Файл: Совершенствование теплового процесса листовой прокатки..pdf

Первые исследования теплообмена вращающегося цилиндра при­ надлежат М. А. Михееву [19] (1933, 1936 гг.), который предложил принимать за критерий теплообмена вращающегося цилиндра крите­ рий Рейнольдса, вычисленный по окружной скорости вращения (142).

Опытные данные М. А. Михеева, представленные в виде крите­ риальной зависимости, приведены на рис. 24, а. Анализ этих данных показывает, что при малых критериях Рейнольдса (небольшие ско­ рости вращения) число Нуссельта (коэффициент теплоотдачи) не за­ висит от ReBp. Здесь преобладает свободная конвекция. При некото­ рых «критических» значениях ReBp теплоотдача уменьшается. Это объясняется тем, что при соответствующих скоростях жидкости на стороне цилиндра, движущейся при вращении вниз, скорость частиц, увлекаемых трением, близка к скорости подъема под действием архи­ медовых сил. Поэтому условия теплообмена на указанной поверх­ ности цилиндра ухудшаются

Дальнейшее возрастание скорости вращения приводит к увели­ чению теплообмена. При достаточно больших значениях ReBp коэф­ фициент теплоотдачи перестает зависеть от критерия Грасгофа, так как роль свободной конвекции становится несущественной и решаю­ щее значение приобретает только вынужденная конвекция. Таким об­ разом, при вращении цилиндра в неподвижной жидкости определяю­ щими, кроме критерия Рейнольдса, являются критерии Грасгофа

в виде Gr = g ^ У D и Прандтля в виде выражения (148).

Опыты М. А. Михеева были повторены с расширением диапазонов граничных условий Андерсоном и Саундерсом [50], Дропкиным и Карми [51], Этемадом [52]. Наиболее полные из них результаты Этемада представлены на рис. 24, б, в. Из рассмотрения рис. 24, б можно сделать вывод, что данные Этемада практически повторяют результат М. А. Михеева.

На рис. 24, в числа Нуссельта представлены в виде зависимости от обобщенного критерия

где Prf/Prw — поправка Михеева, учитывающая направление тепло­ вых потоков (от стенки к жидкости или от жидкости

кстенке).

95

Поперечное обтекание вращающегося цилиндра [48, 49, 53]

При поперечном обтекании вращающегося цилиндра теплообмен определяется комбинированным эффектом: обтекания, вращения и свободной конвекции. Наиболее полное исследование вопроса при­ надлежит Кейсу [53]. Обрабатывая данные опытов, Кейс установил, что при малых скоростях вращения теплообмен определяется свобод­ ной конвекцией и скоростью обдува; при возрастании скорости вра­ щения увеличивается ее влияние на теплообмен. Данные Кейса пред­ ставлены графически на рис. 24, г, д.

конвективного теплообмена не могут быть непосредственно исполь­ зованы для расчета коэффициентов теплообмена между прокатными валками и охлаждающей жидкостью (газом), так как струйные спо­ собы ее подачи существенно отличаются от поперечного обтекания потоком неподвижного или вращающегося цилиндра.

При струйном охлаждении или нагреве интенсивность теплооб­ мена определяется комбинацией вынужденной конвекции от облива (обдува) и от вращения, а также свободной конвекцией.

Растекание струй по поверхности цилиндра создает зоны усилен­ ной конвекции. Распределение местных мгновенных значений коэф­ фициента теплообмена а м г по поверхности вращающегося цилиндра имеет некоторую диаграмму, которую для удобства расчетов целесо­ образно усреднить введением величины среднего коэффициента тепло­

В соответствии с изложенным интенсивность теплообмена от вы­ нужденной конвекции при обдуве определяют по формуле (146) критерием Reo6A, а вынужденную конвекцию вследствие вращения — ReBp по формуле (142).

Составляющая, связанная со свободной конвекцией, играет в теп­ лообмене валка второстепенную роль. Для нее определяющим яв­ ляется произведение критериев (GrPr).

С учетом всего изложенного критериальную зависимость, опре­ деляющую теплообмен при обдуве воздушными струями, следует

Принимая во внимание, что критерий Прандтля для воздуха практически не зависит от температуры и примерно равен 0,7, а его дробные степени мало отличаются от единицы, последнюю формулу можно представить в виде:

и теплообмен критерия Грасгофа в первой степени и критерия Рей­ нольдса в квадрате, зависимость (153) можно представить в виде, ана­ логичном выражениям (150) и (152):

По данным [52, 53], подтвержденным экспериментами авторов, коэффициенты с0 и с1 близки по величине. Ввиду малого влияния критерия Грасгофа на теплообмен примем с2/сп — 1. Тогда уравнение (154) примет вид:

При жидкостном (водяном, эмульсионном) охлаждении свободная конвекция играет еще меньшую роль, чем при воздушном. В резуль­ тате течения жидкой пленки вдоль поверхности валка последняя имеет температуру, близкую к температуре жидкости. Поэтому кри­ терий Грасгофа можно исключить из числа определяющих.

Теплообмен при вынужденной конвекции от растекания струй и от движения жидкости по поверхности валка определяется скоростью струи, расходом жидкости на единицу длины валка и другими фак­ торами, указанными в разделе 2 настоящей главы.

В соответствии с изложенным выше, в качестве критериев, опре­ деляющих теплообмен, принимаем критерий Рейнольдса облива в виде уравнений (140) и (141), Рейнольдса вращения и Прандтля соответственно по уравнениям (142) и (148).

Принимая во внимание, что температура поверхности валка почти не отличается от температуры охлаждающей жидкости, можно не вводить в критериальное уравнение отношение (Prf/Prw)°<'5.

Предположим, что теплообмен при растекании струи и в пленке на поверхности валка одинакового происхождения и может быть пред­ ставлен как функция от произведения критериев (140) и (141). В связи с тем что скорость струи и вязкость жидкости учитываются критерием (140), критерий (141) для упрощения расчета целесообразно заменить симплексом /гщ //г0 , где h0 — масштаб для измерения ширины щели,

98

равный, например, 1 мм. Наконец, как и при выводе уравнения (155), принимаем, что в критериальном уравнении показатели степени при критериях Рейнольдса вдвое выше, чем при критерии Прандтля. Тогда критериальное уравнение конвективного теплообмена валка с водой или эмульсией будет представлено в виде:

В результате обработки опытных данных должны быть получены постоянные с, сг и показатели степени т, п.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА ВАЛКОВ НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ СТЕНДЕ 1

Установка состоит из двух основных частей: модели валка и станции подачи охлаждающей жидкости или газа. Станция подачи жидкости работает следующим образом (рис. 25, а): вода или эмуль­ сия насосами 9 забирается из бака 10 и по напорному трубопроводу через компенсационный бачок 8 подается в мерный участок.

Для получения широкого диапазона расхода и давления жидкости всасывающие и нагнетательные трубопроводы насосов выполнены так, что оба насоса могут работать самостоятельно и совместно по параллельной или последовательной схеме. По ходу мерного участка установлены термометр, регулирующий вентиль, мерная шайба с дифманометром 7, электрический нагреватель 6, термометр, элек­ трический запорный клапан 5 и регулирующий клапан.

Далее жидкость по гибкому трубопроводу поступает в брызгальный коллектор 4, откуда подается на валок 2. За нагревателем 6 в мерный участок врезан обводной трубопровод с электрическим запорным и регулирующим вентилями, по которым жидкость посту­ пает в бак 10. В этот же бак по возвратному трубопроводу поступает вода из мерного бачка 12. По ходу возвратного трубопровода устано­ влены электрический запорный клапан,змеевиковый холодильник// и регулирующий вентиль. Схемой предусмотрена возможность сбра­ сывания всей жидкости или ее части из возвратного трубопровода в канализацию, для чего в нижней части компенсационного бачка 8 смонтирован дренажный трубопровод. Во избежание загрязнения жидкости коррозией бак и трубопроводы выполнены из стали 1Х18Н9Т.

Брызгальный коллектор 4 и съемник воды 3 закреплены на спе­ циальных кронштейнах, позволяющих устанавливать их в любом требуемом положении. Модель валка 2, токосъемник / и тахогенератор 13 смонтированы на металлическом столе и укреплены на бетон­

99