Установка вакуумной сушки изоляции электрических машин

Введение

В настоящие время технологии вакуумной сушки широко распространены в различных отраслях деятельности. Вакуумная сушка — сложный процесс, заключающийся в обработке различных материалов с помощью удаления из них влаги, с использованием специализированного оборудования.

Процесс вакуумной сушки имеет следующие особенности:

1. Наличие специализированного оборудования.
2. Высокие показатели производительности труда.
3. Специальные требования к помещениям, в которых размещается оборудование.

Стоимость вакуумной сушки складывается из нескольких составляющих, одна из них — используемые материалы и оборудование. Другой важный аспект — время, за которое необходимо осуществить процесс сушки. Этот показатель и стал ключевым при конструировании вакуумной камеры.

Для выполнения вакуумной сушки электрической изоляции электрических машин была разработана специальная установка, позволяющая сократить время сушки более чем в 30 раз — с 4 дней до 2,5 ч [1].

Постановка задачи

Объектом исследования является установка вакуумной сушки (рис. 1), представляющая собой параллелепипед с габаритными размерами 3600×2500×5000 мм.

Рис. 1. Общий вид вакуумной камеры установки вакуумной сушки

Для проведения вакуумной сушки электрической изоляции была разработана коробчатая вакуумная камера с техническими характеристиками, приведенными в таблице 1.

При создании прямоугольных вакуумных камер основное требование предъявляется к упрочняющему каркасу — он должен быть более мощным, чем у цилиндрических камер, поэтому для уменьшения расчетной толщины плоской прямоугольной стенки ее укрепляют ребрами. Ребра могут быть параллельны большей или меньшей стороне стенки. Предпочтительнее укрепление поперечными ребрами, параллельными меньшей стороне. При укреплении плоской прямоугольной стенки ребрами в формулу для определения допускаемого давления (или допускаемой из условия прочности толщины) подставляют меньшее значение расстояния между осями укрепляющих ребер.

Характеристики вакуумной камеры представлены в таблице 2.

Технологическая схема установки вакуумной сушки показана на рис. 2. Ее основные элементы — вакуумная камера с расположенными в ней нагревательными элементами, откачной пост, состоящий из холодильной ловушки для удаления водяных паров, пластинчато-роторного газобалластного двухступенчатого насоса и насоса РУТС. Управление процессом откачки автоматизировано при помощи контроллера.

Рис. 2. Технологическая схема установки вакуумной сушки

Теория

Расчет стенки камеры сводился к расчету плоской прямоугольной стенки с закрепленными краями, нагруженной давлением. Стенки считают закрепленными по краям при наличии на них фланцев и укрепляющих ребер, а также при сопряжении стенок под углом.

Допустимое давление из условия прочности имеет вид:

[p]_p = [σ]×(s–c)²/0,25b²,

где b — ширина меньшей стороны прямо-угольной стенки; [σ] — допускаемое напряжение при расчетной температуре, Па; s — толщина стенки камеры, м; с — прибавка к расчетной толщине для компенсации коррозии, допуска на изготовление, м (принятая величина 1,3 мм).

Результаты экспериментов

Верификация результатов расчета толщины стенки камеры выполняется при помощи комбинирования расчетных блоков AnSYS Static Structural и AnSYS Steady-State Thermal. Результаты численного анализа приведены на рис. 3–6, также для определения оптимальной толщины теплоизоляции было проведено моделирование процесса лучистого нагрева основных элементов электрических машин в ходе сушки.

Рис. 3. Распределение запаса прочности вакуумной камеры

Рис. 4. Распределение давления вакуумной камеры

Рис. 5. Распределение напряжений вакуумной камеры

Рис. 6. Распределение температуры вакуумной камеры

Исходные данные для проведения прочностного расчета:

• наружное давление: 101 325 Па;
• внутреннее давление: 0,5 Па;
• температура нагретых деталей: +20 °C.

Исходные данные для проведения теплового анализа при максимальной температуре нагретых элементов, равной +160 °C:

• коэффициент теплоотдачи с внешней поверхности вакуумной камеры: 7 Вт/м²°C;
• степень черноты нагретых элементов: 0,92;
• степень черноты камеры: 0,1;
• температура окружающей среды: +22 °C.

Поскольку разработанная конструкция показала положительные значения при проведении прочностного анализа, она может быть использована для изготовления физической установки вакуумной сушки.

На рис. 7 показана фотография установки вакуумной сушки электрической изоляции электрических машин.

Рис. 7. Сушильная вакуумная камера:
справа) общий вид камеры снаружи;
слева) внутрикамерное оборудование (система инфракрасных нагревателей, жаропрочные кабели и подвижная платформа объекта сушки)

На рис. 8 представлены изображения измерения сопротивления до и после проведения сушки в вакуумной камере.

Рис. 8. Измерение сопротивления:
справа) до сушки в вакуумной камере;
слева) после сушки в вакуумной камере

Как видно из результатов, представленных на рис. 8, после сушки электрической изоляции в установке вакуумной сушки значения сопротивления оказываются в пределах нормы.

На рис. 9 показан график, описывающий процесс откачки. На графиках, изображенных на рис. 10, приведены экспериментальные кривые, описывающие процесс сушки изоляции.

Рис. 9. Кривая, описывающая процесс откачки при Т = +10 °C, Ратм = 750 мм рт.ст.

Рис. 10. Кривые, описывающие процесс сушки изоляции:
1 — пустая камера без нагрева (T = +22 °C, Ратм = 760 мм рт.ст.);
2 — в камере два двигателя по 7,7 кВт, массой 200 кг (Т = +11 °C, Ратм = 790 мм рт.ст.);
3 — в камере два ротора, массой 1200 кг (T = +15 °C, Ратм = 754 мм рт.ст.)

Из кривых, изображенных на рис. 10, видно, что примерно через 2,5 ч давление воздуха составляет 0 Па, что означает окончание процесса осушки изоляции.

Заключение

Разработанная установка вакуумной сушки изоляции позволяет сократить время сушки, что видно на основании графиков, приведенных на рис. 7. Проанализировав график, можно видеть, что во всех случаях время окончания сушки в вакуумной камере наступает после 2,5 ч работы установки — это более чем в 30 раз меньше, чем при использовании стандартных методов сушки, применяемых на предприятиях. В процессе создания установки была произведена верификация прочностного и теплового расчета установки вакуумной сушки изоляции с помощью расчетных блоков AnSYS Static Structural и AnSYS Steady-State Thermal и реализована в физическом виде. Из полученных результатов видно, что камера удовлетворяет заявленным требованиям и способна сократить время сушки с 96 до 2,5 ч.