Диссертация (Разработка и исследование индукционно-резистивного нагревателя для уничтожения боеприпасов), страница 13

Поэтому, в работе проводится исследование ИРН с параметрамидля изготовленного провода (рис. 1.11).853.3.4. Оценка влияния магнитопроводаОдним из способов увеличения энергетических характеристик обычногоиндукционного нагревателя промышленной частоты является использование магнитопровода. При этом положительный эффект при определенной конфигурациимагнитопровода заключается в повышении коэффициента мощности и увеличении активной мощности, предаваемой в загрузку [34].Для оценки влияния магнитопровода на энергетические характеристикиИРН проведено исследование двух вариантов магнитопроводов: плоского и Побразного.

При моделировании толщина магнитопровода принималась постоянной – 20 мм, при этом секционность и шихтованность магнитопровода не учитывалась. Магнитопровод принимался из электротехнической стали с относительноймагнитной проницаемостью 1190 (при значении напряженности магнитного поля1000 А/м). Результаты исследования представлены на рис.3.10. Расчеты проведены при геометрических размерах индуктора, представленных в табл.

3.3 и токе110 А.Рис.3.10. Изменение плотности тока по длине локализатора и суммарныхпотерь по длине индуктора: 1 – П-образный; 2 – плоский; 3 – без магнитопроводаИз рис. 3.10 видно, что при использовании магнитопровода возрастаютсуммарные потери в индукторе, при этом для П–образного магнитопровода увеличиваются потери в крайних витках обмотки. Наибольшие потери возникают воболочке провода, что объясняется увеличением плотности тока по слоям и длинеиндуктора. Кроме этого, применение магнитопровода способствует увеличению86мощности тепловыделения в центральной части локализатора (под индуктором),что нежелательно, так как ведет неравномерному нагреву локализатора по длине.В табл.

3.4 приведено сравнение энергетических характеристик нагревателяпри использовании магнитопровода. Расчеты проведены при геометрических размерах индуктора, представленных в табл.3.3 и токе 110 А.Таблица 3.4. Сравнение энергетических параметров нагревателя с магнитопроводом и без негоПараметрБезмагнитопроводаМагнитопроводПлоскийП-образныйЭскизПолезная мощность влокализаторе, кВтПотери в жиле, кВтПотери в оболочке, кВтПотери в магнитопроводе, кВтηэлcos φ13,414,0114,642,03515,92,04917,82,05119,26–1,82,830,420,760,390,830,370,85Из табл.

3.3. видно, что применение магнитопровода ведет к снижениюэлектрического КПД нагревателя на 5–7% из-за дополнительных потерь в самоммагнитопроводе и увеличении потерь в оболочке провода. Кроме этого, применение магнитопровода нецелесообразно в связи с дополнительным усложнениемконструкции нагревателя и увеличением трудоемкости его изготовления.Положительным моментом использования магнитопровода является снижение реактивного сопротивления индуктора на 10–15%, что приводит к увеличению коэффициента мощности. Кроме этого, магнитопровод экранирует электромагнитные поля и защищает близлежащее оборудование от электромагнитногоизлучения.873.4. Исследование тепловых параметров ИРНВ разделе 3.3 проведено исследование энергетических параметров ИРН ивыбраны основные параметры, обеспечивающие высокий электрический КПД икоэффициент мощности.

В настоящем разделе проводится расчет тепловых полейв локализаторе. В расчете оценивается достигнутая равномерность нагрева локализатора по его длине, которая определяет полноту уничтожения боеприпасов.Учитывая, что нагреватель работает в стационарном режиме уничтожения инестационарном режиме пускового нагрева температурные поля исследовалисьдля каждого из них.

В стационарном режиме исследовалось влияние геометрических параметров индуктора на равномерность нагрева локализатора. В нестационарном режиме исследовался процесс нагрева локализатора с переменной толщиной стенок и изменение перепада температуры по длине локализатора в процессенагрева.3.4.1. Исследование влияния параметров индуктора на равномерностьнагрева локализатораОсобенностью уничтожаемых боеприпасов является то, что их длина в 6 разбольше диаметра. При неравномерном нагреве длинного боеприпаса вначале происходит взрыв более нагретой части боеприпаса с отбросом неразорвавшейся, чтонедопустимо.

Поэтому равномерность нагрева локализатора существенно влияетна полноту уничтожения боеприпасов. Установлено, что для полного уничтожения перепад температуры по длине локализатора не должен превышать 50°С.Исследование равномерности нагрева локализатора проводилось в стационарном тепловом режиме, отвечающем режиму уничтожения боеприпасов. Приэтом количество слоев индуктора (4 слоя) и размеры обмоточного провода (10 ×10 мм) принимались постоянными. На рис. 3.11 представлены поля температуры влокализаторе при разной толщине стенки.88Рис.3.11.

Поля температуры в локализаторе при разной толщине стенкиИз рис. 3.11 видно, что для достижения температуры внутри локализатораТвн = 450°С температура снаружи локализатора должна быть Тнар = 500°С. Из-заразной интенсивности конвективной теплоотдачи (раздел 3.5.1) перепад температуры на внешней поверхности больше, чем на внутренней. При этом перепад температуры на внутренней поверхности существенно зависит от толщины стенки S,при прочих равных условиях.

Установлено, что с увеличением толщины стенкиперепад температуры на внутренней поверхности увеличивается (табл. 3.5).Таблица 3.5. Перепад температуры по длине локализатора в разных сеченияхПараметрΔТ1ΔТ2ΔТ3ΔТ4Толщинастенки S, ммНаружная6090120Перепад, °С123254052На рис. 3.12 приведены графики температуры по длине внутренней и внешней поверхности при разной толщине стенки локализатора.89Рис.

3.12. Распределение температуры по длине локализатора в разных сечениях.Точки 2, 3, 4 – толщина стенки 60, 90, 120 мм; 1 – наружная поверхностьУчитывая, что боеприпас размещается на нижней стенке локализатора (рис.3.12, точка 4), имеющей наибольший перепад температуры, исследование влиянияпараметров индуктора на равномерность нагрева производились только для наружной ΔТнар и внутренней ΔТвн (S = 120 мм) поверхностей локализатора.

Результаты исследования представлены на рис. 3.13.а)б)в)Рис. 3.13. Зависимость перепада температуры на внешней ΔТнар и внутренней ΔТвнповерхностях локализатора от тока Iин (а) и длины индуктора Lин (б), зазора между локализатором и индуктором δ (в)Из рис. 3.13 видно, что ΔТнар сильно возрастает при увеличении тока индуктора (рис. 3.13, а), что связано с увеличением активной мощности в локализаторе,ΔТвн возрастает менее стремительно из-за тепловой инерционности.

Уменьшениедлины индуктора (рис. 3.13, б) также ведет к увеличению перепада температуры90на наружной и внутренней поверхностях локализатора. При увеличении зазора(рис. 3.13, в) ΔТнар и ΔТвн увеличиваются из-за снижения активной мощности в локализаторе и увеличении интенсивности конвективного теплообмена.Анализируя полученные данные, выбраны следующие параметры индуктора: отношение длин индуктора и локализатора Lин/Lлок = 0,4 – 0,5, зазор δ = 30 – 40мм и ток индуктора Iин = 110 А, при которых достигается перепад температуры навнутренней поверхности ΔТвн = 50°С [13]. Графики температуры для выбранногосоотношения параметров приведены ранее на рис.

3.12.На рис. 3.14 представлены температурные поля в многослойном индукторе.Рис. 3.14. Температурное поле в многослойном индукторе(показана половина индуктора)Из рис. 3.14 видно, что температура по длине и слоям различаются при одинаковых условиях охлаждения. Наибольшая температура наблюдается в среднейчасти индуктора на внутреннем слое (рис. 3.15) [55].Рис.

3.15. Температура многослойного индуктора (1, 2, 3, 4 – номера слоев)91С целью определения температуры индуктора при разных условиях охлаждения исследовались зависимости средней Тсрин и максимальной Тmaxин температуры индуктора от коэффициента теплоотдачи αин (табл. 3.6).Таблица 3.6. Средняя и максимальная температура индуктора при разнойинтенсивности охлажденияαин, Вт/(м2·°С)2510204060100Тmaxин, °С120084065051530511054Тсрин, °С9356905483892557647Исследования показали, что с увеличением интенсивности охлаждения температура индуктора снижется.

Для обеспечения температуры индуктора 350– 400°С коэффициент теплоотдачи индуктора должен составлять 30 – 35 Вт/(м2°С).В результате исследований стационарного теплового режима нагревателясоставлена схема потоков тепла (рис. 3.16) и тепловой баланс (табл. 3.7).Таблица 3.7. Тепловой баланс ИРНМощность,подводимая киндуктору РИтого:Приход,%СтатьиРасход, %42,8100,0Тепло, выделяющееся в локализатореза счет индукционного нагрева, РлокТепловые потери локализатора, РпотЛТепло, передающееся от индуктора к локализатору за счет теплообмена, РпередТепло, забираемое охлаждающим воздухом РохлТепловые потери индуктора,РпотИНИтого:100,0Тепло, выделяющееся в индукторе, РинСтатьи2,713,837,03,7100,092Из схемы видно, что мощность, потребляемаяиндуктором Р, расходуется на нагрев локализатора Рлок и индуктора Рин, при этом тепловыделение в индукторе складывается из тепловыделения в оболочке Роб и жиле Ржил провода.Мощность тепловыделения в индукторе переРис.