WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 


Pages:   || 2 |

«РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА СИСТЕМЫ ДВУХКОНТУРНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ТИГЛЕЙ ВАКУУМНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ Специальность 05.09.10 - Электротехнология Диссертация на ...»

-- [ Страница 1 ] --

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«МЭИ»

На правах рукописи

КАБАЛИН ЕГОР ИВАНОВИЧ

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА СИСТЕМЫ

ДВУХКОНТУРНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ

ТИГЛЕЙ ВАКУУМНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ

Специальность 05.09.10 - Электротехнология Диссертация на соискание учной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д. т. н., профессор Кувалдин А.Б.

Москва - Аннотация В диссертационной работе проведен анализ конструкции холодного тигля вакуумной индукционной печи, рассмотрены вопросы, связанные с режимами его работы, энергетическим балансом, основными преимуществами и недостатками. Особое внимание уделено технико-экономическим показателям (расход воды на охлаждение холодного тигля) и вопросу безопасной работы плавильного узла. Подробно рассмотрена проблема водоохлаждения тигля и предложен вариант по изменению конструкции системы охлаждения с одноконтурной на двухконтурную, работающую по принципу тепловой трубы. В связи с этим разработана методика расчета тепловой трубы с учетом особенностей работы вакуумной индукционной печи с холодным тиглем. На основе предложенной методики проведены расчеты и экспериментальные исследования, подтверждающие ее адекватность. По итогам экспериментальных исследований:

– разработана инженерная методика расчета двухконтурных систем охлаждения по принципу тепловой трубы для холодного тигля;

– предложены оригинальные конструкции двухконтурной системы охлаждения холодного тигля вакуумной индукционной печи, защищенные патентом РФ на полезную модель.

– разработано техническое предложение на создание двухконтурной системы охлаждения для индукционной установки мощностью 160 кВт, предназначенной для плавки металлов с температурой плавления до 2000 0С.

– рассмотрены вопросы дальнейшего совершенствования и применения предложенных конструкций и методики расчета.

Оглавление Введение……………………………………………………………………………... Глава I. Применение систем двухконтурного охлаждения работающих по принципу тепловой трубы …………………………………………………………. 1.1. Индукционные печи с холодным тиглем..………………

1.1.1. Основные понятия и область применения ИПХТ……………….

….. 1.1.2. Физические и технологические особенности плавки в ИПХТ.…….. 1.1.3. Энергетический баланс ИПХТ……………………………………….. 1.2. Классификация систем водоохлаждения в электротермических установках…………….……………………………….………………………..….... 1.3. Развитие, область применения и конструкции ТТ……..……...............…. 1.4. Применение ТТ в электротехнике…………………………………………. 1.5. Применение ТТ в электротермии……………………………...........…….. 1.6. Задачи диссертационной работы……………………….………………… Глава II. Особенности применения двухконтурной системы охлаждения по принципу ТТ в ХТ индукционной вакуумной печи.………………………….... 2.1. Постановка задачи………………………………………………….………. 2.2. Особенности конструкции системы двухконтурного охлаждения на основе ТТ.…………………………………………...………………………..…... 2.3. Особенности работы тепловой трубы в индукционных системах …..... 2.4. Процесс теплопереноса в ТТ с учетом особенностей работы ИПХТ…. 2.5. Выводы по главе II……………………………………………..…….…….. Глава III. Экспериментальные исследования теплотехнических характеристик холодного тигля с двухконтурным охлаждением …………………………..… 3.1. Постановка задачи………………………………………………………….. 3.2. Описание экспериментального стенда и состава оборудования…..…..... 3.3. Разработка методики экспериментальных исследований ……………..… 3.4. Эксперимент……………………………………………………………….... 3.5. Результаты эксперимента………………………………………………...… 3.6. Сравнительный анализ полученных данных ………..………………..…. 3.7. Выводы по главе III……………………………………………….………... Глава IV. Инженерная методика расчета систем двухконтурного охлаждения, работающего по принципу ТТ в индукционных печах с холодным тиглем

4.1. Постановка задачи…………………………………………………………. 4.2. Разработка алгоритма инженерной методики по итогам теоретических и экспериментальных исследований…………………………………...… 4.3. Исходные данные для расчета……………………………………………. 4.3.1. Конструкция системы охлаждения………………………………... 4.3.2. Теплоноситель……………………………………………………….. 4.3.3. Энергетический баланс секции ИПХТ………………………..…… 4.4. Расчет системы двухконтурного охлаждения для ХТ ……………….… 4.5. Анализ результатов расчета………………………………………….…… 4.6. Апробация методики расчета………………………………………….….. 4.7. Варианты конструкции двухконтурной системы охлаждения ХТ вакуумной индукционной печи…………………………………………………...… 4.8. Выводы по главе IV……………………………………………………...… Заключение……………………………………………………………………… Список литературы………………………………………………………………

ВВЕДЕНИЕ

К современному плавильному оборудованию для получения материалов с улучшенными свойствами предъявляются особые требования по чистоте процесса и точности поддержания заданного режима обработки материала. Особое место среди этих требований занимает и проблема незагрязняющей плавки материала, т.к. для получения сплава, состоящего из нескольких компонентов, и для выравнивания химического состава желательно поддержание всей массы получаемого расплава в жидком состоянии. Для проведения таких процессов в электротермии успешно используются установки различного типа (вакуумные дуговые печи, печи электрошлакового переплава и т.д.), к которым относятся и индукционные вакуумные печи с холодным тиглем (ИПХТ). Такие отличительные особенности данных печей, как плавка в электромагнитном поле, электромагнитное перемешивание материала, плавка в электропроводящем тигле, позволяют получать конечный продукт высокого качества за один переплав. Благодаря широкому диапазону характеристик (рабочая температура до 30000С, частоты от 0,05–30 кГц для металлов и сплавов и 0,5–10 МГц для плавки оксидных материалов, потребляемая мощность 60- 2000 кВт), ИПХТ используются в авиакосмической, электронной, автомобильной, химической и других отраслях промышленности.

Одним из основных элементов такой индукционной вакуумной печи является холодный тигель (ХТ) (рис.1), который располагается между расплавляемым металлом и индуктором и представляет собой цилиндр (многогранник), составленный из трубок различного профиля (цилиндр, трапеция, арочный профиль и т.д.), электроизолированных друг от друга. Чистота процесса переплава в таком тигле достигается за счет отжатия металла от его стенок и поддержания температуры тигля достаточной, чтобы при взаимодействии стенки тигля с расплавом не происходило химической реакции (ухудшение состава переплавляемого материала).

Так как ХТ работает при высоких температурах (до 3000°С), то необходимо его интенсивное охлаждение проточной водой [1]. Такой вид охлаждения позволяет проводить процесс при высоких температурах в течение длительного времени, но не исключает опасности прожига стенки холодного тигля и попадания охлаждающей воды на расплав, что может привести к возникновению аварийной ситуации. Кроме того, требуемое для интенсивного охлаждения ХТ большое количество проточной воды ведет к усложнению конструкции за счет дополнительного агрегата (насосной станции).

Для предотвращения данной ситуации предлагается заменить систему проточного водоохлаждения на двухконтурную систему испарительного охлаждения, работающую по принципу так называемой «тепловой трубы» (ТТ). В работе рассматриваются конструктивные особенности ХТ и ТТ, а также общая методика расчета холодного тигля с двухконтурной системой охлаждения, выбор конструкции ХТ с двухконтурной системой охлаждения. Основными задачами

работы являются определение границ применения системы охлаждения по принципу ТТ в индукционных печах с холодным тиглем и составление инженерной методики расчета таких систем охлаждения для индукционной печи с холодным тиглем (ИПХТ).

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Теоретически и экспериментально обоснованы возможность и целесообразность использования двухконтурной системы охлаждения холодного тигля вакуумной индукционной печи, основанной на применении эффекта тепловой трубы.

2. На основании исследований на разработанной модели секции ХТ в программном пакете ELCUT установлено неравномерное распределение по сечению тепловых потоков в секции ХТ, учет которого с допустимой точностью может быть осуществлен по среднему значению.

3. Предложена методика расчета двухконтурной системы охлаждения холодного тигля с учетом особенностей работы вакуумных индукционных печей.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Даны рекомендации по применению методики расчета двухконтурной системы охлаждения холодного тигля вакуумной индукционной печи, позволяющие определять геометрические, электрические и тепловые параметры секции ХТ с двухконтурной системой охлаждения.

2. Предложены оригинальные конструкции двухконтурной системы охлаждения холодного тигля вакуумной индукционной печи, защищенные патентом РФ на полезную модель.

3. Разработано техническое предложение на создание двухконтурной системы охлаждения для индукционной установки мощностью 160 кВт, предназначенной для плавки металлов с температурой плавления до 2000 0С.

На защиту выносятся следующие положения:

1. На основании исследований на разработанной модели секции ХТ в программном пакете ELCUT установлено неравномерное распределение по сечению тепловых потоков в секции ХТ, учет которого с допустимой точностью может быть осуществлен по среднему значению.

2. Предложены оригинальные конструкции двухконтурной системы охлаждения холодного тигля вакуумной индукционной печи, защищенные патентом РФ на полезную модель, составлены рекомендации по конструированию.

3. Предложена инженерная методика расчета двухконтурной системы охлаждения по принципу тепловой трубы для холодного тигля вакуумной индукционной печи.

4. Разработано техническое предложение на создание двухконтурной системы охлаждения для индукционной установки мощностью 160 кВт, предназначенной для плавки металлов с температурой плавления до 2000 0С.

ГЛАВА 1. Применение систем испарительного охлаждения работающих по принципу тепловой трубы индукционные печи с холодным тиглем.

1.1.1. Основные понятия и область применения ИПХТ.

Идея индукционных печей с холодным тиглем (ИПХТ) была предложена в 1926 году немецкой фирмой «Сименс – Гальске» [6, 7, 8]. Основой ее является выполнение проводящего охлаждаемого тигля с вертикальными разрезами, препятствующими возникновению в тигле кольцевых токов, коаксиально охватывающих загрузку и экранирующие ее от магнитного поля индуктора.

Но для реализации этой идеи необходимо было решить несколько сложных задач:

обеспечить передачу расплаву достаточного количества энергии, необходимого для устойчивого протекания рабочего процесса в условиях контактной теплоотдачи от расплава к холодному тиглю;

увеличить до приемлемых значений КПД, несмотря на электрические потери в тигле;

предотвратить электрические пробои на секции тигля в его ионизационном пространстве.

Это оказалось настолько сложно, что на протяжении многих лет попытки создания работоспособных ИПХТ для плавки металлов не приводили к успеху, и только после систематических исследований ВНИИЭТО (Всесоюзного Научно Исследовательского Института Электротермического Оборудования), начатых в 1961 г., удалось к 1965 г. закончить поисковые работы, завершившиеся созданием устойчиво работающих лабораторных печей. К 1980 году было завершено исследование технологических возможностей ИПХТ, создание инженерных основ их конструирования, разработка и опробование полупромышленных печей (рук. работ. : до 1978г. – Л.Л. Тир, с 1978г. – А.П. Губченко). С г. начат выпуск печей промышленного назначения [4, 5].

Под индукционной плавкой в ХТ принято понимать процесс, при котором энергия передается расплаву электромагнитным полем сквозь проводящий тигель. Передача энергии электромагнитным полем сквозь проводящий тигель возможна только в двух случаях: когда тигель относительно (глубины проникновения тока в материал) тонкий, либо при выполнении его разрезным (рис. 2) [2,5]. Последний случай является предпочтительным с точки зрения практического применения.

Рис. 2. Холодный тигель с разрезными секциями.

ИПХТ в основном используется для выплавки сложнолегированных сплавов с большим содержанием компонентов, рафинировочной плавки химически активных и тугоплавких металлов, получения высококачественных фасонных отливок, металлотермического восстановления металлов из их соединений (оксидов, фторидов, хлоридов и т.п.), переработки отходов химически активных металлов и их сплавов, направленной кристаллизации металла при непрерывном получении слитка, получение металлических порошков, остекловывание радиоактивных отходов [1, 3, 9].

1.1.2. Физические и технологические особенности плавки в ИПХТ.

ИПХТ обладают рядом принципиальных особенностей, которые отличают их от печей других типов: выделение тепла по всей боковой поверхности расплава, развитая поверхность металла, интенсивная электромагнитная циркуляция металла. Все эти особенности позволяют обеспечить большую равномерность температуры в объеме расплава и малое содержание металла в гарнисаже, тем самым создавая благоприятные условия для выполнения точных (по химическому составу и массе) плавок.

При обычной (секционной) конструкции тигля переменное электромагнитное поле, распространяющееся от индуктора к садке (рис. 3), наводит в его стенках кольцевые токи, создающие поле противоположного направления. Как говорилось ранее, для прохода электромагнитного поля тигель выполняют секционным, таким образом, чтобы каждая секция была изолирована друг от друга. Данная мера необходима для того, чтобы электромагнитное поле передавалось от индуктора в загрузку, не замыкаясь по пути на ХТ.

В процессе плавки в зависимости от исполнения ХТ (с изолированной внутренней поверхностью, обращенной к расплаву или с неизолированной внутренней поверхностью и контактом расплава с ХТ) в тигле возникают электрические потери в виде джоулевого тепла, которые в совокупности с тепловыми потоками от расплава требуют интенсивного охлаждения ХТ [4, 5].

Энергетический баланс индукционной печи с холодным тиглем (рис. 4) можно представить следующим образом: энергия (рис. 5), поступающая в индуктор, расходуется на электрические потери в индукторе Pэ.и., в стенках холодного тигля Pэ.т. и поддоне Pэ.пд., а также на выделение тепла в загрузке Pз. Это тепло уходит на нагрев загрузки Pпол. И тепловые потери от загрузки: к поду Pт.пд, стенкам холодного тигля Pт.т, и в печное пространство (здесь достаточно будет учитывать потери излучением Pиз.). Отток тепла к стенкам ХТ Pт.т подразделяют на теплопередачу в зоне контакта расплава с тиглем Pт.к и излучение на тигель отжатой от стенок поверхностью металла Pиз1. В таблице 1 отображен энергетический баланс ИПХТ в режиме выдержки для некоторых металлов, полученный опытным путем (диаметр расплава - dр = 120 мм, высота индуктора hи = 100 мм, частота - f = 8000 Гц) [4].

Энергия поступающая в индуктор, Pи - электрические потери в индукторе, Pэ.и;

ри в поддоне, Pэ.пд;

- тепловые потери к поду, Pз;

- тепловые потери в печное пространство, Pиз;

Таблица1. Энергетический баланс ИПХТ в режиме выдержки для некоторых металлов (dр = 120 мм, hи = 100 мм, f = 8000 Гц).

Мощность, отдаваемая преобразователем Потери в конденсаторной батарее Мощность, поступающая в индуктор Электрические потери в индукторе Потери в ХТ (электрические + тепловые) 7 Потери в поддоне (электрические и тепловые) 6.8 9.5 3. 1.2. Классификация систем водоохлаждения в электротермических установках.

Известны следующие системы охлаждения:

охлаждение холодной технической водой;

охлаждение горячей химически очищенной водой;

испарительное охлаждение;

охлаждение холодной химически очищенной водой;

комбинированная система охлаждения;

замкнутое охлаждение с парообразованием вне детали;

двухконтурная система охлаждения.

До 1950 г. детали металлургических печей охлаждали холодной технической водой. Это наиболее простая система охлаждения, сущность которой заключается в том, что охлаждающая вода, проходя через полость охлаждаемой детали, отбирает от ее стенок определенное количество тепла и при этом нагревается. Расход охлаждающей воды зависит от ряда факторов, основными из которых являются ее качество и конструкция охлаждаемых элементов.

Качество холодной технической воды, используемой для охлаждения металлургических печей большинства заводов, не позволяет допустить ее нагрев в охлаждаемой детали выше температуры 40—45 °С, исходя из условий образования накипи на обогреваемой стенке детали и существенного ухудшения отвода тепла. При температуре, превышающей 45 °С, интенсивно протекает процесс разложения бикарбонатов Са(НС03)2 СаС03 + Н20, карбонат кальция выпадает в осадок, являясь основной составной частью накипи. Температура воды, поступающей на охлаждение, обычно составляет 14—25 °С. Таким образом, в охлаждаемой детали техническая вода нагревается не более чем на 20 °С.

Тепловые нагрузки на охлаждаемые детали металлургических печей достигают весьма значительных величин (до 1044 кВт). При этом расход технической воды для охлаждения этих деталей составляет 15—50 м3/ч.

Охлаждение горячей химически очищенной водой.

Сущность этого способа состоит в том, что для охлаждения элементов печи используют химически очищенную воду с начальной температурой около 70 °С, которая после нагрева в охлаждаемых элементах печи до 95 °С служит теплоносителем для подогрева конденсата, теплофикации и горячего водоснабжения. Циркуляционный контур охлаждающей воды выполнен замкнутым, а потери восполняются химически очищенной деаэрированной водой. Для защиты от повышения давления воды сверх заданного предела в системе охлаждения предусмотрена установка предохранительных переливных труб, через которые удаляются пар и излишки воды. При выключении потребителей тепла часть системы охлаждения или всю ее полностью переключают на холодную техническую воду. Применение горячей химически очищенной воды устраняет ряд недостатков охлаждения холодной технической водой, а именно:

улучшает стойкость охлаждаемых деталей в связи с отсутствием накипи;

сокращает расход электроэнергии для перекачки вследствие уменьшения общего расхода воды;

позволяет частично использовать тепло, ранее теряемое с технической Вместе с тем система имеет ряд недостатков;

сложность и ненадежность коммуникаций из-за установки дополнительной арматуры;

зависимость системы охлаждения от потребителей тепла, необходимость в связи с этим дополнительного резерва технической воды;

неравномерность тепловых нагрузок в процессе плавки на охлаждаемые элементы затрудняет полное использование тепла и создает трудности в эксплуатации системы.

Охлаждение холодной химически очищенной водой.

Для повышения надежности охлаждения особо ответственных охлаждаемых элементов некоторые специалисты предлагают использовать в качестве охлаждающей среды химически очищенную воду, температура которой ниже 25 °С. При этом возможны две схемы охлаждения:

обычное водяное охлаждение с заменой технической воды химически очищенной в оборотном цикле водоснабжения, где в качестве охлаждающих устройств используются градирни, брызгальные бассейны и др.;

замкнутая система охлаждения с отводом тепла через теплообменник с помощью технической воды.

Первая схема не перспективна, так как через непродолжительное время химически очищенная вода в оборотном цикле подвергается загрязнению, что требует продувки и подпитки свежей химически очищенной водой.

Замкнутая система с теплообменниками также имеет ряд недостатков:

необходимость установки и эксплуатации теплообменников;

периодическая очистка теплообменников;

невозможность использования тепла охлаждающей воды;

повышенный расход электроэнергии и др.

Испарительное охлаждение металлургических печей было впервые предложено советскими инженерами В 1950 г. система испарительного охлаждения была внедрена на мартеновских печах Донецкого металлургического завода.

Сущность системы испарительного охлаждения заключается в использовании скрытой теплоты парообразования воды для отвода тепла от охлаждаемых деталей. Скрытая теплота парообразования при атмосферном давлении составляет примерно 2260 кДж/кг. Учитывая, что вода в систему охлаждения поступает с некоторым недогревом до кипения, который в зависимости от конструктивных и эксплуатационных условий составляет от 20 до 70 °С, легко подсчитать, что один килограмм воды при испарительном охлаждении отбирает от охлаждаемой детали 2350-2550 кДж тепла, а один килограмм холодной технической воды отбирает от охлаждаемой детали от 40 до 80 кДж.

Таким образом, при переводе на испарительное охлаждение расход воды на охлаждение сократится в 60—100 раз в зависимости от конструктивных и эксплуатационных характеристик системы.

Такое, столь значительное сокращение расхода позволяет применить при испарительном охлаждении глубокую очистку воды, т.е. использовать химически очищенную деаэрированную воду, при кипении которой в охлаждаемых деталях накипи не образуется.

Принципиальная схема испарительного охлаждения представлена на рис.

6. Охлаждаемая деталь 4 соединена двумя трубами с барабаном - сепаратором 1. По опускной трубе 2 вода из барабана-сепаратора подводится к охлаждаемой детали, по подъемной трубе 3 пароводяная смесь отводится в барабансепаратор, где пар отделяется от воды (сепарируется) и поступает по паропроводу 5 к потребителям. Убыль воды в системе восполняется питательной водой, подаваемой в барабан-сепаратор по трубопроводу 6.

применение естественной циркуляции, основанной на разности плотности воды в опускной трубе и пароводяной смеси в подъемной трубе, и Рис. 6. Схема установкак с увеличением тепловой нагрузки возрастает ки испарительного охциркуляционный расход (в определенных пределаждения.

лах) за счет роста полезного напора, и надежность охлаждения сохраняется. Т.е. при испарительном охлаждении обеспечивается саморегулирование процесса охлаждения. При охлаждении технической водой для обеспечения надежной работы охлаждаемых элементов на протяжении всей кампании работы печи требуется подавать количество воды, соответствующее максимальным тепловым нагрузкам в связи с практической возможностью регулирования расхода воды.

Таким образом, система испарительного охлаждения имеет следующие преимущества:

меньший расход воды на охлаждение за счет использования скрытой теплоты парообразования, что позволяет применять химически очищенную деаэрированную воду;

увеличивается срок службы охлаждаемых деталей и соответственно межремонтный период работы металлургического агрегата за счет применения химически очищенной деаэрированной воды, исключающей образование накипи;

исключаются строительство и эксплуатация водоводов больших диаметров, мощных насосных станций, охладительных устройств (градирен, брызгальных бассейнов и т.п.);

возможность использования тепла охлаждающей воды без осложнения условий эксплуатации благодаря независимости системы охлаждения от потребителей тепла;

существенно снижается расход электроэнергии для перекачки охлаждающей воды в связи с существенным уменьшением ее количества;

при естественной циркуляции допускается кратковременное (в зависимости от емкости барабана-сепаратора и количества вырабатываемого пара) прекращения подачи питательной воды, т.е. появляется независимость от электроснабжения;

уменьшаются капиталовложения на строительство системы, упрощается и удешевляется эксплуатация.

Целью разработки комбинированной системы охлаждения было совместить в одной установке наиболее простую и надежную систему испарительного охлаждения с естественной циркуляцией с обеспечением возможности перевода охлаждаемых элементов на принудительную циркуляцию, охлаждение холодной химически очищенной или технической водой.

Комбинированная система охлаждения применяется для металлургических печей и агрегатов, где ответственность охлаждаемых элементов особенно высока.

Схема комбинированной системы охлаждения представлена на рис. 7.

Система включает барабан-сепаратор, резервную емкость, систему подъемных, опускных и циркуляционных трубопроводов, охлаждаемые элементы, группу циркуляционных насосов, теплообменные аппараты. Как видно из рисунка, охлаждаемые элементы могут работать на испарительном охлаждении с естественной или принудительной циркуляцией, охлаждаться холодной химически очищенной или технической водой.

К основным преимуществам данной системы относится возможность обеспечения интенсивного охлаждения и предупреждения выхода из строя группы наиболее ответственных охлаждаемых элементов в период поступления на них максимальных тепловых нагрузок.

К недостаткам системы следует отнести ее громоздкость, повышенную металлоемкость и несколько более высокую стоимость по сравнению с обычной системой испарительного охлаждения.

Рис. 7. Комбинированная система охлаждения:

1 – барабан-сепаратор; 2 – резервная емкость; 3 – охлаждаемые детали; 4 – циркуляционный насос; 5 – теплообменник; 6 – трубопроводы технической воды.

В ней охлаждающими элементами являются двухфазные термосифоны или тепловые трубы.

Двухфазный термосифон (рис. 8) – это герметичная (заваренная с двух сторон) труба, частично заполненная теплоносителем (водой, органическим, металлическим и др.). Часть термосифона находится в зоне обогрева, а другая часть – конденсатор находится вне зоны обогрева. При подводе тепла к тепловоспринимающей части вода в термосифоне закипает, пар поступает в конденсатор, где конденсируется другим охлаждающим агентом. Конденсат возвращается в обогреваемую часть термосифона. Термосифоны (тепловые трубы) получили широкое распространение в технике. Японские фирмы эффективно применяют термосифоны для утилизации тепла дымовых газов металлургических печей и др. Термосифоны позволяют эффективно осуществлять передачу тепловой энергии и трансформацию теплового потока. Основными преимуществами термосифона как охлаждающего элемента металлургической печи являются его автономность и безынерционность работы, благодаря чему он обеспечивает высокую надежность. В случае выхода из строя термосифона в печь не попадает вода. Нет необходимости производить какие-либо ремонтные работы. Контроль целостности термосифона производится по температуре его стенки вблизи конденсата. Для охлаждения вторичного контура могут быть использованы испарительное охлаждение, техническая вода, воздух и т.п.

Термосифоны снабжены конденсаторами с двумя автономными камерами охлаждения, каждая из которых, обеспечивает нормальную работу термосифона. Это позволяет производить ремонт без прекращения охлаждения. При испарительном охлаждении наличие двух камер конденсатора позволяет исключить резервирование технической воды [12].

1.3. Развитие, область применения и конструкции ТТ.

Системы испарительного охлаждения, работающие по принципу тепловой трубы, относятся к так называемым двухконтурным системам испарительного охлаждения, в которых термосифон или тепловая труба является охлаждающим элементом. Основными преимуществами данной системы являются ее автономность, эффективная передача тепловой энергии, безынерционность работы, надежность[10, 11].

Тепловая труба обычно представляет собой герметичную трубу (рис. 9) или камеру разнообразной формы, в которой находится рабочее тело (теплоноситель) в двух фазах: жидкой и паровой. Тепловой поток, поступающий от внешнего источника, вызывает испарение теплоносителя на этом участке трубы, а разница давлений заставляет пар двигаться вверх, где он, попадая в теплообменник с вторичным контуром охлаждения, конденсируется. Под действием гравитации, сконденсировавшийся теплоноситель возвращается обратно, вниз для нового цикла кипение-испарение-конденсация. В качестве теплоносителя могут использоваться различные вещества в жидком состоянии: вода, аммиак, азот, ртуть и.т.д. [10,11].

Количество тепла, которое может быть перенесено в виде скрытой теплоты преобразования, обычно на несколько порядков выше количества, которое может быть перенесено в виде энтальпии рабочей жидкости в обычной конвективной системе. Поэтому тепловая труба может передавать большое количество тепла при относительно малом размере установки. ТТ принято делить на зоны:

испарительная зона, в которой происходит испарение жидкого теплоносителя под действием подводимого теплового потока;

адиабатная или транспортная зона, по которой теплоноситель в состоянии пара переходит из испарительной зоны в зону конденсации, и в состоянии конденсата стекает обратно, в зону испарения;

зону конденсации, где теплоноситель в виде пара конденсируется в жидкость благодаря вторичному контуру теплообмена [11].

Кроме того здесь возможно использовать эффект трансформации теплового потока, при котором за счет увеличения площади теплосъема в конденсаторной зоне можно снизить плотность теплового потока. Данный эффект дает преимущество над проточной системой водоохлаждения, в которой из-за малой площади теплосъема приходиться увеличивать напор воды и соответственно ее расход. В ТТ же из-за эффекта трансформации можно добиться снижения расхода воды при той же отводимой мощности.

Для эффективной работы такого устройства в условиях невесомости или в условиях с затрудненным возвратом конденсата, используются различные конструкции фитиля (проволочная сетка, предназначенная для возврата сконденсировавшегося теплоносителя), а также различные теплоносители [12].

Впервые идея тепловой трубы предложена Гоглером из американской фирмы General Motors Corporation (GMC). В патентной заявке от 21 декабря 1942 г., опубликованной как Патент США № 2350348, 6 июня 1944 г., тепловая труба описывается применительно к холодильной установке (рис.10). В 1963 г.

Другим американским ученым Гоглером, от имени Комиссии по атомной энергии США, представлено устройство, в описании которого впервые используется термин «тепловая труба». По своей сути оно идентично предложенному устройству в патенте Гровера, но отличается, наличием небольшого теоретического анализа процесса и содержит описание результатов экспериментов, проведенных с трубами из нержавеющей стали с фитилями из проволочной сетки и натрием в качестве рабочей жидкости.

Рис. 10. Холодильный агрегат с тепловой трубой запатентованный Гоглером.

1 – ТТ, 2 – корпус, 3 – изоляция, 4 – куски льда, 5 – конденсатор.

Под руководством Гровера в Лос-Аламосской лаборатории в штате НьюМексико была выполнена обширная программа по исследованию и разработке тепловых труб, и ее предварительные результаты были изложены в первой публикации по тепловым трубам [12]. Вслед за этой лабораторией аналогичную работу над натриевой и другими тепловыми трубами начала Лаборатория по атомной энергии в Харуэлле (Великобритания), исследования в Харуэлле были направлены преимущественно на применение тепловых труб в термоионных преобразователях ядерной энергии. Подобная программа была развернута и в Объединенном ядерном исследовательском центре в Испре (Италия) под руководством Нея и Буссе. Работы в Испре продвигались очень быстро, и эта лаборатория стала самым, активным центром по исследованию тепловых труб за пределами США.

Работы в Испре были связаны с разработкой тепловых труб для подвода теплоты к эмиттерам и отвода теплоты от коллекторов. В этих условиях были нужны трубы, работающие в температурных диапазонах от 1600 до 1800°С (для эмиттеров) и 1000°С (для коллекторов), причем основное внимание было уделено тепловым трубам эмиттеров, разработка которых потребовала решения более сложных задач, связанных с обеспечением их надежности в течение длительного периода эксплуатации.

Первой фирмой, развернувшей серийное производство тепловых труб, была Radio Corporation of Americа RCA [11]. Большинство заказов на ранней стадии работ поступило от правительства США. В течение двухлетнего периода с середины 1964 до середины 1966 г. RCA изготовила тепловые трубы, в которых в качестве материалов стенок корпуса были использованы стекло, медь, никель, нержавеющая сталь, молибден. В качестве рабочих жидкостей применялись вода, цезий, натрий, литий и висмут. Достигнутая максимальная рабочая температура составляла 1650°С.

В течение 1967-1968 гг. появилось несколько статей в научной печати, свидетельствующих о расширении области применения тепловых труб, которые использовались для охлаждения электронных устройств, для кондиционирования воздуха, охлаждения двигателей и т.д. Для этих целей разработаны, в частности, гибкие и плоские тепловые трубы (рис. 11).

Рис. 11. Гибкие тепловые трубы для охлаждения электронных плат.

Главным достоинством тепловой трубы, привлекшим к себе внимание, являлась ее большая тепловая проводимость по сравнению даже с такими прекрасными проводниками теплоты как медь, причем водяная тепловая труба с простым фитилем обладает в сотни раз большей эффективной теплопроводностью, чем медный стержень тех же размеров.

Не все ранние исследования по тепловым трубам были связаны с созданием высокотемпературных труб, велись разработки тепловой трубы для применения на искусственном спутнике, в которой рабочей жидкостью служила вода. Первый полет спутника с тепловой трубой состоялся в 1967 г. Для того, чтобы продемонстрировать успешную работу тепловой трубы в космических условиях, спутник с тепловой трубой из нержавеющей стали и водой в качестве рабочей жидкости был выведен на околоземную орбиту с мыса Кеннеди при помощи ракеты-носителя «Атлас-Эджена». После выхода спутника на орбиту труба автоматически включилась в работу и телеметрические данные о ее работе принимались пятью станциями слежения в течение 14 витков вокруг Земли.

Данные позволили заключить, что тепловая труба работала успешно.

Вслед за первым испытанием тепловой трубы в космосе в 1967 г. она была впервые применена для теплового регулировании спутника Geos-B (рис. 12).

Рис. 12. Тепловые трубы, использовавшиеся в космосе на спутнике GEOS-B 1 – длинная тепловая труба; 2 – крепление трубы; 3 – ответчик дальности и скорости;

4 – стенка лабораторного отсека; 5 – короткая тепловая труба; 6 – ответчики.

На спутнике были использованы две тепловые трубы. В качестве материала корпуса тепловых труб был применен алюминиевый сплав, материала фитиля - алюминиевая сетка. В качестве рабочей жидкости использовался фреон -11. Назначение тепловых труб состояло в снижении до минимума разности температур между различными ответчиками на спутнике. На основании 145суточного периода наблюдений было установлено, что разница между максимальной и минимальной температурами ответчиков была значительно меньше, чем при подобных же условиях на запущенном ранее спутнике Geos-A, на котором не использовались тепловые трубы. Трубы работали в режиме, близком к изотермическому, с высокой эффективностью, в течение всего периода наблюдений.

В 1969 г. были проведены теоретические исследования тепловых труб переменной проводимости для определения таких параметров этих устройств, как размер резервуара, рассмотрены практические вопросы его конструирования и чувствительности к внешним тепловым воздействиям. В это же время в NASA был разработан новый вид тепловой трубы, в которой отсутствовал фитиль. Это вращающаяся тепловая труба (рис.13), в которой для возврата жидкости от конденсатора к испарителю используется центробежная сила. Такая труба может быть использована для охлаждения роторов двигателей и лопаток турбин.

Вращающаяся тепловая труба не имеет тех капиллярных ограничений по возврату жидкости, которые характерны для обычной фитильной тепловой трубы, и ее передающая способность может быть во много раз больше. Получает все большее распространение применение тепловых труб в системах охлаждения электронных приборов в «некосмических областях».

Рис. 13. Вращающаяся тепловая труба в кондиционирующем агрегате.

1 – мотор; 2 – жидкость; 3 – воздух внутри помещения; 4 – вентилятор; 5 – компрессор;

6 – пар; 7 – наружный воздух; 8 – диск.

Дальнейшее развитие тепловых труб можно суммировать следующим образом:

Были разработаны тепловые трубы переменной проводимости специально для использования на космических, объектах. В последних моделях этих труб используется принцип регулирования с активной обратной связью для улучшения времени срабатывания и чувствительности.

Созданы тепловые трубы, работающие в диапазоне от 4 до 2800 К, срок службы которых во всем температурном диапазоне, кроме экстремальных случаев, в общем приемлем.

Европейская организация космических исследований (ESRO) способствовала развитию работ в Европе путем заключения контрактов на разработку систем на тепловых трубах для европейских спутников.

Состоялась Первая международная конференция по тепловым трубам (Штутгарт, 1973 г.), на которой были представлены работы из Голландии, ФРГ, Советского Союза, Чехословакии, Франции, Италии и Великобритании, а также из Соединенных Штатов.

Теория тепловой трубы разработана, главным образом, Коттером, также сотрудником Лос-Аламосской лаборатории. Исследования в лабораториях Соединенных штатов и в Испре велись настолько активно, что в обзоре теории и приложении тепловых труб в 1968 г. приведено более 80 статей по всем аспектам работ над тепловыми трубами. По результатам всех работ удалось показать высокую надежность жидкометаллических тепловых труб при длительной работе (9000 ч) при повышенных температурах (1500°С), были сконструированы тепловые трубы, способные передавать осевые тепловые потоки до 7 кВт/см2 и планировалось более чем вдвое увеличить этот параметр, были получены радиальные тепловые потоки до 400 Вт/см2.

1.4. Применение тепловых труб в электротехнике.

В электротехнике тепловые трубы используются в основном для охлаждения рабочих элементов электроустановок работающих в теплонагруженном режиме. Например центробежные тепловые трубы используются для охлаждения асинхронных двигателей с короткозамкнутым литым ротором (рис. 14), благодаря использованию ТТ в роторе появилась возможность электрического регулирования скорости вращения двигателя [15].

Рис. 14. Асинхронный двигатель с ТТ : 1- жидкость; 2 – вращающийся вал;

В ряде специальных асинхронных двигателях применение ТТ позволило снизить тепловое сопротивление ротора, за счет чего увеличился тепловой поток от статора к ротору и соответственно уменьшилась температура обмотки статора. Находят применения и классические тепловые трубы с капиллярным насосом для охлаждения обмоток статоров электрических машин. В электротехнической промышленности ТТ успешно применяются для охлаждения высокоскоростных медных контактных выключателей. Так же их применение возможно и для охлаждения трансформаторов, как воздушных, так и маслонаполненных различной мощности. Разработаны системы охлаждения электронных приборов с помощью ТТ, системы тиристоров, устройств для подвижных систем выпрямления, и т.д. [15, 16].

1.5. Применение тепловых труб в электротермии.

В плавильных и нагревательных электротермических установках (ЭТУ) имеются теплонагруженные конструктивные элементы, охлаждение которых связано с определенными трудностями.

В Высшей Технической Школе Ильменау была спроектирована экспериментальная индукционная установка, а именно индуктор с испарительным охлаждением [19, 20, 21]. Характерной особенностью данной установки было то, что индуктор для охлаждения имел 2 отвода, по одному из них образующийся пар поступал в теплообменник, отдавая свое тепло вторичному теплоносителю и в виде конденсата возвращаясь по второму отводу в индуктор. В итоге получалось, что при повышении потерь до 15% и увеличении общего потребления электроэнергии на 2-2,5%, происходил более качественный отбор тепла, что в будущем дает такой установке возможности эффективного технологического использования и обеспечивает значительный экономический эффект.

Так же с целью повышения технико-экономических показателей проведены значительные исследования и внедрения испарительных систем охлаждения дуговых печей, а именно охлаждение наиболее теплонагруженных узлов дуговой электропечи: сводовое кольцо, электродержатели, корпус электропечи.

Кроме этого ТТ внедряются и во вторичные процессы обработки материала, например в кислородном конверторе для увеличения срока службы фурмы (устройства через которое подается кислород), концы которой при больших тепловых потоках от расплава испытывают значительную тепловую нагрузку.

Свойства тепловых труб обеспечивать равномерность температур на внутренней поверхности используется и для создания изотермических печей для выращивания монокристаллов.

Одновременно с этим производились эксперименты и разработки для внедрения тепловых труб в электротермии одним из основных научно исследовательских учреждений в этой области – ВНИИЭТО. Одним из таких применений стало внедрение испарительного охлаждения для отвода тепла от расходуемого электрода вакуумной дуговой печи.

Кроме этого во ВНИИЭТО проводились экспериментальные исследования по внедрению тепловых труб в холодный тигель индукционных установок.

Экспериментальная установка (рис. 15) представляла собой секцию ХТ, в качестве теплоносителя использовалась дистиллированная вода, контроль давления осуществлялся с помощью манометра. Исследовались различные конструкции секции ХТ: со вставкой, позволяющей разделить потоки пара и конденсата и без нее. Результаты исследований (табл. 2) подтвердили возможность использования тепловых труб в качестве системы охлаждения для отвода тепла от Рис. 15. Схема экспериментальной установки ВНИИЭТО 1 – модель, секция ХТ; 2 – вторичный контур охлаждения; 3 – манометр; 4 – выводы; термоэлектрического датчика; 5 – электронный потенциометр; 6 – индуктор; 7 – металлическая болванка; Г – генератор; С – емкость.

Табл. 2. Результаты экспериментальных исследований ВНИИЭТО Измеряемая величина Отводимое тепло во вторичном Удельная нагрузка в зоне испарения, Вт/см Так же нельзя не отметить некоторые разработки, проводившиеся в московском энергетическом институте (МЭИ), например диссертационные исследования Макарова А.Ю. на тему «Разработка индукционных устройств косвенного нагрева с использованием тепловых труб для термообработки железобетонных изделий» [23,24,25].

1. Анализ литературы по характеристикам, методам расчета, особенностям конструкции и применения тепловых труб.

2. Разработка вариантов конструкции двухконтурной системы охлаждения холодного тигля, с использованием принципа тепловой трубы для вакуумных ИПХТ.

3. Разработка методики расчета двухконтурных систем охлаждения для ИПХТ.

4. Экспериментальные исследования двухконтурной системы охлаждения холодного тигля с целью подтверждения разработанной методики расчета.

5. Разработка технического предложения на создание системы двухконтурного охлаждения холодного тигля для индукционной установки мощностью кВт с рабочей температурой до 2000°С.

ГЛАВА II. Особенности применения двухконтурной системы охлаждения по принципу ТТ в ХТ индукционной вакуумной печи.

Типовая методика расчета индукционной печи с холодным тиглем включает в себя электрический и тепловой расчеты параметров системы «индуктор - проводящий тигель – загрузка», в которых рассчитывается потребляемая энергия рабочего процесса, электрические и тепловые потери.

В расчет потерь входит и расчет охлаждения ХТ [21,22,23].

Существующие методы расчета двухконтурных систем охлаждения с достаточной степенью точности описывают все процессы [11], происходящие в них и дают надежные значения рабочих характеристик, но они не учитывают тех особенностей их работы, которые возникают в ней при охлаждении секции холодного тигля:

работа в электромагнитном поле индуктора;

эксцентричное расположение секции ХТ относительно оси индуктора;

возврат конденсата в зону испарения под действием массовой силы, поэтому работа ТТ и предельное значение передаваемой мощности в сильной степени зависит от количества теплоносителя и условии течения пленки конденсата;

расположение зоны конденсации (теплообменника).

Так как задачей диссертационной работы является замена проточной (одноконтурной) системы охлаждения на двухконтурную испарительную, то задачей следующей главы является рассмотрение вопроса применения ТТ в условиях работы ИПХТ и разработка модели для расчета систем охлаждения холодного тигля индукционной печи работающей по принципу тепловой трубы.

2.2. Особенности конструкции системы двухконтурного охлаждения на основе ТТ.

Конструктивное исполнение системы двухконтурного охлаждения (тепловой трубы) определяется начальными условиями, т.е. рабочими условиями (отводимый тепловой поток, рабочая температура, габаритный размер и т.д.).

После определения рабочих условий определяется сама конструкция, форма и т.д. Тепловая труба состоит из 4-х компонентов:

Герметичная трубка (обычно цилиндрическая) – рабочий объем фазового перехода жидкости.

Фитиль – приспособление, располагающееся в объеме трубки и увеличивающее интенсивность процесса теплообмена.

Теплообменник – вторичный контур охлаждения, который вместе с верхней частью трубки обеспечивает конденсацию теплоносителя.

Теплоноситель – жидкость отводящая тепло.

Основная идея использования двухконтурного охлаждения в ХТ при постановке задачи заключалась в использовании секции ХТ как объема для тепловой трубы, поэтому в качестве рабочего объема будет использованы медные трубки арочного профиля, из которых обычно и состоит тигель.

Фитиль тепловой трубы имеет несколько назначений: обеспечение каналов для возврата жидкости из конденсатора в испаритель, обеспечение площади пор на поверхности раздела фаз для создания капиллярного давления, необходимого для перекачивания жидкости, улучшение передачи тепла теплопроводностью от внутренней стенки корпуса к поверхности раздела жидкость – пар. Обычно он применяется в системах с затрудненным возвратом теплоносителя из зоны конденсации и представляет собой различные конструкции (рис. 16), поэтому в условиях вертикальной тепловой трубы, т.е. когда возврат теплоносителя происходит под действием гравитационных сил, применение фитиля возможно избежать.

Рис. 16. Формы фитилей, используемых в тепловых трубах.

а – полая артерия; б – спиральная артерия; в – каналы; г – сетка; д – кольцевой концентрический канал; е – серповидный кольцевой канал; ж – каналы и сетка; 1 – паровой канал;

2 – сетчатый фитиль для возврата жидкости; 3 – радиальные канавки; 4 – продольные канавки для возврата жидкости; 5 – сетка с продольными проволоками, прижатая к стенке;

6 – сетка с продольным проволочным каркасом; 7 – каналы для возврата жидкости; 8 – сетчатые фитили с дистанционирующей вставкой; 9 – вставка из нержавеющей стали, припаянная к трубе; 10 – серповидный канал для возврата жидкости; 11 – сетчатый фильтр, припаянный к трубе; 12 – сетчатый фильтр прижатый к трубе.

Теплообменник обеспечивает конденсацию теплоносителя обратно в зону испарения, т.е. следующие его параметры, как скорость циркулирования теплоотводящей жидкости, площадь теплосъема, имеют определяющее значение в процессе теплообмена двухконтурного охлаждения.

В случае с вакуумной индукционной печью теплообменник, или вторичный контур охлаждения, согласно поставленным задачам (обеспечение безопасности и надежности конструкции), по возможности стоит располагать как можно дальше от теплонагруженного узла установки, что позволит не только снизить вероятность возникновения аварийной ситуации, но и эффективнее контролировать процесс охлаждения тигля.

Главным фактором при выборе материалов для корпусов тепловых труб является их совместимость с теплоносителем. Это обстоятельство имеет очень важное значение, так как может происходить непрерывное ухудшение эффективности в результате химической реакции или разложения теплоносителя, коррозии или эрозии корпуса.

Химическая реакция или разложение теплоносителя может привести к выделению неконденсирующегося газа. Конкретным примером такого явления может служить гидролиз воды, приводящий к выделению газообразного водорода в водно-алюминиевой тепловой трубе. В обычной тепловой трубе весь неконденсирующийся газ увлекается в зону конденсатора, выводя тем самым часть конденсатора из работы [11, 16].

Твердые частицы, образующиеся в результате коррозии и эрозии корпуса, переносятся движущейся жидкостью в зону испарителя и осаждаются там. Это ведет к увеличению сопротивления движению жидкости в испарителе, что, в свою очередь, приводит к снижению переносимой тепловой мощности ТТ.

Пока не существует строгой теории, которая давала бы возможность предсказания совместимости материалов. Однако были проведены широкие испытания на тепловых трубах для эмпирического определения совместимости материалов. В табл. 3 представлены данные по совместимости комбинаций теплоноситель – металл. Она может быть использована для выбора материалов корпуса. Для ХТ, который обычно собирается из труб медного и стального (нержавеющая сталь) профиля самым подходящим теплоносителем является вода (см. табл. 3). Обычно в водяных ТТ как и в системах с проточным водяным охлаждением к теплоносителю предъявляются повышенные требования к химическому составу, а в некоторых случаях требуют применения дистиллированной воды.

Табл. 3. Совместимость комбинации материал корпуса – теплоноситель.

Рабочее тело Алюминий Медь Железо Никель Нержав. Титан Метан CH Аммиак NH Натрий Na Примечания: ** С – совместимы, Н – несовместимы, *** – возможно выделение водорода.

Для выбора теплоносителя материала существуют критерии выработанные из теории и практики применения ТТ:

1. Теплоноситель, как и ТТ в целом должен обеспечивать передачу большого количества тепла в осевом направлении. Для этого он должен обладать высокой теплотой парообразования, иметь большой коэффициент поверхностного натяжения, высокую плотность пара при рабочих температурах и не высокую вязкость в жидком состоянии. Критические параметры жидкости должны быть выше рабочих, так как с увеличением температуры поверхностное натяжение и теплота парообразования уменьшаются.

2. Давление пара теплоносителя при рабочей температуре должно быть высоким, чтобы обеспечить большой перенос тепла и малый перепад температуры по длине.

3. Теплоноситель должен иметь высокую чистоту, так как загрязнения могут снизить поверхностное натяжение, смачиваемость и увеличить коррозионные свойства теплоносителя. Следует отметить, что некоторые примеси наоборот оказывают благоприятное воздействие на работу ТТ, увеличивая ее смачиваемость. Иногда примеси добавляют для химической очистки теплоносителя.

4. Вместе с другими свойствами приходится учитывать токсичность и взрывоопасность теплоносителя. Хоть и его количество в объеме ТТ обычно мало, безопасность работы с ним имеет важное значение при изготовлении ТТ их испытании и использовании.

К настоящему времени существуют ТТ с различными видами теплоносителей: от криогенных жидкостей до жидких металлов. По этому признаку тепловые трубы можно разбить на криогенные (рабочая температура от -205 до 400С), низкотемпературные (рабочая температура от -60 до 1800С), среднетемпературные (рабочая температура от 150 до 6000С), высокотемпературные (рабочая температура от350 до 24000С). Поэтому кроме совместимости материалов, эффективному переносу тепла за счет скрытой теплоты парообразования способствует температурный режим рабочего процесса, т.е. существует диапазон температур, в котором теплоноситель наиболее эффективно переносит тепловую энергию (см. табл. 4). У воды как видно из таблицы рабочий диапазон температур лежит от 40 до 180°С, за верхним пределом (от 200°С) начинается диапазон высоких давлений водяного пара, который не выдержит конструкция тепловой трубы. В этом рабочем диапазоне температур можно менять давление внутри герметичной полости секции ХТ, тем самым регулируя температуру трубки и точку кипения воды. Так же, в зависимости от рабочей температуры воды изменяются ее теплофизические свойства [33, 34].

Рабочий диапазон температуры секции ХТ при применении воды в качестве теплоносителя как показали исследования [22], лежит в пределах 100 С, кроме воды для этого диапазона температур возможно применить такие теплоносители как: ртуть, сера и металлы, цезий, калий, натрий. Но для этих теплоносителей температура трубки будет выше, а для металлов существует вероятность увеличения электрических потерь в связи с наличием электромагнитного поля (металлические теплоносители обычно используются в высокотемпературных тепловых трубах с рабочей температурой от 400 0С).

Табл. 4. Экспериментальные данные рабочего диапазона температур некоторых теплоносителей.

Теплоноситель Еще одним преимуществом ТТ является такое понятие как трансформация теплового потока. Суть этого эффекта заключается в том, что за счет увеличения площади зоны конденсации в отношении к зоне испарения можно снизить плотность отводимого теплового потока при той же компенсируемой мощности. Процесс переноса тепла из зоны испарения в зону конденсации происходит за счет скрытой теплоты парообразования практически без потерь, поэтому, в независимости от теплонагруженной площади, возможно регулировать площадь конденсации, а соответственно и плотность отводимого теплового потока. Что невозможно при проточной, одноконтурной схеме водоохлаждения, т.к. площадь теплонагруженной зоны в ней мала наиболее благоприятным режимом охлаждения является режим пленочного кипения, при котором в канале охлаждения необходимо обеспечивать большие скорости потоков воды, соответственно расход воды увеличивается.

Среди конструкционных особенностей ТТ стоит отметить участок соединяющий зоны испарения и конденсации – транспортную зону. Транспортная (адиабатная) зона, это зона переноса пара в зону конденсации и стекания конденсата в зону испарения. Как показали исследования ТТ [38, 39, 40] длина этой зоны никак не влияет на процесс переноса тепла т.е. этот участок в отличие от других зон может быть длинным (в некоторых ТТ, при относительно малой зоне испарения он достигает 4 м). Поэтому длина этой зоны ограничена только количеством теплоносителя, которого должно быть достаточно, чтобы смочить весь путь возвращения конденсата в испарительную зону. В отличие от длины этого участка диаметр транспортной зоны оказывает прямое воздействие на процесс теплообмена, т.к. большинство ограничений по максимально переносимому тепловому потоку связано с диаметром транспортного канала.

Стоит отметить, что существует еще одна характеристика, оказывающая влияние на переносимый тепловой поток – степень заполнения ТТ рабочим телом (теплоносителем). Как показали различные изыскания в этой области [16, 18] такая зависимость существует.

В случае вертикального расположения ТТ существуют два режима заполнения рабочего пространства теплоносителем:

внутренняя поверхность термосифона покрыта пленкой жидкости;

внутренняя поверхность термосифона покрыта пленкой жидкости, но в испарительной зоне находится некоторое количество жидкости.

Рекомендации, основанные на проводившихся исследованиях, говорят о том, что в случае заполнения теплоносителем 25% от общего объема теплонагруженной поверхности, эта величина не оказывает влияния на предельный тепловой поток. Если площадь конденсатора превышает площадь испарительной зоны, то степень заполнения следует увеличить до 50%. В нашем случае, при наличии больших потоков тепла следует увеличить степень заполнения до 100% т.к. для того, чтобы заработала ТТ необходимо небольшое время, но его может оказаться достаточно, чтобы произошел прожег участка выше уровня теплоносителя.

2.3. Особенности работы тепловой трубы в индукционных системах.

Немаловажную роль в процессах теплообмена в ТТ играют ограничения по передаваемой тепловой мощности, или предельного теплового потока, которые необходимо учитывать при расчете, и которые связаны с определенными физическими эффектами:

Звуковой предел. В ТТ с постоянным диаметром парового канала поток ускоряется или замедляется из-за подвода паров в испарителе и отвода в конденсаторе. Однако достигать ускорение течения пара не следует, т.к. из-за высоких скоростей пара может происходить запирание потока, при высоких скоростях благодаря сжимаемости потока возникает большой температурный градиент в осевом направлении. Контроль скорости пара осуществляется с помощью числа Маха, устанавливающего взаимосвязь между подводимым теплом и скоростью течения пара при числе маха 0,2 пар считают несжимаемым и температурный перепад в осевом направлении становится пренебрежительно мал. Если число маха 0,2 необходимо увеличить диаметр парового канала.

Ограничение мощности уноса жидкости потоком пара. Данное ограничение связано со скоростью пара, т.е. при достаточно большой скорости пара может происходить унос возвращающейся жидкости обратно в зону конденсации. Обычно данное ограничение характерно в большей степени для систем с фитилем.

Ограничение по кипению связано с тем, что при приближении тепловой нагрузки к критической у зеркала испарения скапливается большое количество частично слившихся пузырьков пара, что препятствует выхода пара в паровое пространство. В результате возрастает паросодержание. Пузырьки образуют большие паровые области, которые соизмеримы с диаметром транспортной зоны ТТ. Стекающая пленка взаимодействует с областями пара и происходит разрыв пленки. Образуются сухие участки на стенках, что затрудняет процесс возврата конденсирующейся жидкости [35].

Для материала тигля существует такое понятие как критический тепловой поток, связанный с возможностями материала воспринимать тепловую нагрузку. Кроме этого, при использовании секции ХТ как тепловой трубы существует ограничение на прочность трубок в случае большого перепада давления. Перепад давления в трубе зависит от многих факторов (количество теплоносителя, площади зон испарения и конденсации, тепловым потоком). В расчете изменение перепада давлений можно проследить по перепаду температур в ТТ.

2.4. Процесс теплопереноса в ТТ с учетом особенностей работы При работе ТТ в качестве секции ХТ рассматривается сложный процесс теплопередачи. Тепловой поток, воспринятый стенкой ХТ, передается жидкому теплоносителю через теплопроводность с испарением, затем образовавшийся пар транспортируется по адиабатной (транспортной) зоне в конденсатор, где передает свое тепло конденсатору теплопроводностью с конденсацией, далее тепловой поток отводится во вторичном контуре водоохлаждения. При установившемся тепловом равновесии, количество тепла, переданное от горячей стенки секции теплоносителю, равно количеству тепла, отданному в конденсаторе охлаждающей воде во вторичном контуре охлаждения (см. рис. 17).

Рис. 17. Блок-схема теплопереноса в двухконтурной системе охлаждения ХТ вакуумной индукционной печи.

Для упрощения разделим его на несколько последовательных процессов.

Зона испарения. В зоне испарения тепловой поток теплопроводностью передается от расплава к стенке секции ХТ (рис.18).

Уравнение теплопроводности для цилиндрической стенки примет вид:

где Lи, - геометрические размеры трубки испарителя, - теплопроводность трубки испарителя, Для процесса испарения теплоносителя (рис. 18) необходимо задать граничные условия, согласно которым тепловой поток для пленки жидкости в зоне испарения будет равен (гр. условия 3-го рода):

жидкости с фазовым переходом в зоне испарения для случая пузырькового кипения в вертикальных трубах, т.к. режим пузырькового кипения, в отличие от пленочного кипения, является предпочтительным из-за более интенсивной теплоотдачи [29, 30], - теплопроводность рабочего тела (пара), С2 - теплоемкость рабочего тела (пара), - плотность теплоносителя в жидком и парообразном состоянии, - коэффициент кинематической вязкости рабочего тела (пара), Fисп перепад температур пленки жидкости в зоне испарения.

Транспортная зона. Течение пара в транспортной зоне, это достаточно сложный процесс, в большинстве случаев течения поток пара можно считать ламинарным и несжимаемым с пренебрежимо малыми динамическими эффектами, а распределение теплового потока вдоль испарителя и конденсатора считать равномерным. Уравнение для теплового потока переносимого паром примет вид [11]:

Зона конденсации. В зоне конденсации тепловой поток передается от перегретого пара стенке с вторичным контуром охлаждения теплопроводностью с конденсацией теплоносителя (рис. 19).

Тепловой поток для пленки конденсата на поверхности конденсатора будет выражаться граничными условиями 3 рода:

вдоль стенки конденсатора для вертикальных труб [29, 30], Fконд – площадь конденсатора, – температурный перепад пленки конденсата, (t п.к tп ) – теплопроводность теплоносителя в жидком состоянии, – степень сухости пара, rк – внутренний радиус конденсатора, – коэффициент кинематической вязкости рабочего тела (жидкости), Через стенку конденсатора тепло передается теплопроводностью, и уравнение теплопроводности для цилиндрической стенки примет вид [11]:

– теплопроводность трубки конденсатора, Все теплофизические свойства теплоносителя в жидком и парообразном состоянии принимаются при действующих средних температурах каждой из зон в отдельности. Обычно температурный перепад по пару пренебрежительно мал (тепловое сопротивление соответственно тоже невелико), поэтому этой составляющей можно пренебречь.

Из выражений для теплового потока можно получить перепад температур между испарителем и конденсатором, складывая температурные перепады участков:

1) Температурный перепад стенки секции ХТ:

2) Температурный перепад пленки жидкости в зоне испарения:

3) Температурный перепад пленки конденсата:

4) Температурный перепад стенки конденсатора:

В результате сложения получаем:

Откуда выводим выражение для теплового потока в общем виде:

термическое сопротивление, которое складывается из термических сопротивлений отдельных участков:

термическое сопротивление стенок испарителя:

термическое сопротивление фазового перехода в зоне испарения:

термическое сопротивление фазового перехода в зоне конденсации:

термическое сопротивление стенок конденсатора:

термическое сопротивление парового канала в транспортной зоне:

Для случая с вертикальной тепловой трубой из всех ограничений в секции ХТ, кроме проверки парового потока на не сжимаемость (звуковой предел), действует ограничение по кипению, которое является определяющим, т.к. накладывает ограничение на плотность теплового потока в радиальном направлении. Ограничение, как уже было описано выше, связано с тем, что режим кипения переходит из пузырькового в пленочный, который приводит к ограничению отводимого тепла. Выражение по ограничению передаваемого теплового потока примет вид [11,16,36,38]:

где t s – температура насыщения пара;

rпуз – радиус пузыря;

поверхностное натяжение.

Для проверки пара на сжимаемость воспользуемся выражением для определения числа Маха:

где – показатель адиабаты, Rп – постоянная пара, Т п – температура пара.

Таким образом расчет заключается в проверке возможности принятой конструкции ТТ (секции ХТ) отводить тепловой поток (проверка на ограничения по максимальному тепловому потоку и давлению внутри герметичной полости ТТ), действующий в технологическом процессе (плавка, нагрев, и т.д.), определении тепловых сопротивлений каждого участка (см. рис. 19) и температур зон (испарения, конденсации, транспортной) [11].

В рассмотренной модели теплопереноса (рис. 17), тепловой поток распространяется от расплава в секцию ХТ (арочный профиль), равномерно распределяется по всей теплонагруженной поверхности и уносится за счет скрытой теплоты парообразования из зоны испарения в зону конденсации. Для представления распределения теплового потока в секции ХТ построим модель такого процесса в программном пакете ELCUT.

Для этого упростим и сведем к простой задаче нестационарной теплопроводности:

где граничными условиями такой задачи будут:

тепловой поток от расплава – q gradT ;

электрические потери в секции ХТ в качестве внутреннего источника тепловыделения – qv ;

охлаждение секции двухконтурной системой охлаждения – qо (Tc Tж).

двухконтурного охлаждения (коэффициент теплоотдачи возьмем из расчета для ИПХТ емкостью 3 кг) и за счет конвективного теплообмена противоположной стенки арочного профиля (коэффициент теплоотдачи примем, как для естественной конвекции). Для упрощения исключим решение электромагнитной задачи и, воспользовавшись данными расчета [5], представим электрические потери в качестве тепловыделения в объеме секции.

Табл. 5. Исходные данные для расчета в ELCUT.

Средний коэффициент теплоотдачи в зоне испарения секции ХТ – исп, Одним из важных этапов построения модели в ELCUT является конечноэлементоной сетки. Частота разбиений сетки (число конечных элементов) влияет на точность расчета, регулировать сетку возможно с помощью шага дискретизации в вершинах модели, задавая его в ручную. В данном случае использовалась автоматическая сетка (рис. 21), т.к. поставленная задача была простой и не требовала большой точности.

1– сетка, 2 – секция ХТ, 3 – граница теплоотдачи конвекцией, 4 – граница теплопередачи от расплава, 5 – граница двухконтурного охлаждения секции ХТ.

В результате получилось следушее распределение температурных полей:

Рис. 22. Распределение температурных полей в секции ХТ ELCUT.

Тепловой поток от расплава нагревает внешнюю поверхность секции ХТ до температуры 227°С, далее он распространяется внутрь секции где отводится при помощи двухконтурного охлаждения температура в полости охлаждения 167 °С. Как видно из распределения тепловых полей теплосъем вдоль поверхности охлаждения неравномерен, от 167 °С до 160 °С, вместе с тем данный перепад температур несущественен, поэтому для расчета возможно пользоваться усредненным значением температур для этого участка.

Для предложенной расчетной модели определены конструктивные параметры, способные повлиять на теплообмен в системе двухконтурного охлаждения ХТ индукционной вакуумной печи: геометрические размеры зоны конденсации (площадь), диаметр и длина канала транспортной зоны, материал и совместимость секции ХТ и теплоносителя, степень заполнения.

Составлена модель по распределению теплового потока в секции ХТ для подтверждения условия принятого в расчетной модели. Моделирование в программном пакете ELCUT подтвердило распределение тепловых потоков в секции ХТ предложенное в расчете. Адекватность математической модели необходимо подтвердить экспериментальными исследованиями.

ГЛАВА III. Экспериментальные исследования теплотехнических характеристик холодного тигля с двухконтурным охлаждением.

В результате теплового расчета двухконтурной системы охлаждения, была получена конструкция секции ХТ в качестве тепловой трубы с удовлетворяющими характеристиками. Для проверки адекватности расчетной математической модели, определения работоспособности системы двухконтурного охлаждения и ее теплотехнических характеристик необходимо провести экспериментальные исследования на опытном образце. Но для начала необходимо определить задачи исследования:

разработка методики экспериментальных исследований;

уточнение полученных характеристик в рабочих условиях;

проведение эксперимента при различных степенях заполнения теплоносителем и различных значениях удельного теплового потока в зоне испарения;

снятие электрических и тепловых потерь в секции ХТ с испарительным охлаждением;

подтверждение адекватности расчетной математической модели.

3.2. Описание экспериментального стенда и состава оборудования.

Экспериментальный стенд представляет собой систему из преобразователя частоты, конденсаторной батареи и узла нагрева, состоящего из: индуктора, опытного образца (секции ХТ с двухконтурным охлаждением), загрузки (металлической болванки) и теплоизоляции. Блок схема и электрическая схема стенда представлены на рис. 23 и рис. 24.

1 – тиристорный преобразователь частоты, 2- батарея конденсаторов, 3- индуктор, 4- секция ХТ с двухконтурным охлаждением, 5- измерительные приборы, 6- загрузка.

Рис. 24. Электрическая схема экспериментального стенда.

Конструктивно экспериментальный стенд (рис. 21) можно разбить на несколько частей:

источник питания – тиристорный преобразователь частоты 8000 Гц;

батарея конденсаторов емкостью 450 кВар;

измерительная аппаратура:

хромель-алюмелевая индуктор, 6 витков с внутренним диаметром 200 мм, выстой 160 мм.

опытный образец (рис. 25) - медная трубка ХТ с двухконтурным охлаждением, расположенная внутри тигля.

Рис. 25. Секции холодного тигля (трубка с двухконтурным охлаждением).

1 - арочный профиль, 2 - система вторичного охлаждения, 3 - теплообменник, 4 - технологический патрубок, 5 - штуцер водоохлаждения.

3.3. Разработка методики экспериментальных исследований.

Согласно поставленным целям эксперимента необходимо разработать подход к их достижению. Поэтому целесообразно разработать методику экспериментальных исследований секции ХТ с двухконтурным охлаждением.

Методику проведения исследований на опытном образце можно представить в следующем виде:

Первый этап эксперимента проходит с 100% заполнением секции ХТ с двухконтурным охлаждением. В ходе эксперимента проводящий материал (загрузка) помещается в тигель и нагревается до температуры предплавления (1300-1400°С).

Для последующего анализа экспериментальных и расчетных данных в ходе эксперимента необходимо снять следующие данные:

тепловые и электрические потери в секции ХТ с двухконтурным охлаждением;

давление в секции с двухконтурным охлаждением;

температуры зон испарения и конденсации.

Термометры, секундомер, манометр, термопары.

Тепловые и электрические потери измеряются методом калориметрирования, т.е. при нагреве металла в секции с испарительным охлаждением в теплообменнике измеряется температура воды на выходе и на входе, далее используя формулу:

где с- теплоемкость, m-масса воды, вычисляется выделяющееся тепло. При делении полученного значении на время замера получится мощность суммы тепловых и электрических потерь. Чтобы разделить тепловые и электрические потери необходимо отключить экспериментальную установку и провести замеры калориметрированием еще раз. Полученная таким образом мощность будет равна тепловым потерям в секции ХТ с двухконтурным охлаждением. Давление в секции измеряется с помощью манометра установленного на верху трубки, на технологическом патрубке (см. рис. 25). Температуры зон измеряются с помощью термопар установленных в секции.

II ЭТАП

Второй этап эксперимента проходит с 80 % заполнением секции ХТ с двухконтурным охлаждением. В ходе эксперимента проводящий материал (загрузка) помещается в тигель и нагревается до температуры предплавления.

Для последующего анализа экспериментальных и расчетных данных в ходе эксперимента необходимо снять следующие данные:

тепловые и электрические потери в секции ХТ с двухконтурным охлаждением;

давление в секции с двухконтурным охлаждением;

температуры зон испарения и конденсации.

Термометры, секундомер, манометр, термопары.

Способ измерения аналогичен измерениям, проводившимся на первом этапе исследований.

Методы контроля безопасности эксперимента Следует внимательно следить за показаниями приборов в случае превышения допустимых значений температуры и давления необходимо отключить установку.

В экспериментальных исследованиях использовалась секция ХТ с двухконтурным испарительным охлаждением (рис. 26) со следующими геометрическими данными:

Табл. 6. Геометрические размеры экспериментального образца.

Площадь зоны испарения Площадь зоны конденсации Секция была помещена в тигель индукционной печи вплотную с нагреваемой заготовкой (рис. 27), трубой из нержавеющей стали. Эксперимент проводился в два этапа:

На первом этапе мощность, выделяющаяся в загрузке, была равной 8 кВт, а заготовка нагрелась до 1100°С.

На втором этапе эксперимент проводился с удвоенной мощностью, выделяющейся в загрузке, 16 кВт, а заготовку удалось разогреть до температуры предплавления (1300-1400°С).

Рис. 27. Секция ХТ в системе индуктор-загрузка.

Рис. 28. Последовательная фотоиллюстрация процесса нагрева заготовки на первом этапе проведения эксперимента. а) начальный этап, б) прогрев до 400 °С.

Рис. 29. Последовательная фотоиллюстрация процесса нагрева заготовки на первом этапе проведения эксперимента. а) нагрев до 700°С, б) прогрев до 1100 °С.

Рис. 30. Последовательная фотоиллюстрация процесса нагрева заготовки на втором этапе проведения эксперимента. а),б) - нагрев заготовки до 1000°С, Рис. 31. Последовательная фотоиллюстрация процесса нагрева заготовки на втором этапе проведения эксперимента. а) нагрев заготовки до температуры предплавления 1300-1400°С; б) замер тепловых потерь в опытном образце.

Рис. 32. Результат нагрева первой загрузки (нержавеющей трубы) до 1100 С.

Рис. 33. Результат нагрева второй загрузки (нержавеющей трубы) до 1400 С.

Результаты эксперимента удобно будет разбить по этапам эксперимента:

Табл. 7. Результаты эксперимента, I ЭТАП.

а) Заполнение секции ХТ 80% б) Заполнение секции ХТ 100% а) Общие потери:

Рт с v (t вых t вх ), где с – теплоемкость теплоносителя;

б) Общие потери:

с v (t вых t вх ), где с – теплоемкость теплоносителя;

Табл. 8. Результаты эксперимента, II ЭТАП.

а) Заполнение секции ХТ 80% б) Заполнение секции ХТ 100% а) Общие потери:

Рт с v (tвых tвх ), где с-теплоемкость теплоносителя;

Температура на выходе Температура на входе Расход воды в охлажвторичного контура вторичного контура ох- дающем контуре, л/сек б) Общие потери:

Рт с v (t вых t вх ), где с-теплоемкость теплоносителя;

Температура на выходе Температура на входе Расход воды в охлажвторичного контура вторичного контура ох- дающем контуре, л/сек 3.6. Сравнительный анализ полученных данных.

В связи с тем, что эксперимент проводился в других условиях (вместо расплавления, заготовка нагревалась до температуры предплавления 1400С) для анализа экспериментальных данных был сделан расчет. Исходные данные для расчета (тепловые и электрические потери) были пересчитаны для случая нагрева заготовки до 1400 Результаты расчета представлены в табл.9.

Табл. 9. Расчетные данные ИПХТ 3 кг.

Основные исходные данные для расчета Высота загрузки, м Частота источника питания, Гц Напряжение источника питания, В Температура процесса в ХТ, С Количество секций тигля по эскизу Площадь зоны испарения, м Площадь зоны конденсации, м Степень заполнения % Температура на стенке холодного тигля, С Мощность которую необходимо отвести от ХТ, кВт Мощность отводимая от 1 секции ХТ, кВт Тепловой поток отводимый от 1 секции, Вт/cм Расход воды на охлаждение секции ХТ, л/сек Давление в секции ХТ, кПа Для сравнения полученных данных все основные параметры сравнения можно представить в виде сводной таблицы:

Табл. 10. Сводная таблица результатов расчета и экспериментов.

Расчетные данные Эксперимент Расчетные данные В таблице представлены основные параметры, позволяющие оценить адекватность построенной расчетной модели. Удельный тепловой поток в теплонагруженной зоне и отводимое тепло во вторичном контуре связаны между собой, так как согласно теории ТТ и построенной модели, тепло передающееся от расплава равно теплу, которое отводится во вторичном контуре. Благодаря такой зависимости удалось вычислить тепловой поток, который соответствует температуре нагрева загрузки. В расчетных данных это значение определялось из расчета (электрического и теплового) печи. Как видно из таблицы, значения тепловых потоков на втором этапе эксперимента и значения расчета совпадают (погрешность 9%). Так же совпадают с расчетными данными, и находятся в пределах допустимого значения температура и давление секции ХТ. Стоит отметить, что и в расчете и в эксперименте был получен низкий расход воды (0, и 0,04 л/с).

Экспериментальные исследования проводились для нагрева заготовки, а не расплавления, т.е. плотность теплового потока в теплонагруженной зоне была меньше, чем в условиях работы вакуумной печи. Для подтверждения адекватности расчетной модели в широком диапазоне теплового потока обратимся к экспериментальным исследованиям, проводившимся во ВНИИЭТО [22]. Рассчитаем секцию ХТ из эксперимента, результаты представлены в табл. 11.

Табл. 11. Сравнение расчета с экспериментом ВНИИЭТО.

Эксперимент Как видно из таблицы, методика расчета с достаточной степенью точности позволяет рассчитать систему двухконтурного охлаждения ХТ и в случае расплавления загрузки.

По итогам проведенных расчетов для различных экспериментом можно сделать вывод об адекватности разработанной расчетной модели в диапазоне нагревательных и плавильных установок.

Отличием исследований, проведенных в данной работе, от ранее проводившихся исследований, является максимальное приближение условий эксперимента и конструкции опытного образца к рабочему варианту, а именно:

односторонняя тепловая нагрузка (несимметричное расположение секции относительно заготовки);

материал образца, как и материал наиболее распространенной конструкции ХТ – медь;

экспериментальная секция ХТ сделана из неравностенной трубки, так называемого арочного профиля;

температура процесса исследований максимально приближена к рабочему процессу;

использовались различные потоки охлаждения вторичного контура;

эксперимент проводился на рассчитанной модели.

Экспериментальные исследования подтвердили работоспособность рассчитанной конструкции, секция ХТ компенсирует требуемый тепловой поток и не нагревается выше предельных значений;

Полученные данные наглядно демонстрируют эффективность двухконтурного охлаждения при меньших расходах водоохлаждения для вторичного контура (в 8-10 раз меньше);

Несмотря на положительный результат, возможны дальнейшие усовершенствования системы двухконтурного охлаждения ХТ: изменение длины транспортной зоны (для выноса контура охлаждения за пределы вакуумного объема), использование различных фитилей и вставок для увеличения максимального теплового потока, который может компенсировать данная система.

ГЛАВА IV. Инженерная методика расчета систем двухконтурного охлаждения, работающего по принципу ТТ в индукционных печах с холодным тиглем.

В завершении теоретических и экспериментальных исследований по применению двухконтурной системы охлаждения в электропроводящем тигле вакуумной индукционной печи необходимо сформировать некую инженерную методику, включающую в себя методику расчета и рекомендации по конструированию двухконтурных систем в ХТ.

Методика подразумевает наличие разделов о конструкции узла охлаждения, условиях применения двухконтурного испарительного охлаждения, последовательности расчета, подтверждении результатов расчета и корректировке полученных результатов, а также отдельный раздел о различных ограничениях по применению данной методики, как на уровне параметров максимального теплового потока, температуры и давления, так и на уровне конструкции ИПХТ.

4.2. Разработка алгоритма инженерной методики по итогам теоретических Для формирования методики на основе проведенных теоретических и экспериментальных изысканий, необходимо составить последовательную цепочку основных разделов и вопросов (алгоритм), связанных с проектированием двухконтурной системы охлаждения по принципу ТТ ХТ вакуумной индукционной печи.

Алгоритм удобнее представить в виде пошаговой блок-схемы, которая будет являться основой для дальнейшего рассмотрения каждого из разделов методики в отдельности [60]. Блок-схема (алгоритм) представлена на рис. 34.

Теплоноситель.

Теплофизичерасчета.

ские данные.

Рис. 34. Блок-схема инженерной методики расчета систем двухконтурного охлаждения, работающего по принципу ТТ в ХТ.

Исходные данные для теплового расчета двухконтурной системы охлаждения ХТ можно разделить на две части: конструктивное исполнение системы охлаждения (геометрические размеры зон испарения, конденсации и транспортной зоны), теплоноситель и теплофизические данные (пара теплоноситель – материал ТТ, условия проведения процесса температура насыщения, давление и т.д).

Конструктивное исполнение системы водоохлаждения зависит как от технологического процесса, проводимого в индукционной печи, так и от плавильного пространства. Вакуумные индукционные печи с холодным тиглем используются для различных процессов повышенной частоты и в зависимости от процесса отличаются конструктивным исполнением. Методика рассчитана на гравитационную тепловую трубу, т.е. на неподвижный плавильный узел, поэтому следует обозначить конструктивные исполнения, которые отвечают этому требованию.

По производственному назначению ИПХТ можно разделить на два типа:

а) для получения металлического слитка в холодном тигле (см. рис. 35).

Рис. 35. ИПХТ для вытягивания слитка. 1 – расплав, 2 – кожух печи, 3 – индуктор, 4 – холодный тигель, 5 – слиток, 6 – поддон, 7 – механизм вытягивания слитка.

Процесс вытяжки слитка происходит в непрерывном или полунепрерывном режиме, холодный тигель зафиксирован. По достижении требуемых кондиций расплава происходит вытяжка в холодную зону или в контролируемую атмосферу, где расплав кристаллизуется в слиток. Также существуют индукционные установки для наплавления слитка, получающегося путем перемещения индуктора в вертикальной плоскости и постепенного наплавления металла.

Процесс наплавления отличается тем, что слиток остается в тигле [44-50].

б) для получения отливок.

Среди ИПХТ основными являются две конструкции, предназначенные для получения отливок: традиционная, которая предполагает поворот плавильного узла в сторону разлива в изложницу или форму, и конструкции с так называемым донным сливом (рис. 36), слив расплава в данном случае происходит через водоохлаждаемое днище тигля, т.е. ХТ также остается неподвижным [51-56].

Рис. 36. ИПХТ с разливкой через дно тигля. 1 – секция тигля, 2 – расплав, 3 – индуктор, 4 – поддон, 5 – устройство управления сливом, 6 – гарнисаж.

Как видно из описанных конструкций, для ИПХТ характерна работа в вакуумном объеме и в газовой среде, поэтому существуют ограничения по рабочему пространству печи (мало места для размещения вторичного контура теплообмена). Чтобы решить эту проблему, необходимо либо уменьшить теплообменник, либо вынести его за пределы вакуумного объема, что, безусловно, является наиболее благоприятным вариантом, так как он обладает значительными преимуществами:

удобство обслуживания и монтажа теплообменника;

возможность увеличить площадь теплообменника (тем самым уменьшить тепловой поток, снимаемый с одной секции ХТ при одинаковой снимаемой мощности);

повышение безопасности установки (чем дальше контур водоохлаждения от плавильного узла, тем меньше вероятность возникновения аварийной ситуации). Размещение теплообменника вне вакуумного пространства вообще исключает попадание потока водоохлаждения на расплавленный металл.

Одним из недостатков в конструкции ТТ с теплообменником вне вакуумного объема является неподвижное расположение плавильного узла, что характерно не для всех вакуумных печей с ХТ, например, в индукционных вакуумных печах с ХТ для получения отливок присутствует поворот плавильного узла, что затруднительно при наличии двухконтурной системы охлаждения ХТ.

В итоге конструкция двухконтурной системы охлаждения ХТ по принципу ТТ (рис. 39) представляет собой следующее:

Зона испарения (секция ХТ). Секция ХТ в данной конструкции будет представлять собой зону испарения. Как правило, секция ХТ изготавливается из неравностенной трубки медного арочного профиля, обращенной толстой стенкой (10 мм) к расплаву.

Рис. 37. Эскиз холодного тигля составленного из секций арочного профиля.

Транспортная зона. Зона переноса пара в зону конденсации и стекания конденсата в зону испарения. Длина транспортной зоны в случае с ИПХТ в зависимости от расстояния от плавильного узла до вакуумной камеры может достигать больших значений в сравнении с длиной теплонагруженной поверхности (до 1м). Диаметр этой зоны оказывает влияние на процесс теплообмена и зависит от диаметра канала охлаждения, в нашем случае внутреннего диаметра трубки арочного профиля, и хотя это строго ограниченная величина, ее можно изменять, подбирая сортамент трубок арочного профиля (приложение) и изменяя число секций в ХТ. Некоторые конструкции не имеют возможности расположить теплообменник над плавильным узлом, поэтому транспортная зона может проходить под углом.

Зона конденсации (теплообменник). Зона конденсации представляет собой область с вторичным контуром охлаждения (холодильник). Вторичный контур может быть исполнен по-разному: как цилиндр с навитой вокруг него трубкой (рис. 38 а), так и конструкция «труба в трубе» (рис. 38 б).

Основным фактором при проектировании двухконтурной системы охлаждения для ХТ является соотношение площадей зон испарении и конденсации, которое должно составлять 1:3 и более, т.е. зона конденсации больше в 3 раза, чем зона испарения. Данное соотношение необходимо, чтобы снизить тепловой поток и уменьшить расход воды во вторичном контуре охлаждения. Для удобства использования следует обеспечить конструкцию ТТ технологическим патрубком (рис. 37), который позволит заливать теплоноситель в полость ТТ и контролировать давление в ней. В целях обеспечения безопасности работы ТТ на этот патрубок необходимо поставить предохранительный клапан и электронный прибор контроля давления, чтобы при возникновении аварийной ситуации конструкция не сломалась от избыточного давления. Не исключены конструкции с расположением теплообменника под некоторым углом к вертикали, что снижает эффективность теплообмена. Для учета таких ситуаций значение коэффициента теплоотдачи вдоль вертикальной стенки в конденсаторе следует считать по формуле [11]:

где – угол наклона конденсатора.

Кроме того конструкция ТТ не исключает различные улучшения, позволяющие эффективнее отводить тепловой поток: оребрения, фитили различных конструкций, вставки, предназначенные для разделения потоков пара и конденсата (как показали исследования ВНИИЭТО, такие вставки ощутимо изменяют величину отводимой тепловой мощности) [22].

В итоге конструкция двухконтурной системы охлаждения представляет собой следующее (рис. 38): секция арочного профиля составляет ХТ индукционной печи, теплообменник размещается в зависимости от технологического процесса внутри или вне объема вакуумной камеры, теплообменник и секция соединены трубкой (транспортной зоной). Конструкция герметична, закрыта с одной стороны и имеет технологический патрубок для обслуживания с другой (наполнение секции и установка предохранительного клапана).

Рис. 39. Конструкция двухконтурной системы охлаждения ХТ.

Как и говорилось ранее во второй главе, теплоноситель оказывает большое влияние на теплообменные процессы в двухконтурных системах охлаждения, потому что является рабочим телом ТТ, именно за счет его скрытой теплоты парообразования и происходит перенос тепла. В ХТ, секции которого обычно выполняются из меди, соответствующим рабочим телом является вода, подходящая не только по эффективности пар теплоноситель-материал трубки, но и по технико-экономическим показателям (стоимости, затратам на химическую очистку). Теплофизические данные теплоносителя для расчета принимаются для рабочей температуры процесса теплообмена. В системах индукционного нагрева к воде, как теплоносителю, применяется ряд требований по химическому составу. Для охлаждения элементов электропечи должна применяться вода прямоточного или оборотного водоснабжения со стабильными параметрами по химическому составу, давлению и температуре со следующими свойствами:



Pages:   || 2 |
 


Похожие работы:

«УДК 62-83::621.314.5 МОДЗЕЛЕВСКИЙ Дмитрий Евгеньевич ЦИФРОВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ШАХТНОЙ ПОДЪЕМНОЙ УСТАНОВКИ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических наук профессор...»

«Фризен Василий Эдуардович ИНДУКЦИОННЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ИННОВАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ Специальность 05.09.10 Электротехнология Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Научный консультант : доктор технических наук, профессор Сарапулов Федор Никитич Екатеринбург 2014 Оглавление Перечень встречающихся сокращений 5 Введение 1. Аналитический обзор...»

«ГОРБИК Владислав Сергеевич СТРУКТУРА И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМЫМ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ С ОБЕСПЕЧЕНИЕМ МАКСИМАЛЬНОГО БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ПО КОНТУРУ ТОКА (МОМЕНТА) ДЛЯ ГОРНЫХ МАШИН Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы ДИССЕРТАЦИЯ на...»

«Иванов Александр Николаевич ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ УСИЛИЙ В УСТРОЙСТВАХ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ОТ ИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ Специальность: 05.09.10 – Электротехнология Диссертация на соискание учной степени кандидата технических...»

«ДИЁРОВ РУСТАМ ХАКИМАЛИЕВИЧ ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ГИДРОАГРЕГАТА МИНИ-ГЭС НА ОСНОВЕ МАШИНЫ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – к.т.н., доцент...»

«Григорьев Максим Анатольевич УДК 62-83::621.313.3 СИНХРОННЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С НЕЗАВИСИМЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ПО КАНАЛУ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ПРЕДЕЛЬНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ И ПЕРЕГРУЗОЧНЫМ СПОСОБНОСТЯМ Специальность 05.09.03 – “Электротехнические комплексы и системы” Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук Научный консультант – доктор технических наук,...»

«Пищалев Константин Евгеньевич Технология высокочастотного индукционного нагрева насадных деталей роторов турбогенераторов и паровых турбин 05.09.10 – Электротехнология Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических наук...»

«Белоусов Евгений Викторович УДК 62-83::621.313.3 ЭЛЕКТРОПРИВОД МЕХАНИЗМА ПОДАЧИ СТАНА ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ ТРУБ с СИНХРОННОЙ РЕАКТИВНОЙ МАШИНОЙ НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ Специальность 05.09.03 – “Электротехнические комплексы и системы” Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель – кандидат технических наук Григорьев М.А. Челябинск – ОГЛАВЛЕНИЕ...»

«ШЕВЧУК Антон Павлович ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГРУППОВОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ В УСЛОВИЯХ ТЕРРИТОРИАЛЬНО РАССРЕДОТОЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОПОТРЕБИТЕЛЕЙ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы...»

«Сысолятин Виктор Юрьевич УДК 621.791, 66.028 ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ КОНТРОЛЯ КОЛИЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА ПРИ ПРОТЕКАНИИ ТОКА В ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель –...»

«Масликов Павел Александрович ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ВНУТРИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ТЕЛ ПРИ ИНДУКЦИОННОМ НАГРЕВЕ Специальность: 05.09.10– Электротехнология Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель –...»

«КОРОВЧЕНКО ПАВЕЛ ВЛАДИСЛАВОВИЧ РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПРЕДПРИЯТИЯ С НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКОЙ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени...»

«БЫСТРОВ АЛЕКСЕЙ ВАДИМОВИЧ РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫБОРА СИСТЕМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ ЭКРАНОВ ОДНОЖИЛЬНЫХ СИЛОВЫХ КАБЕЛЕЙ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ИЗ СШИТОГО ПОЛИЭТИЛЕНА НА НАПРЯЖЕНИЕ 6-500 КВ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Хевсуриани И.М. Москва СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1...»

«ТИМОЩЕНКО Константин Павлович РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЦИФРОАНАЛОГОВОГО СТЕНДА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени...»

«Махалин Александр Николаевич ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ОБЪЕКТОВ ГАЗОТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук НАУЧНЫЙ...»

«РАДЬКО Сергей Иванович РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАРОВОДЯНОГО ПЛАЗМОТРОНА Специальность: 05.09.10 – Электротехнология Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – доктор технических наук,...»







 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.