автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Электротепловые процессы в токоведущих проводниках произвольной конфигурации

На правах рукописи

РГБ ОД

3 I идп 1,300

Ллиферов Александр Иванович

ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТОКОВЕДУ1ЦИХ ПРОВОДНИКАХ ПРОИЗВОЛЬНОЙ КОНФИГУРАЦИИ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

Специальность: 05.09.10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск 1999

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете

Научный консультант: доктор технических наук, профессор В.С.Чередниченко

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Рубцов В.П. доктор технических наук, профессор Блинов 10.11. доктор технических наук, профессор Радченко М.В.

Ведущая организация: ЛО ВНИИЭТО

Защита состоится на заседании диссертационного

совета Д 063.34.09 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу : 630092, г. Новосибирск, пр. К.Маркса,20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.

Автореферат разослан "2.2-" // 1999г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Г.В. Ноздренко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Электротехнологические системы прямого преобразования электрической энергии в тепловую получили широкое распространение в промышленности и научных исследованиях и сфера их применения постоянно расширяется. Развиваются новые электротехнологические процессы на основе этих систем, в том числе высокоточный по температурам нагрева электроконтактный нагрев, плоские плазменные нагреватели для низкотемпературного нагрева и ряд других устройств прямого преобразования энергии за счет пропускания электрического тока непосредственно по наг реваемому изделию или нагревателю с передачей тепловой энергии в технологический объем.

В области традиционного применения электроконтактного метода в последнее десятилетие происходят существенные перемены. Повышаются требования к точности реализации и поддержания режима нагрева, связанные с повышением качества проводимой электротехнологии, экономичности процессов с повышением уровня мощностей. Особенно сложные требования выдвигает применение электроконтактпых установок в составе непрерывных гибких автоматизированных производственных систем, когда изменение в определенных пределах исходных свойств нагреваемых изделий и связанных с этим необходимость изменения режима их нагрева является нормальным условием эксплуатации оборудования. Сформировавшиеся в последние десятилетия требования к повышению качества нагрева в установках электроконтактного нагрева определило необходимость совершенствования существующих и разработки новых перспективных технологических процессов, в которых необходимо учитывать совместное воздействие электромагнитного и теплового полей. Проектирование новых установок не укладывается в разработанные методики и трафареты и требует глубокого знания физических явлений в электроконтактных системах, методов их исследования и расчетов. Ряд рекомендаций по проектированию таких устройств, полученных 20-40 лет назад, не отвечают новым условиям и требуют пересмотра в соответствии с современным состоянием техники и требованиями к качеству нагрева и степени автоматизации. В имеющейся научной и технической литературе, посвященной различным видам установок электроконтактного нагрева, рассмотрены, в основном, электротепловые задачи нагрева одиночных прямолинейных проводников без учета геометрических форм технологических изделий, электромагнитного и теплового взаимодействия с узлами оборудования. Такая постановка задачи не может позволить решать проблемы повышения качества нагрева и ресурсосбережения.

Плоские плазменно-напыленные нагреватели, созданные в последнле годы, не имеют аналогов в практике использования электронагрева. Поэтому научные и практические задачи, связанные с разработкой промышленных устройств этого вида необходимо было решать впервые. Особенностью устройств подобного типа являются тонкие (0.05 + 0.2 мкм) токонедущис слои проводящего материала, работающие при температурах, не превышающих (100 150) °С. Основная потребность в таких электротехнологпче-ских установках имеется в бытовом нагреве при обогреве помещений и нагреве воды до температуры (70-: 80) °С для коммунальных и сельскохозяйственных нужд. Необходимость их массового производства определяет повышенные требования к материалоемкости, сроку службы, экологичности, электробезопасности, себестоимости.

Оба этих вида электротехнологического оборудования: системы электроконтактного нагрева и плоские плазменно-напыленные нагреватели -прежде всего объединяются фундаментальными процессами формирования электромагнитного поля в проводниках произвольной формы, нелинейным характером граничных условий при рассмотрении тепловых и электродинамических процессов, развивающихся в условиях несимметричных как по магнитным связям, так и тепловым условиям взаимодействия с окружающими элементами промышленных устройств.

Необходимость и целесообразность решения задач исследования закономерностей электротепловых процессов в токоведущих проводниках произвольной конфигурации, разработки методов расчета параметров установок электроконтактного нагрева прямоугольных и круглых, прямолинейных и криволинейных изделий, плоских многослойных нагревательных систем определяет актуальность вопросов, рассматриваемых в диссертации.

Выполненные в работе исследования и разработанные методики позволяют достоверно рассчитывать электротепловые режимы токоведущих элементов произвольной конфигурации, широко применяемых в системах токоподводов, токовводов, токопроводов в электротехнологических, электротехнических и энергетических установках.

Тема диссертации непосредственно связана с планом проведения совместных научно-исследовательских работ с ГНЦ ЦНИИТМАШ, определенных соответствующими инструктивными материалами и приказом министерства энергетического машиностроения (от 05.02.85г. № 55).

Цель работы. Основная цель настоящей диссертации в научном плане - дать наиболее полное физическое и математическое описание реальных явлений, происходящих в токоведущих проводниках произвольной формы в приложении к электроконтактному нагреву ( криволинейные и прямолинейные изделия прямоугольного и цилиндрического сечения) и плоским элек-

троиагрсвателям с тонким распределенным слоем, и разработать основы теории электротепловых процессов в токоведущих проводниках произвольной формы. В практическом плане разработать методы расчета таких систем и показать эффективность их применения при разработке новых электротехнологических систем прямого преобразования электрической энергии в тепловую.

Главные положения, выносимые на защиту:

1. Общая теория и методы исследования электротенловых процессов в токоведущих проводниках произвольной конфигурации.

2. Физико-математические модели электротепловых процессов в токоведущих проводниках различной конфигурации, включая прямоугольные и цилиндрические, сплошные и полые, прямолинейные и криволинейные проводники, и методы снижения температурных перепадов по их сечению.

3. Результаты многофункционального анализа энергетической и экономической эффективности нагрева проводящих тел с различными геометрическими размерами, определяющие границы рационального использования электроконтактного нагрева.

4. Комплекс расчетно-теоретических моделей и экспериментальных исследований, включающих электромагнитные и теплофизические процессы взаимодействия с окружающим рабочим объемом, обеспечивающий создание плоских низкотемпературных электронагревателей.

5. Инженерные методы расчета установок электроконтактного нагрева криволинейных и прямолинейных цилиндрических, полых и сплошных изделий и прямолинейных листовых заготовок.

6. Инженерные методы выбора конструктивного исполнения н расчета технических характеристик плоских пленочных электронагревателей.

Научная значимость и новизна состоит в том, что разработана общая теория и методы исследования электротепловых процессов в токоведущих проводниках произвольной конфигурации, позволяющие достоверно рассчитывать распределение мощности внутренних источников теплоты и температурные поля по их сечению для стационарных и нестационарных тепловых режимов, и на этой основе обоснованно проектировать электротехнологические установки с прямым преобразованием электрической энергии в тепловую. При этом впервые получено общее решение распределения мощности внутренних источников теплоты в криволинейных проводниках круглого сечения, имеющих произвольный угол изгиба. Выявлены закономерности протекания электротепловых процессов в сплошных и полых, прямолинейных и криволинейных проводниках, круглого и прямоугольного сечения в условиях несимметричных и нелинейных как по электромагнитным связям,

так и тепловым условиям взаимодействия с окружающими элементами промышленного оборудования.

Разработаны физические и математические модели протекания элек-тротспловых процессов в токоведущих проводниках произвольной конфигурации, включая цилиндрические и прямоугольные, прямолинейные и криволинейные, и методы выравнивания температурных градиентов по сечению нагреваемых изделий. Впервые выявлена взаимосвязь температурного поля в криволинейных токоведущих проводниках круглого и прямоугольного сечения с их геометрическими , тепло- и электрофизическими параметрами, характером распределения мощности внутренних источников теплоты по их сечению и условиями локального свободного конвективно-радиационного теплообмена на их граничных поверхностях. Разработаны инженерные методики расчета характеристик установок электроконтактного нагрева криволинейных изделий , позволяющие обеспечить требуемые технические условия электротехнологии по энергетическим показателям и качеству температурного поля.

Теоретически и экспериментально доказана эффективность работы плоских нагревательных низкотемпературных многослойных систем. Установлены пределы варьирования геометрических параметров токоведущих слоев, геометрических и теплофизических параметров основы-подложки, а также условий теплообмена на ее поверхности, обеспечивающие выбор рационального конструктивного исполнения и технологии изготовления плоских пленочных электронагревателей.

Совокупность научных результатов позволила создать методологические основы проектирования установок электроконтактного нагрева сплошных и полых изделий произвольной конфигурации и электротехнологических нагревательных устройств на базе плоских многослойных нагревательных систем.

Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены с использованием аналитических и численных методов расчета электромагнитных и температурных полей в токоведущих проводниках произвольной конфигурации, методов статистической обработки экспериментальных данных, элементов теории планирования эксперимента и теории подобия, натурных экспериментов на опытно-промышленных и экспериментальных установках. Достоверность методов и результатов исследований проверялась путем параллельного расчета различными методами и экспериментальной проверкой на физических моделях и опытно-промышленных установках.

Практическая ценность работы состоит:

- в научно обоснованной методике анализа электротепловых процессов в токоведущнх проводниках произвольной конфигурации;

- разработке инженерных методов выбора конструктивного исполнения и расчета технических эксплуатационных характеристик установок низкотемпературного нагрева на базе плоских нагревательных систем;

- разработке методики расчета распределения плотности переменного тока по сечению круглого проводника с произвольным углом изгиба, которая может быть применима при определении параметров изогнутых участков гокоподводов, токовводов и систем трубошин в различных электротехнологических и электротехнических агрегатах;

- разработке инженерной методики расчета параметров установок электрокоитактного на1рева с температуровырапнивающей разнотолщинной и равномерной тепловой изоляцией;

- разработке пакета прикладных программ, позволяющих проводит исследования электротепловых процессов в токоведущнх проводниках криволинейной и прямолинейной формы круглого и прямоугольного сечения.

Реализация результатов работы. Инженерные методики расчета установок электроконтактного нагрева криволинейных изделий, снабженных температуровыравнивающей тепловой изоляцией, использованы ГНЦ ЦНИИТМАШ (Москва) при создании промышленной установки для термообработки изогнутых участков трубопроводов. Инженерные методы расчета и способы выравнивания температурных полей в нагреваемых изделиях использованы при разработке технологии восстановительной термообработки толстостенных труб паропроводов ТЭЦ Павлодарским государственным региональным центром "Энергосбережение" (Павлодар, Республика Казахстан). Инженерные методики расчета плоских электронагревательных элементов использованы институтом теплофизики СО РАН (Новосибирск) для разработки плоских плазменнонапыленных электронагревателей.. Методика расчета электрических параметров криволинейных токоподводов используется АО "Сибэлектротерм " (г. Новосибирск) при разработке мощных электротехнологических установок, в частности сверхмощных дуговых сталеплавильных электропечей. Плоские плазменно-напыленные электронагреватели, созданные с использованием методик, разработанных в диссертационной работе, внедрены в ЗАО "Научно-производственное предприятие неорганической химии" (Новосибирск).

Электротепловые модели, приведенные в диссертации, используются кафедрой "Автоматизированных электротехнологических установок" Новосибирского государственного технического университета в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 18.05.00 - "Электротехноло-

гические установки и системы" и магистров по направлению 55.13.00 -"Электротехника, электромеханика и электротехнологии".

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научной конференции Московского энергетического института (МоскБа, 1985), 6-й Московской городской конференции молодых ученых и специалистов по повышению надежности, экономичности и мощности энергетического, электротехнического и радиоэлектронного оборудования (Москва, 1985), Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (2-й - Крым, 1996; 3-й - Клязьма, 1998); Международной научно- технической конференции "Проблемы комплексного развития регионов Казахстана" (Павлодар, 1996); Всероссийской научно-технической конференции "Создание защитных и упрочняющих покрытий с использованием концентрированных потоков энергии"(Барнаул, 1996); на Всероссийской научной конференции "Электротехнология: сегодня и завтра" (Чебоксары, 1997); Международной конференции "Физика плазмы и плазменные технологии" (Минск, 1997); Международных российско-корейских симпозиумах по науке и технологиям (Ульсан-Корея, 1997; Томск, 1998; Новосибирск, 1999); семинаре по электротермии (Падуя - Италия, 1999), а также на ряде научно-технических совещаний и семинаров.

Публикации. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований опубликованы в 38 печатных работах, включающих 5 учебных пособий, 2 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и имеет общий объем 296 страниц, включая 85 рисунков, 12 таблиц и список литературных источников из 112 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении формулируется актуальность темы, проблема, цель и научные задачи исследований. Приведены основные положения, выносимые на защиту, реализация работы в промышленности, изложены сведения об апробации и публикациях.

В первой главе дано общее описание физических явлений, протекающих в устройствах прямого преобразования электрической энергии в тепловую на примере систем электроконтактного нагрева, плоских низкотемпературных нагревательных систем, систем традиционных металлических средне- и высокотемпературных нагревательных элементов; приведен анализ основных известных методов расчета и исследования количественных характеристик электромагнитных и тепловых процессов для сравнительно про-

стых (прямолинейных) систем (проводников) при протекании по ним переменного или постоянного тока.

Установлено, что практически отсутствуют работы по исследованию электротепловых процессов в приложении к объектам сложной конфигурации (криволинейных цилиндрических и прямоугольных, прямолинейных и криволинейных плоских пленочных проводников). Если методическая основа исследований, проведенных в имеющейся литературе по расчету интегральных, электрических и технико-экономических характеристик, получаемых в прямолинейных токоведущих проводниках, применима для проводников произвольной конфигурации (криволинейных, плоских пленочных), то использование для этих объектов электротепловых моделей, описанных в литературных источниках, невозможно. Вместе с тем , результаты исследований и рекомендации, приведенные в литературе по вопросам выбора источника питания (источник тока или напряжения ) и рода тока (переменный или постоянный) могут быть применимы и для токоведущих проводников сложной конфигурации.

Во второй главе приводится общая постановка физико-математической модели электротепловых процессов в проводнике произвольной формы и анализ начальных и граничных условий для обобщенных систем преобразования энергии.

С целью формирования требований к физико-математической модели проведен анализ факторов, влияющих на характер электротепловых процессов, протекающих в токоведущих проводниках произвольной конфигурации в стационарных и нестационарных условиях их эксплуатации.

В результате экспериментальных исследований, выполненных при протекании переменного и постоянного тока по прямолинейным и криволинейным проводникам сплошного и трубчатого цилиндрического сечения, при протекании переменного и постоянного тока по плоским напыленным пленочным резистивным слоям плоских электронагревательных систем, выявлены следующие основные факторы, определяющие тепловое состояние токоведущего проводника произвольной конфигурации: неравномерное распределение плотности тока по сечению проводника, вызванное явлениями поверхностного и кольцевого эффектов, эффекта близости и влиянием нетоковедущих магнитных масс, расположенных вблизи проводников; неравномерные условия теплообмена на поверхности проводника, определяемые неравномерным распределением локального коэффициента теплоотдачи на его поверхности; нестабильностью толщины токоведущего проводника (например, разнотолщинность стенок деформированных изогнутых участков трубчатых проводников, неравномерность толщины напыленных слоев плоских нагревательных систем); зависимость удельного электросопро-

тнвления материала проводника от температуры; зависимость удельного электросопротивления от плотности (пористости) и толщины токоведугцсго проводника, что существенно для напыленных токоведущих слоев.

Качественный анализ показал, что в зависимости от условий электрического режима, геометрической формы проводника и технологии его изготовления, определяющее значение может иметь тот или иной фактор. Применительно для технологий электроконтактного нагрева существенное влияние на температурное поле в нагреваемом прямолинейном изделии оказывает род тока (постоянный или переменный), определяющий распределение мощности внутренних источников теплоты по его сечению, влияние магнитных конструктивных элементов установки, находящихся вблизи нагреваемого изделия и изменяющих распределение мощности внутренних источников теплоты по сечению, и неравномерное распределение локального коэффициента теплоотдачи по поверхности изделия.

Для криволинейных изделий, имеющих большой угол изгиба G (G > 71/4) и значительную относительную продольную кривизну а,т.е. отношение наружного радиуса цилиндрической заготовки к радиусу изгиба ее продольной оси (а > 0.05) превалирующим является кольцевой эффект, при малых значениях этих параметров (G < 7Г/8 рад и а < 0.025) может преобладать неравномерность теплообмена вдоль наружной поверхности изделия. Выявленная в результате исследования разнотолщинность стенок криволинейных участков полых изделий (труб), имеющая строгую продольную ориентированность, может оказывать существенное влияние на распределение мощности внутренних источников теплоты и температурного поля, когда глубина проникновения электромагнитной волны превышает толщину стенки.

Применительно к условиям эксплуатации плоских пленочных нагревательных систем существенными могут быть такие факторы: кольцевой эффект в пределах изогнутых участков резистивных слоев нагревателя, вызывающий неравномерное распределение мощности внутренних источников теплоты но ширине напыленного слоя; неравномерное распределение локального коэффициента теплоотдачи на поверхности нагревательного элемента, расположенного в вертикальной плоскости; неравномерность толщины резистивного слоя; зависимость удельного электросопротивления пленочного проводника от толщины пленки.

Установлено, что применительно к установкам электрокоитактного нагрева прямолинейных металлических изделий для режимов скоростного нагрева (и> 10 °С/с) с точностью, достаточной для инженерных расчетов интегральных электротехнических и энергетических параметров, можно пренебречь процессом теплоотдачи с наружной поверхности нагреваемого

изделия. В то же время при исследовании теплового режима пренебречь указанными тепловыми потерями нельзя. Выявлено, что при выполнении инженерных теплотехнических расчетов электроконтактного нагрева криволинейных изделий можно для ряда технологий (о> 1 °С/с) не учитывать процесс теплопередачи теплопроводностью в теле нагреваемого объекта. При этом предполагается, что скорость нагрева во всех его точках определяется только радиальным и азимутальным распределением мощности внутренних источников теплоты. Поэтому при создании модели распределения температурного поля по сечению криволинейного изделия возможно поочередное решение электромагнитной и тепловой задач

Применительно к электротепловым процессам в плоских электронагревательных системах эксперименты показали, что на прямолинейных участках распределение мощности внутренних источников теплоты равномерно в интервале геометрических размеров, применяемых в настоящее время. Но в то же время оптимизация подобных электронагревателей требует исследования характера изменения мощности внутренних источников теплоты в широком диапазоне ширины и толщины наносимого токоведущего слоя во взаимодействии с системой токоподвода и параллельных (или последовательных) участков напыленных слоев.

В результате анализа перечисленных факторов сформированы основные требования к физико-математической модели квазистационарных электромагнитных, нестационарных и стационарных тепловых процессов в то-коведущих проводниках произвольной формы.

В главе 3 обоснованы, поставлены и разработаны физическая и математическая модели электротепловых процессов, протекающих в токоведу-щих криволинейных цилиндрических проводниках на переменном токе.

Глава состоит из трех разделов: первый посвящен исследованию электромагнитных явлений в токоведущих криволинейных цилиндрических проводниках; второй- решению тепловой задачи в токоведущих полых криволинейных цилиндрических проводниках в условиях свободного конвективно - радиационного теплообмена на их граничных поверхностях; третий - исследованию тепловых процессов, протекающих в полых криволинейных токоведущих проводниках в условиях интенсивного конвективного теплообмена на их внутренней поверхности.

Электромагнитные процессы в криволинейном проводнике, рассматриваемые в разделе 3.1, проявляются в форме поверхностного и кольцевого эффектов. Сложность математического описания этих процессов, особенно для изделий, имеющих произвольный угол изгиба, определила выбор методического подхода к их исследованию. Первоначально в результате анализа литературных источников был установлен вид зависимости распределения

плотности переменного тока и мощности внутренних источников теплоты по периметру и радиусу криволинейного проводника, что определило комплекс экспериментальных исследований. Далее путем статистической обработки экспериментальных данных автором впервые было получено выражение, описывающее распределение амплитуды плотности тока по сечению криволинейного цилиндрического проводника, имеющего произвольный угол изгиба, в зависимости от электрического режима , тепло- и электрофизических свойств и геометрических параметров проводника:

шеср

1-С-

где К-(Р)= Г-у -выражение, учитывающее

( Л 2 \

^ 1-а

1-а-соБр

явление кольцевого эффекта применительно к замкнутому кольцевому проводнику круглого сечения; а =--отношение наружного радиуса цилин-

К-о

дрического проводника круглого сечениния Я2 к радиусу изгиба его про-

п- о л п < о 1 + ^/1 —ОС2

дольной оси Ио (см. рис.1); ^ — £П4— и.Э + Ш-- функция, за-

а

висящая от параметра а ; (3- угловая координата, отсчитываемая в поперечном сечении изогнутого проводника от линии, соединяющей продольную ось изделия с осью вращения, вокруг которой оно изогнуто; в- угол изгиба проводника; ^еср = п _ ™ -

тудное значение плотности тока; 1Ш, 8е - амплитудное значение тока и глубина проникновения электромагнитной волны; Б - коэффициент, учитывающий ферромагнитные свойства проводника: для немагнитного материала

для ферромагнитного материала Е) — 1.68;

ехр(-(112 -11)/5е) К(К) = К.(К)= =-,--зависимость, отражающая радиальное распределение плотности тока для немагнитного проводника;

~ ~ г-' ^ - среднее по периметру ампли-2-тс-К, -6

К(К) = К(Я)я =

V 1-457 -6е у

- зависимость, характеризующая радиаль-

ное распределение плотности тока в ферромагнитном проводнике.

Полученное выражение позволяет вычислять распределение плотности тока и мощности внутренних источников теплоты по сечению криволинейного цилиндрического проводника, имеющего произвольный угол изгиба продольной оси. Достоверность этого выражения подтверждается его совпадением с известными решениями для крайних случаев: криволиней-ность равна нулю - прямолинейный проводник (зависимость получена Л.Р. Нейманом) и полностью замкнутый тороидальный проводник (зависимость получена В.П. Вологдиным). Как видно из рис. 1, точность предложенной формулы во всем диапазоне изменения угла изгиба в (от 0 до 2 я) не хуже 10 % при нагреве до 500 °С и 18% при температуре более 700 "С.

В работе проведен анализ влияния геометрических параметров (а и в) нагреваемого изделия и величины стабилизированного переменного тока на распределение плотности тока и мощности внутренних источников теплоты по сечению криволинейного цилиндрического проводника. На рис. 2 приведены зависимости распределения относительной плотности тока на поверхности цилиндрического криволинейного проводника

от соотношения а и угла изгиба в при

/леер V *

значениях (3=0 и Р=27с, между которыми наблюдается максимальное отличие плотности тока на поверхности криволинейного проводника. Область, заштрихованная на рис. 2, определяет величины геометрических параметров а и в, при которых с точностью не менее 10% можно не учитывать кривизну проводника при решении электротепловой задачи и рассчитывать нестационарное и стационарное тепловое состояние токоведущего криволинейного проводника по моделям, разработанным для прямолинейных проводников и описанным в главе 1.

Выполнен анализ неравномерности распределения мощности внутренних источников теплоты от геометрических параметров (а и в ) и температурной зависимости удельного электросопротивления. Установлено, что при расчете распределения мощности внутренних источников теплоты по периметру криволинейного цилиндрического проводника можно воспользоваться приведенным выше выражением с усредненным значением в = тс при величине параметра а < 0.025 (см. рис. 3). В этом случае погрешность вычисления распределения мощности по периметру проводника не будет превышать 13%. Такое допущение возможно лишь при температур-

Иг

с/те, 10

А/м2

м/ 2

■к/4 л/2 Зп/4

[5, рад

Рис. 1. Распределение амплитудного значения плотности тока по периметру криволинейного изделия:.....- -эксперимент;--расчет по модели автора; —х—х—х--расчет по известной модели.

чЛле 1,6 1,4

О к/2

3/4п 2к

рад

Рис. 2. Зависимость относительной плотности тока J в экстремальных точках

и,

поверхности (Р=0 и Р=л) от угла изгиба О и параметра а =

К»'

л

Рис. 3. Диаграмма азимутального распределения относительной мощности внутренних источников теплоты при: а) а= 0.025; б) а~ 0.125.

Рис. 4. Временная зависимость температуры 0 = Т/Т(1 в экстремальных точках поверхности криволинейного изделия при токе: 1 -1=7.5 кА, 2 - 1=5.0 кА.

ных перепадах по периметру проводника ЛТ < 50 °С. Комплекс проведенных исследований позволил создать инженерную методику расчета мощности внутренних источников теплоты по периметру и радиусу изогнутых цилиндрических проводников с произвольным углом изгиба.

В разделе 3.2 рассмотрена физическая картина и разработаны аналитическая и численная математические модели тепловых процессов, протекающих в полых криволинейных длинномерных цилиндрических проводниках в условиях свободного конвективно-радиационного теплообмена на его внутренней и наружной поверхностях. Показано, что температурное поле в нагреваемом объекте формируется в результате взаимодействия следующих факторов: конвективно-радиационного теплообмена на границах поверхностей нагреваемого проводника, процесса теплопередачи теплопроводностью в его теле, распределения мощности внутренних источников теплоты по его сечению.

При разработке аналитической модели сформулирован методический подход к решению этой многофакторной тепловой задачи, позволившей создать более простую обозримую модель нестационарного теплопереноса в токоведущем проводнике. Результатом его применения явился переход от исследования трехмерной электротепловой модели к решению ряда модельных одномерных задач. При этом приняты два следующих основных допущения для всего комплекса рассматриваемых тепловых задач. Первое из них базируется на предположении о том, что отсутствует переток тепла вдоль проводника, т.е. не учитываются краевые эффекты, обусловленные влиянием водоохлаждаемых контактов. Оно вполне обоснованно для длинномерных криволинейных изделий. Второе связано с переходом от тороидальной системы координат к цилиндрической при описании тепловых процессов в криволинейном цилиндрическом изделии. Определены условия, при которых возможно перенесение результатов теплового расчета, получаемого для прямолинейного цилиндрического проводника, на криволинейное цилиндрическое изделие. Установлено, что подобный переход возможен при соблюдении следующих положений:

- равенство наружного и внутреннего радиусов поперечного сечения прямолинейной модели и криволинейного изделия;

- распределение мощности внутренних источников теплоты по сечению прямолинейной модели аналогично распределению, получаемому в криволинейном изделии;

-условия теплообмена во внутренней полости прямолинейной модели и на ее наружной поверхности также аналогичны тегшообменным процессам, создаваемым у поверхности криволинейного изделия.

Для обоснования последнего положения в работе решен ряд частных тепловых задач радиационного теплообмена, определивших предельные соотношения геометрического параметра изделий а и степени черноты его поверхности е, при которых это условие удовлетворяет инженерной практике. •

Применение разработанного методического подхода позволило провести анализ влияния различных факторов на распределение температуры но сечению криволинейного цилиндрического изделия. Так, стационарная численная тепловая модель позволила провести анализ влияния на распределение температурного поля в проводнике конвективной составляющей теплового потока с внутренней и наружной поверхностей полого изделия и распределения мощности внутренних источников теплоты по его сечению. Установлено, что в режиме изотермической выдержки при конечной постоянной температуре нагрева для малых значений угла изгиба й (й < 71/8 ) и параметра а (а < 0.075 ) возможно получение равномерного температурного поля с помощью правильно выбранной ориентации изделия в пространстве, когда плоскость, в которой расположено изделие, вертикальна, а ось, вокруг которой оно изогнуто, находится ниже нагреваемого тела. В остальных случаях необходимо применение специальных методов, выравнивающих температурные перепады по периметру изогнутого цилиндрического изделия.

Разработана численная модель нестационарного распределения температуры по периметру полого изогнутого изделия при электроконтактном нагреве на переменном токе. Исследовано влияние неравномерности мощности внутренних источников теплоты и теплообмена на его граничной поверхности на временную зависимость температурного распределения при скоростных режимах электроконтакгного нагрева. Результаты расчета по этой модели хорошо согласуются с экспериментальными данными, что видно из рис.4.

Для создания инженерной методики расчета температурного поля по сечению изогнутого цилиндрического проводника в работе рассмотрены предельные случаи нагрева. Первая предельная задача охватывает режим нагрева до температуры 400 °С , когда на граничных поверхностях изделия преобладает теплообмен конвекцией , вторая - свыше 600 °С , когда радиационный тепловой поток существенно превосходит конвективный , третья соответствует промежуточному режиму в диапазоне температур (400-5-600) °С , где на граничных поверхностях тепловые потоки радиационный и конвективный соизмеримы. Каждое из предельных решений получено при помощи аналитических методов, и в своем интервале варьирования температуры имеет точность расчета, достаточную для инженерной практики. Это

особенно важно на стадии оценочных вычислений в начальный период проектирования установок электроконтактного нагрева криволинейных изделий. На рис. 5 представлены температурные зависимости, характеризующие соответствие "точной" численной модели и решения предельных задач, подтверждающие достаточную точность полученных решений.

Обобщенность моделей расчета распределения поля температур по периметру нагреваемого изделия определяется тем, что входные и выходные параметры вычислений представлены в виде критериев подобия.

В разделе 3.3 разработана численная модель стационарного распределения температурного поля по сечению полого кольцевого немагнитного проводника в условиях вынужденной теплоотдачи ( интенсивного охлаждения) на его внутренней поверхности и неравномерного теплового потока, подходящего из вне к его наружной поверхности. Тепловая задача была решена применительно к исследованию температурного поля по сечению витка (равностенной трубки) индуктора индукционной тигельной печи. Принят ряд обоснованных допущений: температурное поле стационарно; температурное поле двумерно, т.е. зависит только от радиальной и азимутальной координат и не изменяется по длине трубки индуктора; кривизна витка не учитывается и трубка индуктора считается прямолинейным проводником, в котором мощность внутренних источников теплоты распределена неравномерно вследствие кольцевого эффекта, проявляющегося в криволинейном проводнике, и вычисляется по выше приведенному выражению; коэффициент теплопроводности материала индуктора постоянен; удельное электросопротивление материала индуктора - линейная функция температуры.

Разработанная математическая модель позволила исследовать режимы водоохлаждения индукционных тигельных печей для плавки чугуна и стали, установить уровни температурных перепадов по сечению (периметру и толщине) трубки индуктора, оценить температурные перепады между охлаждающей водой и внутренней поверхностью трубки индуктора. Подтверждено, что в электропечах повышенной частоты (500 Гц) указанные температурные перепады выше, чем в печах промышленной частоты. По толщине стандартных равностенных трубок перепад температуры не превышает (1 н-2) °С из-за высокого коэффициента теплопроводности материала индуктора. Температурный перепад по периметру поперечного сечения достигает (8^ 10) °С и объясняется значительными тепловыми потоками от расплавленного металла через стенку тигля к индуктору и неравномерным распределением внутренних источников вследствие кольцевого эффекта и эффекта близости.

Полученные результаты согласуются с имеющимися литературными данными других авторов. Разработанная математическая модель позволяет

0 0,8 0,6 0,4 0,2

0 2 4 6 Fo

Рис. 5. Соотношение численной модели и предельных аналитических решений. Jmtt/Jmn

3,0

2,5

2,0

1,5 1,0 0,5

О 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 N

Рис. 6. Зависимость неоднородности тока в токоведущем прямолинейном проводнике прямоугольного сечения от параметра N и относительного расстояния h, между ним и токоведущей шиной: 1 - h, = 0.5; 2 - h| = 1; 3 - ht = 1.5; 4 - h, = 2; 5 - h, = oo.

\ A

\ \

Á

Л

проводить уточнение предельных токовых нагрузок индукторов с учетом предельно допустимых температурных режимов межвитковой электроизоляции в условиях предельно возможных минимальных уровней расхода охлаждающей воды.

В четвертой главе обоснованы, поставлены и разработаны физическая и математическая модели электротепловых процессов, протекающих в плоских токоведущих проводниках на переменном и постоянном токах.

Глава состоит из трех разделов: первый посвящен исследованию электромагнитных явлений, протекающих при переменном токе в токоведущих прямолинейных проводниках прямоугольного поперечного сечения, одиночных либо двух, бифиллярно расположенных в одной плоскости с противоположно направленными токами или одинаково направленными токами, или двух, бифиллярно расположенных в параллельных плоскостях; второй -решению нестационарной тепловой задачи в плоских токоведущих листовых проводниках прямоугольного поперечного сечения в условиях их свободного конвективно-радиационного теплообмена с окружающей средой применительно для процесса электроконтактного нагрева; третий - исследованию стационарных тепловых процессов в многослойной структуре плоских пленочных электронагревателей.

В разделе 4.1 на основании анализа физических процессов в тонких плоских проводниках был сделан вывод о возможности упрощения электромагнитной задачи, основанной на решении системы дифференциальных уравнений Максвелла, с введением следующих допущений: глубина проникновения электромагнитной волны значительно превосходит толщину то-коведущего проводника; токоведущий проводник достаточно длинный и можно пренебречь изменением параметров электромагнитного поля по его длине; электромагнитные величины синусоидальны во времени.

Разработана численная модель, основанная на решении интегродиф-ференциального уравнения, характеризующего распределение напряженности электрического поля по ширине плоского токоведущего проводника. Вычисление распределения тока по ширине токоведущего плоского проводника выполнялось по закону Ома в дифференциальной форме , а мощности внутренних источников по закону Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.

Анализ результатов расчета (см. рис. 6) показал, что неравномерность плотности тока по ширине токоведущего плоского проводника становится существенной при величинах параметра Ы=(ц0-ц-Ь-Ь-^/(8я-р), превышающих 0.05 (где Цо - магнитная постоянная; ц - относительная магнитная проницаемость; Ь, Ь - толщина и ширина плоского токоведущего проводника, м; Г - частота тока, Гц; р - удельное электросопротивление, Ом • м). Подтвер-

ждено, что данная неоднородность зависит от взаимного расположения двух проводников друг относительно друга. Установлено, что при их расположении в параллельных плоскостях либо в одной плоскости и при отличии фаз токов, протекающих в них на 180 градусов, увеличение расстояния между ними приводит к ослаблению неоднородности электромагнитного поля по их ширине. При расположении плоских проводников в одной плоскости и совпадении фаз токов, протекающих в них, неравномерность электромагнитных параметров уменьшается при сокращении расстояния между ними.

Применительно к режимам электроконтактного нагрева плоских токо-ведущих листовых изделий были рассчитаны распределения плотности тока по их ширине и показано, что расположение рядом с изделием токопрово-дящей полосы, по которой протекает ток, совпадающий по фазе и величине с током в изделии, является хорошим методом выравнивания мощности внутренних источников теплоты, а значит, и температуры по ширине нагреваемого токопроводящего листа. Такое выравнивание наиболее существенно (т.е. 1тх/1т1п < 1-1) при расстоянии между токоведущими проводниками, меньшем половины нагреваемого листа. При этом условии неравномерность плотности тока по ширине токопроводящего листа компенсируется влиянием эффекта близости. Полученные результаты при расстоянии между изделием и полосой , близком к нулю, совпадают с результатами, полученными другими авторами.

Применительно к условиям работы тонких резистивных слоев плоских электронагревателей существенным может оказаться взаимовлияние токов , протекающих в омическом слое и токоподводе, если ферромагнитная подложка (основа) электронагревателя расположена между ними. Такое конструктивное расположение нагревателя может резко увеличить токовую перегрузку токоведущего слоя. Поэтому располагать нагревательные элементы необходимо так, чтобы резистивный слой был обращен в сторону токопод-вода. При правильном взаиморасположении токоподвода и электронагревателя распределение плотности тока по ширине резистивного слоя оказывается равномерным на промышленной частоте тока, поэтому при разработке тепловой модели плоского многослойного электронагревателя мощность внутренних источников теплоты можно считать постоянной по сечению токоведущего слоя.

В разделе 4.2 выполнены исследования распределения температурного поля по ширине плоского металлического листа при протекании по нему постоянного либо переменного тока. Разработана численная модель, основанная на решении нестационарного трехмерного уравнения теплопроводности по локально-одномерной схеме и позволяющая рассчитывать распределение температуры по ширине тонких листовых изделий при их нагреве на посто-

янном или переменном токе в условиях свободного конвективно-радиационного теплообмена с окружающей средой.

В работе предложена аналитическая методика расчета процесса нагрева металлических листов на постоянном и переменном токе. Выполнено ее сравнение с результатами вычислений на численной модели. Установлены границы применимости предложенной аналитической методики.

В разделе 4.3 исследованы тепловые процессы в многослойной структуре плоских пленочных электронагревателей, изложена методическая постановка и результаты численного моделирования поля температур в зависимости от различных варьируемых параметров. В соответствии с результатами анализа факторов, влияющих на тепловое состояние плоских нагревателей (выполненного в главе 2), сформулирована общая постановка тепловой задачи при следующих допущениях и ограничениях: нагревательные элементы работают в условиях стационарного температурного режима; градиент температуры по длине нагревательного элемента отсутствует; электронагреватель расположен в горизонтальной плоскости в условиях свободного конвективно-радиационного теплообмена с окружающей средой; теп-лофизические свойства материала напыленных слоев и подложки и коэффициенты теплоотдачи и степень черноты на поверхности электронагревателя постоянны.

С учетом принятых допущений описание теплового режима плоского пленочного электронагревателя можно представить системой дифференциальных уравнений теплопроводности, записанных для подложки и каждого напыленного слоя и граничных условий, сформированных соответствующим образом для каждой из граничных поверхностей в зависимости от конструктивного исполнения электронагревателя (нагреватель с одной или несколькими дорожками напыленной трехслойной системы).

Эта задача была решена методом конечных разностей. Результаты численного моделирования представлены в виде графиков температурного поля по ширине подложки и нанесенных слоев в зависимости от следующих факторов: материала подложки и электроизоляционных слоев, толщины и ширины подложки и нанесенных слоев. Полученные зависимости позволяют решать задачи оптимизационного характера для конструктивного исполнения и геометрических параметров электронагревателя. На рис. 7 приведено распределение температурного поля по ширине подложки однодорожеч-ного электронагревателя, а на рис. 8 многодорожечного в зависимости от коэффициента теплопроводности, толщины и ширины подложки и мощности, выделяемой в резистивном слое. Расчеты показывают, что эффективность работы такого электронагревателя повышается с увеличением коэффициента теплопроводности и толщины подложки, что приводит к миними-

т,°с

60 40 20 0 20 40 X, мм

Рис. 7. Распределение температуры по ширине подложки однодорожечного плоского электронагревателя от ее коэффициента теплопроводности X, толщины И при максимальной температуре 85 °С: 1 - Х=120 Вт/(м-К); 2 - Л.=60 Вт/(м К); 3 - Х=30 Вт/(м-К);--Ь= 1мм;.......Ь= 4мм.

ГС

-45=^

60

40

20

-1

-2 -3

40 20

20 40

X, мм

Рис. 8. Распределение температуры по ширине подложки многодорожечного плоского электронагревателя от ее коэффициента теплопроводности А., толщи ны Н при максимальной температуре 85 °С: 1 - Х=120 Вт/(М'К) 2 - Х=60 Вт/(м К); 3 - Х=30 Вт/(м К).

зации температурных перепадов по сечению многослойной структуры плоского пленочного электронагревателя и повышает его удельную поверхностную мощность. Установлены предельные соотношения геометрических и теплофизических характеристик подложки, обеспечивающие относительные температурные перепады по ширине одно- и многодорожечиых электронагревателей не превышающие 10 %. Показано, что при выполнении электронагревателя на подложке, характеризуемой соотношением Ь-Х,< 0.04 (где Ь и Х- толщина и теплопроводность материала подложки), достижение равномерного температурного поля возможно только при нанесении многослойной структуры по всей поверхности основы.

В пятой главе рассмотрены вопросы, связанные с промышленной реализацией выполненных исследований электротепловых процессов в токове-дущих проводниках произвольной конфигурации.

Глава состоит из четырех разделов. Первый посвящен разработке методик расчета и проектирования установок электроконтактного нагрева длинномерных изделий произвольной конфигурации. Второй - сравнению энергетических показателей установок электроконтактного и индукционного нагрева. Третий - созданию инженерных методик расчета и проектирования, позволяющих создавать рациональные конструкции плоских пленочных нагревательных систем. Четвертый - исследованию и разработке инженерной методики, обеспечивающей применения плоских электронагревателей в электропечах сопротивления непрерывного действия.

В разделе 5.1 дана классификация методов выравнивания температурного поля в токоведущих проводниках произвольной конфигурации на переменном и постоянном токах. Показано, что наиболее рациональными являются методы выравнивания температурного поля, изменяющие условия теплообмена с окружающей средой, либо распределение мощности внутренних источников теплоты. Высокую равномерность температурного поля по сечению как криволинейных, так и прямолинейных проводников, нагреваемых на переменном или постоянном токах, можно обеспечить при применении специальных тепловых экранов, изменяющих радиационную составляющую теплового потока с поверхности проводника, либо разнотол-щинной теплоизоляцией для криволинейных и равномерной для прямолинейных проводников, устанавливаемой вдоль наружной их поверхности. Из методов, перераспределяющих внутренние источники теплоты при нагреве на переменном токе, наиболее существенными для криволинейных проводников могут являться системы, основанные на применении П - образных магнитопроводов или применение расположенных параллельно в пространстве токоведущих шин, для прямолинейных цилиндрических проводников -регулируемые источники питания с постоянной составляющей тока, а для

прямолинейных плоских листовых изделий - использование систем П - образных магнитопроводов либо токоведущих шин, расположенных параллельно в пространстве при нулевом отличии фаз токов, протекающих в изделии и шине.

Разработана математическая модель, оценивающая влияние профиля разнотолщинной тепловой изоляции на распределение температуры по сечению криволинейных цилиндрических проводников. Проведено исследование применимости различных теплоизоляционных материалов для выравнивания температурного поля по сечению такого проводника. На рис. 9 представлены экспериментальные зависимости, характеризующие динамику изменения максимального температурного перепада, получаемые при электроконтактном нагреве криволинейных изделий при различных условиях теплообмена на граничной поверхности. А именно, в условиях свободного радиационно-конвективпого теплообмена с окружающей средой (поз. 3) , при наличии тепловой изоляции одинаковой толщины по периметру проводника (поз. 2) и при разнотолщинной изоляции, рассчитанной по разработанной математической модели (поз. 1). Сравнение приведенных графиков указывает на достаточную для инженерных расчетов точность данной модели. На основе данной математической модели разработана инженерная методика выбора и расчета параметров разнотолщинной тепловой изоляции криволинейных изделий для электроконтактного нагрева на переменном и постоянном токах. Предложенная методика позволяет также выполнять расчет параметров равномерной тепловой изоляции для прямолинейных нагреваемых изделий.

Исследование выравнивающей способности магнитопроводов проводилось на опытно-промышленной установке электроконтактного нагрева с применением методов планирования эксперимента. Используя метод планирования эксперимента применительно к двухфакторному процессу с получением неполного квадратного полинома с последующим преобразованием независимых переменных, получены регрессионные зависимости максимального температурного перепада по периметру криволинейного изделия и наибольшей разности мощности внутренних источников теплоты от положения стержней магнитопровода. На рис. 10 приведена зависимость максимального температурного перепада, формируемого по периметру криволинейного проводника, от положения стержней П-образного магнитопровода. Полученные результаты указывают не только на возможность применения подобных магнитопроводов для качественного выравнивания температурных полей по периметру нагреваемых криволинейных изделий, но создания строго заданного профиля температуры, формируемого при электрокон-

е 0,8 0,6 0,4 0,2

0 2 4 6 Ро

ЙР7" /'/У -1

А ^ ¡¡Ц

1. Разнотолщинная теплоизоляция 2. Равномерная теплоизоляция 3. Без теплоизоляции

Рис. 9. Временная зависимость температуры в экстремальных точках поверхности криволинейного изделия.

Рис. 10. Зависимость максимального температурного перепада ДТ2, от положения стержней магнитопровода : 1 - — = 1.0; 2 - — = 0.5; 3 - —=0.15

(1 с1 с!

тактном нагреве в поперечном сечении нагреваемого изделия, имеющего произвольную конфигурацию.

Результатом приложения математической модели, оценивающей влияние разнотолщинной тепловой изоляции на температурные перепады в нагреваемом изделии, к инженерной практике является разработанная методика расчета электрических характеристик стабилизированного источника тока, профиля и теплофизических параметров температуровыравнивающей тепловой изоляции. С помощью этой методики выполнен выбор параметров опытно-промышленной установки элеетроконтактного нагрева криволинейных участков трубопроводов.

Исследование выравнивающей способности бифилярного токоподвода для криволинейных изделий и токоведущей шины для прямолинейных изделий выполнялось численными методами и сравнивалось с экспериментальными и расчетными результатами, представленными в литературных источниках. Как показали исследования, применительно к криволинейным проводникам выравнивающий эффект обеспечивается только при малых значениях угла изгиба G < Я/8 и параметра а < 0.05. Хороший эффект выравнивания температурного поля по ширине прямолинейных листов может быть получен при расстоянии между нагреваемым изделием и токоведущей шиной, меньшем половины ширины изделия. Разработанная численная модель позволяет рассчитывать геометрическое расположение токоведущей шины относительно нагреваемого изделия для обеспечения требуемого профиля температурного поля по его ширине. Способ выравнивания температурного поля по сечению криволинейного изделия с помощью бифилярного токоподвода защищен авторским свидетельством.

В разделе 5.2 проведен анализ энергетических показателей установок электроконтактного и индукционного нагрева, применяемых для нагрева стальных заготовок под механическую обработку давлением и термообработку. Установлено, что в кузнечно-прессовом производстве и при некоторых видах термообработки, где допускаются высокие скорости нагрева, установки электроконтактного нагрева имеют более высокий полный КПД, достигающий 0.75+0.9, и меньшие значения удельного расхода электроэнергии (250+300кВтч/т), чем установки индукционного нагрева. Из рис. 11 и рис. 12 следует, что такое соотношение полного КПД и удельного расхода электроэнергии для установок электроконтактного и индукционного нагрева обеспечивается при скоростях нагрева и> 8 °С/с и диаметрах заготовок, не превышающих 120 +140 мм. В технологических процессах, протекающих при скоростях нагрева и> 0.1 °С/с, полный КПД установок электроконтактного нагрева составляет значения, не превосходящие 0.3 без тепловой изоляции, и только применение равномерной или разнотолщинной тепловой

Рис. 11. Зависимость полного КПД от диаметра заготовки и скорости нагрева: сплошные линии - установка электроконтактного нагрева, пунктирная - установка индукционного нагрева.

Рис. 12. Зависимость удельного расхода электроэнергии от диаметра заготовки и скорости нагрева: сплошные линии - установка электроконтактного нагрева, пунктирная - установка индукционного нагрева

изоляции обеспечивает величины полного КПД до 0.65, что позволяет им конкурировать с установками индукционного нагрева по энергетическим показателям при диаметрах нагреваемых заготовок не более 160 мм.

В разделе 5.3 разработана инженерная методика расчета параметров плоских низкотемпературных пленочных нагревательных систем. Исследована зависимость удельной поверхностной мощности плоского пленочного электронагревателя от геометрических и теплофизических характеристик его подложки. Установлены соотношения геометрических и теплофизических параметров, при которых плоские пленочные нагреватели максимально приближаются по теплофизическим свойствам к идеальному нагревательному элементу. Из рис. 13 следует, что удельная поверхностная мощность такого электронагревателя приближается к предельному значению, соответствующему характеристике идеального электронагревательного элемента, с ростом коэффициента теплопроводности и толщины подложки. На рис. 14 показаны зависимости удельной поверхностной мощности многодорожеч-ного нагревателя от соотношения ширины резистивного слоя и расстояния между дорожками и коэффициента теплопроводности подложки. Разработана инженерная методика выбора конструктивного исполнения и расчета геометрических параметров плоских плазменно-напыленных электронагревателей.

На основе комплекса проведенных экспериментальных и теоретических исследований и выявленного механизма выхода из строя плоских плазменнонапыленных нагревателей разработаны методические подходы к совершенствованию электротехнологии их изготовления.

В разделе 5.4 исследованы возможности применения плоских пленочных электронагревателей в электропечах сопротивления непрерывного действия. Подтверждено, что в электропечах сопротивления непрерывного действия, имеющих короткие тепловые зоны, за счет переизлучения радиационных потоков существует значительное взаимовлияние между нагревательными элементами, участками загрузки и футеровки, расположенными в различных тепловых зонах. Для исследования этих явлений была разработана математическая модель, в основу которой положен зональный метод расчета лучистых потоков в рабочей камере электропечи в прямой постановке. Модель реализована в виде пакета прикладных программ на ПЭВМ. Моделирование выполнялось при следующих допущениях: нагревательный элемент сплошной; площадь поверхности нагревательного элемента равна площади внутренней поверхности футеровки свода и поверхности загрузки в пределах тепловой зоны печи; температура каждой расчетной поверхностной зоны постоянна и определяется для участков загрузки технологическим режимом ее нагрева, а для футеровки и нагревателей - их конструктивными

Рис. 13. Зависимость удельной поверхностной мощности V/ однодорожечного плоского электронагревателя от толщины Ь и коэффициента теплопроводности X подложки: 1 - л=30 Вт/(м-К); 2 ->.=60 Вт/(м-К); 3 - Я.=120 Вт/(м-К); 4 - \=<х>.

Рис. 14. Зависимость удельной поверхностной мощности многодорожечного плоского электронагревателя от толщины Ь и отношения ширины резистивного слоя Ь и расстояния между слоями а при ?„=30 Вт/(м-К).

особенностями. Проведенное исследование позволило найти поправочные коэффициенты, учитывающие переизлучение между нагревателями, загрузкой и боковой поверхностью футеровки камеры печи, уточняющие инженерную методику расчета допустимых удельных поверхностных мощностей реальных электронагревателей.

Основные результаты работы состоят в следующем.

1. Сформулированы основные требования к физической и математической моделям электротепловых процессов в токоведущих проводниках произвольной конфигурации, полученные па основании анализа различных факторов (неравномерное распределение плотности тока по сечению проводника, вызванное явлениями поверхностного и кольцевого эффектов, эффекта близости и влиянием нетоковедущих магнитных масс, расположенных вблизи проводника; неравномерные условия теплообмена на поверхности проводника, определяемые неравномерным распределением локального коэффициента теплоотдачи на его поверхности; нестабильность толщины токоведущего проводника, например, разнотолщинность стенок деформированных изогнутых участков трубчатых проводников или неравномерность толщины напыленных слоев плоских нагревательных систем; зависимость удельного электросопротивления материала проводника от его температуры, пористости и толщины, что существенно для напыленных токоведущих слоев), определяющих распределение температурного поля по сечению прямолинейных и криволинейных токоведущих проводников прямоугольного и цилиндрического сечения. На основании проведенных исследований показано, что разработанные основы теории электротепловых процессов в токоведущих проводниках произвольной конфигурации позволяют рассчитывать режимы работы электротехнологических установок с прямым преобразованием электрической энергии в тепловую и выбирать рациональные конструктивные решения промышленного оборудования.

2. Разработан комплекс математических моделей, описывающих электротепловые процессы в токоведущих проводниках произвольной конфигурации - прямолинейных, криволинейных цилиндрического и прямоугольного сечения, предназначенный для использования в системах автоматизированного проектирования установок электроконтактного нагрева изделий произвольной конфигурации и плоских нагревательных систем с распределенными резистивными слоями. Алгоритм расчета электротепловых процессов реализован в виде пакета прикладных программ на ПЭВМ.

3. Доказано, что разработанный аналитический метод расчета распределения внутренних источников теплоты по сечению криволинейных цилиндрических проводников, имеющих произвольный угол изгиба, позволяет

прогнозировать изменение температурных перепадов по сечению изделий и, следовательно, управлять качеством осуществления электротехнологии. На основании установленных закономерностей влияния параметров электрического режима, геометрических, тепло- и электрофизических характеристик нагреваемого криволинейного проводника на распределение мощности внутренних источников теплоты по сечению определены границы обеспечения требуемых параметров качества электротехнологической обработки.

4. Исследованы взаимосвязь характеристик электрического режима установок электроконтактного нагрева, геометрических параметров и пространственного расположения нагреваемого изделия произвольной конфигурации и их влияние на распределение температурного поля по его сечению. Установлены оптимальные соотношения геометрических параметров и пространственного положения нагреваемого изогнутого или прямолинейного изделия, позволяющие получать заданную равномерность температурного поля по его сечению.

5. Исследованы возможности применения различных промышленных устройств, обеспечивающих требуемую равномерность температурного поля по сечению токоведущих проводников произвольной конфигурации.

6. Разработана инженерная методика расчета электрических характеристик установок электроконтакгного нагрева изделий произвольной конфигурации и режимио-конструктивных параметров устройств, выравнивающих температурное поле по сечению изделий в соответствии с требуемыми характеристиками конкретной электротехнологии.

7. Показано, что созданная система плоских электронагревателей наиболее близка к критериям идеального электронагревателя. Доказано, что рабочие режимы плоских электронагревателей определяются теплофизиче-скими свойствами подложки и ее взаимодействием с окружающей средой.

8. Установлено, что механизм выхода из строя плоских плазменно-напыленных электронагревателей связан с теплофизическими процессами возникновения электродуговых микроразрядных процессов при линейных температурных расширениях нагревателей и появлении зазоров (трещин) между токоведущими порошковыми областями рабочих массивов нанесенных слоев. Разработаны методологические подходы к совершенствованию электротехнологии их изготовления.

9. Разработана инженерная методика расчета параметров плоских низкотемпературных пленочных нагревательных систем с распределенными ре-зистивными слоями.

10. Теоретические результаты экспериментально проверены и реализованы в виде инженерных методик, которые внедрены ГНЦ ЦНИИТМАШ (Москва) при создании промышленной установки для термообработки изо-

гнутых участков трубопроводов; использованы Павлодарским государственным региональным центром "Энергосбережение" (Павлодар, Республика Казахстан) при разработке технологии восстановительной термообработки толстостенных труб паропроводов ТЭЦ; применены институтом теплофизики СО РАН (Новосибирск) при разработке плоских низкотемпературных электронагревательных элементов; использованы АО "Сибэлектротерм" (Новосибирск) при разработке систем токоподводов мощных электротехнологических установок. Плоские плазменно-напыленные электронагреватели, созданные с использованием методик , разработанных в диссертационной работе, внедрены в ЗАО "Научно-производственное предприятие неорганической химии" (г. Новосибирск).

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Алиферов А.И., Казанов A.M., Синицын В.А Установки низкотемпературного нагрева. Электроконтактный нагрев: Учеб. пособие. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1995.-39C.

2. Алиферов А.И., Малышев С.Н. Электрическая часть элеюротехно-логических установок (электрические печи сопротивления): Учеб. пособие-Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1995.-38С.

3. Чередниченко B.C., Алиферов А.И и др. Физические основы преобразования энергии: Учеб. пособие/- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1997.Ч. 1. -115с.

4. Алиферов А.И., Аньшаков A.C. и др. Основы электротехнологии. Электрические и тепловые процессы в токонесущих плоских проводниках: Учеб. пособие / Под ред. Чередниченко B.C.- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1998.-88C.

5. Теплообмен излучением в высоко- и среднетемпературных электропечах сопротивления непрерывного действия. Энергосбережения и улучшения режимов термообработки в электропечах сопротивления непрерывного действия: Учеб. пособие / Алиферов А.И., Ведин А.Н. и др.- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1998.-46с.

6. Lupi S., Aliferov A. Electrical resistance heating// Modern technologies and economical advantages of electroheat and electrical energy conversion.-Padua: Servizi grafici editoriali, 1999,- P. 1-10.

7. Аньшаков A.C., Алиферов А.И., Казанов A.M., Урбах Э.К. Электродуговой генератор плазмы для обработки порошковых материалов// Теплофизика и аэромеханика,- 1998,- Т.5, №2.-С.237-245.

8. Алиферов А.И. Исследование электроконтактного нагрева толстостенных труб сложной конфигурации// Оптимизация процессов в электротермических установках с применением ЭВМ: Сб. науч. тр.- М.: Моск. энерг. ин-т, 1987. -№ 122.- С.83 - 87.

9. Алиферов А.И. Распределение плотности тока в поперечном сечении криволинейных изделий при электроконтактном нагреве // Автоматизированные электротехнологические установки: Сб. науч. тр./ Новосиб. элек-тротехн. ин-т,- Новосибирск: 1991,- С. 81 - 87.

10. Кириченко В.А., Безруков И.А., Алиферов А.И. Структура газового потока в аноде плазмотрона с проницаемыми межэлектродными вставками // Автоматизированные электротехнологические установки: Сб. науч. тр./ Новосиб. электротехн. ин-т - Новосибирск, 1991.- С. 68 - 72.

11. Алиферов А.И. Теплообмен в цилиндрических полых криволинейных изделиях при электроконтактном нагреве // Электротехнологические процессы и установки: Сб. науч. тр. - Новосибирск: НГТУ, 1995,- С. 20-30.

12. Алиферов А.И, Казанов A.M., Ершов A.A. Экспериментальные характеристики резистивных плоских нагревателей //Электротехнологические процессы и установки: Сб. науч. тр. - Новосибирск: НГТУ, 1995,- С.97-101.

13. Расчет внешних магнитопроводов осесимметричной системы индуктор-загрузка по запасенной энергии поля/ Кислов А.П., Захаров И.В., Титов М.В., Алиферов А.И.; Электротехнологические процессы и установки: Сб. науч. тр.- Новосибирск: НГТУ, 1995,- С. 108-112.

14. Галкин С.Г., Алиферов А.И. Павленко JI.K. Нагрев порошковых материалов в столбе плазмы вакуумного плазмотрона// Научный вестник НГТУ,- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1996,- N 2.- С. 125-135.

15. Алиферов А.И., Ершов A.A., Юдин Б.И. Экологичные нагревательные элементы для обогрева помещений// Экологически перспективные системы и технологии: Сб. науч. тр. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1997.- № 1,-С.93-96.

16. Энерго- и ресурсосберегающая технология переработки порошковых материалов/ Галкин С.Г., Алиферов А.И., Зырянов С.А., Павленко JI.K., Чередниченко М.В; Экологически перспективные системы и технологии: Сб. науч. тр. - Новосибирск: Изд-во НГТУ,1997,- №1,- С 86-92.

17. Алиферов А.И., Казакова Л.Е. Роль электротехнологии в решении проблем экологии (обзорная информация)// Экологически перспективные системы и технологии: Сб. науч. тр. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1998.-№2.-С.74-79.

18. Алиферов А.И. Взаимосвязь качества термообработки с особенностями протекания электротепловых процессов при электроконтактном нагреве // Экологически перспективные системы и технологии: Сб. науч. тр. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999.-№3.-С.122-126.

19. Алиферов А.И. Эффективность применения разнотолщинной тепловой изоляции при электроконтактном нагреве криволинейных изделий// Экологически перспективные системы и технологии: Сб. науч. тр. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. -№3.-С.127-132.

20. Проблемы энерогосбережения и особенности применения электроэнергии для отопления помещений (обзорная информация)/ Казанов A.M., Даниленко A.A., Чередниченко A.B., Алиферов А.И.// Экологически перспективные системы и технологии.: Сб. науч. тр. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. -№3.-С.98-102.

21. Aliferov A.I. Energy saving in electrotechnologies.of metal workpieces direct heating/ В кн.: Proceedings the Third Russian - Korean International Symposium on Science and Technology "Korus'99". June 22-25 1999,- Novosibirsk: Novosibirsk State Technical University, 1999. V. 2. -P.475-478.

22. Чередниченко B.C., Алиферов А.И. Рафинирование порошков в плазме вакуумного плазмотрона/ 2-я Международ, конф. по электромеханике и электротехнологии: Тез. докл. - Крым, 1996.-Ч.2.- С. 189-190.

23. Алиферов А.И., Теряев А.А Оптимизация эксплуатационных характеристик устройств для низкотемпературного нагрева/ 2-я Международ, конф. по электромеханике и электротехнологии: Тез. докл. - Крым, 1996,4.2.- С.191-192.

24. Чередниченко B.C., Алиферов А.И., Ершов А.А Оптимизация эксплуатационных характеристик плоских напыленных нагревательных элементов// Международ, науч.- техн. конф. "Проблемы комплексного развития регионов Казахстана". - Алматы: КазгосИНТИ, 1996.- Ч. 2. Энергетика и теплоэнергетика. - С.54-56.

25. Кислов А.П., Титов М.В., Алиферов А.И., Замосковцев А.В Расчет удельных мощностей нагревательных элементов в высокотемпературных электропечах сопротивления непрерывного действия// Международ, науч.-техн. конф. "Проблемы комплексного развития регионов Казахстана". - Алматы: КазгосИНТИ,1996.- Ч. 2. Энергетика и теплоэнергетика. - С. 62-64.

26. Алиферов А.И., Теряев A.A. Эксплуатационные характеристики устройств для низкотемпературного нагрева на основе напыленных нагревателей// Всероссийская науч.-техн. конф. "Создание защитных и упрочняю-

щих покрытий с использованием концентрированных потоков энергии":Тез. докл. - Барнаул: Изд-во проблемной НИЛ процессов сварки и защитных покрытий Алт ГТУ, 1996,- С. 66

27. Плазменное напыление токопроводящих и электроизоляционных слоев плоского электронагревателя / Алиферов А.И., Казанов A.M., Урбах Э.К., Фалеев В.А.; Электротехнология: сегодня и завтра: Тез докл. Всероссийской науч. конф. ЭТ-97 (14-16 мая 1997).-Чебоксары: Изд-во Чувашского гос. ун-та, 1997.-С.46.

28. Алиферов А.И. Особенности расчета нагревательных элементов высокотемпературных электропечей сопротивления непрерывного действия// Электротехнология: сегодня и завтра: Тез. докл. Всероссийской науч. конф. ЭТ-97 (14-16 мая 1997).-Чебоксары: Изд-во Чувашского гос. унта, 1997.-С.67

29. Плазменное напыление низкотемпературных электронагревателей// Аньшаков А.С., Казанов A.M., Чередниченко B.C., Алиферов А.И., Урбах Э.К., Фалеев В.А.; Физика плазмы и плазменные технологии: Материалы конф. - Минск: Ин-т молекулярной и атомной физ. НАН Беларуси, 1997.-Т.4.-С.634-637.

30. Chcrednichcnko V.S., Aliferov A.I., Pavlenko L.K Alteration of the powered materials in a vacuum cavity cathode arc// Abstracts "First Korea-Russia International Symposium of Science and Technology": Korus 97/ Research Institute of Industrial Technology, University of Ulsan Republic of Korea, 1997.-P.108

31. Aliferov A.I. Electro-heat processes in cylindrical hollow curved conductors/ В кн.: Abstracts "Second Russian-Korean International Symposium of Science and Technology"/ Tomsk Polytechnical University.-Tomsk, 1998.-P.41

32. Cherednichenko V.S., Pavlenko L.K. Aliferov A.I. Stability conditions for vacuum hollow cathode arc// Abstracts "Second Russian-Korean International Symposium of Science and Technology".-Tomsk: Tomsk Polytechnical University.- 1998,- P.52.

33. Чередниченко A.B., Даниленко A.A., Алиферов А.И., Бланк А.В. Ресурсо- и энергосбережение в технологиях электроконтактного и индукционного нагрева// 3-я Международ, конф. "Электромеханика и электротехнологии": Тез. докл.. - Клязьма, 1998.-С.435-436.

34. Чередниченко B.C., Павленко JI.K., Алиферов А.И. Обработка порошковых материалов в вакуумном дуговом разряде с полым катодом// 3-я

Международ, конф. "Электромеханика и электротехнологии": Тез. докл. -Клязьма, 1998.-С.54-55.

35. Aliferov A.I., Blank A.V., Kislov А.P. Resource and energy saving in electrocontact heating technologies// Abstracts the Third Russian - Korean International Symposium on Science and Technology "Korus'99". June 22-25 1999,-Novosibirsk: Novosibirsk State Technical University, 1999. V. 2. -P.468.

36. Aliferov A.I., Cherednichenko A.V. Energy saving house heating. Accumulative devices with flat heaters// Abstracts the Third Russian - Korean International Symposium on Science and Technology "Korus'99". June 22-25 1999.-Novosibirsk: Novosibirsk State Technical University, 1999. V. 2.-P.477.

37. A.c.СССР №1671707. Способ электроконтактного нагрева криволинейного участка трубчатых изделий/ Алиферов А.И., Сельский С.В., Свенчанский А.Д., Кувалдин А.Б.//Открытия и изобретения,-1991.-№31.

38. А.с.СССР №1735387. Способ электроконтактного нагрева криволинейного участка трубчатых изделий/ Алиферов А.И., Сельский С.В., Свенчанский А.Д., Кувалдин А.Б.// Открытия и изобретения.-1992.-№19.

ВВЕДЕНИЕ

1. Современное состояние исследований и методов расчета электротепловых процессов в токоведущих проводниках электротехнологического оборудования;

1.1. Аналитические методы исследований электротепловых процессов в прямолинейных проводниках

1.1.1. Моделирование электромагнитных процессов

1.1.2. Моделирование тепловых процессов

1.2. Численные методы расчета электротепловых процессов в токоведущих проводниках

1.2.1. Моделирование электромагнитных процессов

1.2.2. Моделирование тепловых процессов

1.3. Методы расчета параметров установок электроконтактного нагрева

1.4. Выводы по литературному обзору

2. Общая постановка физико-математической модели электротепловых процессов в токоведущих проводниках произвольной конфигурации

2.1. Постановка задачи исследования

2.2. Общая характеристика электроконтактного нагрева изделий сложной конфигурации

2.2.1. Исследование разнотолщинности стенок изогнутых труб

2.2.2. Влияние технологических операций и конструктивного исполнения изделия на удельное электросопротивление материала

2.2.3. Процесс теплоотдачи с наружной поверхности криволинейного изделия

2.2.4. Влияние перераспределения плотности тока на поле температур по периметру криволинейного изделия

2.3. Экспериментальные исследования электротепловых процессов в многослойном плазменно-напыленным электронагревателе

2.3.1. Постановка экспериментального исследования

2.3.2. Эксплуатационные характеристики и температурное поле нагревательного элемента

2.4. Выводы по главе

3. Исследование электротепловых процессов в токоведущих криволинейных проводниках круглого сечения

3.1. Электромагнитные явления при электроконтактном нагреве криволинейных изделий

3.2. Теплообмен при электроконтактном нагреве изделий сложной формы

3.2.1. Постановка исследования.

Описание физической модели):

3.2.2. Математическая модель теплового режима электроконтактного нагрева криволинейных изделий

3.3. Моделирование температурного поля в поперечном сечении индуктора индукционной тигельной печи

3.3.1. Тепловые процессы в водоохлаждаемом индукторе индукционной тигельной печи

3.3.2. Математическая модель температурного поля индуктора круглого сечения

3.3.3. Расчет температурных полей индукторов

3.4. Выводы по главе

4. Исследование электротепловых процессов в токоведущих плоских проводниках

4.1. Математическая модель электромагнитных процессов в токоведущем листовом проводнике

4.2. Исследование распределения температурного поля по сечению плоских металлических листовых изделий

4.3. Тепловые режимы работы плоских нагревательных элементов

4.3.1. Тепловая модель плоского пленочного нагревательного элемента

4.3.2. Анализ результатов расчета

4.3.3. Рекомендации для практического использования результатов исследований

4.4. Выводы по главе:

5. Промышленная реализация исследований электротепловых процессов в токоведущих проводниках произвольной конфигурации

5.1. Разработка установок электроконтактного нагрева длинномерных изделий

Электротехнологические системы прямого преобразования электрической энергии в тепловую получили широкое распространение в промышленности и научных исследованиях и сфера их применения постоянно расширяется. Развиваются новые электротехнологические процессы на основе этих систем, в том числе высокоточный по температурам нагрева электроконтактный нагрев, плоские плазменные нагреватели для низкотемпературного нагрева и ряд других устройств прямого преобразования энергии за счет пропускания электрического тока непосредственно по нагреваемому изделию или нагревателю с передачей тепловой энергии в технологический объем.

Применение прямого преобразования электрической энергии и перспективы его развития в приложении к установкам электроконтактного нагрева обусловлены рядом преимуществ этого метода:

- сбережением материальных, трудовых и энергетических ресурсов за счет уменьшения потерь материала в процессе нагрева, повышения качества продукции, увеличения производительности;

- возможностью точного нагрева за короткий промежуток времени, отсутствие загрязнений, достижимостью любых температур (от диапазона низкотемпературного нагрева вплоть до диапазона температур расплавления металлов);

- реализацией высокой точности управления из-за малой инерционности процесса и возможности дозирования энергии;

- уменьшения вредных воздействий на окружающую среду и улучшением условий труда обслуживающего персонала.

Однако все преимущества электроконтактного нагрева как метода могут быть реализованы, если будет получено точное представление о тех зависимостях, которым подчиняется этот метод не только в целом (это, в основном, известно [1 + 17]), но и в его отдельных частях. Именно этому и будет посвящена предлагаемая работа.

Возросшая актуальность улучшения качества реализации электроконтактных технологий потребовала изучения взаимосвязей в реальных устройствах промышленного назначения. Знание этих взаимосвязей необходимо для правильной постановки задачи, определения каналов управления процессом нагрева, поиска оптимальных конструкций. С развитием методов математического моделирования роль теоретического изучения не только не снизилась, а наоборот возросла, приобретая новый смысл. Высокие требования и глубина теоретического изучения электроконтактного нагрева связана также с разработкой систем автоматизированного проектирования (САПР) самих устройств и систем автоматического управления ими.

В области традиционного применения электроконтактного метода в последнее десятилетие происходят существенные перемены. Повышаются требования к точности реализации и поддержания режима нагрева, связанные с повышением качества проводимой электротехнологии, экономичности процессов с повышением уровня мощностей. Особенно сложные требования выдвигает применение электроконтактных установок в составе непрерывных гибких автоматизированных производственных систем, когда изменение в определенных пределах исходных свойств нагреваемых изделий и связанная с этим необходимость изменения режима их нагрева является нормальным условием эксплуатации оборудования. Сформировавшиеся в последние десятилетия требования к повышению качества нагрева в установках электроконтактного нагрева определило необходимость совершенствования существующих и разработки новых перспективных технологических процессов, в которых необходимо учитывать совместное воздействие электромагнитного и теплового полей. Проектирование новых установок не укладывается в разработанные методики и трафареты и требует глубокого знания физических явлений в электроконтактных системах, методов их исследования и расчетов. Ряд рекомендаций по проектированию таких устройств, полученных 20— 40 лет назад, не отвечают новым условиям и требуют пересмотра в соответствии с современным состоянием техники и требованиями к качеству нагрева и степени автоматизации. В имеющейся научной и технической литературе, посвященной различным видам установок электроконтактного нагрева, рассмотрены, в основном, электротепловые задачи нагрева одиночных прямолинейных проводников без учета геометрических форм технологических изделий, электромагнитного и теплового взаимодействия с узлами оборудования. Такая постановка задачи не может позволить решать проблемы повышения качества нагрева и ресурсосбережения.

Плоские плазменно-напыленные нагреватели, созданные в последние годы, не имеют аналогов в практике использования электронагрева. Поэтому научные и практические задачи, связанные с разработкой промышленных устройств этого вида необходимо было решать впервые. Особенностью устройств подобного типа являются тонкие (0.05 -ь 0.2 мм) токоведущие слои проводящего материала, работающие при температурах, не превышающих (100 4-150)°С. Основная потребность в таких электротехнологических установках имеется в бытовом нагреве при обогреве помещений и нагреве воды до температуры (70-ь 80) °С для коммунальных и сельскохозяйственных нужд. Необходимость их массового производства определяет повышенные требования к материалоемкости, сроку службы, экологичности, электробезопасности, себестоимости.

Оба этих вида электротехнологического оборудования: системы электроконтактного нагрева и плоские плазменно-напыленные нагреватели прежде всего объединяются фундаментальными процессами формирования электромагнитного поля в проводниках произвольной формы, нелинейным характером граничных условий при рассмотрении тепловых и электродинамических процессов, развивающихся в условиях несимметричных как по магнитным связям, так и тепловым условиям взаимодействия с окружающими элементами промышленных устройств.

Необходимость и целесообразность решения задач исследования закономерностей электротепловых процессов в токоведущих проводниках произвольной конфигурации, разработки методов расчета параметров установок электроконтактного нагрева прямоугольных и круглых, прямолинейных и криволинейных изделий, плоских многослойных нагревательных систем определяет актуальность вопросов, рассматриваемых в диссертации.

Выполненные в работе исследования и разработанные методики позволяют достоверно рассчитывать электротепловые режимы токоведущих элементов произвольной конфигурации, широко применяемых в системах токоподводов, токовводов, токопроводов в электротехнологических, электротехнических и энергетических установок.

Тема диссертации непосредственно связана с планом проведения совместных научно-исследовательских работ с ГНЦ ЦНИИТМАШ, определенных соответствующими инструктивными материалами и приказом министерства энергетического машиностроения (от 05.02.85г. № 55).

В силу изложенного основной целью настоящей диссертации в научном плане являются выполнение наиболее полного физического и математического описания реальных явлений, происходящих в токоведущих проводниках произвольной формы в приложении к электроконтактному нагреву (криволинейные и прямолинейные изделия прямоугольного и цилиндрического сечения) и плоским электронагревателям с тонким распределенным слоем, и разработка основы теории электротепловых процессов в токоведущих проводниках произвольной формы. В практическом плане — разработка методов расчета таких систем и обоснование эффективности их применения при создании новых электротехнологических систем прямого преобразования электрической энергии в тепловую. Для достижения указанной цели в диссертационной работе были решены следующие научные и технические задачи:

1. Выявлены основные причины неравномерного распределения температурного поля по сечению токоведущих проводников произвольной конфигурации и на основе их анализа сформулированы основные требования к физической и математической моделям электротепловых процессов в таких проводниках.

2. Теоретически и экспериментально исследованы электротепловые процессы, протекающие в токоведущих прямолинейных и криволинейных, полых и сплошных проводниках цилиндрического и прямоугольного сечения и плоских многослойных нагревательных системах с распределенными резистивными слоями.

3. Исследованы возможности применения различных промышленных устройств, обеспечивающих требуемую равномерность температурного поля по сечению токоведущих проводников произвольной конфигурации.

4. Установлен механизм выхода из строя плоских плазменно-напыленных электронагревателей. Разработаны методологические подходы к совершенствованию электротехнологии их изготовления.

5. Разработана инженерная методика расчета распределения мощности внутренних источников теплоты и температурного поля по сечению токоведущих прямолинейных и криволинейных, полых и сплошных проводников цилиндрической и прямоугольной формы.

6. Разработана инженерная методика расчета электрических характеристик установок электроконтактного нагрева изделий произвольной конфигурации и режимно-конструктивных параметров устройств, выравнивающих температурное поле по сечению изделий в соответствии с требуемыми характеристиками конкретной электротехнологии.

7. Разработана инженерная методика расчета параметров плоских низкотемпературных нагревательных систем с распределенными резистивными слоями.

При решении поставленных задач применен комплексный подход, включающий теоретические и экспериментальные исследования. В частности, аналитические и численные расчетные методы, методы статистической обработки экспериментальных данных, методы теории планирования эксперимента и теории подобия, натурные эксперименты на опытно-промышленных и лабораторных установках.

Научная значимость и новизна полученных результатов состоит в том, что разработана общая теория и методы исследования электротепловых процессов в токоведущих проводниках произвольной конфигурации, позволяющие достоверно рассчитывать распределение мощности внутренних источников теплоты и температурные поля по их сечению для стационарных и нестационарных тепловых режимов, и на этой основе обоснованно проектировать электротехнологические установки с прямым преобразованием электрической энергии в тепловую. При этом впервые получено общее решение распределения мощности внутренних источников теплоты в криволинейных проводниках круглого сечения, имеющих произвольный угол изгиба. Выявлены закономерности протекания электротепловых процессов в сплошных и полых, прямолинейных и криволинейных проводниках, круглого и прямоугольного сечения в условиях несимметричных и нелинейных как по электромагнитным связям, так и тепловым условиям взаимодействия с окружающими элементами промышленного оборудования.

Разработаны физические и математические модели протекания электротепловых процессов в токоведущих проводниках произвольной конфигурации, включая цилиндрические и прямоугольные, прямолинейные и криволинейные, и методы выравнивания температурных градиентов по сечению нагреваемых изделий. Впервые выявлена взаимосвязь температурного поля в криволинейных токоведущих проводниках круглого и прямоугольного сечения с их геометрическими, тепло- и электрофизическими параметрами, характером распределения мощности внутренних источников теплоты по их сечению и условиями локального свободного конвективно-радиационного теплообмена на их граничных поверхностях. Разработаны инженерные методики расчета характеристик установок электроконтактного нагрева криволинейных изделий , позволяющие обеспечить требуемые технические условия электротехнологии по энергетическим показателям и качеству температурного поля.

Теоретически и экспериментально доказана эффективность работы плоских нагревательных низкотемпературных многослойных систем. Установлены пределы варьирования геометрических параметров токоведущих слоев, геометрических и теп-лофизических параметров основы-подложки, а также условий теплообмена на ее поверхности, обеспечивающие выбор рационального конструктивного исполнения и технологии изготовления плоских пленочных электронагревателей.

Совокупность научных результатов позволила создать методологические основы проектирования установок электроконтактного нагрева сплошных и полых изделий произвольной конфигурации и электротехнологических нагревательных устройств на базе плоских многослойных нагревательных систем.

Практическая ценность работы состоит:

- в научно обоснованной методике анализа электротепловых процессов в токо-ведущих проводниках произвольной конфигурации;

- разработке инженерных методов выбора конструктивного исполнения и расчета технических эксплуатационных характеристик установок низкотемпературного нагрева на базе плоских нагревательных систем;

- разработке методики расчета распределения плотности переменного тока по сечению круглого проводника с произвольным углом изгиба, которая может быть применима при определении параметров изогнутых участков токоподводов, токовво-дов и систем трубошин в различных электротехнологических и электротехнических агрегатах;

- разработке инженерной методики расчета параметров установок электроконтактного нагрева с температуровыравнивающей разнотолщинной и равномерной тепловой изоляцией;

- разработке пакета прикладных программ, позволяющих проводит исследования электротепловых процессов в токоведущих проводниках криволинейной и прямолинейной формы круглого и прямоугольного сечения.

В ходе теоретических и экспериментальных исследований автором были получены следующие результаты, выносимые на защиту:

1. Общая теория и методы исследования электротепловых процессов в токоведущих проводниках произвольной конфигурации.

2. Физико-математические модели электротепловых процессов в токоведущих проводниках различной конфигурации, включая прямоугольные и цилиндрические, сплошные и полые, прямолинейные и криволинейные проводники, и методы снижения температурных перепадов по их сечению.

3. Результаты многофункционального анализа энергетической и экономической эффективности нагрева проводящих тел с различными геометрическими размерами, определяющие границы рационального использования электроконтактного нагрева.

4. Комплекс расчетно-теоретических моделей и экспериментальных исследований, включающих электромагнитные и теплофизические процессы взаимодействия с окружающим рабочим объемом, обеспечивающий создание плоских низкотемпературных электронагревателей.

5. Инженерные методы расчета установок электроконтактного нагрева криволинейных и прямолинейных цилиндрических, полых и сплошных изделий и прямолинейных листовых заготовок.

6. Инженерные методы выбора конструктивного исполнения и расчета технических характеристик плоских пленочных электронагревателей.

Инженерные методики расчета установок электроконтактного нагрева криволинейных изделий, снабженных температуровыравнивающей тепловой изоляцией, использованы ГНЦ ЦНИИТМАШ (Москва) при создании промышленной установки для термообработки изогнутых участков трубопроводов. Инженерные методы расчета и способы выравнивания температурных полей в нагреваемых изделиях использованы при разработке технологии восстановительной термообработки толстостенных труб паропроводов ТЭЦ Павлодарским государственным региональным центром "Энергосбережение" (Павлодар, республика Казахстан). Инженерные методики расчета плоских электронагревательных элементов использованы институтом теплофизики СО РАН (Новосибирск) для разработки плоских плазменно-напыленных электронагревателей. Методика расчета электрических параметров криволинейных токоподводов используется АО "Сибэлектротерм " (Новосибирск) при разработке мощных электротехнологических установок, в частности сверхмощных дуговых сталеплавильных электропечей. Плоские плазменно-напыленные электронагреватели, созданные с использованием методик, разработанных в диссертационной работе, внедрены в ЗАО "Научно-производственное предприятие неорганической химии" (Новосибирск).

Электротепловые модели, приведенные в диссертации, используются кафедрой "Автоматизированные электротехнологические установоки" Новосибирского государственного технического университета в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 18.05.00 — "Электротехнологические установки и системы" и магистров по направлению 55.13.00 —"Электротехника, электромеханика и электротехнологии".

Основные результаты работы докладывались на научной конференции Московского энергетического института (1985), 6-й Московской городской конференции молодых ученых и специалистов по повышению надежности, экономичности и мощности энергетического, электротехнического и радиоэлектронного оборудования (1985), Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (2-й — Крым, 1996; 3-й — Клязьма, 1998); Международной научно- технической конференции "Проблемы комплексного развития регионов Казахстана" (Павлодар, 1996); Всероссийской научно-технической конференции "Создание защитных и упрочняющих покрытий с использованием концентрированных потоков энергии"(Барнаул, 1996); на Всероссийской научной конференции "Электротехнология: сегодня и завтра" (Чебоксары, 1997); Международной конференции "Физика плазмы и плазменные технологии" (Минск, 1997); Международных российско-корейских симпозиумах по науке и технологиям (Ульсан—Корея, 1997; Томск, 1998; Новосибирск, 1999); семинаре по электротермии (Падуя — Италия, 1999), а также на ряде научно-технических совещаний и семинаров.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований опубликованы в 38 печатных работах, включающих 5 учебных пособий, 2 авторских свидетельства на изобретения.

Диссертация основана на работах автора, выполненных на кафедре автоматизированных электротехнологических установок НГТУ при участии доктора технических наук, профессора В.С.Чередниченко и ряда сотрудников, аспирантов и студентов. Автор выражает им свою глубокую признательность за поддержку и полезные советы, полученные при выполнении работы.

5.5. Выводы по главе

1. Разработана классификация методов выравнивания температурных градиентов, при электроконтактном нагреве изделий произвольной конфигурации.

2. Разработана математическая модель и исследовано влияние профиля раз-нотолщинной тепловой изоляции на распределение температуры по сечению криволинейных цилиндрических изделий.

3. Разработана инженерная методика расчета установок электроконтактного нагрева криволинейных цилиндрических изделий с разнотолщинной температуро-выделяющей теплоизоляцией.

4. Выполнено экспериментальное исследование влияния расположения рас-шихтованного магнитопровода на распределение температурного поля по сечению изогнутых криволинейных цилиндрических изделий при их электроконтактном нагреве на токе промышленной частоты.

5. Проведен анализ энергетических показателей установок электроконтактного и индукционного нагрева, применяемых для нагрева стальных заготовок в кузнечно-прессовом производстве. Установлены диапазоны изменения диаметров нагреваемых заготовок и скорости нагрева, при которых установки электроконтактного нагрева имеют более высокие энергетические показатели, чем индукционные нагреватели (высокий общий КПД, меньший расход электроэнергии).

6. Разработана инженерная методика выбора конструктивного исполнения и расчета геометрических параметров плоских плазменно-напыленных электронагревателей.

7. Исследованы особенности работы плоских электронагревателей в электропечах сопротивления непрерывного действия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Сформулированы основные требования к физической и математической моделям электротепловых процессов в токоведущих проводниках произвольной конфигурации, полученные на основании анализа различных факторов (неравномерное распределение плотности тока по сечению проводника, вызванное явлениями поверхностного и кольцевого эффектов, эффекта близости и влиянием нето-коведущих магнитных масс, расположенных вблизи проводника; неравномерные условия теплообмена на поверхности проводника, определяемые неравномерным распределением локального коэффициента теплоотдачи на его поверхности; нестабильность толщины токоведущего проводника, например, разнотолщинность стенок деформированных изогнутых участков трубчатых проводников или неравномерность толщины напыленных слоев плоских нагревательных систем; зависимость удельного электросопротивления материала проводника от его температуры, пористости и толщины, что существенно для напыленных токоведущих слоев), определяющих распределение температурного поля по сечению прямолинейных и криволинейных токоведущих проводников прямоугольного и цилиндрического сечения. На основании проведенных исследований показано, что разработанные основы теории электротепловых процессов в токоведущих проводниках произвольной конфигурации позволяют рассчитывать режимы работы электротехнологических установок с прямым преобразованием электрической энергии в тепловую и выбирать рациональные конструктивные решения промышленного оборудования.

2. Разработан комплекс математических моделей, описывающих электротепловые процессы в токоведущих проводниках произвольной конфигурации - прямолинейных, криволинейных цилиндрического и прямоугольного сечения, предназначенный для использования в системах автоматизированного проектирования установок электроконтактного нагрева изделий произвольной конфигурации и плоских нагревательных систем с распределенными резистивными слоями. Алгоритм расчета электротепловых процессов реализован в виде пакета прикладных программ на ПЭВМ.

3. Доказано, что разработанный аналитический метод расчета распределения внутренних источников теплоты по сечению криволинейных цилиндрических проводников, имеющих произвольный угол изгиба, позволяет прогнозировать изменение температурных перепадов по сечению изделий и, следовательно, управлять качеством осуществления электротехнологии. На основании установленных закономерностей влияния параметров электрического режима, геометрических, тепло- и электрофизических характеристик нагреваемого криволинейного проводника на распределение мощности внутренних источников теплоты по сечению определены границы обеспечения требуемых параметров качества электротехнологической обработки.

4. Исследованы взаимосвязь характеристик электрического режима установок электроконтактного нагрева, геометрических параметров и пространственного расположения нагреваемого изделия произвольной конфигурации и их влияние на распределение температурного поля по его сечению. Установлены оптимальные соотношения геометрических параметров и пространственного положения нагреваемого изогнутого или прямолинейного изделия, позволяющие получать заданную равномерность температурного поля по его сечению.

5. Исследованы возможности применения различных промышленных устройств, обеспечивающих требуемую равномерность температурного поля по сечению токоведущих проводников произвольной конфигурации.

6. Разработана инженерная методика расчета электрических характеристик установок электроконтактного нагрева изделий произвольной конфигурации и ре-жимно-конструктивных параметров устройств, выравнивающих температурное поле по сечению изделий в соответствии с требуемыми характеристиками конкретной электротехнологии.

7. Проведен анализ энергетических показателей установок электроконтактного и индукционного нагрева, применяемых для нагрева стальных заготовок в кузнечно-прессовом производстве. Установлены диапазоны изменения диаметров нагреваемых заготовок и скорости нагрева, при которых установки электроконтактного нагрева имеют более высокие энергетические показатели (более высокий общий КПД, и меньший расход электроэнергии), чем индукционные нагреватели.

8. Показано, что созданная система плоских электронагревателей наиболее близка к критериям идеального электронагревателя. Доказано, что рабочие режимы плоских электронагревателей определяются теплофизическими свойствами подложки и ее взаимодействием с окружающей средой.

9. Установлено, что механизм выхода из строя плоских плазменно-напыленных электронагревателей связан с теплофизическими процессами возникновения электродуговых микроразрядных процессов при линейных температурных расширениях нагревателей и появлении зазоров (трещин) между токоведущими порошковыми областями рабочих массивов нанесенных слоев. Разработаны методологические подходы к совершенствованию электротехнологии их изготовления.

10. Разработана инженерная методика расчета параметров плоских низкотемпературных пленочных нагревательных систем с распределенными резистив-ными слоями.

11. Теоретические результаты экспериментально проверены и реализованы в виде инженерных методик, которые внедрены ГНЦ ЦНИИТМАШ (Москва) при создании промышленной установки для термообработки изогнутых участков трубопроводов; использованы Павлодарским государственным региональным центром "Энергосбережение" (Павлодар, Республика Казахстан) при разработке технологии восстановительной термообработки толстостенных труб паропроводов ТЭЦ; применены институтом теплофизики СО РАН (Новосибирск) при разработке плоских низкотемпературных электронагревательных элементов; использованы АО "Сибэ-лектротерм" (Новосибирск) при разработке систем токоподводов мощных электротехнологических установок. Плоские плазменно-напыленные электронагреватели, созданные с использованием методик , разработанных в диссертационной работе, внедрены в ЗАО "Научно-производственное предприятие неорганической химии" (г. Новосибирск).

1. Тельнов Г.М., Натанзон Е.И. Электронагрев методом сопротивления. -М.: Машгиз, 1951.-С.186.

2. Сарач В.Я. Влияние рода тока и характеристики источника питания на процесспрямого нагрева заготовок из конструкционной стали: Автореф. дис. .канд. техн. наук. -М.: МЭИ, 1981.-С.20.

3. Валеев А.Х. Исследование тепловых и электрических режимов работы мощныхустановок электроконтактного нагрева: Автореф. дис. . канд. техн. наук. -М.:МЭИ, 1968.-С.21.

4. Валеев А.Х., Беляев A.M. Расчет и выбор режимов работы установок//Электроконтактный нагрев стальных заготовок. М.:ВНИИЭМ, Инфор-мэлектро, 1968.-С.2-13.

5. Сарач В.Я. Сравнительный анализ двух систем питания установки электроконтактного нагрева. -М.:МЭИ, 1978.-Вып.363.-С.113-117.

6. Сарач В.Я. Прямой нагрев заготовок постоянным током. -М.:МЭИ, 1980.1. Вып.446.-С.123-126.

7. Натанзон Е.И., Тельнов Г.М. Электронагрев методом сопротивления и электровысадка. -М.: Машиностроение, 1964.-С.136.

8. Романов Д.И. Электроконтактный нагрев металлов. -М.: Машиностроение,1981.-С.181.

9. Романов Д.И. Исследование температурного поля заготовок при электроконтактном нагреве и создание многопозиционных электроконтактных устновок: Автореф. дис. . канд. техн. наук. -М.: ВНИИЭТО, 1975.-С.24.

10. Козинец В.П., Тайц И.Ю. Нагрев в электроконтактных установках неподвижнозакрепленных изделий//Электротермия. 1965.-№44.-С.55-57.

11. Козинец В.П. Некоторые закономерности теплообмена при электроконтактномнагреве движущихся изделий//Электротермия.-1966.-№50.-С.49-51.

12. Коврев Г.С. Электроконтактный нагрев при обработке цветных металлов.

13. М.:Металлургия, 1975.-С.3121316