автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Тепловые режимы в горизонтальных циркуляционных эмальпечах

ИШИТЁХШЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Цветкова Людмила Николаевна

шшсшь рекш в горизонтальных

щвдляционшх эмалышах

Специальность Q5.I4.0b - Теоретические основы теплотехники

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

РГБ (№скм \ О м1р 1325

Томск - 1995

Работа выполнена в Томском политехническом университете

Научный руке водитель - кандидат технических наук,

доцент Фурман A.B.

Официальные оппоненты - доктор физ.-мат. наук,

профессор Гришин A.M.,

- кандидат технических наук, доцент Карауш С.А.

Ведущая организация -АС "Сибкабель?

Защита состоится .

дата, год, время на заседании диссертационного совета К 063.80.06 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Томском политехническом университете (634004, Томск, Ленина, 30).

С диссертацией межне ознакомиться ß библиотеке Томского политехнического университета

Автореферат разослан

427" $3 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета -- Заворин A.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ

Жесткая ориентация промышленности в рыночных условию: на интенсивный путь развития ставит в настоящее время задачу повышения эффективности эмальпроизводства.

Актуальность тс м ы определена тем, что достигнутые з настсякее время скорости эмалирования проводов на применяемых 18-ти ходовых эмальагрегатах НГЗ-5/15 1.11 и ПГ2-1Ь/40 производства riHP в 2-2,5 раза ниже возможностей их приешю-отдащ:;х устрсГ.ст?. „ Поныла дальнейшего увеличения скорости приводила к браку покрытия на выходе из эмаль-печи. Замечено, также, что качественные показатели проводов, эмалируемых на одном агрегате, значительно изменяются как по их длине, так различаются и по ходам из-за неодинаковости, в основном, условий термообработки по ширине рабочего пространства печи. • .

В з^ой связи возникла острая необходимость исследования закономерностей тепловых процессов, происходящих в горизонтальных циркуляционных змэльпечах агрегатов ПГЗ, т. к, их наивысшая производительность и наилучшее качество проводов могут быть достигнуты только при оптимальных рекимах термообработки. Выбор этих режимов невозможен без знания закономерностей теплообмена проволоки с покрытием и температурных полей в рабочем пространстве.

Работа выполнялась по комплексным программам "Теплофизика и энергетика" АН СССР (19.1.4.2) и "САПР" Минвуза РСФСР (3.150, 2.8.54).

В настоящей работе р е шается научна.я з ад а ч а углубления теоретических основ термообработки проволоки с покрытием в горизонтальных циркуляционных эмаль-печах, совершенствование технологии эмалирования проводов на агрегатах ПГЗ-5/15 МК и ПГЗ-15/40 МК с разработкой рациональных вариантов их энергетической реконструкции.

Целью исследования является:

- анализ конвективного теплообмена проводов при эмалировании на агрегатах 11ГЗ;

- выявление закономерностей формирования температурных полей в рабочих камерах горизонтальных циркуляционных эмаль-

печей; и закономерностей формирования температурных полей проволоки с покрытием при радиационно-конвективном теплообмене с учетом осевой теплопроводности вдоль проволоки.

- разработка рекомендаций и их реализация в виде энергетической реконструкции рассматриваемых эмальпечей, позволяющей увеличить производительность агрегатов и улучшить качество проводов.

Поставленная цель достигалась как теоретически так и экспериментально на реальных эмальпечах и в лабораторных условиях.

Результаты исследования включают :

1) приближенные аналитические решения задачи нестационарного ЕКТО термически тонкой системы проволоки с покрытием при учете осевой теплопроводности вдоль проволоки;

2) экспериментальный анализ закономерностей формирования нестационарных температурных полей в рабочем пространстве эмальпечей агрегатов ПГЗ-5/15 МК и ПГЗ-15/40 МК, а также режимов термообработки проводов;

3) обоснование рациональной энергетической реконструкции горизонтальных циркуляционных эмальпечей с опытно-промышленной оценкой её эффективности;

4) широкий статистический материал по качественным характеристикам эмалируемых на агрегатах ПГЗ проводов, в том числе и на опытных.

Автор видит новизну пол у. че иных результатов в том, что исследовано влияние осевой теплопроводности вдоль проволоки на её температурный-режим для условий радиационно-конвектиЕного теплообмена; установлены закономерности изменения нестационарных температурных полей по ширине и длине рабочего пространства эмальпечей агрегатов ДОЗ, их влияние на режим термообработки и качественные показатели проводов.

Достоверность полученных результатов подтверждается тем, что сделанные допущения в математических постановках задач правомерны. Полученные аналитические решения сопоставлены с известными для болев простых случаев (например, без учета теплопроводности вдоль оси проволоки), проверены на конкретных примерах расче-

та температурных режимов проводов и качественно подтверждены результатами экспериментов в производственных условиях. Достоверность экспериментальной части работы по температурным полям печи подтверждается анализом погрешностей измерений, а также закономерностями изменения качественных показателей проводов (например, пробивного напряжения, изоляционного пск~ рытия). Достоверность опытного исследования качественных показателей проводов не .вызывает сомнения вследствие использования утвержденных отраслевых методик и оборудования, применения элементов математического планирования экспериментов.

Теоретическая значимость выполненных исследований заключается в развитии приближенных аналитических методов исследования сложного теплообмена, приёмов упрощения исходных математических постановок; задач радиа-ционно-конвективного теплообмена до возможности применения к ним хорошо изученных и эффективных методов анализа. В частности, широко, использована кусочно-линейная аппроксимация парабол температуры четвертой степени, позволяющая свести исходные существенно нелинейные математические модели к виду, позволяющему применять метод вариации произвольных постоянных или интегральное преобразование Лапласа.

Полученные результаты в совокупности углубляют теоретически е основы стадии термообработки проводов в эмальпечах, наиболее ответственной в технологии эмалирования проволоки.

Приближенные аналитические решения могут составить теоретическую основу оптимизации непрерывной термообработки обмоточных и монтажных проводов, волокон, нитей, а также могут быть использованы при проектировании протяжных печей.

Практическая ценность работа и реализация полученных результатов заключается в следующем:

1) полученные теоретические решения задач доведены до уровня програмной реализации, поэтому они могут быть широко использованы". как для анализа полей температуры составных тел, так и в качестве исходных данных подпрограммы тепловых расчетов, создаваемой системы автоматизированного проектирования (САПР) эмальпечей; • - . ,

2) разработаны рекомендации по устранению неравномерности температурных полой по ширине рабочего пространства эмальпечвй агрегатов ПГЗ; разработаны рекомендации по реконструкции необогреваемого зева эмальпечей, по тепловой дообработке изоляционного слоя •последнего прохода и предыдущих слоев;

3) основные научные положения и вывода внедрены в Томском филиале Ассоциации электромагнитных технологий и в . акционерном обществе "Сибкабель" (г. Томск), что позволило увеличить производительность агрегатов ПГЗ в среднем на 40 %% снизить расход электроэнергии на единицу продукции на 15 %, улучшить качественные показатели проводов.

Материалы работы апробированы: на научных семинарах кафедры теоретической и промыш-лонной теплотехники Томского политехнического университета (5 докладов за 1981 - 1995 годы), на Всеросийской научной конференции "Защита металлов от коррозии" Сг. Казань,

1985 г.), на объединенном научном семинаре кафедр теплоэнергетического факультета Томского политехнического института, на научных семинарах кафедры промышленной теплоэнергетики (1986 г.), на научно-техническом Совете СПКБ ВНИИКП (г. Подольск, 1986 г.), на Межреспубликанской научной конференции ^Электрические и радиотехнические цепи и системы" (г. Пермь,

1986 г.), на 5-ом семинаре преподавателей и научных сотрудников кафедр и групп теплофизического профиля с участием ведущих ученых института Теплофизики СО АН СССР (г.Кемерово, 1986 г.), на X научно-методическом семинаре "Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике" (г. Иваново, 1986 г.), на Всесоюзной научно-практической конференции "Ученые и специалисты - в решении социально-экономических проблем страны" (г. Ташкент, 1991 г.), на межреспубликанском совещании "Проблемы региональной экологии" (г.Томск,1992г.), на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава (г. Новосибирск, 1993 г.).

Автор защищает: ^

I) результаты экспериментального исследования закономерностей формирования нестационарных температурных полей в рабочем пространстве эмальпечей агрегатов типа ПГЗ;

2) результаты исследования нестационарного радиацис-нно-конвективного теплообмена проволоки с покрытием при учете осевой теплопроводности вдоль проволоки и методику расчета температурных режимов проводов при их термообработке.

Объем и структура работы. Диссертация включает: введение, четыре главы, заключение и приложения. Текст работи изложен на 93 машинописных страницах, иллюстрирован оь рисунками, включает 5 таблиц, Список использованной литературы включает наименования» в том числе 124 иаи^зцсвания- зар.убекиип авторов. Двенадцать приложений на Й7 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБС5Ы

Во введении показывается практическая значимость теш диссертации и её .общая-характеристика.

В 'первой главе приведены результаты анализа современного состояния исследований, связанных с изучением физико-химических процессов в покрытии на стадии термообработки эмальпроводов. Чрезмерный нагрев провода приводит к браку вследствие вскипания растворителя или термической деструкции покрытия. Недостаточный нагрев проволоки с покрытием также приводит к браку из-за незавершенности реакции химического структурирования изоляции. Изменение температурного режима провода на 15-20 К может привести к изменению скорости реакции- пленкообразования более чем в 2 раза. Поскольку температурный режим провода определяется закономерностями его теплообмена в рабочем пространстве змальпечей,-то выполнен тщательный анализ работ по теплообмену горизонтальных, вертикальных и- наклонных проволок в условиях свободной и вынужденной конвекции. Сопоставление полученных результатов позволило в дальнейшем обоснованно рекомендавать расчетные зависимости для коэффициента конвективного теплообмена' проволок к условиям эмалирования проводов. Кроме того показана необходимость дальнейшего углубленного теоретического исследования радаационно-конвективного теплообмена проволоки с покрытием, в частности, с учетом осевой теплопроводности вдоль проволоки и существенной неравномерностью полей темпе-

ратуры в горизонтальных циркуляционных эмальпечах. Поставлена цель и определены задачи исследования.

Во второй главе аналитически исследовано влияние осевой теплопроводности на температурный ' режим проволоки вблизи входа и выхода печи с использованием следующих математических моделей:

Г - (2) и^-е^ ^иф*^ (3)

На основе анализа приближенных аналитических решений системы (1) - (3), (4) - (6) выявлена область значений диаметров проводов и скоростей их движения V, при которых необходимо учитывать влияние осевой теплопроводности при расчете температурных режимов проводов. Полученные данные позволяют выбрать оптимальные расстояния от лакового узла до входа в печь и поворотных охлаждаемых роликов от выхода из печи, что исключает вскипание растворителя вблизи лакового узла и смятие на поворотных роликах.

а работе [6] рассмотрена аналитическая зависимость,связывающая температурный режим провода с технологическими па» раметрами змальпечей. Для определения температурного режима провода при ступенчатом изменении температурных полей стенки и теплоносителя, разработаны алгоритм и программа расчета, которые могут быть использованы при проектировании новых и реконструкции действующих печей.

ь третьей главе на основе анализа более 16 тыс. опытных точек для 7 агрегатов ПГЗ выявлены закономерности изменения качественных показателей проводов в зависимости от температурных режимов печей,номера хода и по длине провода. Установлено, что температурные режимы, печи существенно влияют на качество проводов (в отдельных случаях относительное пробивное напряжение изоляции изменяется в 1,5-2 раза). Среднестатистическое пробивное напряжение (по 20 измерениям) отдельных участков проводов отличаются в 1,4-1,8 раза.Показано, что относительное пробивное напряжение покрытий хода №1 практически во всех случаях ниже, чем провода хода №9 (в отдельных случаях на ?0 %). Эти результаты указали на заметную неодинаковость условий термообработки крайних ходов (И) и средних (№9) в одной и той же печи.

Полученные результаты подтвердили необходимость детального исследования температурных условий термообработки проводов в эмальпечах агрегатов ПГЗ.

Для чего была создана установка, позволяющая измерять температуру в любой точке плоскости движения проводов ниже и выше нагревателей. В качестве датчиков использовались сваренные встык хромель-алюмелевые термопары (диаметр 0,10; 0,20; 0,48 мм). На основе контрольно-измерительной системы К-200 , вольтамперметра Ж2-20, вольтметра щ 1513, универсального измерительного прибора 1Д 4310, цифропечатающих устройств щ 68000 К и 5 5033 создан измерительный комплекс, позволяющий печатать показания термопар и их номер со скорость» 5 раз в секунду, 1 раз в секунду, один раз в 5, 10, 15 , 20, 30, 40, 60 секунд. Спроектировано и изготовлено устройство для перемещения термопар с любой скоростью в диапазоне 0,2 * 3,4 м/с.

Температурные поля движущегося теплоносителя в эмальпе-. чах агрегатов ПГЗ измерялись методом трех термопар с контролем подвижной 4-х экранной термопарой. Методика отлажена в лабораторных и производственных условиях, оценена погрёшость измерения. Температурное поле стенок рабочего пространства затем рассчитывалось из соотношений стационарного радиационно-конвективного теплообмена термопары с учетом осевой теплопроводности.

Анализ нескольких тысяч опытных точек по температурным режимам эмальпечей при разогреве (рис. 1а) и работе в стационарных условиях позволил выявить оптимальное время разогрева с уменьшением как потребления электроэнергии, так и технологических отходов меди. Шяснено, что эффективная температура излучающих поверхностей в рабочей камере печи (рис.16) всегда выше температуры циркулирующего теплоносителя и снижается от центра (ход № 9) к боковым стенкам печи (ход # I). Размах колебаний температуры, обусловленный работой регуляторов температуры, составляет от 8,3 до 36,9 К с периодом колебаний от 2,5 до 5,1 мин. Аналогичным образом изменяются качественные показатели проводов (рис. 2а,б). Для повышения их стабильности по длине рекомендуется заменить позиционное регулирование температуры на непрерывное.

Детальное исследование полей эмальпечей агрегатов типа ПГЗ показало, что около 1/3 длины печи работает не эффективно. Особенно на входе имеется большой участок с низкой температурой (рис.3). Полученные данные позволили разработать вариант энергетической реконструкции печей, направленный на уменьшение неравномерности температурного поля по ширине печи (установка боковых нагревателей) и расширение зоны с высокой температурой по ходу движения проводов (обогрев зева). Выявлены также • закономерности изменения температурных полей печей в зависимости от уставок регуляторов температуры первой и второй зон, нагревателей катализатора. Выявлены закономерности изменения температуры движущихся с различными скоростями термопар разных диаметров.,

В четвертой главе на основе материалов первых трех глав предложена методика расчета температурных режимов проводов. Было установлено, что эмальпечи агрегатов ПГЗ-15/40 работают на предельных температурных режимах по условиям работоспособности конструкционных материалов. Увеличение длины тепловой камеры ограничено провисанием и вибрациями проводов, что приводит к повышению обрывности. Поэтому для увеличения скорости эмалирования на этих агрегатах предложена технологическая дообработка покрытия последнего прохода. Она заключалась в том, что про8од направлялся ещё {аз в печь мимо лако-наносящего узла. На основе разработанной методики расчета

500

Л> 70 Звене, пин * с)

#0

НО

Л

I

i £

зм

|> ® »о о ® о

о 0 Ос '■о 0о " ° 0 о о о о ° о э

А Д А д Л * Л а О Л л -Л *л., л А л л* д

и А /1 Л Л л 4 ДЛ л

89

9/ 93 Время, мин

Рис. I. Показания неподвижных термопар, установленных на расстоянии 1,23 м от входа в эмальпечь агрегата 11ГЗ-5/15 Ш

а) разогрев печи; б) характер колебаний, обусловленный работой системы позиционного регулирования температуры;

о | о - термопары установлены в зоне хода № 9; 4 , Д ~ термопары установлены в зоне хода № 1; (темные значки - диаметр термоэлектродов 0,49 мм; светлые значки - диаметр 0,1 мм).

$0?

£00 495

т

¡5 м •• &

* \ • 1 1 .* *

? > г

•1 к » • 1

О 2 Ь $ Т

Ч»в ш

т

т

по

но

кг* Л Л

V

V 1 -■4

г N1 I / л

—год 1 •

4 о)

'тп

ш

ш ш 00

>

1 1 г л -ш • и м

г* ¿е

0 2 4 В е 2-

Рис. 2. Зависимость пробивного напряжения изоляции проводов от колебаний температуры в эмальпечи

а) до реконструкции (ПГЗ-15/40 Ш);

б) после реконструкции (ПГЗ—5/15 ;<К).

300 Г60

м И

%

Г / >

3 ?

3

о

4* 0,8 ¿2 16 2.0

Рис. 3. Типичные опытные данные изменения температуры по длине эмальпечи агрегатов ППЗ

I, 2 - зоны ходов № 8 и № I соответственно (выше нагревателей); 3 - зона хода № Ь (ниже нагревателей).

го

температурных режимов проводов показана теоретически и экспериментально подтверждена возможность увеличения производительности агрегатов 11ГЗ~1Ь/40 Ж до 40 % в зависимости от диаметра эмалируемого провода при дополнительной термообработке его.

Доказана эффективность энергетической реконструкция эмальпечи агрегата та ПГЗ. Установка боковых нагревателей в рабочее пространство позволила более чем вдвое снизить неравномерность температурного поля по ширине рабочего пространства печи и практически исключить неодинаковость качественных показателей, проводов (ряс, 26), эмалируем» к на ода ом станке. Обогрев зева и дополнительная термообработка покрытия позволила на станке № II в цехе № 2 ПО "Сибкабель" осуществить с хорошим качеством эмалирование провода ГВТВ диаметром 0,14 мм со скоростью 130 м/мин, что на 50 % выше предусмотренной существующими технологическими картами.

основные швода

1. На основе новых приближенных аналитических решений, их програмной реализации изучено влияние осевой теплопроводности проволоки на её температурный режим вблизи входа и выхода эмальпечи. Определены диапазоны диаметров медных проводов и скоростей их перемещения, в которых влияние осевой теплопроводности существенно. Получение решения использованы также в методике расчета температурных полей стенок рабочих камер эмальпечей по экспериментальным отсчетам непод'юшых термопар разных диаметров.

2. На основе ранее полученного [б]- аналитического решения задачи НПО движущейся проволоки с покрытием при ступенчатом изменении полей по длине эмальпечи, разработан алгоритм и программа расчета температурных режимов проводов при эмалировании .

3. Разработана экспериментальная установка, вклвчащад две контрольно-измерительных системы с автоматической регистрацией результатов. Исследованы температурные режимы горизонтальных циркуляционных эмальпечей агрегатов НГЗ и температурные режимы движущихся термопар. Анализ нескольких тысяч опытных точек, совместно с теоретическими расчетами, позволил

обосновать эффективность организации дополнительного прохода проводов без наложения изоляции в эмальпечах агрегатов ПЛЗ-15/40 Ш, вариант энергетической реконструкции исследуемых эмальпечей агрегатов ПГЗ.

4. В результате исследования качественных показателей проводов в зависимости от режимов регулирования температуры -установлено, что позиционно'е регулирование приводит к существенной неравномерности пробивного напряжения изоляции проводов 1131В по их длине. Закономерности изменения температурных полей во времени (на 15-20 К) полностью копируются кривыми качества эмальпроводов (отношение максимального . пробивного напряжения к минимальному составляет 1,3 - 1,5). Это указывает на необходимость замены позиционного регулирования температуры в горизонтальных циркуляционных эмальпечах -непрерывным.

5. Внедрение результатов работы в цехе № 2 АО "Сибка-бель" позволило увеличить производительность эмальагрегатов ПГЗ более чем на 40 %, снизить затраты электроэнергии на 15 повысить стабильность качественных показателей проводов. Годовой экономический эффект составляет 9 320 рублей на один агрегат НГЗ-5/15 МК и 11410 рублей на один агрегат Пге-15/40 МК (в ценах 1990 г.).

и

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОНУБЖКОьАШ Ь РАБОТАХ

1. Цветкова Л.Н. Анализ исследований свободно-конвективного теплообмена проволок применительно к технологии их эмалирования / Томск, политехи. кн-т.~ Томск, 1985.- 49 е.: ил,- Библиогр.: 101 назв.- Деп. в ВДОРШЛЕКТРО 20.05.85,

£ 82 ЗТ-В5.

2. Цветкова Я.Н. Анализ исследований теплообмена проволоки при вынужденной конвекции применительно к технологии их эмалирования / Томск, политехи, ин-т.- Томск, 1985.- 43 е.: ил.-Библиогр. :108 назв.-Деп. в ИНФОРШЛЕКТРО 30.08.85 Ш-ЗТ.

3. Цветкова Л.Н. Влияние неодинаковости условий термообработки по ширине рабочего пространства печей агрегатов ПГЗ на качественные показатели эмальпроводов ГО ТВ/ Томск, политехи. ин-т.- Томск, 1986.- 25 е.: ил.- Библиогр. II назв.-Деп. в ИИОРММЕЯРО 27.02.86, * 273-ЭТ,

4. Цветаева Л.Н. Особенности температурных режимов по длине и ширине горизонтальных циркуляционных эмальпечей агрегатов ¡1ГЗ / Томск» политехи, ин-т.-Томск, 19Ö6.-I5 е.: ил»-Библиогр. I назв.- Деп. в ИНФОРШЛЕКТРО 8.09.06 » 497-ЭТ.

5. Цветкова Л.Н., Юрин й.О. Исследование закономерное -тей формирования нестационарных температурных полей эмальпечей агрегатов ПГЗ/ Томск, политехи, ин-т Томск, 1986.- 18 с.-деп. в ИНФСРаОЛШРО b.09.86, » 496-ЗТ.

6. Цветков H.A., Ляликов A.C., Цветкова Л.Н. Вопросы управления Температурными режимами проводов при радиациенно-кенвективном теплообмвне/Ред.ИФЕ АН БССР.-Минсн,'I982..-I8 е.: ил.-Библиогр.З наза.-Деп. в ШЫШ 2.04.82, » IS28-32 Деп.

7. Цветков H.A., Цветкова Л.Н., Молодадникова Л.И., Та-башников С.А. Влияние осевой Теплопроводности на температур-кый режим круглых проводов вблизи входа в нагревательное устройство// ИИ, 1985.- X. 49.« * I.- С. 149.

8. Цветаева Л.Н., Корецкий Л.Г. Применение метода движущихся термопар к анализу температурных режимов проводов// Физическое и математическое моделирование тепловых и гидродинамических процессов: иежвуз. науч.- техн. сб.- Томск: Изд-во Томск, политехи, ин-та, 1990.- С. 167-170.

9. Фурман A.B., Цветкова Л.Н. Исследование вопросов термообработки эмалированных проводов на стадии удаления растворителя/Томск. гос. архит.-строит.академия.-Томск, 1993,-9 е.: Библиогр. I назв.- Деп. в ИНФОРШЛЕКТРО 22.07.93, » 32-ЭТ 93.

11п/хо- относительное пробивное напряжение; Г -.температура; а:, % ~ координата, радиус; а. - коэффициент температуропроводности; - объемная теплоемкость; о£. - коэффициент конвективной теплоотдачи; £ - степень черкоты; бо - константа Стефана-Больцмана; Г - время* Индексы: п- печь; е- окру» жающая среда; »»- термопара; 1 - до входа в печь; 2 - после входа в печь; 3 - около выхода из печи; 4 - за

ССНОВШЕ УШЮШЁ СБОЗНАЧЕШ

Подписано я печати Заказ » . Тираж 100 экз. Томск—4,лр» Ленина, 30, ТПУ, Ротапринт