tehnici experimentale si cfd pentru optimizarea … 1 2009.pdf · 1 efectuarea experimentului...

Universitatea Tehnica „Gh.Asachi” Iasi

TEHNICI EXPERIMENTALE SI CFD

PENTRU OPTIMIZAREA ENERGETICA

A CUPTOARELOR ELECTRICE, PRIN

MODIFICAREA GEOMETRIEI

SPATIULUI DE LUCRU RAPORT DE CERCETARE

Faza unica an 2009

NR CONTRACT: 81 / 1.10.2007

COD CNCSIS: 603

VALOARE TOTALA GRANT: 951 050 RON

FAZA (numarul din Anexa II): unica an 2009

VALOARE FAZA: 106 058 RON

Obiectivele si activitatile din structura cadru (Anexa II a), prevazute pentru

etapa unica an 2009

DENUMIRE OBIECTIVE:

1 Efectuarea experimentului preliminar privind posibilitatile de scadere a

consumurilor energetice a utilajelor studiate si interpretarea acestuia

2 Eficientizarea transferului de caldura prin modificarea geometriei

spatiului de lucru pentru instalatiile studiate si efectuarea experimentului

final

3 Finalizarea modelului fizico- matematic privind intensificarea

proceselor de transfer de caldura la incalzire-racire. Eficientizarea economica

a instalatiilor studiate

DENUMIRE ACTIVITATI:

1.1. Alegerea unor sarje reprezentative si stabilirea conditiilor tehnologice de experimentare

preliminara. Programarea experimentului.

1.2. Experimentari preliminare in conditiile stabilite anterior

1.3. Prelucrarea datelor experimentale preliminare si analiza acestora in conditiile finalizarii unui

model teoretico-experimental reprezentativ.

1.4. Analiza, in echipa, a rezultatelor partiale la finalizarea fiecarui obiectiv

2.1. Identificarea posibilitatilor constructive functionale de eficientizare a proceselor de transfer

de caldura pentru cazurile de studiu stabilite anterior

2.2. Proiectarea si realizarea modificarilor constructive functionale a instalatiilor de studiu si

efectuarea experimentului final in conditiile stabilite anterior

2.3. Analiza si corelarea teoretica a datelor experimentale


2.5. Diseminarea rezultatelor partiale

3.1. Compararea si interrelationarea dintre experimente (preliminar si cel final)

1.1. Alegerea unor sarje reprezentative si stabilirea conditiilor tehnologice de

experimentare preliminara. Programarea experimentului

1.1.1. Alegerea unor sarje reprezentative si a echipamentelor ce vor fi studiate

Stabilirea directiilor de cercetare s-a realizat prin analiza critica a posibilitatilor de interventie

asupra proceselor de încalzire la temperaturi medii.

Cercetarile vor fi directionate spre cercetarea teoretica si practica a instalatiilor de încalzire ce

functioneaza la temperaturi medii (600 - 700°C).

Particularitatile privind eficientizarea transferului termic au fost detaliate în etapa anterioara a

contractului.

Alegerea echipamentelor de studiu are la baza criterii ca:

- dimensiunile interioare ale camerei de lucru;

- tipul constructiv – functional;

- mediul de lucru la încalzire.

Astfel, tinând cont de echipamentele existente în dotarea laboratorului, precum si de cele ce au

fost achizitionate pâna în acest moment, pentru studiul eficientizarii proceselor de transfer am

ales doua tipuri diferite de instalatii:

- cuptor oval de tratament termic;

- cuptor clasic de tratament termic;

În continuare se vor prezenta detaliile constructiv functionale ale instalatiilor de studiu alese.

1. Cuptor oval de tratament termic

Cuptorul oval de tratament termic folosit în acest proiect este prezentat în figura 1.

Acesta este un cuptor oval la interior, tip mufla, cu actionare a usii în plan orizontal, ce asigura o

foarte buna etanseitate a spatiului de lucru, precum si viteze diferite de încalzire, datorita

controlerului extrem de eficient de la Euroline Inc.

Figura 1. Poza de ansamblu a cuptorului oval

Cuptorul are o productivitate foarte buna si siguranta în exploatare datorita ciclurilor de încalzire

ce pot fi programate si operate automat. Odata ce au fost programate, parametrii de încalzire

ramân înregistrati în memoria programatorului, chiar daca apar întreruperi în alimentarea cu

energie electrica.

Detaliile constructive sunt în tabelul 1.

Tabelul 1. Caracteristici generale

temperatura

maxima de lucru

mediu de lucru uniformitate

termica

dimensiuni

interioare

1000°C aer 4°C 9’’x7,5’’x11’’

2. Cuptor clasic de tratament termic

Cuptorul clasic de tratament termic utilizat in proiect este prezentat în figura 2.

Acesta este un cuptor clasic, tip mufla, cu actionare a usii în plan vertical, ce asigura o foarte

buna etanseitate a spatiului de lucru, precum si viteze diferite de încalzire.

Figura 2. Poza de ansamblu a cuptorului clasic




energie electrica.

Fiecare program poate avea trei stagii, ce necesita fiecare câte trei parametri: viteza de încalzire,

timp de încalzire sau timp de mentinere.

În figura 3 am prezentat curba teoretica de functionare, asa cum este prezentata în cartea tehnica

a echipamentului.


Tabelul 2. Caracteristici constructiv – functionale

temperatura

maxima de lucru

mediu de lucru uniformitate

termica

dimensiuni

interioare

dimensiuni

exterioare

1100°C aer 8 °C la

temperatura

maxima

180x230x230 410x400x430

Figura 3. Curba teoretica de functionare

3. Cuptor clasic de tratament termic cu ventilatie interna

Cuptorul clasic de tratament termic, cu ventilatie interna, achizitionat prin acest proiect este

prezentat în figura 4.

Figura 4. Poza de ansamblu a cuptorului clasic cu ventilatie

Acesta este un cuptor clasic, tip mufla, cu actionare a usii în plan orizontal, ce asigura o foarte

buna etanseitate a spatiului de lucru, precum si viteze diferite de încalzire. Utilajul are o greutate

de 45 kg si exteriorul din otel inoxidabil.




energie electrica.

Fiecare program poate avea trei stagii, ce necesita fiecare câte trei parametri: viteza de încalzire,

timp de încalzire sau timp de mentinere.


Tabelul 3. Caracteristici constructiv – functionale

temperatura

maxima de

lucru

mediu de

lucru

uniformitate

termica

dimensiuni

interioare

dimensiuni

exterioare

Volum

util

Putere

Tensiune

de

alimentare

1100°C aer

recirculat

8 °C la

temperatura

230 x 340

x 170 mm

480 x 650

x 570 mm

15 l 3,6

kW

230 V

maxima

Elemente de incalzire sunt realizate din ceramica de inalta calitate, protejata la deteriorare

mecanica si usor de schimbat.

Orificiul de evacuare a gazelor este amplasat in partea din spate. Peretii utilajului sunt dubli

pentru a rezista la temperaturi stabile si un grad scazut de pierderi de caldura in exterior.

Grad ridicat de izolare, prin modul de fibre (format sub vid) cu izolatie termica de joasa

densitate.

Cuptorul este dotat cu controller P320 si software Controltherm MV.x 544600036

Caracteristici controller P320:

? 9 programe fiecare cu cate 8 segmente

? Tastatura rezistenta la praf

? Controlat de microprocessor

? Posibilitate de cuplare ventilator sau alt accesoriu

? Programare exacta in pasi de 1 ºC respectiv 1 minut

? Temporizare pentru mentinere la temperature setata

? Temporizare ajustabila pentru o rampa de incalzire

? Interfata RS 422

Tipul si dimensiunile pieselor utilizate

Am folosit sarje de studiu din diferite tipuri de aliaje de aluminiu deformabile. Aceste aliaje sunt

nominalizate din protocolul de fabricatie al S.C. AEROSTAR S.A. Bacau.

Cele doua aliaje alese - AlCu2,5Mg si AlCu4Mg1 - sunt elaborate la S.C. AEROSTAR S.A.

Bacau si sunt aliaje ternare Al-Cu-Mg utilizate pe scara larga în constructia de masini.

Compozitia chimica a aliajelor, conform SR EN 573-3 este prezentata în tabelul 4.

Tabelul 4.Compozitia chimica a aliajelor de aluminiu utilizate

Aliaj Compozitia chimica, %

Cu Mg Mn Si Fe Zn Ni Ti

AlCu4Mg1 3,8-4,9 1,2-1,8 0,3-0,9 0,2 0,3 0,25 - 0,15

AlCu2,5Mg 2,2-3,0 0,2-0,5 0,2 0,8 0,7 0,25 - -

Piesele ce alcatuiesc sarja au forma geometrica din figura 5, indiferent de tipul aliajului, iar

tabelul 5. contine dimensiunile pieselor, în functie de tipul aliajului.

Figura 5. Forma geometrica a pieselor

Tabelul 5.

dimensiuni Tipul

aliajului d0 S0 D h Lt L0 Lc

AlCu4Mg1 12 113 15 40 160 60 72

AlCu2,5Mg 16 200,96 20 50 205 80 96

Aliajul AlCu4Mg1 are urmatorii parametri de tratament termic:

Pentru calire de punere în solutie, intervalul de temperaturi pentru încalzire este de 485 - 505°C

pentru toate tipurile de semifabricate. Durata mentinerii la temperatura de tratament termic este

data în functie de tipul semifabricatelor si grosimea acestora. Pentru racire se recomanda apa la

10 - 50°C.

Regimul de îmbatrânire a pieselor si semifabricatelor din AlCu4Mg1 este: pentru îmbatrânirea

naturala, minim 96 ore, iar pentru îmbatrânirea artificiala se recomanda 185 - 205°C cu un timp

de mentinere de 7 - 9 ore.

Aliajul AlCu2,5Mg are urmatoarele caracteristici de tratament termic:

Pentru calire de punere în solutie, intervalul de temperaturi pentru încalzire este de 505 - 525°C

pentru toate tipurile de semifabricate. Durata mentinerii la temperatura de tratament termic este

data în functie de tipul semifabricatelor si grosimea acestora.

Regimul de îmbatrânire a pieselor si semifabricatelor din AlCu2,5Mg este: pentru îmbatrânirea

naturala minim 96 ore, iar pentru îmbatrânirea artificiala se recomanda 150 - 170°C, cu un timp

de mentinere de 6 - 15 ore.

1.1.2. Stabilirea conditiilor de experimentare preliminara

Tinând cont de cele afirmate anterior, în cadrul acestei activitati au fost stabilite directiile de

modificare constructiva a instalatiilor ce au fost studiate teoretic în etapa anterioara a

contractului.

Experimentarile preliminare si finale urmeaza a se realiza în conditii identice de functionare a

instalatiilor modificate.

În aceasta idee, pentru marirea suprafetei de radiatie a instalatiilor a fost folosita o

constructie metalica unitara, ce a fost introdusa în spatiul de lucru.

Din punct de vedere constructiv, aceasta este ilustrata în figura 6. Este o constructie

usoara, ce urmeaza a fi introdusa sub placile ceramice ale vetrei instalatiilor. În aceasta situatie,

piesele nu vor avea o încalzire exagerata, fiind izolate de contactul cu metalul(piesele vor fi

asezate pe vatra din material ceramic- vezi figura 7).

Figura 6. Constructie metalica – panouri radiante

Figura 7. Asezarea panourilor în cuptorul clasic

Figura 8. Sistemul de achizitie a datelor pentru cuptorul clasic

Figura 9. Pozitionarea termocuplului

Figura 10. Sistemul de achizitie date: Nomadics Thermocouple

Figura 11. Programul de achizitie date

Figura 12. Asezarea panourilor in cuptorul oval – conceptie proprie

Din punct de vedere functional, aceasta constructie metalica este extrem de usor de

folosit si realizeaza, în conditii eficiente, o marire considerabila a suprafetei de schimb de

caldura prin radiatie, precum si o modificare a convectiei prin marirea vitezei de circulatie a

aerului în interiorul camerei de lucru.

Panourile sunt confectionate din otel 5NiCr180 si au o grosime de 0,58mm.

Compozitia chimica a fost determinata cu ajutorul aparatului Foundry Master, din dotarea

facultatii(figura 13).

Figura 13. Spectrometru Foundry-Master

Spectrometrul Foundry-Master este un instrument de precizie ce se distinge prin simpla lui

utilizare. Acesta este un spectrometru competitiv care, in ciuda dimensiunilor da o analiza

eficienta, de încredere. Modul de analizare este acela de a efectua o analiza cantitativa a

materialului studiat. Se poate accesa analiza ce apare în câteva secunde pe monitor - analizele se

pot stoca în baza de date definita, pe o unitate externa si se pot, de asemenea, printa certificate de

calitate. Dupa analizare, instrumentul poate identifica (automat) gradul si aplicabilitatea

materialului studiat si daca se depasesc limitele.

Tabelul 6. Date tehnice despre spectrometru:

Dimensiuni: Înaltime : 368 mm

Latime : 625 mm

Lungime : 889 mm

Greutate: 70 kg

Alimentare: 220 VAC, 50 / 60 Hz

600 W consum în lucru

500 W în standby

Argon: 99,999 % puritate

Sistem optic

- 350 mm lungimea focalizata

- 160 pana la 800 nm acoperire lungimi de unda

- 14 Dectectori Liniari CCD

- 6 pm Pixeli Rezolutie

- 0.9 nm / mm Dispersie

Sistemul de vidare:

Pompa de vid cu zgomot redus, cu control automat

Compozitia chimica este prezentata în tabelul 7.

Tabelul 7. Compozitia chimica a panourilor Nr.

det

Fe C Si Mn P S Cr Mo Ni Al Co Cu Nb Ti V W

1 69.4 0.0133 0.273 1.4 0.0323 0.0053 18.4 0.435 9.29 0.001 0.112 0.383 0.0067 0.0043 0.0707 0.0214

2 69.3 0.0157 0.279 1.38 0.0277 <0.005 18.7 0.430 9.21 <0.001 0.112 0.393 0.0061 0.0046 0.0714 0.0318

3 69.6 0.0178 0.269 1.39 0.0292 <0.005 18.3 0.432 9.27 <0.001 0.112 0.377 0.0056 0.0040 0.0722 0.0245

med 69.4 0.0156 0.274 1.39 0.0297 <0.005 18.5 0.433 9.26 <0.001 0.112 0.384 0.0061 0.0043 0.0715 0.0259

1.1.3. Programarea experimentului

Experimentul activ a debutat cu un experiment preliminar efectuat în scopul determinarii

eficientei energetice a folosirii panourilor radiante. Astfel, s-a realizat diagrama de functionare în

gol a cuptoarelor studiate. Încalzirea pâna la 525°C este prezentata în figura 14.

functionare in gol

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

0 600 1200 1800

timp, sec

tem

pera

tura

, °C

cuptor clasic cuptor oval

Figura 14. Diagrama de functionare în gol a cuptorului oval, în comparatie cu un cuptor clasic

În ce priveste programarea experimentului, detalii s-au oferit în etapa anterioara a

contractului. În acest moment se vor detalia numai etapele efective ce urmeaza a se parcurge

pentru realizarea experimentului activ si posibilitatea interpretarii corecte a rezultatelor.

Pentru a putea realiza interpretarea corecta a rezultatelor este necesara programarea

experimentului. Aceasta presupune:

- stabilirea numarului necesar si suficient de experiente si a conditiilor de realizare a

acestora;

- determinarea ecuatiei de regresie, care reprezinta modelul procesului;

- determinarea conditiilor de realizare a valorii optime a performantei procesului

realizat.

În acest sens, pentru fiecare variabila se determina nivelele de baza precum si intervalele

de variatie. Prin adaugarea nivelului de variatie la nivelul de baza se obtine nivelul superior, iar

prin scaderea lui se obtine nivelul inferior al variabilei. Alegerea intervalului de variatie trebuie

facuta astfel încât sa aiba valori cât mai corecte din punct de vedere functional. Un prim pas este

stabilirea nivelelor de baza si a intervalelor de variatie. În tabelul 8 sunt prezentate intervalul de

variatie si nivelul de baza pentru programarea experimentului.

Tabelul 8. Programarea experimentului

Factorul distanta de reglare a panourilor

Nivel de baza 160 mm

Interval de variatie 20 mm

Nivel superior (+1) 180 mm

Nivel inferior (-1) 140 mm

Interpretarea rezultatelor experimentale consta în determinarea unor curbe experimentale

de variatie a pozitiei panourilor radiante în functie de consumul energetic al utilajului;

interpretarea rezultatelor experimentale va fi finalizata prin determinarea unor ecuatii analitice ce

descriu curbele obtinute experimental.

Apoi, s-au introdus panourile radiante în cuptor si s-a remarcat modificarea semnificativa

a timpului de încalzire. În aceasta situatie, s-a hotarat marirea numarului de experimentari

conform tabelului 9. Aceasta crestere a determinarilor experimentale s-a realizat tocmai pentru

posibilitatea studierii corecte a proceselor ce apar la încalzire si pentru validarea solutiilor

practice.

Tabelul 9. Programarea experimentului activ – varianta finala

Factorul distanta de reglare a panourilor

Nivel de baza 160 mm

Interval de variatie 40 mm

Nivel superior (+1) 200 mm

Nivel inferior (-1) 120 mm

180 mm

140 mm

100 mm

80 mm

Experimentari suplimentare

60 mm

Cu rezultatele experimentale obtinute se va determina consumul energetic pentru fiecare

caz în parte.

Mentionez ca temperaturile de încalzire, timpii de mentinere si conditiile de racire sunt

aceleasi pentru fiecare experiment, variabile fiind doar pozitia panourilor radiante.

1.2. Experimentari preliminare in conditiile stabilite anterior

Temperatura de operare pentru procesele de încalzire la temperaturi medii este pâna în

600°C. În aceste conditii, predomina transferul decaldura prin radiatie. Pentru intensificarea

schimbului de caldura se va face focalizare pe convectie si marirea vitezei de circulatie a aerului

în incinta precum si pe intensificarea radiatiei. Se vor studia cele doua tipuri de cuptoare

existente în dotare si anume:

a) cuptor clasic

b cuptor oval.

Conditiile de baza de functionare sunt:

- mediul de încalzire: aer

- tipul de transfer termic: radiatie + convectie libera în regim laminar;

- temperatura de operare: maxim 600°C.

1.2.1. Experimentari preliminarii pentru cuptorul clasic

Experimentul preliminar consta în introducerea intensificatorului de radiatie, conceptie

proprie si realizarea ajustarii spatiului de lucru.

În primul rand am realizat diagrama de functionare în gol a celor doua cuptoare studiate

comparative.

Experimentarile s-au efectuat în zile diferite, mentinându-se astfel conditiile initiale de încalzire,

atât pentru utilaje, cât si pentru sarje.

Rezultatele experimentale se vor prezenta numai sub forma grafica. Astfel figura 15 reprezinta

diagrama de incalzire a cuptorului pentru cazul d=200mm. Figura 16 reprezinta incalzirea pentru

d=160 mm. In figurile 17 si 18 sunt prezentate rezultatele incalzirii pentru situatiile d= 140 si

120 mm.

Cuptor clasic, cu panouri drepte

0

100

200

300

400

500

600

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

timp, s

tem

pera

tura

, °C

temperatura cuptortemperatura piesa

Figura 15. Diagrama de incalzire a cuptorului pentru cazul d=200mm

Cuptor clasic, d=16cm

0

100

200

300

400

500

600

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

timp, s

tem

pera

tura

, °C




0

100

200

300

400

500

600

0 200 400 600 800 1000 1200

timp, s

tem

pe

ratu

ra, °

C




0

100

200

300

400

500

600

700

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

timp, s

tem

pera

tura

, °C



Experimentul a fost riguros condus in vederea asigurarii repetabilitatii acestuia. Ca sarja de

studiu s-a folosit o piesa cilindrica de dimensiuni ? 15 x 150 mm, confectionata din AlCu4Mg1.


atât pentru utilaje, cât si pentru sarje. Culegerea datelor s-a realizat cu ajutorul calculatorului,

prin intermediul placii de achizitie Nomadics Thermocouple. Pentru fiecare pozitie a panoului s-

au realizat câte trei experimentari, in tabele fiind trecuta media aritmetica a valorilor inregistrate.

In tabelul 10 sunt rezultatele experimentale centralizate, pentru toate situatiile considerate.

Tabelul 10. Variatia timpului total de încalzire, pentru cele doua puncte de masura

Pozitia panoului, mm timp total de incalzire

sarja, s

Fara 1034 200 1290 180 1339 160 1320 140 1340 120 1210 100 1280 80 1289 60 1190

In plus, s-au realizat si cateva studii privind alti parametri importanti in functionarea cuptoarelor

industriale. Asadar, in tabelul 11 este prezentata variatia vitezei de incalzire a piesei, in functie

de pozitia panourilor.

Tabelul 11. Variatia vitezei de incalzire a piesei

Pozitia panoului, mm

Viteza de incalzire

sarja, C/s

Fara 0.483559 200 0.387597 180 0.373413 160 0.378788 140 0.373134 120 0.413223 100 0.390625 80 0.387898 60 0.420168

Tabelul 12 contine rezultatele experimentale privind consumul energetic al utilajului studiat.

Tabelul 12. Variatia energiei totale consumate la încalzire


Energia totala de

incalzire sarja, Wh

Fara 517 200 645 180 669.5 160 660 140 670 120 605 100 640 80 644.5 60 595

Energia totala consumata la încalzire s-a calculat tinând cont de timpul de functionare la

putere maxima a utilajului, tinând cont de relatia E = P t.

Tabelul 13. Sinteza datelor experimentale pentru cuptorul clasic

Sinteza datelor experimentale pentru încalzire pâna la 500°C în

piesa

pozitia

panoului,

cm

timp incalzire

piesa, s viteza de incalzire

a piesei, °C/s

consum

energetic, Wh

FARA 1034 0.483559 517 20 1290 0.387597 645 18 1339 0.373413 669.5 16 1320 0.378788 660 14 1340 0.373134 670 12 1210 0.413223 605 10 1280 0.390625 640 8 1289 0.387898 644.5 6 1190 0.420168 595

1.2.2. Experimentari preliminarii pentru cuptorul oval



Rezultatele experimentale se vor prezenta numai sub forma grafica. Astfel figura 19 reprezinta

diagrama de incalzire a cuptorului pentru cazul d=200mm. Figura 20 reprezinta incalzirea pentru

d=180 mm. In figurile 21, 22, 23 si 24 sunt prezentate rezultatele incalzirii pentru situatiile d=

160, 140, 120 si respectiv 100 mm.

Cuptor oval, panouri drepte

0

100

200

300

400

500

600

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

timp, s

tem

pera

tura

, °C


Figura 19 Diagrama de incalzire a cuptorului pentru cazul d=200mm

Cuptor oval, d=18 cm

0

100

200

300

400

500

600

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

timp,s

tem

pera

tura

, C

cuptorpiesa


Cuptor oval, d=16cm

0

100

200

300

400

500

600

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

timp, s

tem

pera

tura

, °C



Cuptor oval, d=14cm

0

100

200

300

400

500

600

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

timp, s

tem

pera

tura

, °C



Cuptor oval, d=12cm

0

100

200

300

400

500

600

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

timp, s

tem

pera

tura

, C

cuptorpiesa


Cuptor oval, d=10 cm

0

100

200

300

400

500

600

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

timp, s

tem

pera

tura

, C

cuptorpiesa


Experimentul a fost riguros condus in vederea asigurarii repetabilitatii acestuia. Ca sarja de

studiu s-a folosit o piesa cilindrica de dimensiuni ? 15 x 150 mm, confectionata din AlCu4Mg1.


atât pentru utilaje, cât si pentru sarje. Culegerea datelor s-a realizat cu ajutorul calculatorului,

prin intermediul placii de achizitie Nomadics Thermocouple. Pentru fiecare pozitie a panoului s-

au realizat câte trei experimentari, in tabele fiind trecuta media aritmetica a valorilor inregistrate.

In tabelul 14 sunt rezultatele experimentale centralizate, pentru toate situatiile considerate.

Tabelul 14. Variatia timpului total de încalzire, pentru cele doua puncte de masura


timp total de incalzire

sarja, s

Fara 1800 200 1233

180 1390 160 1208 140 1250 120 1355 100 1260 80 1395 60 1407

In plus, s-au realizat si cateva studii privind alti parametri importanti in functionarea cuptoarelor

industriale. Asadar, in tabelul 15 este prezentata variatia vitezei de incalzire a piesei, in functie

de pozitia panourilor.

Tabelul 15. Variatia vitezei de incalzire a piesei


viteza totala de incalzire

sarja, °C/s

Fara 0.277778 200 0.405515 180 0.359712 160 0.413907 140 0.4 120 0.369004 100 0.396825 80 0.358423 60 0.355366

Tabelul 16 contine rezultatele experimentale privind consumul energetic al utilajului studiat.

Tabelul 16. Variatia energiei totale consumate la încalzire


energia totala de incalzire

sarja, Wh

Fara 744 200 509.64 180 574.5333 160 499.3067 140 516.6667 120 560.0667 100 520.8 80 576.6 60 581.56

Energia totala consumata la încalzire s-a calculat tinând cont de timpul de functionare la

putere maxima a utilajului, tinând cont de relatia E = P t.

Tabelul 17. Sinteza datelor experimentale pentru cuptorul oval

Incalzire pana la 500°C in piesa

timp, s viteza, °C/s energia, Wh

fara 1800 0.277778 744 20 1233 0.405515 509.64 18 1390 0.359712 574.5333 16 1208 0.413907 499.3067 14 1250 0.4 516.6667 12 1355 0.369004 560.0667 10 1260 0.396825 520.8

8 1395 0.358423 576.6 6 1407 0.355366 581.56

1.3. Prelucrarea datelor experimentale preliminare si analiza acestora în conditiile

finalizarii unui model teoretico-experimental

1.3.1. Analiza si corelarea teoretica a datelor experimentale pentru cuptorul clasic



Interpretarea rezultatelor are drept scop gasirea unor ecuatii matematice ce pot descrie cat mai

corect procesele fizice ce au loc in situatia considerata. Astfel, in figurile 25 si 26 sunt prezentate

curbele experimentale si curbele de fitare polinomiala pentru fiecare studiu in parte.

Figura 25.Diagrama de variatie a timpului de încalzire cu pozitia panourilor

Figura 26. Diagrama de variatie a vitezei de incalzire si a energiei consumate cu pozitia

panourilor

Astfel, in urma analizei si interpretarii matematice a datelor experimentale s-au obtinut ecuatiile

de regresie imprimate pe fiecare diagrama în parte.

Ecuatiile servesc la corelarea formei spatiului de lucru cu obiectivele tehnologice ale incalzirii

aliajelor de aluminiu.

Ecuatia variatiei consumului energetic se considera a fi cea mai importanta, ea oferind informatii

cantitative concrete privind consumul de energie ce se obtine cu ajutorul acestei solutii propuse

privind modificarea spatiului de lucru.

Concluzii pentru cuptorul clasic:

1. S-a obtinut o economie energetica de aproximativ 100 Wh prin inclinarea panourilor

radiante.

2. timpul de incalzire al sarjei pana la o anumita temperatura (500°C) scade prin folosirea

panourilor radiante inclinate.

In concluzie, modificarea spatiului de lucru prin introducerea unor panouri radiante in incinta

duce la o economie de energetica semnificativa în procesul de încalzire, prin marirea vitezei de

încalzire a sarjei si micsorarea timpului de stationare a acesteia în cuptor.

1.3.2. Analiza si corelarea teoretica a datelor experimentale pentru cuptorul oval

Experimentarile s-au efectuat în zile diferite, mentinându-se astfel conditiile initiale de

încalzire, atât pentru utilaje, cât si pentru sarje.

Interpretarea rezultatelor are drept scop gasirea unor ecuatii matematice ce pot descrie cat mai

corect procesele fizice ce au loc in situatia considerata. Astfel, in figurile 27, 28, 29 sunt

prezentate curbele experimentale si curbele de fitare polinomiala pentru fiecare studiu in parte.

Figura 27.Diagrama de variatie a timpului de încalzire cu pozitia panourilor

Figura 28. Diagrama de variatie a.vitezei de incalzire a sarjei cu pozitia panourilor

Figura 29. Diagrama de variatie a energiei consumate cu pozitia panourilor

Astfel, in urma analizei si interpretarii matematice a datelor experimentale s-au obtinut ecuatiile

de regresie imprimate pe fiecare diagrama in parte.

Ecuatiile servesc la corelarea formei spatiului de lucru cu obiectivele tehnologice ale incalzirii

aliajelor de aluminiu.

Ecuatia energiei se considera a fi cea mai importanta, ea oferind informatii cantitative concrete

privind economia de energie ce se obtine cu ajutorul acestei solutii propuse privind modificarea

spatiului de lucru. In aceste conditii, s-a realizat o interpretare ulterioara numai a acestei ecuatii.

Astfel, ecuatia admite un minim in punctul:

x= 16.24 cm si E = 489.5 Wh (30)

Prin compararea valorii minime (30) cu energia consumata pentru incalzirea utilajului la 500°C

fara panouri, rezulta o economie energetica de 254,5 Wh, ce corespunde unui procent de 65,7 %.

Concluzii pentru cuptorul oval:

3. S-a obtinut o economie energetica de aproximativ 35 % prin folosirea panourilor radiante.

4. Viteza de incalzire a sarjei creste cu aproximativ 0,14 °C/h

5. timpul de incalzire al sarjei pana la o anumita temperatura (500°C) scade prin folosirea

panourilor radiante.

6. Prin fitarea datelor experimentale s-a obtinut un optim de pozitionare a panourilor la x=

16.24 cm si E = 489.5 Wh. In aceasta situatie, economia de energie este de aproximativ 35

%.

In concluzie, modificarea spatiului de lucru prin introducerea unor panouri radiante in incinta

duce la o economie de energetica semnificativa în procesul de încalzire, prin marirea vitezei de

încalzire a sarjei si micsorarea timpului de stationare a acesteia în cuptor.


Activitatea desfasurata si rezultatele obtinute sunt în concordanta cu obiectivele stiintifice

si managerial-administrative ale grantului. În paginile anterioare s-au detaliat rezultatele

stiintifice obtinute.

Din punct de vedere managerial, coordonarea echipei s-a realizat în conditii foarte bune,

activitatile realizându-se în grafic, fara întârzieri.

Analiza finala a gradului de îndeplinire a obiectivelor stiintifice ale proiectului s-a realizat

în echipa, rezultatele fiind descrise în acest raport.

Din punct de vedere administrativ:

- Au fost achizitionate echipamentele strict necesare bunei desfasurari a cercetarii

stiintifice.

- Sunt declansate procedurile legale de achizitie a bunurilor sau serviciilor prevazute în

devizul antecalcul al proiectului.

BIBLIOGRAFIA DE REFERINTA

1. M Mulas; S Chibbaro; G Delussu; I Di Piazza; M Talice, Efficient parallel computations of

flows of arbitrary fluids for all regimes of Reynolds, Mach and Grashof numbers ,

International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, Volume 12, Number 6,

2002, (pp. 637 - 657)

2. M Piller; E Nobile, Direct numerical simulation of turbulent heat transfer in a square

duct, , International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, Volume 12, Number

6, 2002,. (pp. 658 - 686)

3. Assunta Andreozzi; Oronzio Manca; Vincenzo Naso, Natural convection in vertical

channels with an auxiliary plate, , International Journal of Numerical Methods for Heat &

Fluid Flow, Volume 12, Number 6, 2002, (pp. 716 - 734)

4. K.J. Hsieh; F.S. Lien, Conjugate turbulent forced convection in a channel with an array

of ribs ,International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, Volume 15, Number

5, 2002, (pp. 462 - 482)

5. M Raisee; A Noursadeghi; H Iacovides , Application of a non-linear k- model in prediction

of convective heat transfer through ribbed passages , International Journal of Numerical

Methods for Heat & Fluid Flow, Volume 14, Number 3, 2002, (pp. 285 - 304)

6. E. N. Pis'mennyi, A. M. Terekh, V. A. Rogachev, V. D. Burlei, A. I. Rudenko, Calculation

of Convective Heat Transfer of Plane Surfaces with Wire-Net Finning Immersed in a

Cross-Flow, HeatTransRes.no.1-2/2005, pp. 39-46

7. Kamel Hooman, Effects of Temperature-Dependent Viscosity on Thermally Developing

Forced Convection through a Porous Medium , HeatTransRes.no.1-2/2005, pp132-140

8. V. A. Kalitko, A. L. Mosse, Plasma-Fired Processes of Treatment of Toxic and

Radioactive Waste in a Shaft Furnace with a Filter Bed of Combustible Material ,

HeatTransRes.no.5-6/2004, pp.6

9. P. A. Pavlov, Heat and Mass Transfer under the Conditions of Rapid Heating,


10. V. T. Borukhov, V. I. Timoshpol’skii, G. M. Zayats, et al., Structural Properties of

Dynamic Systems and Inverse Problems of Mathematical Physics , Journal of Engineering

Physics and Thermophysics,Volume 78, Number 2, 2005, ISSN: 1062-0125, pp. 201 - 215

11. V. A. Kudinov, V. V. Dikop, S. A. Nazarenko, et al, On One Method of Solving

Nonstationary Heat-Conduction Problems for Multilayer Structures, Journal of Engineering


12. Yu. S. Teplitskii, On the Cluster Structure of a Circulating Fluidized Bed, Journal of

Engineering Physics and Thermophysics,Volume 78, Number 2, 2005, ISSN: 1062-0125, pp.

316 - 322

13. Industrial Heating Journal, october 2002

14. Industrial Heating Journal, july 2003

15. Industrial Heating Journal, september 2003

16. Industrial Heating Journal, october 2003

17. Ronald P. Hunter, Automated Process Central Systems Concepts and Hardware

(Prentice-Hall, 1996)

18. Minea Alina Adriana, Contributii privind îmbunatatirea constructiv functionala a

cuptoarelor utilizate la tratamentul termic al aliajelor de aluminiu,teza de doctorat, 2000

19. Oronzio Manca, Marilena Musto and Vincenzo Naso, Experimental Investigation of

Natural Convection in an Asymmetrically Heated Vertical Channel with an Asymmetric

Chimney, Heat Transfer, aug.2005

20.Minea,A.A.,Transfer de caldura si instalatii termice, Editura Tehnica,Stiintifica si

Didactica Cermi Iasi, 2003

21. Minea, A.A., Dima A.,Transfer de masa si energie, Editura Tehnica,Stiintifica si Didactica

Cermi Iasi, 2005

22. Janna, W.S., Engineering Heat Transfer, Second Edition, CRC Press LLC, 2000

23.Dima, A. Cuptoare si instalatii de încalzire, Ed. Cermi Iasi,1996

24.Carabogdan, I.Gh. Bilanturi energetice, E.T. Bucuresti, 1986

25. Comsa, D. Instalatii electrotermice industriale, vol. 1, E.T. Bucuresti, 1986

26. Dieter, G.E.Jr. Metalurgie mecanica, E.T. Bucuresti, 1970

27. Avram, N., Predescu, C. Bazele teoretice ale agregatelor termotehnologice din industria

materialelor metalice, E. Printech, 2001

28. Minea, A. A., Minea, O., Chirila, E. Studies concerning the improvement of the

construction and functioning parameters of aluminum alloys heat treatment furnaces,

Buletinul I P Iasi, 1996, tomul XLII(XLVI), fasc. 3-4 vol.1, p. 15-19

29. Minea, A. A., Dima, A., Chirila, E. Computer Design of electric arc furnaces, 7th

International Metallurgy and Materials Congress, Turcia, 1993, vol.1, p. 107-118

30. Minea, A.A., Dima, A., Vizureanu,P., Grancea,V. Studies concerning the energetical

optimisation by computer of the charge in industrial furnaces , 3rd European Conference

Industrial Furnaces and Boilers, Portugalia, vol. Unic, 1995, p. 602 - 611

31. Prisacaru, I. Utilizarile energiei electrice, E.T. Bucuresti

32. Stefanescu, D. Termogazodinamica tehnica, ET Bucuresti, 1986

33. Touloukian, Y.S. Thermal Radiative Properties - Metallic Elements and Alloys, Thermal

Properties of Matter, 1970

34. Popescu, N., Saban, R., Bunea, D., Pencea, I. Stiinta Materialelor pentru ingineria

mecanica, vol. 1, Editura Fair Partners, Bucuresti, 1999

35. Popescu, N., Saban, R., Bunea, D., Pencea, I. Stiinta Materialelor pentru ingineria

mecanica, vol. 2, Editura Fair Partners, Bucuresti, 1999

36. BrunKlaus, J.H. Cuptoare industriale, Ed. Tehnica, Bucuresti, 1970

37. Deica, N. Utilizarea rationala a produselor refractare, Ed. Tehnica, Bucuresti, 1982

38. Krivandin, V., Molceanov, N., Solomentev, S.L., Cuptoare metalurgice, Ed. Tehnica,

Bucuresti, 1963

39. Minea, A.A.,Contributii privind îmbunatatirea constructiv-functionala a cuptoarelor

utilizate la tratamentul termic al aliajelor de aluminiu- teza de doctorat, Iasi, 2000

40. Minea, A.A. Studii privind gazodinamica cuptoarelor industriale, Buletinul I P Iasi,

1999, tomul XLV(IL), fasc. 1-2, p. 29-33

41. Minea, A.A., Minea, O. Studii privind determinarea geometriei camerei de lucru a unui

cuptor de tratament termic pentru temperaturi joase, Buletinul I P Iasi, 1999, tomul

XLV(IL), fasc. 1-2, p. 22-29

42. Minea, A.A., Minea, O. Studii privind îmbunatatirea constructiv-functionala a

cuptoarelor pentru temperaturi medii, Buletinul I P Iasi, 1999, tomul XLV(IL), fasc. 1-2, p.

33-39

43. Minea, A.A. Studies about heating process in an industrial furnace (I), Buletinul I P Iasi,

2001, tomul XLVII(LI), fasc. 1-2, p. 49-52

44. Minea, A.A., Minea, O., Studies about heating process in an industrial furnace (II),

Buletinul I P Iasi, 2002, tomul XLVIII(LII), fasc. 1-2, p. 29-32

45. Dima, A., Popescu, R., Vizureanu, P., Minea, A.A. Cuptoare si instalatii de încalzire, vol.

2 Elemente de proiectare asistata de calculator a cuptoarelor cu combustie , Ed. Sedcom

Libris, Iasi, 1997

46. Minea, A.A., Minea, O. Metode de protectie si tratamente termice, Ed. Cermi, Iasi, 1999

47. M Mulas; S Chibbaro; G Delussu; I Di Piazza; M Talice, Efficient parallel computations of

flows of arbitrary fluids for all regimes of Reynolds, Mach and Grashof numbers ,

International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, Volume 12, Number 6,

2002, (pp. 637 - 657)

48. M Piller; E Nobile, Direct numerical simulation of turbulent heat transfer in a square

duct, , International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, Volume 12, Number

6, 2002,. (pp. 658 - 686)

49. Assunta Andreozzi; Oronzio Manca; Vincenzo Naso, Natural convection in vertical

channels with an auxiliary plate, International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid

Flow, Volume 12, Number 6, 2002, (pp. 716 - 734)

50. K.J. Hsieh; F.S. Lien, Conjugate turbulent forced convection in a channel with an array

of ribs ,International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, Volume 15, Number

5, 2002, (pp. 462 - 482)

51. M Raisee; A Noursadeghi; H Iacovides , Application of a non-linear k- model in

prediction of convective heat transfer through ribbed passages , International Journal of

Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, Volume 14, Number 3, 2002, (pp. 285 - 304)

52. E. N. Pis'mennyi, A. M. Terekh, V. A. Rogachev, V. D. Burlei, A. I. Rudenko, Calculation

of Convective Heat Transfer of Plane Surfaces with Wire-Net Finning Immersed in a

Cross-Flow, HeatTransRes.no.1-2/2005, pp. 39-46

53. Kamel Hooman, Effects of Temperature-Dependent Viscosity on Thermally Developing

Forced Convection through a Porous Medium , HeatTransRes.no.1-2/2005, pp132-140

54. V. A. Kalitko, A. L. Mosse, Plasma-Fired Processes of Treatment of Toxic and

Radioactive Waste in a Shaft Furnace with a Filter Bed of Combustible Material ,


55. P. A. Pavlov, Heat and Mass Transfer under the Conditions of Rapid Heating,


56. V. T. Borukhov, V. I. Timoshpol’skii, G. M. Zayats, et al., Structural Properties of

Dynamic Systems and Inverse Problems of Mathematical Physics , Journal of Engineering


57. V. A. Kudinov, V. V. Dikop, S. A. Nazarenko, et al, On One Method of Solving

Nonstationary Heat-Conduction Problems for Multilayer Structures, Journal of Engineering


58. Yu. S. Teplitskii, On the Cluster Structure of a Circulating Fluidized Bed, Journal of

Engineering Physics and Thermophysics,Volume 78, Number 2, 2005, ISSN: 1062-0125, pp.

316 - 322

59. Ronald P. Hunter, Automated Process Central Systems Concepts and Hardware

(Prentice-Hall, 1996)

60. Janna, W.S., Engineering Heat Transfer, Second Edition, CRC Press LLC, 2000

61. Jaluria, Y., Design and Optimization of Thermal Systems, McGraw-Hill, 1998, New York.

62. Kalpakjian, S., Manufacturing Engineering and Technology, Addison- Wesley, 1989,

Reading, MA.

63. Szekely, J., Fluid Flow Phenomena in Metals Processing, Academic Press, 1979, New

York.

64. Fenner, R. T., Principles of Polymer Processing, Chemical Publishing, 1979, New York.

65. Poulikakos, D., ed., Transport Phenomena in Materials Processing, Adv. Heat Transfer,

1996, 18.

66. Viskanta, R., Heat Transfer During Melting and Solidification of Metals, ASME J. Heat

Transfer, 110, 1988, pp. 1205–1219.

67. Jaluria, Y., Natural Convection Heat and Mass Transfer, Pergamon Press, 1980, Oxford,

UK.

68. Gebhart, B., Jaluria, Y., Mahajan, R. L., and Sammakia, B., Buoyancy- Induced Flows and

Transport, Taylor and Francis, Philadelphia, PA. 1988

69. Jaluria, Y., and Torrance, K. E., Computational Heat Transfer, 2nd ed., Taylor and

Francis, 2003, New York, NY.

70. Harper, J. M., Extrusion of Foods: Volume I, CRD Press, 1981, Boca Raton, FL.

71. Kokini, J. L., Ho, C.-T., and Karwe, M. V., Eds., Food Extrusion Science and Technology,

1992, Marcel Dekker, New York.

72. Roy Choudhury, S., Jaluria, Y., and Lee, S. H.-K., Generation of Neck- Down Profile for

Furnace Drawing of Optical Fiber, Numer. Heat Transfer, 35, 1999, pp. 1–24.

73. Wang, Q., Yoo, H., and Jaluria, Y., Convection in a Horizontal Duct Under Constant and

Variable Property Formulations, Int. J. Heat Mass Transfer, 2003, 46, pp. 297–310.

74. Myers, M. R., A Model for Unsteady Analysis of Preform Drawing, AIChE J., 35, 1989,

pp. 592–602.

75. Jaluria, Y., Numerical Study of the Thermal Processes in a Furnace, Numer. Heat

Transfer, 7, 1984, pp. 211–224.

76. Minkowycz, W. J., and Sparrow, E. M., eds., Advances in Numerical Heat Transfer, 1,

Taylor & Francis, 1997, Philadelphia, PA.

77. Patankar, S. V., Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Taylor & Francis, 1980,

Philadelphia, PA.

78. Roache, P. J., Verification and Validation in Computational Science and Engineering,

Hermosa Publishers, 1998, Albuquerque, New Mexico.

79. De Vahl Davis, G., and Leonardi, E., eds., Advances in Computational Heat Transfer II,

Begell House Pub., 2001, New York, NY.

80. Minea AA, Dima A., 2008, Analytical approach to estimate the air velocity in the

boundary layer of a heated furnace wall, Environmental Engineering and Management

Journal, “Gh. Asachi” Technical University of Iasi, ISSN: 1582-9596, vol. 7, nr. 3, p. 329-335,

2008

81. Minea AA., Dima A, 2008, CFD simulation in an oval furnace with variable radiation

panels, REVISTA METALURGIA INTERNATIONAL vol. XIII(10): pag. 9-14, ISSN 1582-

2214.

82. Minea, A A, Dima, A., 2008, Saving energy through improving convection in a muffle

furnace, Thermal Science Journal, 2008, vol. 12 (3), ISSN 0354-9836, in print

83. Minea A. A., 2008, Theoretical studies on forced convection in a variety of

configurations , Rev Metalurgia International, vol. XIII, nr.1, Bucuresti, pp. 11- 17, ISSN 1582-

2214, indexata in ISI – web of knowledge

84. Minea A. A., 2008, Experimental technique for increasing heating rate in oval furnaces,

Rev Metalurgia International, vol. XIII, nr.4, Bucuresti, pp. 31- 35, ISSN 1582-2214, indexata in

ISI – web of knowledge

85. Minea A.A., 2008, A study on improving convection heat transfer in a medium

temperature furnace, International Review of Mechanical Engineering, IREME, Praise Worthy

Publishing, ISSN 1970 – 8734, pp.319-325, indexata in CSA si INSPEC

86. Minea A.A., 2008, Theoretical Approach to Estimate the Air Rate in a Heated Medium

Temperature Furnace, WSEAS, The 10th WSEAS International Conference on Mathematical

Methods, Computational Techniques And Intelligent Systems (MAMECTIS '08) Corfu, Greece,

October 26-28 2008, Paper ID number: 593-249.doc

tehnici experimentale si cfd pentru optimizarea … 1 2009.pdf · 1 efectuarea experimentului...

Documents