Материал: Сборник трудов победителей конкурса на лучшую научную работу студентов и аспирантов ВГТУ

Нормальная эксплуатация топливоиспользующих установок, к которым относятся и нагревательные, и сушильные печи, предусматривает наличие погрузочно-разгрузочных проемов. Эти проемы закрываются разнообразными по конструктивному исполнению ограждениями, типа заслонок, шиберов и других устройств. Названные конструкции ограждений, несмотря на различия в исполнении, подразделяются на два типа

—охлаждаемые и неохлаждаемые.

Вданной работе предложен принцип пористого охлаждения новой конструкции ограждений высокотемпературных зон огнетехнических установок.

Как известно, пористым охлаждением называется способ, при котором охлаждающий газ поступает в пограничный слой через проницаемую пористую поверхность. При этом расход охлаждающего газа по сравнению с другими способами достигается минимальный, а эффект охлаждения максимальный.

Вразработанной заслонке футеровка представляет пористое тело, выполненное из огнеупорного материала. Часть воздуха, необходимого для горения топлива, подается в рабочую камеру через огнеупорный слой заслонки. При таком движении воздуха создается эффект пористого охлаждения футеровки заслонки, что увеличивает срок ее службы и защищает от воздействия агрессивной газовой среды печи. Проходящий через футеровку воздух нагревается до высокой температуры, что обеспечивает качественное смесеобразование окислителя и топлива, а также способствует его полному сгоранию. Приведенный режим работы повышает эффективность работы промышленной печи и способствует экономии топлива.

Рис. 1. Воздухоохлаждаемая заслонка

Конструкция воздухоохлаждаемой заслонки, представленная на рис. 1. Она установлена на промышленной нагревательной печи

машиностроительного завода. Печь предназначена для нагрева стальных заготовок массой до 6 т. Размер печи 3,6 х 2,4 м, топливом служит природный газ и температура в рабочей камере печи 1200 °С. Загрузка и выгрузка слитков осуществляется через рабочее окно размером 1,9 х 1,5 м. Рабочие окна закрываются заслонкой с пористым охлаждением, которая состоит из металлического корпуса 1, являющегося основным ее несущим элементом, объединяющим все составные части. Передняя стенка представляет плоскую или ребристую поверхность, что в последнем случае повышает прочность и жесткость корпуса заслонки без усиливающих элементов. Стенками корпуса и распределительным щитом 3 образована воздушная камера 2. Камера и распределительный щит обеспечивают равномерность потока воздуха, подводимого к пористому огнеупорному блоку 4. Пористый огнеупорный блок изготовлен из огнеупорной массы ММК-65 производства Семилукского огнеупорного завода, состоящей из 66 % кианита и 34 % смеси совместного помола; электрокорунда— 80 % и оксида алюминия — 20 %.

Пористый блок установлен в сборной шаблонкассете, изготовленной из нержавеющей стали и имеющей на поддоне шишкообразно расположенные формовочные иглы диаметром 0,4 мм на расстоянии 5...6 мм друг от друга. На поддоне закреплены также формовочные стержни под отверстия для анкерных болтов. Ортофосфорной кислотой масса ММК-65 доводится до свободнотекущего состояния и заливается в шаблон-кассету. В качестве парообразующей добавки в некоторых случаях использовался хлористый аммоний, который при обжиге разлагался с образованием летучих газовых составляющих, способствующих образованию пор в огнеупорном блоке.

Шаблон-кассета, заполненная массой ММК - 65, помещается в термическую печь, где осуществляется термообработка и спекание массы в блок. Изготовленный пористый огнеупорный блок освобождается от сборной шаблон-кассеты и закрепляется в корпусе при помощи анкерных болтов и крепежных гаек. Для предохранения болтов от прямого контакта с газовой средой рабочей камеры печи использовались огнеупорные пробки. Пробки соединяются с корпусом блока с помощью резьбового соединения. Расстояние между болтами, блоком и распределительным щитом определяется длиной монтажных втулок. Воздух

Рис. 2. Схема поступления топлива и воздуха в рабочее пространство печи

На рис. 2 представлена схема поступления топлива и воздуха в рабочее пространство печи. Часть воздуха, необходимого для горения топлива 2, традиционно поступает через горелочные устройства. Остальной воздух 4 подается в печь через пористую огнеупорную заслонку и охлаждает блок, а сам при этом нагревается. Приведенный способ подачи воздуха в рабочие камеры огнетехнических агрегатов создает благоприятные условия для их работы. При этом реализуются следующие процессы: непрерывное прохождения воздуха через весь объем - блока снижает его температуру, препятствует контакту агрессивной среды с поверхностью футеровки; подогрев воздуха при подаче через пористую прослойку позволяет утилизировать теплоту уходящих газов для других целей;

Подогретый воздух, проходящий по сечению печи от заслонки в рабочую зону прошивает факелы пламени 3 и обеспечивает доступ окислителя к топливу во всех зонах, что приводит к полному сгоранию топлива, а возврат в рабочую зону теплоты, аккумулируемой огнеупорными блоками, и отмеченное полное сгорание топлива обеспечивают его экономию.

Материалоемкость заслонки с пористым охлаждением в 2,5...3 раза меньше, чем у неохлаждаемой, а за счет уменьшения толщины огнеупорного блока габариты заслонки уменьшаются в 1,5...2 раза, что упрощает механизм подъема заслонки и облегчает работу обслуживающего персонала.

При обоснованном выборе параметров, технико-экономические показатели заслонки с пористым охлаждением выше, чем у имеющихся в настоящее время.

Оценивая подачу воздуха через пористый слой огнеупорного блока заслонки, можно сделать вывод об эффективности использования пористого охлаждения в промышленных печах. Огнеупорный блок заслонки работает без видимых повреждений, материалоемкость его уменьшается в 2,5...3 раза. Полностью устраняется выбивание пламени из камеры печи и сводятся к минимуму тепловые

92

Литература

1. Стогней В. Г. Экономия энергоресурсов в промышленности: учеб. пособие. Воронеж.гос. техн.ун- т,Воронеж 1995

2 Мордасов А.Г., Добромиров В.Е., Стогней В.Г. Оптимальное использование и экономия энергоресурсов на промышленных предприятиях : учеб. пособие. - Воронеж: Издательство Воронежского государственного университета, 1997

Рис.1. Примеры нестандартного включения МОП-транзистора

Топологическая реализация подобных вариантов включения транзистора вносит свои требования к применяемым технологическим процессам. Технологии производства интегральных схем (ИС) предполагают изготовление ряда компонентов в одном кармане или в объеме подложки. Таким образом, необходимо обеспечить электрическую изоляцию четвертого терминала транзистора («Bulk») от подложки ИС.

В рамках стандартной КМОП технологии с кремниевой подложкой р-типа (например, XFAB XC018, XC06)[2], в качестве решения сложившейся проблемы можно рекомендовать использовать нестандартное включение исключительно для МОПтранзисторов с каналом p-типа. Как известно, изоляция p-канального МОП-транзистора от подложки интегральной схемы осуществляется обратносмещенным pn-переходом N-карман – Р- подложка см. рис. 2

Если же использование нестандартного включения МОП-транзистора с каналом n-типа является принципиально важным, то проблема электрической изоляции может быть решена применением ряда специальных технологических процессов.

Рис. 2. Поперечный срез p и n канального транзистора с изоляцией обратносмещенным pnпереходом N-карман Р-подложка

Примером которых служат технологические процессы с подложкой N-типа и КНИ процессы (в качестве подлодки используется структура кремний на изоляторе) с горизонтальной изоляцией канавками [2]. Изолировать n-канальные МОП транзисторы друг от друга можно и в технологиях с р-подложкой, с глубоким слоем N-кармана.

Изоляция транзисторов в КМОП технологиях с подложкой n-типа осуществляется аналогично рассмотренному процессу рис.2. Формирование n- канальных транзисторов в этом типе технологий производится в Р-карманах. Электрическая изоляция достигается обратным смещением pnперехода Р-карман N-подложка.

Ряд КМОП технологий предлагают возможность вертикальной изоляции компонентов при помощи заглубленных (скрытых) технологических слоев. Примером такой технологии является КМОП процесс HCMOS8D, принадлежащий ОАО «НИИМЭ и «Микрон» см.

рис. 3. [3]

Как видно из рисунка МОП-транзистор сформирован в р-кармане (PWell) Вертикальная изоляция транзистора реализуется слоем скрытого N-кармана (N-ISO), горизонтальная – охранным кольцом из слоя N-кармана (NWell). Таким образом, n-канальный МОП транзистор оказывается изолирован от подложки интегральной схемы.

КНИ-технологии – это технологии изготовления ИС, основанные на использовании трѐхслойной подложки со структурой кремний-

диэлектрик-кремний вместо обычно применяемых монолитных кремниевых пластин [4].

На рис. 4 представлен поперечный срез МОПтранзистора в КНИ-технологии с изоляцией канавками (trench).

Рис. 3. Поперечный сечение n-канального МОП-транзистора с вертикальной изоляцией

Рис. 4. Поперечный сечение n-канального МОП-транзистора в КНИ технологии

Метод изоляции транзистора подобен предыдущему, с той лишь разницей, что в КНИ технолгии для этих целей используется диэлектрик, а не слои N-карманов. Транзистор отделен от подложки ИС слоем оксида КНИ структуры снизу и боковой изоляционной канавкой см. рис. 4.

Представленный анализ технологических процессов производства ИС подтвердил возможность изготовления МОП-транзисторов с нестандартным включением. Существенным требованием к технологии является возможность полной электрической изоляции МОП транзистора от остальных компонентов схемы.

Литература

1. Русанов А.В., Балашов Ю.С., Скляр В.А. Методы проектирования аналоговых схем в КМОП технологии с низким напряжением питания // Вестник Воронежского государственного технического университета - 2012, т. 8, № 2 с. 45-50

2. http://www.xfab.com/en/technology/ 3.http://www.mikron.sitronics.ru/products/micron/techn

ology/

4. Slicon-on-insulator technology: Materials o VLSI, 2nd Edition. Jean-Pierre Colinge, page-9-51.

При нахождении воздуха между влажными поверхностями разной температуры возникает устойчивое пересыщение, что используется в камерах Вильсона. Это позволяет создать газоочистную установку на базе разнотемпературной поточной конденсационной камеры [1] в виде параллельных влажных поверхностей, имеющих постоянные, но неравные температуры, между которыми движется с постоянной скоростью при турбулентном режиме поток загрязненного воздуха или продуктов сгорания.

Исследования проводились на установке, показанной на рис. 1. Сжатый воздух, вырабатываемый поршневым компрессором,

подавался в разнотемпературную камеру, в которой происходит конденсация водяных паров. Часть конденсата улавливается в камере, а оставшаяся часть - в расположенном за ней водоотделителе. Комплект, состоящий из увлажнителей и подогревателя, позволял изменять влажность и температуру воздушного потока в широком диапазоне. Изменение расхода и давления сжатого воздуха осуществляется с помощью регулирующих задвижек и настройки компрессора. Расход воздуха определяется по показаниям ротаметра, давление, температура и относительная влажность определялись в измерительных узлах по показаниям манометров и термометров.

На определенном расстоянии от входа в

необходимости регулируется в широких пределах температурами горячей и холодной стен. Одним из достоинств данного способа является непрерывное и