بخشی از مقاله
چکیده
موضوعی که در این تحقیق به آن پرداخته خواهد شد طراحی کوره عملیات حرارتی تحت خلاء، با دماي کاري 2000درجه سانتیگراد با استفاده از روشهاي عددي میباشد. یک جنبه حیاتی در عملیات حرارتی، یکنواختی دما در سطح و مرکز محصول و نگهداري سطح آن در دماي بالا است که میتوان با تغییر پارامترهاي هندسی و شرایط مرزي به این مهم دست یافت. مکانیزم اصلی انتقال حرارت در خلاء، تابش بوده و روش حل معادلات تابش بر اساس روش تابش خالص در محیط شفاف است. سطوح تشعشعی پخشی- خاکستري فرض میشود. همچنین جنس عایق داراي هدایت حرارتی و ساطعکنندگی4 کمی میباشد. میتوان آنچه را که در طراحی مد نظر بوده، به صورت زیر خلاصه کرد: طراحی یک هندسه ي مناسب براي فرآیند عملیات حرارتی و انتقال حرارت موثر، حداقل کردن تلفات انتقال حرارت تابشی و جابجایی، رعایت نکات ایمنی در کوره
واژههاي کلیدي: طراحی، کوره ي خلاء، روشهاي عددي، تابش خالص
-1 مقدمه
روند کلی طراحی کوره براساس نیاز کاربر شروع میشود. از مهمترین این نیازها میتوان به دماي نهایی کوره، گاز موجود در محیط کوره و یکنواختی و همگن بودن دما در محفظه کوره اشاره کرد. جنس و اندازه گرم کن و عایق طبق این نیازها انتخاب میشود. سپس درباره انتخاب اندازه و نوع جداره بیرونی تصمیم گیري میشود. بعد از آن سیستم کنترل دما و سیستم خنککننده انتخاب میشود.از آنجا که طراحی فرآیندي تجربی است آن طور که باید و شاید تحقیقی همه جانبه و علمی بر روي طراحی و بهینهسازي کلی کوره خلاء انجام نشده است. بیشتر پژوهشهاي پیشین، بهینهسازي را به صورت موضعی و براي اجزاء مختلف کوره بررسی کردهاند. از آن جمله میتوان به تحقیق سروري ب1م اشاره کرد که از الگوریتم ژنتیک براي تعیین مکان بهینهي گرمکنها در یک کورهي دو بعدي تابشی استفاده کرده است.
در این کار مسئله تابش از روش ق1خ حل شده است. صفوي نژاد و همکاران ب2م از الگوریتم ژنتیک براي تعیین تعداد و محل قرار گیري گرمکنها در یک محفظهي دو بعدي متشکل از سطوح پخشی و آیینهاي استفاده کردند. آنها از روش قغل براي حل مسئله تابش استفاده کردند و نتایجشان نشان میدهد که خواص آیینهاي تاثیر زیادي بر روي تعداد و محل قرار گرفتن گرمکنها میگذارد.تحقیقات بسیاري نیز براي طراحی و بهینهسازي شکل محفظه تابشی گزارش شده است. از آن جمله، دان و همکاران ب3مو[4] طراحی هندسهي کوره تابش را بر اساس بهینهسازي چند نقطهي کنترلی و منحنی بیاسپیلاین با استفاده از روش گرادیانی انجام دادند.
بیات و همکارانب5م بهینهسازي هندسه یک کورهي تابشی براي دستیابی به شار حرارتی و دماي یکنواخت بر روي سطوح طراحی را انجام دادند. که در آن توسط الگوریتم ژنتیک اصلاح موقعیت نقاط کنترلی انجام شده و با استفاده از منحنی بیاسپیلاین شکل جدید محفظه، ساخته میشود.تحقیقات ژن ژي و همکاران نمونههایی از بهینه سازي کلی است. آنها یک بار ب6م، بر مبناي شیوه جدید آنالیز حرارتی دادهها توانستند اندازه محفظه حرارت دهی و دماي دیواره آن را بر اساس محدودیت هاي طراحی انتخاب، و در نهایت طراحی بهینه ي کوره ي دما بالا تحت خلاء را، امکانسنجی کنند. همچنین آنها در مقاله اي دیگرب7م، طراحی بهینه کوره خلاء دما بالاي تحت خلاء را این بار با استفاده از شیوه ي پاسخ سطح بررسی کردند.
نتایج آنها نشان میدهد که براي طراحی کارآمد و صرف هزینه کمتر و اجتناب از مراحل تکراري غیرضروري در حین ساخت، بهینهسازي و پیشبینی عملکرد قبل از ساخت لازم است.
البته ممکن است به نظر برسد که شبیهسازي مرحلهاي گران و غیرضروري است، اما این آخرین مرحله براي انجام تغییرات کمهزینهي طراحی قبل از طراحی اجزاء گرانقیمت و آغاز فرآیند تولید است. تجربه نشان داده است که این پروسه به طور قابل ملاحظهاي کارایی را افزایش میدهد. در بعضی موارد مشکلات عمدهاي وجود دارد که در مرحلهي طراحی میتواند اصلاح شود. در حقیقت همهي کورههایی که کارایی کمی دارند، این مرحلهي حیاتی را در فرآیند طراحی نادیده گرفتهاند.
با فرض اینکه مشکل قابل حل باشد، هزینهي از دست رفته در تولید و مهندسی اصلاح، معمولا با هزینهي طراحی مدل فاصلهي زیادي دارد. در صورتی که مشکل قابل حل نباشد، واحد محکوم به ادامهي فعالیت با خروجی کم، محصولات با کیفیت پایین، مصرف بالاي انرژي و یا در موارد بحرانی، رهاسازي خواهد بود.در کار حاضر معادلات تابش بر اساس روش تابش خالص در محیط شفاف حل شده و تاثیر اندازه و هندسهي ناحیهي گرمایشی و همچنین تعداد و مکان گرمکنها بر توزیع دماي روي محصول بررسی میشود. در مرحلهي بعد اثر جنس عایق در نظر گرفته میشود و مقدار ضخامت لازم براي جلوگیري از اتلاف حرارتی از کوره تعیین میشود.این درست است که ساخت مدل فرآیند کافی نیست و مهم است که این مدل با دادههاي عملیاتی واقعی اعتبارسنجی شوند.
اما این موضوع آسان نیست، چرا که نبود دادههاي عملیاتی لازم، دقت اعتبارسنجی را پایین میآورد. اما اگر مدل، تغییرات خروجی بر اساس تغییر در ورودي را پیشبینی کرده باشد، اعتماد قابل توجهی حاصل میشود. در این شرایط، درحالی که معمولا میتوان مدل فرآیند را توسعه داد، اما تا زمانی که واحد به طور کامل ساخته شود نمیتوان آن را اعتبارسنجی کرد، مگر اینکه واحد آزمایشی براي تست ساخته شود و پیشبینیها و شرایط عملیاتی تجربه شود. ساخت این واحد به طور قابل توجهی فرآیند طراحی را به تاخیر میاندازد، هرچند خطر و ریسک را به مقدار زیادي کاهش میدهد. علاوه بر این زمان لازم براي ساخت واحد در اندازهي اصلی، با توجه به تجربهي عملیاتی این واحد آزمایشی کاهش مییابد. این صرفهجویی در وقت و زمان، خیلی بیشتر از هزینه و زمان لازم براي اثبات و اعتبارسنجی در مرحلهي طراحی است.
-2 معادلات حاکم
در حالت کلی تبادل تابشی که در محفظهها رخ میدهد پیچیده است. اما با استفاده از روش تابش خالص میتوان تحلیل سادهاي از تبادل تابش در محفظهها انجام داد. محفظهاي با ف سطح داخلی مجزا در نظر بگیریدب9م. هدف تحلیل تبادل تابش میان سطوح محفظه براي کاربردهایی شامل دو.نوع شزایط مرزي است: - 1 - محاسبهي انرژي لازم براي یک سطح زمانی که دماي آن مشخص است. - 2 - محاسبهي دمایی که یک سطح به آن خواهد رسید زمانی که گرماي مشخصی به آن وارد میشود.
