Разработка математических моделей и анализ процессов теплопереноса в ограждениях тепловых агрегатов

• Автор: Торопов, Евгений Евгеньевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Челябинск
• Количество страниц: 184 с. : ил.

Введение

1. Состояние проблемы, цель и задачи исследования, общая характеристика работы

1.1. Общая характеристика работы.

1.2. Основные характеристики эффективного функционирования тепловых агрегатов.

1.3. Процессы переноса теплоты через ограждения тепловых агрегатов

1.4. Анализ методов построения и реализации математических моделей теплопереноса в твердых телах.
2. Математическое моделирование и анализ теплопереноса в ограждениях тепловых агрегатов в стационарном режиме

2.1. Условия работы ограждений, требования надежности и энергоэффективности.

2.2. Теплопроводность и тепловое сопротивление слоя изоляции между плоской и криволинейной поверхностями.

2.3. Кондуктивный теплоперенос в пористых средах

2.4. Фрактальные структуры в пористых теплоизоляционных телах

3. Особенности математического моделирования и анализ процессов теплопереноса в динамическом режиме периодического характера
3.1. Обзор методов построения математических моделей в нестационарных условиях теплопереноса.
3.2. Решение уравнения теплопроводности при синусоидальных коле баниях температуры
3.3. Математические модели X. Мартина.
3.4. Упрощенная методика расчета тепловых процессов в ограждении тепловых агрегатов в нестационарном тепловом режиме.
4. Математическая модель динамических процессов в теплопередающей стенке
4.1. Вывод основных соотношений динамической модели
4.2. Математическая модель динамических процессов в стенке при ступенчатом изменении теплового потока.
4.3. Динамические процессы в теплопередающей стенке при периодическом изменении теплового потока
5. Адаптация полученных математических моделей, анализ экспериментальных данных, практические рекомендации
5.1. Физическая реализуемость и достоверность математических моделей
5.2. Нагрев тел при периодических граничных условиях.
5.3. Предельные температурные условия для теплопередающей стенки
в динамическом режиме.
5.4. Температурный режим поверхности теплообмена в нестационарных условиях
5.5. Анализ экспериментальных данных и практические рекомендации
Заключение
Библиографический список
Приложения
ВВЕДЕНИЕ
Ускорение технического прогресса основано на самом широком использовании возможностей научнотехнической революции и предусматривает применение принципиально новых технологических процессов, техники новых поколений, широкое внедрение ресурсе и энергосберегающих, малоотходных и безотходных технологий, коренное улучшение качества продукции, ускорение замены и модернизации морально устаревших технологических установок и агрегатов, снижение материалоемкости производства и удельных расходов топливноэнергетических ресурсов.
В ряду важнейших проблем, поставленных наукой и практикой, особое место занимает проблема энергосбережения. Совершенствование существующих и внедрение новейших технологий с минимальными затратами энергии и материалов на единицу продукции, проведение активной энергосберегающей политики в сфере промышленности и энергетики является важнейшей народнохозяйственной задачей. Перевод экономики Российской Федерации на энергосберегающий путь развития обеспечивает уменьшение удельной энергоемкости национального продукта, значительное сокращение затрат на использование топливноэнергетических ресурсов.
Отражением особой важности и направленности этой политики является Федеральный закон Об энергосбережении от года и Федеральная целевая программа Энергоэффективная экономика, утвержденная Постановлением Правительства Российской Федерации от ноября года.
Энергосберегающая политика имеет важнейшее значение для энергетики, машиностроения, металлургии и других отраслей промышленности, основанных на теплотехнологии.
Весьма актуальной является проблема повышения эффективности использования топлива в промышленных тепловых агрегатах, так как они являются достаточно емкими и расточительными потребителями топлива.
Важность проблемы энергосбережения усиливается здесь не только особо большими резервами экономии топлива, теплоты, а также и широкой возможностью их практической реализации.
Наиболее плодотворная реализация этих резервов будет возможна, если она при этом будет опираться на базу общего научнотехнического прогресса промышленного производства, применения современных методов исследования и совершенствования теплотехнологических процессов, в ряду которых особое место занимает математическое моделирование.
Этим направлениям отвечает главная задача в области усовершенствования тепловых агрегатов задача разработки, исследования и создания энергосберегающего оборудования для реконструкции действующих и реализации новых эффективных теплотехнологических процессов и систем. Эта задача для своего плодотворного решения требует разработки и формирования эффективной методологии построения математических моделей теплофизических
процессов и их реализации. Исследования в области математического моделирования в этом направлении должны быть направлены на получение технических решений, соответствующих максимальной эффективности тепловых агрегатов, минимальным затратам энергии на процесс, реализации конкретных направлений, способов, технических решений для более полного использования энергии.
Решение проблемы создания энергосберегающих технологий для функционирующих тепловых агрегатов может основываться, как на методах математического моделирования, так и на физических методах исследования и анализа процессов переноса тепла и массы в промышленных и пилотных установках. Но создание новых технологий и развитие инновационных методов для промышленности в значительной степени базируется на методологии математического моделирования.
1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЯ, ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
1.1. Общая характеристика работы
Актуальность


В этом отношении роль теплового ограждения агрегата можно отметить в трех аспектах энергосберегающем позволяющим снизить затраты энергии на процесс энерготехнологическом позволяющем получить требуемую температуру технологического процесса в аспекте надежности теплового ограждения, в соответствии с которым стойкость высокотемпературной части ограждения зависит при прочих равных условиях от плотности отводимого теплового потока. Даже в стационарном режиме работы агрегата эти требования согласуются не всегда, а в некоторых случаях приходят в противоречие. Так применение ограждения в виде стенки из шамота толщиной 8 0,5 м при температурах С, 2 0С при Аш 1, ВтмС имеет следствием тепловые потери , кВтм2 замена обычного шамота на пеношамот с р 0,6 кгм3 и А 0,5 ВтмсС дает возможность снизить теплопотсри до 0,9 кВтм2 или в раз. Но при этом для сохранения прежней температуры внутренней поверхности ограждения С необходимо либо понизить рабочую температур процесса с ,7С до С, либо снизить коэффициент теплоотдачи на внутреннюю поверхность с 0 Втм С до а 7,6 Втм2С, что представляется нереальным для высокотемпературного теплового агрегата. Если же сохранить рабочую температуру ,7С и коэффициент теплоотдачи а 0 Втм2С, то температура внутренней поверхности достигнет ,7С, что недопустимо для пеношамота. Основная функция ограждения тепловых агрегатов с заданными теплоизоляционными свойствами, таким образом, формулируется как снижение тепловых потоков из определенных областей агрегата или в направлении, где повышенные тепловые потоки нежелательны. В соответствии с этим огнеупорная футеровка и тепловая изоляция конструируются таким образом, чтобы воздействовать на все три механизма переноса теплоты. Эффективность тепловой изоляции определяется в соответствии с этими соображениями общим термическим сопротивлением теплопроводности. Обычно при рассмотрении свойств тепловой изоляции, изготовленной из различных материалов, анализу подвергают все три механизма переноса теплоты теплопроводность, конвекцию и излучение. Более нагретые частицы при колебании или перемещении предают энергию менее нагретым частицам такой вид переноса энергии существует и в твердых телах, и в подвижных средах капельных жидкостях и газах. Теплопроводностью в твердых телах управляют двумя способами снижением доли твердого материала в структуре теплового изолятора. Например, стекловолокно или шлаковата имеют собственную теплопроводность намного ниже, чем у стали и волокнистая структура шлаковаты имеет еще и низкую объемную плотность, которая обеспечивает низкую проводимость теплового потока через структуру. Физическая теплопроводность газового компонента теплоизоляционной структуры трудно поддается изменению снижения теплопроводности воздушного объема в структуре теплоизолятора можно достигнуть или снижением давления воздуха в порах, или заменой воздуха газом с высокой плотностью, например, фреоном 7. В обоих случаях элементы теплоизоляции должны быть адекватно упакованы, с тем, чтобы не допускать разгерметизации газовых объемов, что представляет собой значительные технические трудности. Подробный анализ этих положений изложен во втором разделе настоящей работы. Но, в любом случае, хотя воздушный компонент дает существенный вклад в общую тепловую проводимость теплоизоляторов, методы снижения теплопотерь часто связаны с этой составляющей. Перенос теплоты конвекцией есть результат подъемного движения среды в объеме пор и полостей, которое сопровождается переносом теплоты в относительно холодные участки, это движение также называют естественной или свободной конвекцией. Конвективная составляющая минимизируется при создании пор и ячеек малого размера, внутри которых мал температурный перепад. Ограничением здесь является механическая прочность всей структуры теплоизолятора также этот метод неприменим в пористых структурах, где создается вынужденный конвективный поток охлаждающей жидкости. В условиях внешней задачи отмечено отсутствие конвективных течений при малых числах Ка 1,0 при этом наблюдается так называемый пленочный режим. В условиях внутренней задачи при рассмотрении вертикальных и горизонтальных прослоек, кольцевых и сферических полостей по данным многих исследований при Яа 3 перенос теплоты происходит только теплопроводностью. Ла . Р получаем Яа СгРг ,.