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

- 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;

T_окр = 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 ΔР_m= 1 кВт.

Таблица 2.

Характеристики установки (при тепловых потерях в 10% от полезной мощности печи ΔР_m= 1 кВт).

В таблице 3 приведены характеристики установки, с учетом реальных тепловых потерь ΔР_m= 2,08 кВт.

Таблица 3.

Характеристики установки, с учетом реальных тепловых потерь ΔР_m= 2,08 кВт.

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 ΔР_ток можно принять равным 5% от мощности источника Р_ист.

Мощность, потребляемая от источника питания

Р_ист = ΔР_э.и. + ΔР_э.б. + ΔР_ток + Р₂, Вт.

где:

ΔР_э.и – электрические потери в индукторе;

ΔР_э.б. – электрические потери в источнике питания;

ΔР_ток – потери в токопроводе определяются;

Р₂ – Активная мощность, передаваемая в загрузку ИТП.

Электрические потери в источнике питания: [7]

где η_пр – КПД преобразователя, η_пр = 0,91.

Активная мощность, потребляемая от сети

Общий КПД плавильной установки

где:

Р_ист – мощность, потребляемая от источника питания;

Р_с – 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.