Moduł wymiennika ciepła

Urządzenie do badania zużycia erozyjnego umożliwia realizację testów w temperaturze pokojowej oraz w warunkach wysokotemperaturowych do 600°C, przy maksymalnej prędkości strugi mieszaniny ściernej wypływającej z dyszy 130 m/s.

Przed przystąpieniem do zaprojektowania modułu nagrzewania powietrza opracowano

252 W. Mizak, A. Mazurkiewicz, J. Smolik, A. Zbrowski: System dozowania materiału ściernego zwłaszcza w urządzeniu do badania zużycia erozyjnego. Zgłoszenie patentowe EP14172591.1.

a)

krzywka kryza dozująca pas transportera

siłownik pneumatyczny

b)

175

schemat blokowy (rys. 69). Założono, że moduł zapewni elastyczne sterowanie temperaturą oraz prędkością strugi powietrza w szerokim zakresie. W opracowanym rozwiązaniu powietrze wykorzystywane jako nośnik materiału ściernego ogrzewane jest w dwóch wymiennikach ciepła odpowiednio dla niskich i wysokich wartości natężenia przepływu.

Rys. 69. Schemat blokowy modułu nagrzewania powietrza Źródło: opracowanie własne

W celu zaprojektowania modułu nagrzewania powietrza umożliwiającego realizację testów według przyjętych założeń przeprowadzono symulacje numeryczne obejmujące obliczenia przepływu gazu oraz wymiany ciepła w wymienniku. Obliczenia modelowe zostały przeprowadzone w Instytucie Inżynierii Cieplnej i Ochrony Powietrza na Politechnice Krakowskiej²⁵³. Symulacje umożliwiły wytypowanie materiału na przewody powietrzne, w których nagrzewany jest przepływający gaz. Na podstawie otrzymanych wyników wyznaczono średnicę, grubość ścianki oraz długość przewodów, z których wykonane są wężownice. Zastosowano rurki z inconelu 625 w wymienniku I o wymiarach 4,78x0,7 mm oraz 10x1 mm w wymienniku II. Inconel charakteryzuje się dobrą przewodnością cieplną, przy jednoczesnej odporności na wysoką temperaturę. Uwzględniając charakterystyki wytypowanych przewodów powietrznych, obliczono moc grzałek niezbędną do ogrzania strugi powietrza przy wylocie z dyszy do temperatury 600°C. Ze wzrostem prędkości strugi powietrza zwiększa się zapotrzebowanie na energię cieplną. Ponieważ długość oraz średnica

253 M. Prymon, J. Wrona, M. Rokosz: Opracowanie koncepcji wymiennika ciepła oraz wykonanie obliczeń.

Politechnika Krakowska, Instytut Inżynierii Cieplnej i Ochrony Powietrza, Kraków 2011.

Moduł nagrzewania powietrza

176

przewodu powietrznego w wymiennikach jest stała, powierzchnia wymiany ciepła nie zmienia się, dlatego konieczne jest podnoszenie temperatury powierzchni grzejnej.

Wyznaczono maksymalną wartość temperatury przewodu powietrznego oraz grzałek (rys. 70), która wpłynęła na wybór konstrukcji oraz ilość elementów grzejnych. Istotnym parametrem przy wyborze elementów grzejnych i sposobu nagrzewania gazu w przewodach powietrznych była maksymalna temperatura pracy grzałek.

Rys. 70. Pola temperatur: a) na powierzchni przewodu powietrznego, b) na powierzchni grzałek Źródło: [149].

Grzałki patronowe mogą pracować w temperaturze do 850°C, dlatego w wymiennikach na elementy grzejne zastosowano promienniki ciepła, których maksymalna temperatura pracy zalecana przez producenta wynosi 1300°C. W celu ograniczenia nadmiernej eksploatacji grzałek, uwzględniając bezwładność układu podczas nagrzewania, w systemie sterowania wprowadzono zabezpieczenia, ustalając maksymalną temperaturę grzałek na 1100°C. Po przekroczeniu granicznej temperatury system automatycznie wyłącza grzałki. Dodatkowo wymiennik II w celu kontroli temperatury grzałek wyposażono w czujnik, który zabezpiecza zespół grzejny wymiennika przed uszkodzeniem.

Budowa wymienników jest identyczna, jedyne różnice wynikają z ilości i długości zastosowanych grzałek oraz średnicy, grubości i długości rur wykorzystanych na wężownice (rys. 71). W zaprojektowanych wymiennikach mechanizm wymiany ciepła dokonuje się poprzez promieniowanie, dlatego wewnętrzne powierzchnie obudowy wymiennika pokryto ekranami odbijającymi energię cieplną. Wymiennik zaprojektowano w kształcie cylindra, którego głównym elementem nośnym jest trzpień pokryty ekranem wewnętrznym.

W celu ograniczenia strat energii oraz nagrzewania konstrukcji podtrzymującej wymienniki, trzpień wypełniono materiałem izolacyjnym. W dwóch tarczach osadzono symetrycznie

a) b)

177

wokół osi wymiennika zestaw grzałek oraz przewód gazowy w kształcie spirali. Wężownica otoczona jest ekranem zewnętrznym oraz obudową pokrytą 100 mm warstwą izolacji i zabezpieczoną płaszczem wykonanym ze stali nierdzewnej. Moduł nagrzewania powietrza podwieszony jest do ramy nośnej urządzenia za pomocą wsporników.

Rys. 71. Model wirtualny wymienników ciepła: a) widok ogólny, b) przekrój wymiennika Źródło: opracowanie własne.

Wymiennik I wykorzystywany jest do badań normatywnych w temperaturze pokojowej, przy maksymalnej prędkości strugi 130 m/s. Moduł wyposażono w zespół trzech grzałek umożliwiających nagrzanie strugi powietrza do maksymalnej temperatury 100°C.

Funkcja nagrzewania wykorzystywana jest podczas przygotowywania urządzenia do testów erozyjnych w celu usunięcia wilgoci i zachowania stabilnych warunków temperaturowych w instalacji. Wymiennik II stosowany jest natomiast do badań wysokotemperaturowych do 600°C, dlatego też zwiększono powierzchnię wymiany ciepła poprzez zastosowanie zestawu dziewięciu grzałek. Maksymalna prędkość strugi, jaką można uzyskać w wymienniku II, wynosi 170 m/s. Zespół wymienników ciepła zainstalowanych na urządzeniu do badania zużycia erozyjnego zaprezentowano na rysunku 72.

Zaprojektowanie pojedynczego wymiennika, który umożliwiłby realizację badań normatywnych przy prędkości strugi erozyjnej 30 m/s oraz testów nienormatywnych w szerokim zakresie powyżej 130 m/s, okazało się niemożliwe. Zastosowana średnica przewodów powietrznych w wymienniku I dawała możliwość przeprowadzania testów w zakresie prędkości 25÷130 m/s, natomiast w wymienniku II w zakresie 40÷170 m/s.

Przy zastosowaniu przewodów powietrznych o średnicy 4,78 mm oraz maksymalnym

wymiennik I przewód

178

skróceniu drogi przepływu powietrza z wymienników do dyszy, nie można było uzyskać przy wylocie z dyszy temperatury 600°C. Pomimo użytej izolacji występowały duże straty ciepła.

Zastosowanie dwóch wymienników zapewniło możliwość realizacji testów normatywnych oraz badań wysokotemperaturowych w zakresie prędkości 25÷170 m/s.

Rys. 72. Zespół wymienników ciepła Źródło: opracowanie własne.

Wprowadzenie dwóch niezależnych modułów grzewczych umożliwia realizację badań wysokotemperaturowych w trzech wariantach. W pierwszym nagrzewana jest tylko próbka, natomiast struga powietrza i ścierniwa pozostają chłodne. W drugiej wersji struga mieszaniny zostaje podgrzana, podczas gdy próbka jest chłodna. W trzecim wariancie zarówno próbka, jak też mieszanina powietrza i materiału ściernego są nagrzewane. Zaproponowane warianty badań wysokotemperaturowych stanowią istotną zaletę urządzenia do symulacji procesu zużywania erozyjnego.