автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Повышение энергетической эффективности высокотемпературных вакуумных печей сопротивления с экранной теплоизоляцией

На правах рукописи

МИТЯКОВ ФИЛИПП ЕВГЕНЬЕВИЧ

повышение энергетической эффективности

высокотемпературных вакуумных печей сопротивления с экранной теплоизоляцией

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1с ПАП 2014

Москва-2014 г.

005548107

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированных электротехнологических установок и систем» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

доктор технических наук, профессор Рубцов Виктор Петрович

профессор кафедры «Электротехника» ФГБОУ ВПО МГТУ «МАМИ», доктор технических наук, профессор

Овсянников Евгений Михайлович

заведующий отделом «Электронагрева» ОАО НПО «ЦНИИТМАШ», кандидат технических наук, доцент

Печеркин Валерьян Витольдович

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Защита состоится ии>нЯ 2014 года в аудитории М-¿ //в -часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

2014 г.

Автореферат разослан »

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.157.02 к.т.н., доцент

Цырук С. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для ряда технологических процессов, когда необходима малая тепловая инерция печи или существуют повышенные требования к чистоте и однородности рабочего пространства печи необходимо применять вакуумные печи сопротивления (ВПС) с экранной теплоизоляцией, что позволяет выделить данные установки в отдельный ряд электрических печей сопротивления.

Тепловые параметры вакуумных печей с экранной теплоизоляцией существенно хуже, чем у футерованных печей. Но, несмотря на повышенный расход электроэнергии, для большинства перечисленных технологических процессов, когда требуется повышенная чистота или необходима малая тепловая инерция печи, применение ВПС с экранной теплоизоляцией оправдано. С целью улучшения энергетической эффективности печей с экранной теплоизоляции необходимо подбирать оптимальный комплект металлических экранов для решения конкретных задач, учитывая обрабатываемый в печи материал, номинальную температуру, рабочее давление и т.д. Методика выбора числа и материалов экранов в литературе отсутствует. Все рекомендации сводятся к тому, что установка более семи экранов в печи снижает тепловые потери совсем незначительно, а материал экрана выбирается в зависимости от его рабочей температуры. Кроме того, необходимо отметить, что вакуумные печи сопротивления с экранной теплоизоляцией обладают крайне высокими тепловыми потерями (порядка 75-85%).

Постоянный рост стоимости электроэнергии в России делает целесообразным решение задачи выбора числа и материала экранов на основе экономических критериев.

Большинство заводов, на которых эксплуатируются установки данного класса, были построены в 70 - 80 года и на сегодняшний день почти все электротермическое оборудование таких предприятий технически устарело. В связи с этим возникает потребность в замене нагревательного блока печи, а также модернизация системы автоматического управления (САУ) установкой. Применение новых алгоритмов управления в совокупности с постоянно развивающейся элементной базой позволяет повысить количественные и качественные показатели регулятора температуры и всей установки в целом. Кроме того, модернизация системы управления установкой существенно менее затратна, чем полная её замена.

На основании вышеизложенного задача повышения энергетической эффективности ВПС с экранной теплоизоляции за счет модернизации нагревательного блока, системы управления установкой, а также на основании современных экономических критериев.

Целью работы является повышение энергетической эффективности вакуумных печей сопротивления с экранной теплоизоляции за счет модернизации нагревательного блока, системы управления установкой, а также на основании современных экономических критериев.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. анализ состояния развития вакуумных печей сопротивления, особенности выполнения конструкций нагревательных блоков печей, влияние технологического процесса, реализуемого в установках;

2. разработка уточненных моделей вакуумных печей сопротивления с экранной и комбинированной теплоизоляциями для решения определенных задач;

3. исследование влияния числа ступеней переключения напряжения трансформатора на максимальный бросок тока в нагревателях вакуумных печей сопротивления, выполненных из тугоплавких металлов;

4. исследование динамических характеристик вакуумных печей сопротивления при использовании различных способов ограничения тока в регуляторах температуры;

5. исследование влияния нелинейности регулятора мощности на показатели переходных процессов в вакуумных печах сопротивления;

6. исследование рационального выбора комплекта теплоизоляции с учетом разработанного критерия минимума экономических затрат;

7. разработка методики теплового расчета вакуумных печей сопротивления с комбинированной теплоизоляцией, а также программного пакета для исследования материалов, которые целесообразно применять в качестве неметаллической засыпки в комбинированной теплоизоляции вакуумной печи сопротивления;

8. реализация системы управления с ограничением тока, обеспечивающей повышение энергетической эффективности процесса плавного выхода на режим нагревателей с высоким коэффициентом термического сопротивления.

Обоснованность и достоверность научных результатов и выводов подтверждается корректным применением допущений при разработке моделей комплекса систем электропитания и управления, а также конструктивных факторов печи, опирающихся на общепринятые представления в области электротехнологии, а также совпадением результатов исследований с литературными данными.

Рассматриваемые в работе вопросы относятся к пунктам 2, 3 паспорта специальности 05.09.10 Электротехнология.

Научная новизна работы заключается в следующих положениях:

разработка уточненной математической модели комплекса электрооборудования, включающего в себя системы электропитания и управления высокотемпературными вакуумными печами в совокупности с их конструктивными факторами, учитывающей нелинейность характеристик силовых и управляющих элементов регуляторов температуры и неоднородность печи как объекта управления;

- обоснование целесообразности применения токовой отсечки с использованием канала обратной связи по температуре;

- обоснование рационального выбора превышения мощности регулятора по принципу экономической эффективности;

- обоснование метода комбинированной экранной теплоизоляции в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления;

- разработка критерия оценки экономической эффективности экранной теплоизоляции в вакуумных печах сопротивления.

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:

- разработка имитационной модели системы управления ВПС в программной среде Matlab/Simulink, позволяющая проводить анализ и синтез регуляторов температуры в диалоговом режиме и обосновано выбирать параметры элементов системы управления;

- разработка схемотехнического решения системы управления в вакуумных печах сопротивления, снижающее установленную мощность регулятора мощности и повышающее энергетическую эффективность системы управления;

- разработка программного пакета Shield's Thermal Insulation, позволяющего решать задачу теплового расчета ВПС с экранной и комбинированной теплоизоляцией, а также проводить оценку экономической эффективности выбранного комплекта теплоизоляции;

- даны рекомендации по выбору: числа ступеней напряжения многоступенчатого трансформатора; значения токовой отсечки в регуляторе напряжения; числу экранов, установленных в теплоизоляции, в зависимости от номинальной температуры в печи.

Апробация. Результаты работы доложены на 16-й, 17-й, 18-й, 19-й и 20-й международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, «МЭИ», в 2010 -2014 гг.); 8-й, 10-й и 11-й международных научно-практических интернет-конференциях «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век» (Орёл, ОГТУ, в 2010 -2013 гг.), международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий» АПЭЭТ - 2011 и АПЭЭТ-2014 (Екатернбург, УрФИ, в 2011 и 2014 гг.); 13-й и 14-й международных конференциях «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты», МКЭЭЭ-2010 и МКЭЭЭ-2012 (Алушта, Украина, в 2010 и 2012 гг.); программе «Участник молодёжного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.»); на научных семинарах кафедры «Автоматизированных электротехнологических установок и систем» НИУ «МЭИ».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 печатные работы, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата

наук, 2 патента РФ на полезную модель и 1 зарегистрированная программа для ЭВМ.

Реализация результатов работы.

Материалы и результаты исследований диссертационной работы в части реализации системы управления использованы при модернизации вакуумной печи сопротивления СНВФ-5.10.5/11,5 для закалки колец подшипников ООО «Европейская подшипниковая компания».

Результаты диссертационной работы предполагается использовать на предприятиях, проектирующих и эксплуатирующих вакуумные печи сопротивления. Результаты работы используются также в учебном процессе на кафедре АЭТУС НИУ «МЭИ».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Основной текст диссертации изложен на 128 страницах, работа сопровождается 12 таблицами, 53 рисунками и приложением на 6 страницах, список литературы включает 90 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели и задачи диссертации, охарактеризована ее структура, показана научная новизна работы и ее практическая ценность.

В первой главе проводится анализ состояния развития ВПС с экранной теплоизоляцией и их систем управления. Рассматриваются особенности материалов нагревательного блока ВПС данного типа и их влияние на выполнение системы управления. Выявлены особенности ВПС как объекта управления. Представлены конструкции нагревателей и теплоизоляции из тугоплавких металлов с указанием их недостатков и рекомендациями по

совершенствованию. Отмечается вклад отечественных и зарубежных

исследователей в решение задачи повышение энергетической эффективности установок такого типа за счет модернизации нагревательного блока печи.

По существу печь сопротивления представляет собой комплекс

электрооборудования, включающего в себя собственно печь сопротивления, систему электропитания и управления. В силу своих особенностей ВПС выделяют в отдельный класс электротермических установок.

Вакуумную печь сопротивления можно разделить на четыре основные области (рис. 1): загрузка 1, нагреватель 2, теплоизоляция 3, водоохлаждаемый кожух.

Рис. 1

Установлено, что в настоящее время объективных методик выбора числа и материалов экранов теплоизоляции не существует. А постоянный рост стоимости электроэнергии в России делает целесообразным решение задачи выбора числа и материала экранов на основе экономических критериев.

Основным фактором, влияющим на разработку системы управления нагревательными элементами ВПС любого типа, является зависимость удельного электрического сопротивления материала нагревателя от температуры. Объектом исследования в данной диссертационной работе является высокотемпературная вакуумная печь сопротивления с экранной теплоизоляцией, разрез которой представлен на рис.1. Нагревательный блок установок такого типа выполняется из тугоплавких металлов, обладающих характерной особенностью: высокое значение температурного коэффициента электрического сопротивления. Это накладывает дополнительное требование к проектированию системы управления. В связи с тем, что электросопротивление нагревателя, выполненного из тугоплавких металлов, при нагреве и охлаждении изменяется в 1(Н15 раз, а, следовательно, во столько же раз (в соответствии с законом Ома) изменяется и ток, протекающий по нагревателю. Столь резкий бросок тока негативно сказывается на качестве нагревательных элементов печи, а также значительно сокращает срок их службы.

Показана необходимость решения задач повышения энергетической эффективности ВПС с экранной теплоизоляции за счет совершенствования конструкции печи, экономически обоснованного выбора комплекта теплоизоляции и энергетической эффективности системы управления.

Во второй главе приведены разработанные модели регуляторов температуры, учитывающие нелинейные характеристики систем электропитания и управления вакуумными печами с экранной и комбинированной теплоизоляциями.

В основу исследования положено представление ВПС, как неоднородного нелинейного объекта управления (рис. 2).

Рис. 2

Исследования в работе проводились на базе имитационной модели вакуумной печи сопротивления с экранной теплоизоляцией, составленной по структурной схеме (рис. 3) в среде ЗтиПпк МайаЪ, позволяющей проводить анализ и синтез систем электропитания и управления совместно с конструктивными факторами печи путем расчета динамических характеристик распределения температуры в различных областях нагревательной камеры.

Модель печи при исследованиях, проводимых в работе, видоизменялась в зависимости от решаемых задач.

Классический способ питания печей сопротивления с нагревателями из тугоплавких металлов основан на использовании многоступенчатого понижающего трансформатора с регулированием напряжения в широком диапазоне. К сожалению, рекомендации по выбору числа ступеней напряжения трансформатора в литературе отсутствуют. В связи с этим, было принято решение разработать имитационную модель системы управления ВПС с многоступенчатым трансформатором, позволяющую получить рекомендации по выбору трансформатора.

Рис. 3

При разработке модели (рис. 3) использовалась структурная схема модели трансформатора, приведенная на рис. 4. В модель, в блоке Lookup Table (Simulink Matlab) заложена зависимость электрического сопротивления нагревательных элементов от температуры. Вывод рассчитанных переходных функций тока от времени на виртуальный осциллограф Scope позволяет определить значение броска тока для выбранного трансформатора.

РЭ зо

1Ьх — Кп Г

— Р _н

Рис. 4

Как показано в работе, более перспективным способом снижения броска тока в системах управления нагревателями из тугоплавких металлов является применение токовой отсечки, ограничивающей ток на нагревателях в процессе разогрева печи.

В ряде специализированных исполнительных элементов - тиристорных регуляторов переменного напряжения, вводят нелинейную отрицательную обратную связь по току (токовую отсечку), ограничивающую ток нагрузки допустимыми для тиристоров значениями. В большинстве исполнений тиристорных регуляторов мощности токовую отсечку не применяют. Более

того, введение токовой отсечки возможно только при использовании фазоимпульсного способа управления тиристорами регулятора мощности, в то время как для печей сопротивления применяют импульсное (релейное) управление тиристорами, позволяющее уменьшить стоимость при сохранении качества и точности регулирования. Однако, как показали исследования, б релейных регуляторах температуры вводить токовую отсечку нельзя.

Еще одним возможным решением задачи ограничения тока в регуляторах температуры является введение сигнала обратной связи по току в канал обратной связи по температуре. По данному техническому решению был получен патент РФ на полезную модель № 98602. Целесообразность такого выполнения регулятора температуры ВПС является возможность его построения на базе современных типовых микропроцессорных контроллеров.

Сравнительное исследование регуляторов температуры с различными способами токоограничения для удобства и наглядности результатов проводились на предложенной совокупной модели (рис.5), включающей в себя две одновременно работающие системы.

Наряду с исследованиями систем электропитания и управления в этой главе рассматривались вопросы модернизации экранной теплоизоляции. Известно, что для повышения энергетической эффективности ВПС с экранной теплоизоляцией недостаточно просто увеличивать число экранов. Тепловые потери после добавления седьмого экрана снижаются не значительно. В связи с этим, был предложен вариант модификации экранной теплоизоляции, использующий неметаллическую засыпку, материал которой не взаимодействует с металлами при высоких температурах (рис. 6).

О

Рис. 5

шт

Ьу^гч»»;

шш

ШШ

тщ Щ§

Рис. 7

Данные модели позволяют сравнивать качество переходных процессов в печи, при применении различных многоступенчатых трансформаторов, и в зависимости от исходных данных и конкретного типа печи подобрать оптимальное число переключения ступеней напряжения по критерию минимума броска тока, увеличивая энергетическую эффективность установки.

нагреватель

Рис. 6

Целесообразность и эффективность такой модификации анализируется ниже на основе указанных выше моделей.

Третья глава посвящена исследованию систем электропитания и управления печей и влияния комбинированной теплоизоляции на основные характеристики печи.

Влияние числа ступеней переключения напряжения трансформатора на бросок тока нагревателей анализировалось на основе разработанных моделей (рис.2,3).

I, А

Представленные на рис.7, ьиИ осциллограммы тока нагревателей и 553$ температуры печи иллюстрируют * | " процессы, протекающие в печи, при 'J : переключении ступеней напряжения ^ -трансформатора. '

Результаты исследования ,»f влияния числа ступеней напряжения j | трансформатора представлены на в5 f ,,, , , рис. 8 в виде зависимости 1щх/1ном I

= / (п). Как следует из анализа 0 2 3 4 5 6 1

указанной зависимости, согласно число ступеней напряжения трансформатора

принятому критерию минимума

броска тока Омах = rnin),

целесообразно использовать 4-НЗ ступеней напряжения.

Этот вывод базируется на том, что каждое дополнительное переключение увеличивает время нагрева установки, снижая производительность.

Исследование разработанного регулятора температуры с дополнительным каналом по току проводилось на модели (рис.5).

Разработанная модель позволяет определить зависимости времени выхода на номинальный режим нагревателей, а также настроить параметры ПИ-регулятора, при различных значениях отношения «токовой отсечки» к номинальному току.

На рис. 9а представлена зависимость быстродействия выхода на режим нагревателей печи от отношения «токовой отсечки» к номинальному току, при использовании разработанного регулятора температуры. Как следует из зависимости, увеличение «токовой отсечки» выше 2,5х1Ном не имеет особого смысла в связи с минимальным увеличением скорости выхода на режим нагревателей. Кроме того, ряд технологических процессов накладывает ограничение к скорости нагрева обрабатываемого изделия, в связи с этим, увеличение значения «токовой отсечки» не требуется. Поэтому можно рекомендовать, при настройке системы с использованием предлагаемого регулятора температуры, устанавливать значение «токовой отсечки» в диапазоне от 1,5 до 2,5 1Ном-

На рис. 96 отображены зависимости пропорциональной и интегральной составляющей ПИ-регулятора. При отношении 1отс/1ном < 2, значение пропорциональной составляющей, при настройке ПИ-регулятора, является постоянным (кривая 1, рис. 96). При отношении Iotc/Ihom > 3, значение пропорциональной составляющей плавно уменьшается. Наиболее сложной задачей является определение и настройка пропорциональной составляющей при значениях «токовой отсечки», как раз в рекомендуемом нами диапазоне 1,5 <10тс/1ном< 2,5 (кривая 1, рис. 96). Интегральная составляющая ПИ-регулятора, при изменении токовой отсечки, практически не меняется (кривая 2, рис. 96).

Т, С

5ооо

4СЮ

ЗШ-1 I гш

1СОО

1отс ! 1ном

Кх К2

1« од-

8 • <5,08/-

6 0,06-

4 ~ 0;с4 -

2- 0,02-

0- 0 -

Ноте. ' 1ноы

а)

12 3 4

РИС. 9 ^

На рис. 10 приведены осциллограммы Щ, иллюстрирующие результаты сравнительного исследования систем управления с различными способами ограничением тока. I, А ■

3000

.2500

2000

1500

1000

500

Г, с

1000

2000

зооо

5000

6000

7000

4000

Рис. 10

Как показывает анализ характеристик, представленных на рис. 10:

- все способы организации питания нагревателей позволяют обеспечить плавный пуск печи;

- применение регулятора с дополнительным каналом по току (кривая 1) позволяет снизить бросок тока на нагревателях: на 30% в сравнении с «токовой отсечкой» во внутреннем контуре регулятора (кривая 2); на 70% - с переключением ступеней напряжения трансформатора (кривая 3).

Кроме того, система управления с дополнительным каналом по току более проста и удобна в настройке.

Исследования влияния превышения мощности регулятора на время выхода печи на режим иллюстрирует рис.11. Как следует из приведенной зависимости, увеличение превышения мощности п > 2 не приводит к заметному снижению времени разогрева печи, зато увеличивает установленную мощность

и стоимость тиристорного регулятора, с а также уменьшает коэффициент мощности и снижает энергетическую эффективность системы управления. Этот вывод следует иметь в виду при выборе рационального значения п. Не случайно, на практике чаще всего выбирают регулятор мощности из условия п ~ 2.

Исследование влияния

комбинированной теплоизоляции проводилось на базе разработанных моделей, представленных выше.

Приведенные на рис. 12 осциллограммы распределения температур иллюстрируют влияние неметаллической засыпки на быстродействие системы регулирования и производительность печи. В качестве примера можно отметить, что применение 22 мм слоя засыпки из диоксида циркония позволяет: убрать из печи два молибденовых экрана и снизить мощность тепловых потерь на 30%. На рис.12 кривые 1,3 соответствуют температуры первого экрана и температуре в печи при применении экранной теплоизоляции; кривые 2,4 температуре засыпки и температуры в печи при применении комбинированной теплоизоляции.

Стоит отметить, что простое увеличение числа экранов в комплекте экранной теплоизоляции больше семи не позволяет значительно снижать тепловые потери в установке. В связи с этим, применение неметаллической засыпки может считаться перспективным с целью улучшения энергетической эффективности установок такого класса.

е,

Рис. 11

Рис. 12

С, т.руоЛг

300-

200

100-

С, т.руб/м*

280т

240-

<5 а)

-1-1-1

5 10

200-

160

120

1800«С * -

2 4 6 5)

10

Рис. 13

Четвертая глава посвящена рассмотрению вопросов совершенствования конструкции теплоизоляции, систем электропитания и управления для вакуумных печей сопротивления на основе проведенных исследований.

Для оценки эффективности использования теплоизоляции ВПС был предложен экономический критерий, связывающий затраты на производство теплоизоляции (рис. 13а, кривая 1) с затратами на электроэнергию (рис. 13а, кривая 2), затраченной при расчетном сроке службы комплекта теплоизоляции. Такой подход позволяет учесть, что в процессе работы печи комплект теплоизоляции может меняться неоднократно.

Исследования оценки качества теплоизоляции с учетом разработанного критерия показали (рис. 136):

в средне- и высокотемпературных (1150-^-2000 °С) вакуумных печах сопротивления, можно рекомендовать, применение пакета 4-^6 экранов из тугоплавких металлов в комплекте с «несущим» экраном из нержавеющей стали.

В соответствие с предлагаемой концепцией проектирования вакуумной печи сопротивления с комбинированной теплоизоляцией рекомендуется использовать следующий алгоритм выбора материалов экранов и засыпки при проектировании комбинированной теплоизоляции, представленный на рис.14.

Первым (наиболее горячим) экраном в печи вне зависимости применяется засыпка или нет, обязательно необходимо устанавливать металлический экран. Материал первого экрана выбирается, исходя из двух параметров: номинальной температуры в печи, а также требований технологического процесса к однородности рабочего пространства. При номинальной температуре в печи до 1700 °С в качестве первого экрана рекомендуется применять молибден, свыше -вольфрам. В случае если технологический процесс накладывает дополнительные требования (например, при термообработке ниобия или тантала) рекомендуется устанавливать первый экран из такого же материала, как и загрузка.

РИС. 14

При разработке новых вакуумных печей с комбинированной теплоизоляцией необходимо руководствоваться экономическими показателями. Увеличение теплоизоляции на 100 мм (по 50 мм с каждой стороны) не приведет к значительному увеличению габаритных размеров печи. Поэтому в таком случае можно рекомендовать к применению более дешевые материалы, в частности циркон. При реконструкции нагревательного блока существующей печи возникает проблема с ограниченным пространством рабочей камеры. В связи с этим, можно рекомендовать к применению оксид циркония (более дорогой материал в сравнении с цирконом), позволяющий значительно снизить тепловой поток с применением слоя засыпки всего лишь в пару десяток миллиметров.

Заключительным этапом выбора комбинированной теплоизоляции является определение числа и материалов последующих экранов. Основным руководством на этом этапе является значение температуры в конце слоя неметаллической засыпки. По возможности рекомендуется выбирать толщину слоя засыпки таким образом, чтобы исключить использование дополнительных экранов из тугоплавких металлов, т.е. температура на конце слоя засыпки должна быть менее 1150 °С, что позволяет использовать в качестве металлического экрана нихром.

Для упрощения и ускорения процесса проектирования вакуумных печей сопротивления с комбинированной теплоизоляцией в работе был разработан программный пакет, позволяющий проводить сравнительные тепловые и экономические расчеты вакуумных печей.

Данный программный пакет Shield's Thermal Insulation («Экранная теплоизоляция») зарегистрирован в реестре программ для ЭВМ № 2012614489 и применяется на кафедре АЭТУС НИУ «МЭИ» для обучения студентов по специальности «Электротехнологические установки и системы».

Программный пакет ST1 позволяет рассчитывать тепловой поток при любой заданной толщине слоя неметаллической засыпки и любом числе металлических экранов, решая следующую систему уравнений, описывающею

теплопередачу сложного теплообмена

г

____

<?=-7-\

5гсг. £ х _frg-Stf_ |

ЛзНС ' Спр \ /%+57£Л4 I

J \l COO ) { ¿00 } j

Благодаря разработанному программному пакету (рис. 15) был произведен анализ применения различных пористых оксидов в качестве неметаллической засыпки для комбинированной теплоизоляции.

В качестве примера использования программного пакета, представлены результаты произведенных тепловых расчетов вакуумной печи сопротивления СШВ-7,5.9/13. На основании полученных результатов установлено, что

Экраннрг тйп/ои^олячия

Дтмтр, и

Й Я ' |

ic ч

ieeofi i

ВЬВЙЗ ft а .

Я

РлбочсезяЕле.нис.

Я Па >

"■ СТ^КЯЖТЪ.'.' ■■ 33, pigAcBW

TVlSjW V-

с

3=1064 -с;

И«й>1

T5=i?4sc

Р = ШГ; Вт

• ОКНО

цены v

ii >л?(

• iKSKi«"«®!'.".

рнэпечв

ПрЯВО',TOiViS it '

Нвпга5чя<*

Рис, 15

применение слоя засыпки 56 мм из циркона ^ЮгБЮг) пористостью 53% позволяет снизить мощность теплового потока в печи с комбинированной теплоизоляцией на 30%. Это приводит к значительному снижению установленной мощности источника питания, тепловых потерь в печи, а также повышает экономическую эффективность установки. Проведенные расчеты согласуются с результатами аналитических исследований.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты по диссертационной работе.

В приложении представлены патенты на полезную модель РФ регуляторов температуры, а также свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой поставлена и решена актуальная задача повышения энергетической эффективности высокотемпературной вакуумной печи сопротивления с экранной теплоизоляцией за счет модернизации нагревательного блока, системы управления установкой, а также на основании современных экономических критериев.

На основании выполненных автором исследований получены следующие научные и практические результаты:

1. На основании разработанной уточненной модели системы управления с многоступенчатым трансформатором с учетом критерия минимума броска тока показана целесообразность выбора трансформатора, обеспечивающего «плавный» выход нагревателей на режим за четыре последовательных переключения ступеней напряжения.

2. Выявлено существенное влияние на максимальный бросок тока в нагревательных элементах печи «токовой отсечки», которая для рассматриваемого класса печей не должна превышать значения 2+2,51ИШ.

3. Установлено, что применение разработанного регулятора температуры с дополнительным каналом по току позволяет снизить бросок тока на нагревателях: на 30% в сравнении с «токовой отсечкой» во внутреннем контуре регулятора; на 70% - с переключением ступеней напряжения.

4. Выявлена зависимость времени выхода печи на режим от превышения мощности и установлено, что увеличение превышения мощности регулятора п>2 не приводит к заметному снижению времени разогрева печи, зато значительно увеличивает стоимость тиристорного регулятора мощности.

5. На основании разработанного критерия минимума экономических затрат установлено, что в средне- и высокотемпературных (1150+2000 °С) вакуумных печах сопротивления рекомендуется устанавливать пакет из 4+6 молибденовых (вольфрамовых) экранов в комплекте с несущим экраном из нержавеющей стали.

6. Предложена модификация экранной теплоизоляции с точки зрения снижения мощности тепловых потерь, при которой наиболее нагретые экраны заменяются высокопористой неметаллической засыпкой.

7. Предложена методика теплового расчета вакуумных печей сопротивления с комбинированной теплоизоляцией и показано, что применение 22 мм слоя засыпки из диоксида циркония позволяет не использовать два молибденовых экрана, а также снизить мощность теплового потока в печи на 30%.

Это приводит к снижению установленной мощности источника питания, тепловых потерь в печи, а также повысит экономическую эффективность установки.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Рубцов В.П., Митяков Ф.Е. Модификация экранной теплоизоляции в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления // Вестник МЭИ. - 2011. - №1. - С. 36-40.

2. Митяков Ф.Е. Экономический анализ применения экранной теплоизоляции в вакуумных печах сопротивления // Вестник МЭИ. -2011,- №4. -С. 80-84.

3. Рубцов В.П., Митяков Ф.Е., Горячих Е.В., Кручинин А.М. Влияние ограничения тока нагревателей на работу регуляторов температуры в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления // Вестник МЭИ. - 2012, №2, с.80-84.

4. Митяков Ф.Е., Горячих Е.В. Исследование влияния переключения ступеней напряжения трансформатора на работу регуляторов температуры в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления // Электротехника. — 2013, №7, с. 33-37.

5. Патент РФ на полезную модель № 98602, МПК G05D 23/19. Регулятор температуры электропечи сопротивления // В.П. Рубцов, Е.В. Горячих, Ф.Е. Митяков. - №2010124622/08; Заявл. 17.06.2010; Опубл. 20.10.2010. Бюл. №29.-1с.

6. Патент РФ на полезную модель № 130419, МПК G05D 23/19. Регулятор температуры электропечи сопротивления (варианты) // В.П. Рубцов, Ф.Е. Митяков., Е.В. Горячих. - №2012149040/08; Заявл. 19.11.2012; Опубл. 20.07.2013. Бюл. №20,- 1с.

7. Рубцов В.П. Митяков Ф.Е., Журжи Д.П. Программа для ЭВМ. Экранная теплоизоляция - Shield's Thermal Insulation. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012614489. Заяв. № 2012611998. Зарегистрировано 18 мая 2012 г.

8. Митяков Ф.Е. Особенности построения экранной теплоизоляции в вакуумных печах сопротивления // Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий АПЭЭТ-2011. Сборник научных трудов. Екатеринбург: ФГАОУ ВПО УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2011. - с.74-79.

9. Митяков Ф.Е., Горячих Е.В. Системы управления печей сопротивления с нагревателями из тугоплавких металлов // Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий АПЭЭТ-2014. Сборник научных

трудов. Екатеринбург: ФГАОУ ВПО УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2014. - с.88-93.

10. Rubtsov V.P., Mitiakov Р.Е. Shield's thermal insulation modification in vacuum resistance furnace//Abstracts 13th ICEEE-2010. September 19-25, 2010 Alushta, Crimea, Ukraine. - p. 114-115.

Рубцов В.П., Митяков Ф.Е. Модификация экранной теплоизоляции в вакуумных печах сопротивления • // Труды XIII Международной конференции Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты. МКЭЭЭ-2010, Крым, Алушта, Украина. - с. 114115.

11. Митяков Ф.Е. Сравнение конструкций нагревателей для вакуумной печи сопротивления типа СНВЭ // Труды XIV Международной конференции Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты. МКЭЭЭ-2012, Крым, Алушта, Украина. - с. 300-302.

12. Рубцов В.П., Митяков Ф.Е. Регулятор температуры в вакуумной печи сопротивления с ограничением тока // Труды XIV Международной конференции Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты. МКЭЭЭ-2012, Крым, Алушта, Украина. - с. 306308.

13. Рубцов В.П., Митяков Ф.Е. Повышение эффективности энергопотребления вакуумной печи сопротивления путем рационального выбора экранной теплоизоляции // Энерго- и ресурсосбережение - XXI век: Сб. материалов VIII-ой Междунар. научн.-практич. интернет-конференции. - Орел: Издательский дом «ОРЛИК» и К, 2010. - с. 121-123.

14. Рубцов В.П., Митяков Ф.Е. Системы управления нагревателями из тугоплавких металлов с ограничением тока // Энерго- и ресурсосбережение - XXI век: Сборник материалов X международной научно-практической интернет-конференции. - Орел: Госуниверситет-УНПК, 2012.-е. 129-131.

15. Митяков Ф.Е., Журжи Д.П. Автоматизированный расчет параметров теплопередачи в ВПС с экранной теплоизоляцией // Энерго- и ресурсосбережение - XXI век: Сборник материалов X международной научно-практической интернет-конференции. - Орел: Госуниверситет-УНПК, 2012.-е. 126-128.

16. Митяков Ф.Е., Горячих Е.В. Сравнительный анализ систем управления нагревателями с высоким значением коэффициента электрического сопротивления // Энерго- и ресурсосбережение - XXI век: Сборник материалов XI международной научно-практической интернет-конференции. - Орел: Госуниверситет-УНПК, 2013. - с. 115-118.

17. Митяков Ф.Е., Горячих Е.В. Критерий минимума экономических затрат для рационального выбора комплекта экранной теплоизоляции // Энерго- и ресурсосбережение - XXI век: Сборник материалов XI международной научно-практической интернет-конференции. - Орел: Госуниверситет-УНПК, 2013.-е. 118-121.

18. Митяков Ф.Е. Анализ срока службы нагревателей в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Шестнадцатая Междунар. науч-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3 т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. - с. 179-181.

19. Митяков Ф.Е. Экономическая оценка вариантов выполнения экранной теплоизоляции в вакуумных печах сопротивления // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Семнадцатая Междунар. науч-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3 т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ,

2011. -с.208-209.

20. Митяков Ф.Е. Разработка модели высокотемпературной вакуумной печи сопротивления с экранной теплоизоляцией // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Восемнадцатая Междунар. науч-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 4 т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ,

2012.-с. 359.

21. Митяков Ф.Е., Горячих Е.В. Варианты исполнения систем управления нагревателями из тугоплавких металлов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Девятнадцатая Междунар. науч-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 4 т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ,

2013. С. 308.

22. Митяков Ф.Е., Горячих Е.В. Моделирование "кривой разогрева" ЭПС с учетом теплотехнических параметров установки в среде БшшИпк МаИаЬ // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Восемнадцатая Междунар. науч-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 4 т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2014. -С. 294.

23. Митяков Ф.Е., Горячих Е.В. Модернизация регулятора температуры в вакуумных печах сопротивления с нагревателями из тугоплавких металлов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Семнадцатая Междунар. науч-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3 т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2011. С. 207.

24. Митяков Ф.Е., Журжи Д.П. Разработка программного пакета для расчета экранной теплоизоляции вакуумной печи сопротивления с учетом экономического критерия // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Восемнадцатая Междунар. науч-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 4 т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - с. 360.

Подписано в печать М М-МП Зак. т Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул.,д.13