Прайсы, техническая информация, сертификат - для скачивания
www.yandex.ru
197022, г. Санкт-Петербург,
ул. Профессора Попова, д. 38
Т/ф (812) 329-89-52, 318-34-32
 

 

Главная/Список статей/Подогреватели углекислого газа для дуговой полуавтоматической сварки

 

Авторы: Э.И.Деникин, доц. канд. техн. наук,
Ю.Д.Нетеса, инженер,
А.Д.Нетеса, инженер
(ООО Научно-Производственное Предприятие "Вибро-резонансные технологии")

Проведен анализ технических характеристик подогревателей углекислого газа для систем газообеспечения полуавтоматов электродуговой сварки плавящимся электродом в среде защитных газов. Описаны разработанные способы повышения эффективности теплообмена в подогревателях и их реализация в конкретных изделиях. Новые способы, примененные в разработанных подогревателях, позволяют снять проблемы, оказывающие негативное влияние на качество сварного шва при переохлаждении углекислого газа, поступающего в сварочный полуавтомат.

Ключевые слова: сварочный полуавтомат, углекислый газ, теплообмен, подогреватель, регулятор расхода, регулировка температуры, расход газа, вязкий подслой.

В начале 2000 г. многих сварщиков не удовлетворяла надежность и качество производимых в РФ подогревателей, имеющих конструкцию накладную на корпус регулятора. При этом изготавливались самодельные конструкции, зачастую громоздкие и с многочисленными нарушениями техники безопасности. К началу 2000 г. научно-производственным предприятием "ВРТ" был разработан и запущен в производство подогреватель углекислого газа ПУ3-70-50. В процессе внедрения своей продукции предприятию пришлось объяснять эффективность применения подогревателей и доказывать, что этот подогреватель способен качественно и надежно обеспечить работу регуляторов расхода углекислого газа. Менеджеры посещали предприятия и предлагали руководителям сварочных производств брать подогреватели в опытную эксплуатацию. После этого постепенно начал расти интерес к новым подогревателям.

Наиболее распространенным способом сварки в промышленности является полуавтоматическая сварка плавящимся электродом в среде защитных газов. На качество шва при полуавтоматической сварке плавящимся электродом в среде углекислого газа, кроме квалификации и психологического состояния сварщика, оказывает влияние множество технологических факторов:

  • состояние и тип свариваемого металла;
  • качество сварочной проволоки (состав, наличие омеднения и др.);
  • качественные характеристики источника сварочного тока и его системы управления;
  • нестабильность скорости подачи проволоки;
  • нестабильность подачи углекислого газа, большие скачки его температуры, снижение его температуры до отрицательных значений.

 

Во время сварочных работ в системе подачи защитного углекислого газа могут возникать следующие проблемы:

    1. При перемерзании регулятора возникают пульсации скорости истечения газа из сопла, что приводит к нарушению защитной газовой завесы и ухудшению качества шва [1];

    2. При перемерзании регулятора расхода в паузах сварки часто происходит сброс газа через его предохранительный клапан из-за нарушения герметичности редуцирующего клапана, что приводит к перерасходу газа и снижению производительности в связи с необходимостью перекрытия вентиля баллона и обеспечения выдержки времени на размораживание регулятора;

    3. Холодный газ (до минус 20°С) в системе подачи газа полуавтомата нарушает работу пневматического клапана, что приводит к нарушению его герметичности и потерям газа в паузах сварки;

    4. Частые и с высокой амплитудой перепады температуры газа, подаваемого из регулятора, резко снижают ресурс работы пневматического клапана и всей системы подачи газа;

    5. При истечении холодного газа из сопла в потоке завесы из-за повышения вязкости газа резко возрастает вероятность возникновения макро вихрей, что приводит к образованию вокруг сварочной ванны "рваной" газовой завесы, пропускающей кислород, и ухудшению качества шва [2];

    6. Интенсивное охлаждающее действие холодного углекислого газа приводит к повышению напряжения дуги, что снижает ее устойчивость и ухудшает качество шва [3].

 

Все вышеперечисленные проблемы можно решить только при использовании подогревателя, обеспечивающего положительную температуру газа на выходе регулятора расхода, близкую к температуре окружающей среды во всем диапазоне расхода газа (до 30 л/мин) с минимальными перепадами температуры газа при переходных процессах.

Для сварки применяется двуокись углерода, поставляемая в баллонах в жидком состоянии. При этом согласно ГОСТ 8050-85 нормируются следующие показатели качества:

  Выс.сорт 1 сорт 2 сорт

объемная доля двуокиси углерода, % не менее

99,8 99,5 98,8

массовая концентрация эфирных масел и
мехпримесей, мг/кг, не более

0,1 0,1 по испыт.

массовая концентрация водяных паров
при 20o С и 101,3 кПа, г/м3 , не более

0,037 0,184 не норм.

массовая доля воды, %, не более

по испыт. по испыт. 0,1

В процессе истечения в редуцирующем зазоре клапана регулятора расхода газ меняет свое давление от 50-60 атмосфер до нуля, что приводит к его (газа) переохлаждению, появлению жидкого и кристаллического (сухой лед) углекислого газа, а также кристаллов воды (из находящейся в нем влаги). Присутствие жидкости и льдинок нарушает работу редуцирующего клапана, что приводит к пульсации истечения газа и нарушению запирания клапана. В конечном итоге, это негативно сказывается на качестве шва, гарантирует перерасход газа и испорченные нервы сварщика.

В настоящее время используются следующие конструктивные типы подогревателей:

  • тип 1 – проточный прямого нагрева;
  • тип 2 - накладной на корпус регулятора;
  • тип 3 - проточный косвенного нагрева с каналом теплообмена;
  • тип 3а - проточный косвенного нагрева;
  • тип 3б - косвенного нагрева встроенный в регулятор;
  • тип 4 - проточный косвенного нагрева с завихрителем;

Подогреватель проточного типа прямого нагрева (тип 1) представляет собой герметичный сосуд, внутри которого расположен керамический изолятор с электрическим нагревателем (спираль нихромовая). Схема подогревателя приведена в [1] (рис.50 стр. 60). Из-за очень низкой надежности этот подогреватель в настоящее время снят с производства.

Подогреватель накладной на корпус регулятора (тип 2), выпускаемый и в настоящее время в РФ, имеет подвод тепла, осуществляемый через корпус регулятора расхода и имеет ряд существенных недостатков:

    I. Hизкий коэффициент полезного действия, так как большая часть тепловой энергии уходит в окружающую среду;

    II. Чрезвычайно сильная зависимость эффективности от температуры окружающей среды и влажности;

    III. Зависимость от конструкции регулятора расхода, т.е. от теплового сопротивления пути прохождения теплового потока;

    IV. Часто имеет температуру корпуса подогревателя более 80°С (ограничение по технике безопасности);
    низкая надежность из-за:

      1. значительного перегрева спирали в связи со слабым отводом от нее тепла (конвекция по воздуху);
      2. нестабильности работы и малого ресурса биметаллического регулятора температуры открытого типа;
      3. хрупкости керамического изолятора;
      4. слабого крепления подогревателя к корпусу регулятора.

Подогреватель проточного типа косвенного нагрева с каналом теплообмена (тип 3), производимый в 2003 году в РФ, представляет собой корпус со встроенным в него нагревательным элементом и удлиненным каналом теплообмена для прохождения газа. В этом подогревателе применён нагревательный элемент, выполненный из специального углеродного материала. Слабая эффективность теплообмена этого подогревателя обуславливалась большим размером зазора в канале теплообмена (более 2 мм). В качестве регулятора температуры применен более надежный термостат закрытого типа. Из-за больших габаритов и высокой цены нагревательного элемента этот подогреватель был снят с производства.

Подогреватель проточного типа косвенного нагрева (тип 3 а), производство которого освоено в начале 2004 года в РФ, представляет собой корпус с встроенным в него нагревательным элементом и простыми каналами для прохождения газа. Подогреватель осуществляет частичный нагрев газа и через материал входного штуцера нагревает регулятор расхода. В данной конструкции применен более надежный нагревательный элемент. В качестве регулятора температуры применен более надежный термостат закрытого типа. Однако этот подогреватель также имеет ряд существенных недостатков:

  • низкий коэффициент полезного действия, так как большая часть тепловой энергии уходит в окружающую среду при низкой теплоотдаче проходящему через него газу и высоком сопротивлении тепловому потоку от корпуса подогревателя к корпусу регулятора расхода;
  • сильная зависимость его эффективности от температуры окружающей среды и влажности;
  • зависимость от конструкции регулятора расхода, т.е. от теплового сопротивления пути прохождения теплового потока.

Этот подогреватель решает только часть проблем - обеспечивает работоспособность регулятора расхода в малом диапазоне расхода газа и при использовании углекислого газа высшего сорта с малым содержанием влаги.

Следующий тип - подогреватель косвенного нагрева, встроенный в регулятор расхода (тип 3 б). В этой конструкции повышен коэффициент полезного действия за счет значительного снижения теплового сопротивления от нагревательного элемента до редуцирующего клапана. При этом регулятор работает устойчиво при больших расходах газа. Однако, из-за низкой теплопередачи проходящему через него газу, на выходе регулятора температура газа недостаточна для нормальной работы (ниже нуля), и в этом случае проблемы решаются лишь частично - только для редуцирующего клапана регулятора. Кроме того, совмещенная конструкция регулятора и подогревателя не всегда удобна в эксплуатации.

В подогревателе проточного типа косвенного нагрева с завихрителем (турбулизацией) газового потока (тип 4) сделана серьезная попытка резко повысить теплопередачу от нагревательного элемента к проходящему через него газу. Эта задача решена известным способом – повышение интенсивности теплообмена обеспечивается срывом и разрушением вязкого подслоя выступами шероховатости и возникновением вихревых зон в потоке нагреваемого газа. Конструктивно этот способ заключается в том, что газ пропускается через зазор между поверхностью отверстия с резьбой М8 и стержня с резьбой М6. Выступы резьбы М8 и М6 с разным шагом и являются завихрителями газового потока. Из-за ограничений на температуру корпуса подогревателя (не более 80°С, согласно приложения ГОСТ 12.2.007.9-93 ), температура теплообменных поверхностей ограничена. При этом эффективности вихревого теплообмена оказалось недостаточно, что резко ограничило производительность подогревателя (до 8 л/мин).

Все вышеописанные типы подогревателей, как показали испытания, не выполняют поставленной задачи:

  • даже при расходе газа 15 л/мин температура газа в установившемся режиме падает более чем в два раза по отношению к первоначальной (от +12°С у подогревателя 2-го типа до минус 2°С у подогревателя типа 3а);
  • все подогреватели имеют отрицательную температуру газа на выходе регулятора расхода в установившемся режиме при расходе газа 30 л/мин (от минус 1°С у подогревателя 2-го типа до минус 18°С у подогревателя типа 3а);

Для выполнения поставленной задачи необходимо решить следующие технические проблемы при разработке подогревателей:

  • резко повысить эффективность теплопередачи проходящему газу;
  • упростить конструкцию подогревателя;
  • повысить надежность подогревателя и его ресурс работы;
  • уменьшить массу подогревателя, а, следовательно, снизить его тепловую постоянную времени, что повысит быстродействие подогревателя и снизит перепад температур при переходных процессах;
  • обеспечить ограничение температуры корпуса подогревателя не более 80°С, согласно требованию ГОСТ 12.2.007.9.

     

Если избрать способ подвода тепла от подогревателя к регулятору в основном через проходящий через них газ, это позволит предварительно ввести тепловую энергию в газ, являющийся источником "холода" при его редуцировании, и с минимальными потерями энергии подвести тепло непосредственно к деталям редуцирующего клапана вне зависимости от конструкции регулятора расхода.

При поиске способов повышения эффективности теплопередачи отправной точкой разработки явился патент [4] на способ повышения эффективности нагрева текучей среды. Этот способ заключается в том, что, за счет увеличения плотности и интенсивности турбулизации текучей среды, повышается интенсивность теплообмена, которая связана со срывом и разрушением вязкого подслоя выступами шероховатости и возникновением вихревых зон. Этот способ был реализован в выше описанном подогревателе проточного типа косвенного нагрева с завихрителем газового потока (тип 4).

Из курса теплотехники известно, что коэффициент теплоотдачи зависит от гидродинамической картины режима течения теплоносителя и теплофизических свойств среды. В процессе теплообмена около излучающей поверхности формируется тепловой пограничный слой, в пределах которого температура теплоносителя изменяется от значения, близкого к температуре излучающей поверхности, до температуры потока вдали от нее. Характер распределения температуры в тепловом пограничном слое зависит от режима течения текучей среды в динамическом пограничном слое (вязкий подслой). При движении газов перенос теплоты в вязком подслое осуществляется путем молекулярной теплопроводности, а внутри турбулентного ядра перенос осуществляется путем интенсивного перемешивания частиц газа или жидкости. Коэффициент молекулярной теплопроводности или теплопроводности вязкого подслоя для газов на 3…4, а для жидкостей на 2…3 порядка меньше, чем у металлов. Таким образом, вязкий подслой является термическим сопротивлением на пути теплового потока от излучающей поверхности и препятствует теплообмену. Интенсификация последнего осуществляется, как правило, турбулентным разрушением вязкого подслоя.

После анализа характера распределения температуры в пограничном слое возникла идея использования этого распределения с целью повышения эффективности теплообмена в подогревателе углекислого газа. Для решения этой задачи необходимо было пропускать углекислый газ через зазор, величина которого не должна была превышать величину вязкого подслоя. Причем, чем меньше величина зазора по отношению к вязкому подслою, тем выше эффективность теплообмена.

Расчеты показали, что величина вязкого подслоя при нагреве потока углекислого газа до 50 л/мин находится в пределах реально выполнимых значений. В зависимости от площади поперечного сечения зазора, площади теплового контакта и перепада температур эта величина находится в пределах 0,05...0,5 мм. Увеличение гидродинамического сопротивления при малых величинах зазора не является препятствием в нашем случае, т.к. имеется значительный запас по перепаду давления сжиженного углекислого газа (около 60 атмосфер) и максимальным рабочим давлением регулятора расхода (до 6 атмосфер).

Учитывая вышесказанное, была разработана конструктивная схема подогревателя текучей среды с теплообменом по вязкому подслою (см. рис.1). Подогреватель содержит нагревательный элемент 1, находящийся в тепловом контакте с его корпусом 2. Между корпусом 2 и кожухом 4 образован зазор 6, при этом в зазоре образуется излучающая поверхность 3 и экранирующая поверхность 5. Величину зазора 6 выполняем меньше величины вязкого подслоя текучей среды.

Малая величина зазора 6 позволяет повысить эффективность инфракрасного переноса тепла через него, что приводит к нагреву экранирующей поверхности 5 до температуры tэ, причем эта поверхность становится излучающей по отношению к текучей среде, перемещающейся со скоростью V. В результате в зазоре 6 образуется клин двух вязких подслоев. В этом клине нагреваемый газ от потока тепла Q приобретает температуру tщ (температура в щели),которая значительно выше температуры tт (температура турбулентного ядра). Температура турбулентного ядра характеризует среднюю температуру газа в случае, когда величина зазора намного больше размера вязкого подслоя d.

Этот способ интенсификации теплообмена позволяет уменьшить габариты подогревателя газа, упростить конструкцию устройства в целом за счет применения простых цилиндрических поверхностей, формирующих щелевой зазор, а также позволяет уменьшить температуру поверхности теплообмена, что повышает надежность и долговечность подогревателя.

Дальнейшее повышение эффективности теплообмена за счет уменьшения величины зазора ограничивалось возможностями и стоимостью его технического исполнения. Была найдена возможность повышения эффективности теплообмена путем уменьшения теплообменного зазора значительно меньше вязкого подслоя за счет использования пористых металлических материалов и металлокерамики. При этом имеется технологическая возможность получить эффективный диаметр пор до 1 мкм при значительном увеличении площади теплообмена.

Техническая сущность процесса теплообмена состоит в том, что зерна металлокерамического материала прилегающие к излучающей поверхности образуют пористую проточную структуру с величиной каналов меньше величины вязкого подслоя. Общая излучающая поверхность зерен структуры на порядки больше излучающей поверхности, к которой они прилегают, и с которой, в силу своей значительной теплопроводности, интенсивно отводят тепловую энергию, отдавая ее потоку теплоносителя, прокачиваемого по каналам пористой структуры. В конечном итоге это дает возможность значительно увеличить производительность подогревателя или уменьшить его габариты и снизить температуру нагревательного элемента.

Один из вариантов конструктивной схемы осуществления данного способа изображен на рис. 2 и предназначен для нагрева текучей среды, преимущественно газовой. Он содержит нагревательный элемент 1, находящийся в тепловом контакте с корпусом 2, который имеет излучающую поверхность 3. На кожухе 4 выполнена экранирующая поверхность 5. Обе поверхности отделены друг от друга зазором 6, величина которого не ограничена величиной вязкого подслоя и может быть больше, что диктуется, в первую очередь, производительностью нагревателя. Зазор 6 заполнен зернами 7, которые должны быть выполнены из материала с высокой теплопроводностью, например меди или ее сплавов. При этом пористая структура может быть образована из зерен, свободно засыпанных в зазор 6, или создана из зерен, консолидированных в модуль с помощью связки. Примером могут служить газовые металлокерамические фильтры.

Тепловой поток Q от нагревательного элемента 1 (рис 2) через его корпус 2 передается на зерна 7 за счет физического контакта последних, прижатых непосредственно к излучающей поверхности 3, а затем и к другим зернам, расположенным по всей ширине зазора 6. Поток теплоносителя V. в рассматриваемом случае - газа, прокачивается с определенной скоростью через пористую структуру, образованную зернами 7. Зерна образуют поровое пространство с размерами каналов меньшими величины вязкого подслоя d (рис.3). Зерна А и Б имеют соответствующие температуры tА и tБ. В рассматриваемом случае температура tА - это температура излучающей поверхности, а температура tБ - температура экранирующей поверхности.


 

Рис. 2 Рис. 3

 

На рис. 4 приведена принципиальная схема подогревателя с максимально возможной эффективностью, где поверхность каждого зерна становится излучающей поверхностью за счет получения тепловой энергии в результате генерирования вихревых токов i в зерновом металлическом материале с помощью высокочастотного переменного магнитного поля В. Такая схема может стать основой малогабаритного подогревателя с чрезвычайно высокой эффективностью.

 

Рис. 4

 

Однако эта конструктивная схема не пошла в производство исключительно по экономическим причинам. Современный рынок требует, кроме соблюдения всех технических и технологических параметров, еще и минимальных цен.

Таким образом, задачей дальнейших разработок стало упрощение конструкции подогревателя, снижение его материалоемкости при повышении эффективности теплопередачи.

Был разработан подогреватель текучей среды, в котором между излучающей и экранирующей поверхностями, формирующими теплообменный канал, выполнен контакт в виде спирали. Спиралеобразный канал значительно удлиняет путь и время контакта текучей среды в зоне нагрева при размерах канала не более величины вязкого подслоя. Физический контакт между излучающей и экранирующей поверхностями ведет к непосредственной передаче тепловой энергии от первой ко второй, превращая последнюю в излучающую. Таким образом, поток текучей среды оказывается практически взаимодействующим только с излучающей поверхностью, которая охватывает его со всех сторон.

На основе этих решений разработаны конструктивные схемы подогревателей, приведенных на рис. 5 и рис. 6. Нагревательный элемент (на чертеже не показан) имеет тепловой контакт с излучающей поверхностью 1 (см. рис. 5), которая физически соприкасается по площадкам 2 с экранирующей поверхностью 3. Площадки 2 имеют форму спирали. Наиболее простым конструктивным воплощением описанной конструкции является обычная метрическая резьба, у которой частично на валу уменьшена высота профиля резьбы. На рис.6 дан конструктивный вариант с экранирующей поверхностью, образованной спирально навитой проволокой. Во всех случаях имеется спиральный теплообменный канал 4, расположенный между площадками 2. Форма канала определяется соответствующей конструкцией нагревателя. Это могут быть треугольное или прямоугольное сечения, а также любая геометрическая конфигурация. Наибольший размер сечения теплообменного канала не должен превышать величины вязкого подслоя текучей среды d . Тепловой поток Q от излучающей поверхности 1 к экранирующей поверхности 3, передаваемый по площадкам контакта 2, изображен стрелками соответствующего направления.

Рис. 5

 

Рис. 6

В результате в зазоре образуется клин двух вязких подслоев, в котором нагреваемая среда приобретает температуру tЩ (температура в щели), имеющую температуру значительно выше tТ (температура турбулентного ядра), которая на чертеже не показана. Температура турбулентного ядра характеризует среднюю температуру газа в случае, когда величина зазора намного больше размера вязкого подслоя d.

На разработанные конструктивные схемы и способ теплообмена получены патент РФ №2214696 "Нагреватель текучей среды" и свидетельство на полезную модель №21707 "Электронагреватель текучей среды", а также подано еще две заявки на предполагаемые изобретения.

На базе вышеописанных конструктивных схем в 2000 г. НПП "ВРТ" была закончена разработка и освоено производство подогревателя углекислого газа ПУ3-70-50. Этот подогреватель показан на Фото 1, а на Рис. 7 приведена его конструкция, использующая способ теплообмена с зазором меньше величины вязкого подслоя. Повышение интенсивности теплообмена позволило уменьшить габариты подогревателя газа, упростить конструкцию устройства в целом за счет применения простых цилиндрических поверхностей, а также уменьшить температуру нагревательного элемента, что позволило ограничить температуру нагрева корпуса до значений не более 70°С (выполнение требований техники безопасности) и намного повысило его надежность и ресурс работы.

Фото 1

Рис.7

Особенность подогревателя ПУЗ-70-50 заключается в том, что увеличение интенсивности теплообмена осуществляется за счет прохождения всего потока нагреваемого газа через зону вязкого подслоя, что ведет к уменьшению термического сопротивления в теплообменном процессе.

Электронагреватель текучей среды (рис. 7) содержит корпус 1 со штуцерами входа 2 и штуцером выхода 3. Во внутренней полости корпуса 1, коаксиальном зазору 4, размещен трубчатый нагревательный элемент 5. При этом с внешней стороны соосно корпусу 1 установлен блок управления 8. Во внутренней полости блока управления 8 размещен световой индикатор 9.

Нагреваемая текучая среда через входной штуцер 2 попадает в зазор 4 между трубчатым нагревательным элементом 5 и корпусом 1, где происходит теплообмен. Нагреваемая текучая среда уменьшает температуру корпуса 1 и нагревательного элемента 5 в зоне входного штуцера 2 и присоединения блока управления 8 за счет увода тепла в сторону выходного штуцера 3 вновь поступающими массами текучей среды. В связи с этим установка блока управления 8 с внешней стороны позволяет понизить тепловой поток к нему от нагревательного элемента 5. При этом повышается надежность электронагревателя за счет снижения перегрева блока управления 8 и присоединительных контактов к нагревательному элементу 5.

При подключении подогревателя к питающей сети переменного тока напряжением от 36-15% до 42+10% В корпус подогревателя нагревается до температуры не более 70°С. Температура поддерживается электронной системой управления автоматически. Система управления выполнена в виде блока управления 8 на базе симистора. Поддержание температуры осуществляется посредством датчика температуры. Переключение симистора происходит только в момент перехода питающего напряжения через ноль, что существенно снижает уровень радиопомех. При изменении расхода газа изменяется только время включенного состояния подогревателя.

Технические характеристики подогревателя ПУЗ-70-50

 

Пропускная способность не менее, дм3/мин(л/мин) 50 
Наибольшее давление газа, МПа (кгс/см2) 20(200) 
Температура нагрева корпуса
(при температуре окружающей среды от -30 до +50 °C), °C
60+8/-20
Напряжение электропитания (переменное), В  36-15%/+20%
Максимальный ток потребления (42+10%В), А, не более 3,5 
Присоединительные размеры входа и выхода, резьба G3/4"
Вес подогревателя, кг, не более 0,5
Габаритные размеры, мм, не более D32х66х123

Дальнейшие разработки имели целью:

  • снижение себестоимости подогревателя;

  • расширение диапазона питающих напряжений;

  • повышение ремонтопригодности.

Снижение себестоимости возможно только за счет упрощения конструкции, которое, в свою очередь, в значительной степени зависит от повышения эффективности теплообмена при одновременном снижении значений температуры поверхности теплообмена до величин, близких к 80°С. Этим требованиям отвечает разработанная конструктивная схема подогревателя текучей среды, в которой между излучающей и экранирующей поверхностями, формирующими теплообменный канал, выполнен контакт в виде спирали. Спиралеобразный канал значительно удлиняет путь и время контакта текучей среды в зоне нагрева при размерах канала не более величины вязкого подслоя. Наиболее простым конструктивным решением при этом является обычная метрическая резьба, у которой частично на валу уменьшена высота профиля.

В июне 2004 г. в НПП "ВРТ" закончена разработка и начат серийный выпуск подогревателя ПУ3-70-30. Этот подогреватель показан на Фото 2, а на Рис. 8 приведена его конструкция. Повышение интенсивности теплообмена позволило уменьшить габариты подогревателя газа, упростить конструкцию устройства в целом, а также уменьшить температуру излучающей поверхности, являющейся частью корпуса, температура которого не превышает 80°С, согласно требованиям ГОСТ 12.2.007.9-93. При этом намного повысилась надежность и ресурс работы подогревателя.


 

Фото 2 Рис. 8

Устройство подогревателя, габаритные и присоединительные размеры приведены на Рис. 8. Подогреватель присоединяется к источнику питания газом (вентилю баллона) входом с резьбой G3/4". Прохождение газа осуществляется через канал, образованный между резьбой отверстия в корпусе 1 и частично срезанной резьбой вставки 2, где происходит нагрев газа. К выходу подогревателя с резьбой G3/4" подсоединяется регулятор расхода или редуктор. При подключении подогревателя к питающей сети переменного или постоянного тока напряжением от 36-15% до 42+10%В через кабель 9 корпус подогревателя нагревается до температуры не более 80°С. Температура ограничивается термостатом 4 автоматически. При изменении расхода газа изменяется только время включенного состояния подогревателя.

Технические характеристики подогревателя ПУЗ-70-30

Пропускная способность не менее, л/мин 30
Наибольшее давление газа, МПа (кгс/см2) 20 (200) 
Температура нагрева корпуса, °C, не более 75
Температура газа на выходе регулятора, °C
(при температуре окружающей среды 20 °C):
  при Uп ~   36В и расходе до 30 л/мин
  при Uп~  24В и расходе до 15 л/мин
 

 

18...21

10...12
Напряжение электропитания постоянное или переменное, В   ~36/42+10%
Потребляемая мощность, Вт 100/136
Потребляемая мощность при Uп~ 24В, Вт, не более 44
Присоединительные размеры входа и выхода, резьба G 3/4"
Длина кабеля, м, не менее 2
Вес подогревателя, кг, не более
  с кабелем
  без кабеля
 
0,35
0,25
Габаритные размеры, мм, не более D32x48x71

Принятые технические решения в подогревателе позволили уменьшить его весогабаритные характеристики почти в 2 раза.

Для подтверждения правильности принятых решений были проведены сравнительные испытания всех выпускаемых в настоящее время в РФ подогревателей. Схему испытаний выбрали наиболее простую, предложенную в лаборатории Санкт-Петербургского "Института сварки России". Эта схема испытаний доступна практически всем сварщикам работающим на полуавтоматах с углекислым газом. Для этого необходим баллон с углекислым газом, регулятор расхода и подогреватель, а также термометр и часы (см. фото 3).

Условия проведения испытаний:

  • испытания всех подогревателей проводились на одном регуляторе расхода типа У-30-2;
  • испытания проводились в условиях лаборатории при температуре 22°С;

  • пуск газа и включение питания на подогреватель производились одновременно;

  • давление газа в баллоне перед началом каждого эксперимента обеспечивалось на уровне 50+/-5 кгс/см2;

  • испытания проводились при расходе углекислого газа 30 и 15 л/мин при 36 В питающей сети;

  • следующие испытания проводились не менее, чем через шесть часов после предыдущих на том же баллоне;
  • через каждую минуту снимались показания термометра, установленного в потоке газа на выходе регулятора расхода.

Эта методика испытаний позволяет оценить как статические характеристики подогревателя (установившаяся температура на выходе регулятора расхода), так и динамические его характеристики - время и величину снижения температуры на выходе регулятора расхода при переходных процессах.

Фото 3

 

Таблица 1. Основные характеристики испытуемых подогревателей.

№ п/п Обозначение изделия Характеристика конструкции подогревателя Дата выпуска Вес, кг Мощность, Вт при 36В
1 Тип 2 Накладной на корпус регулятора 2003 г. 0,55 150
2 Тип 3 Проточный косвенного нагрева с каналом теплообмена Ноябрь, 2003 1,13 150
3 Тип 3а Проточный косвенного нагрева без теплообменного канала Март,2004 0,7 160
4 Тип4 Проточный косвенного нагрева с завихрителем Октябрь,2003 0,45 без кабеля 130
5 ПУЗ-70-50 НПП "ВРТ" Проточный косвенного нагрева с теплообменом по вязкому подслою Декабрь,2003 0,55 90
6 ПУЗ-70-30 НПП "ВРТ" Проточный косвенного нагрева с теплообменом по вязкому подслою, облегченная конструкция Май,2004 0,35 (0,25 без кабеля) 100

Результаты испытаний выпускаемых в РФ подогревателей 2-го, 3-го, и 4-го типов, приведены на графиках рис.9 и рис.10. На графике рис.9 приведены кривые зависимости температуры газа на выходе регулятора расхода от времени (с началом отсчета в момент одновременного включения расхода газа и питания подогревателя) при расходе газа 15 л/мин, а на рис.10 - при расходе газа 30 л/мин.

Из анализа испытаний видно, что характеристики подогревателей 2-го, 3-го и 4-го типов в установившемся режиме находятся в коридоре не более +/-5°С как при 15 л/мин, так и при 30 л/мин. Подогреватель типа 3а имеет явно худшие характеристики и далее в анализе рассматриваться не будет. Наилучшие результаты на 15 л/мин и на 30 л/мин показал подогреватель 2-го типа. Однако, этот результат получен за счет перегрева корпуса подогревателя более 80°С. В наших экспериментах температура корпуса находилась в пределах от 110 до 120°С, что нарушает требования по технике безопасности (ГОСТ 12.2.007.9-93) и в сравнительном анализе участвовать не может. Подогреватель 3-го типа имеет немного лучшие характеристики, чем подогреватель 4-го типа, однако в настоящее время он снят с производства. Исходя из вышесказанного, подогреватели с теплообменом по вязкому подслою ПУ3-70-50 и ПУ3-70-30 будем анализировать в сравнении с подогревателем проточного типа косвенного нагрева с завихрителем (тип 4).

Рис 9

 

Рис. 10

Температурные характеристики подогревателей ПУ3-70-50 и ПУ3-70-30 с теплообменом по вязкому слою и подогревателя 4-го типа при расходе 15 л/мин приведены на рис.11, а при расходе 30 л/мин – на рис.12.

 

Рис. 11

 

Рис. 12

Как видно из экспериментальных графиков (см. рис. 11), установившаяся температура газа при 15 л/мин составляет:

  • +3/+4°С у подогревателя 4-го типа проточного косвенного нагрева с завихрителем;
  • +23/+25°С у подогревателя ПУ3-70-30;
  • +35/+36°С у подогревателя ПУ3-70-50.

Использование вязкого подслоя позволило при более простой конструкции, меньшем весе подогревателя и меньшей установленной мощности (см. табл.1) значительно поднять температуру газа на выходе регулятора расхода (на 20°С у подогревателя ПУ3-70-30 и более чем на 30°С у подогревателя ПУ3-70-50). Даже при расходе 15 л/мин и при температуре окружающей среды 20-22°С у выпускаемых подогревателей типа 4 и типа 3 температура на выходе регулятора расхода не превышает 10°С. При этом вызывают сомнения обязательства по обеспечению работоспособности регуляторов при отрицательных температурах окружающей среды, принятые в паспортах на эти подогреватели.

Более высокая температура газа на выходе регулятора расхода при использовании подогревателя ПУ3-70-50 (36°С) по сравнению с - ПУ3-70-30 (25°С) говорит о более высокой температуре его теплообменника, практически полностью изолированного от корпуса теплообменным зазором. Температура теплообменных поверхностей у подогревателя ПУ3-70-30 имеет меньшее значение, т.к. эти поверхности являются частью корпуса, температура которого ограничена 80°С, согласно требованиям ГОСТ 12.2.007.9-93.

Установившаяся температура газа при расходе 30 л/мин составляет (см. рис. 12):

  • -8/-9°С у подогревателя проточного типа косвенного нагрева с завихрителем(тип 4);
  • +22/+23°С у подогревателей ПУ3-70-30 и ПУ3-70-50.

Эти экспериментальные данные еще ярче подтверждают преимущества подогревателей с теплообменом по вязкому подслою. Практически все подогреватели типов 3, 3а и 4 имеют отрицательную температуру на выходе регулятора расхода. При изменении расхода газа от 15 до 30 л/мин время включенного состояния терморегуляторов подогревателей типа 3, и 4 увеличилось не более чем на 20-30%. При этом у подогревателей ПУ3-70-50 и ПУ3-70-30 время включенного состояния терморегуляторов изменилось в 2-3 раза. Эта разница времени включенного состояния терморегуляторов подтверждает эффективность теплообмена подогревателей ПУ3-70-50 и ПУ3-70-30.

Меньший провал температуры на 2-й минуте у подогревателя ПУ3-70-30 (+5°С), по сравнению с подогревателем ПУ3-70-50 (-3°С) (см. рис 12), обусловлена тем, что масса последнего почти в 2 раза больше (0,45 кг к 0,25 кг) при чуть меньшей мощности нагревателя (90Вт к 100Вт), а также большей эффективностью теплообмена в подогревателе ПУ3-70-30. Более эффективный теплообмен у подогревателя ПУ3-70-30 подтверждается незначительным падением установившейся температуры газа (от +25 до +22°С) при изменении расхода газа от 15 до 30 л/мин по сравнению с подогревателем ПУ3-70-50 – от +36 до +22°С. Однако коэффициент полезного действия у подогревателя ПУ3-70-50 выше, чем у – ПУ3-70-30, из-за меньшей тепловой мощности рассеиваемой в окружающую среду, что подтверждается температурой поверхности корпуса при расходе газа 30 л/мин. У подогревателя ПУ3-70-50 она составляет +46°С, а у подогревателя ПУ3-70-30 – +72°С.

Выводы:

Подогреватели с теплообменом по вязкому подслою ПУ3-70-50 и ПУ3-70-30 производства ООО НПП "ВРТ" наиболее полно удовлетворяют основным технологическим и потребительским требованиям, в сравнении с подогревателями других производителей, обеспечивая более производительную и более качественную сварку на полуавтоматах в среде углекислого газа.

 

Литература:

1. Бельфор М. Г., Патон В.Е. Оборудование для дуговой и шлаковой сварки и наплавки. Учебное пособие для курсов инструкторов по внедрению в народное хозяйство передовых методов сварки и наплавки. - М.: "Высшая школа", 1974.

 

2. Оптимизация конструкции газового экономайзера./ В.Т.Федько, С.С.Киянов //Сварочное производство. – 2001. - №4. –С. 27 .

 

3. Сварка и свариваемые материалы: В 3-х т. Т. II. Технология и оборудование. Справ. изд./Под ред. В.М. Ямпольского. - .М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998.



4. Авторское свидетельство №1474870, Н05 В 3/50, Электронагреватель текучей среды.