Синтез минералов Том 1 - Хаджи В.Е.
Скачать (прямая ссылка):
В силу специфики затворных узлов аппарата гидротермального синтеза (съемные крышки, большое число технологических вводов) их теплоизоляцию целесообразно решать в виде съемных полых стаканообразных кожухов с теплоизоляционным заполнением и отверстиями для вводов. 274
Рис. 93. Диаграммы распределения плотностей тепловых потоков по наружной поверхности теплоизоляции промышленной установки крупногабаритного аппарата синтеза:
Схемы закрепления: а — нижняя без дополнительной теплоизоляции крепежных элементов и наружного нагревателя; 6 — нижняя с дополнительной теплоизоляцией крепежных элементов и наружного нагревателя; в — верхняя Для облегчения достижения осевого технологического термоперепада теплоизоляция верхней части сосуда должна иметь эффективное (приведенное) термосопротивление на 15—20 °/о больше, чем нижней. С целью регулирования этих термоперепадов иногда предусматривают специальные элементы в теплоизоляции с дистанционно управляемым теплоотводом через них.
Некоторые технологические процессы гидротермального выращивания предъявляют повышенные требования к термостабильности установки (максимальные колебания температуры в цикле не более 2—3 0C, а скорости термофлуктуаций не выше 0,5 °С/сут и даже меньше). Удовлетворить эти требования за счет одной теплоизоляции бывает чрезвычайно трудно, а зачастую и невозможно. Это связано с большой длительностью цикла, в течение которого происходят суточные и сезонные изменения температуры окружающей среды с неизбежным запаздыванием любых управляющих воздействий. Одним из способов преодоления этой трудности является размещение аппаратов в термостатированных камерах, в которых с помощью специальных нагревательных элементов и следящих систем поддерживается постоянная температура воздуха на уровне 100—200 °С. Этот метод сложен в реализации, требует значительных финансовых и материальных средств и может быть целесообразен только в тех случаях, когда речь идет о получении специальных дорогостоящих кристаллов с чрезвычайно высокой степенью однородности.
Естественно, что для обеспечения стабильности температурного режима наряду с совершенными теплоизоляционными и термоста-тирующими устройствами аппарат синтеза должен быть снабжен высококачественной системой стабилизации подаваемой в сосуд энергии и малоинерционными системами управления. Опыт эксплуатации показывает, что стабилизацию питания сосуда эффективней осуществлять непосредственно по подводимой мощности, а не по напряжению (так как в процессе длительного технологического цикла электросопротивления нагревательных элементов несколько меняются).
Хорошая теплоизоляция кроме вышеуказанных целей должна также обеспечивать по возможности более равномерное распределение температур по телу деталей несущего сосуда и между ними. В процессе цикла термоперепады между отдельными деталями и градиенты температурных полей в этих деталях могут быть весьма значительными. На рис. 81 показано характерное распределение температур в деталях крупногабаритного сосуда в рабочем цикле (сосуд имеет нижнюю нетеплоизолированную схему закрепления). Такая ситуация может приводить к возникновению термонапряжений, ощутимо меняющих картину напряженно-деформированного состояния деталей несущего сосуда. Так, численные расчеты на основе метода конечных элементов показывают, что максимальные эквивалентные напряжения могут увеличиваться за счет тер-мополя на 5—15 % и более. ¦
18* 275 Большие термоперепады между деталями затворного узла могут повлиять на его герметичность, и их необходимо учитывать при анализе его работы. Шпилечный затвор с двухконусным обтюратором слабо чувствителен к термовоздействиям, он надежно работает в условиях термоперепадов, показанных на рис. 82, и хорошо переносит резкие смены температурных режимов (например, при съемке или установке во время цикла затворной теплоизоляции). Пробковые затворы более чувствительны к температурам и плохо переносят перегрев.
Опыт эксплуатации аппаратов гидротермального выращивания кристаллов указывает на необходимость тщательного изучения различных вариантов теплоизоляции несущего сосуда и выбор оптимального на стадии проектирования, а также ее модернизации и совершенствования при внедрении и эксплуатации. Осуществить это на практике с помощью натурного экспериментирования, особенно для крупногабаритных промышленных установок, чрезвычайно сложно и связано со значительными трудовыми и финансовыми затратами. Например, чтобы получить экспериментальные данные (в объеме, достаточном для последующих численных расчетов) о распределении температур по поверхностям корпуса и затворных деталей на опытном сосуде емкостью 1,5 м3, потребовалось установить около 150 термодатчиков (с общей длиной коммуникационных линий 2000 м) и провести около 10 экспериментальных циклов. Естественно, что такой подход неприемлем, когда требуется получить оперативные данные о возможности влияния предполагаемой реконструкции теплотехнической оснастки сосуда на температурный режим в реакционной камере и энергопотребление аппарата. В этом случае наиболее целесообразным является создание для каждого типа промышленных аппаратов математической модели теплового баланса установки на основе использования современной вычислительной техники. Конечно, для указанных целей нет необходимости в разработке громоздких вычисли^ тельных схем, основанных на моделировании всего комплекса теплофизических процессов, происходящих в аппарате. Достаточно иметь сравнительно простую модель теплообмена с окру-л жающей средой установки, схематично разбитой на основные теплотехнические зоны. Как правило, целесообразно разбить моделируемую установку на следующие зоны: нижний и верхний затворные узлы, нижняя, верхняя и средняя части корпуса, зоны крепления сосуда. Можно использовать и более детализированные модели, однако увеличение числа зон свыше 20—25 нецелесообразно. Математической основой таких моделей является простое соотношение теплового баланса для каждой зоны при условии ее изотермичности:
