Диссертация (Разработка и исследование индукционно-резистивного нагревателя для уничтожения боеприпасов), страница 4

Кирс, Кировскаяобласть) для индуктора разработан специальный провод (рис. 1.11), которыйпредставляет собой жилу сечением 36 мм2 из бескислородной меди, вокруг которой находится минеральная изоляция – оксид магния (периклаз), снаружи проводимеет оболочку из нержавеющей стали.Провод имеет высокую прочность на изгиб, сплющивание, свивание и сохраняет, за счёт запрессованного изоляционного материала, относительное расположение жилы и оболочки при механических нагрузках. Кроме этого, кабель имеет высокую пластичность и минимальный радиус изгиба 150 мм, что позволяетнавивать его на малые диаметры [29]. Для обеспечения высокого коэффициентазаполнения индуктора (0,8–0,92) провод имеет квадратное сечение с наружнымиразмерами 10 × 10 мм [30].Данный провод серийно не выпускается и был изготовлен по специальномузаказу в небольших объемах, поэтому его размеры выбирались, исходя из существующих технологических возможностей изготовления на ОАО «Кирскабель».Провод изготавливается многократным волочением, при котором происходитпластическая деформация (до 70%) жилы и оболочки с уменьшением поперечныхразмеров и увеличением длины.Рис.

1.11. Разрез обмоточного провода (размеры в мм)Деформация ведет к изменению кристаллической решетки материалов и,следовательно, их физических свойств. На основании данных [31, 32] изначально22немагнитная сталь 08Х18Н10Т при пластическом деформировании, за счет превращения нестабильного аустенита в мартенсит приобретает магнитные свойства.Для определении магнитных свойств оболочки совместно с Институтом физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН (г.

Екатеринбург) проведено исследование содержания ферритной фазы в оболочке провода с использованием ферритометра ФХ и магнитного мультитестера ММТ-3. Установлено, что содержаниеферритной фазы в оболочке достигает 4%, вследствие чего она имеет слабые магнитные свойства (относительная магнитная проницаемость µ = 2,5).1.5. Анализ работ по расчету многослойных индукторовИндукционный нагрев имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами нагрева: высокая удельная поверхностная мощность, высокая скорость нагрева, высокие тепловой и электрический КПД, простота управления и возможность полной автоматизации процесса.

Однако, его недостатком является сложность получения сквозного равномерного нагрева массивного изделия (локализатора).Равномерность нагрева локализатора зависит от конфигурации индуктора,электро- и теплофизических свойств локализатора, а также краевых эффектов[33].Особенно ярко краевые эффекты проявляются в многослойном индукторе, вкотором проводники, находится не только в собственном переменном магнитномполе, но и в поле других проводников.

Это приводит к сложному перераспределению плотности тока по слоям индуктора при сохранении того же значения полного тока. За счет вытеснения тока на внутреннюю поверхность внутреннего слояиндуктора, в нем наблюдаются наибольшее активное сопротивление и электрические потери [34].У многовитковых индукторов можно выделить регулярную зону, в которойпреобладает аксиальная составляющая напряженности магнитного поля, и краевые зоны, где преобладает радиальная составляющая.

При приближении к краю23индуктора потери сначала уменьшаются из-за снижения тангенциальной составляющей, а затем увеличиваются из-за потерь от радиальной составляющей, приэтом потери в крайних витках могут быть в 2–3 раза больше, чем в регулярнойчасти [34].Исследованию многослойных индукторов посвящено много работ [35–37], вкоторых преимущественно рассматриваются вопросы их энергоэффективности.Большинство работ посвящено выбору оптимальных размеров и конструкции водоохлаждамых индукторов. Например, А.К. Северяниным для снижения потерь виндукторе предложено использовать биметаллические токопроводы, состоящиеиз сплошной медной токонесущей шины, к которой припаяна трубка охлажденияиз материала с высоким удельным сопротивлением (нержавеющая сталь илимельхиор).

Для снижения потерь в наиболее нагруженных внутренних витках обмотки В.С. Немковым предложено использовать переменную ширину проводников по слоям, увеличивающуюся от наружного слоя к внутреннему, и переменнуютолщину, увеличивающуюся от внутреннего к наружному слою.Расчет электромагнитного поля и потерь в многослойных индукторах представляет довольно сложную задачу. Электрические потери в индукторе, главнымобразом, зависят от конструкции и размеров обмотки, конфигурации сечения провода и электрических свойств материала провода. Согласно инженерным методикам, многослойный индуктор рассчитывается как эквивалентный однослойный ссуммарным числом витков и активным сопротивлением, что вносит большую погрешность в расчет [38].Исследование индукторов с многослойной обмоткой из провода с металлической защитной оболочкой вообще не проводилось, ввиду своей сложности ималого распространения в промышленности.

Большинство существующих индукторов имеет водяное охлаждение, реже воздушное, расчет которых осуществляется на основе уравнений гидродинамики и подобия. Работы по исследованию принудительного воздушного охлаждения многослойных индукторов отсутствуют.24Таким образом, для выбора конструкции нагревателя и определения его параметров необходимо решить ряд сложных взаимосвязанных задач, а именно:электромагнитной, тепловой и газодинамической для естественного охлаждениялокализатора и принудительного охлаждения многослойного индуктора. Ввидумногофакторности и нелинейности данных задач для их решения целесообразноприменять методы математического моделирования.1.6.

Выбор метода решения и программных средств моделированияДля определения электромагнитных, тепловых и газодинамических параметров нагревателя необходимо решить ряд дифференциальных уравнений, длячего могут использоваться аналитические и численные методы. Достоинствоманалитических методов расчета являются простота и удобство анализа результатов. Недостатки: невозможность создания многомерной модели, учета краевогоэффекта и нелинейности системы и ее свойств.Численный расчет для исследования сложных процессов незаменим в техслучаях, когда натурный эксперимент невозможен или затруднен, при этом вычислительный эксперимент отличается от натурного, неограниченным объемомполучаемой информации, а также возможностью исследования широкого диапазона конструктивных параметров, режимов работы и физических свойств материалов.

Особенностью вычислительного эксперимента является повторяемостьрезультатов, отсутствие случайной ошибки, связанной с действием неучтенныхфакторов. К тому же, вычислительный эксперимент гораздо дешевле для проведения, чем натурный – не расходуются охлаждающая вода, электроэнергия и расходные материалы, не требуется наличие объекта исследования, оборудования иоснастки, наконец, цена ошибки – потерянное машинное время, а не порча дорогостоящего оборудования. В связи с этим в дальнейшем будут рассматриватьсятолько численные методы расчёта.251.6.1. Методы расчета электромагнитных и температурных полейВсе численные методы расчета электромагнитных и тепловых полей, возникающих при индукционном нагреве, основаны на решении дифференциальныхуравнений Максвелла и Фурье с соответствующими граничными условиями [39].В настоящее время используют три основных метода численного решениядифференциальных уравнений в частных производных: конечных разностей(МКР), конечных элементов (МКЭ), интегральных уравнений (МИУ) [40].

Любойиз указанных методов основан на разбиении исследуемой области с помощьюсетки с ячейками той или иной формы на мелкие, простые элементы, поведениеполя в которых может быть описано не дифференциальными уравнениями в частных производных, а простыми алгебраическими аппроксимациями. При расчетеучитывается взаимодействие только близлежащих элементов, что соответствуеттеории близкодействия, описывающей распространение полей от точки к точке,их преломление и отражение на границах сред.Большинство коммерческих программ для моделирования электромагнитных и тепловых полей, например ELCUT, FLUX, JMAG, АNSYS основаны на МКЭи имеют эффективные вычислительные алгоритмы и сверхмощный математический аппарат.В отечественном пакете ELCUT есть возможность решения в двумерной постановке электромагнитной, тепловой задач, правда только последовательно, чтоне позволяет автоматически учитывать изменения физических свойств материалов в процессе нагрева.

ELCUT не позволяет моделировать трехмерные объекты,однако, большинство устройств индукционного нагрева являются осесимметричными телами вращения, с которыми ELCUT довольно легко справляется. Преимуществом ELCUT является наличие русскоязычной версии и документации,большое количество примеров, развитые возможности по обработке результатоврасчета (расчет индуктивностей, емкостей, усилий и т. п.) [41].Программа JMAG–Designer, разработанная японской фирмой JSOL, позволяет моделировать широкий круг задач, в том числе сопряженных электро-26тепловых, в двухмерной и трёхмерной постановках, включающих сложную геометрию и различные материалы с нелинейной зависимостью свойств от температуры.

В JMAG реализуется системный подход, к моделированию, включающийбольшой набор функций для создания сеток различного назначения, заданиявнешней электрической схемы, широкий набор граничных условий и материалов.JMAG считает тепловую задачу только в 3D, но ее можно совместить с 2D электромагнитной. В программе предусмотрена коррекция кривой намагничивания взависимости от температуры. Наиболее эффективен JMAG для решения 3D задач,так как обладает высокой скоростью расчета [42].ANSYS занимает лидирующие позиции на рынке средств конечноэлементного моделирования и имеет большие возможности для решения широкого классазадач. Одним из основных достоинств пакета ANSYS является наличие встроенного алгоритмического языка APDL. Интуитивная ясность и простота в сочетании сширокими функциональными возможностями позволили APDL превратиться вмощное средство автоматизации численного анализа. Программный продуктANSYS обладает удобным и гибким пользовательским интерфейсом.

Главным недостатком ANSYS являются повышенные требования, предъявляемые к аппаратному обеспечению для получения приемлемой скорости вычисления [43].В связи с разнообразием программ, решающим при выборе конкретной программы является доступность. В данной работе предпочтение отдано программному комплексу ANSYS, в силу его универсальности и доступности для автора.1.6.2. Методы расчета параметров течения воздухаДля расчета параметров течения при различных условиях обтекания и изменении физических свойств воздуха применяются современные методы вычислительной газодинамики с применением, например, такого программного обеспечения, как STAR–СD, FLUENT, ANSYS CFX.