Моделирование и расчет процессов теплопереноса при термической обработке изделий перемещающимися источниками тепловой энергии

• Автор: Иванов, Александр Борисович
• Шифр специальности: 05.02.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Иваново
• Количество страниц: 107 с. : ил.

1. Современное состояние проблемы моделирования и расчета 7 технологического прогрева строительных изделии
1.1. Технологические задачи и схемы прогрева. Прогрев распределен- 7 ными и локализованными источниками теплоты
1.2. Математическое моделирование процессов нестационарной 11 теплопроводности в твердых телах
1.3. Ячеечные модели прогрева одно- и двухмерных объектов
1.4. Постановка задачи исследования
2. Математическое моделирование прогрева одномерного объекта 24 (стержня) перемещающимся источником теплоты
2.1. Базовая модель прогрева теплоизолированного стержня
2.2. Теплопередача от движущегося источника
2.3. Учет теплоотдачи в окружающую среду
2.4. Прохождение стержня через тепловой источник
2.4.1. Локализованный источник
2.4.2. Распределенный источник
2.5. Выводы по главе 2
3. Математическое моделирование прогрева плоской пластины
перемещающимся источником теплоты
3.1. Базовая модель прогрева теплоизолированной пластины
3.2. Теплопередача от движущегося источника с учетом теплоотдачи в 59 окружающую среду
3.3. Результаты численных экспериментов по прогреву пластины
3.4. Выводы по главе 3
4. Применение разработанных моделей к описанию процессов 74 технологического прогрева изделий перемещающимися источниками теплоты.
4.1. К расчету коэффициентов теплоотдачи
4.2. Метод и пример расчета
4.3. Сведения о практической реализации результатов
4.4. Выводы по главе 4
Основные результаты диссертации
Список использованных источников
Приложения
У
Актуальность темы диссертации. При производстве и монтаже строительных изделий и конструкций, а также в смежных отраслях промышленности широко распространены процессы прогрева изделий и выдержки их при определенной температуре. Достаточно часто на эти процессы сопровождаются довольно жесткими ограничениями на скорость и, главное, на равномерность прогрева. Если характерный размер источника тепловой энергии равен или превосходит характерный размер прогреваемого изделия, то выполнение требования равномерности прогрева не вызывает трудностей. Однако часто это соотношение размеров не может быть выдержано и прогрев осуществляется локальными источниками теплоты, характерный размер которых заметно меньше размера прогреваемого изделия. Здесь требование равномерности выходит на первый план. При прогреве неподвижным локальным источником приходится прибегать к значительному перегреву близких к нему участков изделия, чтобы удаленные участки достигли требуемой температуры. Это может привести к возникновению в изделиях значительных термических напряжений, что, в свою очередь, может вызвать образование трещин или вообще разрушение изделия и (или) нежелательное изменение свойств изделия или среды, с помощью которой изделия соединяются друг с другом, например, при нанесении плиточных покрытий с помощью термоклея.
Повышение равномерности прогрева может быть достигнуто путем перемещения источника тепловой энергии по поверхности изделия по некоторой программе. Однако достижение достаточно выраженного технологического результата зависит от траектории и скорости движения локального источника теплоты. Например, длительная задержка источника в некоторой зоне изделия приводит к ее более интенсивному прогреву, но за это время удаленные зоны изделия успевают значительно остыть, и перенос источника в одну из этих зон в целом может не скомпенсировать остывания.
Очевидно, что условия такого прогрева зависят от формы изделия, теплоотдачи от локального источника теплоты к изделию, от теплоотдачи от изделия к окружающей среде и от теплофизических свойств материала, из которого изготовлено изделие. В силу многообразия этих параметров и их комбинаций эмпирический поиск рациональных (или оптимальных) траекторий и скоростей движения локального источника по прогреваемому изделию является трудоемкой и продолжительной задачей. Выбор рациональных условий прогрева может быть значительно упрощен и облегчен с помощью математических моделей этого процесса и его программно-алгоритмического обеспечения, тем более, что современный уровень развития строительной теплофизики уже содержит математические описания отдельных составляющих этого процесса, позволяющие достаточно достоверное их прогнозирование.
Все отмеченное и определило цель настоящей работы, которая выполнялась в рамках ФЦП «Интеграция» (2.1 - All8 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и планом НИР ИГХТУ.
Цель работы состояла в разработке мероприятий по повышению скорости и равномерности нагрева изделий и конструкций при их термической обработке локальными источниками тепловой энергии путем поиска рациональных перемещений источника на основе математических моделей.
Научная новизна - результатов работы заключается в следующем.
1. Разработана ячеечная математическая модель прогрева одномерного объекта (стержня) перемещающимся вдоль него локальным источником тепловой энергии с учетом теплоотдачи в окружающую среду.
2. Показано, что переход от неподвижного источника к перемещающемуся позволяет значительно повысить скорость и равномерность прогрева, и выполнены количественные оценки этого повышения при различных программах движения источника и характеристиках теплообмена.
3. Построена математическая модель прогрева одномерного объекта при его проводке через источник тепловой энергии (нагревательную камеРис.2.12. Кинетика прогрева и остывания стержня при однократном ^ прохождении источника.