Диссертация (781991)
Текст из файла
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»На правах рукописиМИТЯКОВ ФИЛИПП ЕВГЕНЬЕВИЧПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВАКУУМНЫХ ПЕЧЕЙСОПРОТИВЛЕНИЯ С ЭКРАННОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЕЙСпециальность 05.09.10 – ЭлектротехнологияДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководительд.т.н., профессор Рубцов В.П.Москва – 2014ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………… 4ГЛАВА 1.
АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ РАЗВИТИЯ ВАКУУМНЫХ ПЕЧЕЙСОПРОТИВЛЕНИЯ С ЭКРАННОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЕЙ ………………... 111.1.Технологическиепроцессы,реализуемыеввакуумныхпечахсопротивления ……………………………………………….…………………. 111.2.Конструкциисовременныхпечейсопротивлениясэкраннойтеплоизоляцией …………………………………...……………………………. 171.3. Системы управления нагревателями с высоким значением коэффициентаэлектрического сопротивления ……………………....……………………….. 261.4.
Формулирование целей и задач исследования …………..……………… 29Выводы по главе 1 …………………………………………….……………….. 31ГЛАВА2.МОДЕРНИЗАЦИЯЭЛЕКТРОПИТАНИЯИКОНСТРУКЦИЙ,УПРАВЛЕНИЯВАКУУМНЫХСИСТЕМПЕЧЕЙСОПРОИТВЛЕНИЯ …………………………………………..……………….. 322.1. Постановка задачи по разработке уточненных моделей ……………….. 322.2. Разработка уточненной модели вакуумной печи сопротивления сэкранной теплоизоляцией ………………………………………….………….. 352.3.Регулятортемпературыэлектрическойпечисопротивлениясограничением тока нагревателей ………………………………….………….. 422.4. Регулятор температуры с переключением ступеней напряжениятрансформатора …………………………………………………….…………..
462.5. Регулятор температуры с адаптивной токовой отсечкой ……….……… 532.6. Разработка модели комбинированной теплоизоляции вакуумной печисопротивления с применением неметаллической засыпки …………………. 56Выводы по главе 2 ……………………………………………………….……..
61ГЛАВА3.ИССЛЕДОВАНИЕКОНСТРУКЦИЙИСИСТЕМЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ВАКУУМНЫХ ПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ ……... 62Страница | 23.1. Исследование системы электропитания вакуумных печей сопротивленияс переключением ступеней напряжения трансформатора …………..……… 623.2. Исследование систем управления вакуумных печей с нагревателями изтугоплавких металлов ………………………………………………...……….. 683.3. Исследование влияния превышения мощности в регуляторах мощностипечей сопротивления ……………………………………………..……………. 753.4. Исследование применения пористых оксидных материалов в качественеметаллическойзасыпкидлятеплоизоляциивакуумныхпечейсопротивления ……………………………………………………..…………… 82Выводы по главе 3 …………………………………………………….………..
91ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ВАКУУМНЫХПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ ………………………………………….………. 924.1. Разработка критерия оценки экономической эффективности вакуумнойпечи сопротивления ………………………………………………………….... 924.2. Разработка программного пакета для теплового расчета вакуумной печисопротивления с экранной и комбинированной теплоизоляцией ……...…. 1074.3.Рекомендацииповыполнениюэкраннойтеплоизоляцииснеметаллической засыпкой …………………………………..……...……….. 1124.4. Рекомендации по реализации систем управления вакуумными печамисопротивления ………………………………………………………..………..
114Выводы по главе 4 ……………………………………………….…..……….. 116ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………..………….. 117СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …….……..………..…………………...…………. 119ПРИЛОЖЕНИЕ ……………………………………………….……..……….. 129Страница | 3ВВЕДЕНИЕСовременное развитие науки и техники в основополагающих отрасляхпромышленности, а также исследования в этих областях требуют созданиянадежных и экологически чистых вакуумных электропечей сопротивления(ВПС) [17,19].Принято считать классической [57,59] классификацию электрическихпечей сопротивления (ЭПС) по температуре на низко- (до 600÷700 0С),средне- (700÷1300 0С) и высокотемпературные (свыше 1300 0С) печи.
Перваяграница обуславливается преобладанием передачи тепла от нагревателя ксадкепосредством конвекции, вторая– ограничением температурыприменения сплавов сопротивления (фехрали и нихромы) в качественагревателей. В связи с тем, что вакуум – это атмосфера с пониженнымдавлением, передача тепла конвекцией в нем отсутствует. Поэтому перваяграница разделения ВПС по температуре связана с предельной температуройприменения никельсодержащих сплавов в вакууме.Вторая границаразделения ВПС с экранной теплоизоляцией чисто условна и отделяетустановки с нагревательными элементами, выполненными из молибдена ивольфрама.
Конструктивно средне- и высокотемпературные печи с экраннойтеплоизоляцией схожи и, как правило, рассматриваются совместно.Учитывая все вышесказанное ВПС можно классифицировать потемпературе применения на:- низкотемпературные печи (до 1150 0С);- среднетемпературные печи (1150÷1600 0С);- высокотемпературные печи (свыше 1600 0С).Вакуумные печи обладают существенными преимуществами [19,21,22].В них обеспечиваются:- сохранение исходной поверхности изделий;- снижение тепловых потерь в 2 -2,5 раза по сравнению с нагревом всреде эндогаза и в 3-3,5 раза – в водороде;Страница | 4- повышение пожаро- и взрывобезопасных технологических процессов;- природоохранные требования;- во многих случаях повышение качества изделий;- повышение уровня комфортности для обслуживающего персонала.Для ряда технологических процессов, когда необходима малая тепловаяинерция печи или существуют повышенные требования к чистоте иоднородности рабочего пространства печи необходимо применять ВПС сэкранной теплоизоляцией, что позволяет выделить данные установки вотдельный ряд электрических печей сопротивления [13,53].Тепловые параметры вакуумных печей с экранной теплоизоляциейсущественно хуже, чем у футерованных печей.
Но, несмотря на повышенныйрасход электроэнергии, для большинства перечисленных технологическихпроцессов, когда требуется повышенная чистота или необходима малаятепловая инерция печи, применение ВПС с экранной теплоизоляциейоправдано. Такой процесс, как вакуумное ионное азотирование, даже притемпературах 600-700 0С требует металлических нагревателей и экранов[17,19]. Процесс спекания танталовых анодов для конденсаторов требует непростоналичияметаллическихнагревателейиэкранов врабочемпространстве печи, а именно выполненных из тантала для созданиясверхчистовогорабочегопространства,способствующегополучениюсверхчистых анодов с определенными параметрами токов утечки.С целью улучшения энергетической эффективности печей с экраннойтеплоизоляциинеобходимоподбиратьоптимальныйкомплектметаллических экранов для решения конкретных задач, зная обрабатываемыйв печи материал, номинальную температуру, рабочее давление и т.д.Методика выбора числа и материалов экранов в литературе отсутствует.
Всерекомендации сводятся к тому, что установка более семи экранов в печиснижает тепловые потери совсем незначительно, а материал экранавыбирается в зависимости от его рабочей температуры.Страница | 5ПостоянныйростстоимостиэлектроэнергиивРоссииделаетцелесообразным решение задачи выбора числа и материала экранов наоснове экономических критериев.В качестве нагревателей высокотемпературных ВПС с экраннойтеплоизоляцией, работающих при температурах до 2200 0С, используютсятугоплавкие металлы (молибден, вольфрам, тантал, ниобий) и сплавы на ихоснове. Тугоплавкие металлы имеют характерную особенность: высокоезначениетемпературногокоэффициентаэлектрическогосопротивления [8,23,30,36,49]. Это приводит к тому, что электрическоесопротивление нагревателя, выполненного из тугоплавких металлов, принагреве и охлаждении изменяется в 10÷15 раз, а, следовательно, во столькоже раз (в соответствии с законом Ома) изменяется и мощность, выделяемая внагревателе.
Классический способ решения задачи «плавного» выхода нарежим предусматривал использование понижающего трансформатора сбольшим числом ступеней напряжения. Для применения такой системыуправления в настоящее время, а также для выбора модели трансформатора,числа ступеней и шага напряжения, необходимо разрабатывать модели,позволяющие сэкономить время на подборке оптимальных динамическиххарактеристик, а также настройки регулятора.
Настройка параметроврегуляторов температуры ЭПС для каждой новой печи вручную трудоемкаяи финансово затратная операция. Это делает целесообразным разработкууточненной модели печи, параметры которой могут быть определены наоснове паспортных данных печи.Кроме того, с целью упрощения системы управления, а такжеповышениякачествапереходныхпроцессовприразогревепечицелесообразно использовать различные способы ограничения тока нанагревателях с использованием «токовых отсечек».Второйпроблемой, связанной с применением, нагревателейизтугоплавких металлов является сложность размещения нагревательного узлас высоким значением излучения поверхности в печах малого объема.
В силуСтраница | 6разных особенностей в прямоугольных печах 3÷16 литров применениелистового нагревателя невозможно, а прутковый нагреватель обладаетслишком малой площадью излучаемой поверхности, вследствие чего, впроцессе нагрева значительно перегревается (по отношению к температуре впечи). В связи с этим, исследования по улучшению конструкций ВПС сэкраннойтеплоизоляциейдолжныбытьнаправленынаразработкунагревательных блоков с плоскими нагревателями.Кроме того, необходимо отметить, что вакуумные печи сопротивления сэкранной теплоизоляцией обладают крайне высокими тепловыми потерями(порядка 75-85%) [16,17,19]. Учитывая это, а также постоянный ростстоимости электроэнергии в России, необходимо произвести исследования,направленные на модернизацию экранной теплоизоляции. Для решения этойпроблемой перспективным кажется применение высокопористых оксидныхматериалов, не взаимодействующих с металлами при высокой температуре.Произведя анализ состояния развития ВПС с экранной теплоизоляцией,автором было установлено, что изменение конструкции установок данноготипа должны быть в первую очередь направлены на разработку плоскихленточных нагревателей с высоким значением площади излучаемойповерхности, а также на повышение качества теплоизоляции.Помимо изменения конструкций, совершенствование ВПС должно бытьсвязано: с разработкой специализированных программных пакетов для болеекачественного расчета ВПС; с улучшением системы управления; и сповышением экономической эффективности установок.Для совершенствования вакуумных печей сопротивления с экраннойтеплоизоляции необходимо комплексно применять новые конструктивныерешения по выполнению нагревательных элементов, а также повышатьэнергетическуюэффективностьустановокданногоклассазасчетэкономически обоснованного выбора теплоизоляции и улучшения системыуправления.Страница | 7На основании изложенного задача совершенствования конструкций исистем управления вакуумных печей сопротивления является актуальной.Цельдиссертационнойработы–повышениеэнергетическойэффективности электрических печей сопротивления на базе современныхконструкций нагревательных блоков и современных способов реализациисистемы управления.Для достижения поставленной цели в диссертационной работе былипоставлены и решены следующие задачи:1.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
