Диссертация (781991), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Для определения тепловогосопротивления 1го и 2го экранов можно воспользоваться выражением (4.3), вкотором ε 1 и ε 2 – степени черноты экранов, а F 1 и F 2 – площадиповерхностей экранов.12 =�15,6711+ 1 ×� −1�1 22� × 1,(4.3)Аналогично производится расчет для остальных экранов. Степеньчерноты для любого материала зависит от температуры, поэтому, припроведении расчетов, желательно использовать итерационный метод:задаваясь начальной температурой на каждом экране и соответственностепенью черноты экрана, при этой температуре, производится расчет,итогом которого служит проверка полученной температуры на каждомэкране с заданной. В случае отличия температур, проводят вторую итерацию,задаваясь рассчитанной температурой, а также новыми значениями степенейчерноты на каждом экране в зависимости от температуры.
Расчет повыражениям (4.1÷4.3) производился с использованием пакета прикладныхпрограмм MathCad.Определение температуры θ n (в Цельсиях) на каждом экранепроводится по выражениюк 4 = 100 × � × + �� + 273,1004(4.4)Страница | 94В (4.4) используется тепловое сопротивление R i конкретного экрана,определяемое из системы уравнений [2]:1 = − 12 ;2 = 1 − 23 ;(4.5)… = −1 − к .В качестве примера, по данной методике был произведен расчет пакетаэкранов типовой камерной вакуумной печи сопротивления СНВЭ–2.4.2/16.Номинальная температура данной печи θ П=1600С. Температуру0поверхности кожуха θ К принимаем равной (согласно допущению) 40 0С.Площадь поверхности боковых экранов F одинакова и равна (290×290 мм)0,0841 м2.
Площадь поверхности кожуха F к принимаем равной 0,25 м2.Расчет проводится итерационным методом, учитывая зависимость степеничерноты экрана от температуры.На первой стадии исследований проводился тепловой расчет для пакетаэкранов, выполненных из молибдена. В результате расчетов полученызависимости (рис.4.2) мощности тепловых потерь (кривая 1) и температурыпоследнего экрана n (кривая 2) для различного количества экранов,установленных в печи. Данные зависимости будут служить оценкойрационального количества экранов, устанавливаемых при проектированииновых ВПС.Страница | 95При температурах свыше 1100 0Снаэкране,какправило,используют тугоплавкие металлы(W,Mo,Ta,Nb).Послепроизведенных расчетов можноотметить, что при использовании 7экранов из вышеперечисленныхметаллов, а также сплава MoW-30(30 % вольфрама, 70 % молибдена)наименьшие тепловые потери, аРис.4.2. Зависимости мощноститепловых потерь (1) и температуры напоследнем экране (2) от числа экрановтакже температура на последнемэкраненаблюдаются(табл.4.1),при использовании молибдена.Из полученных зависимостей (рис.4.2)следует, что КПД каждогопоследующего экрана меньше, чем у предыдущего.
Характер данныхзависимостейодинаковыйдлялюбыхматериалов.Поэтомуможнорекомендовать использование 6÷7 экранов в качестве теплоизоляции, припроектировании новых ВПС, вне зависимости от используемых материалов.Данная рекомендация подтверждает рекомендацию, представленную в [3,4].Таблица 4.1Температура на последнем экране и мощность тепловых потерь черезпакет семи экранов из тугоплавких металлов и сплаваматериалWMoTaNbMoW-30P, кВт975699914804782Θ 7 , 0С843824826815825Однако соотношения этих показателей для различных металлов исплава изменяются несильно, поэтому, при выборе материала экрана нужноосновываться не на теплотехнических, а скорее конструкционных иэкономических показателях данного металла и сплава.Страница | 96При температурах ниже 1100 0С экраны, как правило, выполняют изматериала Х20Н80-Н.
Применение данного материала в качестве экрановобъясняется его более низкой стоимостью по отношению к тугоплавкимметаллам. Серьезным минусом материала Х20Н80-Н является высокоезначение степени черноты (0,5 при 1100 0С, для сравнения у Mo при той жетемпературе только 0,13), а использование материала в качестве экрана сболее высокой степенью черноты приводит к увеличению тепловых потерь.Что же касается нержавеющей стали 12Х18Н10Т, то её степень черноты ещевыше, чем у Х20Н80-Н, а максимальная температура применения еще ниже.Поэтому экраны из стали 12Х18Н10Т целесообразно применять, притемпературе на экране ниже 900 0С с точки зрения стоимости стали, однако,следует иметь в виду, что применение экрана из данного материала (такжекак и Х20Н80-Н) приведет к увеличению тепловых потерь. Стоит отметить,что в качестве первого экрана целесообразно использовать материал, такойже, как и материал нагревателей печи, во избежание возможноговзаимодействия материалов самого горячего экрана с нагревателем.
Крометого, в качестве самого холодного экрана – «несущего» целесообразноиспользовать нержавеющую сталь 12Х18Н10Т, в связи с тем, чтотугоплавкие металлы гораздо более трудоемки в обработке. Кроме того,часто выбор материалов экранов и нагревателей зависит от технологическогопроцесса, реализуемого в печи. Например, при спекании танталовых анодоврекомендуется использовать в качестве материала нагревателя и первыхэкранов – тантал. Это связано с тем, что данный процесс предъявляет оченьвысокие требования к чистоте и однородности спекаемого изделия, а прииспользовании других тугоплавких металлов в качестве нагревателей иэкранов этим требованиям удовлетворить невозможно.Методикаотсутствует.выбораВчисларазличныхиматериаловработахэкранов[12-15,17,52]в литературепредставленыспроектированные и внедренные ВПС с числом экраном в диапазонеот 3 до 11.
Кроме того, постоянный рост стоимости электроэнергии в РоссииСтраница | 97делает целесообразным решение задачи выбора числа и материала экранов наоснове экономических критериев. В связи с этим автором настоящей работыбыл разработан экономический критерий для определения наиболеерациональногоколичестваэкрановвВПСсучетомминимумаэкономических затрат [71,72,75,84].Уменьшение теплового потока через пакет экранной теплоизоляцииприводит к снижению температуры нагревателя данной установки и,следовательно, к увеличению его срока службы.
Установлено, что приувеличении числа экранов от 1 до 3 температура нагревателя резко падает, азатем изменяется незначительно (при применении от 3 до 7 экранов,температура на нагревателе изменяется в пределах 50 0С) [46,47]. Такоенезначительно изменение температуры на нагревателе, при примененииболее 3 экранов в комплекте теплоизоляции, практически не влияет на егосрок службы. Поэтому при разработке методики экономического сравненияавтором предложено сопоставить только две экономических составляющихэкранной теплоизоляции: стоимость экранов и стоимость электроэнергии,затраченной на работу электропечи за время использования пакетатеплоизоляции [72].С целью изучения влияния материалов, при экономическом анализеВПС, целесообразно использовать удельные затраты [руб/м2].
В связи с этимвведено следующее допущение: расчет производился для вакуумных печей, вкоторых площади поверхностей экранов равны. Из этого следует, что припроектировании ВПС с экранной теплоизоляцией, для получения болееточных показателей целесообразно рассчитывать полные экономическиезатраты [руб] на теплоизоляцию и электроэнергию. Но в рамках даннойработы, для получения общих зависимостей влияния выбора количества иматериаловэкрановоправданновоспользоватьсяудельнымисоставляющими.Для определения затрат на производство экранов запишем удельнуюстоимость одного экрана C 0Э [руб/м2]:Страница | 980Э = См × × ,(4.6)где C М – стоимость материала, руб/кг;γ – плотность материала, кг/м3; – толщина экрана, м.Удельная стоимость всего комплекта экранной теплоизоляции, в случаеиспользования экранов одного материала, будет равна:Э = С0Э × ,(4.7)Э = С01Э × 1 + С02Э × 2 ,(4.8)При использовании в качестве экранов двух различных материалов 1 и2, выражение (2) записывает в виде:где n 1 – количество экранов первого материала;n 2 – количество экранов второго материала.Из (4.6) следует, что данная экономическая составляющая экраннойтеплоизоляции зависит только от стоимости материала используемого вкачестве экрана.
Это связано с тем, что плотность выбранного материалавеличина постоянная [45], а толщина экрана выполняется минимальной, какправило, 0,3 мм (за исключением несущего экрана, он примерно 1÷2 мм).Для расчета стоимости электроэнергии, затраченной на работуэлектропечи за время использования пакета теплоизоляции необходимоопределить срок службы τ данного комплекта экранов, а также тепловойпоток q через теплоизоляцию.В связи с тем, что металлические экраны становятся хрупкими дажепосле однократного разогрева в печи до номинальной температуры,невозможна замена отдельного экрана, что приводит к необходимостизамены полного комплекта экранов.
Поэтому предложенный автором расчетсрока службы комплекта экранной теплоизоляции по наименьшему срокуслужбы наиболее горячего экрана различного материала – считаетсяоправданным. Согласно [17,67,72] срок службы в часах τ металлическогоэкранатолщиной , м, плотностью γ, кг/м3, и скоростью массоуноса Q,кг/(м2·с), может быть определен по формуле:Страница | 99 = 2,78 · 10−5 /,(4.9)где K K – коэффициент конструктивных особенностей теплоизоляции(для печей с экранной теплоизоляцией находится в диапазоне 2÷3, длякерамической теплоизоляции равен 3) [16].Из (4.9) следует, что срок службы экрана зависит от скоростимассоуноса, значение которого для определенного материала зависит оттемпературы и рабочего давления в печи.Для теплового расчета ВПС целесообразно использовать модель,представленную на рис.4.1.
По результатам теплового расчета и определениятеплового потока q, кВт/м2, можно рассчитать удельную стоимостьэлектроэнергии С ЭЭ [руб/м2], затраченной за время использования данногопакета теплоизоляции τ, ч, по следующей формуле:ЭЭ = СКВТЧ × × ,(4.10)где C КВТЧ – стоимость электроэнергии, руб/кВт×ч.Для определения рационального числа экранов в пакете теплоизоляциипокритериюминимумазатратпредставлениевыражений(4.6-4.8,удобно4.10).использоватьНарис.4.3графическоепредставленызависимости удельной стоимости экранов из молибдена (кривая 1), затрат наэлектроэнергию в зависимости от числа экранов, установленных в печи(кривая 2), а также суммарные удельные затраты (кривая 3), для установок сноминальной температурой равной 1600 0С и рабочем давлении 10-3 Па.Исследования производились по вышеизложенной методике на«условной» вакуумной печи сопротивления (площади поверхностей экрановодинаковые) с номинальной температурой 1600 0С и рабочем давлении10- 3 Па.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
