Диссертация (785746), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Исследования проводились с использованием математической модели, разработанной в разделе 2.6.Моделирование проводилось в стационарном режиме работы индуктора(режим уничтожения), при этом варьировалась температура на входе в коллекторв диапазоне Твх = 5…20°С и расход воздуха G = 500…3000 л/мин. Мощность тепловыделения в индукторе принималась постоянной, вычисленной для тока 110 А.На первом этапе расчета определялись параметры течения воздуха в коллекторе. Исследование заключалось в определении скорости воздуха на выходе изколлектора с фиксированными размерами при разном расходе на входе, результаты исследования приведены в табл.
3.8 и на рис. 3.26.Таблица 3.8. Зависимость скорости воздуха на выходе изколлектора от расходаРасход воздуха G, л/мин500Средняя скоростьДавление в колна выходе из коллекторе, МПалектора, м/с0,1442Максимальнаяскорость в коллекторе, м/с9115000,238912820000,3412829030000,58190370100Рис. 3.26. Скорость воздуха внутри и на выходе из отверстий коллектора при расходе G = 1500 л/минИз таблицы видно, что при расходе более 2000 л/мин в локальных частяхколлектора возникает трансзвуковое течение (скорость более 350 м/с), при котором возникают сильные колебания и воздушные ударные волны, что дополнительно нагружает коллектор.
Для уменьшения скорости воздуха при большомрасходе необходимо увеличивать площадь поперечного сечения коллектора, чтоведет к увеличению габаритов индуктора. Поэтому при выбранных размерах коллектора наиболее приемлемым является расход 1500 – 2000 л/мин.На втором этапе моделировалось течение воздуха в зазорах многослойногоиндуктора, при этом в качестве начального условия задавалась скорость воздухана выходе из коллектора, полученная на предыдущем этапе. В расчетах мощностьтепловыделения в многослойном индукторе принималась постоянной, вычисленной для тока 110 А, варьировалась температура охлаждающего воздуха в диапазоне от 500 до 3000 л/мин и скорость на выходе из коллектора, вычисленная дляопределённого расхода (табл.
3.8).В результате моделирования получены данные о скорости и температуревоздуха внутри индуктора (рис. 3.27), из которого видно, что наибольшая скорость воздуха (23 м/с) наблюдается между 2-м и 3-м слоями индуктора, где размещен коллектор. За счет замкнутого движения воздуха внутри кожуха около наружного и внутреннего слойов скорость воздуха составляет 111 м/с. Наименьшаяскорость воздуха (0,5 м/с) наблюдается в зазорах между витками.101Рис.3.27. Скорость и температура воздуха внутри кожуха индукторапри расходе G = 1500 л/минИсходя из разных условий обтекания, в многослойном индукторе наблюдается неравномерное распределение коэффициента теплоотдачи по длине и слоям(рис.
3.28).1 слой (внутр.)2 слой3 слой4 слой (нар.)Рис. 3.28. Распределение коэффициента теплоотдачи по слоям индукторапри расходе G = 1500 л/минНаибольший коэффициент теплоотдачи (30 Вт/м 2°С) наблюдается на внутренней и наружной поверхности 2-ого и 3-ого слоев. На наружной и внутреннейчасти 1-ого и 4-ого слоев коэффициент теплоотдачи составляет 12 Вт/м 2°С, в зазорах между витками – 4 Вт/м2°С.На рис.
3.29 видно, что наибольшая температура индуктора наблюдается всредней части индуктора, что обусловлено наибольшими электрическими потерями (раздел 3.3). Несмотря на довольно низкий коэффициент теплоотдачи, темпе-102ратура обмотки в средней части при выбранных параметрах системы охлаждения,не превышает 400°С (рис. 3.29), что говорит о достаточности ее охлаждения.1 слой (внутр.)2 слой3 слой4 слой (нар.)Рис. 3.29. Распределение температуры по слоям индуктора при G = 1500 л/минДля оценки возможности интенсификации теплоотдачи индуктора проведено исследование влияния расхода и температуры охлаждающего воздуха на коэффициент теплоотдачи многослойного индуктора.
Результаты исследованияпредставлены в табл. 3.9 и 3.10.Таблица 3.9. Зависимость коэффициента теплоотдачи от температурыохлаждающего воздуха при G = 1500 л/минТемпература воз- Температура воз- Средний коэффици- Средняя темпедуха на входе в духа на выходе из ент теплоотдачи ин- ратура индукколлектор Твх, °Синдуктора Твых, °С дуктора αин, Вт/м2Ктора Тин, °С51159,326410151431678,78,2298320202307,6368Таблица 3.10. Зависимость коэффициента теплоотдачи от расходаохлаждающего воздуха при Твх = 15°CРасход воздуха на Температура возду- Средний коэффици- Средняя темвходе в коллектор ха на выходе из ин- ент теплоотдачи ин- ператураин2G, л/миндуктора Твых, °Сдуктора αин, Вт/м Кдуктора Тин, °С5002846,346315001678,2320200012311,324330008115,1156103Из табл.
3.9 и 3.10 видно, что для увеличения коэффициента теплоотдачинеобходимо или увеличивать расход, или снижать температуру охлаждаю еговоздуха. Для снижения температуры входящего воздуха требуются специальныехолодильники, поэтому наиболее простым способом интенсификации теплообмена является увеличение расхода.В результате исследования для поддержания температуры обмотки в диапазоне 350–400°С расход охлаждающего воздуха должен быть 1500-1800 л/мин притемпературе охлаждающего воздуха 15°С. Полученные данные использовалисьпри выборе параметров системы подачи сжатого воздуха и в разработке структурной модели ИРН.3.7.
Выводы по главе 31. Проведено исследование энергетических характеристик ИРН, в результате выбран ток индуктора, количество слоев, ширина индуктора и зазор между индуктором и локализатором. Выявлено, что наибольшее влияние на энергетическиепараметры оказывает толщина оболочки и ее материал.2. Составлен энергетический баланс нагревателя при использовании провода, изготавливаемого ОАО «Кирскабель» , из которого видно, что половина потребляемой мощности идет на нагрев оболочки, что приводит к низкому значению электрического КПД.3. Даны рекомендации по повышению электрического КПД нагревателя засчет изменения конструкции обмоточного провода, в том числе уменьшение толщины и увеличение удельного электрического сопротивления материала оболочки.4.
Исследованы тепловые параметры ИРН, выбран зазор, ширина и ток индуктора при которых, обеспечивается допустимый перепад температуры по длинелокализатора. Получены зависимости температуры и перепада температуры подлине локализатора в разных сечениях от времени пускового нагрева. Установле-104но, что за счет передачи тепла от индуктора к локализатору тепловй КПД нагревателя составляет 56%.5. Исследован процесс естественной конвекции нагревателя внутри камерыуничтожения.
Установлена зависимость коэффициента теплоотдачи локализатораот его температуры, температуры окружающего воздуха и давления внутри камеры уничтожения.6. Разработана коллекторная система охлаждения многослойного индуктораи исследовано течение воздуха в ней. Выбраны размеры коллектора, обеспечивающие равномерное охлаждение индуктора.7. Исследована вынужденная конвекция в системе охлаждения ИРН, установлены зависимости коэффициента теплоотдачи многослойного индуктора отрасхода и температуры охлаждающего воздуха. Выбраны параметры системы охлаждения, обеспечивающие температуру индуктора ниже 400 °С.105ГЛАВА 4.
РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫРЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ИССЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВРАБОТЫ ИНДУКЦИОННО-РЕЗИСТИВНОГО НАГРЕВАТЕЛЯ4.1. Постановка задачиКак показали тепловые расчеты, проведенные в Главе 3, тепловые потери споверхности локализатора за счет естественной конвекции не обеспечивают стабилизацию температуры в режиме уничтожения боеприпасов.В Главе 1 определено, что для уничтожения боеприпасов с заданной производительностью, температура внутри локализатора должна составлять Тлок = 450 ±20°С. Повышение температуры локализатора выше 500°С недопустимо по следующим причинам:– снижения прочностных свойств материала, что ведет к быстрому разрушению локализатора при многократных подрывах;– снижения магнитных свойств локализатора, что негативно сказывается наэффективности его нагрева;– уменьшению времени уничтожения и возможности взрыва боеприпасараньше, чем закроются шиберные устройства камеры уничтожения.Кроме этого, при взрыве боеприпаса часть тепловой энергии поглощаетсялокализатором, что ведет к его дополнительному нагреву изнутри.В Главе 3 установлено, что из-за больших потерь в оболочке провода происходит его сильный нагрев.
Несмотря на то, что допустимая температура эксплуатации провода составляет 400°С, для надежной и длительной его работы перегрев выше 350°С нежелателен. При слабом охлаждении или неисправности системы подачи воздуха возможен перегрев индуктора, что приведет к выходу его изстроя [77].В связи с этим возникает задача синтеза системы регулирования температуры локализатора для обеспечения стабильности уничтожения боеприпасов и предотвращения перегрева индуктора. Для этих целей предложена замкнутая система106автоматического регулирования, в которой управляющее воздействие формируется по результатам контроля температуры локализатора и индуктора.В установившемся режиме уничтожения изменение характеристик локализатора, таких как, теплоемкость, теплопроводность, коэффициент теплоотдачи,практически не происходит, вследствие чего их можно считать постоянными.
Вэтом случае требуемые параметры процесса могут быть обеспечены системойстабилизации с обратной связью по температуре.В результате создания системы регулирования решены следующие задачи:– исследованы параметры пускового нагрева локализатора в зависимости отпараметров питания индуктора и условий охлаждения, определено оптимальноевремя нагрева до рабочей температуры;– оценено влияние энергии взрыва на дополнительный нагрев локализаторав процессе уничтожения боеприпасов.4.2.
Методика построения структурной модели ИРНДля реализации данных функций предложена комбинированная двухконтурная схема регулирования с обратной связью по температуре, функциональнаясхема которой показана на рис. 4.1.Данная схема включает блок регулирования температуры индуктора, предназначенный для отключения питания индуктора при его перегреве, и блок регулирования температуры локализатора, поддерживающий по пропорциональномузакону температуру локализатора на заданном уровне.Анализ и синтез предлагаемой системы регулирования проводился методами структурного моделирования с использованием пакета прикладных программMatLAB/Simulink [78], в котором все элементы системы задаются в виде передаточных функций.При разработке структурной модели приняты следующие допущения:– ток и напряжение изменяются по синусоидальному закону;– материалы имеют постоянные теплофизические свойства;107Рис. 4.1.
Функциональная схема системы регулирования температуры– не учитывается перепад температуры по длине локализатора и индуктора.Система строится для максимальной температуры локализатора и индуктора, которая возникает в средней их части.– не учитывается вклад высших гармоник в нагрев оболочки провода индуктора;– все элементы имеют линейные характеристики, тиристорные элементы –идеальны, т.е.
прямое падение напряжения на ключах в интервалах проводимости,время их включения и обратный ток равны нулю.–индуктор и локализатор представлены в виде объекта с сосредоточеннымипараметрами, т.е. распределение температуры по объему индуктора и локализатора не учитывается;– локализатор в тепловом отношении упрощенно представлен в виде двухслойного тела, для которого при моделировании рассчитываются только температуры наружной и внутренней поверхностей;– условия конвективного и радиационного теплообмена считаются постоянными при нагреве;108– тепловые потери от локализатора при загрузке боеприпаса и при выгрузкеосколков приняты постоянными и равными среднему значению тепловых потерьза время загрузки и выгрузки;– задержка времени на передачу сигналов в каналах связи не учитывается;– тепло, расходуемое на нагрев боеприпаса, и тепло, поглощаемое локализатором при взрыве, задавалось в виде импульсов соответствующей амплитуды ипродолжительности.Структурная схема системы регулирования (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
