Диссертация (781991), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Модель ВПС с комбинированной теплоизоляцией.На рис. 2.19 показана модель вакуумной печи сопротивления скомбинированной теплоизоляцией, включающая в себя обрабатываемоеизделие, нагреватель, водоохлаждаемый кожух, а также пакет металлическихэкранов с неметаллической засыпкой в области наиболее нагретых экранов.Необходимым условием использования неметаллической засыпкивместометаллическогоэкранаявляетсяотсутствиевзаимодействияматериала засыпки с экраном, при высоких температурах [7,9,11,20,38].Страница | 56В табл. 2.2 представлены температуры начала взаимодействия ВЗ различныхоксидов с молибденом [17,19].Основнымпараметром,использованииопределяющимнеметаллическойтеплопроводности.Взасыпки,табл.2.3тепловойявляетсяприведеныпоток,прикоэффициенткоэффициентытеплопроводности вышеперечисленных оксидов, для следующего диапазонатемператур (1200 – 1600 0С).Таблица 2.2Температура начала взаимодействия оксидов с молибденомматериалAl 2 O 3(корунд)Al 2 O 3 + SiO2(12%)Al 2 O 3 + SiO2(30%)Al 2 O 3 + SiO2(55%)θ ВЗ , 0С1800-19001700-180015001400материалMgOSiO 2Y2O3ZrO 2θ ВЗ , 0С1750130023001900Таблица 2.3Значения коэффициента теплопроводности для различных оксидов(при определенной температуре, 0С)материалMgO, Вт/м×К6,4 (1200)материалAl 2 O 3, Вт/м×К6,4 (1200)6,6 (1600)7 (1400)Форстерит2MgO·SiO 21,63 (1200)Y2O32,01 (900)*ZrO 2 П-0%ZrO 2П-23,5÷32%2,21 (1200)0,99 (1200)2,27 (1400)1,22 (1400)Циркон П-0%Циркон П-18%ZrO 2 ·SiO 2ZrO 2 ·SiO 23,9 (1200)3,2 (1200)3,84 (1400)3,08 (1400)* - при температуре свыше 1000 0С оксид иттрия сохраняет свои теплофизическиесвойства.
В таблице обозначено: П – пористость материала (в процентном соотношении).Страница | 57При тепловом расчете ВПС с комбинированной теплоизоляции, дляопределения теплового потока через теплоизоляцию необходимо решатьзадачу сложного теплообмена.Мощность тепловых потерь [27,35,37,55] для сложной теплопередачирассчитывается по формуле (2.13).=П − К×+ ТИ,(2.13)где R ТИ – суммарное тепловое сопротивление экранов.Для каждого экрана тепловое сопротивление излучением записываетсяв виде:ΣТИ =�1пр ×10−8 ×� 4 −К 4 �(2.14)�× −КТаким образом, в выражении (2.14) две неизвестных: мощностьтепловых потерь P и Х – температура на первом металлическом экране(равная по значению температуре в конце неметаллической засыпки,рис.2.19).
Записав выражение (2.13) с учетом суммарного тепловогосопротивления (2.14) получаем:=×+1пр ×П − К×�Х −К +273 4 +273 4� Х100 � −� К100 �(2.15)�Для определения двух неизвестных необходимо определить второевыражение,описывающеетеплоизоляцию.Дляэтоготеплопередачузапишемчерезвыражение,определить тепловой поток непосредственнокомбинированнуюкотороепозволяетчерез неметаллическуюзасыпку.=П − Х(2.16)×Страница | 58Естественно, что мощность теплового потока на протяжении всейкомбинированной теплоизоляции одинакова.
Поэтому выражения (2.15, 2.16)можно записать в единую систему уравнений:=×=+1пр ×П − ХП − К×�Х −К4 +273 +273� Х100 � −� К100 �4�(2.17)×Решение системы уравнений (2.17) вручную не представляетсявозможным. Приходится использовать специализированные прикладныепрограммы, например, MathCad. К сожалению, полная оптимизация расчета впакете MathCad с учетом итерационной зависимости параметров материаловэкранов и засыпки, а также изменения числа экранов представляет оченьтрудную задачу [79,80,83].
В связи с этим, была поставлена задача:разработатьспециализированныйпрограммныйпакетдлярасчетатеплопередачи в ВПС с экранной теплоизоляции (§ 4.3).Разработанный программный пакет Shield’s Thermal Insulation былзарегистрирован в базе программ для ЭВМ под номером № 2012614489 [87].С использованием этого пакета, продолжились исследования зависимостимощность тепловых потерь от толщины неметаллической засыпки (§ 3.3).Структурная модель ВПС с комбинированной теплоизоляцией можнопредставить на основе рис. 2.5 в следующем виде:Рис. 2.20. Структурная схема ВПС с комбинированной теплоизоляциейСтраница | 59Согласно структурной схеме (рис.
2.20) разработанная ранее модель(рис. 2.6) позволяет, поместив переходную функцию неметаллическойзасыпкимеждупереходнымифункциямиметаллическихэкранов,исследовать динамические характеристики, а также настроить параметрырегулятора для ВПС с комбинированной теплоизоляцией.Страница | 60Выводы по главе №21. Определены недостатки традиционной модели электрической печисопротивления и показана актуальность разработки уточненных моделейдля решения определенных задач.2. Разработана уточненная модель вакуумной печи сопротивления, какобъекта управления, учитывающая неоднородность элементов печи(нагревателя, изделия и экранной теплоизоляции).3. Предложена модель переключения ступеней напряжения трансформатора,пригодная для исследования систем управления ВПС с нагревателями изтугоплавких металлов.4.
Показано, что разработанный регулятор температуры электрической печисопротивления с введением дополнительной обратной связи по току вканал обратной связи по температуре, обеспечивает «плавный» пускнагревателей.5. Для удобства исследования систем управления нагревателями изтугоплавких металлов предложена совокупная модель, учитывающаяразличные способы ограничения мощности на нагревателях.6. Разработан регулятор температуры электрической печи с адаптивнойтоковой отсечкой.7.
Показано, что разработана модель комбинированной теплоизоляциивакуумной печи сопротивления пригодна для исследований применениеоксидных материалов в качестве засыпки между экранами.Страница | 613. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ И СИСТЕМЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ВАКУУМНЫХ ПЕЧЕЙСОПРОТИВЛЕНИЯ3.1. Исследование системы электропитания вакуумных печейсопротивления с переключением ступеней напряжения трансформатораПроанализируем влияние числа ступеней переключения напряжениятрансформатора на максимальный бросок тока в нагревателях вакуумныхпечей сопротивления, выполненных из тугоплавких металлов.В (§ 2.3÷2.4) представлены разработанные модели для различныхсистем управления вакуумными печами с экранной теплоизоляцией инагревателями из тугоплавких металлов.Исследованиесистемыуправленияспереключениемступенейнапряжения трансформатора (рис. 2.16) проводилось путем расчетапереходных функций I(t), θ(t) при ступенчатых воздействиях заданногозначения температуры θ З . Все исследования проводились применительно кнагревателям вакуумной печи СНВЭ-16/11,5.
В качестве исходных данныхбыла выбрана заданная температура нагревателя, равная θ З = 1460 0С.Варьируемым параметром стало изменение шага переключения ступенейнапряжения (числа переключений), а также изменение значения напряженияпервой ступени трансформатора.Для наглядного восприятия, сигналы тока и температуры в модели рис.2.16 выводились на общий виртуальный осциллограф Scope. Зависимостьсопротивления в блоке Lookup Table (рис. 2.16) соответствует зависимостиудельногосопротивлениямолибденаоттемпературы;номинальноенапряжение исследуемой установки 17,5 В, в связи с этим в блокеограничения Saturation2 установлено значение равное 35 В, чтобыобеспечить двукратный запас по мощности установки (данный приемсчитается традиционным в ЭПС).Страница | 62В качестве примера, на рис. 3.1 представлены переходные функции,рассчитанные для модели рис.2.8 со следующими исходными данными:напряжение первой ступени трансформатора 3,5 В; шаг переключенияступеней напряжения 4,4 В (таким образом, в установившийся режимустановка выходит за три последовательных переключения на одну ступеньвыше).Рис.
3.1. Зависимости температуры (кривая 1) в печи и тока (кривая 2) нанагревателях от времениКак показывает анализ рис.3.1, разработанная модель регуляторатемпературы ВПС с использованием переключения ступеней напряженияадекватно отражает протекающие в ней процессы и может использоватьсядля проектирования систем управления.
Переключение ступеней напряженияувеличивает время разогрева печи до заданной температуры. Однакоразогрев ВПС с экранной теплоизоляцией до температуры 1150 0С за 1,5 часа(без изделия) является удовлетворительным показателем. С учетом того, чтобольшинство технологических процессов критичны к резкому перепадутемпературы (быстрому нагреву) и порой накладывают дополнительноеограничениепоскоростинагрева,томожносделатьвывод:чтоиспользование предлагаемой системы ограничения тока не приводит ксущественному увеличению времени разогрева печи. Более того такойСтраница | 63способ пуска печи можно считать наиболее целесообразным с учетомснижения броска тока (до 3-кратного вместо 9-кратного, при прямом пускепечи) и, как следствия, увеличения срока службы нагревателей.Важным элементом исследования данной системы являлось определениецелесообразного числа ступеней напряжения трансформатора.
Разработаннаямодель позволяет сравнивать качество переходных процессов в печи, приприменении различных трансформаторов, и в зависимости от исходныхданных и конкретного типа печи подобрать оптимальный трансформатор,увеличивая энергетическую эффективность установки.На рис.3.2. представлены динамические характеристики тока итемпературы для нагревателей вакуумной печи СНВЭ-16/11,5 с различнымчислом ступеней переключения напряжения трансформатора.
Как показываетанализ рис.3.2а и 3.2б, при использовании трансформатора с двумя и тремяступенями бросок тока на второй ступени значительно превышаетноминальный ток. На рис.3.2е применяется трансформатор с семьюступенями напряжения. Столь большое число переключений приводит ктому, что максимальный бросок тока наблюдается уже на первой ступени,поэтому дальнейшее увеличение числа переключений не приводит кснижению броска тока.Применение трансформатора с 4÷6 ступенями напряжения (рис.3.2в-д)обеспечивают бросок тока в районе двух номинальных значений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
