данном направлении; ТатЬ -температура окружающей среды; п -показатель степени, зависящий от спектрального диапазона работы тепловизора (в нашем случае для длинноволнового диапазона л «4, что следует из закона Стефана-Больцмана); єатЬ -коэффициент излучения окружающей среды (єатЬ=0,98); єге/-значение коэффициента излучения, установленное на тепловизоре (г /=0,98); Тт -абсолютная кажущаяся температура, показываемая тепловизором в исследуемой зоне. Из последнего уравнения следует, что искомое значение коэффициента излучения материала в каждом направлении определяется по формуле: Тп _ р Т" true ambamb
Описанная выше методика определения коэффициента излучения близка к предложенной в стандарте США ASTM ЕЗЗ (1999).
Результаты измерений приведены в табл. 3.1 и на рис. 3.5.6, 3.5.в. Данный эксперимент обнаружил, что индикатриса излучения стали и маскирующей корки, отклоняется от ламбертовской. Например, для ламбертовского излучателя коэффициент излучения стали под углом 45 должен быть равным 0,50 против экспериментально определенного значения 0,65; соответственно, для корки под тем же углом коэффициент излучения должен быть равным 0,56 в отличие от экспериментально определенного значения 0,71. Это может быть объяснено значительной шероховатостью (неровностью) поверхности данных материалов для реальных обжиговых печей. В целом приведенные выше значения близки к упоминаемым в литературе данным, а относительно слабая зависимость коэффициента излучения от угла наблюдения позволяет применять для контроля печей ИК системы с широким углом зрения (как это сделано в настоящих исследованиях).
Экспериментальная оценка статистических параметров тепловых помех на поверхности обжиговой печи
Описанные выше исследования, ставящие целью разработку алгоритмов идентификации дефектов внутренней поверхности печей, относятся к пассивному тепловому НРК. Следует обратить внимание на вопросы идентификации дефектов при внешнем тепловом воздействии на корпус печи [198], в качестве которого можно предложить орошение водой или принудительный обдув воздухом. Оба способа охлаждения используются на цементных заводах в технологических целях. Часто такие воздействия обходятся без матери альных затрат, так как можно использовать естественное выпадение атмосферных осадков либо изменение скорости ветра.
Для идентификации дефектов при активном тепловом контроле в качестве обнаружительного признака используют разность температур (контраст температур) между точками в дефектной и бездефектной областях [135]. Рассмотрим связь между размерами дефектов и тепловым контрастом при ступенчатом и импульсном воздействии орошением на внешнюю поверхность печи.
На рис.3.25 представлены графики изменения разности температур между точкой, расположенной в середине дефектной зоны, и точкой, находящейся в цельной области, для дефектов фиксированной длины 150 см, но различной глубины, при ступенчатом воздействии орошением интенсивностью 2 г/(м2-с). Видно, что после включения орошения контраст монотонно возрастает в 1,5-1,8 раза в зависимости от глубины дефектов . Это объясняется следующими соображениями. Во-первых, рабочий диапазон температур внешней поверхности печи составляет 100-500С, следовательно, тепловой поток, направляемый на нагревание, кипение и испарение воды, одинаков как для дефектных зон, так и для цельных участков (см. формулу (2.78)). Во-вторых, тепловой поток, поступающий из центра печи, для горячих (дефектных) зон в силу меньшего теплового сопротивления стенки корпуса больше, чем для холодных (бездефектных). Следовательно, фиксированный тепловой поток, отводимый от печи при орошении, в меньшей степени влияет на температуру в дефектных зонах и охлаждает холодные зоны более интенсивно. Данный вывод подтверждают результаты, полученные во второй главе (см. рис.2.34
Изменение разности температур между точкой в зоне дефекта и точкой в бездефектной области при импульсном воздействии орошением с интенсивностью 4 г/(м -с) длительностью 10 000 с
При использовании температурного контраста в качестве признака обнаружения, его рост способствует увеличению достоверности идентификации дефектов. Оптимальное время для контроля наступает по истечении 4 104 с после начала стимулирования поверхности. Скорость изменения температурного контраста при орошении падает с течением времени. Наибольшая скорость его изменения сохраняется в течение первых 1 104 с, поэтому для идентификации дефектов по первой производной температурного контраста целесообразно применять воздействие на поверхность печи в форме прямоугольного импульса заданной длительности. На рис.3.26 представлены графики изменения контраста температур между точкой, расположенной в середине дефектной зоны, и удаленной точкой для дефектов различной глубины, но фиксированной длины 150 см при импульсном воздействии орошением. Видно, что, чем больше глубина дефекта, тем больше скорость нарастания измеряемой величины. Из приведенной на рис. 3.27 зависимости следует, что скорость нарастания контраста температур изменяется прямо пропорционально глубине дефекта с коэффициентом пропорциональности 0,35 мК/(с-см).
На рис.3.28 приведено изменение перепада температуры между точкой, расположенной в середине дефектной зоны, и удаленной точкой для дефектов различной длины (глубина дефектов 12 см). Из представленных графиков следует, что изменение длины дефекта от 150 см до 75 см мало влияет на изменения температурного контраста (в переделах 5С); уменьшение длины дефекта до 50 см приводит к изменениям до 13С. Для количественной оценки процесса на рис. 3.29 изображена зависимость скорости нарастания контраста температур от длины дефекта.
Данная зависимость иллюстрирует тот факт, что скорость нарастания температурного контраста в меньшей степени зависит от длины дефекта, чем изменение температуры в дефектной области. В исследованном диапазоне длин дефектов (50-150см) скорость нарастания разности температур изменяется на 11,2%, что в 3-4 раза меньше, чем изменение температуры в дефектной точке для того же диапазона длин дефектов (см. рис. 2.19 и работу [200]).
На основе полученных данных можно сделать выводы
1. При воздействии на внешнюю поверхность печи путем орошения перепад температур между точками дефектной и бездефектной зон растет монотонно. Величина перепада выше уровня шумов для опасных дефектов.
2. Скорость нарастания температурного перепада при орошении пропорциональна глубине дефектов.
3. Воздействие водяным орошением позволяет повысить точность идентификации дефектов внутренней поверхности печи за счет увеличения кон траста температур между дефектной и цельной областями не менее чем в 1,5 раза.
Рассмотрим, как влияют размеры дефекта на разность температур в дефектной и цельной областях при ступенчатом воздействии воздухом на внешнюю поверхность печи. На рис.3.30 представлено изменение контраста температур для дефектов фиксированной длины 1д=150 см в зависимости от их продольного размера dd при воздушном обдуве.