Ускорение теплообмена при технологической обработке намотанных полуфабрикатов кабельного производства
 
Кабельно-проводниковая продукция и аксессуары

Ускорение теплообмена при технологической обработке намотанных полуфабрикатов кабельного производства

В настоящее время широкое распространение получили кабели со сшитой полиэтиленовой изоляцией. [1, 2]. В ходе технологического процесса сшивки производится термическая обработка изделий. Например, силановая сшивка полиэтиленовой изоляции производится в аппарате, куда помещается барабан с намотанной на него изолированной токопроводящей жилой (рис. 1). Температура воды поддерживается на уровне 90°С за счет пропускания через нее пара. Сшивка происходит в результате взаимодействия силановых групп с водой, которая проникает в изоляцию.

Скорость технологического процесса сшивки зависит от температуры, чем быстрее будет разогрет барабан с изолированной токопроводящей жилой, тем быстрее начнется сшивка.

Моделирование температурного поля при нагреве изолированной жилы, намотанной на барабан, осуществлялось с помощью пакета прикладных программ ANSYS. На рис. 1 выделен фрагмент (длиной L и глубиной H/2), для которого рассчитывалось температурное поле. Тепловой поток, который разогревает витки, идет сверху и снизу, поэтому наиболее удаленными являются витки находящимися на глубине H/2. В силу симметрии на этом расстоянии в качестве граничного условия устанавливалась адиабата, также не учитывался тепловой поток, идущий справа и слева выделенного элемента.

Решалась двумерная нестационарная задача:

где: ρ — плотность, Ср — теплоемкость и λ — теплопроводность.

Граничные условия на поверхности изоляции задавались первого рода: в начальный момент времени вода с температурой 90°С затекает между витками.

На рис. 2 показано изменение температурного поля в витках изолированного провода. Через 4 с после того, как вода проникла между витками кабеля, температура жилы не изменилась. По истечении 180 с произошло выравнивание температуры между изолированными жилами и водой, находящейся между витками. Дальнейший разогрев происходит за счет теплового потока P, идущего с наружной поверхности намотки.

На рис. 3 представлено изменение температуры в различных слоях намотки за первые 30 мин нагрева, за это время первый слой нагревается до 80°С, пятый — до 44°С. Температура слоя, расположенного в центре намотки (15-ый слой), после нагрева водой, находящейся в межвитковом пространстве до 40°С, не изменилась.

На рис. 4 представлено изменение температуры в различных слоях намотки в течение 24 часов нагрева. Существующий технологический режим предполагает производить сшивку изоляции в течение 12 часов в воде при температуре 90°С. На рис. 4 видно, что за это время наиболее удаленные витки (15-ый слой), нагреваются только до 62°С. Такой слабый прогрев витков изолированного провода обусловлен тем, что тепловой поток идет с наружной поверхности намотки и нет поступления воды в межвитковое пространство, т.е. отсутствует конвекция.

Есть два пути увеличения скорости разогрева:
1) для ускорения нагрева кабеля водой необходимо производить принудительную смену воды в межвитковом пространстве путем периодического подъема и опускания барабана.
2) применять не воду, а пар, который, проникая между витками, конденсируется, освобождая место для новой порции пара.

На рис. 5 представлено изменение температуры жилы при периодическом подъеме и опускании в воду барабана с изолированной жилой каждые 5 мин.

На рис. 5 видно, что с каждым новым подъемом и опусканием барабана в воду, интенсивность процесса замедляется. Наиболее кардинальным средством быстрого нагрева изолированной жилы следует считать принудительную циркуляцию воды в межвитковом пространстве, для чего требуется рыхлая намотка витков.


Литература
1. Г.И. Мещанов, Ю.Ю. Образцов, И.Б. Пешков, М.Ю. Шувалов. Силовые кабели на напряжения 10-500 кВ. — М.: «Кабели и провода», 2, 2006. С. 18-24.
2. А. Мендельсон, М.У., Аармс. Мировой опыт применения изоляции триингостойкого сшитого полиэтилена для кабелей среднего напряжения с длительным сроком эксплуатации. — М.: «Кабели и провода», 2, 2005. С. 23-29.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно