Методы теплотехнических исследований. Лабораторный практикум

ся самый быстрый из всех теоретически возможных режимов нагрева в данной печи. При этом удовлетворяются допустимые теплотехнические ограничения нагрева по превышению перепада температуры между центром и поверхностью заготовки, температуры поверхности заготовки и температуры печи.

Вкачестве исходных данных в программу расчета вводятся сведения

оначальной температуре заготовки, ее размерах и теплофизических характеристиках металла. Это энтальпия единицы объема металла, температурные зависимости коэффициентов теплопроводности и температуропроводности. Вводится информация о режиме и характеристиках исследуемой печи, в которую входят значения температуры в зонах печи, длины зон, координаты расположения зональных термопар.

Далее в ходе эксперимента через определенный промежуток времени (интервал считывания) или в момент загрузки новой заготовки в печь (шаг загрузки) в программу вводятся значения температуры печи, поверхности заготовки и ее центра. Программным путем рассчитываются ограничения по перепаду температуры между поверхностью и центром заготовки, ограничения на максимально допустимую температуру поверхности металла и ограничение на максимально допустимую температуру печи. Допустимый перепад температуры между поверхностью и центром заготовки рассчитывается по формуле

Tдоп = 1,5(1 − v) σ ,

BE

где Тдоп – допустимый перепад температуры между поверхностью и центром металла, °С;

v– коэффициент Пуассона;

σ– временное сопротивление металла заготовки на разрыв, Па; B – коэффициент линейного расширения, 1/К;

Е – модуль упругости, Па.

Ограничение на максимально допустимую температуру поверхности металла вводится исходя из требований сведения к минимуму количества окалины, образующейся при нагреве в печи. Это ограничение определяется свойствами металла и требованиями к нагреву данной марки стали.

Ограничение на максимально допустимую температуру печи – это ограничение на максимальную температуру, которую возможно создать в данном месте печи. Она ограничивается мощностью горелок и стойкостью футеровки печи.

31

Программа может работать в режиме реального времени. Поэтому в помощь экспериментатору в программе предусмотрены сообщения о текущих измерениях, т.е. программа напоминает о том, какие измерения в данный момент нужно сделать. Также осуществляется сигнализация о нарушениях режима нагрева, т.е. в случае понижения температуры печи, поверхности заготовки или ее центра, о чем выдается соответствующее сообщение.

Расчет температурных режимов производится методом сеток по одномерной модели. При этом заготовка по толщине разбивается на ячейки (одномерная сетка). Значения температуры в узлах сетки обозначаются соответственно Т1, Т2, …, Тn.

Расчет нового режима нагрева включает в себя расчет температуры печи, температуры центра и поверхности металла, коэффициента теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи по всей длине печи определяется по формуле

Принцип расчета основан на применении метода половинного деления толщины заготовки для вычисления максимальной температуры печи, при которой еще нет нарушения приведенных выше ограничений. Расчет температуры поверхности и центра заготовки осуществляется по одномерной модели нагрева массивного тела с граничными условиями третьего рода по формуле

32

Температура на поверхности заготовки вычисляется исходя из граничных условий третьего рода по формуле

6λ1

Шаг по температуре печи выбирается опытным путем, он влияет на время счета программы и может принимать значения от нескольких сотен до нескольких десятков градусов.

Программа может работать в двух режимах счета. При первом режиме программа работает в режиме реального времени, при втором, который и применялся для данного исследования, – самостоятельно, с использованием результатов ранее проведенного эксперимента.

Для проверки правильности выполнения расчета и эксперимента проводится обратный счет, т.е. рассчитываются значения температуры заготовки при экспериментальных значениях температуры печи. Если расчет проведен правильно, то рассчитанные значения температуры заготовки при обратном счете должны быть с точностью до заданных погрешностей идентичны экспериментальным значениям. Значительные отклонения расчетных значений температуры от экспериментальных говорят о том, что были допущены ошибки при измерениях температуры дистанционным датчиком, регистрирующим прибором или ошибки при расчете. Таким образом, происходит самотестирование программы, успешные результаты которого являются гарантией исправной работы автоматизированной измерительной системы в целом.

3.3. Описание установки

Работа выполняется на стенде № 4. В состав стенда включаются камерная электропечь; исследуемый объект – образец термически «массивного» тела с 6 стационарно установленными кабельными термопарами; двухсенсорная (пирометр и термопара) система кон-

33

троля температуры металла «FTS 500/2000» в печи с блоком программного управления и визуализации; многоканальный прецизионный измеритель-регулятор температуры «ИРТ МИТ-8»; микропроцессорная компьютеризированная система сбора, хранения и обработки данных; программно-методическое обеспечение стенда, включающее инструкции, паспорта на оборудование, средства измерения и правила техники безопасности; системное и специализированное программное обеспечение для проведения лабораторной работы.

Выбор оборудования для проведения работы осуществляется на основании анализа выданного преподавателем варианта задания и исходных данных, а также имеющихся в наличии средств исследования.

3.4.Контрольные вопросы

1.В чем заключается адекватность теплотехнической модели?

2.Что входит в задачу параметрической идентификации исследования?

3.Чем вызваны ошибки моделирования тепловой работы печи?

4.Каких исходных данных требует программа расчета температурных режимов нагрева металла?

5.Что означает оптимальный режим нагрева металла в данной работе?

6.Как выбирается шаг по температуре печи?

7.Что понимают под локальной «эффективной» температурой пе-

чи?

8.Как понятие локальной «эффективной» температуры упрощает моделирование и помогает в диагностике тепловой работы агрегата?

9.Какие теплотехнические ограничения учитываются при расчете оптимального режима нагрева металла?

10.Как осуществляется самотестирование программы расчета температурных режимов нагрева металла?

34

Лабораторная работа 4

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ТЕМПЕРАТУРНОГО И ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПЕЧИ

(4 часа)

4.1.Цели работы

1.Развитие творческой инициативы, самостоятельности мышления и навыков коллективного поиска решения поставленной задачи.

2.Освоение процедур экспериментального и аналитического исследования температурного и теплового состояния рабочих поверхностей теплового агрегата.

3.Приобретение навыков измерений с помощью современных средств исследования и обработки исходной информации с использованием творческого подхода к выполнению исследования.

4.2.Методика проведения исследования

Работа выполняется на экспериментальных компьютеризированных стендах межкафедральной институтской мультимедийной лаборатории МИСиС «Теплотехнические измерения в металлургии».

Особенностью работы является коллективный творческий характер ее выполнения. Для проведения исследования учебная группа делится на две подгруппы: 1-я – исследователи-экспериментаторы, 2-я – исследователи-теоретики.

Каждая подгруппа выполняет свою часть работы, в ходе которой они обмениваются соответствующими данными и разработанными вычислительными алгоритмами. Результаты работы объединяются в едином отчете.

Исследователи-экспериментаторы разрабатывают методику измерений, а исследователи-теоретики – программное обеспечение и алгоритмы обработки данных.

Для выполнения этих задач необходимо составить методику проведения экспериментального исследования температурного состояния

35

наружной и внутренней поверхностей футеровки печи с использованием прямых измерений и косвенных методов определения значений тепловых потоков с помощью контактных цифровых термометров (КТЦ); ленточного и пятачкового термощупов с цифровыми индикаторами типа ТК-5, а также бесконтактных средств: тепломера, инфракрасного пирометра Raytek и тепловизора Fluk; алгоритмического и программного обеспечения для проведения аналитического исследования определения тепловых потерь печи при стационарном тепловом режиме её работы на трех уровнях температурного состояния рабочего пространства печи.

При составлении расчетных уравнений следует учитывать теплообмен излучением и конвекцией. Для расчета потерь необходимо использовать результаты измерения действительной температуры поверхности кожуха разных элементов печи. По данным исследования построить «температурную и тепловую маски» печи. Сравнить результаты, полученные с помощью пирометра, тепломера и тепловизора. Определить суммарные тепловые потери каждым элементом печи. Представить графическое отображение процентного распределения тепловых потерь по элементам печи.

Работы проводятся на экспериментальных стендах. Варианты предлагаемых средств исследования и стендов для выполнения работы указаны в исходных данных, приведенных в табл. 4.1. При проведении работы преподаватель несет дополнительную нагрузку по дополнению и изменению перечня средств исследования, консультированию, по назначению исследовательских стендов и задач исследования, применяемых алгоритмов, вариативной обработки результатов и вида их представления.

36

При проведении аналитического исследования предполагается использовать методику графического представления геометрических и температурных данных. При этом необходимо разбить указанные ниже элементы печи на площадки Fij = aij bij, м2, количество которых для данного элемента печи определит данные для заполнения последнего столбца примерной таблицы результатов измерений значений температуры (табл. 4.2).

Таблицы данных, расчеты и результаты экспериментального и аналитического исследования должны быть представлены с помощью средств EXCEL.

Схема «обхода» элементов печи и схема разбивки элементов на площадки для проведения измерений должны быть однотипными. Примеры таких схем показаны на рис 4.1 и рис. 4.2 соответственно.

1 2

5

4 3

Рис. 4.1. Схема обхода выделенной площадки при измерении температуры в локальных точках

Развертка поверхности печи с разбивкой на элементы и площадки для последующего ввода данных из табл. 4.2 приведена на рис. 4.2.

Назначение цветовой гаммы площадок элементов печи производится в соответствии с назначаемой таблицей цветовых градаций. Алгоритм назначения градаций поясняется на приведенном ниже примере (табл. 4.3).

38

Передняя стенка

Крышка

Рис. 4.2. Схема примерной разбивки элементов печи на площадки с размерами aij × bij

В данной таблице градационный интервал температуры составляет dT = (Tijмакс – Tijмин)/7.

39

Примечания:

–задание может быть уточнено преподавателем во время занятий;

–для пирометрического измерения предварительно требуется установить реальную степень черноты поверхности, используя соответствующее контактное средство измерения;

–для каждой площадки следует иметь следующие показатели: пять значений локальной температуры в каждой точке, усредненную температуру в локальной точке, реальную степень черноты, размеры

площадки a × b;

– выбор цвета следует выполнять с использованием автоматического назначения путем привлечения логических функций EXCEL.

4.3.Порядок проведения работы

4.3.1.Построение «цветовой температурной маски»

Результатами данного исследования являются прямые измерения температуры разными средствами (контактными и бесконтактными или их комбинацией).

Используя указанное в исходных данных средство измерения необходимо исследовать поле температур заданной поверхности, рассчитать поле тепловых потоков и построить «цветовую температурную маску», выполнив следующие действия:

1)составить схему экспериментальной установки, используя стендовый плакат, написать методику измерений, выбрать и подготовить средства измерений;

2)перед началом эксперимента подготовить необходимые электронные таблицы и графики отображения;

3)измерить температуру окружающего воздуха Т0;

4)определить размеры поверхности элементов печи и разбить каждую на равновеликие площадки (по возможности их число должно быть не менее 9 для каждого элемента) для последующего измерения температуры Тij в 5 точках каждой площадки исследуемого элемента поверхности печи;

5)подготовить электронную таблицу, напоминающую по конфигурации развертку исследуемой поверхности, для внесения результатов измерений температуры в каждой точке;

6)после заполнения таблицы назначить градацию цветов:

–задать количество градаций n (не менее 7);

–определить градационный интервал dT = (Tijмакс – Tijмин)/n;

40