РАСЧЕТ ИНДУКЦИОННОЙ ПЕЧИ С ХОЛОДНЫМ ТИГЛЕМ ДЛЯ ОСТЕКЛОВЫВАНИЯ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ С УЧЕТОМ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ
Конференция: LXIX Международная научно-практическая конференция «Научный форум: технические и физико-математические науки»
Секция: Энергетика
![](https://nauchforum.ru/themes/mix_and_match/images/logo.jpg)
LXIX Международная научно-практическая конференция «Научный форум: технические и физико-математические науки»
РАСЧЕТ ИНДУКЦИОННОЙ ПЕЧИ С ХОЛОДНЫМ ТИГЛЕМ ДЛЯ ОСТЕКЛОВЫВАНИЯ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ С УЧЕТОМ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ
Аннотация. В ходе работы было проведено два электрических расчета индукционной установки для остекловывания ЖРО (жидкие радиоактивные отходы) с учетом реальных тепловых потерь и теоретических, при тепловых потерях в 10% от полезной мощности печи. Под индукционной установкой понимают весь комплекс устройств, обеспечивающих осуществление электротермического процесса. В качестве ЖРО рассмотрены высокоактивные трансурановые радионуклиды. На 250 кг расплава приходится 50 кг отходов с активностью 105 кБк/кг. В ходе расчета были приняты характеристики, которые соответствуют ГОСТУ EN 1748-1-1-2016, см.Таблицу1.
Ключевые слова: тепловые потери; индукционная печь с холодным тиглем; электрический расчет; коэффициент полезного действия; мощность; производительность.
Введение
Жидкие радиоактивные отходы – это ядерные отходы, которые образуются в результате эксплуатации атомных электростанций. Для захоронения ЖРО используется технология остекловывания, в которой применяется индукционная печь с холодным тиглем.[1]
Рисунок 1. – Индукционная печь с холодным тиглем:
1 – верхняя крышка; 2 – носик; 3 – подина; 4 – корпус; 5 – индуктор; 6 – тигель; 7 – футеровка тигля
При осуществлении процесса нагрева и плавления боросиликатного стекла в индукционной печи присутствует большое количество тепловых потерь. Эти потери необходимо учитывать при расчете мощности для исправной работы индукционной установки.[2]
Цель работы – провести тепловой расчет печи с холодным тиглем; рассчитать характеристики установки, с учетом тепловых потерь; проанализировать зависимость КПД тигельной печи от тепловых потерь.
Материалы
Таблица 1.
Принятые характеристики
Температура плавления, ºС |
Температура разливки, ºС
|
Теплосодержание (энтальпия) в расплавленном состоянии, Дж/кг (кВт–ч/кг) |
Удельное сопротивление в холодном состоянии, Ом×м |
Удельное сопротивление в расплавленном состоянии, Ом×м |
Плотность при температуре разливки, т/м3 |
820 |
1245 |
505,2×103/0,14 |
55×10-3 |
35×10-3 |
1,4 |
- вид расплава – боросиликатное стекло;
- относительная магнитная проницаемость шихты 0,999987;
- температуру загружаемой шихты 18 ºС;
- ёмкость тигля 250 кг;
- длительность процесса плавки 3,5ч
Состав стекла: Диоксид кремния SiO2 (70-87%); Оксид бора B2O3 (7-15%); Оксид натрия Na2O (0-8%); Оксид калия K2O (0-8%); Оксид алюминия Al2O3 (0-8%) [3]
Расчет
Задачей теплового расчета является определение температуры наружной поверхности футеровки, расчет тепловых потерь и теплового коэффициента полезного действия печи. Расчет тепловых потерь ведут отдельно для следующих элементов: боковой поверхности тигля, подины, крышки. Пусть боковая поверхность тигля состоит из трех слоев: огнеупорный бетон, шамот легковесный ШЛ-1, асбест. [4]
Зададим значения температур на границах слоев, °С:
T1 =820, T2 =100, T3 =20.
Исходя из этих значений, определяем средние значения температур, °С:
Находим теплопроводности слоев футеровки, Вт/м·°С: [5]
Определяем тепловые потери через боковую поверхность, Вт:
где:
T = 820 – температура внутренней поверхности стенки, °С;
Tокр = 20 – температура внешней поверхности стенки, °С;
D1 = 0,53 – наружный диаметр слоя огнеупорного бетона, м;
D2 = 0,68 – наружный диаметр слоя асбеста, м;
D = 0,48 – средний диаметр садки, м;
H = 0,96 – высота стенки, м;
Тепловые потери излучением зеркала ванны, Вт:
где:
ε = 0,85 - степень черноты расплава;
с0 = 5,67 - коэффициент абсолютно черного тела;
ξ = 0,2 - коэффициент диафрагмирования. [6]
Определяем тепловые потери подины печи.
Поверхности слоёв, м2:
Определяем средние значения поверхностей слоёв, м2:
Определяем тепловые потери через крышку и подину печи, Вт:
где:
T=820 — температура внутренней поверхности стенки, °С;
=20 — температура внешней поверхности стенки, °С;
= 10 — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 ·°С); (
= 10, так как конвекция воздуха свободная)[6]
=0,025 — толщина слоя огнеупорного бетона, м;
=0,075 — толщина слоя асбеста, м.
Суммарные тепловые потери печи, Вт:
Уточним активную мощность, подводимую к загрузке P2, кВт:
В таблице 2 приведены характеристики рассчитанной индукционной установки, при тепловых потерях в 10% от полезной мощности печи ΔРm= 1 кВт.
Таблица 2.
Характеристики установки (при тепловых потерях в 10% от полезной мощности печи ΔРm= 1 кВт).
Характеристики |
Единицы измерения |
Величина |
Длительность плавки |
ч |
3 |
Содержание концентрата в стекломатрице |
масс. % |
до 30 |
Температура расплава |
°С |
до 1300 |
Ёмкость ИТП |
т |
0,25 |
Мощность ИТП |
кВт |
12,2 |
Мощность установки |
кВт |
13,3 |
Напряжение |
В |
800 |
Частота |
МГц |
0,72 |
Производительность ИТП |
т/ч |
0,083 |
КПД установки |
|
0,91 |
Удельный расход электроэнергии |
кВт–ч/т |
0,15 |
В таблице 3 приведены характеристики установки, с учетом реальных тепловых потерь ΔРm= 2,08 кВт.
Таблица 3.
Характеристики установки, с учетом реальных тепловых потерь ΔРm= 2,08 кВт.
Характеристики |
Единицы измерения |
Величина |
Длительность плавки |
ч |
3 |
Содержание концентрата в стекломатрице |
масс. % |
до 30 |
Температура расплава |
°С |
до 1300 |
Ёмкость ИТП |
т |
0,25 |
Мощность ИТП |
кВт |
14,8 |
Мощность установки |
кВт |
16,3 |
Напряжение |
В |
800 |
Частота |
МГц |
0,72 |
Производительность ИТП |
т/ч |
0,083 |
КПД установки |
|
0,82 |
Удельный расход электроэнергии |
кВт–ч/т |
0,15 |
Содержание концентрата в стекломатрице в перерасчете на сухой остаток составило до 30 масс.%. А скорость выщелачивания радионуклидов ~10-5 г/см2сут, что соответствует требованиям к химической устойчивости остеклованных высокоактивных отходов.[4]
Расчетные соотношения характеристик, приведенных в таблице 2:
Ориентировочно ΔРток можно принять равным 5% от мощности источника Рист.
Мощность, потребляемая от источника питания
Рист = ΔРэ.и. + ΔРэ.б. + ΔРток + Р2, Вт.
где:
ΔРэ.и – электрические потери в индукторе;
ΔРэ.б. – электрические потери в источнике питания;
ΔРток – потери в токопроводе определяются;
Р2 – Активная мощность, передаваемая в загрузку ИТП.
Электрические потери в источнике питания: [7]
где ηпр – КПД преобразователя, ηпр = 0,91.
Активная мощность, потребляемая от сети
Общий КПД плавильной установки
где:
Рист – мощность, потребляемая от источника питания;
Рс – активная мощность, потребляемая от сети.
Удельный расход электроэнергии [8]
где q – теплосодержание, Дж/кг.;
Выводы
Тепловые потери через боковую поверхность тигля (, подину и крышку (
. Суммарные тепловые потери печи
С учетом реальных тепловых потерь характеристики установки: КПД ; мощность установки (
; производительность (m = 0,083 т/ч). При возрастании тепловых потерь с 1 кВт до 2,08 кВт, КПД установки упало с 0,91 до 0,82, а мощность установки выросла с 13,3 до 16,3 кВт. Это говорит о линейной зависимости КПД от тепловых потерь. При этом, производительность установки осталась прежней.
![](/sites/default/files/publ_rinc.png)