УДК 621.365.4
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ВАКУУМНЫХ ПЕЧАХ СОПРОТИВЛЕНИЯ С ЭКРАННОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЕЙ
,
Россия, Москва, ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ»
В работе приводятся методики теплового расчета вакуумных печей сопротивления с экранной теплоизоляцией. Для проведения быстрого и точного теплового и экономического расчетов предлагается использовать специализированную программу «Shield Thermal Insulation».
The methodologies of temperature calculation of vacuum resistance furnaces with shield’s thermal insulation are shown. For fast and exact thermal and economic calculations it is proposed to use specialized program «Shield’s Thermal Insulation».
На стадии разработки технического задания необходимо знать, какими характеристиками будет обладать проектируемое изделие. При проектировании вакуумных печей сопротивления (ВПС) нужно иметь представление о тепловых потерях будущей установки, а также знать её приблизительную стоимость. Учитывая, что в ВПС с экранной теплоизоляцией мощность тепловых потерь обычно составляет 75…85% от мощности печи [1], то точный расчет этого параметра, безусловно, необходим при разработке новой установки, что позволит избежать завышения мощности питающего трансформатора. Всю эту информацию, естественно, можно получить расчетным путем, однако, для уточнения данных необходимо проводить очень объемные расчеты. Например, для выбора пакета экранной теплоизоляции необходимо знать распределение температур на каждом из экранов. Температура на экране зависит от состояния рабочей зоны печи, кожуха, числа экранов, а также их теплофизических свойств, которые в свою очередь сами зависят от температуры. В итоге мы имеем весьма объемную нелинейную задачу. При проведении расчетов в ручном режиме, помимо допущения ошибки, связанной с «человеческим фактором», существует вариант, при котором рассчитанная температура на одном из экранов окажется выше допустимой температуры применения выбранного материала, а, следовательно, тепловой расчет необходимо будет проводить заново. Кроме того, при инженерном проектировании, как правило, требуется произвести ряд расчетов для разных комплектов теплоизоляций с целью определения оптимального, на что также потребуется затратить много времени.
Для решения обозначенных проблем на кафедре ФЭМАЭК Московского Энергетического Института авторами была разработана специализированная программа Shield’s Thermal Insulation (STI), которая с момента создания стала активно применяться как в учебных, так и в производственных целях, в связи с её многофункциональностью и простотой в использовании.
Программа позволяет решать следующие задачи:
1. Расчет мощности тепловых потерь и распределения температур на экранах с учетом нелинейности коэффициента черноты материалов, из которых выполнены металлические экраны.
2. Расчет срока службы комплекта экранной теплоизоляции проектируемой или исследуемой печи. Определяющим фактором является скорость массоуноса материала наиболее горячего экрана, которая в свою очередь зависит от давления в печи и ее рабочей температуры.
3. Для выбора оптимального комплекта теплоизоляции в зависимости от номинальной температуры в печи, рабочего давления и размеров рабочего пространства предложен экономический критерий оценки минимума затрат [2]. Программа позволяет варьировать стоимость электроэнергии и материалов экранов.
4. Определение эквивалентной толщины неметаллической засыпки, необходимой для замены нескольких металлических экранов с сохранением значения теплового потока (с учетом нелинейности теплопроводности материала засыпки).
5. Расчет мощности теплового потока и распределения температур на экранах и по толщине засыпки при использовании комбинированной теплоизоляции с учетом нелинейности теплофизических параметров материалов.
В [3] рассмотрена целесообразность замены наиболее нагретых неметаллических экранов на неметаллическую засыпку. Для определения значения теплового потока через такой комплект комбинированной теплоизоляции (рис.1) необходимо решать задачу сложного теплообмена (излучение + теплопроводность).
Рис.1. Продольный разрез комбинированной теплоизоляции ВПС.
Тепловой поток через комбинированную теплоизоляцию описывается выражением
где T1 – номинальная температура печи, TK – температура на кожухе печи, TX – температура между засыпкой и экранами, Rзас – тепловое сопротивление засыпки, RΣЭ – тепловое сопротивление экранов.
В выражении (1) две неизвестных q и TX, в связи с этим запишем выражение, описывающее теплопередачу непосредственно через неметаллическую засыпку:
где Sзас – толщина засыпки, λ- теплопроводность засыпки.
Естественно, что в установившемся режиме значение теплового потока на всем протяжении комбинированной теплоизоляции одинаковое, что позволяет объединить выражения (1) и (2) в единую систему уравнений, но, к сожалению, решение такой системы вручную не представляется возможным. Приходится использовать специализированные прикладные программы, например, MathCad, но, к сожалению, полная оптимизация расчета в пакете MathCad с учетом итерационной зависимости теплотехнических параметров материалов экранов и засыпки, а также изменения числа экранов, также представляет очень трудную задачу. В программе же STI данный расчет занимает всего лишь несколько минут, а результат его представляется в удобном виде (рис.2). Кроме того, в программе есть возможность моментально изменить заданные параметры и сравнить с предыдущими результатами.
Рис.2. Расчетное окно для комбинированной теплоизоляции в программе STI с пояснениями.
Использование программы STI позволило значительно продвинуться в изучении применения различных пористых оксидных материалов в качестве неметаллической засыпки комбинированной теплоизоляции ВПС.
С учетом всего вышеизложенного, можно считать программу Shield’s Thermal Insulation законченным продуктом, позволяющим решать ряд специализированных электротехнологических задач.
Литература
1. Мармер Данилович Свенчанский – крупнейший организатор электротермии XX века // Электротехнология на рубеже XX-XXI веков // Сб. докл. Науч.-техн. семинара, посвященного 100-летию профессор . – М.: Издательство МЭИ, 2005, с. 36-40.
2. Митяков анализ применения экранной теплоизоляции в вакуумных печах сопротивления // Вестник МЭИ. 2011. №4. с. 80-84.
3. , Митяков экранной теплоизоляции в высоко-температурных вакуумных печах сопротивления // Вестник МЭИ. 2011. №1. С.36-40.
, ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ», аспирант кафедры ФЭМАЭК; 111558, , корп. 5, кв. 17; *****@***ru
, ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ», студент кафедры ФЭМАЭК;
111116; , комн. 732; *****@***ru
