Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет футеровок высокотемпературных электротехнологических установок. Учебное пособие
.pdf
вов и паров, получении наноматериалов из твердого материала конденса-
ционным методом.
При фазовом переходе первого рода температура нагреваемого объекта не изменяется, а подводимая к объекту энергия расходуется на совершение фазового перехода.
Количество теплоты, необходимое для совершения фазового перехода:
mqQ
где q – удельная теплота фазового перехода.
Зная q, можно моделировать нагрев материала с учетом фазовых
превращений. При заданных значениях теплофизических и геометрических
параметрах материалов рабочей камеры, нагреваемого материала, мощности генератора и расхода охлаждающей воды можно найти зависимости
температуры нагреваемого объекта, стенок рабочей камеры и воды от времени в
процессе нагрева.
На рис. 2.6-2.7 приведены зависимости температур объекта, стенок
рабочей камеры и распределение температуры по глубине футеровки при
следующих условиях:
Мощность СВЧ-генератора – 5 кВт.
Масса материала – 1 кг.
Внутренние размеры рабочей камеры – 300×300×300 мм.
Теплоемкость объекта – 1000 Дж/кг·К.
Толщина футеровки – 25 мм.
Т
1
Т
2
Т
3
Рис. 2.6. Изменение температуры объекта: (Т1), температуры стенок рабочей
камеры (Т2) и температуры центрального слоя футеровки рабочей камеры (Т3)
На графике зависимости температуры нагреваемого объекта можно
выделить горизонтальные участки, соответствующие моментам плавления
и испарения. Данная модель не учитывает изменения объема нагреваемого
71
объекта в процессе нагрева, однако в силу того, что при плавлении изменение
объема невелико, а испаренный материал в реальных установках по получению наноматериалов конденсационным методом постоянно откачивается из
рабочей камеры, результаты этого исследования позволяют определить параметры кинетики получения наноматериалов таким способом.
3
2
1
Рис. 2.7. Распределение температуры по толщине футеровки:
1 – через 200 сек нагрева; 2 – через 400 сек нагрева; 3 – через 600 сек нагрева
Все температуры на графиках – превышения над температурой
окружающей среды.
Таким образом, результаты математического моделирования кинетики нагрева, плавления и испарения исходного материала говорят о возможности реализации в СВЧ-электротермических установках высокотемпературных процессов с фазовыми переходами.
2.6. Теплообмен при высоких температурах
Проектирование СВЧ-электротермических установок невозможно
без учета тепловых процессов, происходящих во время диэлектрического
нагрева. Теплопередача может происходить разными способами, в т.ч.
и сложным теплообменом.
Теплопроводность представляет собой молекулярный перенос теплоты в телах (или между ними), обусловленный переменностью температуры
в рассматриваемом пространстве. Величина, характеризующая способность вещества проводить теплоту, называется коэффициентом теплопроводности. В диэлектриках с повышением температуры коэффициент теплопроводности обычно увеличивается, но его значение обычно зависит от
структуры вещества, его пористости и влажности. Под конвекцией тепло-
72
ты понимают процесс ее переноса при перемещении объемов жидкости
или газа в пространстве из области с одной температуры в область с другой. При этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды, например при сублимации. Совместный молекулярный и конвективный перенос массы называют конвективным массообменном.
Тепловое излучение – процесс распространения теплоты с помощью
электромагнитных волн, обусловленный только температурой и оптическими свойствами излучающего тела; при этом внутренняя энергия тела
переходит в энергию излучения. Процесс превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса излучения и его поглощения
веществом называется теплообменом излучением. При высокотемпературных процессах, происходящих в рабочих камерах СВЧ-установок происходят все виды теплообмена.
Характерной особенностью высокотемпературных процессов в СВЧ
является превосходство радиационного излучения над конвективной
и кондуктивной формами теплообмена. Электромагнитное излучение имеет двойственную корпускулярно-волновую природу. Фотоны электромагнитного поля при взаимодействии с веществом поглощаются его атомами,
передавая свою энергию электрону, что приводит к возрастанию энергии
тепловых колебаний атомов в молекулах вещества, т.е, энергия излучения
переходит в теплоту. Перенос энергии происходит от тела с более высокой
температурой к телу с меньшей температурой.
Теплопередача излучением характеризуется потоком излучения [11].
dW
Q
,
dt
где W – энергия излучения, измеряемая в джоулях (Дж);
t – время излучения, значительно превышающее период колебания.
Общее количество энергии, падающей на облучаемое тело в единицу
времени, равно
Q+Q+Q=Q
,
DRА
где QА – поглощенная энергия;
QR – отраженная энергия;
QD – энергия, прошедшая сквозь тело.
Общее количество излучаемой энергии примем за 1, тогда:
QQQ
DRA
.
1
Q
Интегральный поток, испускаемый с единицы поверхности, носит
название поверхностной плотности потока интегрального излучения, измеряемой в ваттах на метр квадратный (Вт/м2):
dQ
E
,
dF
73
где dQ – поток излучения, испускаемый элементарной площадкой dF.
Поток излучения со всей поверхности выразится интегралом:
b
.
FdFQ
F
Если поток излучения dQ падает на поверхность dF, поверхностная
плотность потока излучения называется энергетической освещенностью
(облученностью) Е
пад
:
dQ
E
пад
.
dF
Если поток излучения dQ испускается поверхностью dF, поверхност-
ная плотность потока излучения называется энергетической светимостью М:
dQ
M
.
dF
Если даже на тело не падает никакого излучения извне, то с единицы
его поверхности отводится поток лучей энергии Е, Вт/м2. Этот поток, определяемый температурой и физическими свойствами тела, представляет собой
собственное излучение тела или его излучательную способность. Обычно со
стороны других тел на рассматриваемое тело поступает энергия падающего
излучения Е
глощенное излучение), остальная часть энергии отражается Е
. Часть энергии падающего излучения поглощается телом (по-
пад
.
отр
Фактическое излучение тела (эффективное излучение тела) Еэф есть
сумма собственного излучения тела и отраженного. Его можно ощущать
и измерять приборами.
А)Е–(1+Е=Е+Е=Е
.
падотрэф
Эффективное излучение Еэф зависит от физических свойств и температуры не только данного излучающего тела, но и других окружающих его
тел, а также от формы, размеров и относительного расположения тел
в пространстве. Физические качества и спектры собственного и отраженного излучения различаются, так как падающее излучение Е
определяет-
пад
ся температурой и свойствами окружающих тел. Для тепловых расчетов
это различие часто не имеет значения, если рассматривается лишь энергетическая сторона процесса.
Абсолютно черное тело – тело которое способно поглощать всю падающую на него энергию излучения. Для него будут справедливы следующие
отношения при любой температуре: А = 1 (вся энергия поглотилась), R = 0 (от
тела ничего не отражается) и D = 0 (тело не прозрачное). «Черное излучение» –
это вид излучения, при котором количество испускаемой энергии излучения
определяется только температурой тела и не зависит от его природы.
Поток собственного монохроматического излучения Е0λ абсолютно
черного тела для заданной длины волны λ и температуры Т определяется
зависимостью:
.
о
T),f(=Е
74
Интегральный поток для всех длин волн определяется законом Сте-
фана–Больцмана:
00
00
),(
CdTfdEE
0
T
100
4
,
где Со = 5,75 – Вт/(м2·К4) – коэффициент излучения абсолютно черного тела.
Абсолютно черных тел в природе не существует. По характеру излучения реальные тела можно разделить на две группы: с серым излучением
и с селективным излучением. Излучение реальных тел в зависимости от их
физических свойств протекает по-разному.
Для описания излучения тел первой группы приемлемы все законы,
которым подчиняется излучение черного тела, если по интенсивности эти
излучения различаются только постоянным множителем, который не зависит от длины волны. Поэтому для серых тел закон Стефана–Больцмана
может быть записан в виде:
4
T
100
,
CE
T
где С – коэффициент излучения.
Степенью черноты тела ε называют отношение энергии излучения
серого тела к энергии излучения черного при той же температуре:
C
C
,
0
где С0 – коэффициент излучения абсолютно черного тела.
Зная ε, можно подсчитать энергию излучения серого тела:
44
100
75,5
CE
T
0
TT
100
.
Селективным, или избирательным, называется такое излучение, которое наблюдается лишь в отдельных узких участках спектра электромагнитных колебаний.
Связь между излучательной и поглощательной способностями тела
устанавливает закон Кирхгофа: отношение излучательной способности тела Е
и равно излучательной способности абсолютно черного тела Е
к его поглощательной способности АТ не зависит от природы тела
С,Т
, при той
0,Т
же температуре
E
TC
A
,
T
E
.
T
,0
Закон Планка устанавливает зависимость спектральной интенсивности
излучения абсолютно черного тела от его температуры Т и длины волны λ:
5-
2
C
1
E
0
C
e
,
2
T
1
75
где C1 = 5,944 · 10
С2 = 1,4388 · 10
-17
Вт м2 – первая постоянная Планка;
-2
м К – вторая постоянная Планка.
Закон Вина гласит, что произведение длины волны в максимуме
спектральной характеристики излучения на абсолютную температуру является величиной постоянной. На основании данного закона можно определить длину волны, которая соответствует максимуму интенсивности излучения абсолютно черного тела. По закону смещения Вина максимум интенсивности излучения с повышением температуры смещается в сторону
коротких волн спектра:
,
Т
К=Т
где λТ – длина волны в максимуме спектральной характеристики (мкм);
К = 2897 мкм К.
Лучистый теплообмен между телами – это сложный процесс, при котором происходят многократные поглощения и отражения энергии. Лучистый теплообмен между телами определяется потоком результирующего
излучения q
(Вт/м2):
рез
,
Е– Е=q
падэфрез
Е
1
qЕ
резэф
.
1
А
А
На основании закона Стефана–Больцмана двух параллельных серых
плоскостей, участвующих в теплообмене, можно записать следующие соотношения:
4
1
TCE
011
100
TCE
022
100
,
4
2
,
где Е1, ε1, Т1 – тепловое излучение, степень черноты и температура первого
из участвующих в теплообмене тел;
Е2, ε2, Т2 – тепловое излучение, степень черноты и температура второго тела.
Для плотности потока результирующего излучения двух параллельных серых плоскостей
4
TT
100100
,
2
где
пр
1
– приведенная степень черноты.
11
1
21
Сq
021
пр
4
1
В простейшем случае лучистого теплообмена между серыми непрозрачными телами, разделенными прозрачной средой, при диффузном излучении количество теплоты, которое передается в единицу времени от одного тела с температурой Т1 другому телу с температурой Т2, полный результирующий поток (Вт/м2)
76
FСQ
021
прпр
4
1
4
TT
2
,
100100
где Fnp – взаимная расчетная площадь поверхности теплообмена (м2).
1
,
12
где φ
1–2
1
, φ
– средние угловые коэффициенты, или коэффициенты облу-
2–1
1
пр
1
1
1
1
21
1
2
ченности, учитывающие, какая доля общей энергии излучения, испускаемой поверхностью тела 1, падает на тело 2 и тела 2 на тело 1:
.
F =F=F
21-212-1пр
Коэффициент облученности φ является комплексным геометриче-
ским параметром, зависящим от формы поверхностей тел, их размеров,
взаимного расположения и расстояния между телами:
F
21
где F
1–2
= F
21
12
= Fпр – полная взаимная поверхность теплообмена тел.
2–1
F
F
F
,
1
12
,
2
Закон Ламберта точно соблюдается лишь для абсолютно черных тел
и устанавливает, что наибольшее количество энергии несет излучение
(независимо от длины волны), направленное по нормали к излучающей
поверхности. В других направлениях количество излучаемой энергии будет меньше и пропорционально косинусу угла между направлением излучения и нормалью к излучающей поверхности:
cosЕ=Е
н
,
где Eн – количество энергии, излучаемой по нормали к поверхности излучения;
Еφ – количество энергии, излучаемой по направлению, составляющему
с нормалью угол φ.
Облученность от точечного источника излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до облучаемой поверхности.
Этот закон выполняется достаточно точно лишь тогда, когда линейные
размеры источника излучения значительно меньше расстояния между источником и облученной поверхностью.
2.7. Футеровка рабочих камер
В СВЧ-установках процесс термообработки диэлектрических сред,
материалов и изделий (нагрев, сушка, размораживание, отвердение, разрушение, пастеризация, стерилизация и др.) происходит при температуре
не более 100-120°С. В рабочих камерах таких установок футеровка обычно
77
не используется, однако температура внешней поверхности оборудования
не должна превышать 40-50°С.
Примером предотвращения нагрева стенок рабочей камеры может
быть камера с бегущей волной на круглом волноводе с нагреваемым объектом в форме стержня, по оси волновода (рис. 2.8) [18].
Рис. 2.8. Камера с бегущей волной на круглом волноводе
с волноводно-коаксиальным переходом: 1 – нагреваемый объект; 2 – теплоизоляция
К сожалению, это в полной мере не решает задачу теплоизоляции
обрабатываемого объекта. Задача разработки футеровки для СВЧ-установок в электротермии прежде не ставилась, возможно, это объясняется
невысокой температурой нагрева и желанием удешевить установку.
В настоящее время разрабатываются высокотемпературные СВЧустановки для получения наноматериалов, монокристаллов, керамик. В рабочих камерах
таких установок обрабатываемый объект нагревается до не-
скольких тысяч градусов Цельсия, в этом случае футеровка уже необходима.
Таким образом, речь идет о создании нового класса установок СВЧ
диэлектрического нагрева – высокотемпературных СВЧ-электротермических установок, вследствие этого проблема футеровки рабочих камер этих
установок становится актуальной.
Классификацию футеровок рабочих камер СВЧ- электротермических
установок
можно изобразить как на рис 2.9.
На рис. 2.10-2.15 приведены варианты компоновки таких камер рабочих камер с футеровкой. Особое значение имеет взаимное расположение
футеровки и металлического корпуса камеры.
Так, если металлический корпус рабочей камеры воспринимает
непосредственное типовое излучение, то корпус должен быть выполнен из
жароупорного материала. Если футеровка внутри рабочей камеры
защи-
78
Рис. 2.9. Классификация футеровок рабочих камер СВЧ-установки
Рис. 2.10. КСВ с футеровкой внутри камеры
Рис. 2.11. КСВ с футеровкой снаружи Рис. 2.12. КБВ на круглом волноводе
и внутри камеры с футеровкой снаружи и внутри камеры
79
Рис. 2.13. КБВ на прямоугольном Рис. 2.14. КЛТ с футеровкой
волноводе с футеровкой снаружи и внутри объекта внутри камеры
Рис. 2.15. КЛТ с футеровкой снаружи и внутри камеры
щает металлический корпус от такого излучения, то требования к материалу корпуса снижаются, но появляются весьма жесткие требования к материалу футеровки.
На рисунках: 1 – корпус камеры, 2 – источник СВЧ-энергии, 3 – футеровки, 4 – обрабатываемый объект. Он должен обладать малым tgδ и желательно небольшой относительной диэлектрической проницаемостью ε.
Первостепенные задачи, которые необходимо
решить в отношении
футеровок для высокотемпературных СВЧ-установок:
а) необходимы системные исследования диэлектрических параметров материалов футеровки, в первую очередь огнеупоров;
б) разработка методов и средств согласования рабочей камеры, имеющей футеровку, с СВЧ-генератором;
в) исследование влияния футеровки на электромагнитное и температурное поля обрабатываемого объекта;
г) разработка алгоритма
математического моделирования процесса
нагрева объекта в рабочей камере, имеющей футеровку;
д) учет футеровки при технико-экономической оптимизации параметров СВЧ электротермической установки и ее элементной базы;
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]