ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 4, 2011
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ
УДК 536.248
© 2011 г. Стулов В.В.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ КРИСТАЛЛИЗАТОРОВ1
Выполнено моделирование охлаждения кристаллизатора машины с использованием тепловой трубы, состоящей из секции оребренных труб с коллектором, обогреваемой трубчатым электронагревателем. Новизна результатов подтверждается патентами на изобретения.
Обеспечение безопасной эксплуатации машин, в том числе металлургических, является одной из важнейших проблем современного машиностроения. Вопросам теплообмена в металлургическом оборудовании отводится ключевая роль. Предпринимаемые попытки решения проблем машиностроения на сегодняшний день не достигли результата по следующим причинам [1]: во главе стоит не новый продукт и модернизации под него, а увеличение производственной мощности под выпуск устаревшего продукта; отсутствие масштабных комплексных инвестиций в машиностроение на протяжении 30 лет; реализованные проекты имеют перекос в сторону оборудования.
Одним из возможных событий при развитии аварийной ситуации разливки металла является паровой взрыв, возникающий при взаимодействии расплава с водой. Интерес к этому вопросу в настоящее время является актуальным в связи с тенденцией увеличения объемов разливки металла.
Сегодня в мире на вертикальных литейных машинах с водяным охлаждением кристаллизаторов производят более 50% всех алюминиевых заготовок и слитков [2]. При прямом контакте расплавленного алюминия с водой и паром в литейных сооружениях существует серьезный риск образования взрывов. Сильные взрывы более вероятны при контакте металла с ржавой стальной поверхностью.
Механизм парового взрыва рассматривается в специальной литературе [3], где приводятся результаты исследований для систем расплавленный металл — вода. Например [2], при вливании свинца с ? = 620—1020 К в воду диапазон температур 720+820 К был оптимальным для возникновения паровых взрывов. Для систем олово — вода, сплав Вуда — вода эффективное взаимодействие было получено при меньших температурах 510+573 К.
1 При изготовлении секции принимал участие инженер Мыльников А.Л. (Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет).
В работе [3] приводятся фазы возникновения и протекания парового взрыва: начальное перемешивание горячей и холодной жидкостей с пленочным кипением между ними; интенсификация теплообмена при нарушении пленочного кипения; формирование ударной волны по причине резкой генерации пара; распространение ударной волны в двухфазной системе.
Применение тепловых труб в системах охлаждения металла и кристаллизаторов машин [4, 5] позволяет, кроме повышения эффективности теплообмена, произвести в системах охлаждения замену воды на теплоноситель с более высокой температурой кипения. Это приводит к уменьшению давления в контуре в десятки раз и увеличивает безопасность используемых машин.
В настоящей статье сделана попытка выполнить моделирование охлаждения стенок кристаллизатора без разливки в него жидкого металла. При этом процесс затвердевания металла не рассматривается, а рассматриваются тепловые процессы, происходящие в модели секции тепловой трубы при плотности теплового потока, задаваемой применением электронагрева заданной мощности. Тепловые процессы в тепловой трубе связаны с кипением теплоносителя и переносом тепла паром с его конденсацией. В модели секции тепловой трубы воспроизводится физический процесс как и в натурном образце, но при возможном нарушении условий полного моделирования [6].
Описание реального процесса охлаждения кристаллизатора: в каналы, изготовленные в стенках кристаллизатора, устанавливается секция тепловой трубы, состоящая из нескольких труб, объединенных в коллекторе. Производят заливку жидкого металла в рабочую полость кристаллизатора. В результате вместе со стенками кристаллизатора нагревается секция тепловой трубы с заправленным в нее теплоносителем. При достижении теплоносителем температуры кипения образуется пар, который заполняет трубы секции и конденсируется в зоне охлаждения тепловой трубы, расположенной за пределами стенок кристаллизатора. В качестве охлаждающей среды для тепловой трубы можно применять водовоздушную смесь.
Цель работы — моделирование охлаждения при разливке металла стенки кристаллизатора с использованием модели в виде секции тепловой трубы, состоящей из девяти и десяти оребренных труб, объединенных в коллекторе, обогреваемой трубчатым электронагревателем, расположенным в нагревательном блоке.
Исходные данные. Параметры секции тепловой трубы, выполненной из секции десяти оребренных труб, м: внутренний диаметр трубы = 28 ■ 10-3; наружный диаметр й2 = 32 ■ 10-3; диаметр алюминиевой стенки й3 = 40 ■ 10-3; диаметр алюминиевого ореб-рения й4 = 50 ■ 10-3; наружный диаметр коллектора й5 = 29 ■ 10-3; выступ оребрения к = 5 ■ 10-3; толщина оребрения 8р = 10-3; расстояние между алюминиевыми ребрами Ь1 = 5,3 ■ 10-3; высота оребрения на трубах 11 = 0,6; расстояние от нагревательного блока до коллектора 12 = 0,7; расстояние между осями труб Б^ = 0,06; длина секции Ь = 0,59; диаметр коллектора В = 0,09; высота секции Н = 0,8; ширина кожуха Ь2 = 0,11.
Теплофизические параметры модельного теплоносителя [7]: ? = 180°; рж = 887 кг/м3; рп = 5,16 кг/м3; р = 1,0 МПа; Сп = 2,71 кДж/(кг ■ К); Сж = 4,42 кДж/(кг ■ К); Хж = 0,674 Вт/(м ■ К); Хп = 0,033 Вт/(м ■ К); г = 2015 кДж/кг. Теплофизические параметры теплоносителя, применяемого в секции тепловой трубы для охлаждения стенок натурного кристаллизатора [8]: рж = 850 кг/м3; рп = 4 кг/м3; Хж = 0,113 Вт/(м ■ К); V,, = 0,31 ■ 10-6 м2/с; г = 290 кДж/кг; ст = 1,9 ■ 10-2 н/м; Сп = 2,85 кДж/(кг ■ К); Сж = 1,68 кДж/(кг ■ К). Теплофизические параметры воздуха [7]: рв = 1,166 кг/м3; Хв = 2,65 ■ 10-2 Вт/(м ■ К); V = 15,61 ■ 10-6 м2/с; Св = 1000 кДж/(кг ■ К).
Теплопроводность стенок труб — Сталь 20 [7]: А,т = 30 Вт/(м ■ К). Теплофизические параметры алюминия [7]: р = 2700 кг/м3; X = 220 Вт/(м ■ К); г = 395 кДж/кг; ?к = 660°. Параметры разливки алюминия в кристаллизатор [9]: ?о = 750—800°; и = 0,55—0,8 м/мин; дн = 0,8-1,6 МВт/м2.
Обозначения: р — плотность, Р — давление, X — теплопроводность, V — кинематическая вязкость, С — теплоемкость, г — теплота кристаллизации, и — скорость разливки, q — плотность теплового потока. Индексы: ж — жидкость, п — пар, в — воздух, т — труба, к — кристаллизация, о — начальная, н — натурный.
Охлаждение тепловой трубы, выполненной из секции с девятью и десятью оребрен-ными трубами, проводится воздухом, подаваемым вентилятором. Измерение температуры поверхности труб и блока в секции осуществляется с помощью бесконтактного термометра (СЕМ ДТ = 8812) с погрешностью ±2%, а температура воздуха — лабораторным термометром ТЛ2 с пределом измерения 0+150° и ценой деления 1°. Измерение температуры алюминиевого оребрения осуществляется оптическим пирометром ППТ-142 (АПИР-С) с пределом измерения 30+300°С и на вторичном приборе ПВ-6122.
В качестве нагревательных устройств, создающих необходимый тепловой поток, применяются трубчатые электронагреватели (ТЭН) [6] с электрической мощностью 11,5 и 13,5 кВт, расположенные в нагревательном блоке.
Схема расположения в кристаллизаторе тепловой трубы, выполненной в виде секции из нескольких труб, приведена на рис. 1. Внешний вид модели тепловой трубы, выполненной в виде секции из оребренных труб с коллектором и нагревательным блоком, приведен на рис. 2.
На рис. 2, а в нагревательном блоке 1 совместно с теплоносителем находится нагревательное устройство с регулируемой мощностью 11,5 и 13,5 кВт. На наружную поверхность стальных труб 2 напрессовано алюминиевое оребрение 3. Все трубы 2 в верхней части объединены в коллекторе 4. Подача охлаждающего воздуха от вентилятора осуществляется в пространстве между стенками кожуха 5 и трубами 2 с оребрени-ем 3 на рис. 2, б.
Предварительно перед включением вентилятора и подачей охлаждающего воздуха проводится включение электрического нагревательного устройства с разогревом блока 1 и труб 2 с оребрением 3 до определенной температуры.
Результаты исследований. На рис. 3 и 4 приведены зависимости температур поверхности крайних оребренных труб в верхней части предварительно разогретых труб, а также температуры охлаждающего воздуха от времени для секции из десяти труб при мощности электрических нагревателей 11,5 (рис. 3) и 13,5 (рис. 4) кВт (1 — температура в верхней части трубы № 10, 2 — для трубы № 1 по ходу воздуха, 3 — температура охлаждающего воздуха). Температура поверхности нагревательного блока на рис. 3 и 4 не показана по причине того, что она на 1—2° отличается от температуры труб. Из
¿5"—-^----*
Ь1
В
Рис. 2
2
рис. 3 видно, что при включении вентилятора с заданным расходом воздуха после т = 10 мин температура в верхней части трубы № 10 (кривая 1) достигает значения 185° и в дальнейшем остается без изменения. Температура в верхней части трубы № 1 достигает значения 180°. Температура охлаждающего воздуха на выходе из кожуха 5 устанавливается на значении 105° при температуре входящего воздуха 14°.
При увеличении мощности электрических нагревателей до 13,5 кВт и заданном расходе охлаждающего воздуха температура в верхней части трубы № 10 (кривая 1, рис. 4) превышает 205° и продолжает расти. Температура охлаждающего воздуха на выходе из кожуха также продолжает расти (кривая 3) и достигает 110° через т = 30 мин при включенном вентиляторе.
В случае секции из девяти оребренных труб и мощности электрических нагревателей 11,5 кВт (рис. 5: 1 — температура в верхней части трубы № 9, 2 — то же на поверхности нагревательного блока, 3 - поверхности в верхней части трубы № 1 по ходу воздуха, 4 — температура охлаждающего воздуха) через т = 9 мин после включения вентилятора и предварительного разогрева секции температура охлаждающего воздуха достигает 114°, в поверхности труб № 1, 9 и нагревательного блока достигает значений 180°, 185° и 202° (кривые 1—4 на рис. 3). Расхождение значений температур поверхностей труб и нагревательного блока не превышает 7—12°.
Для описан
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.