Научная статья на тему 'Исследование процесса нагрева металлической (часть 1)'

Исследование процесса нагрева металлической (часть 1) Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
398
108
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Наука и техника
Область наук
Ключевые слова
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА / НАГРЕВ / МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУЖКА

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Дьяконов О. М.

Рассмотрены основные методы расчета тепло- и массопереноса в пористых гетерогенных средах и дана оценка возможности их применения для расчета процесса нагрева металлической стружки. Показано, что описание процессов переноса в стружке имеет свою специфику, обусловленную различием теплофизических свойств собственно стружки и компонентов смазочно-охлаждающей жидкости на ее поверхности. Установлено, что известные выражения для эффективных коэффициентов теплопереноса могут быть использованы в качестве базовых в приближении взаимопроникающих континуумов. Математическое описание тепло- и массопереноса в стружке в дальнейшем могло бы лечь в основу численного моделирования, расчета и оптимизации параметров указанных процессов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Metal Chip Heating Process Investigation (Part I)

The main calculation methods for heatand mass transfer in porous heterogeneous medium have been considered. The paper gives an evaluation of the possibility to apply them for calculation of metal chip heating process. It has been shown that a description of transfer processes in a chip has its own specific character that is attributed to difference between thermal and physical properties of chip material and lubricant-coolant components on chip surfaces. It has been determined that the known expressions for effective heat transfer coefficients can be used as basic ones while approaching mutually penetrating continuums. A mathematical description of heatand mass transfer in chip medium can be considered as a basis of mathematical modeling, numerical solution and parameter optimization of the mentioned processes.

Текст научной работы на тему «Исследование процесса нагрева металлической (часть 1)»

УДК 669.054.8

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕ^А НАГРЕВА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУЖКИ

ЧАСТЬ 1

Канд. техн. наук, доц. ДЬЯКОНОВ О. М.

Белорусский национальный технический университет

Металлическая стружка представляет собой ценное металлургическое сырье, которое образуется при обработке резанием в огромных количествах на предприятиях

металлообрабатывающей промышленности. Для ее эффективной и экологически безопасной переплавки в металлургических печах (имеется в виду минимизация угара и потерь легирующих элементов, а также выбросов вредных загрязняющих веществ в атмосферу) необходимо провести операции окускования и обезмасливания металлических частиц. Размер этих частиц после дробления и сортировки стружки по фракционному составу колеблется от 3 до 50 мм. Наиболее эффективной и производительной технологией окускования стружки (и в особенности легированной стружки) является ее горячее брикетирование, включающее операции нагрева и горячего формования [1-4]. При нагреве стружки происходят сложные теплофизические и термохимические процессы, исследование которых позволяет найти оптимальные режимы формования и добиться высокой плотности брикетов порядка 7 кг/м . Брикеты полностью очищены от масла и ПАВ, их размер варьируется от 70 до 200 мм. Это позволяет использовать стружковое сырье как обычный металлолом и тем самым улучшить технико-экономические показатели и экологию плавок.

Цель работы — численный расчет и оптимизация параметров процессов тепло- и массопереноса при нагреве стальной стружки в

вертикальной проходной муфельной печи [1]. Температура нагрева, при которой обеспечивается наивысшая плотность брикетов при отсутствии окисления металла стружки, составляет 650—700 °С. Нагрев стружки происходит в стационарном тепловом поле, создаваемом за счет сгорания природного газа и масляной компоненты стружки в топке печи. При этом сама стружка перемещается в стальной муфельной трубе, расположенной в центре и по оси рабочего пространства. Муфель ограничивает пространство, заполненное стружкой, через которую, как через фильтр, проходят газы (продукты возгонки СОЖ), выполняющие функцию теплопередающей среды вплоть до их выпуска в печь через щелевые отверстия в стенках трубы. Ограниченность пространства в муфеле и высокая плотность стружки позволяют создать избыточное давление и высокую плотность газовой атмосферы.

Особенности нагрева стружки в муфеле обусловлены ее теплофизическими свойствами и схемой нагрева. Сама стружка, СОЖ и ее пары образуют многофазную гетерогенную пористую среду. Описание процессов переноса в такой среде требует определения эффективных коэффициентов теплопереноса.

Тепло- и массоперенос в металлической стружке. Проблеме описания процессов переноса теплоты и массы в пористых гетерогенных средах посвящены работы [5—7]. Одной из наиболее распространенных моделей

переноса является модель взаимопроникающих континуумов [6, 8, 9]. Основная идея данного подхода заключается в том, что исследуемое пространство разбивается на малые элементарные физические объемы, в пределах которых проводится усреднение концентрации каждой фазы с соответствующими физико-механическими характеристиками

(плотностью, температурой, давлением). Далее для каждой из фаз записывается система дифференциальных уравнений, отражающая законы сохранения энергии, импульса и массы.

Элементарный объем, с одной стороны, должен быть достаточно большим, чтобы вместить в себя большое количество минимальных структурных элементов пористой среды, а с другой стороны, он должен быть достаточно мал, чтобы параметры этих элементов не очень сильно различались в разных его точках и с хорошей степенью точности могли быть заменены их средними значениями. Критерием, характеризующим применимость модели, является соотношение между характерными пространственным масштабом градиентов температуры (либо концентраций) и размером элементарной структурной ячейки пористой среды. Модель применима в том случае, если пространственный масштаб градиентов существенно превышает размер ячейки. Как будет показано ниже, для процесса нагрева стружки

в муфельной печи данное условие удовлетворяется с высокой точностью.

Базой для описания процессов фильтрационного массопереноса в стружке может служить закон Дарси [5]. Этот закон представляет собой экспериментально установленное соотношение между скоростью фильтрации газа V (в данном случае в соответствии с технологической схемой это пары СОЖ) и градиентом давления Ур в пористой среде при достаточно малых скоростях и градиентах давления

V = - Ко Ур,

(1)

где ц - динамический коэффициент вязкости; К0 - коэффициент проницаемости пористой среды, имеющий размерность площади.

Единицей измерения проницаемости является дарси (Ба): 1 Ба = 10-8 см2. Существует достаточно много эмпирических выражений для проницае-

мости, например формула Кармана-Козени [5]:

Ко =

552

(2)

где - удельная площадь внутренней

поверхности пористого тела, приходящаяся на единицу объема; в - пористость. Эта формула вполне пригодна для описания процесса фильтрации в стружке, которая является высокопористой средой (в ~ 0,85-0,90). В этом случае удельная площадь поверхности стружки рассчитывается на основе модели пористого тела, состоящего из однородных твердых сферических частиц диаметром :

5 =

6(1 -в)

Важной составляющей процесса нагрева стружки является термическая возгонка СОЖ с поверхности металлических частиц. На основе методов термодинамики необратимых процессов [10] получена система уравнений, описывающих взаимосвязанный тепло- и массоперенос в капиллярно-пористых телах с учетом фазовых превращений при условии, что общее изменение удельного влагосодержания тела и обусловлено переносом влаги и фазовым превращением жидкости в пар. В одномерном случае данная система имеет следующий вид:

дТ д Л дТ

Срр-=-1 А-

д1 дх \ дх

Iй, дt

ди д ( ди + £ дТ дt дх ^ дх дх

(3)

(4)

где у - критерий фазового превращения, который чаще всего рассматривается как непрерывная функция координат или влагосодержания. Коэффициенты переноса в (3), (4) зависят от влагосодержания и и температуры Т [10]. Система уравнений (1), (2) дополняется граничными условиями. Условия

3

8

третьего рода на поверхности гетерогенной среды [11] записываются таким образом:

дТ

Х— = а(Та -Т)-д(1 -у)раДы -иъ), (5)

дх

ди г., дТ

Х1 — + Х1§ — = а1(ыв-и), дх дх

(6)

где а, а' - коэффициенты теплообмена и массообмена соответственно; Та - температура среды; ыв - равновесное влагосодержание. В случае углубления зоны испарения внутрь тела система уравнений (3), (4) решается для каждой из зон, а величина у (и) представляется в виде разрывной функции.

Если предположить, что в зоне испарения перемещается только пар и отсутствует градиент влагосодержания, а во влажной зоне влага представляет собой смесь пара и жидкости, то решение задачи обезвоживания и обезмасливания стружки сводится к решению уравнения теплопроводности в первой зоне и уравнений (3), (4) во второй зоне. Поскольку влагосодержание каждой из зон не изменяется и во влажной зоне находится только жидкость, то для стружки, представляющей собой пористое тело, получаем задачу Стефана [9].

При высокоинтенсивных процессах испарения жидкости внутри влажного материала имеет место градиент общего давления влажного воздуха, появление которого объясняется тем, что капиллярно-пористое тело оказывает большое сопротивление фильтрационному движению парогазовой смеси. Перепад давлений, возникающий за счет испарения жидкости влажного воздуха, не релаксирует мгновенно [6]. Система уравнений тепло- и влагопереноса в этом случае видоизменяется, так как в выражении для суммарного потока влаги учитывается дополнительный член,

пропорциональный градиенту давления. В уравнениях (3), (4) появляется член, пропорциональный градиенту давления. Также система дополняется уравнением для давления парогазовой смеси внутри пористого тела [6, 10]. Однако рассматриваемый процесс нагрева стружки в силу низкого влагосодержания

является слабоинтенсивным, и указанные эффекты могут не учитываться.

Наряду с наиболее простой теорией А. В. Лыкова для описания процессов тепло- и массопереноса в пористых телах [10, 11] используют более сложные теории, которые в отсутствие единого потенциала влагопереноса позволяют описать одновременное действие нескольких механизмов массопереноса. Наиболее распространенной теорией такого рода является теория многофазной фильтрации [6], в которой средние скорости движения жидкой и газообразной фаз представлены уравнениями, аналогичными (1). Движение каждой из фаз зависит от давления и взаимного расположения фаз

в поровом пространстве.

Эффективные коэффициенты

теплопереноса. Моделирование процессов переноса в по-

ристых средах требует определения эффективного коэффициента теплопроводности среды Х^ и коэффициента внутреннего

теплообмена ау [5, 11]. Теплообмен между единичной частицей для неконсолидированной твердой фазы и газовым потоком характеризуется коэффициентом теплообмена а, отнесенным к единице площади поверхности частицы. Следуя [12], можно ввести также коэффициенты внешнего (аоШ) по отношению к частице и внутреннего (Хр//й,,)

теплообмена, где фактор / = 10; 8; 6 соответствует частицам сферической, цилиндрической и пластинчатой формы. Тогда

1 1 й

а а.

Х

(7)

Коэффициент аоЫ вычисляется по критериальным соотношениям, полученным в результате обобщения экспериментальных данных [13]:

№ = 2 + 1,Ше06Рг3,

(8)

где ^ = аошй*/\; = ^; Рг =

= ц, /(р); vD - так называемая скорость

Дарси - расход газа через единицу площади поперечного сечения пористого слоя. В [14]

предлагаются другие критериальные соотношения, в которых критерии Нуссельта и Рейнольдса выражены через эффективный диаметр твердых частиц и зависят от пористости сис-

темы:

1

Ш 4 = 0,395Яее/ 0'64РгЗ

(для Яе4 = 30-5 • 105; Рг = 0,6-6 • 104); (9)

1

Ш 4 = 0,725Яе е/ 0'47 Рг3 (для Яе 4 = 30-2; Рг = 0,6-10); (10)

1

= 0,515Яее/0'85 Рг3 (для Яее/ = 2-0,1; Рг = 0,6-10). (11)

Здесь йе/ = 4в/50(1 -в); 50 = 5р /Ур -

отношение площади поверхности частицы к ее объему; Яее/ =р^вйе/ /вце; Ше/ = а^ /

Для описания процессов переноса в стружке важно знать коэффициенты переноса и их зависимость от теплофизических и структурных свойств этой среды. Рассмотрим три механизма теплопереноса: кондуктивный, радиационный и конвективный при локальном тепловом равновесии между фазами среды (однотемпературное приближение).

Кондуктивный теплоперенос. Для исследования переносных свойств

неоднородных сред используются различные теоретические методы, в частности метод обобщенной проводимости [7]. Согласно данному методу вначале определяется теплопроводность каждой из фаз с учетом соответствующих граничных условий, а затем, после усреднения по объему пористого тела, -эффективный коэффициент теплопроводности А/, равный коэффициенту пропорциональности между средним потоком теплоты и средним градиентом температуры. Для приближенного замыкания процедуры расчета часто прибегают к геометрическому моделированию структуры пористого тела.

Передача теплоты в пористых средах осуществляется: 1) теплопроводностью частиц материала; 2) теплопроводностью жидкости или газа (при низких давлениях внутри пористого тела зависимость Ае/ от давления газа

становится существенной); 3) контактной теплопроводностью между частицами; 4) тепловым излучением от частицы к частице (при высоких температурах); 5) теплопроводностью газового микрозазора между частицами. Эффективный коэффициент теплопроводности зависит как от коэффициентов теплопроводности каждой из фаз (X,, X/ или АД так и от структуры

пористого тела [6]. Простейшие выражения для Ае/ получаются при рассмотрении системы, состоящей из чередующихся друг с другом плоских слоев твердого скелета и газа (или жидкости). Слои могут быть расположены как перпендикулярно направлению теплового потока (минимальное значение Ае/), так и параллельно ему (максимальное значение Ае/). Тогда соответственно:

11 -вв.

—; а^ = -

А,А g

А ^ А А

е/

"е/

вА, + (1 -в) А,

-; (12)

Ае/ =вА g + (1 -в) А,.

(13)

Выражения (12), (13) являются точными решениями уравнения Лапласа для однородного потока и однородного поля [15].

Для определения контактной

теплопроводности Ак зернистых материалов, к каковым относится, например, чугунная стружка, в [16] предлагается следующая формула:

А, =3,37(1 -в)3 А

■А

(14)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

где Е - модуль Юнга, Н/м ; р - удельная нагрузка (давление) на материал, определяемая наличием дополнительной внешней нагрузки; Асв - контактная теплопроводность в состоянии свободной засыпки. Для Ае/ в [17] рекомендовано выражение, в котором учитываются контактная теплопроводность, передача теплоты по микрозазору, лучистый теплоперенос:

4

Х

4

1 ^ + В2 | 1

Х

Ь

(15)

+

2

И ХЬ

I Х3И

где И - ширина ячейки; I - высота поры; Ь = I + И; И/1 - функция пористости системы. Величина А определяет влияние контакта между двумя соседними частицами и лучистого теплопереноса на эффективную

теплопроводность пористой среды

^+1

I Х 4

Х

в,

7 '-103

(16)

где величины В1 «1,5 - 2; В2 = 2в^оТ3/ (с -постоянная Стефана - Больцмана; ег - степень черноты поверхности пор) учитывают наличие микрошероховатости частиц и передачу теплоты излучением. Влияние излучения является существенным при глубоком вакууме и достаточно высоких температурах.

Для пористых металлов [18] Х^ = Х, (1 -в)2 при е > 0,4 и Х^ =Х, (1 -1,5в) при е < 0,6. Для образцов из металлических волокон

Х

4

Х

+ л/[1 -

= 0,25 {1 -(2 V + 1) в +

(17)

где V - относительный линейный размер контакта между волокнами, равный отношению линейного размера контакта к диаметру волокна. При V ^ 0 из (17) получаем выражение Х^ =0,5 Х, (1 -в), которое

удовлетворительно согласуется с

экспериментальными данными при е > 0,55.

Радиационный теплоперенос. Этот механизм теплопереноса особенно существен для стружки, представляющей собой неоднородную пористую среду, особенно при высоких температурах нагрева и пористости стружки [7]. Стружка представляет собой полупрозрачную изотропную среду, в которой происходят поглощение, испускание и

рассеяние лучистой энергии. Интенсивность излучения связана с уровнем локального результирующего радиационного потока в объеме стружки. Интегральный и монохроматический потоки обозначим далее символами 1, 1Х.

Полное ослабление излучения на малом отрезке пути й7 равно сумме поглощения и рассеяния и пропорционально интенсивности

Рх4 й7 = ах1хй1 + УХ1Х й7, РХ =аХ +УХ , (18)

где аХ, уХ, рХ - объемные спектральные коэффициенты поглощения, рассеяния и ослабления. Оптическая толщина среды тХ7 равна произведению монохроматического или спектрального коэффициента поглощения на толщину среды I

Тх1 = Тх7.

(19)

Если тХ7 >> 1, то излучающую среду рассматривают как некоторый континуум фотонов и называют оптически толстым слоем. Когда

тХ << 1, фотоны, испускаемые любым элементом среды, непосредственно попадают на ограничивающие поверхности без промежуточного поглощения в среде. Здесь среда не поглощает своего собственного излучения, но может поглощать излучение, испускаемое ограничивающими

поверхностями. Такая модель среды носит название оптически тонкого слоя. Предельный случай тХ7 = 1 означает, что фотоны перемещаются от поверхности к поверхности без промежуточного поглощения или испускания. При совместном переносе энергии в высокопористом теле теплопроводностью и излучением необходимо учитывать лучистый поток дл. Закон Фурье для полного потока формулируется следующим образом:

' = -Хм8га^ -

(20)

где Хм - кондуктивная (или молекулярная) теплопроводность. Уравнение Фурье имеет вид

д^

ср— = (Хgradí)-. (21)

дт

Для стационарной задачи и постоянной теплопроводности (А = const)

V 2t = div ( q* ).

(22)

Для определения qл применительно к поглощающей (П), испускающей (И) и рассеивающей (Р) среде (ПИР-среда) приходится рассматривать достаточно сложные интегральные выражения, которые совместно с (22) приводят к необходимости анализа интегродифферен-

циальных уравнений [19]. Рассмотрим простейший случай переноса теплоты в ПИР-среде (в данном случае это стружка), ограниченной плоскими диффузными поверхностями, в так называемом «сером» приближении, когда РА = Р; аА = а; уА = у , причем эти коэффициенты не зависят от температуры. Уравнение (22) для этого случая представим в виде

d

f

\

к—<

dy V dy

= 0.

(23)

Интегрируя это уравнение, получим выражение для удельного потока между поверхностями 1 и 2

q =

= const.

(24)

Представим удельный поток q в виде q = Ае/(Т2 -T)/l, тогда

К =

л м V "J J

дт

ду

l

T - T

(25)

Т(у) зависит от физических параметров Ам, а, у, п и, кроме того, от степеней черноты в1 и в2, ограничивающих диффузные поверхности. От тех же величин зависят тепловые потоки qл и -АмйТ / йу, а следовательно, и эффективная

теплопроводность Ае/. Коэффициент Ае/ для металлической стружки нельзя рассматривать как величину, однозначно характеризующую кондуктивные и радиационные свойства полупрозрачного вещества: Ае/ зависит не

только от физических свойств среды, но и от формы, размеров тела, внешних условий лучистого теплообмена (в1, в2, степени диффузности поверхностей и т. д.). При этом радиационная и кондуктивная доли полного потока теплоты оказываются в общем случае неаддитивными. Этот вывод следует из взаимосвязи членов qл

и -АмйТ /йу в (25). Однако в частных случаях

лучистая и молекулярная доли полного потока теплоты оказываются аддитивными или близкими к аддитивным, и тогда задача упрощается.

Для оптически тонкого плоского слоя справедливо следующее выражение для потока радиации qл [7]:

q* =

-\Т4 -Т24)](в-1 + В-1 -1)-1, (26)

где с = 5,67 • 10 8 Вт/(м2-К4) - постоянная Стефана - Больцмана. Это позволяет представить (25) в виде

где

V м + °1епр

В = В,

пр 1

rp4 _гр 4 T1 T 2

т - т2

,-1 -1.

(27)

Если Т1 - Т2 малая величина, а степени черноты в1 и в2 превышают 0,8, то можно пользоваться приближенным выражением

Ае/ = Ам + Ал = Ам + 0,227в21 (Т/100)3, где Т = 0,5 (Т + Т2). (28)

Из приведенных формул следует, что полный поток не зависит от коэффициентов а и у, а теплопроводность равна сумме кондуктивной (молекулярной) и радиационной составляющих. Для оптически толстого слоя ПИР-среды [19]

V = ^ м + -

16«! от

пр

зр

(29)

Для промежуточного случая, когда среда не относится ни к оптически толстому, ни к оптически тонкому слою, радиационная составляющая qл рассчитывается по формуле Польт-ца [7]

Х 16

Х =----У (в, т),

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

3

в

т = а/,

(30)

где у - функция оптической толщины образца т и степени черноты ограничивающих поверхностей в [20].

Расчеты показали, что для плоского слоя толщиной 5 мм в диапазоне температур 400 < < Т < 1500К и степеней черноты 0,1 < в < 1,0

при плотности теплового потока до 7,5 • 103 Вт/м2 формула (30) приводит к погрешности не более 10 %. С ростом оптической толщины погрешность возрастает до 20 %, однако и в этом случае можно использовать (30). Влияние селективности поглощения (зависимость от длины волны) наиболее ощутимо при оптической толщине слоя 0,5-1,0, расхождения в расчете температурного поля в этом случае достигают 45 %, но быстро уменьшаются при иных зна-

чениях т.

Если в высокопористых телах длина свободного пробега фотона Л значительно меньше толщины пористого слоя (что справедливо для стружки), то процесс переноса энергии излучения можно рассматривать как диффузионный. Для оптически толстого слоя в приближении Росселанда перенос излучения запишем одним уравнением теплопроводности с коэффициентом лучистой теплопроводности

Хд [6]

, 16 з 64 з в2

Х„ = в—сТ Л = —сТ

1 -в

(31)

где г - характерный размер (радиус) твердых включений в высокопористом теле. Это выражение наиболее адекватно для стальной стружки пористостью около 90 %.

Конвективный теплоперенос.

Рассмотрим естественную конвекцию в пористых материалах, которая возникает при определенных соотношениях давления газа, градиента температур, размеров

сообщающихся пор. Систематические исследования в этой области начались в пятидесятых годах прошлого века и были направлены в первую очередь на определение условий возникновения конвекции в пористых

материалах. В результате было предложено неравенство

> 4,2 . 40,

va

(32)

где ЛТ, 5 - разность температур стенок пор и их размер; V, а, в - кинематическая вязкость, температуропроводность и коэффициент термического расширения газа или жидкости в поре; к - коэффициент проницаемости при ламинарном течении газа; g = 9,81 м/с2 . Численное решение системы уравнений, характеризующих теплообмен в пористой среде [7], позволило получить критериальные выражения, связывающие число Нуссельта

Ми* с фильтрационным числом Рэлея Яа*:

Ми* = /|Яа*, Ь, Л], Ми* = £;

* gврcvLЛTk Яа =

(33)

vХ*

где Х/, Х - коэффициенты теплопроводности

пористой среды с учетом и без учета конвекции; Ь, И - высота и ширина пористого слоя;

А - угол между нормалью к поверхности и направлением силы тяжести; р, ср - плотность

и удельная теплоемкость газа или жидкости. Если пористую среду заполняет газ, описываемый уравнением состояния р = р^Т, то согласно [20] фильтрационное число Рэлея

Яа* =

gвLkCp ЛТр2 2Т

= ЯаБа^р2/(р). (34) Х

Число Рэлея Яа , в свою очередь, равно произведению чисел Грасгофа Ог и Прандт-ля Рг

Яа = ОгРг =

gPL3ЛT

vрc

Л

(35)

Через Ба в (34) обозначено число Дарси

°а = А,

(36)

р = р / р0 - отношение давлений (р0 = 105 Па); /(р) - поправка, учитывающая изменение физических свойств газа Хг, цг, ср, в в зависимости от давления; Хг -теплопроводность газа.

Авторы [10] получили зависимости типа

(34). Оценка критического числа Рэлея Яа^,

при котором возникает конвекция, также одинакова, т. е.

(37)

Ra* > 4п2 « 40.

кр

Отмечается резкое возрастание

интенсивности теплообмена в пористых материалах с повышением давления газообразной среды, например в (34) критерий Яа* пропорционален квадрату давления. Критериальные уравнения, полученные в указанных работах, являются незамкнутыми, так как отсутствуют практические рекомендации по расчету коэффициентов проницаемости к и теплопроводности X . В [7] на основании обработки и аппроксимации результатов измерений, а также анализа теоретических работ предложены следующие зависимости для расчета интенсивности теплообмена:

• в горизонтальных слоях волокнистых материалов:

при Ra <40

Nu* =1;

при40 <Ra* <400 Nu* = 0,4(Ra*)0'5 -1,5; (38)

при

400<Ra*< 1-104 Nu* = 0,17(Ra*)0'5

+ 2,8;

• в горизонтальных слоях зернистых материалов:

при Яя* < 40 = 1;

/ 40 5 (39) при 40 < Яя*< 6000 = 4,78 (Яя*) ' - 9.

Оценка фильтрационного числа Рэлея в стружке при ее нагреве в муфельной печи показывает, что Яа* < 1, поэтому конвективной составляющей эффективной теплопроводности в стружке можно пренебречь.

Приведенные выражения, описывающие вклад различных механизмов тепло- и массопереноса в эффективную

теплопроводность пористых тел, с достаточной для практических приложений точностью можно применить для расчета процессов нагрева, обезвоживания и обезмасливания металлической стружки. В последующих работах представим физико-математическую модель этих процессов и численный алгоритм ее решения. Рассмотренные выражения для эффективных коэффициентов теплопереноса будут использованы в качестве базовых в приближении взаимопроникающих

континуумов.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Дьяконов, О. М. Способ брикетирования металлической стружки и устройство для его осуществления / О. М. Дьяконов: пат. Респ. Беларусь № 8755 от 21.09.2006.

2. Дьяконов, О. М. Получение высококачественного металлургического сырья из отходов подшипникового производства / О. М. Дьяконов, П. А. Витязь; НАН Беларуси // Порошковая металлургия. - 2005. - № 28. -С. 19-26.

3. Дьяконов, О. М. Совершенствование процесса термохимического модифицирования металлических отходов / О. М. Дьяконов // Известия НАН Беларуси. Сер. химических наук. - 2006. - № 3. - С. 113-116.

4. Дьяконов, О. М. Термодеструкция масляной фазы при нагреве металлической стружки / О. М. Дьяконов, В. В. Шевчук // Известия НАН Беларуси. Сер. химических наук. - 2006. - № 4. - С. 116-121.

5. Kaviany, M. Principles of Heat Transfer in Porous Media / M. Kaviany. - New York: Springe^Verlag, 1991.

6. Павлюкевич, Н. В. Введение в теорию тепло-и массопереноса в пористых средах / Н. В. Павлюкевич. -Минск: Наука и техника, 2002.

7. Дульнев, Г. Н. Процессы переноса в неоднородных средах / Г. Н. Дульнев, В. В. Новиков. - Л.: Энерго-атомиздат, 1991.

8. Матрос, Ю. Ш. Нестационарные процессы в каталитических реакторах / Ю. Ш. Матрос. -Новосибирск: Наука' 1982.

9. Ярин, Л. П. Основы теории горения двухфазных сред / Л. П. Ярин, Г. С. Сухов. - Л.: Энергоатомиздат, 1987.

10. Лыков, А. В. Теория сушки / А. В. Лыков. - М.: Энергия, 1968.

11. Лыков, А. В. Тепломассообмен: справ. / А. В. Лыков. - М.: Энергия, 1973.

12. Dixon, A. G. Theoretical Prediction of Effective Heat Transfer Parameters in Packed Beds / A. G. Dixon, D. I. Cres-swell // AIChE J. - 1979. - Vol. 25, № 4. - P. 663-676.

В Ы В О Д

13. Wakao, N. Heat and Mass Transfer in Packed Beds / N. Wakao, S. Kaguei. - New York: Gordon and Breach Science Pub, 1982. - P. 37-46.

14. Аэров, М. Э. Аппараты со стационарным зернистым слоем: гидравлические и тепловые основы работы / М. Э. Аэров, О. М. Тодес, Д. А. Наринский. - Л.: Химия, 1979.

15. Мандель, А. М. Аналитический расчет проводимости резко неоднородных сред с учетом перколяцион-ных явлений / А. М. Мандель // ИФЖ. - 1999. - Т. 72, № 1. - С. 61-65.

16. Каганер, М. Г. Тепловая изоляция в технике низких температур / М. Г. Каганер. - М.: Машиностроение, 1968.

17. Васильев, Л. Л. Теплофизические свойства пористых материалов / Л. Л. Васильев, С. А. Танаева. -Минск: Наука и техника, 1971.

18. Белов, С. В. Пористые металлы в машиностроении / С. В. Белов. - М.: Машиностроение, 1982.

19. Спэрроу, Э. М. Теплообмен излучением / Э. М. Спэр-роу, Р. Д. Сесс. - Л.: Энергия, 1971.

20. Власюк, М. П. Исследование переноса тепла при естественной конвекции в проницаемых пористых материалах / М. П. Власюк, В. И. Полежаев // Тепло- и массоперенос. - Минск: ИТМО, 1972. - Т. 1, ч. 2. - С. 366-373.

Поступила 5.05.2007

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.