Диссертация (Разработка и исследование индукционно-резистивного нагревателя для уничтожения боеприпасов)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»,АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «КРАСНОАРМЕЙСКИЙ НАУЧНОИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕХАНИЗАЦИИ»На правах рукописиБАСКАКОВ ПАВЕЛ АЛЕКСАНДРОВИЧРАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕИНДУКЦИОННО-РЕЗИСТИВНОГО НАГРЕВАТЕЛЯДЛЯ УНИЧТОЖЕНИЯ БОЕПРИПАСОВСпециальность 05.09.10 – ЭлектротехнологияДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководительЗаслуженный деятель науки РФ,д.т.н., профессорКувалдин Александр БорисовичМосква – 20152СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ5ГЛАВА 1.

ПРОБЛЕМА УНИЧТОЖЕНИЯ БОЕПРИПАСОВ. ЗАДАЧИДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ1.1. Актуальность и технология уничтожения химических боеприпасов10101.2. Обзор электротермических установок для уничтожения боеприпасов1.3. Определение исходных параметров локализатора12161.4. Выбор способа нагрева локализатора и схемы нагревателя1.5. Анализ работ по расчету многослойных индукторов18221.6. Выбор метода решения и программных средств моделирования1.6.1. Методы расчета электромагнитных и температурных полей24251.6.2.

Методы расчета параметров течения воздуха261.6.3. Методы и средства проектирования систем автоматическогоуправления температурой1.7. Постановка задач диссертационной работы2728ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ, ТЕПЛОВЫХ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВИНДУКЦИОННО–РЕЗИСТИВНОМ НАГРЕВАТЕЛЕ2.1. Конструктивная схема и работа ИРН2.2. Постановка задач моделирования3131322.3. Модель электромагнитных процессов в ИРН2.3.1.

Математическая модель электромагнитных процессов35372.3.2. Методика построения электромагнитной модели2.3.3. Исследование свойств математической модели41432.3.4. Оценка погрешностей и проверка адекватности модели2.3.5. Подпрограмма Multilayerсoil46472.4. Модель тепловых процессов в ИРН2.4.1.

Математическая модель тепловых процессов2.4.2. Методика построения тепловой модели2.4.3. Исследование свойств и проверка адекватности тепловой модели2.5. Модель естественной конвекции2.5.1. Математическая модель естественной конвекции48485052555632.5.2. Методика построения газодинамической модели2.5.3. Выбор модели течения воздуха57602.5.4. Исследование свойств и проверка адекватности модели612.6. Модель вынужденной конвекции642.7.

Выводы по главе 269ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ, ТЕПЛОВЫХИ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ИНДУКЦИОННОРЕЗИСТИВНОМ НАГРЕВАТЕЛЕ3.1. Задачи исследования71713.2. Геометрия ИРН и методика проведения исследований723.3. Исследование энергетических характеристик ИРН743.3.1. Исследование влияния тока и частоты3.3.2. Исследование влияния размеров индуктора3.3.3. Исследование влияния размеров обмоточного провода3.3.4. Оценка влияния магнитопровода3.4. Исследование тепловых параметров ИРН3.4.1.

Исследование влияния параметров индуктора на7880828587равномерность нагрева локализатора913.4.2. Исследование пускового нагрева локализатора923.5. Исследование естественной конвекции в ИРН3.5.1. Исследование зависимости коэффициента теплоотдачи94от температуры локализатора3.5.2. Исследование зависимости коэффициента теплоотдачи94от температуры и давления воздуха внутри камеры уничтожения963.6. Исследование вынужденной конвекции в ИРН3.7. Выводы по главе 398102ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫРЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ИССЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВРАБОТЫ ИНДУКЦИОННО-РЕЗИСТИВНОГО НАГРЕВАТЕЛЯ1044.1.

Постановка задачи4.2. Методика построения структурной модели ИРН4.3. Исследование пускового режима нагрева4.4. Исследование режима уничтожения боеприпасов10410511712044.5. Проверка адекватности структурной модели4.6. Выводы по главе 4122123ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИНДУКЦИОННО-РЕЗИСТИВНОГО НАГРЕВАТЕЛЯ1255.1. Цель исследования и описание экспериментального стенда1255.2. Порядок проведения экспериментов1275.3. Исследование электрических характеристик индуктора5.4.

Исследование температурных параметров локализатора5.5. Исследование энергетических параметров индуктора1281321355.6. Исследование режимов работы нагревателя1375.7. Экспериментальное определение ресурса нагревателя1405.8. Разработка методики проектирования ИРН, апробация ивозможности ее применения5.9. Практическая реализация и внедрение нагревателей1421475.10.

Выводы по главе 5150ЗАКЛЮЧЕНИЕ152СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ154ПРИЛОЖЕНИЕ А. Математическое моделирование взрывногонагружения локализатора при уничтожении боеприпасов165ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Математическое моделирование экзотермическогоразложения взрывчатого вещества при его нагреве167ПРИЛОЖЕНИЕ В. Характеристики оборудования, использовавшегосяв испытательном стенде170ПРИЛОЖЕНИЕ Г.

Рекомендации по конструктивному оформлению иизготовлению нагревателя, выбору элементов систем питания,регулирования и охлаждения172ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Акты внедрения диссертационной работы1765ВВЕДЕНИЕОдним из опаснейших средств массового поражения является химическоеоружие, которое было запрещено принятием «Конвенции о запрещении разработки, производства, накопления и применения химического оружия и о его уничтожении» [1]. Ратифицировав Конвенцию в 1997 г., Россия обязалась уничтожитьвсе запасы отравляющих веществ (ОВ), для чего была принята Федеральная целевая программа «Уничтожение запасов химического оружия в РФ» [2], надзор завыполнением и софинансирование которой осуществляет международная организация по запрещению химического оружия (ОЗХО).За время «холодной войны» в СССР было накоплено около 32 тыс.

тонн отравляющих веществ нервно-паралитического действия (зоман, ви-икс), которымиснаряжены различные типы боеприпасов, хранящиеся более 30 лет. С каждым годом увеличивается количество аварийных (разгерметизированных) боеприпасов,что представляет серьезную угрозу для человека и окружающей среды [3].В связи с этим актуальность уничтожения химического оружия в Россииобуславливается выполнением международных обязательств, а также предотвращением экологической катастрофы, которая может произойти при утечке ОВ изаварийных боеприпасов.Среди разновидностей химического оружия особое место по трудностиуничтожения занимают боеприпасы сложной конструкции, снаряженные отравляющим веществом (ОВ) типа VX и разрывными зарядами из гексогенсодержащего взрывчатого вещества (ВВ) [4].

Из-за частичного разрушения корпусов боеприпасов и увеличения чувствительности ВВ к внешним воздействиямих невозможно безопасно разобрать, поэтому единственным способом их уничтожения является подрыв с предварительным извлечением ОВ из корпуса [5].Данные особенности требуют создания специализированного оборудования,обеспечивающего автоматическое дистанционное уничтожение боеприпасов, защиту от взрыва и отравляющих веществ [6].6Учитывая крайне высокую опасность химических боеприпасов, был принятспособ уничтожения с использованием термического разложения ВВ при его нагреве до температуры 180–250 °С, при этом происходит взрыв с разрушениемкорпуса и частичной нейтрализацией остатков ОВ. Данный способ позволяет максимально автоматизировать уничтожение боеприпасов и полностью вывести людей из особо опасных операций.Ввиду отсутствия подобного оборудования, настоящая работа посвященаразработке нагревателя для нагрева и уничтожения боеприпасов с системамиэлектропитания, охлаждения и регулирования температуры, который должен отвечать требованиям энергоэффективности, взрыво- и коррозионной стойкости, атакже возможности уничтожения широкой номенклатуры боеприпасов с массойВВ до 0,7 кг в тротиловом эквиваленте.В связи с этим целью диссертационной работы является разработка конструкции и методики расчета индукционно-резистивного нагревателя (ИРН) дляуничтожения химических боеприпасов, а также определение режимов его работыи выработка рекомендаций по созданию и внедрению нагревателей.Для достижения поставленной цели в диссертационной работе былирешены следующие задачи:1.

Выбран способ нагрева локализатора и конструкция нагревателя на основании требований к оборудованию для уничтожения химических боеприпасов.2. Разработана математическая модель для анализа электромагнитных и тепловых процессов индукционно-резистивного нагревателя, а также выбора эффективных режимов его работы.3. С помощью разработанных математических моделей исследованы электрические и тепловые процессы в ИРН, на основании чего выбраны основные параметры нагревателя.4. Проведены экспериментальные исследования процессов в ИРН для подтверждения и уточнения теоретических результатов, полученных на математических моделях.75. Разработана методика проектирования ИРН и выбраны основные технические параметры и режимы работы промышленного образца ИРН.6.

Промышленные образцы нагревателей внедрены на объектах по уничтожению химического оружия.В работе использовались методы исследования, основанные на положениях теории электромагнитного и теплового полей, а также газодинамики воздуха. Исследования электромагнитных, тепловых полей и конвекции проводились спомощью компьютерного моделирования в программном комплексе ANSYS методами математической физики и вычислительной математики. Синтез системы регулирования температуры и исследование режимов работы ИРН осуществлялисьв программе MATLAB/Simulink. Проверка основных теоретических положенийосуществлялась путем экспериментальных исследований на физических моделяхи промышленных образцах с обработкой экспериментальных данных в программах EXCEL и MATHCAD.Научная новизна работы состоит в следующем:1.

Разработана электромагнитная математическая модель системы «индуктор - загрузка» отличающаяся тем, что многослойный индуктор выполнен из кабеля с металлической оболочкой, и проведены исследования электромагнитных иэнергетических характеристик данной системы.2. Разработана математическая модель теплового режима локализатора (загрузки), учитывающая условия стационарного и нестационарного теплообмена,предназначенная для подбора параметров и режимов работы нагревателя.3. Разработаны математические модели для расчета охлаждения локализатора путем естественной конвекции и индуктора путем принудительной конвекции. С использованием этих моделей получены зависимости параметров тепловых режимов локализатора и индуктора.4.