Влияние внешней среды на эффективность электротермических установок Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.365.5

Е.В. Колесников

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Рассмотрено влияние ценообразования и измерений на стадиях научных исследований, проектирования и эксплуатации

электротермических установок на его эффективность.

E.V. Kolesnikov ENVIRONMENT INFLUENCE ON ELECTROTHERMAL INSTALLATIONS EFFICIENCY

Influence of pricing and measurements at stages of scientific researches, designing and operation of the electrothermal installations on his efficiency is considered in this article.

При проектировании и эксплуатации электротермических установок (ЭТУ) имеют место процедуры, выполнение которых само по себе не может обеспечить эффективность ЭТУ, но которые, безусловно, способствуют достижению максимальной эффективности этих установок. Будем называть эти процедуры внешней средой. Речь идет об измерениях в электротермии и ценообразовании.

Измерения в электротермии. Как показал опыт исследования, проектирования, изготовления и эксплуатации ЭТУ, роль измерений на стадиях экспериментальной проверки методов расчета элементов ЭТУ, обеспечения проектировщика информацией о параметрах обрабатываемых объектов, изготовления и эксплуатации ЭТУ весьма велика. Так, без знания электрических, магнитных и теплофизических параметров объекта нельзя решить задачи синтеза рабочей камеры установки диэлектрического нагрева (УДН), индуктора индукционной установки, провести математическое моделирование реализуемых в них технологических процессов. Без проведения разнообразных измерений на стадии изготовления нельзя получить установку с гарантированными рабочими параметрами, а без инструментального контроля технологического процесса нельзя обеспечить работу ЭТУ без ущерба (невосполнимого брака).

Классификация измерений в электротермии дает возможность подойти к этим измерениям с позиций системного подхода [1-3]. Традиционный вариант технической классификации с добавлением к нему измерений параметров объекта предусматривает классификацию измерений по измеряемой величине: измерение тока, напряжения, мощности, частоты, электрических и тепловых свойств материалов, параметров, характеризующих физико-механические, физико-химические и технологические свойства объекта. При этом не учитывается, что на разных стадиях создания и эксплуатации ЭТУ приходится проводить разные измерения.

На наш взгляд, более общую классификацию можно предложить, если вести речь об измерениях на этапах научных исследований, разработки, изготовления и наладки, эксплуатации ЭТУ. Для СВЧ УДН такая классификация приведена на рис. 1, где

ДСьСъСзД ЦСьСг&Д р(СьСг,С3,0 - температура, влагосодержание и давление в объеме объекта как функции координат £ьСг,С3 и времени t; E - напряженность электрического поля в объеме объекта; Ксти - коэффициент стоячей волны по напряжению рабочей камеры; а - коэффициент затухания электромагнитной волны в линии передачи, частично заполненной обрабатываемым объектом; в'(Т,Ц); tg 5(Т,Ц) - относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь объекта; к„ -коэффициент теплоотдачи испарением; иб - время обработки объекта в рабочей камере; кп, к12,...,к33 - тепломассообменные параметры, входящие в уравнения тепломассопереноса; Рпогл - СВЧ мощность, поглощаемая объектом; т - масса объекта; I, Ц, Р, /- ток, напряжение на электродах, мощность и частота магнетрона; нагрузочные характеристики - Р(Кт;п), ДКт;п); п - КПД магнетрона; и - скорость транспортировки объекта в рабочей камере; Ксти тах - максимально допустимый Ксти, при котором гарантирована нормальная работа магнетрона; с, р, X - удельная теплоемкость, плотность и коэффициент теплопроводности объекта; Ут\п - минимально допустимый объем загружаемого в рабочую камеру объекта; Ризл - величина излучаемой СВЧ УДН мощности в окружающее пространство; Т - температура окружающей УДН среды; Q - добротность камеры со стоячей волной СВЧ УДН.

Измерения в СВЧ диэлектрическом нагреве

научные исследования

и(№,Сэ,0, Р(Сі,№,0, Ь Ксти(0, а, е'(Т,Ц)\ Ід 5(Т,Ц), Е, РПогл, кіі, *12,...,*я, ли, т, физико-механические, физико-химические и технологические свойства обрабатываемого объекта

разработка установки

Kcmu, T, U, p, T0, c, p, ^, Є , 1д ^ hu, ^ Q, ^тіт к11, к12,■■■,кЭЭ, и, Ризм, I, и, Рп, Т, нагрузочные характеристики, срок службы, п, Ксти тах, физико-механические, физико-химические, технологические свойства объекта

изготовление и наладка

Ксти; Т, и, Р, То, I, и, Р, Т, Утт, Ризм; механические и электрические параметры и характеристики деталей и элементов конструкций, технологические характеристики процесса и объекта

эксплуатация

Минимум параметров (Ризл, I, и, Р)

Рис. 1. Классификация измерений в СВЧ диэлектрическом нагреве

Измерения в электротермии имеют свои особенности. Применительно к СВЧ УДН их отличают:

- разнообразие (измерения электрических, тепловых параметров, в том числе с учетом тепломассопереноса, связанных с определением эксплуатационных свойств объекта, а также измерение параметров СВЧ УДН);

- короткое время измерений (в высокоинтенсивных процессах);

- непригодность в ряде случаев обычных измерительных средств (например, в СВЧ УДН термометров, термопар, термосопротивлений из-за их влияния на электромагнитное поле в зоне измерения);

- отсутствие аналогов в смежных областях (в технике СВЧ Ксти не зависит от времени, а в СВЧ ЭТУ из-за в ' [Т(0]; tg 5[Т/)] в процессе термообработки Ксти(0);

- важное значение измерений зависимостей электрофизических, теплофизических и других параметров объекта (от температуры, влагосодержания и иных изменяющихся в процессе термообработки параметров объекта);

- меньшая точность некоторых изменений (например, при измерении электрофизических параметров как функции температуры);

- роль измерений на разных стадиях создания и применения ЭТУ в обеспечении максимальной эффективности ЭТУ различна.

На стадии научных исследований наиболее часто приходится измерять Т, Ц, в', tg 5, с, X, Ии.

Для измерения Т используют приспособления, дающие доступ к объекту немедленно после выключения СВЧ генератора (быстрооткрываемые отверстия, через которые отпускают термопары, разъемная камера, позволяющая немедленно извлечь объект). Используется измерение Т радиационным методом [2], однако дело здесь осложняется небольшим превышением температуры объекта над температурой окружающей среды.

Измерение влагосодержания объекта наиболее точно проводят взвешиванием. Этот метод обычно используется и для градуировки других средств измерения влагосодержания бесконтактным методом [3].

Измерения в ' и tg 5 необходимо проводить на той частоте, на которой должна работать ЭТУ, а поскольку эта частота в конечном счете определяется в результате технико-экономических оптимизационных расчетов, надо знать зависимости в ' и tg 5 от частоты, а это очень осложняет ситуации в ВЧ и СВЧ диапазонах, так как в этих диапазонах нужно иметь совершенно разную измерительную технику.

Для получения высокой точности измерений в ' и tg 5 надо обеспечить однородность образца объекта, постоянство его характеристик в процессе измерения, изготовление образца заданной формы с высокой точностью. Как правило, в отношении объекта, предлагаемого к термообработке в электромагнитном поле, удовлетворить этим требованиям невозможно. Однако при проектировании СВЧ УДН для достижения КПД по использованию СВЧ энергии в 99% достаточно знать в ' с точностью ±(8...10)%, а tg 5 с точностью ±5%. Куда существеннее для достижения максимальной эффективности СВЧ УДН знать зависимость в ' и tg 5 от температуры и влагосодержания, и здесь хорошо себя зарекомендовал метод волноводного моста [4].

Измерения теплообменных параметров - наиболее сложные в диэлектрическом нагреве. Так, тепломассобменные параметры к11, к12,...,к33 в задачах о ВЧ и СВЧ сушке пока практически не измеряются, и если коэффициент теплоотдачи конвекций кк хорошо изучен, то об экспериментальном определении Ии сведений крайне мало [2]. Ии может

быть определен экспериментально на установке, представляющей собой по сути дела СВЧ сушилку. Измерив приходящую от генератора и отраженную от сушилки СВЧ мощность, прошедшую в балластную нагрузку, зная с, р находят Ии из уравнения теплового баланса (мягкий и жесткий режимы сушки).

Измерения на стадии научных исследований требуют значительных затрат и, способствуя созданию эффективной ЭТУ, увеличивают стоимость установки, в этом смысле снижают ее экономическую эффективность. По этой причине заказчик предпочитает иметь дело с фирмой, способной провести проектирование установки без дополнительных научных исследований.

Измерения на стадии разработки УДН проводятся в том или ином объеме в зависимости от того, какой стратегии придерживается разработчик. Их больше, если планируется создать новый тип установки, методы расчета которого еще не разработаны, или технологический процесс осуществляется впервые. В этом случае увеличиваются затраты на разработку, отчего экономическая эффективность ЭТУ уменьшается. То же самое имеет место тогда, когда разработчик не в полной мере владеет методами расчета таких установок и прибегает к экспериментальной отработке элементов ЭТУ.

Их существенно меньше, если разработка ведется на базе совместного решения задач технико-экономической оптимизации и синтеза установки. В этом случае разработчику нередко не хватает сведений об электрофизических и теплофизических параметрах объекта.

Измерения є ' и 5 на стадии разработки желательно проводить оперативно и без применения дорогостоящего специального оборудования. На частоте 2450 МГц это можно сделать с помощью широко распространенных СВЧ (микроволновых) печей методом сравнения с мерой [2]. Таким же образом можно измерить удельную теплоемкость с, а измерение коэффициента теплопроводности в задачах СВЧ нагрева проводят методом стационарного теплового потока.

Кроме традиционных измерений геометрических размеров деталей, на стадии изготовления и наладки проводят измерения параметров всех узлов установки на их соответствие заданию, так что затраты на измерения должны быть учтены в стоимостных характеристиках установки.

Обычно измеряют ток и напряжение анода и накала катода магнетрона, а также ток электромагнита, если он имеется. Все эти измерения проводятся традиционными методами и средствами.

Частоту магнетрона на этой стадии не контролируют, так как магнетрон - покупное изделие, и не было случая, чтобы частота генерируемого им колебания отличалась от указанной в паспорте прибора. А вот мощность СВЧ измеряют всегда, контролируя работоспособность источника энергии. К тому же соответствие реально генерируемой СВЧ мощности, заложенной в проект установки, гарантирует получение продукции заданного качества.

Для измерения Р обычно используются измерения поглощаемой мощности калориметрическим ваттметром (ваттметры большой мощности) или, если их нет, измеряют падающую на согласованную калориметрическую нагрузку мощность с помощью направленного ответвителя.

На стадии эксплуатации проводятся лишь те измерения, которые предусмотрены техническими условиями эксплуатации установки. Для удешевления установки, то есть повышения ее экономической эффективности, проектировщику необходимо включать в состав установки минимум измерительных приборов, контролирующих допустимый минимум параметров. Разумеется, проводят контроль готовой продукции и ремонт вышедшего из строя оборудования. В СВЧ УДН, например, приходится использовать резерв с последующим ремонтом СВЧ генератора и его источника питания, а следовательно проводить измерения и, в первую очередь, мощности магнетрона.

Все эти измерения влияют на эффективность установки и проводятся описанными выше способами.

Цены на УДН, единицу выпускаемой продукции, тарифы на электроэнергию и холодную воду входят в выражение интегрального эффекта [5] в явном виде и решающим образом влияют на эффективность ЭТУ и их привлекательность для заказчика.

Нужно иметь в виду, что решение задачи технико-экономической оптимизации ЭТУ требует знания цен установки (самого дорогого ее элемента - источника энергии), электродвигателей транспортной системы и системы удаления паров как функции мощности СВЧ генератора.

В технико-экономических оптимизационных расчетах цены, входящие в выражение для интегрального эффекта ЭУ, следует представлять в виде

Ц = аР2 + ЪР + с . (1)

Экономическая эффективность тем меньше, чем больше цена установки (проекта), то есть чем больше банковский кредит, который приходится брать для реализации

проекта.

Цм, тыс. руб.

Цм, тыс. руб.

Р, кВт

Р, кВт

Р, кВт

Р, кВт

Р, кВт

Р, кВт

г д е

Рис. 2. Цены элементной базы: а - цены магнетронов (1, 3 - декабрь 2002 г., 2 - июль 2001

г.);

б - цены источника питания СВЧ генератора (1 - июль 2001 г., 2 - 1990 г.); в - цены электродвигателей (1 - 2001 г., 2 - 1990 г.); г - цены рабочих камер; д - цены линий передачи; е - цены транспортных систем [5]

На стадии обоснования целесообразности проекта желательно знать величину капиталовложений К, при которой установка будет приносить прибыль (будет экономически эффективной).

Если установка выпускает один вид продукции, кредит берется краткосрочный (на один год) в начале реализации проекта, нет демонтажа установки через год, то интегральный эффект на интервале в год имеет вид

б

а

в

Э,=

П

Ц -

- С - С - С

ф У

(1 -Ун ) ( -Уу )-Сни - Сбр - К ( + ка + О

(2)

где П, Ц, Цсж - годовая производительность установки, цены выпускаемого изделия и сырья для его производства; Сэ, Сз„, Сзч - затраты на электроэнергию и охлаждающую магнетроны воду, на заработную плату и запасные части; ун, уу - коэффициенты, учитывающие системы налогов и выплаты дивидендов; Сни, Сбр - затраты на научные исследования и неизбежный брак; К - капиталовложения в проект; ка - коэффициент амортизационных отчислений; 1кр - банковский процент по кредитам.

Пусть

Сэ = 0ЭТЭ + дхвТхв ; Сзч = КзчК , (3)

где Qэ, Qхв - расходы в год электроэнергии и холодной воды; Тэ, Тхв - тарифы на электроэнергию и холодную воду; кзч - коэффициент, учитывающий долю К, приходящуюся на запасные части (резервирование), тогда из (2) с учетом (3) соотношение для расчета максимальной величины капиталовложений, при которой в первый год прибыли будет достаточно, чтобы оплатить налоги, вернуть с процентом кредит и выплатить дивиденды, имеет вид

К_ =

П

Ц -

Цс

л

Э.

- &Тэ - ^вТхв - Сз.

ф У

(1 -У н )(1 -У.у)-Сни - С,

бр

1 + Ка + ¡к* + Кзч (1 -У н )(1 -Уу )

(4)

Если цена на сырье и тарифы на электроэнергию вырастут, то для выполнения своей инвестиционной политики инвестор должен будет увеличить цену выпускаемой ЭТУ продукции. Проект будет тем более экономически эффективен, чем лучше выполняется условие К<Ктах.

В последнее десятилетие из-за роста тарифов спрос на промышленные СВЧ УДН неуклонно падал, и положение в этой области электротермии сейчас можно считать критическим. Таким образом, ценообразование в электротермии превратилось в серьезную проблему.

Ее решение можно искать на базе коммерческого расчета [6], направленного на соизмерение затрат и результатов, обеспечивающее прибыльность производства. Политика ценообразования должна быть ориентирована на приспособление уровня цен к условиям рынка. Первостепенное значение приобретают снижение затрат за счет совершенствования технологии производства, внедрение новой продукции, отличающейся новыми потребительскими свойствами и повышенным качеством, совершенствование форм хозяйственных связей со смежниками, повышение производительности труда и т.п.

Коммерческий расчет как метод хозяйствования в условиях рыночной экономики реализуется в условиях монополизации в сфере производства. В этих условиях фирмы-изготовители ЭТУ для получения устойчивой прибыли должны координировать свою деятельность, стремясь обеспечить приемлемый для потенциальных заказчиков уровень цен (схема специализированных картелей, организация совместной предпринимательской деятельности, возрождение ОКБ, лизинговые сделки).

Выводы

1. Рассмотрено влияние внешней среды (измерений и ценообразования) на обеспечение экономической эффективности электротермического оборудования.

2. Приведена техническая классификация измерений в СВЧ диэлектрическом нагреве. Исследованы особенности этих измерений на разных стадиях проектирования и эксплуатации СВЧ электротермических установок.

3. Предложен способ расчета на стадии обоснования целесообразности применения СВЧ электротермической установки величины капиталовложений, при которых установка будет экономически эффективной.

ЛИТЕРАТУРА

1. Архангельский Ю.С. К вопросу о классификации измерений в СВЧ электротехнологии / Ю.С. Архангельский, С.Г. Калганова, В. А. Воронкин // Электротехнология на рубеже веков: сб. науч. статей по материалам конференции. Саратов: СГТУ, 2001. С. 23-25.

2. Архангельский Ю.С. СВЧ электротермия / Ю.С. Архангельский. Саратов: СГТУ, 1998. 408 с.

3. Девяткин И.И. Определение влажности зерна по затуханию СВЧ мощности / И.И. Девяткин, В.Ф. Рулев // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1990. Вып. 3. С. 114-125.

4. Серебряков В.Н. Определение диэлектрических характеристик материалов с учетом изменения их температуры и влажности / В.Н. Серебряков, Е.В. Колесников // Линии передачи. Функциональные электродинамические системы и элементы. Саратов: СПИ, 1989. С. 82-85.

5. Архангельский Ю. С. Элементная база СВЧ электротермического оборудования / Ю.С. Архангельский, В. А. Воронкин. Саратов: СГТУ, 2001. 213 с.

6. Герчакова И.Н. Менеджмент / И.Н. Герчакова. М.: Банки и биржи, ЮНИТИ, 1995. 480 с.

Колесников Евгений Владимирович -

заместитель начальника «Ростехнадзора»,

доцент кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Саратовского государственного технического университета