Разработка методов расчетов двумерных температурных полей в электротермических установках и анализ их сравнения с экспериментальными данными

Для получения широкого класса материалов в настоящее время наиболее распространенными являются универсальные электротермические установки (ЭТУ). В ЭТУ реализуются такие процессы, как получение сверхчистых металлов, полупроводников, пенометаллов и ферросплавов, проведении плазмохимических реакций и другие. Все эти процессы требуют создания в ЭТУ заданных достаточно сложных тепловых режимов: поддержание в зоне нагрева постоянной температуры на уровне 1000−1500°С с высокой (до ± 0,01 °С) точностьюсоздание градиента температур до 100−200град/см сохранение постоянного градиента температур при уменьшении температуры ЭТУподдержание высокой температуры в зоне нагрева (до 1600 °С) при ограниченной подведенной мощностиподдержание температуры внешнего корпуса ЭТУ в течение всего процесса на требуемом уровне. Все эти условия накладывают жесткие требования при проектировании ЭТУ. Одним из этих требований является выполнение точных тепловых расчетов всего устройства в целом и отдельных его элементов. И если конструкция, а, следовательно, и общий тепловой баланс ЭТУ сугубо индивидуальны, то ряд их конструктивных элементов может с успехом использоваться в любой из разрабатываемых модификаций устройств.

Современное проектирование ЭТУ обычно решается суммированием многих вопросов в качестве единого целого. Инженерная методика таких расчетов достаточно разработана. Однако, сложность и многообразие конструкций и тепловых процессов, протекающих в ЭТУ, не позволяет говорить об исчерпанности этих вопросов. Не всегда методика этих расчетов учитывает температурные зависимости теплофизических свойств (прежде всего теплопроводности) конструктивных материалов применяемых в печах, а также влияние изменения направленности теплового потока на температурные перепады в элементах этих конструкций.

Учет этих факторов с применением методов математического моделирования позволяет получить достаточно точные закономерности распределения температуры на поверхности наиболее распространенных элементов конструкций ЭТУ. Как указывается в справочнике «Промышленная теплоэнергетика» 2007 г. Специальными задачами теплотехнических расчетов ЭТУ являются расчет температуры нагревателей печей сопротивления с учетом их конфигурациинестационарных температурных полей в нагреваемом изделии с учетом внутренних источников теплоты, например для установок индукционного нагреватеплообмена в установках инфракрасного нагрева с учетом характеристик излучателя и нагреваемой поверхноститеплообмена потока плазмы и пучка электронов с нагреваемым изделиемтеплообмена электрической дуги с потоком газа в плазменных установках.

Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертации является теоретическое и экспериментальное исследование двумерных температурных полей на теплопередающих поверхностях элементов конструкций ЭТУ. Основной задачей для этого исследования стала разработка методов и программ расчетов двумерных температурных полей с учетом температурной зависимости теплопроводности на основе сравнения рассчитанных и экспериментальных данных. Анализ полученных расчетных результатов сравнивался с экспериментальными данными полученными с помощью тепловизионной системы ThermaCAM SC3000 и ее программного обеспечения. Научная новизна диссертации заключается в: — создании математической модели двумерного распределения температуры на поверхностях элементов ЭТУ с учетом температурной зависимости коэффициентов теплопроводности;

— разработке вычислительной программы для расчета двумерных температурных полей на поверхностях элементов ЭТУ;

— установлении возможности использования предложенного метода и программ для определения температурных полей на основе сравнения экспериментальных и теоретических данных в пределах допустимой погрешности.

Достоверность полученных результатов подтверждается совпадением результатов расчета с помощью разработанной программы и экспериментальных данных, полученных на лабораторной установке.

Практическая ценность работы заключается в создании программного комплекса для расчета двумерных температурных полей и потерь тепла в элементах конструкций ЭТУ.

Апробация работы. Результаты, полученные в ходе выполнения работы, были опубликованы в следующих печатных работах:

1. Экспериментальное исследование температурных полей. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Текстиль-2003» 18−19.11.2003 г.

2. Изучение процессов теплопроводности в двумерных системах. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Текстиль-2004» 24.112 004 г.

3. Экспериментальное исследование коэффициентов теплоотдачи при стабилизированном течении теплоносителя. Энергосбережение и водоподготовка. № 1, — М. 2004 г.

4. Анализ эффективной теплопроводности цветных металлов на основе моделей подвижности и релаксации. М., ж. «Известия МГИУ», 2006, № 4(5).

5. Анализ влияния теплопроводности некоторых металлов и их сплавов на эффективность процессов переноса тепла. НОУВПОЭИ «Вопросы повышения эффективности энергетических систем» сб.трудов.

6. Исследование температурных полей на теплопередающих поверхностях теплотехнологического оборудования. НОУВПОЭИ «Вопросы повышения эффективности энергетических систем» сб.трудов.

Содержание работы. Диссертация состоит из введения и четырех.

ВЫВОДЫ.

1. На основе математической модели температурных полей в элементах конструкций электротермических установок, анализируемых в диссертации, разработана программа, позволяющая рассчитать распределение температур с учетом поворота теплового потока и температурной зависимости теплопроводности материала.

2. Показано, что зависимости тепловых свойств могут быть представлены в виде функции Л = ATх и получены численные значения величины X для всех исследованных материалов.

3. Для подтверждения результатов расчета разработана и создана экспериментальная установка на основе тепловизионной системы «ThermaCAM™ SC3000», позволяющая определять распределение температуры в образцах с погрешностью ±2% в данном интервале температур.

4. Разработан метод расчета и программный комплекс, позволяющий выполнять расчет температурных полей элементов электротермических установок с погрешностью, не превышающей ±10%.

5. В результате выполненной работы получены метод и программа расчета двумерных тепловых полей в элементах электротермических установок.