Laboratoř přenosu tepla a proudění (HeatLab) se specializuje na výzkum a aplikaci procesů chlazení při kontinuálním odlévání, válcování a tepelném zpracování.

Přesně stanovené tepelné okrajové podmínky jsou nezbytné pro správné modelování tepelných procesů v průmyslu. Chlazení má například významný vliv na mikrostrukturu materiálu, která je kritická pro finální mechanické vlastnosti. Přesná kontrola teplotního pole v materiálu umožňuje dosažení požadované kvality konečného produktu. Pokročilé studie a simulace chlazení vedou k dosažení lepší rovinnosti plechů během tepelného zpracování, úspory spotřeby vody během chlazení pracovních válců, či ke zlepšení homogenity chlazení během kontinuálního odlévání.

Oxidické vrstvy, vytvořené na povrchu oceli za vysokých teplot, mají negativní vliv na kvalitu konečného produktu, jako jsou drsnost a povrchové vady, mechanické vlastnosti (oxidy ovlivňují přenos tepla během tepelného zpracování), rovinnosti výrobku apod. Proto je nutné oxidické vrstvy odstranit k čemuž se nejčastěji používá hydraulické odstraňování oxidů.

HeatLab je vybaven unikátními experimentálními zařízeními, které umožňují komplexní studium rozložení tlaku dopadající vody a simulaci chladicích a odokujovacích procesů co nejblíže reálným podmínkám. Toto vybavení umožňuje chladit pohybující se vzorky různých tvarů a rozměrů (plech, trubka, válec, kolejnice apod.), které jsou osazeny termočlánky. Záznamové zařízení (10 kHz pro každý kanál) spolu s vyvinutými pokročilými inverzními výpočty umožňuje podrobné stanovení součinitele přestupu tepla. HeatLab je také schopen měřit termofyzikální vlastnosti materiálu a tepelný odpor mezi dvěma povrchy.

Další informace jsou k dispozici na: https://www.heatlab.cz/research/

Sekundární chlazení při kontinuálním odlévání oceli

Pro návrh sekundárního chlazení pro kontinuální odlévání oceli je třeba znát součinitel přestupu tepla na povrchu odlévané oceli, který je závislý na poloze a povrchové teplotě, pro různé podmínky. Dnes neexistuje žádné přesné analytické řešení, tudíž musí být problém zkoumán experimentálně. Proces je simulován v laboratoři relativním pohybem testovaného vzorku a stříkajících trysek. Experimentální vzorek je vyroben z austenitické oceli (typicky 600x320x25 mm) se zabudovanými termočlánky. Tryska (nebo sada trysek) se pohybuje pod ohřátou experimentální deskou (1200 °C) reverzibilně a chladí povrch pouze při pohybu vpřed. Datalogger zaznamenává naměřené teploty v hloubce 2 mm pod povrchem spolu s polohou trysky. Pro určení součinitele přestupu tepla závislého na poloze a povrchové teplotě je používán inverzní výpočet. Naměřený součinitel přestupu tepla je dále použit pro popis chladicího procesu a jeho optimalizaci prostřednictvím simulací chlazení.


Zařízení pro měření součinitele přestupu tepla za velmi vysokých teplot

Chlazení pracovních válců

Chlazení pracovních válců je důležitý proces v technologii válcování. HeatLab navrhuje chlazení válců tak, aby dosáhly dlouhé životnosti s ohledem na úsporu energie a uhlíkovou stopu. Pro studium chlazení válců je třeba určit povrchovou teplotu a součinitel přestupu tepla na válci. Spolehlivou metodou popisu přenosu tepla za průmyslových podmínek je provést měření buď během válcovací kampaně nebo v laboratoři. Nicméně měření prováděné v laboratoři pomocí vhodných experimentálních metod jsou mnohem levnější a méně časově náročné. V HeatLab byla vyvinuta specializovaná testovací zařízení pro simulaci chladicích procesů na rotujících površích. Jedním z takových je válec o průměru 650 mm a šířkou 600 mm. K dispozici je i válec o průměru 350 mm. Válec je vybaven experimentální deskou s 8 teplotními senzory připojenými k data loggeru. Data, získaná během experimentu, poskytují informace o historii teploty v daných bodech 0,4 mm pod povrchem válce. Každý záznam je spojen s informací o natočení válce, a tak lze převést časový záznam na záznam, který je funkci polohy. Naměřené teploty se používají k výpočtu součinitele přestupu tepla a povrchové teploty. Přenos tepla v mezeře válce je stanoven také experimentálně, kde je určen součinitel přestupu tepla mezi deskou a povrchem válce pro specifikované průmyslové podmínky. Okrajové podmínky součinitele přestupu tepla se používají ve vyvinutém softwaru SimRoll. Ten umožňuje výpočet teplot na povrchu a uvnitř pracovního válce a tepelné balicity během válcovací kampaně. Další software, SimCool, umožňuje výpočet teplot na povrchu a uvnitř plechu. Komerční software, jako je Ansys a Comsol Multiphysics, je také široce používán během návrhu a optimalizace. Typickým výsledkem simulace je rozložení teploty v pracovních válcích a analýza napětí, která slouží k prodloužení životnosti pracovních válců. Optimalizací chlazení pracovních válců je možné ušetřit až 50 % objemu vody stříkající na povrch válce v závislosti na stavu chlazení ve válcovně a tím výrazně snížit energetickou náročnost a snížit uhlíkovou stopu.

Měření součinitele přestupu tepla při chlazení pracovních válců

Chlazení produktu

HeatLab je schopen navrhovat chladicí systémy pro chlazení ve válcovnách plechů a pásů, trubek, kolejnic, kol, a obdobných produktů, a pro kontinuální žíhací linky. Návrh je optimalizován s využitím laboratorních experimentálních zařízeních s lineárním horizontálním či vertikálním pohybem. Ty umožňují experimentální studium sprchového chlazení pro různé typy trysek, tlaky vody nebo rozložení trysek s teplotami chladiva v rozmezí 20-90°C.

Zařízení s lineárním horizontálním pohybem je 8 metrů dlouhý s otočným ráme a s vozíkem. Austenitická experimentální deska (typické rozměry 320 x 300 x 25 mm) je vybavena teplotními senzory a je upevněna na vozíku. Deska se pohybuje skrz chladicí zónu s maximální rychlostí 10 ms-1 reverzibilně. Termočlánky jsou připojeny k dataloggeru, který zaznamenává teploty (v hloubce 0,8 mm pod povrchem) a odpovídající polohu desky v chladicí zóně.

Zařízení s lineárním vertikálním pohybem je určeno pro simulaci chlazení vertikálně se pohybujících plechů, které je typické pro kontinuální žíhací linky.

Teploty zaznamenané během experimentů jsou použity v inverzním výpočtu, jehož výsledkem je rozložení součinitele přestupu tepla na pozici a povrchové teplotě. Okrajová podmínka je pak použita k vytvoření numerického modelu teplotního pole v chlazeném materiálu. Numerický model předpovídá řiditelnost chladicího zařízení a pomáhá při přípravě a nastavení nově navržených nebo rekonstruovaných chladicích jednotek v reálném provozu.

Měření součinitele přestupu tepla

Vývoj vysokotlakého hydraulického odokujování

Hydraulické odokujování je proces v ocelářském průmyslu, zejména v procesech kontinuálního odlévání oceli a válcování za tepla. Cílem je odstranění oxidických vrstev z horkého ocelového povrchu s minimální intenzitou chlazení. Oxidy, vytvořené na povrchu oceli, mají významný negativní vliv na kvalitu finálního produktu, jako je drsnost povrchu a jeho kvalita, mechanické vlastnosti (oxidy ovlivňují přenos tepla během tepelného zpracování), rovinnost produktu apod. Proto musí být oxidické vrstvy odstraněny, aby byly zajištěny požadované ocelářské standarty.

Proces odokujování spočívá hlavně v dopadu vysokotlakých vodních proudů na ocelový povrch (tlak vody je 10 – 40 MPa). Dopadový tlak a tepelný šok z vodních shluků (kapek) narušují a odstraňují vrstvu oxidů. Alternativní metodou odokujování je otryskávání (angl. shot blasting), kde jsou na povrch vystřelovány malé ocelové kuličky.

Důležitými parametry při hydraulickém odstraňování oxidů jsou rozložení tlaku dopadající vody a teploty na povrchu produktu. HeatLab používá vlastní experimentální zařízení a software pro studium a optimalizaci procesů odstraňování okují. HeatLab je schopen měřit statické rozložení dopadového tlaku vody pro sady trysek. Lineární stand umožňuje studium procesů přenosu tepla na horkých pohyblivých površích, kde je typickým výsledkem závislost součinitele přestupu tepla na povrchové teplotě. Tato okrajová podmínka se používá pro tepelnou analýzu procesu chlazení způsobeného dopadající vodou a může být minimalizována.

Kvalita procesu odstranění oxidů je ověřována pomocí testů pro daný typ a rozložení trysek. Skutečný materiál je ohřát na požadovanou teplotu a zoxidován. Poté projede skrz odokujovací sekci. Kvalita odstranění oxidů je studována měřením zbytkové vrstvy oxidů a prováděním obrazové analýzy pomocí optické mikroskopie a rastrovacího elektronového mikroskopu.

Důležitou stránkou odstraňování oxidů je jeho energetická náročnost, kdy systém odokujování spotřebuje až 70 % celkové energie válcovny, v závislosti na stavu válcovací linky. To znamená, že zlepšení tohoto systému vede k významným úsporám a snížení uhlíkové stopy.

Hydraulické odstraňování okují za tepla

Ochlazení povrchu při použití vysokotlakých trysek