Визначення енергетичних характеристик екзотермічних стержнів при ремонті й утилізації суден

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеська державна академія холоду

Удк. 536.24:621.791.55

ВИЗНАЧЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЕКЗОТЕРМІЧНИХ СТЕРЖНІВ ПРИ РЕМОНТІ Й УТИЛІЗАЦІЇ СУДЕН

Спеціальність

05.14.06 - технічна теплофізика і промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ЛЕБЕДЄВ БОРИС ВОЛОДИМИРОВИЧ

Одеса - 2007

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Одеської державної академії холоду Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки України, Чумак Ігор Григорович, Одеська державна Академія холоду

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор, Нікульшин В. Р. завідувач кафедрою Теоретичної, загальної і нетрадиційної енергетики Одеського національного політехнічного університету.

доктор технічних наук, професор, Шевченко М. П. професор кафедри Криогенної техніки Одеської державної академії холоду.

Провідна установа Інститут проблем Машинобудування ім. А. М. Подгорного НАН України .

Захист відбудеться “5“ березня 2007 р. у 11 годин 30 хвилин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д41.087.01 Одеської державної академії холоду за адресою 65000, Одеса, вул. Дворянська 1/3.

З дисертацією можна ознайомитись в Одеській державній академії холоду за адресою 65000, Одеса, вул. Дворянська 1/3.

Автореферат розісланий “ 1 “ лютого 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 41.087.01



Лебедєв Б.В. Визначення енергетичних характеристик екзотермічних стержнів при ремонті й утилізації суден - Рукопис

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.14.06 - технічна теплофізика і промислова теплоенергетика - Одеська державна академія холоду. Одеса, 2006.

Робота присвячена теоретичному та експериментальному вивченню закономірностей теплообміну при горінні екзотермічних ріжучих і зварювальних стержнів, на суші і під водою, при утилізації і ремонті суден з метою науково - обґрунтованого розрахунку необхідної потужності таких стержнів, їхнього обґрунтованого конструювання і створення екзотермічних засобів, що могли б забезпечити необхідну теплову потужність.

Аналітичні і експериментальні дослідження процесу теплообміну палаючого стержня дали нові наукові результати, показавши, що тепловтрати зв'язані з різними закономірностями теплообміну на повітрі і під водою - при плівковому, бульбашковому і змішаному кипінні води біля палаючого стержня, а також при конвективному теплообміні без зміни агрегатного стану. Ці дослідження дали можливість обґрунтовано розраховувати теплову потужність і ККД екзотермічних стержнів для підводного різання.

Експериментальні дослідження процесу теплообміну палаючого стержня на суші і під водою, проведені при використанні оригінальної методики, підтвердили правильність аналітичних підходів і одержаних результатів. теплообмін екзотермічний утилізація зварювальний

Ключові слова: теплообмін, теплові втрати, теплова потужність, плівкове кипіння, бульбашкове кипіння, змішане кипіння, екзотермічний стержень, екзотермічна суміш, горіння.



ЛЕБЕДЕВ Б.В. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕЙ ПРИ РЕМОНТЕ И УТИЛИЗАЦИИ СУДОВ.- Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика - Одесская государственная академия холода. Одесса, 2006.

Работа посвящена теоретическому и экспериментальному изучению закономерностей теплообмена при горении экзотермических режущих и сварочных стержней, на суше и под водой, при утилизации и ремонте судов в целях научно - обоснованного расчета необходимой тепловой мощности таких стержней, их обоснованного конструирования и создания экзотермических средств, которые могли бы обеспечить требуемую тепловую мощность.

Аналитические исследования процесса теплообмена горящего стержня дали новые научные результаты, показав, что теплопотери связаны с различными закономерностями теплообмена на воздухе и под водой - при пленочном, пузырьковом и смешанном кипении воды около горящего стержня, а также при конвективном теплообмене без изменения агрегатного состояния. Эти исследования дали возможность обоснованно рассчитывать тепловую мощность и КПД экзотермических стержней для подводной резки.

Экспериментальные исследования процесса теплообмена горящего стержня на суше и под водой, проведенные при использовании оригинальной методики, подтвердили правильность аналитических подходов и полученных результатов.

Ключевые слова: теплообмен, тепловые потери, тепловая мощность, пленочное кипение, пузырьковое кипение, смешанное кипение, экзотермический стержень, экзотермическая смесь, горение.

LEBEDEV В.V. DETERMINATION OF THE POWER CHARACTERISTICS OF EXOTHERMAL RODS AT REPAIR AND SALVAGING OF SHIPS.-manuscript

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a specialty 05.14.06 - technical thermal physics and industrial power systems - Odessa State Academy of Refrigiration. Odessa, 2006.

The activity is dedicated to idealized and experimental analysis of legitimacies of thermoexchange at combustion of exothermal cutting and welding rods, overland and underwater, at salvaging and repair of ships with the purposes of scientifically - reasonable calculation of indispensable power of such rods, their reasonable designing and creation exothermal means, with which one could ensure a required power.

The analytical researches of process of thermoexchange of a burning rod over and underwater have given new scientific results, having shown, that heat rejections are connected to different legitimacies of thermoexchange - at film, bubble and combined boiling of water about a burning rod and at heat convection without change of a modular condition. These researches have enabled the reasonable calculation of power and efficiency of exothermal rods for underwater cutting..

In activity of the researches on legitimacies of combustion of exothermal mixtures are conducted, their classification and scientific technique of calculation of a component structure, for maintenance of a required power of a rod are given.

Keywords: thermoexchange, heat losses, heat rate, film boiling, bubble boiling, blended boiling, exothermal rod, exothermal mixture), combustion.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Суднопіднімальні роботи з метою очищення акваторій і фарватерів ведуться в даний час досить часто. Найчастіше зрізуються частини судна, що виступають з під води, розрізається на ґрунті основний корпус судна і піднімається вроздріб для наступної утилізації як металобрухт. Основним засобом розрізування є єлектрокисневе різання, тобто сумісне використання електрозварювання і кисню. Використання електрозварювання на багатьох суднопіднімальних суднах невеликої водотоннажності пов'язано з певними труднощами, оскільки зварювальне устаткування важке і громіздке.

Для того щоб відмовитися від важкого зварювального устаткування робляться спроби використовувати для різання термохімічні стержні в сполученні з киснем.

Ремонт устаткування, також як і судноподъем це широко розповсюджений технологічний процес. Ремонт може полягати в заміні деталей, що вийшли з ладу, новими чи, коли це чи неможливо чи економічно недоцільно, у ремонті і відновленні деталей. При здійсненні ремонту необхідно виконувати роботи, пов'язані з розрізуванням деталей (особливо при ремонті різних трубопроводів). Як і у випадку суднопод'ема, проведення цих робіт вимагає також складного і дорогого устаткування, на якому повинен працювати висококваліфікований персонал. На практиці ж досить часто виникають ситуації, коли необхідно зробити ремонт оперативно, у період рейсу судна поза стаціонарним підприємством, не маючи висококваліфікованого персоналу. Використання термохімічних зварювальних і ріжучих стержней, забезпечує значні переваги в порівнянні з іншими зварювальними технологіями.

Термохімічні зварювальні і ріжучи стержні, котрі як би е “квазіелектродами”, не вимагають для свого використання ніякого зварювального устаткування і ніяких зовнішніх джерел енергії. Ці стержні можуть працювати у важкодоступних місцях, на суші і під водою. Використання цих стержнів не вимагає високої кваліфікації і спеціальної підготовки персоналу. Вимоги, пропоновані охороною праці до захисного одягу й інших засобів захисту значно нижчі, ніж при звичайному зварюванні.

Ґрунтуючись на вищевикладеному можна затверджувати, що розробка й удосконалення науково обґрунтованої методики розрахунку характеристик зварювальних термохімічних стержнів, створення високопрацездатних термохімічних засобів для надводного і підводного різання металів, і розробка технології їхнього застосування для оперативного ремонту деталей судномашин і суднопідйому є актуальною і багатоплановою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами - цільова спрямованість дисертаційної роботи пов'язана з виконанням держбюджетної роботи з теми: “Удосконалювання технічної експлуатації суднових енергетичних установок транспортних суден” №0102U007164, що виконувалася в Одеській національній морській академії.

Мета і задачі дослідження. Досліджувати закономірності теплообміну при горінні термохімічних ріжучих стержнів, під водою і на суші, на основі чого створити науково обґрунтовану методику розрахунку енергетичних характеристик термохімічних ріжучих стержнів, створити високоефективні термохімічні ріжучі засоби і розробити технологію їхнього застосування.

Виходячи з поставленої мети, у роботі розв'язуються такі задачі:

- досліджені закономірності різання металів екзотермічними стержнями на повітрі, під водою, відмінні від закономірностей звичайного підводного різання, як електричного, так і газового,

- на основі вивчення закономірностей різання розроблені і науково обґрунтовані методики розрахунку ККД екзотермічного ріжучого стержня, і необхідної теплової потужності його для різання металу,

- вивчені закономірності горіння і розроблені високоенергетичні екзотермічні склади, що забезпечують необхідну теплову потужність для здійснення різання металів.

Об'єкт дослідження - особливості теплообміну при горінні екзотермічних стержнів, що ріжуть під водою і на повітрі.

Предмет дослідження - закономірності киснево-термічного різання і зварювання металів.

Методи дослідження:

Методи сучасної прикладної теплотехніки, що використовувалися для дослідження процесів теплообміну в зварювальній зоні з метою досягнення необхідних енергетичних показників.

Математичне моделювання й обчислювальний експеримент в області процесів зварювання .

Експериментальні дослідження процесів теплообміну в зварювальній зоні.

Наукова новизна визначається наступними результатами досліджень:

1. аналітично встановлені закономірності теплообміну при різанні термітними і киснево-термічними стержнями на повітрі і при підводному різанні;

2. розроблена методика розрахунку ККД і необхідної теплової потужності зварювального та ріжучого киснево-термічного стержня;

3. подальший розвиток отримано у вивченні процесу теплообміну при горінні зварювального і ріжучого киснево-термічного стержня на повітрі і під водою, що дають можливість розраховувати необхідну теплову потужність складів і жужільний склад;

4. отримано нові результати експериментальних досліджень закономірностей теплообміну при різанні термітними і киснево-термічними стержнями на повітрі і при підводному різанні;

5. отримано подальший розвиток у галузі технології зварювання, наплавлення і різання екзотермічними зварювальними стержнями.

Практичне значення отриманих результатів.

Автор дисертації розробив і науково обґрунтував новий напрямок у ремонті суднових темничних засобів (СТЗ), що дає можливість оперативного ремонту без виводу судна з експлуатації з використанням нескладних засобів і персоналом невисокої кваліфікації.

Автор дисертації розробив і науково обґрунтував новий напрямок у створенні екзотермічних засобів підводного і надводного різання, що дає можливість широко використовувати ці засоби в різних галузях народного господарства й у побуті для проведення різних ремонтно-відбудовчих робіт.

Особистий внесок здобувача:

Автор уперше:

- визначив закономірності теплообміну при зварюванні - різанні екзотермічними стержнями, дав нову методику розрахунку ККД і необхідної теплової потужності зварювально - ріжучого стержня;

- експериментально досліджував закономірності теплообміну при різанні екзотермічними і киснево-термічними стержнями на повітрі і під водою;

- одержав нові наукові результати по горінню термітних сумішей, що дають можливість розраховувати необхідну теплову потужність складів і жужільний склад для запобігання перемішування термітного метала зі шлаком у період кристалізації;

- розробив методику розрахунку теплових характеристик екзотермічних стержнів, у залежності від властивостей пластини, що розрізається.

Апробація результатів роботи: Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на наступних науково технічних конференціях і семінарах:

Українська науково-технічна конференція “Сучасні технології й устаткування в газотермічних процесах відновлення й утилізації деталей машин.” Київ, 1999

Науково-технічна конференція “Енергозбереження в системах опалення, вентиляції і кондиціонування” Одеська державна академія будівництва й архітектури. (Одеса 2003).

Український семінар “Сучасний стан ремонтно - відбудовної бази підприємств морегосподарчого комплексу України і шляху її подальшого розвитку. Прогресивні технології зварювання і з'єднання матеріалів у судноремонті” (Одеса 2003).

Український семінар “Зварювання і родинні технології в сучасному машинобудуванні” (Одеса 2003).

Український семінар “Зварювання і родинні технології в сучасному машинобудуванні” (Одеса 2004).

Українська науково-технічна конференція “Нові процеси і їхні моделі в ресурсо- і енергозберігаючих технологіях” ОНПУ (Одеса 2003).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 12 наукових статей і отримано 15 патентів України.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, шістьох розділів, списку використаної літератури і додатків. Загальний обсяг складає 175 c., у тому числі 165 с. машинописного тексту, 45 малюнків, 4 таблиці, 2 додатки. Список використаної літератури складає 102 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи. Сформульовано мету і задачі дослідження, відбиті наукова новизна і практична цінність роботи, наведені відомості про апробацію, публікації, відомості про використання результатів досліджень.

Розділ 1. Огляд проблем, зв'язаних з відновленням і ремонтом деталей машин суднових технічних засобів при яких може бути використане екзотермічне різання.

Сучасні морські і річкові судна оснащені великою кількістю суднових технічних засобів, причому деталі цих засобів виготовляються з різних сплавів, тому задача підтримки працездатності СТЗ вимагає наявності досить значного ремонтного арсеналу. Матеріали, з яких виготовляються ці деталі можна умовно розбити на три групи. Це чавуни, сталі і кольорові сплави. За даними кафедри ТМС Одеській національній морській академії характерні дефекти чавунних деталей що потребують ремонту і відновлення є: утворення тріщин, знос поверхні, наробітку, натиры, раковини; сталевих деталей - утворення тріщин, знос поверхні, корозія, риски й ін., деталей з кольорових сплавів: утворення тріщин, знос поверхні, наклеп, ризики, забоїни.

У багатьох випадках мається необхідність зробити ремонт, у період рейса, без виводу судна з експлуатації, якість якого була б достатня на термін, поки не буде можливість скористатися стаціонарною ремонтною базою.

Крім того, у морських і річкових акваторіях України мається величезна кількість затонулих суден, що навіть у випадку вдалого підйому, що саме по собі є дуже дорогою операцією, не придатні до подальшого ремонту й експлуатації. Найчастіше, вигідніше судно розрізати на ґрунті і підняти вроздріб для його наступної утилізації як металобрухт.

Як у першому, так і в другому випадках необхідно застосовувати могутнє, дороге устаткування і використовувати персонал високої кваліфікації.

Як видно з вищевикладеного, раціонально мати засоби для оперативного ремонту й утилізації суден досить малогабаритні, не зв'язані з зовнішніми джерелами енергії і не потребуючі для своєї експлуатації висококваліфікованого персоналу, - засобу як для надводних, так і для підводних робіт. Такими засобами можуть бути пристрою у вигляді екзотермічних стержнів, що використовують енергію окисних чи окислювально-відновних реакцій, (зокрема термітних) чи засоби горіння висококалорійних металів у кисні, що в принципі дозволяє одержати згадані вище характеристики.

Основна задача, що існує при створенні таких стержнів, це визначення їхніх енергетичних параметрів, що неможливо зробити без ретельного вивчення закономірностей теплообміну при горінні таких стержнів на повітрі і під водою.

Показано, що при різанні і зварюванні екзотермічними стержнями умови нагрівання металу значно відрізняються від умов нагрівання електричною дугою, тому наявні результати можуть бути використані з великою обережністю як приблизні. В даний час немає методик, що дозволяють розрахувати теплову потужність екзотермічного стержня, необхідну для зварювання і для різання, ні методики розрахунку тепловтрат при горінні екзотермічних стержнів, як на повітрі, так і під водою.

Розділ 2. В другому розділі виконані теоретичні дослідження потрібної теплової потужності екзотермічних стержнів, що виділяють термітний метал, до складу яких входить твердий окислювач і які є найбільш малогабаритними і найбільш оперативними в застосуванні, а також дослідження для більш загального випадку, коли склад стержнів більш складний і багатокомпонентний і нагрівальним середовищем при горінні таких стержнів є стоплений метал, стоплені оксиди і газовий струмінь.

Для першого випадку потрібна теплова потужність стержнів визначається виразом:

, ( 1)

де ( 2)

і Т - температура К⁰ - коефіцієнт теплової активності - Дж/м² К^0.5 D - діаметр стержня - м; v - швидкість переміщення стержня уздовж шва - м/с Z - товщина металу - м - коефіцієнт температуропровідності м²/с - ККД стержня. Закономірності зміни необхідної теплової потужності стержнів, у залежності від товщини пластини, що розрізається чи зварюється.

Дослідження показують, що теплова потужність зварювального стержня для нагрівання до однакової температури сталевих зразків однакової товщини, для стержня, залізо повинна бути в 1,4 рази більшою, ніж для такого ж стержня, мідь.

При зварюванні і різанні екзотермічним стержнем значний вплив на процес робить не тільки його теплова потужність, але і час теплового насичення, оскільки розміри стержня і час його горіння обмежені.

У дійсній роботі час теплового насичення визначався шляхом моделювання процесу підвищення температури і може бути розраховано за виразом:

(3)

де Т_0т, Т_0м - початкові температури металу що зварюється чи ріжеться і термітного металів, _т і _м - коефіцієнти теплової активності металу що зварюється чи ріжеться і термітного металів, Z - товщина металу, що зварюється, ( - час нагрівання).

Дослідження теплової потужності стержнів, що мають більш складний компонентний склад і забезпечуючих різнорідне середовище нагрівання проводилося з урахуванням того, що тепловіддача навколишньому середовищу здійснюється одночасно трьома способами: теплопередачею усередині тіла, конвективною тепловіддачею від тіла безпосередньо в навколишнє середовище і променистою тепловіддачею. При різних умовах теплообміну вплив кожної з цих складових різний - при зварюванні - різанні товстостінних конструкцій невеликого розміру чи довгих циліндрів (прутків) встик, вирішальне значення має теплопередача усередині тіла, особливо для матеріалів з високим коефіцієнтом теплопровідності (наприклад, алюмінію), навпаки, при зварюванні - різанні тонких пластин, особливо при інтенсивному теплообміні з навколишньою середою , конвективна тепловіддача відіграє вирішальну роль. При зварюванні у вакуумі основний вид теплообміну - випромінювання.

У такий спосіб:

Q_св = Q_к + Q_л , (4)

де: Qсв - потрібна теплова потужність джерела тепла; Qк - конвективна тепловіддача;Qл - тепловіддача випромінюванням.

Особливе значення точний розрахунок теплової потужності здобуває у випадку, якщо така потужність конструктивно чи технологічно обмежена, наприклад, при зварюванні термітним зварювальним стержнем чи іншим зовнішнім точковим джерелом тепла.

Технологічні обмеження, що накладаються на таке джерело, полягають у наступному:

- теплота передається тілу на малої по площі ділянці, температура на цій ділянці не може перевищувати температуру кипіння основного металу.

- теплова потужність джерела, що працює в сталому режимі повинна відповідати рівнянню 4.

Загальний вираз для розрахунку теплової потужності точкового джерела тепла, використовуваного при зварюванні-різанні з урахуванням тепловтрат на розплавлювання крайок складе:

де: - теплопровідність матеріалу пластини, - товщина пластини, t_и - температура джерела, що нагріває, t_r - температура пластини на відстані r від джерела теплоти, r - відстань від джерела теплоти, ( - кінематичний коефіцієнт в'язкості навколишнього середовища [м²/с], а - коефіцієнт температуропроводності навколишнього середовища [м²/с], l - характерний розмір - , g - прискорення вільного падіння [м/с²], - коефіцієнт масовіддачі [м/с], F_пл - повна площа тепловіддачі пластини, t_пов - температура на поверхні пластини, t_ср - температура навколишнього середовища, Т_1, Т₂ - абсолютна температура К, ₁ и ₂- ступені чорності, ?₀ - стала Стефана-Больцмана.

Це вираження дозволяє досить точно розраховувати теплову потужність екзотермічного стержня, що працює в сталому режимі. Значення теплової потужності джерела.

Розділ 3. У третьому розділі виконані теоретичні дослідження теплової потужності екзотермічних стержнів при підводному розрізуванні металу.

При розрізуванні металевої пластини під водою вона нагрівається в зоні безпосереднього контакту з джерелом тепла до температури топлення. Оскільки ця температура забезпечує дуже високий ступінь тепловіддачі, навколо джерела буде спостерігатися зона розвитого плівкового кипіння.

Тому що температура пластини поступово знижується від точки дотику з джерелом у напрямку до периферії, то на деякій відстані R від джерела температура стане відповідати деякому значенню t_к2 , при якій, уже не може існувати розвитий режим плівкового кипіння, (температура відповідна другій кризі кипіння), однак, оскільки температура поверхні пластини не може зміняться стрибкоподібно при температурі пластини t_к2, на її поверхні з'являться ділянки, де плівковий режим зміниться на бульковий. В міру зменшення температури поверхні площа ділянок булькового кипіння буде рости. Остаточно плівкове кипіння припиниться тільки при температурі t_к1 яка відповідна першій кризі кипіння. Зона булькового кипіння почнеться на відстані R від джерела тепла і закінчиться на деякій відстані R_к, при якому температура поверхні пластини складе t_к3, при якій кипіння припиниться, і весь теплообмін буде відбуватися за рахунок природної конвекції води біля пластини. Таким чином необхідно визначити тепловіддачу в зоні нагрівання точковим джерелом, стабільним за температурою і положенню на пластині фіксованої товщини.

Для рішення цієї задачі зону нагрівання розділено на чотири характерних ділянки - центральний, на якому температура пластини вище t_к2, і три кільцевих: 1 - з температурою між t_к2 і t_к1 , на якому спостерігається перехідний режим; 2 - з температурою між t_к1 і t_к3 , ділянка розвитого булькового кипіння; 3 - з температурою нижче t_к3, ділянка конвективного теплообміну без зміни агрегатного стану води.

Теплообмін закінчиться на деякій відстані R від джерела, де температура пластини зрівняється з температурою води.

У розділі визначена температурна границя булькового кипіння, тобто температура поверхні пластини, при якій плівковий режим змінюється бульковим:

, (6)

де - ?_ж - щільність води; ?_п - щільність пари (при температурі нагрітої стінки); g - прискорення вільного падіння; ? - динамічний коефіцієнт в'язкості пари; h - товщина парової сорочки; ? - коефіцієнт теплопровідності пари; t_ж - температура кипіння рідини.

Максимальний коефіцієнт тепловіддачі, при якому зберігається бульковий режим кипіння (перша критична щільність теплового потоку), так само як і друга криза, є величиною (для конкретної рідини), залежної тільки від тиску (для води при атмосферному тиску q_кр2 = 1,2 ^. 10⁶ Вт/м²). Виходячи з цього, визначається температурна границя ділянки булькового кипіння:



, (7)

де - t_ж - температура кипіння рідини, q_кр2 - щільність теплового потоку при другої кризі , р - тиск, при якому йде теплообмін (виражений в барах).

У результаті розрахунків отримані значення температур першої і другої кризи кипіння відповідно рівні: t_к1 = 121 ⁰С і t_к2 = 195 ⁰С.

При нагріванні пластини точковим джерелом не можна говорити про постійне (у просторі) теплове навантаження. У радіальному, від джерела, напрямку теплове навантаження буде знижуватися пропорційно відстані від джерела і величині ? - теплопровідності матеріалу. З цього випливає, що температура пластини не може змінитися стрибкоподібно (у просторі), тобто на пластині буде присутня кільцеподібна зона, з радіусами близькими до фіксованих в якій будуть одночасно спостерігатися два процеси - бульковий і плівковий, причому площа, займана паровою плівкою в цій зоні буде зменшуватися пропорційно зменшенню температури. Таким чином, ця зона буде, навіть візуально, перехідною від плівкового режиму до булькового.

Розрахунок залежності щільності теплового потоку від градієнта температур у перехідній зоні робився з допущенням, що співвідношення площ ділянок плівкового і булькового кипіння обернено пропорційно зміні градієнта температур. Тоді коефіцієнт тепловіддачі буде:

, (8)

і щільність теплового потоку складе:



, (9)

Позначення в даних виразах відповідають зазначеним раніше.

У виразі 9 величини ?t, ?_пара, ?_пара, ?_пара - є функціями від температури пластини, тобто за інших рівних умов:

Тепловіддача без зміни агрегатного стану при вільній конвекції біля горизонтальної пластини визначиться коефіцієнтом тепловіддачі рівним

. (10)

З урахуванням усіх видів режимів охолодження отримана залежність коефіцієнта тепловіддачі по довжині пластини, що розрізається, у залежності від температури в даній точці пластини, що розрізається.

Аналітичні дослідження, виконані у цьому розділі, дають можливість одержати значення теплової потужності необхідної для розрізання сталі під водою в залежності від товщини пластини, що розрізається.

Розділ 4. У даному розділі розроблена методика експериментального дослідження, оцінені погрішності виміру, проведений віртуальний експеримент по дослідженню закономірностей теплообміну при горінні екзотермічного стержня, на основі чого розроблена методологія проведення реальних експериментальних досліджень і оцінка їхніх результатів.

Аналіз різного роду похибок вимірів, а також похибок електричних ланцюгів показав, що за найбільш несприятливих умовах, похибка вимірів не перевищує 15 %.

Зразок являє собою сталеву пластину, що складається з двох половинок товщиною 10 мм. Розмір кожної половинки 300 150 мм. Пластинки схоплені по краях зварюванням і утворюють собою цілу пластину. В одній з половин зразка по ширині зони термічного впливу розташовані вище згадані термопари.

Температура, що поширюється уздовж зразку під час екзотермічного різання, сприймається термопарами і перетворюється на електричний сигнал термо-е.р.с. Цей сигнал далі сприймається аналоговим підсилювачем постійного-перемінного струму, зі смугою пропускання від 0 Гц до декількох кГц. Посилений сигнал надходить на аналого-цифровий перетворювач, де перетворюється в цифрову форму. Далі сигнал надходить на блок цифрових регістраторів , якими можуть бути звичайні цифрові вольтметри з регульованим коефіцієнтом підсилення, і паралельно на комп'ютер, на якому програмними засобами відображаються сигнали від усіх термопар безпосередньо в ⁰С, з відповідними позначеннями часу. Безпосередньо зареєстровані прямі виміри і спостереження дали результати досить добре співпадаючі з результатами, отриманими при аналітичному дослідженні.

Зміна температури по ширині зони термічного впливу також добре підтверджується фотографіями колірної температури металу при підводному розрізуванні.

У розділі розглядаються вимоги до екзотермічних сумішей, можливий компонентний склад яких забезпечує необхідну енергетику, викладаються принципи розрахунку теплоти горіння цих сумішей і модифікації сумішей. Показано, що модифікуючи екзотермічні склади можна одержати технологічні екзотермічні суміші (ТЕС) з високою питомою енергією. Потужні ТЕС можуть використовуватися у стержнях для розрізування металів. Механізм цього явища полягає в тому, що потужна ТЕС забезпечує швидке місцеве розтоплення металу, що потім здувається газовим струменем. З метою полегшення процесу розрізання і створення стержня, що ріже, до складу сумішей доцільно вводити компоненти, що руйнують поверхневий шар металу. Для цих цілей у склади входять компоненти, що виділяють хлор фтор або надлишок кисню. Струмінь цих газів добре руйнує поверхню металу і полегшує процес розрізування.

Конструкція паяльно - зварювальних стержнів повинна забезпечувати механічну міцність цього стержня, достатню для роботи і транспортування, довжину, для забезпечення часу горіння порядку 30 - 60 с, можливість утримувати стержень у заданому просторовому положенні і можливість одержання заданих щільностей ТЕС, що входять до складу стержня для одержання необхідної питомої теплової потужності. Цим вимогам відповідають стержні в спалювальних оболонках і без оболонок, причому стержні в оболонках можуть бути набивними, пресованими і литими (экструзійними). Розроблено вісім конструкцій екзотермічних стержнів для проведення надводних і підводних робіт і запропонована технологія їх застосування. Для прикладу показано варіант конструкції стержня з автономним запалюванням для підводного екзотермічного різання.

Для того, щоб розрізати метал під водою цим стержнем, необхідно подати кисень через його центральний отвір, після чого вдарити виступаючим ударником по металу, що розрізається, чи по іншому твердому предмету. При ударі виступаючою частиною ударника по будь - якому твердому тілу, загострена частина ударника пробиває капсуль, у результаті чого виникає іскра, що підпалює запальну шашку, яка у свою чергу підпалює елементи з матеріалу, що горить у кисні з високою питомою теплотою згоряння.

На всі екзотермічні стержні і суміші, з яких вони виготовляються, отримано відповідні патенти України.



РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

У результаті виконання дисертаційної роботи встановлене наступне:

1. Досліджені:

1.1. процеси теплообміну при різанні металів екзотермічними стержнями на повітрі і під водою;

1.2. процес горіння екзотермічних складів.

2. Показано, що:

2.1. процес нагрівання металу екзотермічним стержнем відрізняється по своїй природі від нагрівання металу зварювальною дугою чи від нагрівання металу газовим полум'ям;

2.2. величина загального теплового потоку, переданого пластиною заданої товщини навколишньому середовищу у випадку нагрівання її точковим джерелом тепла, може бути основою для розрахунку енергетичних параметрів екзотермічного стержня для підводного різання металів;

2.3. при нагріванні екзотермічним стержнем створюється особливе середовище нагрівання, що складається з розтопленого металу, шлаку і газового струменя, що серйозно впливає на ККД нагрівання;

2.4. при підводному розрізуванні металевої пластини:

2.4.1. у результаті значного відводу теплової енергії у воду потужність теплового джерела повинна бути підвищена в 3 - 4 рази для підтримки параметрів теплового процесу, необхідного для здійснення підводного різання,

2.4.2. найбільш інтенсивний тепловідвід спостерігається при величині радіуса зони термічного впливу порядку 15 - 20 мм, де існує режим кипіння змішаного типу,

2.4.3. найбільший радіус зони термічного впливу складає величину порядку 50 - 60 мм;

2.5. застосування високонергетичних металів (бериллий, цирконій і деякі інші) як пального для екзотермічних стержнів недоцільно через високу вартість і токсичність. Тому найбільш прийнятними високонергетичними металами можуть служити магній, алюміній, бор, кремній, а також деякі їхні стопи;

2.6. для надводних робіт доцільно застосовувати стержні в спалювальних неметалічних оболонках чи безоболонкові стержні, які мають спрощену технологію виготовлення;

2.7. для підводних робіт доцільно застосовувати стержні в металевих оболонках, що, згоряючи, забезпечують збільшення теплового потоку;

2.8. для підводних робіт доцільно застосовувати стержні з автономним запалюванням, що значно спрощує устаткування на судні, яке забезпечує підводні роботи.

3. Розроблені:

3.1. методики розрахунку ККД екзотермічного стержня, що ріже, і необхідної його потужності для різання металу;

3.2. високонергетичні склади, що забезпечують необхідну теплову потужність для здійснення різання металів, як під водою, так і на повітрі;

3.3. методики розрахунку модифікаторів термітних сумішей , що дає можливість:

3.3.1. розраховувати склад і масу модифікаторів термітних складів для підвищення енергетики зварювання;

3.3.2. використовувати в якості базових термітних складів більш дешеві і менш дефіцитні компоненти;

3.4. технології виготовлення екзотермічних стержнів, що дають можливість одержувати стержні необхідної енергетики, як для надводних, так і для підводних робіт;

3.5. класифікація технологічних екзотермічних сумішей, що дає можливість, обґрунтовано ставити вимоги до цих сумішей;

3.6. науково-обґрунтована система модифікації екзотермічних складів, з метою підвищення їхньої енергетики.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

1. Лебедєв Б. В., Лебедєв В.Г. Технологічні екзотермічні суміші і їх необхідні енергетичні характеристики // Труди ОДПУ, вип.1 (5), 1998. Одеса - 3с. Здобувачем запропонована концепція розрахунку енергетики.

2. Лебедєв Б. В., Лебедєв В. Г Енергетичні характеристики технологічних екзотермічних сумішей // Труди Міжнародної науково-технічної конференції. Національний технічний університет КПІ, 1998. Київ Здобувачем запропонована концепція розрахунку енергетики.

3. Лебедев Б.В., Лебедев В.Г. Возможность применения энергонезависимых паяльно-сварочных устройств для ремонта СТС (без вывода судна из эксплуатации) // Судостроение. - Николаев, 2003, № 6. - 2с. Здобувачем запропонована концепція застосування.

4. Пат. 18242 А України, МПК В 23 К 23/00. Спосіб модифікації термітних складів для паяння - зварювання. / Лебедєв Б. В. , Карташов Ю. І. , Лебедєв В. Г. , Позднякова С. Г., Румянцев В. Н., Фоменко В. В.; Заявл. 25.09.96. Опубл. 25.12.97. Бюл. № 6. - 3с. Здобувачем запропонований рідкий модифікатор.

5. Патент 23121 України, МПК В 23 К 23/00. Термітний склад для паяння - зварювання. / Лебедєв Б. В. , Карташов Ю. І. , Лебедєв В. Г. , Позднякова С. Г., Румянцев В. Н., Фоменко В. В., Чуяс Ю. А. Заявл. 26.12.96. Опубл. 30.06. 1998 Бюл. № 3 - 3с. Здобувачем запропоноване процентне співвідношення компонентів

6. Патент 37415А України, МПК В 23 К 23/00. Спосіб розрізання матеріалів екзотермічним стержнем. / Лебедєв Б.В., Лебедєв В.Г. Заявл. 30.09.98. Опубл. 15.05.2001 Бюл. № 4 - 3с. Здобувачем запропонована редакція формули винаходу.

7. Патент 37416А України, МПК В 23 К 23/00. Лебедєв Б.В. Екзотермічна суміш/ Лебедєв В. Г. , Чуяс Ю. А. Заявл. 30.09.98. Опубл. 15.05.2001 Бюл. № 4 - 3с. Здобувачем запропонована сутність винаходу.

8. Патент 37418А. України, МПК В 23 К 23/00. Склад для виготовлення термітної шашки для нагрівання матеріалів у технологічних цілях / Лебедєв Б.В. , Лебедєв В. Г. , Чуяс Ю. А. Заявл. 30.09.98. Опубл. 15.05.2001 Бюл. № 4 - 3с. Здобувачем запропонована технологія застосування

9. Патент 37449А.. України, МПК В 23 К 23/00. Екзотермічна суміш для паяння - зварювання металів (варіанти) / Лебедєв Б.В. , Лебедєв В. Г. Заявл. 22.12.98. Опубл.15.05.2001 Бюл. № 4 - 3с. Здобувачем запропонована сутність винаходу.

10. Патент 37448А.. України, МПК В 23 К 23/00. Екзотермічний паяльно-зварювальний стержень для паяння - зварювання виробів з залізо - вуглецевих та кольорових сплавів / Лебедєв Б. В., Лебедєв В. Г. Заявл. 22.12.98; Опубл.15.05.2001; Бюл. № 4 - 3с. Здобувачем запропонована концепція газового стрижня

11. Патент 37417А.. України, МПК В 23 К 23/00. Пристрій для спаювання - зварювання труб Лебедєв Б. В. , Лебедєв В. Г. , Чуяс Ю. А. / Заявл. 30.09.98; Опубл.15.05.2001; Бюл. № 4 - 3с. Здобувачем запропонована конструкція пристрою

12. Патент 37450А України, МПК В 23 К 23/00. Лебедєв Б. В. , Лебедєв В. Г. Екзотермічний паяльно - зварювальний стержень Бюл. № 4 / Заявл. . 22.12.98; Опубл. 15.05.2001; Бюл. № 4 - 3с. Здобувачем запропонований пристрій стрижня

13. Патент 37447А України, МПК В 23 К 23/00. Екзотермічний паяльно - зварювальний, або ріжучий стержень Лебедєв Б. В. , Лебедєв В. Г. , Чуяс Ю. А. Заявл. . 22.12.98; Опубл. 15.05.2001; Бюл. № 4 - 3с. Здобувачем запропонований пристрій головної частини стрижня

14. Лебедєв Б.В. З'єднання водопровідних труб муфтою що наплавляється // Сборник материалов научно-технической конференции “Энергосбережение в системах отопления, вентиляции и кондиционирования ”Одесская государственная академия строительства и архитектуры. Одесса 2003 - С. 36 - 38.

15. Лебедев Б. В. Возможность применения энергонезависимых паяльно-сварочных устройств для ремонта СТС (без вывода судна из эксплуатации) // Материалы Украинского семинара “Современное состояние ремонтно-восстановительной базы предприятий морехозяйственного комплекса Украины и пути её дальнейшего развития. Прогрессивные технологии сварки и соединения материалов в судоремонте” Одесса 2003. Судостроитель № 6, 2003 - С. 37 - 39.

16. Лебедев Б. В. Технологические возможности энергонезависимых паяльно-сварочных устройств для ремонта оборудования // Материалы Украинского семинара “Сварка и родственные технологии в современном машиностроении” Одесса 2003

17. Лебедев Б. В. Технологические возможности энергонезависимых паяльно-сварочных устройств для ремонта оборудования // Материалы международной научно-технической конференции “Новые процессы и их модели в ресурсо - и энерго- сберегающих технологиях” ОНПУ, Одесса 2003 - С. 64 - 68.

18. Лебедев Б. В. Заварка трещин в корпусных деталях из чугуна термохимическими сварочными стержнями // Материалы международной научно-технической конференции “Новые процессы и их модели в ресурсо- и энергосберегающих технологиях” ОНПУ, Одесса 2003. - С. 46 - 48.

19. Лебедєв Б. В. Заварювання тріщин у корпусних деталях з чавуна термохімічними зварювальними засобами // Вісник національного університету “Львівська політехніка” Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні та приладобудуванні № 515, 2004. С.128 - 131.

20. Лебедев Б. В., Лебедев В.Г. Заварка трещин в корпусных деталях из чугуна термохимическими сварочными стержнями // Новые и нетрадиционные технологии в ресурсо- и энергосбережении. Одесса - Киев: АТМ Украины, 2004. С. 111 - 114. Здобувачем запропонована концепція технологічного маршруту.

21. Лебедев Б. В. Заварка трещин в корпусных деталях судовых технических средств изготовленных из чугуна термохимическими сварочными средствами // Судовые энергетические установки: научно технический сборник. Одесса - ОНМА, 2004. С. 126 - 131

22. .Лебедев Б. В., Лебедев В. Г. Возможности термохимических стержней для подводной резки материалов // Холодильна техніка і технологія. - Одеса, 2005. - № 2 (94). - С. 53 - 56. Здобувачем запропонована концепція розрахунку енергетики для підводного різання.

23. Лебедев Б. В. Анализ возможности и целесообразности использования экзотермических смесей для разработки новых перспективных технологий восстановления сопряжений деталей СТС // Матеріали Міжнародної науково-методичної конференції "Сучасні проблеми суднової енергетики 2005". - Одеса: ОНМА. 2005. С. 53 - 54.

24. Патент 12970 України, МПК В 23 К 23/00. Екзотермічний стержень для підводного киснево-термічного різання металів / Лебедєв Б. В., Лебедєв В. Г., Рудинский О. П. Заявл. 15.07.05; Опубл. 15.03.2006; Бюл. № 3. - 3с. Здобувачем запропонований варіант конструкції.

25. Патент 12969 України, МПК В 23 К 23/00 Лебедєв Б. В., Лебедєв В. Г., Рудинский О. П. Екзотермічний стержень для підводного киснево-термічного різання металів / Заявл. 15.07.05; Опубл. 15.03.2006; Бюл. № 3 - 3с. Здобувачем запропонований варіант конструкці.ї

26. Патент 12966 України, МПК В 23 К 23/00 Стержень для підводного киснево-термічного різання металів з автономним запалюванням/ Лебедєв Б. В., Лебедєв В. Г, Рудинский О. П. Заявл. 15.07.05; Опубл. 15.03.2006; Бюл. № 3 - 3с Здобувачем запропонований варіант конструкції запального пристрою

27. Патент 12967. України, МПК В 23 К 23/00. Стержень для підводного киснево-термічного різання металів/ Лебедєв Б. В., Лебедєв В. Г, Рудинский О. П. Заявл. 15.07.05; Опубл. 15.03.2006; Бюл. № 3 - 3с. Здобувачем запропонований варіант конструкції

28. Патент 12968. України, МПК В 23 К 23/00. Стержень для підводного киснево-термічного різання металів у технологічній оболонці/ Лебедєв Б. В., Лебедєв В. Г., Рудинский О. П. Заявл. 15.07.05; Опубл. 15.03.2006; Бюл. № 3 - 3с. Здобувачем запропонований варіант конструкції.

29. Лебедев Б. В., Чумак И. Г. Особенности теплообмена между экзотермическим режущим стержнем и окружающей средой при подводной резке металлов. // Холодильна техніка і технологія. - Одеса, 2006. - № 1 (99). - С. 72 - 75. Здобувачем запропонована концепція розрахунку енергетики

30. Лебедєв Б. В., Чумак И. Г. Теплоотдача от неограниченной пластины в воде нагреваемой точечным источником. // Проблемы техники. Одесса 2006 №1. С. 64 - 68. Здобувачем запропонована концепція розрахунку тепловтрат.

Размещено на Allbest.ru

...