ارائه مدل حرارتی کوره الکتریکی خلاء مکعبی برای محاسبات بلادرنگ: مدل معادلات دیفرانسیل معمولی غیرخطی و اعتبارسنجی تجربی

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مکانیک و مکاترونیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

2 استادیار، دانشکده مکانیک و مکاترونیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

3 دانشیار، دانشکده مکانیک و مکاترونیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

10.22044/jsfm.2022.11174.3464

چکیده

مدل ریاضی در طراحی و بهینه‌سازی سیستم‌های انتقال حرارت نقش بسزایی دارد. به دلیل وجود مود انتقال حرارت تشعشع در محیط خلاء، رفتار چنین سیستم‌هایی بسیار غیرخطی است. در این مقاله، یک مدل معادلات دیفرانسیل معمولی غیرخطی جدید برای یک محفظه حرارتی مکعبی خلاء جهت استفاده در محاسبات بلادرنگ، استخراج شده است و اعتبار مدل با استفاده از یک مجموعه تجربی مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور، یک ورودی مشخص به مدل ریاضی و مجموعه تجربی داده شده که با بخشی از این اطلاعات، پارامترهای سیستم با استفاده از الگوریتم بهینه‌سازی ژنتیک استخراج شده است. سپس، رفتار مدل ریاضی و سیستم تجربی با پارامترهای استخراج شده، در سیکل‌هایی که در بهینه‌سازی از آن‌ها استفاده نشده است، مقایسه شده است. مقایسه‌های انجام شده، صحت مدل ریاضی ارائه شده را نشان می‌دهد. سپس، برای بررسی دقیق‌تر مدل و مشاهده میزان تاثیر پارامترهای مدل بر رفتار سیستم، از روش مونت‌کارلو برای آنالیز حساسیت کلی مدل استفاده شده است. برای این منظور از نمونه‌برداری لاتین‌هایپرکیوب و ضرایب همبستگی رتبه جزئی برای رتبه‌بندی پارامترها استفاده شده است. نتایج نشان می‌دهد که ضریب رسانش حرارتی عایق‌ها مهم‌ترین پارامتر تاثیرگذار بر رفتار سیستم است.

کلیدواژه‌ها


[1] Tudon-martinez JC, Cantu-perez A, Lozoya-santos JDJ, Cardenas-romero A (2019) Mathematical model-based design of an industrial box furnace. Appl Therm Eng 161(March): 114153.
[2] Hao X, Gu J, Chen N, Zhang W, Zuo X (2008) 3-D Numerical analysis on heating process of loads within vacuum heat treatment furnace. Appl Therm Eng 28: 1925-1931.
[3]  De Castro JA, Nogami H, Yagi J (2002) Three-dimensional multiphase mathematical modeling of the blast furnace based on the multifluid model. ISIJ Int 42(1): 44-52.
[4]  Mayr B, Prieler R, Demuth M, Hochenauer C (2018) Modelling of high temperature furnaces under air-fuel and oxygen enriched conditions. Appl Therm Eng 136(March): 492-503.
[5]  Tang G, Wu B, Bai D, Wang Y, Bodnar R, Zhou CQ (2017) Modeling of the slab heating process in a walking beam reheating furnace for process optimization. Int J Heat Mass Transf 113: 1142-1151.
[6]  Fiveland WA (1988) Three-dimensional radiative heat-transfer solutions by the discrete-ordinates method. J Thermophys Heat Trans 2(4).
[7]  Li ZZ, et al. (2007) Feasible Optimal design of high temperature vacuum furnace using experiences and thermal analysis database. J Therm Sci Technol 2(1): 123-133.
[8]  Jiao L, Kuang S, Yu A, Li Y, Mao X, Xu H (2020) Three-Dimensional modeling of an ironmaking blast furnace with a layered cohesive zone. Metall Mater Trans B Process Metall Mater Process Sci 51(1): 258-275.
[9] Prokof’Ev V (2020) Three-dimensional mathematical model of chemical furnace. Proc - 2020 7th Int. Congr Energy Fluxes Radiat Eff EFRE 2020 1: 1063-1066.
[10] Karalis K, Karalis N, N. Karkalos, Ntallis, Antipas GSE, Xenidis A (2021) Three-dimensional computational fluid dynamics analysis of an electric submerged arc furnace. Sci Rep 11(1).
[11] Tutar M, et al. (2021) Optimized CFD modelling and validation of radiation section of an industrial top-fired steam methane reforming furnace. Comput Chem Eng 155.
[12] Richard P, Hiroshi A (1997) Model of four phase motion and heat transfer the blast furnace. ISIJ Int 37: 458-467.
[13] Takeda K, Lockwood FC (1997) Integrated mathematical model of pulverised coal combustion in a blast furnace. ISIJ Int 37(5): 432-440.
[14] Jang JY, Huang JB (2015) Optimization of a slab heating pattern for minimum energy consumption in a walking-beam type reheating furnace. Appl Therm Eng 85: 313-321.
[15] Skopec P, Vyhlidal T, Knobloch J (2019) Reheating Furnace modeling and temperature estimation based on model order reduction. 2019 22nd Int Conf Process Control 55-61.
[16] Tan C, Jenkins J, Ward J, Broughton J, Heeley A (2013) Zone modelling of the thermal performances of a large-scale bloom reheating furnace. Appl Therm Eng 50(1): 1111-1118.
[17] Almutairi NB, Zribi M (2015) Sliding mode controllers for a tempered glass furnace. ISA Trans 1-17.
[18] Bitschnau L, Kozek M (2009) Modeling and control of an industrial continuous furnace. CSSim 2009 - 1st Int Conf Comput Intell Model Simul 231-236.
[19] Liu SL, Liu GX, Cheng XF, Zhang WX (2014) Design of temperature control system based on PLC. Appl Mech Mater 644-650(MEEES): 195-198.
[20] Pringsakul N, Puangdownreong D (2019) Obtaining optimal pida controller for temperature control of electric furnace system via flower pollination algorithm department of electrical engineering. WSEAS Trans Syst Control 14: 1-7.
[21] Sinlapakun V, Assawinchaichote W (2015) Optimized PID controller design for electric furnace temperature systems with Nelder Mead Algorithm. ECTI-CON 2015 - 2015 12th Int Conf Electr Eng Comput Telecommun Inf Technol.
[22] Wang Y, Li H, Yang B (2020) Modeling of furnace operation with a new adaptive data echo state network method integrating block recursive partial least squares. Appl Therm Eng 171.
[23] Blažič A, Škrjanc I, Logar V (2021) Soft sensor of bath temperature in an electric arc furnace based on a data-driven Takagi–Sugeno fuzzy model. Appl Soft Comput 113: 107949.
[24] INCORPERA (2012) Heat and Mass trnasfer. vol. 66.
[25] Simpkins C (2012) System Identification: Theory for the User. 2nd edn. (Ljung, L.; 1999) [On the Shelf], vol. 19.
[26] Hoare A, Regan DG, Wilson DP (2008) Sampling and sensitivity analyses tools (SaSAT) for computational modelling. Theor Biol Med Model 5: 1-18.
[27] Iooss B, Lemaître P (2015) Uncertainty management in simulation-optimization of complex systems. Oper Res Comput Sci Interfaces Ser 59: 101-122.