WWW.OS.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Научные публикации
 

«УДК 538.953 Ильченко К.Д. – д.т.н., проф., Национальная металлургическая академия Украины (НМетАУ) Шадрова Т.А. – ...»

«МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА». Выпуск 2 (17), 2010

УДК 538.953

Ильченко К.Д. – д.т.н., проф., Национальная металлургическая академия

Украины (НМетАУ)

Шадрова Т.А. – магистр, НМетАУ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА

ФОРМЫ ДЛЯ ТЕЛ СЛОЖНОЙ КОНФИГУРАЦИИ

Приведен обзор состояния методов исследования теплофизических свойств (теплоемкости, коэффициентов тепло- и температуропроводности), а также коэффициента теплоотдачи с использованием методов регулярного режима. Отмечено, что метод регулярного режима позволяет исследовать теплофизические свойства (коэффициент температуропроводности) тел сложной конфигурации (кусковых тел), которые совсем или плохо поддаются механической обработке. Особенно это касается кусковых шихтовых материалов, используемых в металлургии, а также таких материалов как угли, гарнисажи и прочие. При исследовании теплофизических свойств кусковых материалов произвольной формы обязательно возникает вопрос об определении их коэффициентов формы. Исследованию этого вопроса и посвящена данная работа, в которой экспериментально определены коэффициенты формы десяти образцов как правильной (шаровой) формы, так и произвольной. Получено соотношение, позволяющее определить коэффициент формы любого тела, если известны его объем и поверхность.



Ключевые слова: метод регулярного режима; коэффициент формы; тело сложной конфигурации; кусковые шихтовые материалы.

Введение На современном этапе развития энергетических технологий процессы первичного и вторичного преобразований энергии являются достаточно сложными. В новых технологиях необходимо учитывать трехмерность и нестационарность течений, турбулентность, многофазность, фазовые переходы и химические реакции, значительную неравномерность теплообмена, высокие температуры и давления, проблемы масштабирования.

Теплофизические процессы являются не только важными, но и чаще всего определяющими. Их исследование требует адекватных методов экспериментальной диагностики теплофизических свойств материалов, участвующих в тепловых процессах, и коэффициентов переноса.

© Ильченко К.Д., Шадрова Т.А., 2010 «МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА». Выпуск 2 (17), 2010 Несмотря на наличие множества методов определения теплофизических свойств материалов в широком диапазоне изменения параметров (температуры, состава окружающей среды и пр.), они имеют ряд недостатков, которые сдерживают их применение во многих практически важных исследованиях.

Существующие в настоящее время экспериментальные данные по теплофизическим свойствам материалов при высоких температурах ограничены как в отношении числа изученных объектов, так и диапазона температур исследования. Более того, даже для относительно хорошо изученных материалов результаты исследований сильно отличаются друг от друга. Для теплоемкости и коэффициента теплопроводности эти отличия нередко составляют десятки процентов.

В методах определения теплофизических свойств неизвестность зависимости теплоемкости от температуры в большом диапазоне ее изменения, особенно для новых, еще не изученных материалов, ведет к ограничению использования методов калориметрии, которые являются наиболее надежными методами экспериментального определения теплоемкости. При этом нужно отметить, что большинство существующих методов исследования теплоемкости достаточно трудоемки.

Наибольшее распространение получили нестационарные методы определения теплофизических свойств ввиду их большого разнообразия и быстроты получения экспериментальных данных. Теоретической основой нестационарных методов являются решения уравнения теплопроводности при различных краевых условиях.

В число нестационарных методов входят и методы регулярного теплового режима. В настоящее время, с одной стороны, теория регулярного режима стала применяемой при решении различных практических задач, в частности, стала основой новой техники измерений, а, с другой,– подтверждается многочисленными опытными данными.

Главным практическим приложением теории регулярного режима являются скоростные методы определения тепловых свойств любых материалов, в том числе технических.

Использование теории регулярного режима привело к созданию группы методов комплексного определения всех термических коэффициентов. Методы пригодны для материалов, у которых плотность находится в широких пределах изменения (от 10 до 8000 кг/м3), а коэффициент теплопроводности лежит между 0,03 и 175 Вт/(мК). Этими методами охватывается большинство физических тел, теплоизоляционных, строительных и других материалов, и даже их применение возможно для определения тепловых свойств тканей человека и органических веществ сложного состава.

«МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА». Выпуск 2 (17), 2010 Постановка задачи Характеристики процессов теплопереноса, протекающих в конструктивных элементах энергетических установок, теплообменниках, машинах и аппаратах химической технологии, летательных аппаратах во многом определяют эффективность работы этих установок и их безопасность. Именно поэтому теплофизические свойства материалов и изделий должны учитываться при проектировании объектов, работающих по энергосберегающим технологиям, математическом моделировании температурных полей в ограждающих конструкциях и потоках теплоносителей, оптимизации тепловых режимов процессов производства различных изделий и в других случаях.

В то же время, в результате научно-технического прогресса появляются новые материалы с неизвестными теплофизическими характеристиками, которые требуют создания новых методов и средств измерения, обеспечивающих более высокую точность измерения и позволяющих определять комплекс теплофизических характеристик материалов в широком температурном диапазоне.





Задачу повышения точности измерений можно решить путем измерения одной и той же величины разными методами или при помощи одного и того же измерительного устройства, неоднократно повторяя эксперимент. Последнее возможно только при хорошей воспроизводимости самих образцов исследуемых материалов.

Наиболее важную теплофизическую характеристику – коэффициент теплопроводности материалов, как правило, определяют одним из двух методов – стационарного теплового режима и нестационарного (или регулярного) режима. Второй метод значительно сложнее первого как с аппаратурной точки зрения, так и с точки зрения обработки экспериментальных данных. Однако при использовании современных компьютерных средств накопления и обработки данных именно метод регулярного режима позволяет получать при тех же временных затратах существенно большее количество экспериментальных данных.

В основе метода регулярного теплового режима лежат известные закономерности [1, 2]. При нагреве (охлаждении) тела, начиная с некоторого момента, после которого наступает регулярный режим, изменение температуры в любой его точке описывается экспоненциальным или линейным законом в полулогарифмической системе координат. Если на поверхности тела реализованы граничные условия первого рода (т.е. температура поверхности тела равна температуре греющей или охлаждающей среды), то темп нагрева (охлаждения) на линейном участке будет зависеть только от коэффициента формы тела и его коэффициента температуропроводности.

«МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА». Выпуск 2 (17), 2010 Методы регулярного теплового режима, общая теория которых была разработана Кондратьевым Г. М. и его учениками, базируется на экспериментальном определении так называемого “темпа нагрева” при определенных граничных условиях. Общими недостатками методов регулярного режима являются значительная продолжительность экспериментов (поскольку для большинства исследуемых материалов регулярный режим наступает через сравнительно большой промежуток времени), необходимость использования во многих методах эталонных образцов и образцов шаровидной формы, изготовление которых затруднительно [3].

Определение теплофизических характеристик (коэффициентов тепло- и температуропроводности) для тел неправильной формы невозможно на основании общепринятых методов, ибо они разработаны для тел правильной формы и предполагают наличие определяющего размера и фиксированных точек в теле для измерения разности температур. Выделить такие точки и определяющий размер в теле произвольной формы не представляется возможным. Особенно это касается кусковых шихтовых материалов, используемых в металлургии, а также таких материалов как угли, гарнисажи и прочие.

Метод регулярного режима позволяет исследовать теплофизические свойства (коэффициент температуропроводности) тел произвольной геометрической формы (кусковых тел), которые совсем не поддаются или плохо поддаются механической обработке. Темп нагрева или охлаждения одинаков для всех точек тела и поэтому может быть определен в произвольной точке тела любой формы.

При граничных условиях I рода:

t = Const, = Const, (1) где t – температура среды, °С; – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К).

Коэффициент температуропроводности:

a = K·m, (2) где а – коэффициент температуропроводности, м2/с; К – коэффициент формы, м2; m – темп нагрева, 1/с.

Аналитическое выражение для коэффициента формы получается путем интегрирования дифференциального уравнения теплопроводности (путем нахождения выражения для собственных функций) [4, 5]. Разумеется для тела неправильной формы получить аналитическое выражение для коэффициента формы не представляется возможным.

При определении теплофизических свойств кусковых материалов произвольной формы обязательно возникает вопрос о нахождении «МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА». Выпуск 2 (17), 2010 их коэффициентов формы. Исследованию этого вопроса и посвящена данная работа.

–  –  –

«МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА». Выпуск 2 (17), 2010 Величина поверхности образцов № 6 – 10 получена путем снятия ее отпечатка на ткань с последующим планиметрированием отпечатка.

Образцы правильной формы (№ 1 – 5) служили для определения коэффициента температуропроводности материала, из которого были изготовлены все образцы. Темп нагрева определялся для всех образцов при нагреве их в кипящей воде, при этом непосредственно измерялась разность температур между кипящей водой и образцом. Результаты измерений обрабатывались графически в полулогарифмической анаморфозе. Темп нагрева определялся как тангенс угла наклона прямой логарифма избыточной температуры к оси времени.

ln t 2 ln t1 m=. (6) Результаты определения темпа нагрева и коэффициента температуропроводности шаровых образцов представлены в табл. 2.

–  –  –

Для дальнейших расчетов принято среднее значение коэффициента температуропроводности. Образцы неправильной формы исследовались аналогичным образом, затем рассчитывались коэффициенты формы по зависимости (5). Проведено семь серий измерений, число экспериментов серии и номера образцов, исследуемых в серии, выбирались с помощью таблицы случайных чисел. Результаты определения коэффициентов формы тел сложной конфигурации представлены в табл. 3.

–  –  –

Выводы Основные закономерности регулярного теплового режима были подробно исследованы Г.М. Кондратьевым, в результате чего были определены основные связи, существующие между темпом нагреваохлаждения, с одной стороны, и физическими свойствами тела, его размерами и условиями нагрева или охлаждения – с другой.

На основе теории регулярного режима были предложены и получили широкое распространение в практике теплофизического эксперимента новые методы определения теплофизических свойств веществ. На основе этих методов был создан целый ряд измерительных приборов преимущественно для тел классической формы, чаще всего шаровых.

Для определении теплофизических свойств кусковых материалов сложной конфигурации выполнено экспериментальное исследование по определению коэффициентов формы этих тел. По результатам эксперимента получена расчетная зависимость коэффициента формы от квадрата отношения объема тела к его поверхности.

Максимальная относительная погрешность определения коэффициента формы тела по найденной зависимости составляет от – 9,81 до + 12,86 %.

Список литературы

1. Алифанов О. М. Обратные задачи как методологическая основа идентификации тепловых математических моделей / О. М. Алифанов // Тепломассообмен. – ММФ Минск: ИТМО АМБ, 2000. – Т. 3. – С. 3–13.

2. Беляев Н. М. Методы теории теплопроводности / Н. М. Беляев, А. А. Рядно // Часть 2. – М. : Высшая шк., 1982. – 304 c.

«МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА». Выпуск 2 (17), 2010

3. Платунов Е. С. Теплофизические измерения и приборы / Е. С. Платунов, С. Е. Буравой, В. В. Курепин, Г. С. Петров. – Л. : Машиностроение, 1986. – 256 с.

4. Коздоба Л. А. Методы решения обратных задач теплопереноса / Л. А. Коздоба, П. Г. Круковский. – К. : Наукова думка, 1982. – 360 с.

5. Коздоба Л. А. Решение нелинейных задач теплопроводности / Л. А. Коздоба. – К. : Наукова думка, 1976. – 136 с.

–  –  –



Похожие работы:

«ЕЖЕКВАРТАЛЬНЫЙ ОТЧЕТ Открытое акционерное общество «Трубная Металлургическая Компания» 29031-Н Код эмитента: за I квартал 2008 г.Место нахождения, почтовый адрес эмитента и контактные телефоны: Место нахождения: Российская Федерация, 125047, г. Москва, ул. Александра Невского, д.19/25, стр.1 Почтовый адрес: Российская Федерация, 105062, г. Москва, ул. Покровка, д. 40, стр. 2а Тел.: (495) 775-76-00 Факс: (495) 775-76-01 Адрес электронной почты: tmk@tmk-group.com Информация, содержащаяся в...»

«ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПОЛИТИКА ОАО «КОКС» ПО ВНЕДРЕНИЮ НАИЛУЧШИХ ДОСТУПНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Герасимов С.В., начальник отдела по ООС, Р и ЧС, к.х.н. ОАО «Кокс» Черная металлургия традиционно является одной из отраслей промышленности с высокой степенью антропогенного воздействия. Одновременно с этим она является краеугольным камнем развития экономики станы. Поэтому на первый план выходит баланс соблюдения интересов общества и развития производства. В развитых странах дилемму «производство или природа» начали...»

«УТВЕРЖДЕН ПРЕДВАРИТЕЛЬНО УТВЕРЖДЕН на годовом общем собрании на заседании совета директоров акционеров ПАО «Ашинский метзавод» ОАО «Ашинский метзавод» Протокол № 1 от 02 июня 2015г. Протокол № 12 от 28 апреля 2015г. Председатель совета директоров Председатель совета директоров _ _ Евстратов Владимир Григорьевич Евстратов Владимир Григорьевич ГОДОВОЙ ОТЧЕТ за 2014 год СОВЕТ ДИРЕКТОРОВ ПРЕДСТАВЛЯЕТ ОТЧЕТ О ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОБЩЕСТВА ЗА 2014 ФИНАНСОВЫЙ ГОД. Генеральный директор _ Владимир Юрьевич...»

«Заголовок Заголовок Объединенная Металлургическая Компания Годовой отчет Текст Заголовок 2011 Год www.omk.ru Годовой отчет ЗАо «оМК» 2011 Год 1 Заголовок Содержание Заголовок 3 Обращение председателя Совета директоров А.М. Седых 5 Обращение президента ОМК В.С. Маркина Корпоративная стратегия и группа Основные финансовые показатели Трубный комплекс Колесопрокатный комплекс Металлургический комплекс Работа с персоналом Охрана труда, промышленная и экологическая безопасность Охрана окружающей...»

«Катав-Ивановский муниципальный район Челябинской области ИНВЕСТИЦИОННЫЙ ПАСПОРТ 2014 год I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Географическое положение. Природные ресурсы Катав-Ивановский район, один из самых высокогорных районов Челябинской области, он расположен на отрогах трех главных вершин Южного Урала: Яман-Тау, (с высотой 1640 м над уровнем моря), Большой Иремель (1582м) и Большой Шелом (1427,1м). Здесь берут начало горные реки Юрюзань, Катав, Сим, Тюлюк, Березяк,Буланка, Лемеза и их многочисленные притоки....»





Загрузка...


 
2016 www.os.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Научные публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.