Faktory ovlivňující sprchové chlazení za vysokých teplot

Abstract

Sprchové chlazení horkých povrchů se v metalurgickém průmyslu využívá při kontinuálním odlévání, válcování za tepla či při tepelném zpracování. Při sprchovém chlazení v metalurgickém průmyslu je voda rozprašována na chlazený povrch tryskami, přičemž dochází k rozpadu proudu vody na kapky. Sprchové chlazení horkých povrchů lze charakterizovat jako nucenou konvekci za přítomnosti varu. Tento fyzikálně komplikovaný děj je ovlivňován mnoha faktory, jako jsou příměsi a nečistoty ve vodě, teplota vody, průtok vody, velikost kapek, dopadová rychlost kapek, teplota povrchu, drsnost povrchu či přítomnost oxidů (okují) na chlazeném povrchu. Dominantní faktor, který ovlivňuje přenos tepla při sprchovém chlazení je průtok vody na jednotku plochy chlazeného povrchu. Ostatní faktory mají menší avšak též významný vliv. Tato práce se zabývá vlivem teploty vody, drsnosti povrchu a přítomnosti oxidů na intenzitu sprchového chlazení. Tyto faktory jsou studovány za pomocí laboratorních experimentů, při nichž je horký ocelový povrch chlazen vodním sprejem. Vliv vrstvy oxidů na chlazeném povrchu je též studován za pomocí numerické simulace. Získané experimentální výsledky jsou vysvětleny na základě teorie a zobecněny za pomocí matematických metod.

Spray cooling of hot surfaces is used in the metallurgical industry during continuous casting, hot rolling or heat treatment. The water is sprayed on the cooled surface by the nozzle which transforms the water stream to droplets. The spray cooling of hot surfaces can be characterized as forced convection with the presence of the boiling. This physically complicated process is influenced by many factors, such as impurities and contaminants in the water, water temperature, water flow rate, droplet size, droplet impact velocity, surface temperature, surface roughness or the presence of oxides (scales) on the cooled surface. The dominant factor that affects the heat transfer during the spray cooling is the water impingement density. Other factors have a smaller but also significant effect. This doctoral thesis deals with the influence of the water temperature, surface roughness and the presence of oxides on the intensity of the spray cooling. These factors are investigated by laboratory experiments in which the hot steel surface is spray cooled. Effect of the oxide layer is also investigated by the numerical simulation. The experimental results are theoretically explained and generalized using mathematical methods.