Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Применение систем двухконтурного охлаждения работающих по принципу тепловой трубы .9
1.1. Индукционные печи с холодным тиглем.. 9
1.1.1. Основные понятия и область применения ИПХТ 9
1.1.2. Физические и технологические особенности плавки в ИПХТ .11
1.1.3. Энергетический баланс ИПХТ 12
1.2. Классификация систем водоохлаждения в электротермических установ-ках .14
1.3. Развитие, область применения и конструкции ТТ .22
1.4. Применение ТТ в электротехнике .30
1.5. Применение ТТ в электротермии 31
1.6. Задачи диссертационной работы 33
Глава II. Особенности применения двухконтурной системы охлаждения по принципу ТТ в ХТ индукционной вакуумной печи 34
2.1. Постановка задачи .34
2.2. Особенности конструкции системы двухконтурного охлаждения на основе ТТ 35
2.3. Особенности работы тепловой трубы в индукционных системах 42
2.4. Процесс теплопереноса в ТТ с учетом особенностей работы ИПХТ .43
2.5. Выводы по главе II 54
Глава III. Экспериментальные исследования теплотехнических характеристик холодного тигля с двухконтурным охлаждением 55
3.1. Постановка задачи 55
3.2. Описание экспериментального стенда и состава оборудования 55
3.3. Разработка методики экспериментальных исследований 58
3.4. Эксперимент .60
3.5. Результаты эксперимента 66
3.6. Сравнительный анализ полученных данных 69
3.7. Выводы по главе III .72
Глава IV. Инженерная методика расчета систем двухконтурного охлаждения, работающего по принципу ТТ в индукционных печах с холодным тиг лем 73
4.1. Постановка задачи 73
4.2. Разработка алгоритма инженерной методики по итогам теоретических и экспериментальных исследований 73
4.3. Исходные данные для расчета .74
4.3.1. Конструкция системы охлаждения .75
4.3.2. Теплоноситель 81
4.3.3. Энергетический баланс секции ИПХТ 82
4.4. Расчет системы двухконтурного охлаждения для ХТ 83
4.5. Анализ результатов расчета 90
4.6. Апробация методики расчета 95
4.7. Варианты конструкции двухконтурной системы охлаждения ХТ вакуумной индукционной печи 102
4.8. Выводы по главе IV 103
Заключение 104
Список литературы 105
- Основные понятия и область применения ИПХТ
- Особенности конструкции системы двухконтурного охлаждения на основе ТТ
- Разработка методики экспериментальных исследований
- Разработка алгоритма инженерной методики по итогам теоретических и экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность темы
Вакуумные индукционные печи с холодным тиглем (ИПХТ) применяются для выплавки тугоплавких металлов и сплавов повышенной чистоты и характеризуются мощностью до 2000 кВт, частотой тока 0,05 - 30,0 кГц и 0,5-10 МГц, емкостью до 350 кг (по стали).
Положительный эффект применения ИПХТ достигается благодаря отличительным особенностям этих установок, к которым относятся бесконтактная передача энергии электромагнитным полем, электромагнитное перемешивание металла, плавка в медном охлаждаемом тигле (исключение загрязнения расплава), отжатие металла от стенок холодного тигля, возможность проведения различных технологических процессов (кристаллизация, спекание, разлив расплава в форму или изложницу). Одним из ключевых элементов ИПХТ является холодный тигель (XT), благодаря которому достигается высокая степень чистоты расплава. XT представляет собой цилиндр (многогранник), составленный из металлических трубок различного профиля (круг, трапеция и т.д.).
Так как в XT выделяется энергия электромагнитного поля и плотность теплового потока от расплава металла (температура до 3000С) в стенку хо-лодного тигля достигает 400 Вт/см", то необходимо его интенсивное охлаждение проточной водой. Такой вид охлаждения позволяет проводить процесс при высоких температурах в течение длительного времени, но он не исключает опасности прожига стенки XT и попадания охлаждающей воды на расплав, что может привести к возникновению аварийной ситуации. Для интенсивного охлаждения и обеспечения постоянной температуры XT требуется большое количество проточной воды, что предполагает наличие в системе дополнительного оборудования и коммуникаций (насосной станции и системы коллекторов), поддерживающих высокое давление воды. Предотвратить аварийную ситуацию возможно различными способами, одним из которых является изменение самой системы водоохлаждения.
В данной работе рассмотрена двухконтурная система охлаждения с применением принципа так называемой «тепловой трубы» (ТТ). Тепловые трубы уже нашли применение в космических технологиях (термостабилизация спутников и космических кораблей), электронике (охлаждение плат и элементов управления), электротехнике (охлаждение асинхронных двигателей, трансформаторов), электротермии (охлаждение элементов дуговых печей, стабилизация температуры в печах сопротивления). Отличительной особенностью ТТ является их способность при относительно малых размерах переносить значительные тепловые потоки (до 1-Ю4 Вт/см2). Однако опыт проектирования и использования ТТ в электротехнологии пока невелик, в частности, отсутствуют общепринятые конструктивные решения и методики расчета.
Разработка и внедрение двухконтурньгх систем охлаждения с использованием тепловых труб обеспечат повышение надежности и безопасности работы вакуумных И11ХТ, а также улучшат технико-экономические показатели их эксплуатации за счет снижения потребления охлаждающей воды.
Цель диссертационной работы
Разработка методики расчета и вариантов конструктивного исполнения двухконтурной системы охлаждения холодного тигля вакуумной индукционной печи, с использованием принципа тепловой трубы, обеспечивающих безопасность, надежность и высокие технико-экономические показатели работы установки.
Для достижения цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
-
Анализ литературы по характеристикам, методам расчета, особенностям конструкции и применения тепловых труб, для подтверждения целесообразности использования двухконтурной системы охлаждения в ИПХТ.
-
Разработка оригинальных конструкций двухконтурной системы охлаждения холодного тигля вакуумной индукционной печи.
-
Разработка методики расчета двухконтурных систем охлаждения для ИПХТ.
-
Экспериментальные исследования двухконтурной системы охлаждения холодного тигля с целью подтверждения разработанной методики расчета.
-
Разработка технического предложения по созданию системы двухконтур-ного охлаждения холодного тигля для индукционной установки мощностью 160 кВт, предназначенной для плавки металлов с температурой плавления до 2000 С.
Методы исследования
Методика расчета (математическая модель) создавалась исходя из теории и основных уравнений теплопередачи, при этом использовалась известная модель тепловой трубы. Для реализации и исследования математической модели были задействованы программные пакеты MathCAD и ELCJUT. Работоспособность разработанной конструкции и адекватность методики расчета были проверены экспериментально на опытном стенде.
Новые научные результаты
-
Теоретически и экспериментально обоснованы возможность и целесообразность использования двухконтурной системы охлаждения холодного тигля вакуумной индукционной печи, основанной на применении эффекта тепловой трубы.
-
На основании исследований на разработанной модели секции XT в программном пакете ELCUT установлено неравномерное распределение по сечению тепловых потоков в секции XT, учет которого с допустимой точностью может быть осуществлен по среднему значению.
-
Предложена методика расчета двухконтурной системы охлаждения холодного тигля с учетом особенностей работы вакуумных индукционных печей.
Практическая ценность работы
1. Даны рекомендации по применению методики расчета двухконтурной системы охлаждения холодного тигля вакуумной индукционной печи, позво-
ляющие определять геометрические, электрические и тепловые параметры секции XT с двухконтурной системой охлаждения.
-
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 С.
Апробация работы
Основные разделы диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2011, 2012, 2013), IX международной научно-практической интернет-конференции (Орел, Орловский ГТУ, 2011), XIV Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Алушта, 2012), а также на заседании кафедры АЭТУС НИУ «МЭИ» (2013).
Публикации
По результатам проведенных исследований, а также по теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук; получен патент РФ на полезную модель.
Структура и объем работы
Основные понятия и область применения ИПХТ
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 водой; 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.
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.
Особенности конструкции системы двухконтурного охлаждения на основе ТТ
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.
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. Рис. 23. Экспериментальный стенд. 1 – тиристорный преобразователь частоты, 2- батарея конденсаторов, 3- индуктор, 4- секция ХТ с двухконтурным охлаждением, 5- измерительные приборы, 6- загрузка.
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: Прибор Класс точности (погрешность) Пределы измерения Термоманометр ТМТБ-3 2,5 Давления 0 - 2,5 МПа Температур 0 - 150С; Термопара хромель-алюмелевая ±0,0075t Температур 40 - 1200С Пирометр 1%±1С Температур 60 - 1500С индуктор, 6 витков с внутренним диаметром 200 мм, выстой 160 мм. опытный образец (рис. 25) - медная трубка ХТ с двухконтурным охлажде нием, расположенная внутри тигля.
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: Ход эксперимента I ЭТАП
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 (1300-1400С).
Измеряемый параметр 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. Измерительные приборы Термометры, секундомер, манометр, термопары. Способ измерения Тепловые и электрические потери измеряются методом калориметриро-вания, т.е. при нагреве металла в секции с испарительным охлаждением в теплообменнике измеряется температура воды на выходе и на входе, далее используя формулу:
Q = c-m-At, (3.3.1) 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.
Разработка методики экспериментальных исследований
На этапе анализа полученных данных рассчитанная система проверяется по следующим параметрам: предельные переносимые тепловые потоки, критические температуры давление
Если система не работоспособна (по предельному тепловому потоку, давлению, температуре), или не устраивает по конструктивным параметрам, то уточняются исходные данные [60].
Оптимизация исходных данных во многом зависит от принятой конструкции. Основным конструктивными факторами, влияющими на теплоперенос, являются, диаметр парового канала (диаметр транспортной зоны) и площадь зоны конденсации.
В ИПХТ для ХТ применяют определенный сортамент арочного профиля, поэтому целесообразно рассчитать максимально-передаваемый тепловой поток для различных диаметров. Максимально-переносимый тепловой поток для каждого диаметра трубки ХТ определяется по формуле (4.4.16). Расчет проводился для медной трубы с водой в качестве теплоносителя и различной длины зоны испарения двухконтурной системы охлаждения ХТ. Результаты расчета представлены на графике рис. 43,44,45. 3 Максимально-переносимый тепловой поток, кВт
Как видно из представленных таблиц и графиков, чем больше диаметр трубки, тем больше максимальный тепловой поток, который способна отводить секция. Полученные данные можно будет использовать при проектировании двухконтурной системы охлаждения ХТ на предварительном этапе выбора конструкции системы и ХТ. Для модернизации системы охлаждения ХТ с проточной на двухконтурную, по графику можно определить целесообразность модернизации и предельную мощность, отводимую от секции.
Площадь конденсации двухконтурной системы охлаждения ХТ является конструктивным фактором, определяющим рабочее пространство вакуумной индукционной печи и процесс теплопереноса в системе охлаждения. Поэтому для расчета конструкции теплообменника необходимо примерно знать эту величину. Для обеспечения удовлетворительного теплового потока в зоне конденсации минимальное соотношение зон испарения и конденсации составляет (1:3), т.е. плотность теплового потока в зоне конденсации в три раза меньше плотности теплового потока в зоне испарения. Из этих соображений для тех же длин и диаметров следует рассчитать площадь конденсации. Результаты расчета представлены на рис. 46,47,48.
Благодаря полученным результатам можно будет предварительно определять габаритные размеры теплообменника и в зависимости от технологического процесса (расположение вторичного контура внутри или вне объема вакуумной камеры) изменять их.
Данные полученных зависимостей для площади зоны испарения вместе с данными зависимостей диаметра секции от максимально переносимой мощности позволят на начальном этапе расчета максимально близко определить конструкцию двухконтурной системы охлаждения ХТ, как для вновь разрабатываемой печи или плавильного узла, так и для модернизации действующей установки.
Использование полученных графиков и таблиц упрощает процедуру расчета и позволяет быстрее производить оптимизацию конструкции двухконтур-ной системы охлаждения. 4.6. Апробация методики расчета.
Для апробации предложенной методики проведен расчет и разработано техническое предложение для организации ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» системы двухконтурного охлаждения ХТ вакуумной индукционной печи мощностью 160 кВт, частотой 2400 Гц, емкостью 10 кг и рабочей температурой до 20000С. Установка предназначена для получения высококачественных сталей и сплавов. Она состоит из следующих основных узлов: источник питания, индуктор, холодный тигель, вакуумная камера.
Теплонагруженным узлом, переносящим значительные тепловые потоки (температура во время расплавления до 2000С) является ХТ, который интенсивно охлаждается водой. Для повышения безопасности и технико-экономических показателей установки предлагается заменить систему охлаждения ХТ с проточной (одноконтурной) на двухконтурную, работающую по принципу ТТ.
Сравнив полученное значение мощности с максимально допустимым значением по таблице (рис. 42) выбираем в качестве секции ХТ арочный профиль со следующими геометрическими данными табл. 12: Табл. 12. Размеры секции ХТ для печи ИПХТ емкостью 10 кг. Далее определим оставшиеся конструктивные параметры: Площадь зоны конденсации выбираем по таблице (рис. 46) из условия, что известна площадь зоны испарения (Lи = 0.1 м, dтр = 0.012).
Длина транспортной зоны определяется из соображений удобства и безопасности ХТ. В данном случае возможны два варианта: с расположением зоны конденсации непосредственно над ХТ или в некотором отдалении.
Притом, что расчет проводился для минимального соотношения зон испарения и конденсации (1:3) и минимального диаметра трубки секции (12 мм), он показал, что предложенные конструкции позволяют компенсировать тепловые и электрические потери в секции ХТ.
Для сравнения проведен расчет водоохлаждения вторичного контура и проточной системы охлаждения (табл. 16).
Табл. 16. Сравнение систем проточного и двухконтурного охлаждения. Как видно из таблицы, применение двухконтурной системы охлаждения позволит не только снизить возможность возникновения аварийной ситуации, но и повысить технико-экономические показатели за счет снижения расхода воды на 60%.
Варианты конструкции двухконтурной системы охлаждения ХТ вакуумной индукционной печи. На основе предложенной методики разработаны два варианта конструкции двухконтурной системы, на которые получен патент РФ [55] на полезную модель. Основной идеей предложенных конструкций, является использование в секции ХТ двухконтурного охлаждения.
Отличие же предложенных вариантов заключается в том, что теплообменник (зона конденсации) может располагаться как поблизости от плавильного узла в вакуумном объеме (рис. 50б), так и на расстоянии, вне вакуумного объема, что уменьшает риск возникновения взрывоопасной ситуации (рис. 50а).
Разработана методика по проектированию двухконтурной системы охлаждения ХТ вакуумной индукционной печи. Дан ряд рекомендаций по выбору основных конструктивных параметров таких систем. Разработано техническое предложение по созданию двухконтурной системы охлаждения для индукционной печи мощностью 160 кВт. Предложены варианты конструкций для различных технологических процессов.
Разработка алгоритма инженерной методики по итогам теоретических и экспериментальных исследований
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: Рис. 37. Эскиз холодного тигля составленного из секций арочного профиля. 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.
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]:
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).
Конструкция двухконтурной системы охлаждения ХТ. 4.3.2. Теплоноситель. 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:
Примечание: Содержание в охлаждающей воде масел, смолообразных продуктов, аммония (NHg), нитратов (NО2) не допускается. Для всех элементов электропечи окисляемость охлаждающей воды не более 10 мг/л О2. Температура входящей охлаждающей воды должна быть не более 25оС, выходящей не более 55оС. Охлаждающая вода должна быть безвредной для здоровья обслуживающего персонала и обладать отрицательными органолептическими свойствами.
При соблюдении всех требований срок службы медных труб с водяным охлаждением составляет до 20 лет. Вода с такими требованиями подойдет для эксплуатации во вторичном контуре охлаждения, а для применения внутри герметичного объема лучше использовать дистиллированную воду, т.к. она проходит двойную очистку и практически не имеет примесей, которые сказываются на процессе теплопереноса и смачиваемости стенок медных труб.
Как и говорилось ранее, стенки ХТ находятся в непосредственном контакте с расплавом, поэтому переносят значительную тепловую нагрузку, тепловой поток от расплава распределяется между секциями ХТ. Основную нагрузку воспринимает толстая стенка секции арочного профиля, сквозь которую поток теплопроводностью распространяется по секции и компенсируется с помощью системы охлаждения. Но, кроме тепловой энергии от расплава, в секции присутствуют электрические потери, которые возникают в результате наводки электрических токов при прохождении электромагнитного поля через холодный тигель. Таким образом, системе охлаждения, необходимо компенсировать суммарные электрические (которые преобразуются в джоулево тепло) и тепловые потери [57,58].
Расчет двухконтурной системы охлаждения согласно построенной модели включает в себя расчет каждой зоны (конденсации, транспортной, испарения), расчет теплообменника и поверочный расчет (для определения максимально – переносимой тепловой мощности) [60]. Секция ХТ представляет собой арочный профиль со следующими размерами (см. рис. 41). Эскиз для расчета двух-контурной системы охлаждения ХТ представлен на рис. 42.
