Конспект лекций по дисциплине "Технология тепловой обработки материалов" для студентов гр. ТЕ02-12м (стр. 14 )

По данным разных авторов соотношение "воздух-вода" должно составлять 2,5-10 и может доходить до 20, т. е. на 1 литр воды можно подать от 2,5 до 20 литров воздуха. Такие форсунки устанавливаются сбоку от заготовки около узких граней сляба и струи водо-воздушной смеси подают вдоль поверхности широких граней в зазоры между заготовкой и поддерживающими роликами параллельно осям роликов. Туманообразная водо-воздушная смесь заполняет все пространство в этом зазоре, выдувая избыток неиспаренной воды, скапливающейся в месте контакта роликов с заготовкой, что обеспечивает более равномерное и интенсивное охлаждение.

Лекція 16

Теплообмін в ЗВО

План лекції: Зв'язок інтенсивності охолоджування з якістю відливань. Критеріальні залежності для визначення коефіцієнта тепловіддачі в ЗВО. Схема зрошування злитка при ролико-форсунковом охолоджуванні.

9 ТЕПЛООБМЕН В ЗВО

9.1 Связь интенсивности охлаждения с качеством отливок

В пределах ЗВО необходимо осуществить отвод теплоты для достижения равномерного и непрерывного снижения температуры поверхности, что способствует повышению качества отливки. При неправильной организации теплового режима охлаждения может происходить скачкообразное изменение температуры поверхности слитка по его высоте и периметру, приводящее к росту термических напряжений и возможности появления трещин.

Теплотехнические параметры вторичного охлаждения и, в частности, распределение интенсивности охлаждения по длине и периметру слитка оказывает решающее влияние на качество отливок, их внутреннее строение (трещины, осевую рыхлость и др.).

9.2 Критериальные зависимости для определения коэффициента теплоотдачи в ЗВО

Плотность теплового потока от поверхности слитка к охлаждающей воде может быть определена по уравнению:

, Вт/м²

где a – коэффициент теплоотдачи конвекцией от поверхности слитка к охлаждающей воде, Вт/(м²×К);  – температура поверхности слитка, К;  ‑ температура охлаждающей воды, К.

Важнейшим параметром является коэффициент теплоотдачи a на поверхности слитка, изучению которого посвящены работы многих исследователей.

Для водяного вторичного охлаждения основное значение имеет конвективный теплообмен при обтекании поверхности слитка водой, закономерности которого описываются критериальной зависимостью типа . Согласно этому определяющими являются условия вынужденного движения пленки жидкости вдоль охлаждаемой поверхности непрерывного слитка.

В случае продольного обтекания плоскости a может быть определен по критериальной формуле :

,

где  – число Нуссельта;  – число Рейнольдса; L ‑ характерный линейный размер; ,  – коэффициенты теплопроводности и кинематической вязкости для охлаждающей воды; C, n – опытные коэффициенты.

Однако расчеты a для случая турбулентного режима течения в пограничном слое дают завышенные результаты по сравнению с величинами, полученными в опытах. Это объясняется тем, что при обтекании поверхности слитка с высокой температурой (900-1100 °С) происходит частичное испарение воды и образование паровой пленки, значительно снижающей интенсивность теплоотдачи.

Теоретическая оценка коэффициентов теплоотдачи в ЗВО усложняется и такими факторами, как неоднородность поля скоростей воды в факеле форсунок, пленкой стекающей воды и др. Поэтому в большинстве случаев величины a определяют на основе экспериментальных исследований.

9.3 Схема орошения слитка при ролико-форсуночном охлаждении

Передача теплоты от непрерывного слитка к воде в ЗВО протекает в очень сложных условиях и зависит от режимных факторов, определяющих гидродинамическую картину на охлаждаемой поверхности, и конструктивных параметров зоны.

На рис. 9.1 показана схема орошения слитка при ролико-форсуночном охлаждении в пространстве между опорными роликами. Видно, что наряду с орошением поверхности слитка измельченными каплями воды из форсунки, в зоне у нижнего ролика образуется слой воды, стекающий далее по поверхности. Между роликами выделяют несколько зон, отличающихся по механизму теплоотвода: зона орошения водой, натекания струи, участок контактного охлаждения роликом и зона свободной конвекции и излучения на воздухе. Самый большой теплоотвод осуществляется в зоне непосредственного орошения водой поверхности слитка. Процесс форсуночного водяного охлаждения разделяется на следующие стадии:

– становление процесса;

– стадия пленочного кипения, характеризующаяся наличием устойчивой паровой оболочки и значительным снижением коэффициента теплоотдачи;

– разрушение пленки (кратковременное пузырчатое кипение);

– стадия конвективной теплоотдачи без кипения.

Рис. 9.1 – Схема орошения слитка:

1 – слиток; 2 – опорные ролики; 3 – форсунка; 4 – слой воды

Известны три механизма отбора теплоты в зависимости от температуры охлаждаемой поверхности (Е. Мизикар):

– при температуре поверхности выше критической (в опыте 565 °С) образуется устойчивая паровая пленка, которая изолирует капли воды от поверхности;

– при температуре ниже критической и выше 120 °С водяные капли проникают через паровую пленку, образующуюся в результате сосуществования пленочного и пузырькового режимов кипения;

– при температуре поверхности, близкой к температуре кипения, парообразование прекращается и реализуется конвективная теплоотдача.

Температура поверхности слитка в ЗВО гораздо выше критической температуры. Следовательно на границе слиток-среда возникает пленочный режим кипения воды. В этой зоне теплообмен слитка определяется термическим сопротивлением оболочки металла и паровой пленки. В качестве эффективных средств разрушения паровой пленки иногда предлагается:

– прерывистое охлаждение, разделенное небольшими зонами конвективного теплообмена на воздухе;

– изменение угла атаки струи по отношению к охлаждаемой поверхности.

Установлено, что в общем случае теплообмен в зоне орошения осуществляется путем:

– конвективной теплоотдачи к охлаждающей воде;

– излучением между поверхностью слитка и окружающими деталями агрегата;

– теплоотдачей на испарение и кипение охлаждающей воды;

– контактного теплообмена с опорными роликами.

На действующих установках в ЗВО основное количество теплоты отводится от слитка охлаждающей водой и паром, получающимся при частичном испарении воды в условиях соприкосновения ее с раскаленной поверхностью слитка. Испарение части воды приводит к интенсивной теплоотдаче от поверхности слитка вследствие большой теплоты парообразования. Опытным путем установлено, что относительное количество испаряющейся воды составляет 8-10 % при изменении плотности орошения в пределах 2-7 м³/(м²×ч).

Коэффициент теплоотдачи, отнесенный к средней температуре охлаждающей воды без разделения процессов нагрева и испарения охлаждающей воды определится в следующем виде

,

где  – количество теплоты в единицу времени, идущее на нагрев охлаждающей воды, Вт;  – количество теплоты в единицу времени на испарение охлаждающей воды, Вт; F – поверхность вторичного охлаждения, м²;  – средняя температура поверхности слитка в ЗВО, °С;  – средняя температура охлаждающей воды, °С.

По опытным данным при ролико-форсуночном и форсуночно-брусьевом охлаждении a изменяется в пределах 140-540 Вт/(м²×К) при изменении плотности орошения в пределах 1,5-4,5 м³/(м²×ч). Такие значения a соответствуют частичному испарению охлаждающей воды в количестве 5-15 %.

Лекція 17

Розрахунок коефіцієнта тепловіддачі в ЗВО

План лекції: Зв'язок між коефіцієнтом тепловіддачі і щільністю зрошування. Охолоджування злитка на повітрі після ЗВО.

9.4 Связь между коэффициентом теплоотдачи и плотностью орошения

В условиях форсуночного охлаждения продолжительность зоны пленочного кипения в значительной степени зависит от плотности орошения на единицу охлаждаемой поверхности . Основной зависимостью, определяющей процесс теплоотдачи при водяном форсуночном охлаждении нагретых поверхностей, является зависимость коэффициента теплоотдачи от плотности орошения: , которую оценивают экспериментально.

Установлено, что эта зависимость имеет почти линейный характер и может аппроксимироваться простым выражением: