Автореферат (Разработка и исследование индукционно-резистивного нагревателя для уничтожения боеприпасов), страница 3

(2) используются следующие начальные и граничные условия: начальная температура в расчетной области, нулевоезначение производной на осях симметрии ∂T/∂n = 0, а также учитывается радиационный и конвективный теплообмен, при этом коэффициенты теплоотдачи локализатора и индуктора задавались по результатам решения газодинамических задач естественной и вынужденной конвекции.Для обеспечения обмена данными между задачами геометрия тепловой модели полностью соответствовала электромагнитной, при этом размеры расчётнойобласти выбирались из условия нагрева границ не более чем на 1°С относительноначальной температуры 25°С.

Теплофизические свойства материалов задавалиськак функции температуры, полученные аппроксимацией справочных данных.Особенностью решения связанных электротепловых задач является то, чтопроводится последовательный расчет электромагнитных и тепловых полей. Порезультатам решения электромагнитной задачи определяются функции распределения внутренних источников тепла в локализаторе с учетом изменения свойствматериалов от температуры, на основании которых рассчитывается его температура.В качестве инструментального средства для численного решения систем ур.(1) и (2) использовалась программа ANSYS, основанная на методе конечных элементов.Для описания естественной и вынужденной конвекции и ИРН используютсямодифицированные уравнения Навье-СтоксаpТ ( )     gT  ; T   aT  ; div ( )  0 ,(3)t0tгде  – вектор скорости, рʹ– изменение давления, Тʹ– изменение температуры, ν–коэффициент кинематической вязкости, ρ0 – гидростатическое значение плотности, a – коэффициент температуропроводности.Для полного описания математической модели уравнения (3) дополняютсяследующими условиями:– для естественной конвекции: свободное вытекание на границах расчетнойобласти, начальная температура 25°С и атмосферное давление, равенство нулюскорости на всех поверхностях локализатора;– для вынужденной конвекции: температура и расход воздуха на входе в коллектор охлаждения, свободный выход воздуха из кожуха индуктора, равенствонулю скорости на всех поверхностях индуктора.Из-за низкоскоростного потока при естественной конвекции сжимаемостьвоздуха не учитывалась, при вынужденной конвекции в турбулентную модель течения введен член, учитывающий сжимаемость.

Теплофизические свойства возс10духа в обеих моделях задавались функциями температуры, рассматривалосьтрехмерное стационарное течение.Численное интегрирование уравнений (3) проводилось методом конечныхобъемов, реализованным в пакете программ ANSYS CFX. В ходе тестовых расчетов были определены параметры расчетной модели: размеры расчетной области,сетки конечных элементов и шаг по времени, подобрана модель течения Лантри–Ментера, учитывающая ламинарно-турбулентный переход.Для упрощения поиска оптимального соотношения геометрических и электрических параметров многослойного индуктора, обеспечивающих требуемое качество нагрева локализатора, вб)среде Borland Delphi 6 разраа)ботанаподпрограммаMultilayerСoil (рис.

4, а), которая позволяет генерироватькомандный файл для передачив программу ANSYS по заданным размерам многослойногоэкранированного индуктора.После расчета в программеANSYS подпрограмма вычисляет распределенные параметры в каждом витке индуктораРис. 4. Программа MultilayerСoil: окно прои строит соответствующиеграммы (а), графики потерь и мощности в каждомграфики (рис. 4, б).витке многослойного индуктора (б)С использованием разработанных моделей получены данные о распределении мощности, температурного поля и коэффициента теплоотдачи в ИРН, которые соответствуют основнымфизическим закономерностям при индукционном нагреве.Адекватность электромагнитной и тепловой моделей подтверждена наопытном образце ИРН, а для газодинамической модели – результатами тестовыхрасчетов, которые расходятся с данными других авторов не более, чем на 7%.

Этосвидетельствует об удовлетворительной степени точности и достоверности разработанных моделей, что определяет их дальнейшее использование для исследования параметров ИРН.В третьей главе приводятся результаты исследований влияния электрических и геометрических параметров индуктора и конструкции провода на энергетические и тепловые характеристики ИРН, а также естественного и вынужденного конвективного теплообмена в нагревателе.При исследовании влияния частоты тока (рис.

5, а) установлено, что насредних частотах существенно возрастают потери в оболочке кабеля и, кроме этого, происходит перегрев поверхностного слоя локализатора, что увеличивает время его сквозного прогрева. Исходя из этого, наиболее приемлемым является применение промышленной частоты 50 Гц, обеспечивающей удовлетворительныеэнергетические характеристики ИРН (ηэл = 0,42, cos φ = 0,74).11а)б)в)д)е)ж)г)з)Рис.

5. Зависимости cos φ и ηэл от частоты (а), тока (б), электрофизическихсвойств оболочки (в), толщины оболочки (г), зазора между локализатором и индуктором (д), шага намотки (е), ширины индуктора (ж), число слоев (з)Увеличение силы тока ведет к возрастанию электрического КПД (рис. 5, б).Для нагрева локализатора до температуры 450°С использован ток 110–130 А принапряжении 320 В, для поддержания температуры локализатора – 60 А принапряжении 180 В. Существенное влияние на энергетические параметры ИРНоказывает толщина оболочки кабеля и ее электрофизические свойства (ρ, µ).

Длядостижения ηэл = 0,5–0,6 оболочка должна быть немагнитной и иметь высокоеудельное электрическое сопротивление (рис. 5, в), например, как у аустенитнойнержавеющей стали, и толщину 0,3–0,4 мм (рис. 5, г).Отмечено, что увеличение зазора δ между индуктором и локализатором(рис. 5, д) и шага намотки кабеля в радиальном Sрад и осевом Sос направлениях(рис. 5, е) ведет к снижению ηэл, поэтому зазор должен быть минимальным δ = 30–40 мм с учетом возможности замены деформированного локализатора, а шагнамотки Sрад = Sос = 2–3 мм, обеспечивающий прохождение охлаждающего воздуха между витками.

Максимальный электрический КПД ηэл=0,42 и cos φ = 0,76 достигается при отношении ширины индуктора Hин и длины локализатора L, равномHин/L = 0,55–0,62 (рис. 5, ж) и числе слоев n = 3–4 (рис. 5, з).За счет использования кабеля с металлической оболочкой при оптимальномсоотношении геометрических параметров индуктора достигается высокий cos φ =0,76, что требует меньших затрат на устройства компенсации реактивной мощности.

Увеличение габаритных размеров провода ведет к сильному увеличению потерь в оболочке при незначительном снижении потерь в жиле.Электрический КПД ηэл=0,43, учитывающий передачу энергии в локализатор за счет индукционного нагрева, достигается при сечении жилы 35–40 мм2 ипрямоугольной форме провода с соотношением ширины к высоте 1,2–1,4.

Применение внешнего магнитопровода в ИРН нецелесообразно из-за снижения ηэл, связанного с увеличением потерь в наружных витках и дополнительными потерями вмагнитопроводе.12При моделировании естественной и вынужденной конвекции были получены данные о трехмерной структуре конвективного потока снаружи нагревателя ивнутри многослойного индуктора, а также коэффициенты теплоотдачи для локализатора αлок и индуктора αин, которые использовались в качестве граничныхусловий при создании тепловой модели.Анализ полученных данных выявил, что в локализаторе можно выделитьчетыре области (рис. 6) с одинаковыми условиями теплоотдачи: внутренняя поверхность (1), торцы (4), центральная часть (2), охваченная индуктором, и края(3).

В данных областях получены зависимости коэффициента теплоотдачи от температуры локализатора αлок = f(Tлок) (рис. 7).Рис. 6. Распределение коэффициента теплоотдачи αлок на поверхностилокализатора при Тлок = 450°СРис. 7. Зависимость коэффициента теплоотдачи αлок в разных частях локализатора от температурыВ результате моделирования вынужденной конвекции в многослойном индукторе определены давление, температура и расход охлаждающего воздуха, прикоторых температура индуктора не превышает 400°С.Тепловые параметры ИРН исследовались в режимах нагрева и уничтожениябоеприпасов, для чего использовалась стационарная и нестационарная постановкитепловой задачи. В режиме уничтожения исследовано влияние ширины индуктораLин (рис. 8, а), зазора между локализатором и индуктором δ (рис. 8, б), тока индуктора I (рис.

8, в) на перепад температуры по длине локализатора на внутреннейΔTвн и наружной ΔTнар поверхностях локализатора при толщине стенки 100 мм.а)б)в)Рис. 8. Зависимость перепада температуры по длине локализатора от ширины индуктора (а), зазора между локализатором и индуктором (б), тока индуктора (в)13Установлено, что при увеличении δ или I, при уменьшении Lин происходитувеличение перепада температуры по длине ΔT. Для достижения перепада температуры на внутренней поверхности ΔTвн= 40°С, при котором обеспечивается полное уничтожение боеприпасов, необходимо выдерживать следующие параметры:Lин/L = 0,4–0,5, I = 110 А, δ = 30–40 мм.Для определения температурных полей в локализаторе с переменной толщиной стенок тепловая задача решалась для трех характерных сечений локализатора, соответствующих толщине стенки 60, 100 и 120 мм.

Показано, что с увеличением толщины стенки s температура по длине выравнивается (рис. 9, а), а времянагрева до рабочей температуры увеличивается (рис. 9, б).а)б)Рис. 9. Параметры нагрева локализатора: распределение температурыпо длине (а), динамика нагрева (б)Установлено, что для достижения температуры локализатора Тлок= 450°С внаиболее толстой части s = 120 мм температура наружной поверхности должнаподдерживаться на уровне Тлок нар= 500°С.Наилучшие тепловые характеристики ИРН наблюдаются при температуреиндуктора 350–400°С, при этом в локализатор передается до 16% тепловой мощности, выделяющейся в индукторе, что экспериментально подтверждено методомкалориметрирования на опытном образце нагревателя. Для предотвращения перегрева индуктора выше 400°С и выхода его из строя, подобраны параметры системы воздушного охлаждения: расход 130 м3/ч и температура сжатого воздуха 16°С,при которых обеспечивается коэффициент теплоотдачи индуктора αин =36 Вт/м2·°С.В четвертой главе приведены результаты создания имитационной моделиИРН с системой регулирования температуры и исследования режимов его работы.Для стабильной, безотказной и производительной работы ИРН в процессеуничтожения необходимо поддерживать температуру наружной поверхности локализатора в пределах Тлок нар= 500±10°С, а температуру индуктора Тин не выше400°С.

Перегрев локализатора или индуктора недопустим, так как существенноснижает ресурс их работы.14Для реализации данных функций предложена схема двухконтурного регулирования с контролем температуры индуктора и локализатора(рис.10),построеннаявпрограммеMATLAB/Simulink, в которой все элементы задавались в виде передаточных функций.Внешние тепловые воздействия: мощность,идущая на нагрев боеприпаса Рнагр, и мощность,выделяющаяся при взрыве Рвзр, задавались в видеимпульсов с соответствующей амплитудой и продолжительностью. Данные параметры определяРис.