Диссертация (Разработка и исследование индукционно-резистивного нагревателя для уничтожения боеприпасов), страница 11

(2.22) – (2.25) (Глава 2);– теплообмен кожуха с окружающей средой в виде коэффициента теплоотдачи, полученного при решении задачи естественной конвекции (раздел 2.5);– условие излучения во внешнюю среду задавалось в виде степени чернотыдля многослойного индуктора 0,4 и кожуха 0,93.– неравномерная мощность тепловыделения в многослойном индукторе, полученная в результате решения электромагнитной задачи (раздел 2.3);Для управления сходимостью решения использовался шаг по времени τ,вычисляемый на основании среднего времени присутствия частицы газа в расчетной области:τ = L/4U,(2.29)где L, U – длина пути и скорость частицы.Для расчета течения в коллекторе шаг по времени брался равным 5×10-5 с,для течения в индукторе, где скорости воздуха значительно ниже, он брался дляразличных этапов численного решения в диапазоне 0,1…1,5×10-3 с.Учитывая, что экспериментальное исследование течения в многослойноминдукторе практически нереализуемо и из-за специфики решаемой задачи, сравнительные данные других авторов отсутствуют, адекватность разработанной модели основывается на многочисленных верификационных тестах программы69ANSYS-CFX в области расчета компрессоров, турбомашин, вентиляторов и теплообменников [74].2.7.

Выводы по главе 21. Разработана конструкция нагревателя и выбраны начальные параметрыИРН, которые использовались при построении математических моделей.2. Разработана математическая модель электромагнитных процессов в индукционно-резистивном нагревателе с многослойным индуктором из провода сметаллической защитной оболочкой. Проведено исследование свойств модели, врезультате которого выбраны схема дискретизации расчетной области, тип и размеры конечных элементов, а также размеры расчётной области.3. Проведена оценка вклада высших гармоник на потери в нагревателе.

Установлено, что потери в оболочке провода увеличиваются на 20% за счет высшихгармоник. Для корректного расчета электромагнитной задачи необходимо вводитьпоправочный коэффициент, увеличивающий потери в оболочке.4. Разработана подпрограмма MultilayerСoil, предназначенная для удобствапостроения расчетной модели многослойного нагревателя по заданным параметрам, а также анализа результатов вычисления в многослойном индукторе.5. Оценка точности электромагнитной задачи показала, что погрешностьмоделирования не превышает 8%, что говорит об адекватности разработанноймодели и возможности ее дальнейшего использования для исследования электромагнитных параметров нагревателя.6. Разработана тепловая модель нагревателя, учитывающая теплообмен локализатора за счет естественной конвекции и радиации.

Исследованы свойствамодели и выбраны размеры расчетной области и конечных элементов.7. Оценка точности и адекватности тепловой модели показала, что погрешность расчета не превышает 10%.8. Разработана газодинамическая модель естественной конвекции в нагревателе. Проведены исследования свойств модели, в результате чего выбраны модельтечения воздуха, размеры расчётной области и сетки конечных элементов. Точ-70ность и адекватность модели подтверждена хорошим совпадением результатовтестовых расчетов с литературными данными.9. Разработана модель принудительной конвекции в многослойном индукторе, с использованием которой исследовались параметры воздушной системыохлаждения.71ГЛАВА 3.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ, ТЕПЛОВЫХ ИГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВВ ИНДУКЦИОННО-РЕЗИСТИВНОМ НАГРЕВАТЕЛЕ3.1. Задачи исследованияИРН должен обеспечивать нагрев локализатора с минимальными затратамиэнергии до температуры 450°С с перепадом температуры по длине не более 50°С.Для возможности достижения требуемых параметров, необходимо провести исследования электромагнитных, тепловых и газодинамических процессов в ИРНпри различных режимах работы. Задачей исследования является определение оптимальных конструктивных соотношений нагревателя, а также параметров системпитания, регулирования температуры и охлаждения индуктора с учетом требований безопасности, надежности и энергноэффективности.Используя результаты моделирования, можно создавать промышленные нагреватели с улучшенными эксплуатационными и энергетическими характеристиками, что позволит расширить номенклатуру уничтожаемых боеприпасов и сделать нагреватели более универсальными.Для определения оптимальных конструктивных соотношений нагревателя вработе исследованы распределение плотности тока и температуры в локализатореи индукторе, а также зависимости электрического КПД устройства от частоты питающего напряжения, тока, зазора между локализатором и индуктором, шириныиндуктора, размера и материала провода.От правильного определения конструктивных соотношений и параметровиндуктора зависит полнота уничтожения боеприпасов и энергоэффективность нагревателя.

Для чего в исследовании оценивались достигнутая равномерность нагрева и электрический КПД.723.2. Геометрия ИРН и методика проведения исследованийКонструктивная схема нагревателя разработана в Главе 1 и включает локализатор с фиксированными размерами (Dнар = 450 мм, Dвн = 250 мм, Lлок = 700 мм)и многослойный индуктор (рис 3.1).Рис. 3.1. Конструктивная схема ИРНДля выбора оптимальных характеристик индуктора при исследовании, потребовавшем решения электромагнитной, тепловой и газодинамической задач,варьировались следующие величины и параметры, представленные в табл.

3.1.Таблица 3.1. Перечень варьируемых величин и параметровВарьируемые величины иДиапазонпараметрыЭлектромагнитная задачаТок индуктора, I10–300 АЧастота, f40–1000 ГцСоотношение длин индуктора и0,1–1,5локализатора, Lин/LлокЗазор, δ0–70 ммЧисло слоев, n1–7 шт.Шаг намотки провода:– радиальный, s0–10 мм– осевой, S0–10 ммРазмеры провода:– толщина оболочки, t0–1,4 мм– размеры сечения, А×В5–20 ммЭлектрофизические свойстваоболочки:ОпределяемыйпараметрЭлектрическийКПД и коэффициент мощностиηэл; cos φ73– относительная магнитная проницаемость, µ– удельное электрическое сопротивление, ρ0–600(0,01–5)·106 Ом·мПлоскийМагнитопроводП-образныйТепловая задачаТок индуктора, I50–250 АПерепад темСоотношение длин индуктора ипературы по0,45–1,14локализатора, Lин/Lлокдлине локализатора ΔТLЗазор, δ0–60 ммГазодинамическая задача естественной конвекцииТемпература локализатора, Тлок0–600°СКоэффициенттеплоотдачиТемпература окружающего воз20–100°Сконвекциейдуха, ТвαлокДавление в камере уничтоже10–2000 кПания, РвГазодинамическая задача вынужденной конвекцииРасход охлаждающегоКоэффициент500–3000 л/минвоздуха, GтеплоотдачиконвекциейТемпература охлаждающего5–20°Сαинвоздуха, ТвхВвиду изначальной неясности влияния каждого из параметров, при исследовании менялся только один из них, а все остальные оставались фиксированными.

Тем самым проверялось влияние каждого конкретного параметра при прочихравных. Для исследования использовалась математические модели, разработанные автором и представленные в Главе 2. Для создании геометрической моделинагревателя для электромагнитной и тепловой задач использовалась подпрограмма MultilayerСoil.При решении газодинамической задачи естественной конвекции геометрические размеры оставались постоянными, а менялась только температура локализатора, давление и температура окружающего воздуха.

При решении задачи вынужденной конвекции менялся расход и температура охлаждающего воздуха.743.3. Исследование энергетических характеристик ИРНОсновными энергетическими показателями нагревателя являются электрический КПД ηэл и коэффициент мощности cos φ, по которым можно оценить егоэнергоэффективность.Электрический КПД показывает какая часть потребляемой мощности идетна нагрев локализатора и вычисляется следующим образом: эл РлокРлок, Ржил  Робол(3.1)где: Рлок – полезная мощность, выделяющаяся в локализаторе за счет индукционного нагрева; Ржил, Робол – потери энергии в жиле и оболочке провода.Коэффициент мощности cos φ, показывает какую долю полной мощности Sсоставляет активная мощность Р и вычисляется следующим образом:cos  РS(3.2)Для расчета данных величин решалась электромагнитная задача. Результатырасчетов нагревателя со 160 витками из квадратного провода с сечением жилы 36мм2 (рис.1.10), изготовленного ОАО «Кирскабель», приведены в табл.

3.2.Таблица 3.2. Результаты расчетаТок,АМощность тепловыделения в элементах системы, кВтЛокализатор Жила Оболочка11013,42,03915,9Суммарные мощ- ηэл,ности системыотн.ед.S,P,Q,кВА кВт Квар42,1 32,2 27,1 0,42cos φ,отн.ед.0,76Исходя из данных табл. 3.2 составлен энергетический баланс нагревателя: Мощность, потребляемая от источника питания – 100%; Мощность, выделяющаяся в локализаторе – 42,8% (за счет нагрева в электромагнитном поле); Мощность, выделяющаяся в стальной оболочке провода – 50,8% (за счет нагрева в электромагнитном поле);75 Мощность потерь в медной жиле – 6,4% (резистивный нагрев).Из приведенных данных видно, что потери в жиле и оболочке индуктора всумме составляют более половины потребляемой мощности.

Таким образом, нагреватель можно характеризовать условным КПД 42%, который учитывает передачу энергии в локализатор только за счет электромагнитного поля. Однако, нагрев локализатора частично обеспечивается за счет энергии, выделяющейся воболочке и жиле провода. За счет потерь энергии в оболочке нагреватель обладаетвысоким естественным cos φ, что снижает затраты на устройства для компенсацииреактивной мощности. В п.

3.3.3 проведено исследование и даны рекомендациипо повышению КПД за счет изменения конструкции провода.На рис. 3.2 представлены поля мощности тепловыделения, напряженностимагнитного поля, плотности тока и индукции в нагревателе, из которых видно,что наибольшая мощность тепловыделения наблюдается в поверхностном слоелокализатора. Кроме этого, часть мощности идет на нагрев оболочки провода.Для оценки распределения потерь в многослойном индукторе с использованием подпрограммы MultilayerСoil, получены графики распределения сопротивления, потерь, напряженности магнитного поля и потерь по слоям и длине индуктора (рис.