TEHNICI EXPERIMENTALE SI CFD PENTRU OPTIMIZAREA … 2 2009.pdf · transfer de caldura pentru...

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)

2.1. Identificarea posibilitatilor constructive functionale de eficientizare a proceselor de

transfer de caldura pentru cazurile de studiu stabilite anterior

Analiza critica a tehnicilor de intensificare a proceselor de transfer s-a realizat prin însasi

identificarea metodelor ce pot fi aplicate, indiferent de specificul procesului.

In acest context, studierea evolutiei proceselor de transfer de caldura si masa a devenit un lucru

esential pentru asigurarea functionarii optime a sistemelor industriale de incalzire, iar aceasta retea

creaza baza studierii multidisciplinare a acestor procese, pe baze europene. Prioritatea principala

este dezvoltarea unei metodologii consistente ce va sta la baza dezvoltarii metodelor practice

specifice si se concretizeaza prin trei activitati:

? Stabilirea unui cadru experimental riguros pentru studierea proceselor de transfer de caldura

si masa in conditii industriale si semiindustriale.

? Stabilirea unui cadru teoretic de studiere a proceselor de transfer de caldura si masa

? Dezvoltarea unor metode specifice de comparare a diferitelor metode si tehnici de studiu

identificate.

Sunt foarte bine cunoscute costurile foarte mari ale majoritatii proceselor de incalzire, asociate cu

consumuri energetice extreme, ce sunt determinate de exploatarea necorespunzatoare a

echipamentelor in dauna proiectului initial. Beneficiul economic vizat al studierii proceselor de

transfer este evident, dar nu sunt de neglijat nici avantajele imbunatatirii functionale ale instalatiilor

industriale de incalzire. Un important prim pas pentru aceasta retea este de a acumula cat mai multa

informatie si a stabili modalitatile de imbunatatire semnificativa a functionarii utilajelor industriale.

In aceasta directie, se nasc cateva intrebari deschise cum ar fi:

? Pe ce baze teoretice se poate porni optimizarea?

? Cum se poate asigura un nivel maxim de incredere, acuratete si repetabilitate a

experimentului?

? Care metoda de cercetare este cea mai potrivita fiecarei aplicatii in parte?

Un caz de studiu este o metoda empirica de investigare a unui proces, folosita pentru

identificarea stiintifica a unei tehnici particulare. In timpul studierii acestui caz ales, cercetatorii

monitorizeaza efectele aplicarii unei anumite tehnici de experimentare in scopul obtinerii unor

efecte cantitative si calitative. Cazurile de studiu ilustreaza nu numai aplicabilitatea unei tehnici de

experimentare, ci ne ajuta la compararea rezultatelor diferitelor experimente. Pe parcursul acestui

proiect, am ales cu atentie diferite cazuri de studiu pentru a compara si masura efectele aplicarii

diferitelor metode de intensificare a proceselor de transfer de caldura. Cazurile de studiu se vor

alege si in functie de necesitatile tehnologice pentru anumite procese ce reclama incalzirea in

conditii optime la temperaturi medii

Concret, experimentul preliminar a scos în evidenta posibilitatea reducerii consumului

energetic prin introducerea „intensificatorului de radiatie” conceptie proprie. In aceasta idee, am

decis modificarea formei acestuia si studierea influentei asupra procesului de încalzire. Ideea de

baza este schimbarea vitezei de circulatie a aerului în incinta, pe lânga intensificarea radiatiei.

În plus, în aceasta faza a proiectului am decis si realizarea unor simulari suplimentare,

pentru a verifica datele experimentului preliminar si oportunitatea continuarii cercetarilor în aceasta

directie.

Astfel, având la baza geometriile create în etapa anterioara, precum si simularea preliminara

a încalzirii pâna la 1200 secunde a cuptoarelor studiate, am decis modificarea geometriilor din

GAMBIT prin introducerea panourilor radiante în incinta de lucru.

Metodologia de lucru pentru simularea încalzirii cuptoarelor cu panouri a fost respectata cu

strictete pentru fiecare caz în parte si a urmat pasii:

1. Crearea panourilor radiante

2. Introducerea panourilor radiante în incinta

3. Modificarea înclinarii panourilor

4. Crearea noilor fisiere de tip mesh, pentru fiecare caz în parte

5. Importul fisierelor mesh în FLUENT, citirea, verificarea si scalarea cazurilor si scrierea

fisierelor cas

6. Importul conditiilor la limita prestabilite (folosite si în etapa anterioara)

7. Scrierea fisierelor dat

8. Simularea efectiva

9. Colectarea datelor finale privind parametrii termici

În continuare voi prezenta câteva detalii mai importante privind realizarea cazurilor de

simulare si rezultatele finale ale simularii computerizate.

Astfel, un element de noutate îl prezinta realizarea geometriei in GAMBIT cu ajutorul fisierelor

jurnal, tip jou. În cele ce urmeaza se vor prezenta câteva elemente specifice fiecarui cuptor.

a) cuptor clasic

În prima faza s-a realizat studiul pentru cuptorul clasic, ce are o geometrie mult mai simpla, cu mai

putine noduri. Nu voi intra în detalii privind constructia geometriei în GAMBIT, ci doar voi explica

cum am lucrat cu fisierele jurnal. Ca observatie generala: pentru a se putea lucra cu acest tip de

fisiere trebuie ca acest panou sa nu fie dependent de celelalte elemente geometrice si, totodata

trebuie sa nu desparta incinta în doua fete.

Etapele de lucru sunt:

- se deschide fisierul jou initial in wordpad

- se modifica numele fisierului, dar se pastreaza extensia jou

- se modifica unghiul de inclinare al panourilor: dangle

- se modifica numele fisierului tip mesh

- se deschide GAMBIT si se ruleaza noul fisier jou, rezultând noul mesh, ce urmeaza a se importa în

fluent.

În continuare este un fragment din fisierul jurnal, cu exemplificarea schimbarilor.

/ Journal File for GAMBIT 2.4.6, Database 2.4.4, ntx86 SP2007051421 / Identifier "test" face create width 105 height 170 offset 52.5 85 0 xyplane rectangle face create translate "edge.4" vector -15 0 0 face create translate "edge.1" "edge.5" vector 0 -35 0 .. … … physics create "perete exterior" btype "WALL" edge "edge.15" "edge.18" \ "edge.27" "edge.26" "edge.23" "edge.20" "edge.19" "edge.8" "edge.11" physics create btype "SYMMETRY" edge "edge.14" "edge.2" "edge.10" physics create "fluid" ctype "FLUID" face "face.1" physics create "rezistori" ctype "SOLID" face "face.2" physics create "izolatie" ctype "SOLID" face "face.8" "face.3" "face.4" \ "face.7" "face.9" "face.5" "face.6" edge cmove "edge.4" multiple 1 offset 10 0 0 edge create translate "vertex.19" vector 0 30 0 edge merge "edge.30" "edge.28" forced edge cmove "edge.30" multiple 1 dangle 14 vector 0 0 -1 origin 0 0 0 edge delete "edge.30" "edge.29" lowertopology edge split "edge.31" tolerance 1e-06 edge "edge.3" connected .. .. .. face mesh "face.5" "face.3" map size 3.4613532 face mesh "face.5" "face.3" pave size 3.4613532 face mesh "face.5" "face.3" trimap size 3.4613532 face mesh "face.5" "face.3" trimap size 3.4613532 face mesh "face.5" "face.3" triangle size 3.4613532 export fluent5 "14deg.msh" nozval save name "14deg.dbs"

Mai mult, în figurile urmatoare sunt geometriile noi obtinute: cea de baza(cuptorul clasic fara

panouri) si cea obtinuta prin introducerea panourilor radiante.

Figura 30. Cuptorul clasic fara panouri radiante

Figura 31. Cuptorul clasic cu panouri radiante

Figura 32. Cuptorul clasic cu panouri radiante inclinate

Din analiza acestor doua figuri se observa necesitatea maririi celulelor de calcul, prin inbtroducerea

panourilor radiante. Aceasta modificare, desi îngreuneaza procesul de calcul, s-a realizat pentru

descrierea cât mai corecta a transferului de caldura în camera de lucru.

b) cuptorul oval

Pentru cuptorul oval, s-a aplicat aceeasi tehnica de obtinere în conditii corecte a noilor geometrii.

Din acest motiv, nu voi mai prezenta etapele, ci voi trece direct la exemplificarea fisierului jurnal cu

modificarile necesare precum si la evidentierea geometriilor noi.

Figura 33. Cuptorul oval cu panouri radiante

Figura 34. Cuptorul oval cu panouri radiante înclinate

/ Journal File for GAMBIT 2.4.6, Database 2.4.4, ntx86 SP2007051421

/ Identifier "oval2D-15deg"

face create width 110 height 190 offset 55 95 0 xyplane rectangle

vertex create onedge "edge.4" percentarclength 0.5

vertex cmove "vertex.5" multiple 1 offset -30 0 0

edge create threepoints "vertex.4" "vertex.6" "vertex.1" arc

...

...

...

edge create translate "vertex.11" vector 0 170 0

edge create translate "vertex.11" vector 0 0 10

edge cmove "edge.8" multiple 1 dangle 15 vector 0 0 -10 origin 20.833333 0 10

edge delete "edge.8" "edge.1" lowertopology

edge delete "edge.9" lowertopology

..

..

..

..

physics create "fluid" ctype "FLUID" face "face.4" "face.1"

physics create "rezistor" ctype "SOLID" face "face.2"

physics create "izolatie" ctype "SOLID" face "face.3“

export fluent5 "2D-15deg.msh" nozval

c) simularea în FLUENT si rezultatele obtinute

Simularea în FLUENT s-a realizat prin importul conditiilor la limita stabilite si verificate în etapa

anterioara a contractului. Astfel s-a folosit acel fisier tip bc, care a fost explicat în detaliu în fazele

anterioare.

Simularea s-a realizat prin încalzirea cuptoarelor la putere maxima, timp de 1200 secunde. La

sfârsitul încalzirii s-a realizat postprocesarea datelor rezultate. În urma post procesarii s-au obtinut

rezulatele din tabelele urmatoare.

Tabelul 18. Rezultate simulare cuptor clasic

Pozitia panourilor, mm

Temperatura finala, K

200 629.71 180 632.97 160 674.04 140 639.84 120 688.03 100 649.53 80 638.38

Tabelul 19. Rezultate simulare cuptor oval

Pozitia

panourilor, mm

Temperatura

finala, K

200 756.74 180 758.77 160 760.31 140 758.22 120 751.04 100 751.07 80 751.77

Doar ca aspect ilustrativ, voi prezenta câteva din pozele obtinute prin post procesare în FLUENT.

Figura 35. Contur de presiune statica pentru cuptorul standard

Figura 36. Câmpul termic pentru cuptorul standard

Figura 37. Viteza pe axa Y pentru cuptorul standard

Figura 38. Contur de presiune pentru cutorul clasic cu panouri drepte(200mm)

Figura 39. Contur de viteza pentru cuptorul clasic cu panouri drepte

Figura 40. Radiatia pentru cuptorul cu panouri înclinate la 10 deg

Figura 41. Contur de viteza pentru cuptorul cu panouri la 10 deg

a)

b)

Figura 42. Viteza pe y pentru cuptorul cu panouri la 10 deg

a)pathlines; b)contours

d) compararea experimentului preliminar cu rezultatele suplimentare din simulare

In final, s-a realizat compararea experimentului preliminar cu datele rezultate din simulare.

Tabel 20. Cuptor clasic

Incalzire 1200s, cu panouri

pozitie

panou

simulare,

K

exp.prel,

°C

exp.prel,

K

diferenta

simulare-

exp

200 629.71 402.4 675.55 45.84

180 632.97 448.33 721.48 88.51

160 674.04 475.91 749.06 75.02

140 639.84 430.66 703.81 63.97

120 688.03 494.41 767.56 79.53

100 649.53 469.8 742.95 93.42

80 638.38 463.55 736.7 98.32

Figura 43. Comparatie rezultate cuptor clasic cu panouri

Din analiza datelor prezentate se observa aceesi alura a curbelor atât pentru cea

experimentala cât si pentru cea obtinuta prin simulare. Exista o diferenta ce se încadreaza

într-o eroare de pâna la 6.7%, ceea ce se considera acceptabila.

Tabel 21. Cuptor oval

Incalzire 1200s, cu panouri

pozitie

panou

simulare,

K

exp.prel,

°C

exp.prel,

K

diferenta

simulare-

exp

200 756.74 491.95 765.1 8.36 180 758.77 486.16 759.31 0.54 160 760.31 491.64 764.79 4.48 140 758.22 487.8 760.95 2.73 120 751.04 492.71 765.86 14.82 100 751.07 483.83 756.98 5.91 80 751.77 482.86 756.01 4.24

Figura 44. Comparatie rezultate cuptor oval cu panouri

Din analiza datelor prezentate se observa aceesi alura a curbelor atât pentru cea

experimentala cât si pentru cea obtinuta prin simulare. Exista o diferenta ce se încadreaza

într-o eroare de pâna la 1%, ceea ce se considera acceptabila.

În concluzie, în urma analizei datelor experimentale obtinute si a celor rezultate din

simulare s-a decis continuarea studiului si s-au identificat urmatoarele posibilitati de

interventie:

- practicarea unor gauri pe suprafata panourilor radiante, pentru studierea

modificarii regimului de curgere a aerului încalzit;

- modificarea grosimii panoului pentru studierea influentei acesteia asupra radiatiei.

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

efectuarea experimentului final in conditiile stabilite anterior

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

modificare constructiva a instalatiilor ce au fost studiate în etapa anterioara a contractului.

Experimentarile 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 45. 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 45).

Figura 45. Constructie metalica – panouri radiante perforate

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 0.58 respectiv 1.14 mm.

Experimentul final a fost realizat în aceleasi conditii (initiale si de încarcare) ca si

experimentul preliminar. Diferenta consta în introducerea intensificatorului perforat de

radiatie, conceptie proprie.

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

atât pentru utilaje, cât si pentru sarje.

a) cuptorul clasic, cu panouri perforate subtiri

Rezultatele experimentale se vor prezenta numai sub forma grafica. Se vor prezenta numai cazurile

pentru încalzirea cu panouri perforate. Astfel figura 46 reprezinta diagrama de incalzire a cuptorului

pentru cazul d=200mm. Figura 47 reprezinta încalzirea pentru d=180 mm. În figurile 48, 49, 50, 51,

52 si 53 sunt prezentate rezultatele încalzirii pentru situatiile d= 160, 140, 120, 100, 80 si 60 mm.

Figura 46. Diagrama de incalzire a cuptorului pentru cazul d=200mm

Figura 47. Diagrama de încalzire a cuptorului pentru cazul d=180mm



Experimentul a fost riguros condus în 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, în tabele fiind trecuta media aritmetica a valorilor înregistrate.

În tabelul 22 sunt rezultatele experimentale centralizate, pentru toate situatiile considerate.

Tabelul 22. Variatia timpului total de încalzire, pentru cele doua puncte de masura, în cele doua

situatii considerate

timp total de încalzire sarja pana la 500°C, s

Pozitia panoului, mm

panouri clasice panouri perforate

subtiri

200 1290 1293 180 1339 1177 160 1320 1363 140 1340 1372 120 1210 1308

100 1280 1335 80 1289 1323 60 1190 1312

În plus, s-au realizat si câteva studii privind alti parametri importanti în functionarea cuptoarelor

industriale. Asadar, în tabelul 23 este prezentata variatia vitezei de încalzire a piesei, în functie de

pozitia panourilor.

Tabelul 23. Variatia vitezei de încalzire a piesei, pentru cele doua situatii considerate

Viteza de încalzire sarja, °C/s



subtiri

200 0.387597 0.386698 180 0.373413 0.424809 160 0.378788 0.366838 140 0.373134 0.364431 120 0.413223 0.382263 100 0.390625 0.374532 80 0.387898 0.377929 60 0.420168 0.381098

Tabelul 24 contine rezultatele experimentale privind consumul energetic al utilajului studiat.

Tabelul 24. Variatia energiei totale consumate la încalzire, pentru cele doua cazuri considerate

Energia totala de încalzire sarja, Wh

Pozitia panoului, mm panouri clasice

panouri perforate

subtiri

200 645 646.5 180 669.5 588.5 160 660 681.5 140 670 686 120 605 654 100 640 667.5 80 644.5 661.5

60 595 656

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. Puterea utilajului, conform cartii tehnice este de

1800W.

b) cuptorul clasic, cu panouri perforate groase


pentru încalzirea cu panouri perforate groase. Astfel figura 54 reprezinta diagrama de incalzire a

cuptorului pentru cazul d=200mm. Figura 55 reprezinta încalzirea pentru d=180 mm. În figurile 56,

57, 58, 59, 60 si 61 sunt prezentate rezultatele încalzirii pentru situatiile d= 160, 140, 120, 100, 80 si

60 mm.














groase

200 1290 1354 180 1339 1365 160 1320 1376 140 1340 1428 120 1210 1422 100 1280 1381 80 1289 1305

60 1190



pozitia panourilor.





groase

200 0.387597 0.369276 180 0.373413 0.3663 160 0.378788 0.363372 140 0.373134 0.35014

120 0.413223 0.351617 100 0.390625 0.362056 80 0.387898 0.383142

60 0.420168





panouri perforate

groase

200 645 677 180 669.5 682.5 160 660 688 140 670 714 120 605 711 100 640 690.5 80 644.5 652.5

60 595



1800W.

c) cuptorul oval, cu panouri perforate subtiri


pentru încalzirea cu panouri perforate subtiri. Astfel figura 62 reprezinta diagrama de incalzire a

cuptorului pentru cazul d=200mm. Figura 63 reprezinta încalzirea pentru d=180 mm. În figurile 64,

65, 66, 67, 68 si 69 sunt prezentate rezultatele încalzirii pentru situatiile d= 160, 140, 120, 100, 80 si

60 mm.















subtiri

200 1233 1508 180 1390 1490

160 1208 1507 140 1250 1583 120 1355 1589 100 1260 1580 80 1395 1557

60 1407



pozitia panourilor.





subtiri

200 0.405515 0.331565 180 0.359712 0.33557 160 0.413907 0.331785 140 0.4 0.315856 120 0.369004 0.314663 100 0.396825 0.316456 80 0.358423 0.32113

60 0.355366





panouri perforate

subtiri

200 509.64 623.3067 180 574.5333 615.8667 160 499.3067 622.8933 140 516.6667 654.3067

120 560.0667 656.7867 100 520.8 653.0667 80 576.6 643.56

60 581.56



1488 W.

d) cuptorul oval, cu panouri perforate groase


pentru încalzirea cu panouri perforate. Astfel figura 70 reprezinta diagrama de incalzire a cuptorului

pentru cazul d=200mm. Figura 71 reprezinta încalzirea pentru d=180 mm. În figurile 72, 73, 74, 75,

76 si 77 sunt prezentate rezultatele încalzirii pentru situatiile d= 160, 140, 120, 100, 80 si 60 mm.

Figura70. Diagrama de incalzire a cuptorului pentru cazul d=200mm














groase

200 1233 1478 180 1390 1452 160 1208 1446 140 1250 1429 120 1355 1481

100 1260 1395 80 1395 1573 60 1407 1695



pozitia panourilor.





groase

200 0.405515 0.338295 180 0.359712 0.344353 160 0.413907 0.345781 140 0.4 0.349895 120 0.369004 0.33761 100 0.396825 0.358423 80 0.358423 0.317864 60 0.355366 0.294985





panouri perforate

groase

200 509.64 610.9067 180 574.5333 600.16 160 499.3067 597.68 140 516.6667 590.6533 120 560.0667 612.1467 100 520.8 576.6 80 576.6 650.1733

60 581.56 700.6



1488 W.

2.3. Analiza si corelarea teoretica a datelor experimentale

a) Prelucrarea datelor experimentale pentru cuptorul clasic cu panouri subtiri perforate


atât pentru utilaj, cât si pentru sarje.

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

corect procesele fizice ce au loc în situatia considerata. Astfel, în figurile 78, 79, 80 sunt prezentate

curbele experimentale pentru fiecare studiu in parte.

Figura 78. Diagrama de variatie a timpului de încalzire cu pozitia panourilor perforate

Figura 79. Viteza de încalzire pentru cuptorul clasic

Figura 80. Diagrama de variatie a energiei consumate cu pozitia panourilor perforate

b. Prelucrarea datelor experimentale pentru cuptorul clasic cu panouri groase perforate






Figura 81. Diagrama de variatie a timpului de încalzire cu pozitia panourilor perforate groase

Figura 82. Diagrama de variatie a vitezei de încalzire pentru cuptorul clasic cu pozitia panourilor

perforate groase

Figura 83. Diagrama de variatie a energiei consumate cu pozitia panourilor perforate groase

Mai mult, în cele ce urmeaza sunt prezentate datele experimentale centralizate. Comparatia s-a facut

tinând cont de rezultatele experimentale anterioare.

c. Prelucrarea datelor experimentale pentru cuptorul oval cu panouri subtiri perforate






Figura 84. Diagrama de variatie a timpului de încalzire cu pozitia panourilor perforate

Figura 85. Viteza de încalzire pentru cuptorul oval

Figura 86. Diagrama de variatie a energiei consumate cu pozitia panourilor perforate

d. Prelucrarea datelor experimentale pentru cuptorul oval cu panouri groase perforate






Figura 87. Diagrama de variatie a timpului de încalzire cu pozitia panourilor perforate groase

Figura 88. Diagrama de variatie a vitezei de încalzire pentru cuptorul oval cu pozitia panourilor

perforate groase

Figura 89. Diagrama de variatie a energiei consumate cu pozitia panourilor perforate groase

Mai mult, în cele ce urmeaza sunt prezentate datele experimentale centralizate. Comparatia s-a facut

tinând cont de rezultatele experimentale anterioare.

CONCLUZII PARTIALE

Metodologia de cercetare aleasa permite efectuarea experimentarilor în vederea studierii

consumului energetic al utilajelor de încalzire alese, prin:

- adoptarea corecta a tehnologiei de tratament termic pentru sarja de studiu;

- alegerea unui cuptor performant, cu ajutorul caruia se poate controla procesul de

încalzire pentru operatiile efectuate;

- modificarea eficienta a spatiului de lucru;

- conducerea experimentului si posibilitatea de interpretare analitica a rezultatelor.

-

În concluzie, folosind programul de experimentare descris se pot obtine informatii corecte

privind:

1. variatia consumului energetic al utilajului în functie de pozitia si forma panourilor radiante

2. variatia vitezei de încalzire a sarjei în functie de pozitia si forma panourilor radiante

3. pozitia punctelor de minim si maxim privind consumul energetic si viteza de încalzire

4. modul de variatie a parametrilor considerati si informatii statistice privind datele experimentale.


Activitatea desfasurata si rezultatele obtinute sunt în concordanta cu obiectivele stiintifice si

managerial-administrative ale etapei actuale a grantului.

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

realizându-se în grafic, fara întârzieri.

Din punct de vedere administrativ, au fost achizitionate echipamentele strict necesare bunei

desfasurari a cercetarii stiintifice, prevazute în devizul antecalcul al proiectului.


managerial-administrative ale grantului. În RAPORTUL DE CERCETARE s-au detaliat rezultatele

stiintifice obtinute.

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

echipa, rezultatele fiind descrise în acest raport.

În cadrul acestei etape a fost realizata si pagina web a proiectului, ce urmeaza a fi actualizata

periodic, în functie de rezultatele cercetarilor.

Pe pagina web a contractului, ce este gazduita de Universitatea Tehnica Iasi, pe server-ul

www.tuiasi.ro la capitolul cercetare, vor fi introduse si rezultatele stiintifice obtinute în aceasta

prima etapa a contractului.

Echipa de cercetare a contribuit la obtinerea rezultatelor stiintifice ale proiectului, fiecare membru

al echipei fiind retribuit în functie de munca depusa.

Astfel, doctoranzii au contribuit la documentarea privind realizarea bazei de date, iar cercetatorii cu

experienta au realizat selectarea datelor si întocmirea bazei de date în româna si traducerea acesteia

în limba engleza. Toate documentele privind primul obiectiv al contractului au fost realizate in

limbile româna si engleza.

În ce priveste întocmirea studiilor si stabilirea directiilor de cercetare, acestea au fost în atributiile

directorului de grant.

2.5. Diseminarea rezultatelor partiale


managerial-administrative ale etapei actuale a grantului.

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

realizându-se în grafic, fara întârzieri.

Din punct de vedere administrativ, au fost achizitionate echipamentele strict necesare bunei

desfasurari a cercetarii stiintifice, prevazute în devizul antecalcul al proiectului.

RAPORT DE ACTIVITATE INTERNA


managerial-administrative ale grantului. În RAPORTUL DE CERCETARE s-au detaliat rezultatele

stiintifice obtinute.

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

echipa, rezultatele fiind descrise în acest raport.

În cadrul acestei etape a fost realizata si pagina web a proiectului, ce urmeaza a fi actualizata

periodic, în functie de rezultatele cercetarilor.

Ca o prezentare a acesteia, am printat pagina de garda, cu variantele în engleza si româna, asa cum

au fost precizarile contractuale.

Pe pagina web a contractului, ce este gazduita de Universitatea Tehnica Iasi, pe server-ul

www.tuiasi.ro la capitolul cercetare, vor fi introduse si rezultatele stiintifice obtinute în aceasta

prima etapa a contractului.

Echipa de cercetare a contribuit la obtinerea rezultatelor stiintifice ale proiectului, fiecare membru

al echipei fiind retribuit în functie de munca depusa.

Astfel, doctoranzii au contribuit la documentarea privind realizarea bazei de date, iar cercetatorii cu

experienta au realizat selectarea datelor si întocmirea bazei de date în româna si traducerea acesteia

în limba engleza.

Toate documentele privind primul obiectiv al contractului au fost realizate in limbile româna si

engleza.

În ce priveste întocmirea studiilor si stabilirea directiilor de cercetare, acestea au fost în atributiile

directorului de grant.

Diseminarea rezultatelor partiale

Gradul de diseminare al rezultatelor este mult mai mare fata de ceea ce s-a estimat initial.

Rezultatele obtinute au fost publicate in reviste de renume international.

In total au fost publicate un numar de 5 articole si anume:

- in reviste ISI:

1. A A Minea, 2009, Active techniques for improving heat transfer, Metalurgia International vol

XIV, no.7 special issue, ISSN 1582-2214, pp. 62-65

2. A A MINEA, O MANCA, Techniques for intensifying heat transfer: from basics to nanofluids,

Metalurgia International vol XIV, no.12, ISSN 1582-2214, pp. 54-61

3. A A Minea, 2009, Studies on a cost-efficient technique for increasing furnaces energy efficiency.

environmental aspects, Metalurgia International vol XIV, no.9 special issue, ISSN 1582-2214, in

print

4. A. A. Minea, 2009, Experimental technique for saving energy in oval furnaces, Environmental

Engineering and Management Journal, “Gh. Asachi” Technical University of Iasi, ISSN: 1582-

9596, vol. 8, nr. 3, p. 463-468, 2009, indexata ISI

in reviste BDI:

1. A. A. Minea, 2009, CFD Study On Heat Transfer In A Muffle Furnace, International Review of

Mechanical Engineering , IREME, Praise Worthy Publishing, ISSN 1970 – 8734, pp.319-325,

2009, indexata in Scopus si INSPEC

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,

HeatTransRes.no.1-2/2005, pp.5

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

Physics and Thermophysics,Volume 78, Number 2, 2005, ISSN: 1062-0125, pp. 225 - 230

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 , HeatTransRes.no.5-

6/2004, pp.6

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

HeatTransRes.no.1-2/2005, pp.5

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 Physics and

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

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

Physics and Thermophysics,Volume 78, Number 2, 2005, ISSN: 1062-0125, pp. 225 - 230

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 … 2 2009.pdf · transfer de caldura pentru...

Documents

Transcript of TEHNICI EXPERIMENTALE SI CFD PENTRU OPTIMIZAREA … 2 2009.pdf · transfer de caldura pentru...