Диссертация (Разработка и исследование индукционно-резистивного нагревателя для уничтожения боеприпасов), страница 5

Данные программы позволяют строитьмодели, которые представляют собой физико-математическое цифровое представление исследуемого объекта и/или процесса, основанное на численном реше-27нии системы уравнений Навье-Стокса, сохранения энергии, массы и движения[44].Математические модели, заложенная в программу, позволяют задавать различные модели течения, постановку задачи (двух-, трехмерная), режим течения(стационарный, нестационарный), вид жидкости (ньютоновская, вязкая и т.д.),сжимаемость, многофазность, химические реакции, тепло- и массообмен и др., атакже начальные и граничные условия.Программа позволяет производить одновременно согласованный расчет полей температур, скоростей и давлений для всех составляющих исследуемого объекта, что позволяет избежать необходимости в упрощении совместных физических процессов.

Модели вычислительной газодинамики обладают высокой точностью и большой информативностью. Поэтому, вычислительный эксперимент наих основе приближается по своим качествам к натурному эксперименту. При расчете низкоскоростных течений наибольшее распространение получил пакетANSYS CFX, который использует трехмерную, неструктурированную сетку конечных объемов и имеет широкий выбор моделей течения.1.6.3. Методы и средства проектирования систем автоматическогоуправления температуройРазвитие вычислительной техники и соответствующего программного обеспечения открывают новые возможности по созданию математических моделейэлектротермических установок, основанных на принципах имитационного моделирования нелинейных динамических систем и устройств, представленных блоксхемой.В настоящее время существует несколько пакетов схемотехнического моделирования: OrCad, Micro Cap, Electronic Work Bench и т.

п. Данные пакеты, в основном, ориентированы на разработку электронных схем и не позволяют в полноймере моделировать преобразователь энергии совместно с электротермической установкой [45].28В этом смысле инструмент моделирования динамических систем Simulinkпакета Matlab, совместно с библиотекой электротехнических блоков Sim PowerSystem (SPS), выгодно отличается от пакетов схемотехнического моделирования.При моделировании электротермических установок силовая часть установки создается при помощи блоков библиотеки SPS, а модель установки и система управления – из блоков библиотеки Simulink. Она включает в себя обширную библиотеку блоков (непрерывные элементы, дискретные элементы, математическиефункции, нелинейные элементы, источники сигналов, средства отображения, дополнительные блоки), которые можно использовать для моделирования систем[46].Simulink автоматизирует наиболее трудоемкий этап моделирования: он составляет и решает сложные системы алгебраических и дифференциальных уравнений, описывающих заданную модель, обеспечивая удобный наглядный визуальный контроль за поведением установки.Построенный по единым принципам для разных предметных областей,Matlab одновременно является и операционной средой, и языком программирования.

Распространения пакета Мatlab обусловлено большим набором средств длярешения сложных задач.В ходе моделирования имеется возможность следить за процессами, происходящими в системе. Для этого используются специальные устройства наблюдения, входящие в состав библиотеки Simulink. Результаты моделирования могутбыть представлены в виде графиков или таблиц. Одним из достоинств системыMatlab является возможность взаимодействия всех его подсистем через общее«рабочее пространство», в котором одна подсистема может использовать результаты вычислений, выполненных в другой подсистеме.1.7. Постановка задач диссертационной работыПроведённый обзор методов и оборудования для уничтожения боеприпасов,показал, что наиболее эффективным и безопасным является термический метод.29Однако, из-за специфики химических боеприпасов существующие электротермические установки не могут быть использованы.Также из обзора выявлено, что для уничтожения боеприпасов сложной конструкции необходима специальная камера, основным элементом которой являетсянагреватель с локализатором взрыва.

Исходя из условий уничтожения боеприпасов, сформулированы требования к нагревателю. На основании кинетики разложения ВВ и прочностных расчетов выбраны размеры, материал и температурныепараметры локализатора. Исследованы магнитные свойства материала локализатора.Рассмотрены различные схемы нагрева локализатора, в результате выбраниндукторно-резистивный нагреватель с многослойной обмоткой. Проведен обзортрадиционных обмоточных проводов для индуктора. Разработана конструкцияобмоточного провода с металлической защитной оболочкой, обеспечивающейтребуемые параметры работы.

Исследованы магнитные свойства оболочки.Рассмотрены основные процессы, происходящие в многослойных индукторах, и методы их моделирования и расчета. Анализ литературы показал, что отсутствует методика расчета многослойных индукторов, учитывающая влияниеметаллической оболочки кабеля на энергетические характеристики, а также условия конвективного охлаждения локализатора и индуктора.Вследствие этого, целью диссертационной работы является: разработкаконструкции и методики расчета индукционно-резистивных нагревателей дляуничтожения боеприпасов, исследование электромагнитных и тепловых параметров, режимов работы нагревателя и выработка рекомендаций по их созданию ивнедрению.Задачи, решаемые в диссертационной работе, могут быть сформулированыследующим образом:1.

Выбор типа нагрева и конструкции нагревателя на основе требований коборудованию для уничтожения химических боеприпасов.302. Разработка математических моделей для анализа электромагнитных и тепловых процессов индукционно-резистивного нагревателя, а также выбора эффективных режимов его работы.3. Исследование электрических и тепловых параметров ИРН с помощьюразработанных математических моделей для выбора параметров нагревателя.4. Проведение экспериментальных исследований опытного образца ИРНдля подтверждения и уточнения теоретических результатов, полученных на математических моделях.5.

Разработка методики проектирования, выбор основных технических решений и режимов работы для промышленных образцов ИРН.6. Внедрение промышленных нагревателей на объектах по уничтожениюхимического оружия.31ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ, ТЕПЛОВЫХ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХПРОЦЕССОВ В ИНДУКЦИОННО–РЕЗИСТИВНОМ НАГРЕВАТЕЛЕ2.1. Конструктивная схема и работа ИРНИсходя из размеров локализатора (рис.

1.8), разработана конструктивнаясхема нагревателя (рис. 2.1), включающая индуктор, защитный кожух, системувоздушного охлаждения, опоры. Индуктор размещается внутри защитного кожухаиз нержавеющей немагнитной стали. Внутри защитного кожуха между слоямиобмотки размещается система охлаждения, в которую подается охлаждающийвоздух. Охлаждающий воздух проходит между витками обмотки, нагревается ивыходит через патрубок защитного кожуха в систему очистки.

Для снижения динамических нагрузок на индуктор между локализатором и защитным кожухомимеется радиальный зазор δ, кроме этого, кожух и локализатор имеют независимые опоры, закрепленные на общем основании [47].Рис. 2.1. Конструкция ИРН: 1 – локализатор; 2 – индуктор; 3 – защитный кожух;4 – уничтожаемый боеприпас; 5 – система охлажденияРабота ИРН осуществляется следующим образом: вначале производитсяпусковой нагрев локализатора до требуемой температуры 450°С, который, по ре-32зультатам испытаний, длится порядка 5–6 ч, затем начинается уничтожение боеприпасов (рис. 2.2).

Уничтожение боеприпасов происходит поштучно, при этомони последовательно загружаются в локализатор, нагреваются и взрываются, после чего локализатор очищается от осколков. Для достижения заданной производительности уничтожения 5–6 шт/ч время цикла уничтожения одного боеприпасаtц1 не должно превышать 10 мин, из них 3–4 мин на выдержку, выгрузку осколкови загрузку следующего боеприпаса, и 5–6 мин на нагрев.Работа нагревателя осуществляется круглосуточно до исчерпания ресурсалокализатора и может продолжаться 100 – 300 ч в зависимости от типа уничтожаемых боеприпасов. После замены локализатора производится повторный пусковой нагрев, и режим уничтожения продолжается.

Ресурсные испытания (Глава5) показали, что нагреватель может выдержать до 7000 подрывов, поэтому его замена производится намного реже, чем замена локализатора.Особенностью работы ИРН является то, что на нагрев боеприпаса расходуется тепловая мощность локализатора Рнагр, а при уничтожении поглощается частьтепловой энергии взрыва Рвзр , что определяет двухсторонний нагрев локализатора.Рис. 2.2. Циклограмма работы ИРН: 1 – температура локализатора,2 – температура боеприпаса2.2. Постановка задач моделированияИндукционно-резистивный нагреватель является сложным техническимобъектом, в котором протекают физические явления различной природы. Основ-33ными процессами считаются электромагнитные, тепловые и газодинамические.Для определения параметров нагревателя, обеспечивающих требуемое качествонагрева локализатора, необходимо разработать математические модели вышеперечисленных процессов.Для решения поставленных задач предложен следующий алгоритм моделирования (рис.

2.3). По заданным параметрам локализатора выбираются начальныепараметры индуктора, производится расчет электромагнитных полей и вычисляется мощность тепловыделения в локализаторе и индукторе. По найденной мощности тепловыделения решается газодинамическая задача естественной и вынужденной конвекции, и определяются коэффициенты теплоотдачи локализатора ииндуктора. Используя мощность тепловыделения и граничные условия теплообмена, решается тепловая задача, и определяются температурные поля. Затем происходит пересчет электромагнитной задачи с учетом изменения электрофизических свойств от температуры и передача мощности тепловыделения в тепловуюзадачу.