Автореферат (Разработка и исследование индукционно-резистивного нагревателя для уничтожения боеприпасов), страница 2

Теоретические результаты, методика расчета и математическиемодели применяются в АО «КНИИМ» при разработке многослойных индукторовпромышленной частоты.Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационнойработы докладывались и обсуждались: на VIII–IX Международных научнотехнических конференциях «Актуальные проблемы утилизации ракет и боеприпасов (Красноармейск, 2012, 2014), ХI, XIII Международных научнопрактических интернет-конференциях «Энерго- и ресурсосбережение–XXI век»(Орел, 2013, 2015), ХIХ–XXI Международных научно-технических конференцияхстудентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»(Москва, 2013–2015), XLI Научно-технической конференции «Проектированиесистем» (Москва, 2014), XV Всероссийской научно-технической конференции«Наука.

Промышленность. Оборона» (Новосибирск, 2014), VII-VIII Всероссийских конференциях молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроенияРоссии» (Москва, 2014–2015), VII Научно-практической конференции «Научнотехнические аспекты обеспечения безопасности при уничтожении, хранении итранспортировке химического оружия» (Москва, 2014), ІV Всероссийской конференции «Химическое разоружение» (Ижевск, 2015).6Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 22 работах, среди которых пять работ в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 15 – материалы международных, всероссийских и межвузовских научно–практических конференциях, получен 1 патент РФ на изобретение.Личный вклад автора состоит в постановке задачи исследования, разработке комплекса математических моделей, исследовании параметров и режимовработы ИРН, проектировании конструкции, участии в экспериментальных испытаниях и внедрении промышленных образцов, интерпретации и обобщении полученных результатов.Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 5 глав,заключения, приложений и списка литературы из 92 наименований. Основнойтекст изложен на 165 страницах машинописного текста, включает 89 рисунков, 28таблиц и приложения на 16 стр.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении отражена актуальность диссертационной работы, сформулированы цель ее проведения и методы исследования, приведена общая характеристика работы.Первая глава посвящена обзору методов уничтожения боеприпасов. Цельюисследований являлось выявление состояния уровня техники и разработок в области электрического нагрева, обеспечивающих уничтожение химических боеприпасов, содержащих отравляющие вещества (ОВ) и заряд взрывчатого вещества(ВВ) массой до МВВ = 0,7 кг в тротиловом эквиваленте.

Выполнен анализ опубликованных работ, в результате которого выявлены основные недостатки существующих способов электронагрева, таких как электродуговой, лазерный и индукционный, и показана невозможность их применения для решения поставленной задачи.Сложность и опасность химическихбоеприпасов требует создания комплекснойавтоматизированной установки, котораявключает взрывостойкую камеру, а такжесистемы подачи боеприпасов, нагрева, локализации и очистки продуктов взрыва, выгрузки осколков, контроля и управленияпроцессом.

Основным элементом установкиявляется ИРН, который должен обеспечивать полное уничтожение боеприпасов, высокий эксплуатационный ресурс, безопасность и энергоэффективность процесса.Исходя из этих требований, предлоРис. 1. ИРН: 1 – локализатор;жена принципиальная схема ИРН (рис. 1), в2 – индуктор; 3 – защитный кожух;4 – боеприпас; 5 – коллекторкотором локализатор установлен в индуктор7с радиальным зазором δ, при этом боеприпас нагревается и уничтожается в локализаторе, который предотвращает разлет осколков. Исходя из прочностных расчетов и конструкции уничтожаемых боеприпасов, определены основные геометрические размеры локализатора: длина L = 700 мм, наружный диаметр D = 430 мм итолщины стенки: максимальная Smax = 120 мм и минимальная Smin = 60 мм.Работа ИРН осуществляется следующим образом (рис.

2): локализаторнагревается до температуры Тлок, затем начинается цикл уничтожения tц1, которыйдля одного боеприпаса складывается из времени на загрузку, нагрев, взрыв и выгрузку осколков. На нагрев боеприпаса до температуры начала разложения ВВ(Тбоеп = 180–230°С) расходуется мощность Рнагр. За счет энергии взрыва локализатор получает тепловую мощность Рвзр и дополнительно нагревается. В режимеуничтожения может непрерывно уничтожаться до 1000 боеприпасов.При требуемой производительности уничтожения 5–6 шт./ч, с учетом операций загрузки и выгрузки, время нагрева не должно превышать 6 мин. Расчетнагрева боеприпаса с учетом кинетики разложения ВВ позволил определить необходимые значения температурыв локализаторе Тлок = 450 ± 20°С иперепада температуры по его длинеΔ Тлок ≤ 40°С.Для сквозного нагрева ферромагнитного локализатора массой500 кг с использованием промышленной частоты наиболее рационально использовать многослойныйРис.

2. Режимы работы ИРНиндуктор.Экстремальные условия эксплуатации индуктора при одновременном воздействии высоких температур, динамических нагрузок, коррозионно-активныхпродуктов взрыва и дегазирующих рецептур требуют использования жаростойкого обмоточного кабеля с минеральной изоляцией и металлической защитной оболочкой. Оболочка кабеля, являясь электромагнитным экраном, снижает эффективность индукционного нагрева локализатора, однако тепло, выделяющееся вжиле и оболочке, частично компенсирует тепловые потери локализатора.Анализ работ, в которых исследуются многослойные индукторы, показал,что они, в основном, решают задачу снижения и оптимизации потерь в водоохлаждаемом индукторе без экранирующей оболочки.

Предлагаемая в работе новаяконструкция ИРН с многослойным индуктором из экранированного провода требует разработки методики расчета и проектирования, основанной на численныхметодах, что обусловлено наличием сложной конфигурации элементов и нелинейными зависимостями их электро- и теплофизических свойств от температуры инапряженности магнитного поля.Вторая глава посвящена разработке комплекса математических моделейэлектромагнитных, тепловых и газодинамических процессов, протекающих вИРН.8С целью исследования процессов, происходящих в ИРН, и последующейоптимизации размеров и режимов работы нагревателя необходимо решить связанные электромагнитную и тепловую задачи с учетом естественного теплообмена локализатора и принудительного охлаждения индуктора.В общем случае задача расчета электромагнитного поля сводится к решению системы уравнений Максвелла (1), которая при следующих допущениях: токв индукторе изменяется по синусоидальному закону, расчет выполняется для первой гармоники тока, электромагнитное поле принимается квазистационарным, неучитываются потери на гистерезис и токи смещения, имеет видH(1)rotH   E; rotE   ; divH  0; divE  0 ,tгде и – вектора напряженности электростатического и электромагнитного полей; А – магнитный потенциал; γ – удельная проводимость металла; µ – относительная магнитная проницаемость; t– время.Математическая модель включаетуравнение (1) и граничные условия:условие Дирихле А = 0 на границахрасчетной области S∞, условие НейманаНt = 0 на горизонтальной и вертикальной осях симметрии S0–X и S0–Y, а такжесведения о геометрии локализатора ииндуктора и их электромагнитных характеристиках (рис.

3).При создании модели принятыдопущения: при большой толщинестенки пренебрегалось смещениемвнутреннего отверстия локализатора, иРис. 3. Двухмерная расчетная схема ИРН:рассматриваласьосесимметричная1 – локализатор; 2 – индуктор; 3 – оболочкапровода; 4 – изоляция; 5 – токопроводящаядвухмерная задача. Магнитные свойжила; 6 – защитный кожухства локализатора задавались кривойнамагничивания B(H), полученной экспериментально для стали 15ХМ. При задании свойств оболочки провода из стали 08Х18Н10Т учитывались ее магнитныесвойства (µ = 2,5), которые она приобретает за счет пластического деформирования при изготовлении.Исследование свойств модели позволило выбрать размеры расчетной области (Rpo = 600 мм, Lpo = 800 мм) и конечных элементов (для поверхностного слоялокализатора – 25% от глубины проникновения электромагнитной волны, дляоболочки – 40% от ее толщины, для жилы – 30% от ее диаметра), обеспечивающие погрешность расчетов не более 5%.Определение температуры локализатора сводится к решению уравнениятеплопроводности Фурье (2) с известной функцией распределения внутренних источников тепла, найденной в процессе решения электромагнитной задачи.9Т div   gradТ   J 2  ,(2)tгде с, γ и λ – теплоемкость, плотность и теплопроводность локализатора соответственно, t – время; Т – температура; J и ρ – плотность индуцированного тока иудельное электрическое сопротивление локализатора.В математической модели помимо ур.