автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Исследование и повышение эффективности системы косвенного индукционного нагрева жидкости

На правах рукописи

□ОЗОБ8225

Батищев Арсений Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ КОСВЕННОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

ЖИДКОСТИ

Специальность 05.09.10 Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О

Самара 2007

003068225

Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» Самарского государственного технического университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Самарского государственного технического университета Данилушкин Александр Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедры

«Управление и системный анализ в теплоэнергетике» Самарского государственного технического университета

Лившиц Михаил Юрьевич

кандидат технических наук, доцент кафедры «Механизация, автоматизация и энергоснабжение строительства» Самарского государственного архитектурно-строительного университета Сабуров Валерий Васильевич

Ведущая организация: ОАО «Автоматизация трубопроводного транспорта», г. Самара.

Защита диссертации состоится «/5» X&uJ. 2007 г. в 10:00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) по адресу: 443100, г.Самара, ул. Молодогвардейская 244, СамГТУ, Главный корпус, ауд. 200

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГТУ и на официальном сайте http://www.samgtu.ru/nich

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 443100, г.Самара, ул. Молодогвардейская 244, СамГТУ, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04; факс (8462) 278-44-00; e-mail: aees@,rambler.ru

Автореферат разослан «_» _2007 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.217.04 '

кандидат технических наук, доцент чУ^г/:.' " Е.А.Кротков

Актуальность темы. Переход к рыночным условиям хозяйствования делает особенно актуальными проблемы совершенствования технологии, разработки и оптимизации новых конструкций оборудования, автоматизации производства, направленные на экономию энергетических и материальных ресурсов. Проблема повышения эффективности и эксплуатационной надежности нагревательных комплексов в технологических процессах, связанных с переработкой и транспортировкой жидких сред, таких, как, например, обработка растительных масел в пищевой промышленности, подогрев нефти и нефтепродуктов при их транспортировке является комплексной и предполагает привлечение современных методов исследования. Одним из перспективных путей решения проблемы является применение экологически безопасных и надежных установок нагрева жидкостей на базе низкотемпературных индукционных нагревателей.

Однако, на пути реализации преимуществ индукционных подогревателей с улучшенными энерготехнологическими характеристиками возникает ряд специфических проблем. Недостаточная изученность закономерностей процессов тепломассопереноса, протекающих в сложных многомерных системах индукционного нагрева текучих сред, не позволяет правильно выбрать стратегию поиска оптимальных конструкций.

В работах Кувалдина А.Б., Горбаткова С.А. и др. получены принципиально важные результаты применительно к установкам технологического индукционного и индукционно-резистивного нагрева жидких и газообразных сред. Выполнен анализ электротепловых моделей и предложена методика расчета электромагнитных и тепловых полей в ферромагнитной трубе.

В то же время известные модели не учитывают процессов теплообмена между стенкой трубы и потоком жидкости. Указанное обстоятельство снижает эффективность моделей при использовашш их для расчета конструктивных и режимных параметров систем косвенного индукционного нагрева. В этих условиях возникает ряд задач математического моделирования, направленные на повышение точности расчетов электротепловых полей в физически неоднородной среде с относительным движением жидкости и тепловыделяющего цилиндра. В связи с этим разработка математических моделей, максимально учитывающих особенности взаимосвязанных электромагнитных, тепловых и гидравлических процессов в сложной системе тел с движущейся жидкостью, и рекомендаций по улучшению технико-экономических и эксплуатационных показателей нагревательных комплексов в целом имеет важное значение и является актуальной.

Работа выполнялась в рамках госбюджетных НИР "Разработка научных основ и методологии проектирования нетрадиционных технологий индукционного нагрева" (гос. регистрационный № 01200208264) и «Разработка теоретических основ системного анализа и методов нетрадиционной реализации взаимосвязанных процессов энергообмена в электромагнитных и температурных полях» (гос. регистрационный № 01200602849) по заданию Министерства образования РФ.

Целыо работы является разработка и совершенствование конструкции индукционной системы для непрерывного нагрева жидких сред на основе разработки уточненных математических моделей взаимосвязанных электромагнитных, гидравлических и температурных процессов в системе "индуктор-металл-жидкость" с применением оптимизационных процедур, разработка рекомендаций по реализации заданных технико-экономических показателей. Решение поставленных задач составляет основное содержание диссертационной работы, выполненной автором в Самарском государственном техническом университете.

В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:

- Анализ способов нагрева жидкости и существующих методов моделирования электромагнитных и тепловых процессов в системе «индуктор-металл-жидкость»;

- Разработка уточненных математических моделей взаимосвязанных электромагнитных, гидравлических и тепловых полей, учитывающих неравномерное распределение скорости потока жидкости;

- Разработка вычислительных алгоритмов, специального математического и программного обеспечения для реализации метода расчета электромагнитных, гидравлических и тепловых полей в системе физически неоднородных тел с относительным движением;

- Проведение с помощью уточненных моделей и разработанных вычислительных алгоритмов исследований электромагнитных, тепловых и гидравлических процессов;

- Разработка методик расчета и рекомендаций по выбору конструктивных и режимных параметров, обеспечивающих при заданных производительности и точности нагрева снижение массогабаритных показателей нагревательного комплекса в целом.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи использовались методы математического анализа, теории электромагнитного поля, теории теплопроводности, теории оптимального проектирования, численные методы, экспериментальные методы исследования и методы компьютерного моделирования.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

- математические модели взаимосвязанных электромагнитных, гидравлических и тепловых процессов, учитывающие неравномерное распределение скорости потока жидкости;

- вычислительные алгоритмы, математическое и программное обеспечение для реализации метода расчета электромагнитных, гидравлических и тепловых полей в системе физически неоднородных тел с относительным движением;

- методика расчета конструктивных параметров индукционного нагревателя, обеспечивающая минимальные массогабаритные показатели нагревательного комплекса;

Полученные в работе результаты позволяют на качественно более высоком уровне решать инженерные задачи расчета параметров и режимов работы

индукционных нагревательных установок в-специализированных технологических комплексах нагрева жидких сред.

Практическая полезность работы:

Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:

- построен и реализован на ЭВМ комплекс программ расчета электромагнитных, гидравлических и тепловых полей при непрерывном косвенном индукционном нагреве потока жидкости в многосекционном нагревателе;

- разработаны рекомендации по выбору оптимальной длины и мощности секций многосекционной индукционной системы в установках технологического нагрева вязких жидкостей, обеспечивающих заданную точность нагрева с учетом технологического ограничения на температуру пограничного слоя жидкости;

- предложена конструкция индукционного нагревателя, обеспечивающая минимальные массогабаритные показатели;

- на основании проведенных исследований разработана электротермическая установка непрерывного действия для подогрева нефти при транспортировке по трубопроводам.

Результаты исследований внедрены:

- на предприятии ОАО «БАМнефтепродукт» в виде индукционной нагревательной установки для предварительной подготовки вязких нефтепродуктов к транспортировке по трубопроводам;

- в научно-исследовательской работе в виде алгоритмического и программного обеспечения при исследовании электромагнитных и тепловых полей и в учебном процессе Самарского государственного технического университета при подготовке инженеров по специальности «Электротехнологические установки и системы»

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (г. Иваново 2003); Всероссийской научной конференции молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации" (г. Новосибирск 2003); 10-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (г. Москва 2004); Всероссийском научно-техническом семинаре "Энергосбережение в электрохозяйстве предприятия" (г. Ульяновск 2004); Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии" (г. Тольятти 2004); 2-й Всероссийской научной конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" (г. Самара 2005); региональной научно - технической конференции "Научные чтения студентов и аспирантов" (г. Тольятти 2005); Международной научно-технической конференции. "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (г. Иваново 2005); 3-й Всероссийской научной конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" (г. Самара 2006).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка, включающего 118 наименований, и 3 приложений. Работа изложена на 150 листах основного машинописного текста, содержит 70 рисунков, 12 таблиц. Основные положения, выносимые на защиту:

- Математические модели взаимосвязанных электромагнитных, гидравлических и тепловых процессов в системе «индуктор-металлическая труба-поток жидкости».

- Алгоритмическое обеспечение и вычислительная технология реализации метода расчета электромагнитных, гидравлических и тепловых полей в системе сопряженных тел с разными физическими свойствами.

- Оптимальные алгоритмы распределения мощности по длине индукционного нагревателя с учетом энергетического ограничения и технологического ограничения на температуру пограничного слоя жидкости.

- Методика расчета конструктивных параметров индукционного нагревателя, обеспечивающего минимальные массогабаритные показатели нагревательного комплекса.

- Рекомендации по выбору оптимальной конструкции многосекционных индукционных нагревателей жидкости с минимальными массогабаритными показателями.

Краткое содержание работы:

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель и основные задачи работы, характеризуется новизна и практическая значимость полученных результатов, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются особенности процессов технологического нагрева жидкости различными способами. Анализ используемых в настоящее время установок и способов нагрева жидкостей показал, что существующие методы нагрева не всегда обеспечивают возросшие требования к экономической эффективности, техническим и массогабаритным показателям.

В то же время существуют различные конструкции индукционных нагревателей для жидкостей, которые при соответствующем подходе к проектированию позволят удовлетворить все технологические требования с более высокой эффективностью.

Проведен обзор работ, посвященных вопросам моделирования, расчета, проектирования и практического применения индукционных установок в различных технологических процессах. Показано, что большая часть работ посвящена исследованию электромагнитных и тепловых полей в системе «индуктор - металл». Так как косвенный индукционный нагрев вязких неэлектропроводных жидкостей имеет более сложную структуру теплообмена, возникает необходимость в более глубоком изучении процессов нестационарного тепло-массопереноса в системе "индуктор-металл-жидкость" и установлении харак-

тера внутренних связей между отдельными звеньями системы и их количественных характеристик.

Во второй главе рассматриваются вопросы математического моделирования электромагнитных и термогидравлических процессов в многослойной осесимметричной системе «индуктор - система коаксиальных труб-ж ид кость», представленной на рис. 1. Здесь; 1-индуктор; 2- изоляция.; 3- труба; 4- нагреваемая жидкость; 5- внутренняя труба.

В общем случае, процесс непрерывного нагрева рассматриваемого класса объектов, представляющего собой систему сопряженных разнородных по физическим свойствам осесимметричных цилиндров разного диаметра, описывается нелинейной взаимосвязанной системой уравнений Максвелла и Фурье соответственно для электромагнитного и теплового полей с соответствующими краевыми условиями. Для учета влияния неравномерного распределения скорости потока жидкости на температурное поле указанная выше система дополняется уравнением Навье - Стокса движения жидкости.

Рис. I

Показано, что решение поставленной задачи относительно температурных полей, описывающих тепловое состояние объекта, в общем случае возможно только численными методами для каждой конкретной технологической ситуации. Однако и в этом случае возникает ряд проблем, затрудняющих получение приемлемого для практических целей решения задачи вследствие сложной структуры взаимодействия электромагнитных, гидравлических и тепловых полей с учетом зависящих от температуры теплофизических характеристик материалов трубы и жидкости, В связи с этим, в целях изучения основных закономерностей процесса в базовой модели объекта принимается ряд допущений. не искажающих физической сущности явления, но позволяющих получить решение с допустимой погрешностью.

Принятые допущения позволяют упростить решение рассматриваемой задачи и представить ее в осесимметричной постановке в виде:

о!1

Ш

с1^

т дх1

= а + ]<$<7 А

0)

где А - векторный магнитный потенциал, ц - магнитная проницаемость,

/, х - радиальная и осевая координаты соответственно, а - электрическая проводимость, со - частота.

Основной отличительной особенностью технологического нагрева вязких жидкостей является зависимость температурного распределения в жидкости от функции распределения скорости по сечению потока. В этой связи представляет интерес расчёт скорости потока для разных режимов или способов реализации процесса с целью получения достаточно полной картины происходящего и выявления условий, способствующих повышению эффективности процесса нагрева.

В работе методом конечных элементов решается гидравлическая задача, которая позволяет определить распределение скоростей по сечению потока жидкости. Разработаны программа и алгоритм расчета поля скоростей температуры нагреваемой жидкости. Для расчета распределения скоростей используется стандартный пакет прикладных программ РЕМЬАВ.

Разработана численная модель температурных полей в системе сопряженных тел. Учитывая ограниченный достаточно узкими рамками диапазон рабочих температур, в работе рассматривается линейная математическая модель температурного поля, представленная системой дифференциальных уравнений в частных производных вида

дТх(г,х,1) _

31

д2Тх(г,х,1) | 1 дТх(г,х,1) | д2Тх(г,х,1) дг1 г дг дх1

ге[/з,г4];хе[0,1];

дТ2(г,х,1)

д1

д%(г,х,1) [ 1 дТ2(г,х,1) | д2Тг(г,х,1)

дг2

дг дх

ге{>2,/з];хе[0,/,];

-т

дТ2(г,х,1)

дх

;(2)

дТъ{г,х,1)

дг

«з

д%{г,х,1) [ 1 дТъ{г,х,1) [ д2Тъ(г,х,г) дг2 г дг дхг

Р2{г,х,1) с2-р2

Здесь 7](г,х,г), Т2 (г,х,г), Тъ{г,х,{),- температура соответственно внешней трубы, нефти, внутренней трубы; г,х,( - радиальная и аксиальная координаты и время процесса; !\ (г,х,1),Р2 - функция распределения

мощности внутренних источников тепла во внешней трубе и внутренней, определяемая из решения электромагнитной задачи; $(/') - скорость перемещения жидкости, зависящая от радиуса; а,. о,,- коэффициенты температуропроводности соответственно внешней трубы, жидкости, и внутренней трубы; Ь - длина нагревателя. Характер распределения и удельная плотность мощности 8

внутренних источников тепла определены выше в результате решения электромагнитной задачи.

Граничные условия имеют вид:

„ Щ (г,, . . , На левой границе \-—-— | х=0 = ах ^7] (/-,0,/)-Гс);

(3)

=аъЫГМ~Тс2\{г,Щ. (4)

дТАг,х,Л. , , . ч

На правой границе Я, ^ —Цх^1=а2[Т1(г,1,{)-Тс)\ (5)

дх

дТЛг.хл}. г , ,-,

¿3 '\х=ь =аА[тъ{г,Ц1)-Тсг2(г,Ь,г)]. (6)

дТ\{г,х,1)\ , ч

На внешней поверхности А]-г=_ = СГ] (7] (/4, х, /) — 7"с). (7)

Условие симметрии для внутренней трубы Л,— I =г = 0. (8)

Условие сопряжения температур на границе раздела двух сред

дг ы = 4 8г Ы ; (9)

„ 9Г7(г,Х,/)| „ | I

д/ Зу ;Г3(Г,Х,О|,=Г2 = г2(Г,Х,О|г=Г2 • (Ю)

Начальные условия имеют вид: Т]{г,Ь,0) = Тю(г,х)- начальная температура внешней трубы, Т2(г,х,О)\х=0=Т20(г,х)- начальная температура жидкости на входе, Т3 (г, Ь, 0) = ТУ) (г, V) -начальная температура внутренней трубы.

Здесь ЛЬЛ2,Я^,~ соответственно коэффициенты теплопроводности материалов внешней трубы, жидкости, внутренней трубы; а1 - а4 - коэффициенты теплообмена на границах сред; Тс - температура окружающей среды; Ь - длина нагревателя; г4 - наружный радиус внешней трубы; г3 - внутренний радиус внешней трубы; г2 - наружный радиус внутренней трубы; >\ - внутренний радиус внутренней трубы.

В качестве инструментального средства для моделирования тепловых полей в сложной системе сопряженных тел выбран пакет моделирования полей различной природы РетЬаЬ, являющийся расширением популярной среды инженерных расчетов Ма1ЬаЬ. Пакет РетЬаЪ содержит средства для численного моделирования нестационарных физических полей, описываемых уравнениями в частных производных второго порядка. В пакете используется проекционный метод Галеркина с конечными элементами. Команды и графический интерфейс пакета могут быть использованы для математического моделирования физиче-

ских полей в двумерной и трехмерной расчётной областях применительно к широкому классу инженерных и научных приложений, включая расчёты электромагнитных устройств, задачи тепломассопереноса и диффузии.

В третьей главе разработаны алгоритмы и методики расчета электромагнитных источников тепла и термогидравлических полей. С помощью разработанного алгоритма выполнен расчет и анализ распределения электромагнитных источников тепла при низкотемпературном нагреве системы ферромагнитных труб. Сетка конечных элементов для расчета электромагнитных полей представлена на рис. 2, где 1-внутренняя труба, 2-внешняя труба, 3- индуктор.

НП . С !.: ! г: ■ ■■ 2 ■ '3

' 1 . . '.■/ ......•••'. ; ■ - ' У

- ! ¡1 ' ' й ' ; Л . .:• V

. ' ' / : ' • '

■ * ! ( • '-! : | /

■у/ У ■ • •

' Г : \ 1. Их-'

ул/х .Г ■ ! >"':

Рис.2

Проведены исследования и получены зависимости магнитной проницаемости от удельной мощности при низкотемпературном нагреве ферромагнитной стали. Показано, что для относительно низких значений удельной мощности, применяемых при низкотемпературном нагреве, указанная зависимость существенно отличается от аналогичной зависимости при сквозном нагреве металла под пластическую деформацию. Полученные зависимости используются далее при расчете параметров индукционного нагревателя.

Решена нелинейная термогидравлическая задача, учитывающая зависимость вязкости нагреваемой жидкости от температуры нагрева. Решение связанной термогидравлической задачи состоит в объединении двух задач. Конечные системы уравнений для тепловой и гидравлической задач, имеющие сходный вид,

{КгНи} = {Г}>

объединяются в единую систему уравнений:

\Т 1 \Р

кт о О Кг

V

(11) (12)

(13)

Здесь Кт Кг -эффективные матрицы жесткости; Г -вектор источников тепла; Р - вектор приложенных нагрузок (давлений); вектор скорости и содержит две составляющие:

и=-

(14)

Матрицы жесткости содержат параметры, зависящие от переменных состояния |9(Г),/1(Г). Кроме того, вектор скорости и входит непосредственно в матрицу Кт. Полученные точные, в рамках принятой модели, распределения скорости потока в зависимости от температуры жидкости представлены на рис. 3. Здесь: 1 - распределение скорости на входе нагревателя, 2 - в середине нагревателя (0,7 м), 3 - на выходе нагревателя (1,3 м). Нелинейная связанная термогидравлическая задача является весьма затратной по используемым ресурсам и по времени. Поэтому представляется актуальной проблема разработки алгоритма решения, обеспечивающего приемлемую точность расчета и невысокие требования к аппаратной части при минимальном времени расчета.

0.06Т

0,05

>

g 0,03

в.

..... ...... il

bi

-т ■h -vf V -ч- -L- r -Д /

. V A У

f 2t- /- v

Т T —f -A -V ~V —

/- Vх

V-i ?4 __:

t.: —1\

t- i Л

Р 1 й

F 1 -A4

fh

H

i •p -H- ! +T ; ■f- 1 Л

О 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 Межтру бный зазор, (л;)

Рис. 3

Более простой подход к решению указанной проблемы предполагает последовательное решение задач теплопроводности и гидравлики при фиксации некоторых параметров. Для решения тепловой отдельно от гидравлической задачи необходимо ввести в виде входных параметров распределение скорости по сечению канала с жидкостью в виде функции, или использовать кусочно-постоянную аппроксимацию полученной в результате решения взаимосвязанной нелинейной задачи функции распределения скорости.

На основании полученных результатов предложен упрощенный последовательный алгоритм расчета скорости и температуры. Показано, что достаточную для практического применения точность обеспечивает аппроксимация реального распределения скоростей потока кусочно-постоянной функцией, что позволяет сократить время расчета. Степень дискретности скорости потока определяется требуемой точностью расчета.

Для оценки точности предложенных упрощенных алгоритмов решения термогидравлической задачи была определена погрешность для каждого спо-

соба решения, полученного на базе связанной модели. Полученные зависимости представлены на рис. 4.

о

80

70

60

^ 50 с

|40

а

& 30

I 20 10 о

—

1 2 4

/

/

о

1

3 4 5

Длина, (м)

8

Рис.4

Здесь: 1-температурное распределение по длине нагревателя, полученное в результате решения нелинейной связанной задачи, 2-, 3 - то же для случая последовательного решения тепловой и гидравлической задач при аппроксимации скорости в виде ступенчатой функции, состоящей из 12 и 6 ступеней соответственно, 4- температурное распределение при постоянной скорости потока.

В четвертой главе рассматриваются вопросы оптимизации конструктивных параметров нагревателя. Для стационарного процесса непрерывного косвенного индукционного нагрева жидкости наиболее актуальной является задача минимизации длины нагревателя, решение которой обеспечивает одновременно максимальное быстродействие, что существенно повышает технико-экономические показатели процесса.

Для описания стационарного режима нагрева используются уравнения, представленные в следующем виде:

а\

д2Т, 1 ВТ, д2Т,

-Г- +--+-----

дг

дг'

д2Т-\

дх1

2 , 1 Щ

дг2 г дг

+ 8(г)

С\Р\

0Т2

дх

- - о;

о.

(15)

(16)

Задача на минимум длины нагревателя формулируется следующим образом. Требуется найти в классе кусочно-непрерывных функций стесненное ограничениями вида

О </>(*)</и; (17)

доп

(18)

распределение удельной поверхностной мощности Ропт (х), обеспечивающее требуемое по технологии распределение температуры потока жидко-

сти в выходном сечении (х = Ь) нагревателя при заданной величине АТ абсолютной ошибки приближения результирующего состояния к заданному

и минимальной полной длине Ь нагревателя.

Здесь -Ртах - максимальное значение удельной поверхностной мощности, Топт{г,Ь)~ температурное распределение в выходном сечении нагревателя при оптимальном распределении удельной мощности Р1опт (х); Тзад (г) -

заданное температурное распределение в выходном сечении.

Поставленная задача является аналогом задачи быстродействия, в которой вместо переменных во времени сосредоточенных управлений в задачах оптимального управления процессом нагрева неподвижных тел требуется отыскать соответствующее распределение мощности греющих источников по длине нагревательной системы при непрерывном перемещении нагреваемой жидкости через нагреватель.

В условиях 0 < Ропт (л-) < Рмакс (х), ограничивающих предельные значения Р(х) заданными величинами Рмин (х) = 0 и Рмакс, оптимальный алгоритм,

обеспечивающий выполнение требования (18) на минимальной длине нагревателя, представляет собой кусочно-постоянную функцию распределения удельной поверхностной мощности по длине, попеременно принимающую свои предельные значения. В этом случае задача сводится к определению количества и длин участков нагревателя, на которых управление принимает свои предельные значения. Порядок следования определяется физическими соображениями, из которых следует, что на первом участке удельная поверхностная мощность (тепловой поток) должна быть максимальной.

При наличии качественной тепловой изоляции тепловые потери с поверхности нагревателя в рассматриваемой технологии низкотемпературного нагрева незначительны, и ими можно пренебречь. Вследствие этого, переключение управляющей функции с Рмакс на Рмин не сопровождается изменением направления теплового потока на протяжении второго интервала, т.е. он всегда направлен к центру потока жидкости. Это обстоятельство позволяет оценивать результирующее температурное поле оптимального процесса в двух предельных точках - на внешней поверхности (х = Х) потока жидкости и на внутренней поверхности х - 0.

Тогда для определения оптимальной длины нагревателя и длин участков постоянства управляющей функции можно использовать систему уравнений

где Хп - длины п-ого участка нагревателя, относительно которого решается система (20), Г(Д,Х„), Т(0,Хп)- температура в предельных точках,

тах|Г(г, £) - Тзад {г )| < АТ

(19)

Тп(Яп,Хп)-Тзад(К)<АГ, Т„{0,Хп)-Тзад(0,Хп)<-АТ

(20)

значение которой находится подстановкой в решение (15)-(16) значений

^ЛЮКС (•*") и>

Рмгт (х) = 0 на соответствующих участках.

6 8 10 12

Длина нагревателя (м)

Рис. 5

Процедура поиска базируется на численном решении обратной задачи теплопроводности для системы тел (15)-(16) при наличии технологического ограничения на температуру поверхностного слоя жидкости.

Как следует из результатов расчета, оптимальный алгоритм распределения удельной поверхностной мощности с учетом ограничения на удельную поверхностную мощность и технологического ограничения на температуру пограничного слоя жидкости будет иметь вид, представленный на рис. 5.

Реализация участка движения по температурному ограничению при неравномерном распределении удельной мощности по длине представляется достаточно сложной задачей. В связи с этим, в работе предложен алгоритм поиска квазиоптимального распределения удельной мощности индуктора в виде кусочно - постоянной функции.

6 8 10 Длиня нзгремтслл (м)

Рис. б

Длина нагревателя, (м)

Рис. 7

На рис. 6 представлен квазиоптимальный алгоритм распределения удельной мощности по длине нагревателя, а на рис. 7 - соответствующее температурное распределение по длине в поверхностном слое жидкости и средняя по сечению температура. Как следует из результатов расчета, предложенный ал-

горитм позволяет получить заданное температурное распределение при более простой реализации нагревателя.

Для технологических линий высокой производительности используются многосекционные нагреватели, которые имеют технологические промежутки между секциями нагревателя. В этом случае каждую секцию можно рассматривать отдельно, как односекционный автономный нагреватель, отличающийся от предыдущего нагревателя лишь средней температурой на входе, а длина каждой секции определяется исходя из условия достижения предельной температуры пограничного слоя жидкости. При этом возможны два варианта расчета числа и мощности секций индукционного нагревателя: расчет при постоянной удельной мощности и расчет при постоянной длине секции.

Первый вариант предполагает расчет индукционных нагревателей при максимальной и одинаковой для всех секций удельной поверхностной мощности. Задача оптимизации длины для многосекционного нагревателя формулируется следующим образом.

Для стационарного процесса непрерывного косвенного индукционного нагрева жидкости, описываемого уравнениями (15)-(16) при Г2(г,0) = Г0, известных тегоюфизических параметрах процесса требуется найти в классе кусочно-постоянных функций в условиях ограничений на удельную поверхностную мощность вида

и температуру поверхности сопряжения трубы и нагреваемой жидкости

стационарное распределение мощности по длине нагревателя, обеспечивающее требуемое по технологии распределение температуры жидкости в выходном сечении (х = Ь) нагревателя при заданной величине ДТ абсолютной ошибки приближения результирующего состояния

и минимальной полной длине L нагревателя.

Оптимальное управление имеет вид релейной функции осевой координаты, поочередно принимающей свои предельные значения. Отличительной особенностью рассматриваемой ситуации является отсутствие участка движения по энергетическому ограничению, обусловленное наличием технологического ограничения (22) на температуру поверхностного слоя жидкости. В соответствии с этим, для обеспечения минимальной длины нагревателя необходимо чередовать нагрев при максимальном уровне удельной мощности Р(х) = Pm;a (х, L) с паузамп, где удельная мощность Р{х) = 0.

Следовательно, задача вновь сводится к определению количества и длин участков нагревателя, на которых управление принимает свои предельные значения. Как и ранее, порядок следования интервалов постоянства определяется

(21)

T(R,x)<Tdon

(22)

(23)

физическими соображениями, из которых следует, что на нечетных участках удельная поверхностная мощность должна быть максимальной, а на четных равна нулю.

Для определения оптимальной длины нагревателя и длин участков постоянства мощности нагревателя используется та же система уравнений, что и выше (15)-(1б). Так же, как и ранее, процедура поиска базируется на численном решении обратной задачи теплопроводности для системы тел при наличии технологического ограничения на температуру поверхностного слоя жидкости. Алгоритм распределения удельной мощности по длине многосекционного нагревателя представлен рис. 8.

Как следует из полученных результатов, реализация многосекционного нагревателя с переменной длиной секций приводит к усложнению конструкции и в ряде случаев к необходимости применения дополнительных согласующих трансформаторов.

В работе предложена методика определения минимальной длины многосекционного нагревателя и распределения мощности с учетом постоянной длины секции на всех интервалах. В этом случае поиск ведется относительно двух неизвестных: общей длины нагревателя и уровня удельной поверхностной мощности, причем, задают такую постоянную для всех секций длину индуктора, которая обеспечивает согласование параметров всех индукторов с сетью без понижающих трансформаторов.

10000 9000

3000 2С00

100003000

I 5000 I 4000

0.5 1 15 2 2.5 3 3 5 4 4.5 5 5.5 6 0 5 7 7.5 Дщша нагревателя, (м)

Рис. 8

Длина на/ревагел* (м)

Рис. 9

Постановка задачи сводится к следующему. Для стационарного процесса непрерывного косвенного индукционного нагрева жидкости, описываемого уравнениями (15)-(1б) при Т2 (г, 0) = Г0, известных теплофизических параметрах процесса требуется найти в классе кусочно-постоянных функций в условиях ограничения на температуру поверхности сопряжения трубы и нагреваемой жидкости

Т(Я,х)<Тдоп (24)

и известной длине секции

х1=хп=ьо (25)

стационарное распределение мощности, обеспечивающее требуемое по технологии распределение температуры жидкости в выходном сечении х = I нагре-

вателя при заданной величине АТ абсолютной ошибки приближения резуль-' тирующего состояния к заданному

тгх\т{гЛ)-Тзад{Г)\<АТ (26)

и минимальной полной длине Ь многосекционного нагревателя. Алгоритм распределения мощности при заданных выше условиях приведен на рис. 9.

Сравнительный анализ результатов показывает, что интегральные параметры многосекционного нагревателя не имеют существенных отличий, поэтому выбор той или иной методики расчета определяется конкретными требованиями к конструкции и условиям согласования.

В пятой главе рассматриваются вопросы, связанные с оценкой энерготехнологических характеристик нагревателей и рекомендаций по реализации многосекционных индукционных систем. Основными показателями, характеризующими индукционный нагреватель как потребитель электроэнергии, являются коэффициент полезного действия и коэффициент мощности установки. Указанные характеристики зависят от многих факторов, из которых как наиболее значимые можно выделить величину зазора между трубой и индуктором, число слоев индуктирующей катушки, межвитковое расстояние, длину индуктора и уровень удельной мощности. В работе проведены численные эксперименты по определению указанных зависимостей.

В соответствии с предложенной методикой определены параметры и разработана конструкция многосекционного индукционного нагревателя жидкости с минимальными массогабаритными показателями.

Предложен вариант реализации многосекционной системы индукционного нагрева и разработана структура замкнутой системы автоматического управления, обеспечивающая требуемые качественные показатели процесса нагрева.

Заключение

1. На основании анализа технологического процесса косвенного индукционного нагрева неэлектропроводных вязких жидкостей сформулирована задача идентификации и предложена математическая модель нестационарной теплопроводности в системе осесимметричных тел с относительным движением и различными теплофизическими свойствами материалов. Разработанная модель ориентирована на решение задач проектирования конструкции нагревателя с улучшенными массогабаритными характеристиками.

2. Предложены уточненные численные модели расчета электромагнитных источников внутреннего тепловыделения, стационарного распределения скорости потока жидкости и температурного распределения в многослойной цилиндрической системе, состоящей из двух разделенных диэлектрической жидкостью осесимметричных металлических труб, охваченных индуктором.

3. Разработан и реализован программно алгоритм расчета внутренних источников тепла в осесимметричной системе труб, разделенных диэлектрической жидкостью. Установлена зависимость магнитной проницаемости от удельной мощности при низкотемпературном нагреве ферромагнитной стали и выполнены расчеты по определению удельной мощности электромагнитных

источников тепла в функции распределения теплового потока по длине нагревателя.

4. Выполнен анализ гидродинамических характеристик объекта. Показано, что пренебрежение неравномерным распределением скорости жидкости по радиусу приводит к существенной погрешности в расчетах температурного распределения. Необходимость учета поля скоростей при расчете тепловых полей приводит к нелинейной постановке взаимосвязанной термогидравлической задачи.

5. Предложен и реализован программно алгоритм расчета температурных распределений в потоке жидкости при аппроксимации реального распределения скорости потока аналитической или кусочно-постоянной функциями с заданной точностью приближения. Разработанная модель ориентирована на решение задач проектирования конструкции и режимов работы нагревателя.

6. На базе предложенных в работе математических моделей процесса непрерывного косвенного индукционного нагрева жидкости получены оптимальные по критериям точности нагрева и минимума длины нагревателя алгоритмы распределения удельной мощности источников внутреннего тепловыделения вдоль осевой координаты односекционного нагревателя. Предложена аппроксимация нелинейной функции распределения мощности вдоль нагревателя в виде кусочно-постоянной функции.

7. Разработана методика расчета оптимальных алгоритмов распределения мощности нагрева в многосекционном нагревателе при наличии технологических промежутков между секциями нагревателя с учетом энергетического ограничения на уровень удельной поверхностной мощность и технологического ограничения на температуру поверхности нагреваемой жидкости.

8. На основании проведенных исследований определены энергетические характеристики индукционного нагревателя для нагрева неэлектропроводной жидкости. В соответствии с предложенной методикой определены параметры и разработана конструкция многосекционного индукционного нагревателя жидкости с минимальными массогабаритными показателями.

9. Предложен вариант реализации многосекционной системы индукционного нагрева и разработана структура замкнутой системы автоматического управления, обеспечивающая требуемые качественные показатели процесса нагрева.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Батищев, A.M. Оптимальное проектирование параметров индукционного нагревателя для экструзионной линии производства пенополистирольных плит [Текст]/ А.И. Данилушкин, А.Н. Крылов, A.M. Батищев, Д.А. Зиннатул-лин // Наука. Технологии. Инновации: сб. науч. тр. Всерос. науч. конф. молодых учёных., 4-7 декабря 2003. - Ч. 1. - Новосибирск, 2003. - с. 127-128.

2. Батищев, A.M. Расчет электромагнитных и тепловых полей в установке технологического нагрева при производстве пенополистирольных плит [Текст]/ А.Н. Крылов, A.M. Батищев // Энергосбережение в электрохозяйстве предприятия: сб. науч. тр. Всерос. науч. - техн. семинар., 26 - 28 мая 2004. -Ульяновск, 2004. - с. 67- 71.

3. Батшцев, А.М. Исследование электротепловых полей при индукционном нагреве составных осесимметричных тел [Текст]/ А.Н. Крылов, A.M. Батшцев // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии.' сб. науч. тр. Всерос. науч. конф., 21 - 24 сентября 2004. - Тольятти, 2004.

с. 111-112.

4. Батищев, A.M. Математическое моделирование динамики управляемого процесса тепломассопереноса в червячном экструдере [Текст]/ А.Н. Крылов, A.M. Батищев// Математическое моделирование и краевые задачи: сб. науч. тр. Всерос. науч. конф., 1-3 июня 2005. Ч. 2. - Самара, с. 40-43.

5. Батшцев, A.M. Индукционный нагрев в экструзионной линии по производству пенополистирольных плит [Текст]/ А.И. Данилушкин, А.Н. Крылов, A.M. Батищев // Научные чтения студентов и аспирантов: сб. науч. тр. Регион, науч.-техн. конф. - Тольятти 2005. Ч. 2., с. 55.

6. Батищев, A.M. Математическое моделирование процесса нестационарной теплопроводности при косвенном индукционном нагреве полистирола в экструдере [Текст]/ А.Н. Крылов, A.M. Батищев // Электро - и теплотехноло-гические процессы и установки: сб. науч. тр. - Саратов 2005. с. 86 - 90.

7. Батищев, A.M. Расчет и анализ процессов индукционного нагрева в экструзионной линии производства пенополистирольных теплоизоляционных плит [Текст]/ А.И. Данилушкин, А.Н. Крылов, А.М. Батищев// Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. сер. Техн. науки. - 2005. - №37 - с. 38-44.

8. Батищев, A.M. Идентификация процесса косвенного индукционного нагрева неэлектропроводящей жидкости при транспортировке по трубопрово-ду[Текст]/ A.M. Батищев // Автоматизация технологических процессов и производственный контроль: сб. науч. тр. Междун. науч.-техн. конф., 23-25 мая -Тольятти 2006. Ч. 2. с. 188-193.

9. Батищев, A.M. Синтез квазиоптимальных алгоритмов пространственного распределения мощности индукционного нагревателя жидкости [Текст]/ А.И. Данилушкин, Д.А. Зиннатуллин, A.M. Батищев//Математическое моделирование и краевые задачи: сб. науч. тр. III Всерос. науч. конф., 29-31 мая 2006. Самара СамГГУ 2006. с. 46-49.

10. Батищев, A.M. Исследование и анализ процесса индукционного нагрева полистирола как объекта управления на основе численных экспериментов [Текст]/ А.И. Данилушкин, А.Н. Крылов, A.M. Батищев, АЛО. Алымов // Вестн. Саратов, гос. техн. ун-та. сер. Техн. науки. -2006 г. Вып. 1. с. 117-123.

Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве автору принадлежат: в работе [4, 6] - составление математической модели, в работе [2,3,7,10] - исследование и расчет электротепловых и гидравлических полей, в работе [9] - синтез квазиоптимальных алгоритмов.

Разрешено к печати диссертационным советом Д 212.217.04. Протокол № 2 от 20.03.07.

Заказ №209. Тираж 70 экз. Отпечатано на ризографе.

Самарский государственный технический университет. Типография СамГТУ. 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Введение.

Глава 1. Проблема создания индукционных систем для нагрева высоковязких нефтей при перекачке трубопроводным транспортом.

1.1. Особенности процесса нагрева вязких жидкостей.

1.2. Анализ способов и устройств технологического нагрева жидкостей. 15 1.2.1 Использование энергии сжигаемого топлива.

1.3. Нагрев электрическим током.

1.4. Специфика применения индукционных подогревателей нефтей.

1.5. Обзор методов идентификации процессов индукционного нагрева.

1.6. Конструкция индукционного нагревателя жидкости.

Глава 2. Математическое моделирование процесса косвенного индукционного нагрева жидкости.

2.1. Общая структура объекта идентификации.

2.2. Конечно - элементная модель электромагнитного поля.

2.3. Математическая модель стационарного течения вязкой жидкости.

2.4. Математическая модель тепломассопереноса в системе "индуктор -металл - жидкость".

2.5. Особенности математической модели процессов тепломассопереноса в системе "индуктор-металл-жидкость".

Глава 3. Разработка алгоритмов и методик расчета электромагнитных источников тепла и термогидравлических полей.

3.1. Расчет и анализ электромагнитных источников тепла.

3.2. Исследование зависимости магнитной проницаемости от удельной мощности при низкотемпературном нагреве.

3.2.1 Алгоритм определения магнитной проницаемости.

3.3. Алгоритм расчета температуры и скорости потока в кольцевом канале

3.3.1 Нелинейная связанная термогидравлическая задача.

3.3.2 Упрощенный последовательный алгоритм расчета скорости и температуры с использованием аппроксимаций.

3.3.3 Алгоритм расчета температуры при аппроксимации распределения скорости кусочно-постоянной функцией.

3.3.4 Исследование различных алгоритмов решения связанной термогидравлической задачи.

3.3.5 Оценка средней по сечению температуры потока.

Глава 4. Элементы оптимального проектирования индукционного нагревателя жидкости.

4.1. Оптимальный алгоритм стационарного распределения удельной мощности по длине нагревателя.

4.2. Расчет квазиоптимального алгоритма распределения мощности.

4.3. Методика расчета мощности индукционных нагревателей при технологическом перемешивании жидкости.

4.3.1 Расчет при постоянной удельной мощности.

4.3.2 Поиск параметров индукционного нагревателя при постоянной длине секций.

Глава 5. Исследование характеристик и реализация системы косвенного индукционного нагрева жидкости.

5.1. Исследование энергетических характеристик нагревателя.

5.1.1 Исследование влияния длины индуктора на энергетические характеристики.

5.1.2 Исследование влияния коэффициента заполнения катушки индуктора на энергетические характеристики.

5.1.3 Исследование влияния величины зазора между индуктором и загрузкой на энергетические характеристики.

5.1.4 Исследование влияния числа слоев на энергетические характеристики.

5.1.5 Исследование влияния величины удельной мощности на энергетические характеристики.

5.1.6 Определение тепловых потерь с поверхности нагревателя и определение теплового кпд нагревателя.

5.2. Реализация системы косвенного индукционного нагрева жидкости.

Диссертация посвящена разработке и совершенствованию конструкции и режимов работы индукционных установок непрерывного действия для нагрева неэлекгропроводящей жидкости. Актуальность проблемы:

В технологических процессах химических и нефтехимических производств часто необходим нагрев жидкости при ее транспортировке, а также обогрев трубопровода, по которому этот продукт транспортируется к месту обработки. Нагрев предотвращает затвердевание вещества в трубах, отложения его на стенках труб, позволяет уменьшить вязкость транспортируемой жидкости и таким образом снизить гидравлическое сопротивление, что позволяет снизить экономические затраты на перекачку.

Переход к рыночным условиям хозяйствования делает особенно актуальными проблемы совершенствования технологии, разработки и оптимизации новых конструкций оборудования, автоматизации производства, направленные на экономию энергетических и материальных ресурсов. Проблема повышения эффективности и эксплуатационной надежности нагревательных комплексов в технологических процессах, связанных с переработкой и транспортировкой жидких сред, таких, как, например, обработка растительных масел в пищевой промышленности, подогрев нефти и нефтепродуктов при их транспортировке является комплексной и предполагает привлечение современных методов исследования. Одним из перспективных путей решения проблемы является применение экологически безопасных и надежных установок нагрева жидкостей на базе низкотемпературных индукционных нагревателей.

Однако, на пути реализации преимуществ индукционных подогревателей с улучшенными энерготехнологическими характеристиками возникает ряд специфических проблем. Недостаточная изученность закономерностей процессов тепломассопереноса, протекающих в сложных многомерных системах индукционного нагрева текучих сред, не позволяет правильно выбрать стратегию поиска оптимальных конструкций.

В работах Кувалдина А.Б., Горбаткова С.А. [113] и др. получены принципиально важные результаты применительно к установкам технологического индукционного и индукционно-резистивного нагрева жидких и газообразных сред. Выполнен анализ электротепловых моделей и предложена методика расчета электромагнитных и тепловых полей в ферромагнитной трубе.

В то же время известные модели не учитывают процессов теплообмена между стенкой трубы и потоком жидкости. Указанное обстоятельство снижает эффективность моделей при использовании их для расчета конструктивных и режимных параметров систем косвенного индукционного нагрева. В этих условиях возникает ряд задач математического моделирования, направленные на повышение точности расчетов электротепловых полей в физически неоднородной среде с относительным движением жидкости и тепловыделяющего цилиндра. В связи с этим разработка математических моделей, максимально учитывающих особенности взаимосвязанных электромагнитных, тепловых и гидравлических процессов в сложной системе тел с движущейся жидкостью, и рекомендаций по улучшению технико-экономических и эксплуатационных показателей нагревательных комплексов в целом имеет важное значение и является актуальной.

Работа выполнялась в рамках госбюджетных НИР «Разработка теоретических основ системного анализа и методов нетрадиционной реализации взаимосвязанных процессов энергообмена в электромагнитных и температурных полях», (гос. Регистр №01200602849), «Разработка научных основ и методологии проектирования нетрадиционных технологий индукционного нагрева» (гос. Регистр №01200208264) по заданию Министерства образования РФ. Целью работы.

Целью работы являются разработка и совершенствование конструкции индукционной системы непрерывного действия для нагрева жидкости на основе результатов математического моделирования электромагнитных, температурных и гидравлических процессов в системе "индуктор-металл-жидкость". Задачи исследования.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

- анализ процесса косвенного индукционного нагрева жидкости как объекта оптимизации;

- построение математических моделей электромагнитных, тепловых и гидравлических задач для анализа процессов теплообмена в системе «индуктор - металл - жидкость»;

- разработка вычислительных алгоритмов для реализации метода расчета электромагнитных, гидравлических и тепловых процессов в сложной многослойной структуре сопряженных тел;

- разработка алгоритмов пространственного распределения мощности источников внутреннего тепловыделения, обеспечивающих минимальную длину нагревателя;

- разработка рекомендаций по расчету и проектированию индукционных установок для нагрева жидкости.

Методы исследования

Для решения поставленной задачи использовались методы математического анализа, теории теплопроводности, теории электромагнитного поля, теории оптимального проектирования, численные методы расчета, экспериментальные методы исследования объектов и систем управления. Достоверность результатов работы

Оценивалась путем сравнения с результатами численных экспериментов и частично с данными, полученными в работах других авторов. Решение перечисленных выше проблем в совокупности составляет основное содержание диссертации, выполненной автором в Самарском государственном техническом университете (СамГТУ).

Научная новизна.

В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

- численная математическая модель электромагнитных и термогидравлических полей при непрерывном косвенном индукционном нагреве жидкости, ориентированная на решение задач проектирования и автоматического управления нагревательными комплексами;

- алгоритмическое обеспечение и вычислительная технология реализации метода расчета электромагнитных, гидравлических и тепловых полей в сложной многослойной структуре сопряженных тел;

- методика расчета конструктивных параметров многозонных индукционных систем для нагрева неэлектропроводных жидкостей, обеспечивающая минимальные массогабаритные показатели.

Полученные в работе результаты позволяют на качественно более высоком уровне решать инженерные задачи расчета конструктивных и режимных параметров индукционных систем для косвенного нагрева неэлектропроводных жидкостей, обеспечивающих минимальные массогабаритные показатели. Практическая полезность работы.

Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:

- разработана инженерная методика и комплекс программ расчета на ЭВМ электромагнитных, гидравлических и тепловых полей при косвенном непрерывном индукционном нагреве жидкости;

- разработаны рекомендации по проектированию индукционной системы для теплообменных аппаратов непрерывного действия в установках технологического нагрева.

Полученные электромагнитная и тепловая модели позволяют использовать их не только для решения конкретно поставленной задачи, но и для других практически важных задач технологического нагрева.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (г. Иваново 2003); Всероссийской научной конференции молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации" (г. Новосибирск 2003); 10-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (г. Москва 2004); Всероссийском научно-техническом семинаре "Энергосбережение в электрохозяйстве предприятия" (г. Ульяновск 2004); Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии" (г. Тольятти 2004); 2-й Всероссийской научной конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" (г. Самара 2005); региональной научно -технической конференции "Научные чтения студентов и аспирантов" (г. Тольятти 2005); Международной научно-технической конференции. "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (г. Иваново 2005); 3-й Всероссийской научной конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" (г. Самара 2006). Публикации.

По результатам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 150 страницах машинописного текста; содержит 70 рисунков, 12 таблиц, двух приложений и список использованных источников, включающий 118 наименований.

Выводы

1. На основании проведенных исследований получены зависимости энергетических характеристик индукционного нагревателя для нагрева неэлектропроводной жидкости. Показано, что наилучшие энергетические показатели для рассматриваемого класса нагревателей могут быть достигнуты при использовании однослойных индукторов с минимальным зазором между индуктором и трубой, причем, длина индуктора должна быть не менее 0,8м

2. В соответствии с предложенной методикой определены параметры и разработана конструкция многосекционного индукционного нагревателя жидкости с минимальными массогабаритными показателями.

3. Предложен вариант реализации многосекционной системы индукционного нагрева и разработана структура замкнутой системы автоматического управления, обеспечивающая требуемые качественные показатели процесса нагрева.

Заключение

1. На основании анализа технологического процесса косвенного индукционного нагрева неэлектропроводных вязких жидкостей сформулирована задача идентификации и предложена математическая модель нестационарной теплопроводности в системе осесимметричных тел с относительным движением и различными теплофизическими свойствами материалов. Разработанная модель ориентирована на решение задач проектирования конструкции нагревателя с улучшенными массогабаритными характеристиками.

2. Предложены уточненные численные модели расчета электромагнитных источников внутреннего тепловыделения, стационарного распределения скорости потока жидкости и температурного распределения в многослойной цилиндрической системе, состоящей из двух разделенных диэлектрической жидкостью осесимметричных металлических труб, охваченных индуктором.

3. Разработан и реализован программно алгоритм расчета внутренних источников тепла в осесимметричной системе труб, разделенных диэлектрической жидкостью. Установлена зависимость магнитной проницаемости от удельной мощности при низкотемпературном нагреве ферромагнитной стали и выполнены расчеты по определению удельной мощности электромагнитных источников тепла в функции распределения теплового потока по длине нагревателя.

4. Выполнен анализ гидродинамических характеристик объекта. Показано, что пренебрежение неравномерным распределением скорости жидкости по радиусу приводит к существенной погрешности в расчетах температурного распределения. Необходимость учета поля скоростей при расчете тепловых полей приводит к нелинейной постановке взаимосвязанной термогидравлической задачи.

5. Предложен и реализован программно алгоритм расчета температурных распределений в потоке жидкости при аппроксимации реального распределения скорости потока аналитической или кусочно-постоянной функциями с заданной точностью приближения. Разработанная модель ориентирована на решение задач проектирования конструкции и режимов работы нагревателя.

6. На базе предложенных в работе математических моделей процесса непрерывного косвенного индукционного нагрева жидкости получены оптимальные по критериям точности нагрева и минимума длины нагревателя алгоритмы распределения удельной мощности источников внутреннего тепловыделения вдоль осевой координаты односекционного нагревателя. Предложена аппроксимация нелинейной функции распределения мощности вдоль нагревателя в виде кусочно-постоянной функции.

7. Разработана методика расчета оптимального алгоритма распределения мощности нагрева в многосекционном нагревателе при наличии технологических промежутков между секциями нагревателя с учетом энергетического ограничения на уровень удельной поверхностной мощность и технологического ограничения на температуру поверхности нагреваемой жидкости. Оптимальный алгоритм представляет собой кусочно-постоянную функцию с п интервалами постоянства, длительность которых уменьшается по ходу нагрева. Показано, что реализация полученного оптимального алгоритма приводит к необходимости применения согласующих трансформаторов.

8. Разработана методика расчета и предложены оптимальные алгоритмы распределения мощности нагрева в многосекционном нагревателе с учетом постоянной длины секции нагревателя, обеспечивающей согласование параметров индуктора с напряжением промышленной сети без понижающих трансформаторов. Оптимальный алгоритм представляет собой кусочно-постоянную функцию с п интервалами постоянства одинаковой длительности с уменьшающейся по ходу нагрева удельной поверхностной мощностью.

9. На основании проведенных исследований определены зависимости энергетических характеристик индукционного нагревателя для нагрева неэлектропроводной жидкости. Показано, что наилучшие энергетические показатели для рассматриваемого класса нагревателей могут быть достигнуты при использовании однослойных индукторов с минимальным зазором между индуктором и трубой. В соответствии с предложенной методикой определены параметры и разработана конструкция многосекционного индукционного нагревателя жидкости с минимальными массогабаритными показателями. 10. Предложен вариант реализации многосекционной системы индукционного нагрева и разработана структура замкнутой системы автоматического управления, обеспечивающая требуемые качественные показатели процесса нагрева.

1. Агапкин, В.М. Тепловой и гидравлический расчеты трубопроводов для нефти и нефтепродуктовТекст./ В.М. Агапкин, Б.Л. Кривошеин, В.А. Юфин //№: Недра. 1981. с. 256.

2. Агапкин, В.М. Применение тепловой изоляции при транспорте и хранении нефти и нефтепродуктов Текст./ В.М. Агапкин, Б.Л. Кривошеин //М.: изд. ВНИИОЭНГ. 1978.

3. Андреев, Ю.Н. Оптимальное проектирование тепловых агрега-товТекст./ Андреев, Ю.Н. //—М.: Машиностроение. 1983. с. 231.

4. Батищев, Д.И. Методы оптимального проектированияТекст./ Д.И. Батищев//Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1984. - с. 248.

5. Батищев, Д.И. Поисковые методы оптимального проектирова-нияТекст./ Д.И. Батищев // М.: Наука, 1978. - с. 486.

6. Базаров, А.А. Синтез оптимальных алгоритмов управления процессом непрерывного индукционного нагрева ферромагнитной загрузкиТекст./ А.А. Базаров, В.А. Данилушкин, А.Н. Крылов.// Труды АЭНЧР, 2003. №1с. 88-91.

7. Брахман, Т.Р. Многокритериальность и выбор альтернативы в техни-кеТекст./ Т.Р. Брахман // М.: Радио и связь, 1984. - с. 288.

8. Бреббия, К. Методы граничных элементовТекст./ К. Бреббия, Ж. Теллес, А. Вроубел // М.: Мир, 1987. - с. 481.

9. Бутковский, А.Г. Методы управления системами с распределенными параметрамиТекет./ А.Г. Бутковский II- М.: Наука, 1975.

10. Бутковский, А.Г., Оптимальное управление нагревом металлаТекст./ А.Г. Бутковский, С.А. Малый, Ю.Н. Андреев II М.: Металлургия, 1972.

11. Вайнберг, A.M. Индукционные плавильные печи Текст./ A.M. Вайн-берг//-М.: Энергия, 1967.-е. 415.

12. Геминтерн, В.И. Методы оптимального проектированияТекст./ В.И. Геминтерн, Б.М. Коган // М.: Энергия, 1980. - с. 160.

13. Губин, В.Е. Трубопроводный транспорт нефти и нефтепродук-товТекст./ Губин В.Е. Губин В.В. // М.: Недра, 1982. с. 296.

14. Губин, В.В. Исследование нестационарного режима прогрева грунта горячим подземным нефтепроводом Текст./ В.В. Губин, Б.А.Тонкошнуров // В кн. Трубопроводный транспорт нефти (ВНИИСПТнефть. Тр. Вып. XVIII), 1977. с. 17-22.

15. Данилушкин, А.И. Идентификация процесса низкотемпературного индукционного нагрева при обработке полимерных материаловТекст./ А.И. Данилушкин, JI.C. Зимин //Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. сер. Техн. науки. -№1,1994, с. 171-177.

16. Данилушкин, А.И. Оптимизация нестационарных режимов работы индукционного нагревателя непрерывного действия для нагрева нефтепродуктов Текст./ А.И. Данилушкин, М.А. Шумаков // Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. сер. Техн. науки. №13 - 2001, стр. 46-49.

17. Данилушкин, А.И. Структурное моделирование процессов и систем управления одного класса объектов индукционного нагрева Текст./ А.И. Данилушкин //Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. сер. Техн. науки. Вып.5 - 1998, стр. 120-129.

18. Данилушкин, В.А.Применение индукционных нагревателей в трубопроводном транспорте высоковязких нефтей Текст./ В.А Данилушкин, С.А. Калашников, М.А. Шумаков // Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. сер. Техн. науки. -№14,2002, стр. 178-181.

19. Данилушкин, В.А. Оптимизация конструкции и режимов индукционных нагревателей в специализированных комплексах обработки неэлектропроводных материалов Текст./ В.А. Данилушкин, Д.А. Зиннатуллин.

20. Международная научно техническая конференция "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (XI Бенардосовские чтения)//Тез. докл. в 2-х т.- Иваново, 2003. Т. 1. стр. 9.

21. Дегтярев, В.Н. Смешение парафинистых нефтей Текст./ В.Н. Дегтярев // В.Н. М., ВНИИОЭНГ, 1972.

22. Завгородний, В.К. Механизация и автоматизация переработки пластических масс Текст./ В.К. Завгородний //М.: Машиностроение 1970. 596с.

23. Демидович, В.Б. Теория, исследование и разработка индукционных нагревателей для металлургической промышленности Текст./ В.Б. Демидович // Автореферат дис. докт. техн. наук. Спб.,2002. - 32 с.

24. Демирчян, К.С. Машинные расчёты электромагнитных полей Текст./ К.С. Демирчян, B.JI. Чегурин //- М.: Высшая школа. 1986. 240 с.

25. Демирчян, К.С. Расчет трехмерных магнитных полей методом конечных элементов Текст./ К.С. Демирчян, Н.И. Солнышкин // Изв. АН СССР: Энергетика и транспорт. 1975. - № 5. - с. 39-49.

26. Довбыш, В.Н. Оптимальное проектирование электротермической установки для утилизации взрывателей Текст./ Довбыш В.Н. // Автореф. дисс.канд. техн. наук. Самара., 2003. -20 с.

27. Егоров, А.И. Оптимальное управление тепловыми и диффузионными процессами Текст./ А.И. Егоров // М.: Наука, 1978. 464 с.

28. Заливин, Н.Н. Новый метод индукционного нагрева вулканизацион-ных форм Текст./ Н.Н. Заливин // Химическое и нефтяное машиностроение. 1967. №3, с. 33-34.

29. Зимин, JI.C. Методы оптимального проектирования систем индукционного нагрева Текст./ JI.C. Зимин //Алгоритмизация и автоматизация технологических процессов и промышленных установок: Межвузовский сборник научных трудов, 1977. Вып. 8. - стр. 142 -146.

30. Зимин, JI.C. Оптимальное проектирование систем индукционного нагрева в технологических комплексах обработки металла давлением Текст./ JI.C. Зимин// Автореф. дисс. докт. техн. наук.-JI., 1987. -30 с.

31. Зенкевич, О. С. Метод конечных элементов в технике Текст./ О. С. Зенкевич // М.: издательство "Мир", 1975. - 354с.

32. Исаченко, В.П. Теплопередача Текст./ В.П. Исаченко, В.А. Осипов, А.С. Сукомел //- М.: Энергоиздат, 1981. с. 417.

33. Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии Текст./ А.Г. Касаткин // 9-е изд., пер. и доп. М.: Химия, 1973. с. 754.

34. Исследование теплообмена и сопротивления при ламинарном течении вязкопластичных нефтей в трубопроводах Текст./ Н.М. Андреенко, В.Е. Губин, Н.М. Гостев и др. В кн. Трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов (ВНИИСПТнефть, 1981.

35. Корн, Г. Справочник по математике Текст./ Г. Корн, Т. Корн //М., 1968. с. 720.

36. Кошляков, Н.С. Уравнения в частных производных математической физики Текст./ Н.С. Кошляков, Э.Б. Глинер, М.М. Смирнов // М.: Высшая школа, 1970. - с. 710.

37. Коломейцева, М.Б. Оптимизация нагрева массивных тел внутренними источниками тепла Текст./ М.Б. Коломейцева, С. А. Панасенко // Автоматика и телемеханика. 1976. №4 14 - с. 20.

38. Крейт, Ф. Основы теплопередачи Текст./ Ф. Крейт, У. Блэк // Пер. с англ.-М.: Мир, 1983.-е. 512.

39. Кривошеин, Б.Л. Способы прокладки и эксплуатация трубопроводов в условиях вечной мерзлоты Текст./ Б.Л. Кривошеин, В.М. Агапкин, А.Д. Двойрис // М., изд. ВНИИОЭНГ, 1975.

40. Куртенер, Д.А. Расчет и регулирование теплового режима в открытом и защищенном грунте Текст./ Д.А. Куртенер, А.Ф. Чудновский //Л., Гидроме-теоиздат, 1969.

41. Кувалдин, А.Б. Индукционный нагрев ферромагнитных сталей Текст./ А.Б. Кувалдин //- М.: Энергоатомиздат, 1988. 200с.

42. Ларичев, О.И. Объективные модели и субъективные решения Текст./ О.И. Ларичев // М.: Наука, 1987. 144 с.

43. Лившиц, М.Ю. Теория и алгоритмы оптимального управления термодиффузионными процессами технологической теплофизики по системным критериям качества Текст./ М.Ю. Лившиц // Автореф. дис. докт. техн. наук. -Самара, 2001.-46 с.

44. Лурье, К.А. Оптимальное управление в задачах математической физики Текст./ К.А. Лурье // М.: Наука. 1975.

45. Лыков, А.В. Теория теплопроводности Текст./ А.В. Лыков // М.: Высшая школа, 1967 599 с.

46. Лыков, А.В. Тепломассообмен (Справочник) Текст./ А.В. Лыков //№: Энергия, 1978 -480 с.

47. Маликов, Ю.К. Численный метод решения задач теплопроводности для двумерных тел сложной формы Текст./ Ю.К. Маликов, В.Г. Лисиенко //Инженерно-физический журнал, 1981, №3. с.503 - 509.

48. Мельников, А.А. Расчет электромагнитных и температурных полей методом конечных элементов Текст./ А.А. Мельников//Уч. Пособие Моск. гос. ин-т радиотехники, электроники и автоматики (техн. ун-т) М., 2001. - 76 с.

49. Митчелл, Э. Метод конечных элементов для уравнений с частными производными Текст./ Э. Митчелл, Р. Уэйт. // М.: Мир, 1981. -216с.

50. Моисеев, Н.Н. Математические задачи системного анализа Текст./ Моисеев Н.Н. // М.: Наука, 1981.

51. Немков, B.C. Влияние конструкции и режимов работы индукционных нагревателей на их энергетические показатели Текст./ B.C. Немков, В.Б. Демидович, В.И. Руднев и др. // Электротехника. 1986. - №3. - с.23-27.

52. Немков, B.C. Использование цифровых моделей для автоматизированного проектирования индукционных нагревателей стальных заготовок Текст./ B.C. Немков, В.Е. Казьмин // Изв. Вузов. Электромеханика. 1984. -№9. - с.52-59.

53. Немков, B.C. Математическое моделирование на ЭВМ устройств высокочастотного нагрева Текст./ П.С. Полеводов ПЛ.: Машиностроение, 198064 с.

54. Немков, B.C. Теория и расчет устройств индукционного нагрева Текст./ B.C. Немков, В.Б. Демидович // Л.: Энергоатомиздат, 1988. 280 с.

55. Никитенко, Н.И. Метод канонических элементов для моделирования гидродинамики и тепломассообмена в областях произвольной формы Текст./ Н.И. Никитенко, Ю.Н. Кольчик, Н.Н. Сороковая // Инженерно-физический журнал, 2002, №6. с.74-80.

56. Носов, П.И. Моделирование и оптимизация режимов нагрева слитков из алюминиевых сплавов в индукционных установках полунепрерывного действия Текст./ П.И. Носов П.И. //Автореф. дис. канд. техн. наук. Д., 1982. -19 с.

57. Олейников, В.А. Автоматическое регулирование технологических процессов в нефтяной и нефтехимической промышленности Текст./В.А. Олейников, Н.С. Зотов// Л.: Гостехиздат. Ленинградское отделение, 1962. 324 с.

58. Ольхов, Н. Оптимальное проектирование конструкций Текст./Н. Ольхов //М.: Мир, 1981.- 280с.

59. Ордынцев, В.М. Математическое описание объектов автоматизации Текст./ В.М. Ордынцев //Машиностроение, Москва, 1965. 360 с.

60. Острейко, В.Н. Расчет электромагнитных полей в многослойных средах Текст./ В.Н. Острейко //Л.: Издательство Ленинградского университета, 1981.-152с.

61. Павлов, Н.А. Инженерные тепловые расчеты индукционных нагревателей Текст./ Н.А. Павлов // М.-Л.: Энергия, 1978.-120с.

62. Плановский, А.Н. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии Текст./ А.Н. Плановский, П.И. Николаев// 3-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1987 г. - 496 с.

63. Рапопорт, Э.Я. Альтернансный метод в прикладных задачах оптимизации Текст./ Э.Я. Рапопорт // М.: Наука. 2000 336 с.

64. Рапопорт, Э.Я. Оптимизация процессов индукционного нагрева металла Текст./ Э.Я. Рапопорт // М.: Металлургия, 1993. - 279 с.

65. Рапопорт, Э.Я. Теория и алгоритм оптимального управления индукционным нагревом металла перед обработкой давлением Текст./ Э.Я. Рапопорт// Автореф. дисс. доктора техн. наук. М., 1983. - 42с.

66. Рей, У. Методы управления технологическими процессами Текст./ У. Рей //Пер с англ. М.: Мир, 1983. - 368 с.

67. Себиси, Т. Конвективный теплообмен. Физические основы и вычислительные методы Текст./ Т. Себиси, П. Брэдшоу //Пер. с англ. М.: Мир, 1987.-592с.

68. Сегерлинд, JI. Применение метода конечных элементов Текст./ JI. Сегерлинд // М.: Мир, 1979. 392с

69. Сидоренко, В.Д. Применение индукционного нагрева в машиностроении Текст./ В.Д. Сидоренко //JL: Машиностроение, 1980.-231с.

70. Синдяков, JI.B. Оптимизация энерготехнологических характеристик установившихся режимов работы индукционных установок непрерывного действия для нагрева стальных заготовок Текст./ J1.B. Синдяков //Автореф. дисс. канд. техн. наук. Л., 1984. -19 с.

71. Скобло, А.И. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии Текст./ А.И. Скобло, Ю.К. Молоканов, А.И. Владимиров, В.А. Щелкунов //М.: Недра, 2000 378 с.

72. Слухоцкий, А.Е. Индукторы для индукционного нагрева машиностроительных деталей Текст./ А.Е. Слухоцкий, С.Е. Рыскин // JL: Энергия, 1975.-183 с.

73. Слухоцкий, А.Е. Установки индукционного нагрева Текст./ А.Е. Слухоцкий, B.C. Немков и др. // JI.

74. Соболь, И.М. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями Текст./ И.М. Соболь, Р.Б. Статников // М.: Наука, 1981. 110 с.

75. Справочник по гидравлике Текст./ под ред. В.А. Большакова, //К.: Высшая школа, 1984. -343 с.

76. Справочник по теплообменным аппаратам Текст./ / П.И. Бажан, Г.Е. Канавец, В.М. Селиверстов //М.: Машиностроение, 1989. 368 с.

77. Теплофизические свойства жидкостей и газов Текст./ Сб. статей -Махачкала: Б.и., 1979. 127с.

78. Теплотехнический справочник Текст./ В 2-х т. Под общей редакцией В.Н. Юренева, П.Д. Лебедева // 2-е изд., перераб. М., "Энергия", 1975. -436с.

79. Тозони, О.В. Расчёт трехмерных электромагнитных полей Текст./ О.В. Тозони, И.Д. Майергойз //К.: Техника, 1974. 352 с.

80. Трубопроводный транспорт вязких нефтей Текст./Н.К. Надиров, П.И. Тугунов/, Алма-Ата, Наука, 1985. 146с.

81. Трубопроводный транспорт нефти и газа Текст./В.Д. Белоусов, Э.М. Блейхер, А.Г. Немудров и др.// М., Недра, 1978. 132с.

82. Трубопроводный транспорт нефти Текст./ Сб. науч. трудов/Уфа, ВНИИСПТнефть, 1987. 136с.

83. Трубопроводный транспорт нефти Текст./ Сб. науч. трудов/Уфа, ВНИИСПТнефть, 1981 г. 148с.

84. Тугунов, П.И. Нестационарные режимы перекачки нефтей и нефтепродуктов Текст./ П.И. Тугунов // М.: Недра, 1984, 224 с.

85. Тугунов, П.И. Транспортирование вязких нефтей и нефтепродуктов по трубопроводам Текст./ П.И. Тугунов, В.И. Новоселов // М., Недра, 1972. -158 с.

86. Установки индукционного нагрева Текст./ Под ред. А. Е. Слухоц-кого// Л.: Энергоиздат, 1981. 326 с.

87. Фарамазов, С.А. Оборудование нефтеперерабатывающих заводов и его эксплуатация Текст./ С.А. Фарамазов // М.:Химия, 1984. 328с.

88. Флетчер, К. Вычислительные методы в динамике жидкостей Текст./ К. Флетчер // В 2-х т.: Т.1. Пер. с англ.-М.:Мир, 1991. 504с.

89. Флетчер, К. Вычислительные методы в динамике жидкостей Текст./ К. Флетчер// В 2-х т.: Т.2. Пер. с англ.-М.:Мир, 1991. 552с.

90. Химические аппараты с индукционным обогревом Текст./ С.А. Горбатков, А.Б. Кувалдин, В.Е. Минеев, В.Е.Жуковский // М.: Химия, 1985,65с

91. Фонарев, З.И. Электроподогрев трубопроводов на нефтебазах Текст./ З.И. Фонарев, Г.И. Иванов, И.И. Еремин // Обзорная информация. Серия "Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов". М., ВНИИОЭНГ, 1982.

92. Фонарев, З.И. Электроподогрев трубопроводов, резервуаров и технологического оборудования в нефтяной промышленности Текст./З.И. Фонарев //Л.; Недра, 1984. -148 с.

93. Шкадов, В.Я. Течение вязкой жидкости Текст./ В.Я. Шкадов, З.Д. Запрянов //М.: Издательство Московского университета, 1984. 200 с.

94. Шумаков, М.А. Разработка и исследование системы индукционного нагрева вязких жидкостей при производстве строительных мастик Текст./ М.А. Шумаков // Автореф. дисс.канд. техн. наук. Самара., 2003. -20 с.

95. Табл. П-1. Экономические и электрические показатели.

96. Номер Мощность системы нагрева Потери мощности в индукторе Потери в окружающую среду Масса стали Масса меди i Реактивная мощность Стоимость нагрева

97. Р сист. ^инд. ^окр. т тмед. Q ^'наг.

98. Вт Вт Вт кг кг кВАр руб./т1. Секции без смешения 1 177186,31 9017,26 8609.22 8722,28 6130,71 154246,2 52,31. Секции со смешением

99. При постоянной удельной мощности2 177214,67 9172,12 3038.55 5002.48 3944.45 140622.2 47.75

100. При постоянной длине секции3 176879,23 8874,84 2589.1 5188.47 3831.77 202391.2 49.35

101. Варианты расчетов Рис. П-1

102. Варианты расчетов Рис. П-2350030005 25005 2000 21. Н 1500 соа1. Й 1000 00500 01.Щ i ij 1. Без смешения 1.const P=const