ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АЭЭ
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
THERMODYNAMIC ANALYSIS
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИИ АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В АЭ
THERMODYNAMIC ANALYSIS OF BASIC ENERGY GENERATION PROCESSING IN AE
Статья поступила в редакцию 27.03.15. Ред. per. № 2208
The article has entered in publishing office 27.03.15. Ed. reg. No. 2208
удк 66.047.75.021.4
МОДЕЛЬ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ПЕЧАХ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ
КАРБИДА КРЕМНИЯ
B.C. Кузееаное, Г.С. Закожурникоеа, С.С. Закожурникое
Филиал ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский университет «МЭИ» РФ 404110, Волгоградская обл., г. Волжский, пр. Ленина, 69 тел.: (8443)21-01-60; факс: (8443)21-01-66; e-mail: vfmei@vfmei.ru galya.vlz@mail.ru
doi: 10.15518/isjaee.2015.07.006
Заключение совета рецензентов: 03.04.15 Заключение совета экспертов: 10.04.15 Принято к публикации: 20.04.15
Предметом исследования является процесс тепломассообмена в печах сопротивления при производстве карбида кремния. В общей физической модели процесса рассматривается твёрдое тело с газовыми полостями и внутренним тепловыделением. Твёрдая составляющая многокомпонентна и увлажнена. Учитываются теплопроводность при переменных теплофизических параметрах, переменная пористость, тепло химических реакций, процесс сушки твёрдой составляющей, генерация газовой составляющей в химических реакциях и перенос тепла фильтрационным потоком газа.
Математическое описание процесса представляет собой систему из двух дифференциальных уравнений: уравнения теплопроводности для пористого тела с химически реагирующими компонентами и уравнения переноса тепла в процессе фильтрации газа через взаимосвязанные поры. Дифференциальные уравнения дополнены необходимыми замыкающими соотношениями.
Замыкающие соотношения получены в результате рассмотрения моделей процессов, сопутствующих производству карбида кремния: сушки, расчёта поля давления в системе связанных пор, удельного тепла химических реакций и эффективного коэффициента теплопроводности.
Полученная математическая модель позволяет определить температурные поля, подобрать варианты загрузок печи и режимов плавки при производстве карбида кремния.
Ключевые слова: пористый материал, производство карбида кремния, физическая модель, математическая модель, температурные поля, тепломассоперенос, объемные тепловыделения.
№ 07 (171) 2015
HEAT AND MASS TRANSFER MODEL IN FURNACES IN THE SILICON CARBIDE PRODUCTION
V.S. Kuzevanov, G.S. Zakozhurnikova, S.S. Zakozhurnikov
Volzhsky Branch of the National Research University "Moscow Power Engineering Institute" 69 Lenin Ave., Volzhsky, Volgograd reg., 404110 Russian Federation ph.: (8443)21-01-60; fax: (8443)21-01-66; e-mail: vfmei@vfmei.ru galya.vlz@mail.ru
Referred 03 April 2015 Received in revised form 10 April 2015 Accepted 20 April 2015
The paper researches the process of heat and mass transfer in furnaces of the resistance in the silicon carbide production and considers a solid body with gas cavities and internal heat in general physical model of the process. Solid part is multicomponent and moist. The thermal conductivity with variable thermal parameters, variable porosity, the heat of chemical reactions, the process of drying the solid component, the generation of gas in chemical reactions and heat transfer seepage gas flow are taking into account.
The mathematical description of the process is a system of two differential equations: the heat equation for a porous body with a chemically reactive components and heat transfer equation in the process of filtering the gas through the interconnected pores. Differential equations are supplemented by the necessary closing relations.
Closing relations are the results of the considering of the processes model accompanying the silicon carbide production: the drying, calculating the pressure field in the system of interconnected pores, heat of chemical reactions and the effective thermal conductivity.
The obtained mathematical model allows determining the temperature field, choosing variants of loading the furnace and regimes of melting in the silicon carbide production.
Keywords: porous material, production of silicon carbide, transfer, volumetric heat generation.
physical model, mathematical model, temperature fields, heat and mass
лу'Л - e -
'и1
Кузеванов Вячеслав Семенович Vyacheslav S. Kuzevanov
Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика и теплотехника» филиала ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г. Волжском.
Образование: Московский энергетический институт.
Область научных интересов: тепловая и атомная энергетика, ресурсосбережение, моделирование технологических процессов.
Публикации: 142.
Information about the author:
DSc (tech.), professor of a chair of Thermal Engineering and Heat Engineering Department Volzhsky Branch of the National Research University "Moscow Power Engineering Institute".
Education: Moscow Power Engineering Institute.
Research area: thermal and nuclear energy, resource conservation, modeling of technological processes. Publications: 142.
£ N
Сведения об авторе: старший преподаватель кафедры «Промышленная теплоэнергетика» филиала ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г. Волжском.
Образование: Московский энергетический институт (технический университет).
Область научных интересов: тепломассообмен.
Публикации: 14.
Information about the author:
senior lecture of a chair of Industrial Thermal Power Engineering Department of Volzhsky Branch of the National Research University "Moscow Power Engineering Institute".
Education: Moscow Power Engineering Institute.
Research area: heat and mass transfer.
Publications: 14.
Закожурникова Галина Сергеевна Galina S. Zakozhurnikova
Закожурников Сергей Сергеевич Sergei S. Zakozhurnikov
Сведения об авторе: аспирант кафедры «Тепломассообменных процессов и установок» ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», Москва
Образование: Московский энергетический институт (технический университет).
Область научных интересов:
моделирование технологических процессов, ресурсосбережение, энергосбережение.
Публикации: 18.
Information about the author:
postgraduate student of National Research University "Moscow Power Engineering Institue".
Education: Moscow Power Engineering Institute.
Research area: modeling of technological processes, resource conservation, energy conservation. Publications: 18.
Введение
Предметом исследования является процесс тепломассообмена в печах сопротивления при производстве карбида кремния. Карбид кремния (БЮ) используется во многих отраслях промышленности: огнеупорной, металлургической, керамической, электротехнической. БЮ обладает рядом полезных свойств, таких как высокая прочность, низкий коэффициент теплового расширения, высокая электрическая проводимость, нелинейное электрическое сопротивление. Карбид кремния является материалом, попадающим в диапазон твёрдости между алмазом и корундом (между 9,5 и 10 по шкале Мооса). Он достаточно стабилен химически и устойчив к действию кислот. Благодаря высокой твёрдости, карбид кремния является основным сырьём для изготовления абразивных труб, крыльчаток, насосных камер и т. д. Большая зернистость карбида кремния используется при создании таких абразивных изделий, как наждачная бумага, шлифовальные круги, диски, проволочные пилы и ряда других. Также карбид кремния применяют в технологиях хранения радиоактивных отходов.
На сегодняшний день производство БЮ остаётся во многом таким же, как и в конце XIX века: кварц высокой чистоты смешивают с высококачественным коксом или антрацитом в больших электрических печах сопротивления, и при нагреве до температуры выше 2 000 °С получают карбид кремния в соответствии со следующей реакцией: БЮ2+ 3С = БЮ + 2СО.
Процесс плавки сопровождается значительным теплоподводом, требуя 8 000-10 000 кВт-ч электрической энергии на тонну конечного продукта.
Карбид кремния извлекают из печи, охлаждают и затем сортируют на различные классы. Сортировка применяется для отделения полноценного кристаллического карбида (карборунда) от металлургического карбида кремния. Отсортированный карборунд затем измельчают и просеивают до нужного вида.
Образование БЮ сопровождается и другими химическими реакциями, в результате которых образуются твердые и газообразные продукты. Теплота
химических реакций, образование дополнительной газовой составляющей, процесс сушки, перенос тепла фильтрационным потоком газа оказывают значительное влияние на процесс тепломассообмена и в целом на процесс производства БЮ.
Экспериментальное исследование нестационарного тепломассообмена в печах для производства карбида кремния усложнено высокими температурами в процессе карбидообразования.
В таких объективно ограниченных условиях анализа важным является расчетное исследование плавки с целью определения режимов с повышенным выходом БЮ. Основой исследования при этом является нахождение распределения температур в печи и определение его влияния на увеличение массового выхода продукта.
Общая физическая модель процесса
В работе рассматривается твердое тело (индекс «1») с газовыми полостями (индекс «2») и внутренним тепловыделением. Твердая составляющая многокомпонентна и увлажнена.
Предполагается, что перенос тепла за счет молекулярной теплопроводности может быть описан как для сплошной среды с теплофизическими параметрами, эквивалентными соответствующим параметрам пористого объекта.
В модели учитывается:
1. Теплопроводность при переменных тепло-физических параметрах ({, р, с).
2. Переменная пористость (е).
3. Химические реакции:
- тепло химических реакций;
- образование дополнительной газовой составляющей.
4. Процесс сушки.
5. Перенос тепла фильтрационным потоком газа.
Значимые параметры и допущения:
1. Масса системы (М).
Изменение массы связано с химическими реакциями и сушкой с образованием летучих продуктов плавки (выходом газа и пара (далее газ) из системы).
ISJJIIE
77
2. Температура (7).
Температура определена состояние
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.