Тепловой расчет процесса эмалирования проводов по заданной кривой нагрева

В основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1361−1985 годы и на период до 1990 года предусмотрено расширение производства теплостойких эмальпроводов и микропроводов.

Эмалированные провода — одна из важнейших групп кабельной продукции, обеспечивающая развитие электротехнической, радиотехнической, электронной, авиационной и других отраслей промышленности.

Важным достижением в области технологии изготовления проводов является эмалирование без применения растворителей (из расплавленной смолы или смеси смол) [I].

Обычная технология эмалирования проволоки рассчитана на применение эмаль-лаков, содержащих 60−85 $ растворителей. Растворители необходимы только для перевода лака в жидкое состояние и дальнейшего нанесения на проволоку, так как после наложения лаковой пленки они испаряются в печи и разлагаются с помощью каталитических элементов на простейшие составляющие [2]. Применяемые растворители токсичны. Для защиты персонала от растворителей применяются дополнительные меры: удаление их паров с помощью вентиляции, использование катализаторов для вторичного сжигания большей части выделяемых веществ. Все это требует дополнительного оборудования и, как следствие, значительно повышает стоимость конечного продукта.

Использование горячих газов для предварительного нагрева каталитических печей покрывает часть потребности в энергии, но не может компенсировать дополнительные расходы, вызванные использованием растворителей, их хранением и перевозкой [3] .

С целью экономии дефицитных растворителей и предотвращения загрязнения окружающей воздушной среды ВШИКП разработана и совместно с заводами «Южкабель» и «Рыбинсккабель» внедрена технология эмалирования проволоки полиэфирной изоляционной смолой без применения растворителей — путем нанесения ее из расплава. Отсутствие растворителей снижает себестоимость проводов и улучшает условия труда [I]. Например, при эмалировании прямоугольных проводов использование расплава смолы ТС-1 позволяет только на одном эмальагрегате сэкономить в год около 20 тонн растворителей, экономятся средства на транспортные расходы и тару для растворителей, на обслуживание и замену катализаторов[5]. Применение термореактивных смол — один из путей снижения себестоимости изделий, так как в структуре себестоимости кабельной продукции 85 $ составляют затраты на материалы, поэтому снижение себестоимости — это, в первую очередь, снижение материалоемкости [б] .

В расплавленном состоянии при 140−180°С, т. е. рабочих температурах наложения, указанные смолы (например, ТС-1, ПЭИ-25) не подвергаются физико-химических изменениям — в то же время они обладают способностью переходить в неплавкое и нерастворимое состояние при повышенных температурах в печи эмалировочного агрегата и образовывать эмалевую изоляцию на проволоке, обладающую необходимыми механическими и электроизоляционными характеристиками [I, 2, 7−10] .

Метод эмалирования составами без применения растворителей весьма перспективен [II] и может быть использован при производстве эмалированных проводов практически любого класса нагрево-стойкости [2] .

Основными процессами изготовления эмальпроводов с высокопрочной изоляцией являются: наложение смолы с помощью калибров и термообработка проволоки с нанесенной смолой, при которой происходит образование пространственной структуры в эмалевой изоляции [2, 9].

В настоящее время отсутствует методика теплового расчета эмальпечей, которая позволяла бы провести тепловой расчет печи, обеспечивающей процесс термообработки проводов по заданной оптимальной кривой нагрева. Поэтому основной целью данной работы является создание такой инженерной методики. В связи с этим работа направлена на решение следующих задач:

— расчет нестационарного температурного поля системы «проволока-покрытие» при радиационно-конвективном способе подвода энергии, т. е. при известных полях температуры газового теплоносителя и стенки рабочей камеры печи;

— тепловой расчет эмальпечей при известном законе распределения мощностей нагревателей;

— определение температурных полей теплоносителя, стенки рабочей камеры печи, мощности нагревателей по заданной кривой нагрева провода для печей как с проходящей, так и с циркуляционной схемой движения теплоносителя;

— экспериментальная проверка предложенной инженерной методики, позволяющей рассчитать процесс термообработки проводов по заданной кривой нагрева при эмалировании из расплава термореактивных смол.

Автор защищает:

— результаты численного исследования сопряженного теплообмена системы «проволока-покрытие» при радиационно-конвективном способе подвода энергии ;

— инженерную методику теплового расчета процесса термообработки проводов по заданной оптимальной кривой нагрева при эмалировании из расплава термореактивных смол в камерах эмальпечей как с проходящей, так и с циркуляционной схемой движения теплоносителя ;

— результаты экспериментального исследования теплообмена проволоки в вертикальном канале прямоугольного сечения.

I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Обмоточные провода — это провода, применяемые для обмоток электрических машин, аппаратов и приборов. Важнейшим видом обмоточных проводов являются эмалированные провода, производство которых непрерывно возрастает [12 — 14]. Это обусловлено быстрым прогрессом в области электромашиностроения, приборостроения, а также радиотехники, являющихся главными потребителями эмалированных проводов.

Для изготовления эмалированных проводов на кабельных заводах применяются специальные агрегаты как отечественного — ЭТ-2 — М-24 — С-24 — Б-30 — Г-20, так и зарубежного производства [2].

Правильный выбор технологических режимов эмалирования имеет исключительно важное значение для обеспечения высокого качества изоляции проводов. Качество образующегося изоляционного покрытия зависит от его физико-химических свойств [15], качества поверхности эмалируемой проволоки и правильности режимов наложения покрытия на проволоку и последующей тепловой обработки [2, 16]. Строгое соблюдение температурного режима — необходимое условие получения оптимальных характеристик эмалевой изоляции таких, как адгезия, удлинение и ровная поверхность изоляции [3]. В технологии эмалирования проводов требуемые температурные режимы термообработки реализуются в рабочей камере эмальпечи, имеющей одну, две и более зон. Печи с однокамерным однозонным рабочим пространством в наименьшей мере удовлетворяют современным требованиям.

Печи с многозонным рабочим пространством более прогрессивны [2, 17], хотя и они во многих случаях характеризуются теплотехническими и технико-экономическими показателями, существенно отличающимися от принципиально и технически возможных в настоящее время. Это в значительной степени объясняется малой эффективностью применяемых теплотехнических принципов и несовершенством тепловых схем печей в целом [18]. Но несмотря на это в последние годы резко возросли требования к качеству термообработки почти всех без исключения изделий. Для проектантов электропечей это означает, что разрабатываемое ими оборудование должно обеспечивать более высокую точность нагрева, равномерность температуры в печном пространстве, стабильность газового режима, надежность работы узлов и установки в целом [19, 20]. Все это повышает в свою очередь требования к качеству расчетов и проектирования электропечей.

Использование вычислительной техники позволяет значительно повысить качество расчетов и тем самым улучшить параметры электропечей непрерывного действия (ЭПНД) [19].

При проектировании и создании сложных объектов, к которым принадлежат современные теплоэнергетические установки, требуются знания о количественных и качественных закономерностях, свойственных рассматриваемым объектам. Осуществить непосредственную экспериментальную проверку тех или иных закономерностей, закладываемых в проекты сложных объектов, очень часто не представляется возможным из-за больших затрат средств и времени [21, 22]. В связи с этим преобретает все большее значение изучение свойств и закономерностей рассматриваемых сложных объектов на базе методов моделирования [21].

Одним из таких методов является численный. Численное моделирование дает качественную картину, с помощью которой проверяется и уточняется постановка задачи. Это и дешевле, а в ряде случаев служит практически единственным инструментом исследования [23]. Эффективность использования ЭВМ при моделировании процессов теплообмена в электропечах зависит от точности и достоверности математических моделей, особенно в тех случаях, когда комбинируются различные виды теплообмена [24]. Характерные черты численного эксперимента состоят в следующем. В рамках выбранной модели проводится расчет не одного, а нескольких вариантов для различных значений параметров, управляющих процессом — это позволяет провести детальное изучение физического процесса в рамках принятой модели.

Далее возможен переход к более полной математической модели. Удачный выбор модели позволяет не только объяснить известные факты, но и предсказать новые физические эффекты [25].

Одним из условий качественной термообработки проводов в электропечах является поддержание заданного оптимального графика изменения температуры провода во времени с необходимой точностью [26]. Такой график создается по результатам исследований физико-химических процессов термообработки покрытий.

В настоящее время существует немало теоретических работ [2, 18,19, 21, 24, 26 — 47], где предлагаются математические модели, описывающие процесс термообработки проводов, но в них наряду с сильными сторонами присутствуют и слабые. Например, в работах [2, 27, 28, 31, 32, 36, 37, 40] рассмотрены одномерные модели. При расчете ТР и Тс не учитывались осевые перетоки тепла теплопроводностью вдоль стенки печи, теплообмен излучением и конвекцией с переменным КТО как с внутренней, так и с наружной стенки печи, торцевые эффекты. При определении температуры проволоки с изоляционным покрытием рассматривалась лишь одна проволока, а покрытие учитывалось коэффициентом Ъ, представляющим от.

I" 1>Л ношение количества теплоты, идущей на нагрев проволоки и покрытия (изоляции), к количеству теплоты, идущей на нагрев только проволоки (металла) [2]. Оценки погрешности этого допущения не дано. Для расчета теплообмена провода с теплоносителем используются формулы для КТО, полученные для свободно конвективного теплообмена [2, 27, 31, 32, 36, 48], что совершенно неприемлемо для циркуляционных электропечей. В работах [24, 26, 29, 30, 41, 46, 47] рассматриваются уже двумерные модели, однако коэффициенты теплоотдачи от внутренней и наружной поверхностей печи приняты постоянными. Этот пробел восполнен в [43, 44], где предлагается расчетно-экспериментальный метод определения Тг, Тс, кс с помощью вспомогательной экспериментально определяемой торцовой функции, но на базе одномерной модели. Для определения температурного поля проводов при постоянных ТР, Тс, в [45] получено приближенное аналитическое решение, при этом проволока считалась термически тонким телом, а покрытие плоским.

В связи с тем, что процесс термообработки проводов представляет собой достаточно сложное явление, полное математическое описание которого затруднено из-за отсутствия математической зависимости теплофизических свойств смолы от химического состава и структуры полимеров [15, 49 — 51], большое значение имеет и экспериментальное изучение этого процесса. В работах [4, 7, 8, II, 22, 52 — 65 ] рассматриваются следующие вопросы: технология эмалирования проводов из расплава, исследование величины пробивного напряжения по проходам, определение оптимальных температурных условий эмалирования, скорости эмалирования и степени запечки покрытия, исследование теплофизических свойств смол и качества получаемых эмальпроводов, автоматическое регулирование температуры в эмальпечах, экспериментальное исследование температурных полей в эмальпечах.

Как теоретические, так и экспериментальные работы направлены на обеспечение оптимальных температурных условий эмалирования проводов, а именно: по заданному режиму нагревания провода найти распределение мощности нагревателей [31]. Поэтому настоящая работа посвящена вопросу теплового расчета процесса эмалирования проводов из расплава термореактивных смол по заданной оптимальной кривой нагрева провода на основе уточненной, без отмеченных недостатков, математической модели.

Итогом данной работы будет методика теплового расчета процесса эмалирования проводов из расплава термореактивных смол, что соответствует плану специальной секции технико-экономического совета ВПО «Союзэлектрокабель», которая предусматривает проведение работ по совершенствованию и развитию теоретической основы процесса термообработки, направленного на управление качеством кабельной продукции и обеспечение ее надежности [бб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе рассмотрены вопросы теплового расчета процесса термообработки проводов по заданной оптимальной кривой нагрева при эмалировании из расплава термореактивных смол в камерах эмаль-печей как с проходящей, так и с циркуляционной схемой движения теплоносителя. На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Поставлена и решена задача в приближении термически тонкого тела (проволоки) и плоского покрытия по определению температурного поля системы «проволока-покрытие» при радиационно-конвектив-ном способе подвода энергии для двух предельных случаев: прозрачного и непрозрачного для теплового излучения покрытия. При этом поля температур теплоносителя и стенок рабочей камеры печи могут быть функциями высоты (длины) печи.

2. Поставлена и решена задача в системе двух цилиндрических тел по определению температурного поля системы «проволока-покрытие» при радиационно-конвективном способе подвода энергии для двух предельных случаев при постоянных и переменных Тр, Тс .

3. Установлено, что расхождение результатов, получаемых по модели термически тонкого тела и плоского покрытия и по модели двух цилиндрических тел не превышает 0,9% для температуры проволоки и 2,4% для перепада температуры в покрытии.

4. Показано влияние скорости эмалирования, температурного режима печи, числа проходов, соотношения конвекции и радиации на температурное поле проводов.

5. Разработана методика расчета температурных режимов проводов.

6. Предложены двумерные математические модели, позволяющие рассчитывать температуру стенок рабочей камеры печи как при отсутствии газового потока, так и с проходящим или циркуляционным газовым потоком. Модели учитывают осевые перетоки теплоты теплопроводностью, теплообмен излучением и конвекцией с переменными КТО.

У) и 0(к (^), торцевые эффекты. Мощность тепловыделений нагревателей и температура газового потока есть функции высоты (длины) печи.

7. Оказалось, что зона влияния торцевых эффектов теплоотдачи составляет 0,24+ 0,4 м как в начале, так и в конце печи типа С-24.

8. Предложена методика теплового расчета процесса термообработки проводов по заданной оптимальной кривой нагрева. На основе этой методики: а) Решены прямая и обратная задачи теплопроводности по обеспечению оптимальных режимов термообработки проводов. б) Оценено влияние числа проволок в рабочей камере печи на погрешность в определении, Тс • в) Исследовано влияние коэффициента теплоотдачи с наружной поверхности печи на температуру кожуха, температуру в плоскости нагревателей, мощность нагревателей. Оказалось, что это влияние невелико, а КТО с (к можно считать постоянной по высоте печи вели/ чиной.

9. Проведено экспериментальное исследование по теплообмену проволоки в вертикальном канале.