Диссертация (1025993), страница 15
Текст из файла (страница 15)
3.1) лежит принцип бесконтактной передачи энергиимагнитногополя,генерируемогоиндуктором4,впромежуточныйнагревательный элемент 1, расположенный на поверхности нагреваемойконструкции 2 или ее элемента (узла ЭКС 3). Передача тепла на нагреваемуюконструкцию осуществляется от промежуточного нагревательного элемента 1.Для уменьшения тепловых потерь и задания направления потока тепловойэнергии промежуточный нагревательный элемент 1 изолирован с внешнейстороны специальным теплоизолятором 5. Исходя из условий режиматеплового нагружения, индуктор и промежуточный нагревательный элементымогут быть изготовлены в различных конфигурациях и располагаться, какснаружи, так и внутри нагреваемой конструкции.При реализации индукционного способа теплового нагружения большоезначениеимеетвыборматериаланагревательного элемента и индуктора.дляизготовленияпромежуточного102Поскольку мощность, отбираемая нагревательным элементом 1 изгенерируемогоэлектромагнитногополяпропорциональнавеличинекоэффициента поглощения мощности k материала [175] определяемого как:k ,(3.1)где ρ – удельное электрическое сопротивление материала, μ – относительнаямагнитная проницаемость,товыборматериаладляизготовлениянагревательногоэлементаосуществляется исходя из условия максимального значения магнитнойпроницаемости μ и удельного электрического сопротивления ρ.Рис.
3.1. Схема индукционного способа теплового нагружения элементовконструкций ЛА: 1 - промежуточный нагревательный элемент; 2 конструкция ЛА; 3 - узел ЭКС конструкции ЛА; 4 - индуктор; 5 теплоизоляторТак как с увеличением температуры удельное сопротивление ρбольшинства ферромагнитных металлов и сплавов растет, то при нагревеферромагнитной детали, его коэффициент поглощения мощности k будетвозрастать вплоть до достижения деталью температуры Кюри Tк (температурымагнитных превращений), после которой μ=1 (Рис.
3.2).103Рис. 3.2. Зависимость коэффициента поглощения мощности k оттемпературы для разных материалов: 1 - сталь У8 – У12; 2 - хромистая стальЭХ; 3 - сталь 12Х18Н10ТВсвязиспромежуточногоэтим,наиболеенагревательногоподходящимиэлементадляявляютсяизготовленияферромагнитныематериалы с высокой температурой точки Кюри и высоким значениеминтенсивности намагничивания. К таким материалам, прежде всего, относятсяжелезо, никель и кобальт (Рис. 3.3).Выбор материала для изготовления индуктора осуществляется из условиянаименьшегозначенияэлектрическогосопротивленияинаибольшейтеплопроводности.
Наиболее подходящим с точки зрения технологичности идоступности является медь. К примеру, серебро в этом отношении не имеетсущественных преимуществ, поскольку его электрическое сопротивление нанесколько процентов ниже, однако серебро значительно менее прочно, болеелегкоплавко и существенно дороже.С целью предотвращения перегрева индуктора, его конструкция, какправило, выполняется водоохлаждаемой и изготавливается из медной трубкиили полого профиля прямоугольного сечения, внутри которых осуществляетсяпроток охлаждающей жидкости.104Рис. 3.3.
Зависимость интенсивности намагничивания ферромагнетиковот температурыПроведенные анализ позволил разработать испытательную установку,позволяющую реализовать вышеописанный способ теплового нагружения приоценке работоспособности ЭКС конструкций ЛА в наземных условиях. Блоксхема установки приведена на Рис. 3.4.Для практической реализации данной установки индукционного нагреванеобходимаразработкаинженернойметодикирасчетапараметровиндукционного нагревателя, позволяющей на этапе проектирования позаданным параметрам и условиям нагрева с достаточной точностьюопределитьосновныетехническиехарактеристикииндукционногонагревателя.3.1.1 Инженерная методика расчета индукционного нагревателя длятеплового нагружения элементов конструкций ЛАВ основе инженерной методики расчета индукционного нагревателялежит алгоритм действий, структурная схема которого представлена наРис. 3.5.105Рис.
3.4. Блок-схема испытательной индукционной установки тепловогонагружения элементов и узлов конструкций ЛА106Рис. 3.5. Структурная схема алгоритма методики расчета индукционногонагревателяПри формировании исходных данных на разработку индукционногонагревателя необходимо определить следующие параметры:– геометрические размеры и форму нагреваемой конструкции илиобласти конструкции;– максимальную температуру и темп нагрева;– требования к равномерности нагрева конструкции и точностивоспроизведения заданного температурного поля;– специальные требования (ограничения к расстоянию между индуктороми нагреваемой конструкцией, материал и метод теплоизоляции индуктора,электрическая схема включения и т.д.).Выбор конструкционное схемы нагревателя предполагает определение107размеров и формы промежуточного нагревательного элемента и индуктора, атакже выбор типа системы «индуктор – промежуточный нагревательныйэлемент» (далее – система «И-НЭ»).
На Рис. 3.6 приведены основные типысистемы «И-НЭ» применяемые на практике при индукционном нагреве [176].а)Рис. 3.6.б)в)г)Основные типы систем «индуктор – нагреваемая деталь»(1 - индуктор, 2 - нагревательный элемент, 3 - магнитопровод): а)соленоидального типа с загрузкой внутри; б) с магнитопроводом; в)соленоидального типа с загрузкой снаружи; г) с плоской индукционнойкатушкойНа практике наибольшее применение нашли системы соленоидальноготипа с загрузкой внутри (Рис. 3.6, а), поскольку данная конфигурациядостаточно проста в исполнении и обладает наибольшим значением КПД принагреве.Определениеосновныхтехническихпараметровиндукционногонагревателя заключается в установлении данных, для последующего расчетаэлектрических и энергетических параметров.
К этим данным относятсяудельнаяповерхностнаямощностьвнагревательномэлементе,108электрофизические свойства нагревательного элемента и индуктора, а такжепоправочные коэффициенты, учитывающие тип системы «И-НЭ» и их форму.Удельная поверхностная мощность в промежуточном нагревательномэлементе PНЭ определяется согласно следующему соотношению:PНЭ PП PТП,Sгде PП – полезная мощность, необходимая для повышения температурынагревательного элемента массой m и значением удельной теплоемкости c сначальной температуры T0 до заданной температуры TН за время t, то естьPП c m(TН T0 );tPТП – мощность тепловых потерь, S – площадь энерговоспринимающейповерхности нагревательного элемента.Значение тепловых потерь в нагревателе зависит от его конструкционнойсхемы, режима нагрева и других технических параметров и могут бытьопределены расчетным путем.
Как правило, для цилиндрической системы«индуктор-нагревательный элемент» (Рис. 3.6, а, в) при температурах до500 °С PТП составляет от 5 до 10 % от значения PП.Расчет электрических и энергетических параметров индукционныхнагревателей различных типов систем «И-НЭ» может быть проведен на основеединого подхода.Первоначальнорассчитываетсязначениенапряженностиэлектромагнитного поля на поверхности нагревательного элемента HНЭ:H НЭ PНЭ f Fф,где ρ – удельное электрическое сопротивление материала нагревательногоэлемента,μ–относительнаямагнитнаяпроницаемостьматериаланагревательного элемента, f – частота переменного электромагнитного поля,генерируемого индуктором, Fф – поправочная функция, определяемая из109справочной литературы [175].Далее определяется напряженность электромагнитного поля вблизиповерхности индуктора НИ.
Для цилиндрической системы «И-НЭ» имеем:HИ Н НЭ hНЭ,K св hИгде hНЭ и hИ – высота нагревательного элемента и индуктора соответственно,Kсв – коэффициент связи, определяемый экспериментально или из справочнойлитературы.Активная мощность в индукторе при этом равна:PИ H И2 hИ d И И fFФ,K запгде dИ – внутренний диаметр индуктора, ρИ – удельное электрическоесопротивления материала индуктора, Kзап – коэффициент заполнения системы«И-НЭ» (обычно для цилиндрической системы Kзап=0,8÷0,9).Полная активная мощность PА системы «индуктор-нагревательныйэлемент» равна сумме активных мощностей:PA PНЭ PИ .(3.2)Полная мощность системы «И-НЭ» P∑ , определяется соотношением:P PA2 PQ2 ,(3.3)где PQ – полная реактивная мощность системы «И-НЭ», равная суммереактивных мощностей индуктора PИQ, нагревательного элемента PНЭQ, атакже реактивной мощности в зазоре между индуктором и нагревательнымэлементом PЗQ и реактивной мощности пространства вне системы P4Q.Реактивная мощность в индукторе PИQ определяется по формуле:PИQ PИG1,Fф(3.4)110где G1 – поправочная функция, показывающая во сколько раз отличаютсязначения активной и реактивной мощностей для проводящих тел конечныхразмеровотсоответствующихмощностейидеализированныхполубесконечных тел, использующихся при построении расчетных моделей.Реактивная мощность в нагревательном элементе:PНЭQ 0, 6 PНЭG1,Fф(3.5)Реактивная мощность в зазоре для системы «И-НЭ» цилиндрическоготипа, когда нагревательный элемент расположен внутри индуктора (Рис.
3.6,а) может быть определена по формуле:2PЗQ Н И2 hИ f (d И2 d НЭ),(3.6)где dНЭ – внешний диаметр нагревательного элемента.Реактивная мощность в пространстве вне системы «И-НЭ» определяетсяпо формуле:P4Q ( PНЭQ PЗQ )1 KN,KN(3.7)где KN = f(dИ/hИ) – коэффициент Нагаока, учитывающий краевые эффектысистемы «И-НЭ» и определяемый по табличным значениям [177].Приведенные соотношения (3.4), (3.5), (3.6) и (3.7) позволяют определитьполную реактивную мощность системы «И-НЭ»:PQ PИQ PНЭQ P3Q P4Q .(3.8)Тогда из соотношения (3.3) с учетом (3.2) получим значение полноймощности системы «И-НЭ».Для расчета количества витков индуктора w может быть использованоследующее соотношение:wH И hИ,2I111где I – сила тока в индукторе, определяемая для известного значениянапряжения питания индуктора с учетом (3.3) согласно выражениюIP.UТаким образом, предложенная инженерная методика позволяет позаданным параметрам и условиям нагрева элемента конструкции определитьосновныепараметрыитехническиехарактеристикииндукционногоособенностиизготовленияспециальногонагревателя.3.1.2.
Техническиеиндукционного нагревателяВ процессе экспериментальной отработки предложенного индукционногоспособатепловогонагруженияэлементовконструкцийЛАсогласновышеизложенной методике расчета было спроектировано и изготовленонесколькотиповспециальныхиндукторов,имеющихразличныегеометрические размеры и технические характеристики (Рис. 3.7).При изготовлении индукционной катушки нагревателя использовалсяметоднамоткииндуцирующегопровода(трубки)наспециальноизготовленную оправку, при этом диаметр оправки DО определяется исходя изследующего соотношения:DO DИ ,где DИ – требуемый диаметр индукционной катушки, Δ – увеличение диаметраиндукторапослеснятиянапряжениянамоткизасчетупругостинаматываемого индуцирующего провода (трубки или профиля).Перед началом намотки индукционной катушки необходимо провестиизоляцию индуцирующего провода для предотвращения межвитковогопробоя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
