Исследование влияния пористости и типа контейнера на температурное поле нагреваемых садок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование влияния пористости и типа контейнера на температурное поле нагреваемых садок

М.Г. Сулейманов,

В.В. Бухмиров

В машиностроительной промышленности распространен нагрев садок, образованных изделиями различной номенклатуры. Пористые садки часто неоднородны и имеют разную структуру, поэтому для повышения качества выпускаемой продукции необходимо выдерживать заданные температурные режимы нагрева вне зависимости от геометрических свойств каждой садки.

Исследования нагрева пористых тел [1, 2] показали, что интенсификация теплообмена возможна за счет увеличения пористости тела, при этом эффективный коэффициент теплопроводности в большей степени зависит от типа пор (закрытые или открытые), чем от их формы и расположения. В [2] также установлено, что с увеличением пористости возрастает доля радиационного теплообмена в переносе теплоты внутри пористого материала.

Для снижения затрат энергии на нагрев в газовых печах организуется фильтрация продуктов сгорания через пористую садку, что позволяет снизить время пребывания металла в печи за счет повышения конвективной составляющей теплоотдачи от продуктов сгорания к садке и увеличения эффективного коэффициента теплопроводности. В результате данного исследования Крылова О.Б. Совершенствование режимов работы термических печей для нагрева насыпных садок: дис. ... канд. техн. наук. - Ленинград, 1988. -185 с. [3, 4] изучено влияние фильтрации газа на температурное поле пористой садки.

Для оценки возможности оптимизации режимов нагрева насыпных садок в электрической печи, в которой отсутствует вынужденная конвекция воздуха, был выполнен эксперимент по исследованию влияния пористости садки и типа контейнера на температурное поле нагреваемой садки.

Материалы и методы. Экспериментальная установка. Эксперимент выполнен в камерной лабораторной печи сопротивления СНОЛ-1, 6.2, 5.1/11-И2. Данная печь разработана для нагрева и термической обработки материалов при температурах до 1100 ^оС. Номинальная мощность печи - 3 кВт. Схема печи представлена на рис. 1. Печь состоит из металлического корпуса 1 и нагревателей 3, расположенных на верхней, нижней и боковых стенках рабочей камеры. На передней и задней стенках печи нагреватели отсутствуют. Рабочее пространство электропечи образовано разъемными керамическими фасонами. Пространство между фасонами и корпусом заполнено теплоизоляцией. В нижней части установлена пусковая и контрольно-регулирующая аппаратура 4.

Рис. 1. Схема печи: 1 - корпус; 2 - теплоизоляция; 3 - нагреватель; 4 - блок управления; 5 - нагреваемая садка

В качестве опытного материала пористой садки были использованы метизные изделия - гайки и шайбы, а также металлическая стружка для высокопористой садки.

Пористость насыпной садки определена по объему жидкости, вошедшей в поровое пространство [5]:

где V₁ - объем жидкости, м³; V₂ - объем контейнера, м³.

В качестве жидкости, заполняющей поры, была использована дистиллированная вода.

Садки нагревались в прямоугольных контейнерах трех типов с одинаковыми геометрическими размерами 150х100х40 мм:

· сплошной контейнер, выполненный из стали марки 08 с толщиной стенок 1 мм;

· перфорированный контейнер - контейнер с отверстиями на дне диаметром 8 мм в количестве 40 штук;

· сетчатый контейнер, стенки которого сделаны в виде сетки из проволоки толщиной 1 мм с ячейками 5х5 мм.

Контейнеры устанавливались в печи на направляющие высотой 5 мм.

Проведение эксперимента. Были проведены эксперименты для трех значений пористости садки (f = 0, 21, f = 0, 48 и f = 0, 63) и трех типов контейнеров. Садки загружали в печь при комнатной температуре и нагревали 8 часов.

Температуры рабочего пространства печи и в контрольных точках садки измерялись хромель-алюмелевыми термопарами в стекловолоконной изоляции. Предел измерений используемых термопар ТХА - 1100 ^оС, предел использования (температура плавления изоляции) - 900 ^оС. Схема расположения термопар в контейнере представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема расположения термопар в контейнере

Для измерения термо-ЭДС был использован универсальный цифровой вольтметр GW Intek GDM-8145 с погрешностью измерений 0, 1 %. Контроль за напряжением, подаваемым на нагреватели, осуществлялся при помощи цифрового мультиметра MastechMY68 [3].

Качество нагрева определяется максимально допустимым перепадом температур по сечению садки и отсутствием местного пережога металла [4], поэтому для измерения были выбраны точки с максимальными и минимальными значениями температур. Перепад температур должен составлять минимально возможное значение и определяется длительностью процесса выдержки, однако для минимизации времени и затрат на нагрев металла величина допустимого перепада задается согласно технологической карте.

Результаты. Значения температур в контрольных точка садки в конце нагрева представлены в табл. 1 для различных контейнеров и пористости садки.

Таблица 1. Температуры в контрольных точках в конце нагрева в сплошном контейнере, ^оС

Увеличение перфорации контейнера приводит к увеличению перепада температур в конце нагрева садки. Для более равномерного нагрева рекомендуется принудительная фильтрация в пористой садке.

В результате опытов были определены точки, между которыми перепад температур составил наибольшее значение: для садки с пористостью f = 0, 21 - точки 2 и 3; для садок с пористостью f = 0, 48 и f = 0, 63 - точки 1 и 3. Изменение перепада температур в точках 1 и 3 представлено на рис. 3 для различной пористости садки.

В течение первого часа нагрева садки с пористостью f = 0, 21 в сетчатом контейнере температура в точке 1 выше, чем в точке 3 на 11, 3 ^оС. Анализ полученных зависимостей (рис. 3) показывает, что перепад температур между точками 1 и 3 в конце нагрева для садки с пористостью f = 0, 21 не зависит от типа используемого контейнера. Для садки с пористостью f = 0, 63 использование контейнера с высокой перфорацией (сетчатого контейнера) приводит к увеличению перепада температур в конце нагрева.

а)

б)

в)

Рис. 3. Перепад температур Т3-Т1: а - f = 0, 21; б - f = 0, 48; в - f = 0, 63

Значения перепада температур между точками 1 и 3 в конце нагрева представлены в табл. 2.

Таблица 2. Перепад температур в конце нагрева, ^оС

Увеличение перепада температур по сечению садки с ростом пористости объясняется снижением эффективного коэффициента теплопроводности.

Для контрольной точки 3 (точка с наиболее высокой температурой в конце нагрева) на рис. 4 показаны графики изменения температуры при нагреве садок в разных контейнерах.

а)

б)

в)

Рис. 4. Изменение температуры в точке Т3: а - сплошной контейнер; б - перфорированный контейнер; в - сетчатый контейнер

Анализ зависимостей (рис. 4) показывает, что режимы нагрева в сплошном и перфорированном контейнерах практически совпадают, а в сетчатом контейнере с увеличением пористости температура поверхности садок в точке 3 на 6 % выше, чем в сплошном и перфорированном контейнерах. Графики температур аналогичны графикам нагрева садки в топливных печах Крылова О.Б. Совершенствование режимов работы термических печей для нагрева насыпных садок: дис. ... канд. техн. наук. - Ленинград, 1988. -185 с..

Увеличение производительности печи возможно за счет повышения скорости нагрева и, соответственно, сокращения времени пребывания металла в печи. Максимальная скорость нагрева определяется допустимыми значениями термических напряжений в заготовках.

Скорость нагрева садки в точке 3 для различной пористости и разных контейнеров представлена на рис. 5.

а)

б)

в)

Рис. 5. Скорость нагрева в точке Т3: а - сплошной контейнер; б - перфорированный контейнер; в - сетчатый контейнер

Анализ полученных зависимостей (рис. 5) показывает, что скорость нагрева садки в точке 3 в течение первого часа для сетчатого контейнера больше, чем для садок в других типах контейнеров. Скорость нагрева садки с пористостью f = 0, 21, f = 0, 48 и f = 0, 63 в сетчатом контейнере в первый час составила 60 град/ч, 71, 8 град/ч и 117 град/ч при среднем значении 36, 87, 36, 75 и 38, 69 град/ч соответственно.

Выводы

В результате выполненного экспериментального исследования нагрева насыпных садок разной пористости в трех типах контейнеров, отличающихся перфорацией стенок, установлено, что увеличение перфорации контейнера и увеличение пористости приводят к росту перепада температур по сечению садки при нагреве в электрической печи, в которой преобладает радиационный теплообмен.

В связи с этим для снижения скорости нагрева высокопористой садки в начальный период термообработки необходимо увеличить эффективный коэффициент теплопроводности за счет принудительной циркуляции воздуха в садке.

электрический камерный печь контейнер

Список литературы

1. Calculations of the Thermal Conductivity of Porous Materials / T. Fiedler, E. Pesetskaya, A. Цchsner, J. Grбcio // Materials Science Forum. - 2006. - Vol. 514-516. - Р. 754-758.

2. Moran Wang, Ning Pan. Modeling and prediction of the effective thermal conductivity of random open-cell porous foams // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2008. - Vol. 51. - Р. 1325-1331.

3. Гусенкова Н.П., Крылова Л.C, Коротин А.Н. Математическое моделирование температурного поля пористого тела с фильтрацией // Межвуз. сб. науч. тр. «Моделирование теплофизических процессов и вопросы энергосбережения в теплотехнологии». - Иваново, 2000.- С. 13-20.

4. Экспериментальное исследование влияния фильтрации на температурное поле насыпной садки / Г.А. Перевезенцев, В.А. Горбунов, О.Б. Колибаба, А.Е. Потехин // Вестник ИГЭУ. - 2015. - Вып. 5. - С. 37-41

5. Фандеев В.П., Самохина К.С. Методы исследования пористых структур // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ». - 2015. - Т. 7, № 4 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/34TVN415.pdf, свободный. Загл. с экрана.

Размещено на Allbest.ru