管式真空提纯炉的结构设计及节能研究

【摘要】：近年来，由于能源短缺和环境污染的影响愈加明显，节能减排不论在国内还是国外，政府都额外的予以重视。管式真空提纯炉作为一种先进的实验设备，它在金属，纳米材料，多晶硅等的提纯中都有广泛的运用。但是，管式真空提纯炉也是一种高耗能的设备。它在工作中，将电能转化为热能来进行相关材料的加热，进行相关的操作。 本文依据工业电阻炉设计手册，真空电阻炉的设计等理论及相关的标准，对管式真空提纯炉进行了功率的确定，电热元件的计算，炉膛尺寸的确定，炉衬材料包括耐火材料和保温材料的选取，以及炉塞和料盘的设计等。又根据管式真空炉的工况要求和真空系统的设计原理，对管式真空炉的真空系统和温度控制系统进行了相应的计算和设计。然后，我们利用有限元法，结合管式真空提纯炉自身的特点，利用ANSYS软件，对管式真空提纯炉的炉衬材料进行了热分析，得出了在稳定工作条件下的温度场分布及其特点，分为两层，靠近电热元件的一层温度较高，传热方式主要以辐射为主；靠近炉壳的这层，传热方式主要是以热传导为主。同时，我们还根据热力学第一定律，对管式真空提纯炉整个系统建立了能量利用过程的物理及数学模型，进行了热平衡分析，分析了整个装置工作中能量的利用状况。 再根据前文中ANSYS热分析和热平衡分析的结果，结合传热学、热力学等学科的相关原理和知识，和工业上的节能技术和手段，对管式真空提纯炉能量损耗严重的部分，提出了几条能提高管式真空提纯炉的能量利用效率的技术手段；并通过相关的理论知识进行讨论分析，提纯管式真空提纯炉可以在工业生产上得以利用的节能改造方案。 【关键词】：多晶硅 冶金法提纯 结构设计 能量计算 节能方案
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ054.4
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 管式真空炉的概述10-12
• 1.2 多晶硅提纯的研究现状12-13
• 1.3 管式真空炉国内外现阶段研究现状13-15
• 1.4 真空提纯炉的分类和比较15-16
• 1.4.1 外热式真空电阻炉15-16
• 1.4.2 内热式真空电阻炉16
• 1.5 本课题的目的和意义16-18
• 1.5.1 本课题研究的目的16
• 1.5.2 本课题研究的意义16-18
• 2 管式真空炉的结构设计18-38
• 2.1 管式真空炉的基本要求18-19
• 2.2 炉膛材料的选择19
• 2.3 料盘和滑块19-20
• 2.4 功率的确定20-21
• 2.5 电热元件的选择21-25
• 2.6 炉衬结构25-26
• 2.7 炉壳厚度26-27
• 2.8 炉塞的设计27-28
• 2.9 温控系统28-32
• 2.9.1 热电偶29-31
• 2.9.2 PID 温度控制31-32
• 2.10 真空系统的构成32-38
• 2.10.1 管式真空炉的真空系统介绍32-33
• 2.10.2 真空系统的主要参数33-35
• 2.10.3 真空系统的设计计算35-36
• 2.10.4 真空密封36-38
• 3 管式真空炉的数值模拟38-48
• 3.1 ANSYS 简介38
• 3.2 热分析模块38-40
• 3.2.1 ANSYS 热分析的分类38-39
• 3.2.2 热量传递的三种方式39-40
• 3.2.3 ANSYS 的边界条件和初始条件40
• 3.2.4 ANSYS 热分析的步骤40
• 3.3 基于 ANSYS 的炉衬材料温度场分析40-45
• 3.3.1 沿长度方向的模拟41-43
• 3.3.2 截面方向的模拟43-45
• 3.4 对结构的改造的分析45-48
• 4 热平衡分析48-56
• 4.1 理论基础48-49
• 4.2 建立的热平衡模型49-50
• 4.3 热平衡计算50-52
• 4.4 分析节能潜力及其分布52-53
• 4.5 提出优化方案53-56
• 5 总结56-58
• 5.1 全文小结56
• 5.2 展望56-58
• 致谢58-60
• 参考文献60-62
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及获得的发明专利62-64
• 附录 A：ANSYS 热分析的命令流文件 I64-66
• 附录 B：ANSYS 热分析的命令流文件 II66-72

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