Моделирование процесса теплоотдачи на границе шлак-шихта с помощью программного пакета ANSYS.

Актуальность:
Рудно-термические печи являются наиболее электроёмкой и крупной группой электротермического оборудования. Развитее рудной электротермии для производства различных металлов и сплавов идёт по пути увеличения мощности соответствующих электропечей.
Современный уровень рудно-термических печей требует методов расчета, основанных на показаниях независимых от мощности и размеров ванн, постоянных для конкретных технологий, учитывающих взаимосвязь между электрическими и тепловыми процессами, протекающих в печи.

Цель данной работы:
Изучить программный пакет ANSYS;
Поставленные задачи:
Провести тестовые расчёты, подтверждающие применимость программного пакета к расчёту поставленной задачи;
Исследовать влияние на мощность тепловыделения размеров шихтовых куч.

Содержание:
Введение
Теплообмен в РТП
1.Обзор программного пакета ANSYS.
1.1 Решение задачи. Основные стадии.
2.Тестовые расчёты.
3.Расчёт поставленной задачи.
3.1 Поставка задачи и методика её решения.
3.2 Результаты решения.
Заключение.
Список используемой литературы.

Введение:
Использование электроплавки в цветной и чёрной металлургии обусловлено целым рядом его преимуществ перед другими способами. Наиболее существенными из них являются:
возможность получения высоких температур в малом реакционном объёме печи, в результате чего появляется возможность переработки тугоплавких шихт;
низкое содержание цветных металлов в шлаках;
небольшой пылевынос;
легкость автоматизации работы печи;
экологическая приемлимость процесса рудной электроплавки.

Схема плавки электропечи
На рисунке представлены процессы, происходящие в печи, на примере одного из вариантов рудно-термической печи. Важнейшим параметром печи является электрическое сопротивление ванны. Оно зависит от его удельной электропроводимости, расстояния между электродами, их формы, глубины погружения электродов в расплав и формы ванны, в которой находится расплав.

Схема расположения ядра
Исследованиями процесса теплообмена и конвекции шлаковой ванны был выяснен механизм процесса плавления шихты в электропечах. Как было установлено, шихта в печах плавится, растворяясь в потоках движущегося жидкого шлака. Наиболее активно шихта плавится в слое ванны, измеряемом глубиной погружения электродов, из-за наиболее активной конвекции шлака в этом слое. Математическое описание конвективного теплообмена в электрических рудоплавильных печах была предпринята Жуковским Ю.С.. В своей работе он делает допущение о возможности разделения движения и теплообмена в ванне электропечи на две зоны: пограничный слой у твердых поверхностей и ядро, занимающее основной объем ванны

Обзор программного пакета ANSYS
При решении данных задач мы использовали программу ANSYS/Multiphysics. Это наиболее полная комплектация расчётного комплекса, включающая в себя всевозможные физические дисциплины(прочность и тепло),а также электромагнитный анализ, магнитостатику, электростатику, электропроводность, низкочастотный гармонический анализ, высокочастотный анализ и гидрогазодинамику.
Решение задачи. Основные стадии
Решение задачи при помощи программного пакета ANSYS состоит из 3х основных этапов: построение модели и задание граничных условий, получение решения, обзор результатов.

Тестовый расчёт
С целью проверки работоспособности программы ANSYS был выполнен расчет на тестовой задаче. Полученные результаты решения сравнивались с результатами численного решения.
Пример 1
В качестве тестовой модели использовался цилиндр радиусом 0.25м и длиной 1м. Выбор геометрии обусловлен тем, что электроды имеют цилиндрическую форму
Расчётная область разбивалась объёмами, линейный размер которых равен 0.05м. Расчётная сетка показана на рисунке.

На левом торце задавалась температура Т = 100°С и потенциал U = 10В,на правом торце – Т = 0° и U = 0В.
Распределение электрического потенциала представлено на рисунке.

Была проведена оценка правильности вычисления мощности тепловыделения. Значение, полученное программой ANSYS,сравнивалось со значением вычисленным по формуле.
Q = U²/R.
QANSYS-195,278Вт, QРАСЧЕТ=196,25 Вт
Также была проведена оценка силы тока проходящей через цилиндр. Значение, полученное с помощью программы ANSYS (вычисляет плотность тока), было сравнено со значением полученным по формуле:
I=U/R, j=I/S.
Оба значения плотности тока равны 100 А/м

Расчёт поставленной задачи.
Постановка задачи и методика её решения
Решение задачи об определении поля потенциала и мощности тепловыделения будет проводиться для приэлектродной области рудно-термической печи. Рассматриваемая область печи представляет собой трехмерную прямоугольную ванну с погруженными в нее электродом и шихтовыми кучами. Форма шихтового откоса в газовом пространстве печи представляет собой круглый конус. Форма электрода в газовом пространстве печи – цилиндр.

После того как задаются начальные условия, програмный пакет ANSYS производит необходимые расчеты и моделирует график распределения потенциалов.

Заключение
В процессе прохождения практики мы
ознакомились с устройством и принципами работы рудно-термических электрических печей;
изучили работу программного пакета ANSYS;
научились создавать геометрические модели;
провели тестовые расчеты, подтверждающие применимость программного пакета к расчету поставленной задачи.
Проведённые в ходе нашей работы расчеты распределения температур и потенциалов могут быть использованы в практических целях.

Список используемой литературы
Воронин П.А., Мамонтов Д.В., Алкацев М.И. Электрические, электромагнитные и тепловые процессы в рудно-термических печах как объектах с распределенными параметрами. – Владикавказ: «Терек», 1997. – 248 с., ISBN 5-88734-016-9.
Глинков М.А., Глинков Г.М. Общая теория печей. – М.: «Металлургия», 1978. – 264 с.
Диомидовский Д.А. Металлургические печи цветной металлургие. – М.: «Металлургиздат», 1961. – 728 с.
Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена. – М.: «Высшая школа», 1990. – 207 с., ISBN 5-06-000116-4.