Диссертация (Разработка и исследование индукционно-резистивного нагревателя для уничтожения боеприпасов), страница 12

3.3).а)в)плотности тока (в) и индукции (г) в нагревателеРис 3.2. Поля мощности тепловыделения (а), напряженности магнитного поля (б),г)б)7677б)а)в)Рис. 3.3. Мощность тепловыделения (а), напряженность магнитного поля (б) вжиле и оболочке, активное R и реактивное XL сопротивление (в) жилыРезультаты расчета показали, что сопротивление витков в обмотке существенно зависит от расположения витков по длине индуктора. Как видно из рис. 3.3,сопротивление крайних витков индуктора значительно ниже сопротивления средних витков.

Также расчеты показали, что с наибольшее сопротивление имеетвнутренний слой индуктора (рис. 3.3, 1-й слой). Наибольшая мощность тепловыделения наблюдается в оболочке провода на двух внутренних слоях. Видно, чтомощность тепловыделения в оболочке в 100 раз превышает мощность в жиле.Наибольшее тепловыделение наблюдается в центральной части индуктор, где засчет наложения полей соседних витков возникает наибольшая плотность тока.783.3.1. Исследование влияния тока и частотыПроведено исследование влияния тока и частоты индуктора на его энергетические характеристики (рис. 3.4). Установлено, что на средних частотах существенно возрастают потери в оболочке провода, что ведет к снижению ηэл практически до нуля.

Кроме этого, при увеличении частоты уменьшается глубина проникновения электромагнитной волны, что приводит к перегреву тонкого поверхностного слоя локализатора и увеличению время его нагрева. Выбран вариант питания от промышленной частоты 50 Гц, обеспечивающий приемлемые энергетические характеристики ηэл = 0,42, cos φ = 0,74, и не требующий дорогих и сложных в эксплуатации преобразователей частоты.Рис. 3.4.

Зависимость энергетических характеристик от частоты токаСнижение КПД нагревателя при увеличении частоты объясняется тем, чтоувеличиваются потери в оболочке провода из нержавеющей стали, а cos φ увеличивается, за счет того, что вся энергия идет на нагрев оболочки.Исходя из того, что нагреватель работает в двух режимах (пусковой нагреви режим уничтожения), нагрев локализатора при пуске должен осуществляться наноминальных значениях тока и мощности, а для поддержания температуры икомпенсации тепловых потерь при уничтожении боеприпасов ток и мощностьдолжны снижаться.Для оценки необходимых параметров питающей сети в режимах нагрева иуничтожения проведено моделирование электромагнитной и нестационарной теп-79ловой задачи в два этапа. На первом этапе подбирался ток, обеспечивающий нагрев локализатора за 4–5 ч.

Затем, при достижении требуемой температуры 450°Си времени нагрева решение останавливалось. На втором расчетном этапе токснижался до тех пор, пока температура локализатора не стабилизировалась вовремени. Из-за длительного времени решения связанной электротепловой задачи,при моделировании были приняты допущения, что ток меняется скачкообразнопри переходе от первого этапа ко второму, тепловые и электрофизические свойства не зависят от температуры, а также не учитывается теплообмен при уничтожении боеприпасов (исследование тепловых режимов локализатора при уничтожении боеприпасов проведено в Главе 4).На рис. 3.5 представлены графики изменения температуры, тока и электрического КПД в процессе работы нагревателя.Рис.3.5.

Изменение температуры локализатора Тлок, тока индуктора Iин,cos φ и ηэл в разных режимах работы нагревателяБыло проведено также исследование энергетических характеристик нагревателя в наиболее энергозатратном режиме – режиме пускового нагрева. Оптимизировав характеристики нагревателя при работе в данном режиме, можно добиться повышения энегоэффективности нагревателя за весь период работы.Результаты исследования влияния тока на энергетические характеристикинагревателя приведены на рис.3.6.

При увеличении тока от 10 до 130 А идет стремительный рост КПД, а при дальнейшем увеличении тока из-за возрастания потерь в оболочке провода электрический КПД индуктора стабилизируется.80Рис. 3.6. Зависимость энергетических характеристик от тока индуктораВ результате исследования установлено, что при пусковом нагреве ток должен составлять 110–130 А, а в режиме уничтожения 30–40 А. Для изменения напряжения питания в процессе работы нагревателя предложена система регулирования температуры (Глава 4).3.3.2.

Исследование влияния размеров индуктораОпределив наиболее подходящие частоту и силу тока, обеспечивающие высокие значения cos φ и ηэл, исследовалось влияние геометрических размеров индуктора на эти характеристики. Результаты исследования приведены на рис. 3.7.Из рисунка видно, что при изменении отношения длин индуктора и локализатора Lин/L (рис.3.7, а) максимальный электрический КПД, равный 0,42, достигается при отношении Lин/L = 0,6, при этом cos φ = 0,76.Отмечено, что в полном соответствии с теорией индукционного нагреваувеличение зазора δ между индуктором и локализатором ведет к снижению ηэл иcos φ (рис.

3.7, б). Учитывая это, зазор δ = 30–40 мм выбирался минимально возможным с сохранением возможности извлечения деформированного локализатора [75]. Установлено, что шаг намотки провода в осевом направлении Sос (при егоизменении в узком интервале значений от 10 до 20 мм) практически не оказываетвлияния на энергетические характеристики нагревателя (рис. 3.7, в).81а)в)б)г)Рис. 3.7. Зависимость энергетических характеристик ИРН от длины (а), зазора (б),шага намотки (в) и числа слоев (г) индуктораПри увеличении шага в радиальном направлении Sрад, (в том же диапазоне)электрический КПД увеличивается, что объясняется уменьшением плотности тока, и соответственно, потерь в оболочке провода.Однако, за счет этого увеличиваются габариты и металлоемкость нагревателя.Поэтому шаг намотки провода выбирался минимальным Sрад = Sос = 11–12 мм,обеспечивающим гарантированный зазор между витками для прохождения охлаждающего воздуха, т.е.

определялся условиями надежного охлаждения индуктора.Анализ влияния количества слоев в индукторе на его энергетические характеристики показал (рис.3.7, г), что наименьшие потери при достаточно высокойактивной мощности в локализаторе достигаются в индукторе с числом слоев n =3–4. Увеличение количества слоев ведет к снижению электрического КПД из-заувеличения потерь в оболочке провода.823.3.3.

Исследование влияния размеров обмоточного проводаУчитывая специфичную и не обычную для индукционных нагревателейконструкцию обмоточного провода с металлической оболочкой, особый интереспредставляет влияние конструкции и размеров провода на энергетические характеристики нагревателя. В настоящем разделе дается сравнение энергетическиххарактеристик нагревателя при использовании разработанного провода (Глава 1)и провода с улучшенными характеристиками по результатам моделирования.Как показали исследования, размеры и материал оболочки существенновлияют на энергетические характеристики нагревателя. С увеличением толщиныоболочки t (рис.

3.8, а) КПД снижается, что связано с увеличением потерь в оболочке. Поэтому необходимо стремиться к уменьшению толщины оболочки. Существующая технология позволяет изготавливать провод с толщиной оболочки0,5–0,6 мм, при этом КПД нагревателя составляет ηэл = 0,42.При квадратном сечении провода увеличение площади токопроводящейжилы Sж ведет к снижению потерь в ней, но из-за увеличения габаритов проводаA×B увеличиваются потери в оболочке, что в итоге ведет к снижению ηэл (рис.

3.8,б). По итогам исследования установлено, что оптимальным сечением жилы является Sж = 34–38 мм2.а)б)в)Рис. 3.8. Зависимость энергетических характеристик от толщины оболочки (а), сеченияжилы (б) и размеров провода (в)Проведено исследование прямоугольного сечения провода с разным соотношением сторон при сечении жилы 36 мм2 (рис.3.8, в). В результате установлено,83что для снижения потерь соотношение длины и высоты провода должно составлять А/B = 1,5–1,7.Одним из вариантов снижения потерь в оболочке является применение вместо нержавеющей стали других материалов.

Исследования материалов с разнымиэлектрофизическими свойствами показали, что применение магнитных материалов нецелесообразно, так как существенно возрастают потери в оболочке и КПДснижается практически до нуля (рис. 3.9). Из рис. 3.9 видно, что с увеличениемудельного электрического сопротивления материала оболочки ηэл возрастает. Прииспользовании диэлектрической оболочки электрический КПД может достигать0,92 [76].Рис. 3.9. Зависимость энергетических характеристик от свойств материала оболочкиКак было сказано в Главе 1, выбор провода с металлической оболочкой обусловлен требованиями по прочности, температуре эксплуатации и защите от коррозионно-активных сред.

Анализ обмоточных проводов с неметаллической изоляцией показал, что они не удовлетворяют данным требованиям. Поэтом единственным вариантом повышения энергетических параметров является использование в качестве материала оболочки никель-хромовых сплавов, например Inconelили Incoloy (российские аналоги ХН78Т, ХН32Т). Данные сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью при температурах до 600°С, а также большим, чему нержавеющей стали, удельным электрическим сопротивлением [52].84В результате исследования определены оптимальные параметры индуктораи предложены мероприятия по повышению энергетических характеристик, в частности, показана целесообразность увеличения удельного электрического сопротивления оболочки, а также уменьшения ее толщины и высоты сечения провода.В табл. 3.3 приведено сравнение энергетических характеристик нагревателей приразной конструкции провода.Таблица 3.3.

Сравнение параметров ηэл и cos φ нагревателя при разной конструкции проводаПараметрДлина индуктора L , мминЧисло слоев n, штЗазор δ, ммШаг намотки Sрад, Sос ,ммТок I, АНаружный размер провода A×B, ммРазмер жилы, а×b, ммТолщина оболочки t, ммМатериал оболочки:–μ– ρ·10-6, Ом·мηэлcos φЦена провода, руб/кмИзготовленныйпроводУлучшенныйпровод45042011–12100-120Прирост ηэл,%––––10×1013×86×60,608Х18Н10Т2,5 (эксп.)0,720,420,781 500 0008×40,25Inconel 6251,0011,30,620,682 200 0003,625,019,047,6––Исследования показали, что при использовании улучшенного провода можно увеличить электрический КПД до ηэл = 0,62, при небольшом снижении cos φ.Однако, из-за использования дорогих сплавов существенно увеличивается ценапровода. Кроме этого, существующие на ОАО «Кирскабель» технология и оборудование в настоящее время не позволяют изготавливать провод с улучшеннымипараметрами.