Разработка конструкции и методики расчета системы двухконтурного охлаждения электропроводящих тиглей вакуумных индукционных печей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.10, кандидат наук Кабалин, Егор Иванович

• Кабалин, Егор Иванович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Кабалин, Егор Иванович

Оглавление

Введение

Глава I. Применение систем двухконтурного охлаждения работающих по принципу тепловой трубы

1.1. Индукционные печи с холодным тиглем

1.1.1. Основные понятия и область применения ИПХТ

1.1.2. Физические и технологические особенности плавки в ИПХТ

1.1.3. Энергетический баланс ИПХТ

1.2. Классификация систем водоохлаждения в электротермических установках

1.3. Развитие, область применения и конструкции ТТ

1.4. Применение ТТ в электротехнике

1.5. Применение ТТ в электротермии

1.6. Задачи диссертационной работы

Глава II. Особенности применения двухконтурной системы охлаждения по принципу ТТ в ХТ индукционной вакуумной печи

2.1. Постановка задачи

2.2. Особенности конструкции системы двухконтурного охлаждения на основе ТТ

2.3. Особенности работы тепловой трубы в индукционных системах

2.4. Процесс теплопереноса в ТТ с учетом особенностей работы ИПХТ

2.5. Выводы по главе II

Глава III. Экспериментальные исследования теплотехнических характеристик холодного тигля с двухконтурным охлаждением

3.1. Постановка задачи

3.2. Описание экспериментального стенда и состава оборудования

3.3. Разработка методики экспериментальных исследований

3.4. Эксперимент

3.5. Результаты эксперимента

3.6. Сравнительный анализ полученных данных

3.7. Выводы по главе III

Глава IV. Инженерная методика расчета систем двухконтурного охлаждения, работающего по принципу ТТ в индукционных печах с холодным тиглем

4.1. Постановка задачи

4.2. Разработка алгоритма инженерной методики по итогам теоретических и экспериментальных исследований

4.3. Исходные данные для расчета

4.3.1. Конструкция системы охлаждения

.4.3.2. Теплоноситель

4.3.3. Энергетический баланс секции ИПХТ

4.4. Расчет системы двухконтурного охлаждения для ХТ

4.5. Анализ результатов расчета

4.6. Апробация методики расчета

4.7. Варианты конструкции двухконтурной системы охлаждения ХТ вакуумной индукционной печи

4.8. Выводы по главе IV

Заключение

Список литературы

105

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка конструкции и методики расчета системы двухконтурного охлаждения электропроводящих тиглей вакуумных индукционных печей»

ВВЕДЕНИЕ

К современному плавильному оборудованию для получения материалов с улучшенными свойствами предъявляются особые требования по чистоте процесса и точности поддержания заданного режима обработки материала. Особое место среди этих требований занимает и проблема незагрязняющей плавки материала, т.к. для получения сплава, состоящего из нескольких компонентов, и для выравнивания химического состава желательно поддержание всей массы получаемого расплава в жидком состоянии. Для проведения таких процессов в электротермии успешно используются установки различного типа (вакуумные дуговые печи, печи электрошлакового переплава и т.д.), к которым относятся и индукционные вакуумные печи с холодным тиглем (ИПХТ). Такие отличительные особенности данных печей, как плавка в электромагнитном поле, электромагнитное перемешивание материала, плавка в электропроводящем тигле, позволяют получать конечный продукт высокого качества за один переплав. Благодаря широкому диапазону характеристик (рабочая температура до 3000°С, частоты от 0,05-30 кГц для металлов и сплавов и 0,5-10 МГц для плавки оксидных материалов, потребляемая мощность 60- 2000 кВт), ИПХТ используются в авиакосмической, электронной, автомобильной, химической и других отраслях промышленности.

Одним из основных элементов такой индукционной вакуумной печи является холодный тигель (ХТ) (рис.1), который располагается между расплавляемым металлом и индуктором и представляет собой цилиндр (многогранник), составленный из трубок различного профиля (цилиндр, трапеция, арочный профиль и т.д.), электроизолированных друг от друга. Чистота процесса переплава в таком тигле достигается за счет отжатия металла от его стенок и поддержания температуры тигля достаточной, чтобы при взаимодействии стенки тигля с расплавом не происходило химической реакции (ухудшение состава переплавляемого материала).

Холодный тигель

Холодный тигель

Индуктор

Секция ХТ

Рис. 1. Индукционная печь с ХТ.

Так как ХТ работает при высоких температурах (до 3000°С), то необходимо его интенсивное охлаждение проточной водой [1]. Такой вид охлаждения позволяет проводить процесс при высоких температурах в течение длительного времени, но не исключает опасности прожига стенки холодного тигля и попадания охлаждающей воды на расплав, что может привести к возникновению аварийной ситуации. Кроме того, требуемое для интенсивного охлаждения ХТ большое количество проточной воды ведет к усложнению конструкции за счет дополнительного агрегата (насосной станции).

Для предотвращения данной ситуации предлагается заменить систему проточного водоохлаждения на двухконтурную систему испарительного охлаждения, работающую по принципу так называемой «тепловой трубы» (ТТ). В работе рассматриваются конструктивные особенности ХТ и ТТ, а также общая методика расчета холодного тигля с двухконтурной системой охлаждения, выбор конструкции ХТ с двухконтурной системой охлаждения. Основными задачами работы являются определение границ применения системы охлаждения по принципу ТТ в индукционных печах с холодным тиглем и составление инже-

нерной методики расчета таких систем охлаждения для индукционной печи с

холодным тиглем (ИПХТ).

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Теоретически и экспериментально обоснованы возможность и целесообразность использования двухконтурной системы охлаждения холодного тигля вакуумной индукционной печи, основанной на применении эффекта тепловой трубы.

2. На основании исследований на разработанной модели секции ХТ в программном пакете ЕЬСИТ установлено неравномерное распределение по сечению тепловых потоков в секции ХТ, учет которого с допустимой точностью может быть осуществлен по среднему значению.

3. Предложена методика расчета двухконтурной системы охлаждения холодного тигля с учетом особенностей работы вакуумных индукционных печей.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Даны рекомендации по применению методики расчета двухконтурной системы охлаждения холодного тигля вакуумной индукционной печи, позволяющие определять геометрические, электрические и тепловые параметры секции ХТ с двухконтурной системой охлаждения.

2. Предложены оригинальные конструкции двухконтурной системы охлаждения холодного тигля вакуумной индукционной печи, защищенные патентом РФ на полезную модель.

3. Разработано техническое предложение на создание двухконтурной системы охлаждения для индукционной установки мощностью 160 кВт, предназначенной для плавки металлов с температурой плавления до 2000 °С.

На защиту выносятся следующие положения:

1. На основании исследований на разработанной модели секции ХТ в программном пакете ЕЬСИТ установлено неравномерное распределение по се-

чению тепловых потоков в секции ХТ, учет которого с допустимой точностью может быть осуществлен по среднему значению.

2. Предложены оригинальные конструкции двухконтурной системы охлаждения холодного тигля вакуумной индукционной печи, защищенные патентом РФ на полезную модель, составлены рекомендации по конструированию.

3. Предложена инженерная методика расчета двухконтурной системы охлаждения по принципу тепловой трубы для холодного тигля вакуумной индукционной печи.

4. Разработано техническое предложение на создание двухконтурной системы охлаждения для индукционной установки мощностью 160 кВт, предназначенной для плавки металлов с температурой плавления до 2000 °С.

ГЛАВА 1. Применение систем испарительного охлаждения работающих по принципу тепловой трубы индукционные печи с холодным тиглем.

1.1. Индукционные печи с холодным тиглем.

1.1.1. Основные понятия и область применения ИПХТ.

Идея индукционных печей с холодным тиглем (ИПХТ) была предложена в 1926 году немецкой фирмой «Сименс - Гальске» [6, 7, 8]. Основой ее является выполнение проводящего охлаждаемого тигля с вертикальными разрезами, препятствующими возникновению в тигле кольцевых токов, коаксиально охватывающих загрузку и экранирующие ее от магнитного поля индуктора.

Но для реализации этой идеи необходимо было решить несколько сложных задач:

• обеспечить передачу расплаву достаточного количества энергии, необходимого для устойчивого протекания рабочего процесса в условиях контактной теплоотдачи от расплава к холодному тиглю;

• увеличить до приемлемых значений КПД, несмотря на электрические потери в тигле;

• предотвратить электрические пробои на секции тигля в его ионизационном пространстве.

Это оказалось настолько сложно, что на протяжении многих лет попытки создания работоспособных ИПХТ для плавки металлов не приводили к успеху, и только после систематических исследований ВНИИЭТО (Всесоюзного Научно Исследовательского Института Электротермического Оборудования), начатых в 1961 г., удалось к 1965 г. закончить поисковые работы, завершившиеся созданием устойчиво работающих лабораторных печей. К 1980 году было завершено исследование технологических возможностей ИПХТ, создание инженерных основ их конструирования, разработка и опробование полупромышлен-

ных печей (рук. работ. : до 1978г. - Л.Л. Тир, с 1978г. - А.П. Губченко). С 1980 г. начат выпуск печей промышленного назначения [4, 5].

Под индукционной плавкой в ХТ принято понимать процесс, при котором энергия передается расплаву электромагнитным полем сквозь проводящий тигель. Передача энергии электромагнитным полем сквозь проводящий тигель возможна только в двух случаях: когда тигель относительно (глубины проникновения тока в материал) тонкий, либо при выполнении его разрезным (рис. 2) [2,5]. Последний случай является предпочтительным с точки зрения практического применения.

Рис. 2. Холодный тигель с разрезными секциями. 1 - Секция ХТ, 2 - охлаждаемая полость, 3 - расплав.

ИПХТ в основном используется для выплавки сложнолегированных сплавов с большим содержанием компонентов, рафинировочной плавки химически активных и тугоплавких металлов, получения высококачественных фасонных отливок, металлотермического восстановления металлов из их соединений (оксидов, фторидов, хлоридов и т.п.), переработки отходов химически активных металлов и их сплавов, направленной кристаллизации металла при непрерывном получении слитка, получение металлических порошков, остекло-вывание радиоактивных отходов [1, 3, 9].

1.1.2. Физические и технологические особенности плавки в ИПХТ.

ИПХТ обладают рядом принципиальных особенностей, которые отличают их от печей других типов: выделение тепла по всей боковой поверхности расплава, развитая поверхность металла, интенсивная электромагнитная циркуляция металла. Все эти особенности позволяют обеспечить большую равномерность температуры в объеме расплава и малое содержание металла в гарнисаже, тем самым создавая благоприятные условия для выполнения точных (по химическому составу и массе) плавок.

При обычной (секционной) конструкции тигля переменное электромагнитное поле, распространяющееся от индуктора к садке (рис. 3), наводит в его стенках кольцевые токи, создающие поле противоположного направления. Как говорилось ранее, для прохода электромагнитного поля тигель выполняют секционным, таким образом, чтобы каждая секция была изолирована друг от друга. Данная мера необходима для того, чтобы электромагнитное поле передавалось от индуктора в загрузку, не замыкаясь по пути на ХТ.

В процессе плавки в зависимости от исполнения ХТ (с изолированной внутренней поверхностью, обращенной к расплаву или с неизолированной внутренней поверхностью и контактом расплава с ХТ) в тигле возникают электрические потери в виде джоулевого тепла, которые в совокупности с тепловыми потоками от расплава требуют интенсивного охлаждения ХТ [4, 5].

силовые линии магнитного поля

циркуляция расплава лиловое излучение

зазор, электрически изолирующий секции тигля_

электропроводящий водоохлаждаемыи тигель '

тепловой поток Рис. 3. Физические основы ИПХТ.

переменный электрический ток

расплав

донная часть тигля (водоохлаждаемая)

fy.

VN

электро-\ магнитная сила

гарнисаж

1.1.3. Энергетический баланс ИПХТ.

Энергетический баланс индукционной печи с холодным тиглем (рис. 4) можно представить следующим образом: энергия (рис. 5), поступающая в индуктор, расходуется на электрические потери в индукторе Рэи, в стенках холодного тигля Рэт и поддоне Рэ.пд., а также на выделение тепла в загрузке Р3. Это тепло уходит на нагрев загрузки Рпол. И тепловые потери от загрузки: к поду Рт пд, стенкам холодного тигля Ртт, и в печное пространство (здесь достаточно будет учитывать потери излучением Риз ). Отток тепла к стенкам ХТ Ртт подразделяют на теплопередачу в зоне контакта расплава с тиглем Рт к и излучение на тигель отжатой от стенок поверхностью металла Риз1 В таблице 1 отображен энергетический баланс ИПХТ в режиме выдержки для некоторых металлов, полученный опытным путем (диаметр расплава - ёр= 120 мм, высота индуктора -Ьи= 100 мм, частота - Г= 8000 Гц) [4].

Рис. 4. ИПХТ. 1 - ХТ, 2 - индуктор, 3 -расплав, 4 - поддон.

Энергия поступающая в индуктор, Ри

т

- электрические поте ри в индукторе, Рэ и;

- электрические поте ри в стенках ХТ, Рэ т;

- электрические потери в поддоне, Рэ.пд;

- тепловые потери к поду, Р3;

- тепловые потери в печное пространство, Риз;

, I

тепло в загрузку, Р3 ;

тепловые потери через стенки ХТ , Рпол

- тепловые потери в зоне контакта с расплавом, Рт к.

- тепловые потери излучением от отжатой поверхности расплава, РИ31.

Рис. 5. Энергетический баланс ИПХТ.

Таблица1. Энергетический баланс ИПХТ в режиме выдержки для некоторых металлов (с1р = 120 мм, Ьи= 100 мм, f = 8000 Гц).

№ Параметр в процентах Жаропрочная сталь Сг Т1

1 Мощность, отдаваемая преобразователем 100 100 100

2 Потери в токоподводе 18.8 15.7 26.6

3 Потери в конденсаторной батарее 7.5 6.7 7.2

4 Мощность, поступающая в индуктор 73.7 77.6 66.2.

5 Электрические потери в индукторе 16.7 19.2 24.3

6 Потери в ХТ (электрические + тепловые) 40.2 48.9 38.5

7 Потери в поддоне (электрические и тепловые) 6.8 9.5 3.4

8 Электрический КПД печи 0.31 0.24 0.34

1.2. Классификация систем водоохлаждения в электротермических установках.

Известны следующие системы охлаждения:

• охлаждение холодной технической водой;

• охлаждение горячей химически очищенной водой;

• испарительное охлаждение;

• охлаждение холодной химически очищенной водой;

• комбинированная система охлаждения;

• замкнутое охлаждение с парообразованием вне детали;

• двухконтурная система охлаждения.

Охлаждение холодной технической водой.

До 1950 г. детали металлургических печей охлаждали холодной технической водой. Это наиболее простая система охлаждения, сущность которой заключается в том, что охлаждающая вода, проходя через полость охлаждаемой

детали, отбирает от ее стенок определенное количество тепла и при этом нагревается. Расход охлаждающей воды зависит от ряда факторов, основными из которых являются ее качество и конструкция охлаждаемых элементов.

Качество холодной технической воды, используемой для охлаждения металлургических печей большинства заводов, не позволяет допустить ее нагрев в охлаждаемой детали выше температуры 40—45 °С, исходя из условий образования накипи на обогреваемой стенке детали и существенного ухудшения отвода тепла. При температуре, превышающей 45 °С, интенсивно протекает процесс разложения бикарбонатов Са(НС03)2 СаСОЗ + Н20, карбонат кальция выпадает в осадок, являясь основной составной частью накипи. Температура воды, поступающей на охлаждение, обычно составляет 14—25 °С. Таким образом, в охлаждаемой детали техническая вода нагревается не более чем на 20 °С. Тепловые нагрузки на охлаждаемые детали металлургических печей достигают весьма значительных величин (до 1044 кВт). При этом расход технической воды для охлаждения этих деталей составляет 15—50 м /ч.

Охлаждение горячей химически очищенной водой.

Сущность этого способа состоит в том, что для охлаждения элементов печи используют химически очищенную воду с начальной температурой около 70 °С, которая после нагрева в охлаждаемых элементах печи до 95 °С служит теплоносителем для подогрева конденсата, теплофикации и горячего водоснабжения. Циркуляционный контур охлаждающей воды выполнен замкнутым, а потери восполняются химически очищенной деаэрированной водой. Для защиты от повышения давления воды сверх заданного предела в системе охлаждения предусмотрена установка предохранительных переливных труб, через которые удаляются пар и излишки воды. При выключении потребителей тепла часть системы охлаждения или всю ее полностью переключают на холодную техническую воду. Применение горячей химически очищенной воды устраняет ряд недостатков охлаждения холодной технической водой, а именно:

• улучшает стойкость охлаждаемых деталей в связи с отсутствием накипи;

• сокращает расход электроэнергии для перекачки вследствие уменьшения общего расхода воды;

• позволяет частично использовать тепло, ранее теряемое с технической водой;

Вместе с тем система имеет ряд недостатков;

• сложность и ненадежность коммуникаций из-за установки дополнительной арматуры;

• зависимость системы охлаждения от потребителей тепла, необходимость в связи с этим дополнительного резерва технической воды;

• неравномерность тепловых нагрузок в процессе плавки на охлаждаемые элементы затрудняет полное использование тепла и создает трудности в эксплуатации системы.

Охлаждение холодной химически очищенной водой.

Для повышения надежности охлаждения особо ответственных охлаждаемых элементов некоторые специалисты предлагают использовать в качестве охлаждающей среды химически очищенную воду, температура которой ниже 25 °С. При этом возможны две схемы охлаждения:

• обычное водяное охлаждение с заменой технической воды химически очищенной в оборотном цикле водоснабжения, где в качестве охлаждающих устройств используются градирни, брызгальные бассейны и др.;

• замкнутая система охлаждения с отводом тепла через теплообменник с помощью технической воды.

Первая схема не перспективна, так как через непродолжительное время химически очищенная вода в оборотном цикле подвергается загрязнению, что требует продувки и подпитки свежей химически очищенной водой.

Замкнутая система с теплообменниками также имеет ряд недостатков:

• необходимость установки и эксплуатации теплообменников;

• периодическая очистка теплообменников;

• невозможность использования тепла охлаждающей воды;

• повышенный расход электроэнергии и др.

Испарительное охлаждение.

Испарительное охлаждение металлургических печей было впервые предложено советскими инженерами В 1950 г. система испарительного охлаждения была внедрена на мартеновских печах Донецкого металлургического завода.

Сущность системы испарительного охлаждения заключается в использовании скрытой теплоты парообразования воды для отвода тепла от охлаждаемых деталей. Скрытая теплота парообразования при атмосферном давлении составляет примерно 2260 кДж/кг. Учитывая, что вода в систему охлаждения поступает с некоторым недогревом до кипения, который в зависимости от конструктивных и эксплуатационных условий составляет от 20 до 70 °С , легко подсчитать, что один килограмм воды при испарительном охлаждении отбирает от охлаждаемой детали 2350-2550 кДж тепла, а один килограмм холодной технической воды отбирает от охлаждаемой детали от 40 до 80 кДж. Таким образом, при переводе на испарительное охлаждение расход воды на охлаждение сократится в 60—100 раз в зависимости от конструктивных и эксплуатационных характеристик системы.

Такое, столь значительное сокращение расхода позволяет применить при испарительном охлаждении глубокую очистку воды, т.е. использовать химически очищенную деаэрированную воду, при кипении которой в охлаждаемых деталях накипи не образуется.

Принципиальная схема испарительного охлаждения представлена на рис. 6. Охлаждаемая деталь 4 соединена двумя трубами с барабаном - сепаратором 1. По опускной трубе 2 вода из барабана-сепаратора подводится к охлаждаемой детали, по подъемной трубе 3 пароводяная смесь отводится в барабан-

сепаратор, где пар отделяется от воды (сепарируется) и поступает по паропроводу 5 к потребителям. Убыль воды в системе восполняется питательной водой, подаваемой в барабан-сепаратор по трубопроводу 6.

При испарительном охлаждении возможно применение естественной циркуляции, основанной на разности плотности воды в опускной трубе и пароводяной смеси в подъемной трубе, и принудительной, осуществляемой циркуляционными насосами.

Испарительное охлаждение обеспечивает увязку расхода охлаждающей воды с тепловыми нагрузками на охлаждаемые элементы печи, так как с увеличением тепловой нагрузки возрастает циркуляционный расход (в определенных пределах) за счет роста полезного напора, и надежность охлаждения сохраняется. Т.е. при испарительном охлаждении обеспечивается саморегулирование процесса охлаждения. При охлаждении технической водой для обеспечения надежной работы охлаждаемых элементов на протяжении всей кампании работы печи требуется подавать количество воды, соответствующее максимальным тепловым нагрузкам в связи с практической возможностью регулирования расхода воды.

Таким образом, система испарительного охлаждения имеет следующие преимущества:

• меньший расход воды на охлаждение за счет использования скрытой теплоты парообразования, что позволяет применять химически очищенную деаэрированную воду;

• увеличивается срок службы охлаждаемых деталей и соответственно межремонтный период работы металлургического агрегата за счет примене-

... ^ У" • '"У^ "

— — - - —, - —*

3

.г л

Рис. 6. Схема установки испарительного охлаждения.

ния химически очищенной деаэрированной воды, исключающей образование накипи;

• исключаются строительство и эксплуатация водоводов больших диаметров, мощных насосных станций, охладительных устройств (градирен, брызгальных бассейнов и т.п.);

• возможность использования тепла охлаждающей воды без осложнения условий эксплуатации благодаря независимости системы охлаждения от потребителей тепла;

• существенно снижается расход электроэнергии для перекачки охлаждающей воды в связи с существенным уменьшением ее количества;

• при естественной циркуляции допускается кратковременное (в зависимости от емкости барабана-сепаратора и количества вырабатываемого пара) прекращения подачи питательной воды, т.е. появляется независимость от электроснабжения;

• уменьшаются капиталовложения на строительство системы, упрощается и удешевляется эксплуатация.

Комбинированная система охлаждения.

Целью разработки комбинированной системы охлаждения было совместить в одной установке наиболее простую и надежную систему испарительного охлаждения с естественной циркуляцией с обеспечением возможности перевода охлаждаемых элементов на принудительную циркуляцию, охлаждение холодной химически очищенной или технической водой.

Комбинированная система охлаждения применяется для металлургических печей и агрегатов, где ответственность охлаждаемых элементов особенно высока.

Схема комбинированной системы охлаждения представлена на рис. 7. Система включает барабан-сепаратор, резервную емкость, систему подъемных, опускных и циркуляционных трубопроводов, охлаждаемые элементы, группу

циркуляционных насосов, теплообменные аппараты. Как видно из рисунка, охлаждаемые элементы могут работать на испарительном охлаждении с естественной или принудительной циркуляцией, охлаждаться холодной химически очищенной или технической водой.

К основным преимуществам данной системы относится возможность обеспечения интенсивного охлаждения и предупреждения выхода из строя группы наиболее ответственных охлаждаемых элементов в период поступления на них максимальных тепловых нагрузок.

К недостаткам системы следует отнести ее громоздкость, повышенную металлоемкость и несколько более высокую стоимость по сравнению с обычной системой испарительного охлаждения.

2 1

Рис. 7. Комбинированная система охлаждения: 1 - барабан-сепаратор; 2 - резервная емкость; 3 - охлаждаемые детали; 4 - циркуляционный насос; 5 - теплообменник; 6 - трубопроводы технической воды.

Двухконтурная система охлаждения.

В ней охлаждающими элементами являются двухфазные термосифоны или тепловые трубы.

Двухфазный термосифон (рис. 8) - это герметичная (заваренная с двух сторон) труба, частично заполненная теплоносителем (водой, органическим, металлическим и др.). Часть термосифона находится в зоне обогрева, а другая часть - конденсатор находится вне зоны обогрева. При подводе тепла к тепло-воспринимающей части вода в термосифоне закипает, пар поступает в конденсатор, где конденсируется другим охлаждающим агентом. Конденсат возвращается в обогреваемую часть термосифона. Термосифоны (тепловые трубы) получили широкое распространение в технике. Японские фирмы эффективно применяют термосифоны для утилизации тепла дымовых газов металлургических печей и др. Термосифоны позволяют эффективно осуществлять передачу тепловой энергии и трансформацию теплового потока. Основными преимуществами термосифона как охлаждающего элемента металлургической печи являются его автономность и безынерционность работы, благодаря чему он обеспечивает высокую надежность. В случае выхода из строя термосифона в печь не попадает вода. Нет необходимости производить какие-либо ремонтные работы. Контроль целостности термосифона производится по температуре его стенки вблизи конденсата. Для охлаждения вторичного контура могут быть использованы испарительное охлаждение, техническая вода, воздух и т.п.

Термосифоны снабжены конденсаторами с двумя автономными камерами охлаждения, каждая из которых, обеспечивает нормальную работу термосифона. Это позволяет производить ремонт без прекращения охлаждения. При испарительном охлаждении наличие двух камер конденсатора позволяет исключить резервирование технической воды [12].

I

I

конденсатор

11

--£>

(г

№1

и

Рис. 8. Двухфазный термосифон.

1.3. Развитие, область применения и конструкции ТТ.

Системы испарительного охлаждения, работающие по принципу тепловой трубы, относятся к так называемым двухконтурным системам испарительного охлаждения, в которых термосифон или тепловая труба является охлаждающим элементом. Основными преимуществами данной системы являются ее автономность, эффективная передача тепловой энергии, безынерционность работы, надежностью, 11].

Тепловая труба обычно представляет собой герметичную трубу (рис. 9) или камеру разнообразной формы, в которой находится рабочее тело (теплоноситель) в двух фазах: жидкой и паровой. Тепловой поток, поступающий от внешнего источника, вызывает испарение теплоносителя на этом участке трубы, а разница давлений заставляет пар двигаться вверх, где он, попадая в теплообменник с вторичным контуром охлаждения, конденсируется. Под действием гравитации, сконденсировавшийся теплоноситель возвращается обратно, вниз для нового цикла кипение-испарение-конденсация. В качестве теплоноси-

теля могут использоваться различные вещества в жидком состоянии: вода, аммиак, азот, ртуть и.т.д. [10,11].

Зона

кондссации

Теплоноситель

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кабалин, Егор Иванович, 2014 год

Список литературы

1. Бындин В.М. Индукционный нагрев при производстве особо чистых металлов / В.М. Бындин, В.И. Добровольская, Д.Г. Ратников. - JI. : Машиностроение, 1980. - 64 с.

2. Егоров A.B. Электрические печи (для производства стали) / A.B. Егоров, А.Ф. Моржин. - М. : Металлургия, 1975. - 352 с.

3. Свенчанский А.Д. Электротехнологические промышленные установки: учеб. для вузов / А.Д. Свенчанский, И.П. Евтюкова, JI.C. Кацевич, Н.М. Некрасова; под ред. А.Д. Свенчанского. - М. : Энергоиздат, 1982. - 400 с.

4. Тир JI.JI. Индукционные плавильные печи для процессов повышенной точности и частоты / Л.Л. Тир, А.П. Губченко. - М. : Энергоатомиздат, 1988.- 120 с.

5. Тир Л.Л. Современные методы индукционной плавки / Л.Л. Тир, Н.И. Фомин. - М. : Энергия, 1975. - 112 с.

6. Петров Ю.Б. Холодные тигли / Ю.Б. Петров, Д.Г. Ратников. - М. : Металлургия, 1972. - 112с.

7. Патент 518499 (Германия), 1926.

8. Schippereit G.H. Induction furnace. Патент США ЛГ 3.223.519, 1957.

9. A.c. №113211 (СССР). Индукционный метод плавки химически активных металлов в тигле из того же металла / Н.П. Глуханов, Р.П. Жежерин, М.А. Мелихов и др. // Открытия. Изобретения. -1958. - №5.

10. Тир Л.Л. Тенденции развития индукционных печей с холодным тиглем / Л.Л. Тир, А.П. Губченко, И.П. Фомин // Исследования в области промышленного электронагрева: Труды ВНИИЭТО. - 1979. - Вып. 10. - С. 31-38.

11. Чи С. Тепловые трубы. Теория и практика. - М. : Машиностроение, 1981. - 207 с.

12. Дан П.Д. Тепловые трубы / П.Д. Дан, Д.А. Рэй ; пер. с англ. Ю.А. Зейгар-ника. - М. : Энергия, 1979. - 272 с.

13. Городецкий Я.И. Система испарительного охлаждения металлургических аппаратов / Я.И. Городецкий, B.C. Пустовар, О.В. Филипьев. - М. : Металлургия, 1987. - 272 с.

14. Турбин B.C. Бесфитильные тепловые трубы: конструкция, расчеты и применение / B.C. Турбин, А.Т. Курносов. - Воронеж : Изд-во ВГУ, 1987. -112 с.

15. Петров В.М. Тепловые трубы в электрических машинах / В.М. Петров,

A.Н. Бурковский, Е.Б. Ковалев. -М. : Энергоатомиздат, 1987. - 149 с.

16. Ивановский М.Н. Физические основы тепловых труб / М.Н. Ивановский,

B.П. Сорокин, И.В. Ягодкин. - М. : Атомиздат, 1978. - 249 с.

17. Исакеев А.И. Эффективные способы охлаждения силовых полупроводниковых приборов / А. И. Исакеев, И.Г. Киселев, В.В. Филатов. - J1.: Энергоиздат, 1982. - 136 с.

18. Ивановский М.Н. Технологические основы тепловых труб / М.Н. Ивановский, В.П. Сорокин, И.В. Ягодкин. - М. : Атомиздат, 1980. - 256 с.

19. Kühlbare Induktionsspule zur induktiven guter warming Seeber H. und Kolbe E. DD -Wp Nr.200115, v. 13.7.81.

20. Nach den wärmerohr prinzip gekühlte induktionsspule mit integriertem wärmetauschen. Kolbe. E und Seeber H. DD-WP Nr 215682, v. 18.3.83.

21. Seeber, Horst Untersuchung einer neuartigen kühlmethode mit verlustwärmerückgewinnung fur hochleistungsinduktoren von MF- Schmiedeeinsatz-Erwärmung-Sanlagen Tech. Hochsch. Ilmenau, 1986, Diss. A.

22. Губченко А.П. Исследование систем испарительного охлаждения в индукционных печах с холодным тиглем / А.П. Губченко, В.П. Махряева // Электротермия. - 1983. - Вып. 12 (250). - С. 1-2.

23. Макаров А.Ю. Разработка индукционных устройств косвенного нагрева с использованием тепловых труб для термообработки железобетонных изделий : дис. ... канд. техн. наук. - М., 1991. - С. 160

24. Макаров А.Ю. Расчет узла системы индуктор - тепловая труба / А.Ю. Макаров, А.Б. Кувалдин, О.Г. Потапенко // Актуальные проблемы машиностроения. - Алма-Ата : Наука, 1989. - С. 58-60.

25. Макаров А.Ю. Основные характеристики систем индуктор - загрузка, требования к ним и конструктивное исполнение в устройствах индукционного косвенного нагрева с тепловыми трубами // Новые направления в электротермии. - Труды МЭИ, 1991. - Вып. 634. - С. 31-38.

26. Кабалин Е.И. Возможность применения испарительных систем охлаждения в индукционных печах с холодным тиглем : Материалы XVII между-нар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» : тез. докл. : в 3 т. - М. : Издательский дом МЭИ, 2011.-Т. 2.-С. 194-195.

27. Кабалин Е.И. Возможность применения тепловой трубы в индукционных печах с холодным тиглем : Сб. материалов IX междунар. науч.-практ. ин-тернет-конф. «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век». - Орел : ООО ПФ «Картуш», 2011. - С.

28. Кабалин Е.И. Возможности применения тепловых труб в индукционных печах с холодным тиглем : Материалы XVIII междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» : тез. докл. : в 3 т. - М. : Издательский дом МЭИ, 2012. - Т. 2. - С. 351.

29. Крейт Ф. Основы теплопередачи / Ф. Крейт, У. Блек ; пер. с англ. - М. : Мир, 1983.-512 с. : ил.

30. Михеев М.А. Основы теплопередачи / М.А. Михеев, И.М. Михеева. - М. : Энергия, 1973.-320 с.

31. Ривкин С.Л. Теплофизические свойства воды и водяного пара / C.JI. Рив-кин, A.A. Александров. - М. : Энергия, 1980. - 424 с.

32. Цветков Ф.Ф. Тепломассообмен: учебное пособие для вузов / Ф.Ф. Цветков, Б.А. Григорьев. - 2-е изд., испр. и доп. - М. : Изд. МЭИ, 2005. - 550 с. : ил.

33. Кутателадзе С.С. Справочник по теплопередаче / С.С. Кутателадзе, В.М. Боришанский. - JI. ; М. : Госэнергоиздат, 1958. - 414 с.

34. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - М.: Наука, 1972. - 420 с.

35. Крутова В.И. Теплотехника. - М. : Машиностроение, 1986. - 432 с. : ил.

36. Кэисс В.М. Компактные теплообменники / В.М. Кэисс, A.JI. Лондон. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Энергия, 1967. - 160 с. : ил.

37. Петухов Б. С. Справочник по теплообменникам: в 2 т. / Пер. с англ. под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикова. - М. : Энергоатомиздат, 1987. - С. 560.

38. Безродный M.K. Процессы переноса в двухфазных термосифонных системах. Теория и практика : монография / М.К. Безродный, И.Л. Пиоро, Т.О. Костюк. - 2-е изд., доп. и перераб. - Киев : Факт, 2005. - 704 с.

39. Присняков В.Ф. Процессы переноса тепла и массы в тепловых трубах / В.Ф. Присняков, В.И. Лупенко, Ю.В. Наврузов ; под ред. Н.Д. Коваленко. -Киев : Наук, думка, 1992. - 160 с.

40. Шпылърайн Э.Э. Тепловые трубы. Сборник работ (Перевод с английского и немецкого) / под ред. Э.Э. Шпильрайн. - М. : Мир, 1972. - 420 с.

41 .Васильев JI.JI. Теплообменники на тепловых трубах. — Минск : Наука и техника, 1981. - 143 с.

42. Стоянов Н.М. Кризис теплопереноса в замкнутом испарительном термосифоне ИФЖ. - 1969г.

43. Кабалин Е.И. Применение тепловых труб в системе охлаждения холодного тигля индукционной печи : Материалы XIV междунар. конф. «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты». - Алушта, 2012. - С. 293-294.

44. A.c. №309957 (СССР). Электропечь для плавки металлов / Л.Л. Тир // Открытия. Изобретения. - 1971. -№23.

45. A.c. №627694 (СССР). Индукционная вакуумная печь для непрерывной плавки редких металлов / А.П. Губченко // Открытия. Изобретения.-1978,-№9.

46. A.c. №616508 (СССР). Индукционная печь для непрерывной плавки тугоплавких и высокореактивных металлов / Губченко А.П. // Открытия. Изобретения. - 1978.

47. A.c. №841467 (СССР). Тигель для плавки тугоплавких материалов / А.П. Губченко, A.A. Простяков, C.JI. Шеффер // Открытия. Изобретения. -1979.- №5.

48. A.c. №881509 (СССР). Индукционная плавильная печь / C.JI. Шеффер, А.П. Губченко, J1.J1. Тир, О.Н. Турпак // Открытия. Изобретения - 1981. -№42.

49. A.c. №1067337 (СССР). Индукционная плавильная печь / А.П. Губченко, C.JI. Шеффер, Н.М. Слотинцев, Е.И. Рытвин, В.В. Батулькин, В.М. Кузьмин, С.Л. Рогинский, В.И. Дрейцер, А.Д. Масин // Открытия. Изобретения. - 1984. - №2.

50. A.c. №1120154 (СССР). Металлический охлаждаемый тигель / Л.Л. Тир, А.П. Губченко, С.Л. Шеффер, Н.И. Фомин // Открытия. Изобретения. -1984.-№39.

51. A.c. №1397690 (СССР). Холодный тигель для плавки металлов / В.П. Махряева, А.П. Губченко // Открытия. Изобретения. - 1988. - №19.

52. A.c. №1749678 (СССР). Секционный охлаждаемый тигель для индукционной плавки / А.Н. Ергин, P.M. Саламов, Н.И. Фомин // Открытия. Изобретения. - 1992. - №27.

53. A.c. №916937 (СССР). Тигель для индукционной плавки металлов и сплавов и способ его изготовления / А.П. Губченко, М.Б.Гутман, A.A. Простяков, В.М. Пылаев, В.А. Сафиулин, Л.Л. Тир, Ю.П. Шкретов, А.Н. Ергин // Открытия. Изобретения. - 1982. - №12.

54. A.c. №985684 (СССР). Тигель для высокочастотной индукционной плавки металлов / А.П. Губченко, С.Л. Шеффер, Ю.П. Шкретов // Открытия. Изобретения. - 1982. - №48.

55. A.c. №1032868 (СССР). Индукционная плавильная печь / C.JI. Шеффер, А.П. Губченко, Л.Л.Тир, О.Н. Турпак // Открытия. Изобретения. - 1987. -№3.

56. A.c. №1027497 (СССР). Секционированный охлаждаемый тигель / Л.Л. Тир, А.П. Губченко, С.Л. Шеффер, Н.И. Фомин // Открытия. Изобретения. - 1983. - №25.

57. Фомин Н.И. Определение параметров системы индуктор-тигель-садка в индукционных печах с холодным тиглем // Исследование в области промышленного электронагрева: Труды ВНИИЭТО. - М. : Энергия, 1975. -Вып. 7.-С. 65-71.

58. Кувалдин А.Б. Исследование электрических потерь в холодном тигле индукционной печи с использованием трёхмерного моделирования / А.Б. Кувалдин, С.А. Васильев // Индукционный нагрев. -2012. №21. — С. 1621.

59. Вайнберг A.M. Индукционные плавильные печи. -Л. : Государственное энергетическое издательство, 1960. - 457 с.

60. Кабалин Е.И. Методика расчета испарительной системы охлаждения для индукционной печи с холодным тиглем // Электрометаллургия. — 2013. — № 3. - С. 35-40.

61. Кабалин Е.И. Инженерная методика расчета системы испарительного охлаждения холодного тигля индукционной печи : Материалы XIX между-нар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» : тез. докл. : в 3 т. - М. : Издательский дом МЭИ, 2013.-Т. 2.-С. 302.

62. Пат. RU 134305 U1 МПК F 27 В 14/10. Тигель для индукционной вакуумной плавки металла с испарительным охлаждением (варианты) [Текст] /

А.Б. Кувалдин, А.Н. Ергин, Е.И. Кабалин. ; заявитель и патентообладатель Москва национальный исследовательский университет "МЭИ". - № 2013113316/02 ; заявл. 26.03.2013 ; опубл. 10.11.2013, Бюл. № 31??? 2 с. : ил.

63. Кувалдин А.Б. Двухконтурная система охлаждения холодного тигля индукционной вакуумной печи / А.Б. Кувалдин, А.Н. Ергин, Е.И. Кабалин // Индукционный нагрев. - 2013. - №26. - С. 42^7.