Публикации
Численный анализ процессов ИК-теплопереноса
ВВЕДЕНИЕ
Heraeus Noblelight - крупное бизнес-подразделение компании Heraeus (Ханау, Германия), которое занимает ведущие позиции среди лидеров на мировом технологическом рынке специальных ламп с длинной волн от ультрафиолетовых до инфракрасных для промышленных, научных и медицинских целей. Имея свои филиалы в Германии, Великобритании, Китае и США, подразделение выпускает лампы для аналитической измерительной техники и полиграфической промышленности, инфракрасные излучатели для промышленного обогрева работ, дуговые и импульсные лампы, устройства для дезинфекции воды и воздуха, а также для фотохимии с высоким уровнем вертикальной интеграции.
В целях удовлетворения растущих потребностей клиентов, Heraeus Noblelight Industrial Processing (HNG-IP) постоянно развивает системы не только стандартных, но и отдельных инфракрасных излучателей, на что не были способны предшественники и конкуренты. Производится и включается в производственные модули широкий спектр продуктов, включая круглые и двойные излучатели в линейной или особой 3D геометрии с зеркальными или рассеивающими отражателями. С точки зрения эффективности, волны различной длинны или инфракрасные (ИК) спектральные области - короткого или среднего диапазона - подходят для разных целей.
В проектировании современного турбинного оборудования для силовых установок, работающих на топливе, ядерной или возобновляемой энергии, встречается много трудностей.
Доктор Меш, наш скромный эксперт в сложном мире вычислений, представляет нам новые возможности и креативные методы...
Дорогостоящие лабораторные тестирования термических ИК процессов дополнили или даже заменили более выгодные и передовые вычислительные методамы. Цель состоит в том, чтобы исследовать распределение температуры в субстратах с разной структурой, проанализировать устойчивость и производительность компонентов и узлов с точки зрения их термических характеристик и их взаимодействия с окружающей средой. Более того, с помощью CAE можно точно спрогнозировать и визуализировать структуру потока жидкости в системах охладительных устройств, таких как, например, вентиляционные установки или вентиляторы, а также влияние перепадов температуры, давления или траектории потока. Основная задача состоит в том, чтобы достигнуть контролируемой умеренной температуры на поверхности пластины, поэтому так важно точно спрогнозировать объемы радиационного тепла, выделяемого ИК-лампами.
Рис.2. Микро-модель – геометрическая модель
В этой связи, используя методы численного моделирования CD-adapco™, мы разработали сложные трехмерные модели (микро-модели) ИК-ламп, точно представив часть лампы и ее полную геометрию, а также модели больших размеров (макро-модели) для промышленного применения, основанные на феноменологических предположениях.
МИКРОМОДЕЛИРОВАНИЕ, МИКРОФИЗИКА
Микромодель фокусируется на тепловых граничных условиях и анализирует всю физику лампы. Она основана на детальной геометрии и конфигурации излучателя HNG-IP. Регулярное или высокое напряжение коротковолновой ИК-лампы зависит от вольфрамовой нити в центре кварцевой колбы. Резистивный элемент - спиральная вольфрамовая катушка, работающая при температуре 1800-2500 °C и окруженная кварцевым стеклянным корпусом, обладающим оптическими и термическими свойствами. Хотя температура плавления вольфрама составляет более 3200 °C, он быстро окисляется и сгорает в атмосфере, содержащей кислород. Поэтому корпус должен быть прочным, чтобы исключить контакт вольфрамовой нити с кислородом. Такие лампы содержат вакуум, или чаще, инертную атмосферу азота или благородного газа, например неона или аргона. Стеклянный корпус лампы сделан из кварца, который в ИК-диапазоне обладает высокой проницаемостью. Таким образом большая часть излучения передается через стекло лампы. Тем не менее, некоторое излучение поглощается стеклом, которое в следствии нагревается до 700 °C. Благодаря высокой температурной стабильностьи кварца, его низкой теплопроводности, низкому коэффициенту теплового расширения и нечувствительности к термическим ударам, повышение температуры корпуса не является проблемой. Несмотря на то, что показатели теплового расширения вольфрама высоки, поддерживать идеальную устойчивость материала во время эксплуатации все же сложно. На практике проводник встраивается в стеклянный корпус лампы при помощи деталей из молибдена, как показано на Рис. 1.При температуре выше 350 °C молибден в воздухе соединяется с кислородом в оксид молибдена, который имеет больший объем, чем молибден. Это приводит к увеличению давления на концах лампы, в результате чего она трескается и впускает воздух, что недопустимо. Поэтому концы лампы нужно охладить до температуры ниже 350 °C..
МАКРО-МОДЕЛЬ - АФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯМОДЕЛЬ ДЛЯ СЛОЖНЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ
Для удовлетворения потребностей наших клиентов мы получили и проверили более простую модель излучателя (макро-модель), которая также содержит всю информацию о физических свойствах. Макро-модель фокусируется на взаимодействии между ИК-лампами и окружающей средой; она соответствует экспериментальным данным и состоит из меньшего числа ячеек для CFD подсчетов. Геометрия кварцевого стекла была сохранена, но вольфрамовая нить была заменена полым цилиндром. Так как нить представляет собой спираль из нескольких витков, расположенных близко друг к другу, ее замена на полый цилиндр в трех измерениях является допустимой. Однако в этом случае необходим больший объем вольфрама, чем при использовании спиралевидной нити, а при заданной мощности ее температура завышена. Для решения этой проблемы необходимы два условия: 1. Внешняя поверхность цилиндра должна быть равна поверхности спирали (по закону Стефана-Больцмана); 2. Цилиндр и провод должны иметь одинаковую массу.Из этих двух условий можно определить внешний и внутренний диаметр нити и ее геометрию. Фактическая расчетная область велика; периодические граничные условия не обязательны, но симметрия определяется при необходимости. Как и с предыдущей моделью в расчет берутся энергообмен и передача теплового серого излучения между ее компонентами. В целях контроля и проверки, моделируемые температурные значения нити и кварцевого стекла сравниваются с экспериментальными данными (Рис. 7-10).
В результате эти значения практически совпали. При измерениях температура стекла в нижней части лампы составила 620 °C (+/- 3%) при плотности энергии 96 Вт/см, а при моделировании 607 °C (+/- 3%). Другой важный для стабильности теплового процесса фактор - температура отражателя. ИК-излучатели с отражателями, покрытыми кварцевым слоем (QRC), часто интегрируются в вакуумные камеры для поддержки технологии быстрой термической обработки (RTP). При таких условиях температура окружающей среды обычно достигает 1000 °C, поэтому необходима устойчивость к повышениям температур всей ИК-системы, включая излучатель и отражатель. Измерение температуры кварцевого покрытия занимает очень много времени, поэтому моделирование - единственное рациональное решение. Такие сложные процессы можно проанализировать с помощью саморазвивающейся макромодели. Надежность модели подтверждает сравнение смоделированной температуры отражателя в верхней части корпуса - 590 °C (+/- 5%), и экспериментальной - 600 °C (+/- 5%). Последний важный параметр, который нужно было проверить, это температура нити, устанавливаемая окном прозрачности. Она зависит от плотности энергии и материала, из которого сделана нить. Для плотности 96 Вт/см температура составила 1837 °C (+/- 3%), что очень близко к экспериментальному показателю 1880 °C (+/- 5%). Такая погрешность при анализе допустима.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В статье были представлены различные типы ИК-обогревателей производства Heraeus Noblelight с описанием их характеристик и принципов работы. Особое внимание уделялось моделям собственной разработки для электрических ИК-обогревателей. Эти модели включают в себя перенос теплового серого излучения между компонентами обогревателя, а также проводимость материала отражателя и конвективное охлаждение поверхности. Основываясь только на данных электрической мощности, можно говорить о сходстве прогнозируемых и экспериментальных температур моделей в устойчивом состоянии. Проверенные модели используются как для исследования и усовершенствования излучателей (микро-модель), так и для масштабного моделирования промышленных процессов (макро-модель).
В последние годы все более важной становится способность не только производить тепло, но и делать это постоянно и в достаточном количестве, что необходимо для скорости и качества производства. Расходы на энергию зачастую составляют значительную часть производственных издержек. Более четкое представление о процессах передачи тепла уже давно стало важной областью инженерных исследований. Независимо от задействованных экономических стимулов, сохранение энергии стало еще одной экологической проблемой. С этой точки зрения численное моделирование (CAE) стало огромным преимуществом для HNG-IP, ключевым благоприятным фактором в виртуальном анализе и оптимизации особо конкурентоспособных усовершенствованных систем. Проверенные на практике CAE-методы стали хорошим инструментом для сокращения затрат и времени на разработку, повышения качества конечного продукта, большей гибкости процесса разработки и, наконец, стратегического внедрения инноваций.
Авторы статьи: Лариса фон Ривель, Heraeus Noblelight
Источник: журнал Dynamics, № 38 2015, стр. 61- 65.
COMPUTER-AIDED ENGINEERING (CAE)
ВМЕСТО МЕТОДА «ПРОБ И ОШИБОК»
В дополнение к традиционным методам «проб и ошибок», инструменты Computer-Aided Engineering (CAE), основанные на 3D-проектировании (Autodesk), методы отслеживания траектории луча (Zemax) и Computational Fluid Dynamics (CFD) (STAR-CCM+®) широко используются сейчас для лучшего понимания термических ИК-процессов, таких как очистка пластин, высушивание лака / краски или сварки пластмассы, а также для прогнозирования решений возможных технических проблем. Основная задача во всех сферах применения заключается в достижении контролируемой умеренной температуры на поверхности субстрата. В связи с этим очень важны знания о явлении радиационного тепла, излучаемого ИК-лампами и об их характеристиках при особых условиях окружающей среды.
Рис.1. Коротковолновая инфракрасная лампа
Рис.3. Микро-модель – сеткопостроение
Геометрия лампы автоматически извлекается из механического 3D проектирования CAD как файл STEP, представляющей очень небольшую часть лампы. Была создана полиэдрическая сетка с призматическими ячейками для точного определения граничных слоев и сеткопостроитель для молибденовых деталей (Рис. 3). К каждому компоненту нагревателя применимо сохранение энергии. В расчет также берется серое излучение теплопередачи между различными компонентами нагревателя и участками абсолютно черного тела. Модель идеального газа применяется к аргону в колбе и к воздуху вокруг. Термические свойства определяются как функции температур. Также учитывается зависимость длинны волн от оптических параметров (моделирование выполняется с использованием излучения «от поверхности к поверхности» и многополосной возможности). Учитывались и конвективное охлаждение отражателя, стекла лампы и защитного стекла, а также проводимость в непрозрачном отражателе. Поскольку модель представляет собой лишь небольшую часть лампы, что делает фактическую физическую среду не полной, были выставлены периодические граничные значения. Для проверки моделей теоретические значения сравнивались с экспериментальными данными.
Термографической камерой или термопарами была измерена температура кварцевого стекла и волокна. Поскольку в переходном состоянии изменения температуры волокна происходят быстро, получение результатов может занять много времени. Таким образом данные, полученные при проверке CFD в стабильном состоянии надежнее экспериментальных показателей. Показатели температуры волокна и кварцевого стекла в стационарном состоянии в STAR-CCM+ сравниваются с экспериментальными измерениями при той же плотности (Рис. 4). Например, измеренная температура волокна составляла T волокна-измерения = 1837 °C, а смоделированная T волокна-CFD = 1821 °C. Аналогичным образом была измерена и температура кварцевого стекла T кварцевого стекла-измерения = 625 °C, что очень близко к прогнозируемой температуре T кварцевого стекла-CFD = 643 °C. Разница между экспериментальными и вычисленными данными в каждом случае составляла не более 5%. Составленная модель позволяет точно оценить характеристики тепла, проходящего через стекло корпуса, и температуру различных элементов излучателя.
Основной недостаток микро-модели ИК-излучателей - большое количество ячеек в физической среде. Кроме того, численная структура обычно ограничена. С другой стороны, производственные технологии наших клиентов в области проектирования все больше развиваются, становятся сложнее, а, следовательно, растет потребность во встроенных излучателях. Компании постоянно находятся в поиске промышленных решений, где CAE широко используется в оптимизации процессов производства для прогнозирования производительности новых моделей еще до их выпуска.
Рис.4. Микро-модель – показатели температур на кварцевой трубе:измерения (наверху) и данные CFD
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Производитель стальных цилиндров искал наиболее выгодный способ покрытия своего продукта. Предыдущий метод, газовая сушильная печь длиной 30 метров, занимал слишком много места на производстве. Компания заменила ее на ИК-печь производства Heraeus Noblelight. Это уменьшило размеры печи примерно на 1/5. ИК-лампы располагаются по контуру и определяют форму цилиндра, делая возможным подвод тепла и сушку. Проектирование и оптимизацию такой системы можно провести с помощью CAE-инструментов.
(Источник: Heraeus Noblelight)
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Две специально разработанные ИК-системы обогрева производства Heraeus Noblelight помогают обеспечить отличную установку и долговечность кожаной обивки салона моделей четырех- и двухдверных автомобилей Bentley Continental. Размещение, тип ламп и плотность энергии можно оптимизировать с помощью CAE-инструментов.
(Источник: Heraeus Noblelight)
Рис.5. Макро-модель – геометрическая модель
Рис.6. Макро-модель – сеткопостроение
Рис.7. Температуры кварцевого стекла на макро-модели при плотности энергии 96 Вт/см
Проверенные на практике CAE-методы стали хорошим инструментом для сокращения затрат и времени на раз-работку, повышения качества конеч-ного продукта, большей гибкости процесса разработки и, наконец, стратегического внедрения инноваций.
ИТОГ
С программой STAR-CCM+ и инструментами механического проектирования мы разработали полные 3D-модели (микро-модели) ИК-ламп, а также модели большего размера (макро-модели), основанные на феноменологических предположениях для более сложных приложений. Макро-модель - это базовая модель для CFD-анализа инфракрасных модулей производства HNG-IP для промышленных процессов. Например, с численным анализом ИК-системы обогрева с девятью излучателями длинной 100 см и внешнего охлаждения можно спрогнозировать однородность температуры на поверхности. Для больших непроводящих непрерывных поверхностей (пластик) или для субстратов, содержащих металлопластик, краевые эффекты всегда являются проблемой. Кроме того, конвективное охлаждение нагревающейся поверхности может повлиять на общее регулирование теплообмена, делая необходимой оценку горячих и холодных точек на предварительной стадии для оптимизации производственного процесса.
Рис.8. Температура кварцевого стекла (синяя линия) и кварцевого покрытия (красная линия) относительно плотности энергии: измерения проводились на нижней части корпуса излучателя и отражателя соответственно
Рис.10. Показатели температур на поверхности нитей при плотности энергии 96 Вт/см
Рис.9. Температура кварцевого покрытия отражателя при плотности энергии 96 Вт/см
Рис.11. Показатели температуры и краевые эффекты на поверхности субстрата (теоретическое прогнозирование и измерения)
