МОДЕЛЬ КРИСТАЛЛИЗАТОРА Российский патент 2012 года по МПК B22D11/04 

Изобретение относится к моделированию охлаждения высокотемпературных устройств, в частности к моделированию охлаждения кристаллизаторов машин, содержащих в стенках тепловые трубы, и жидких металлов.

Известны условия моделирования модели по образцу [1. Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования. Л.: Энергоатомиздат, 1987. 254 с.], заключающиеся в том, что процессы в модели и образце относятся к одному классу явлений, соблюдается геометрическое подобие, определяющие критерии подобия численно равны. Для определения определяющих критериев подобия необходимо выполнение анализа размерностей входящих величин при рассмотрении задачи охлаждения высокотемпературных устройств [1. См. стр.10].

При моделировании по аналогии в модели воспроизводится процесс другой физической природы, чем в образце, но описываемый одинаковыми безразмерными уравнениями. Примером моделирования по аналогии является моделирование процесса теплопроводности процессом электропроводности [1. См. стр.9].

Известен кристаллизатор [2. RU 2351427 C1, 10.04.2009], состоящий из 4-х расположенных попарно рабочих стенок с охлаждаемыми каналами, причем рабочие стенки второй пары выполнены в виде тепловых труб, а рабочие стенки первой пары представляют собой зоны нагрева тепловых труб, зоны охлаждения которых выполнены в виде конденсатора пара теплоносителя. Дополнительно кристаллизатор снабжен системой автоматического управления его охлаждением, включающей термопары, а также датчик уровня теплоносителя в каналах стенок первой пары. Недостаток кристаллизатора при моделировании охлаждения заключается в трудоемкости его изготовления.

При моделировании охлаждения на модели, являющейся точной копией кристаллизатора, необходимо выполнять в него разливки легкоплавких сплавов свинца, что является также трудоемким при организации непрерывного процесса разливки сплавов и загрязняет окружающую среду.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемой модели устройства, заключается в следующем:

1. Уменьшении трудоемкости и стоимости изготовления модели устройства.

2. Уменьшении размеров модели устройства.

3. Уменьшении времени на исследование работы модели устройства.

Заявляемая модель устройства характеризуется следующими существенными признаками.

Ограничительные признаки: модель кристаллизатора, содержащая тепловые трубы.

Отличительные признаки: тепловые трубы соединены с нагревательным блоком, выполненным в виде трубы, в которой помещен теплоноситель и электронагревательный элемент, и с коллектором и закрыты кожухом, тепловые трубы выполнены с оребрением, установленные под кожухом термопары, термопары в нагревательном блоке и коллекторе, датчик скорости охлаждающей среды подключены в систему автоматического управления работой модели кристаллизатора, число тепловых труб в модели выбрано в количестве n=3-10, наружный диаметр труб «d», диаметр оребрения «d₁», длина труб «l», диаметр нагревательного блока «Д» и его длина «L» связаны соотношениями: d₁/d=1,5÷1,7; Д/d=2,8-3; L/d=18÷20; l/d=22-24.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемой модели устройства и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.

Соединение тепловых труб с нагревательным блоком с расположенным в нем теплоносителем и электронагревательным устройством обеспечивает возможность разогрева тепловых труб при заданной плотности теплового потока «q₁», сопоставимой с плотностью теплового потока «q₂» на натурном кристаллизаторе, что обеспечивает возможность моделировать охлаждение тепловых труб и исключает необходимость изготовления модели кристаллизатора с разливкой в него сплавов.

Объединение тепловых труб с коллектором с образованием группы тепловых труб обеспечивает возможность высокоэффективного и равномерного их разогрева и охлаждения.

Применение кожуха для секции тепловых труб обеспечивает возможность подвода через него охлаждающей среды и организацию высокоэффективного охлаждения труб модели.

Выполнение тепловых труб с оребрением увеличивает поверхность теплообмена труб, а соответственно, количество отводимого от них тепла.

Наличие термопар на входе и выходе из труб позволяет получать сигналы о температуре охлаждающей среды.

Наличие термопар в нагревательном блоке и коллекторе позволяет получать сигналы о температуре теплоносителя в модели устройства.

Наличие датчика скорости охлаждающей среды позволяет получать сигнал о скорости потока среды.

Подключение термопар и датчика скорости, электронагревательного устройства в систему автоматического управления работой модели кристаллизатора позволяет регулировать на модели плотности подводимых тепловых потоков «q₁» и исследовать работу и охлаждение тепловых труб.

Изготовление модели с числом труб n<3 ограничивает возможности исследования охлаждения тепловых труб на модели. Кроме этого, в натурном кристаллизаторе число охлаждаемых каналов в рабочей стенке превышает 3.

Изготовление модели с числом труб n>10 приводит к необходимости нерационального увеличения электрической мощности электронагревательного устройства для достижения плотности подводимого теплового потока на модели «q₁», соизмеримого плотности теплового потока «q₂» на натурном кристаллизаторе. Кроме этого, увеличивается трудоемкость изготовления повышенного количества тепловых труб.

Уменьшение соотношения d₁/d<1,5 (где d₁ - диаметр оребрения, d - наружный диаметр труб) приводит к недостаточному увеличению площади поверхности теплообмена труб и недостаточному количеству отводимого тепла от труб. В результате возникает необходимость увеличения скорости подачи охлаждающей среды через кожух для отвода заданного количества тепла, выделяемого электронагревательным устройством в нагревательном блоке.

Увеличение соотношения d₁/d>1,7 приводит к нерациональному увеличению длины «L» нагревательного блока для закрепления с ним тепловых труб.

Уменьшение соотношения Д/d<2,8 (Д - диаметр нагревательного блока, d - наружный диаметр труб) затрудняет закрепление труб и электронагревательного устройства в нагревательном блоке. В случае d≈Д закрепление труб в блоке невозможно.

Увеличение соотношения Д/d>3 приводит к нерациональному увеличению диаметра нагревательного блока и количеству заливаемого в него теплоносителя. В результате нерационально увеличивается масса модели кристаллизатора, увеличивается время его разогрева и ухудшается эффективность тепловых процессов.

Уменьшение соотношения L/d<18 затрудняет и делает невозможным закрепление труб с нагревательным блоком.

Увеличение соотношения L/d>20 приводит к нерациональному увеличению длины нагревательного блока и массы модели.

Уменьшение соотношения l/d<22 (где l - длина труб) приводит к нерациональному уменьшению площади поверхности труб и количеству тепла, отводимого охлаждающей средой.

Увеличение соотношения l/d>24 приводит к нерациональному увеличению длины труб, что ухудшает их разогрев и эффективность в них тепловых процессов. Кроме этого, нерационально увеличивается масса модели.

На фиг.1 приведен внешний вид заявляемой модели кристаллизатора; на фиг.2 - вид модели кристаллизатора в кожухе.

Модель кристаллизатора состоит из нагревательного блока 1 с закрепленными с ним тепловыми трубами 2 с оребрением 3, коллектора 4 с образованием секции тепловых труб 5, помещенных в кожух 6, электронагревательного устройства 7, термопар 8 и 9 для измерения температуры охлаждающей среды, термопары 9 в нагревательном блоке и термопары 10 в коллекторе, подключенных в систему автоматического управления работой устройства, пробки 11, датчика скорости 12 охлаждающей среды.

Предварительно через пробку 11 в коллекторе 4 в секцию тепловых труб 5 заливается определенное количество теплоносителя и удаляется воздух из секции.

Способ моделирования охлаждения кристаллизатора машины осуществляется заявляемой моделью следующим образом. Включается электронагревательный элемент 7 с разогревом теплоносителя тепловых труб 5 до заданной температуры, фиксируемой по показаниям термопар 9 и 10. После этого в пространство между тепловыми трубами 2 с оребрением 3 и кожухом 6 подается охлаждающая среда, например воздух, температура которой на входе и выходе из секции контролируется термопарами 7 и 8, а скорость среды - датчиком 12. Системой автоматического управления работой модели устройства устанавливается количество тепла, отводимого охлаждающей средой, например воздухом, и плотность передаваемого теплового потока в трубах 2, которая сравнивается с необходимым значением «q₁» на модели устройства. В случае необходимости системой автоматического управления работой устройства подается команда на увеличение или уменьшение электрической мощности электронагревательного устройства 7, а также расхода охлаждающей среды, скорость которой контролируется датчиком 12.

При получении на модели значений q₁ из соотношения q₁/q₂=0,8÷1,2 определяются плотности тепловых потоков q₂ в натурном кристаллизаторе.

Изобретение относится к металлургии, в частности к моделированию охлаждения кристаллизатора. Модель содержит тепловые трубы, размещаемые в стенках кристаллизатора. Тепловые трубы соединены с нагревательным блоком и коллектором и закрыты кожухом. Нагревательный блок выполнен в виде трубы, в которой помещен теплоноситель и электронагревательный элемент. Термопары, установленные под кожухом, в нагревательном блоке и коллекторе, датчик скорости охлаждающей среды подключены в систему автоматического управления работой модели кристаллизатора. Число тепловых труб в модели выбрано в количестве n=3-10. Наружный диаметр d труб, диаметр d₁ оребрения, длина l труб, диаметр Д нагревательного блока и его длина L связаны соотношениями: d₁/d=1,5÷1,7; Д/d=2,8-3; L/d=18÷20; l/d=22-24. Обеспечивается снижение трудоемкости и стоимость изготовления модели. 2 ил.

Модель охлаждения кристаллизатора, содержащая тепловые трубы, соединенные с нагревательным блоком, выполненным в виде трубы, в которой помещен теплоноситель и электронагревательный элемент, и с коллектором, и закрытые кожухом, причем тепловые трубы выполнены с оребрением, подключенные к системе автоматического управления термопары, установленные под кожухом, термопары в нагревательном блоке и коллекторе, и датчик скорости охлаждающей среды, при этом число тепловых труб выбрано в количестве n=3-10, наружный диаметр труб «d», диаметр оребрения «d₁», длина труб «l», диаметр нагревательного блока «Д» и его длина «L» связаны соотношениями: d₁/d=1,5÷1,7; Д/d=2,8-3; L/d=18÷20; l/d=22-24.