автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Исследование и разработка системы косвенного индукционного нагрева при производстве пенополистирольных плит

На правах рукописи

Крылов Алексей Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ КОСВЕННОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПЕНОПОЛИСТИРОЛЬНЫХ ПЛИТ

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара-2005

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

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор, Данилушкин Александр Иванович Самарский государственный технический университет

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РФ доктор технических наук, профессор Рапопорт Эдгар Яковлевич Самарский государственный технический университет

кандидат технических наук, доцент Сабуров Валерий Васильевич Самарский государственный архитектурно -строительный университет

Ведущая организация: НИИ «Проблем конверсии и высоких технологий» (НИИ ПКВТ), г. Самара

Защита диссертации состоится 25 января 2006 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.

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)78-44-00; e-mail: aees@samgtu.ru

Автореферат разослан » декабря 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.217.04

кандидат технических наук, доцент

Е.А.Кротков

2,аО£А %7Л

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Диссертация посвящена разработке и исследованию конструкции и режимов работы индукционных нагревателей непрерывного действия в установках по производству пенопол истирольных плит.

Актуальность проблемы: Опыт применения индукционных установок для нагрева неэлектропроводных жидких и сыпучих материалов показывает, что они являются перспективными по ряду важнейших признаков. По сравнению с другими видами нагрева индукционный нагрев обладает рядом преимуществ, которые заключаются в экономичности, избирательности и высокой интенсивности нагрева. Однако на пути реализации преимуществ индукционного нагрева возникает ряд специфических проблем. К их числу относится проблема разработки и реализации конструкции нагревателя с оптимальными энерготехнологическими характеристиками и систем управления, обеспечивающих высокое быстродействие и точность температурного распределения по рабочим зонам многосекционного теплообменного аппарата.

Внедрение эффективных технологий, использующих индукционный нагрев, требует предварительного исследования процессов методами физического и математического моделирования. Моделирование процессов теплопередачи при индукционном нагреве системы разнородных по своей структуре тел представляет собой сложную задачу. Это обусловлено, прежде всего, необходимостью учета таких факторов, как изменение свойств материала при переходе из твердого состояния в жидкое и обусловленное этим неравномерное распределение скорости и ее влияние на температурное распределение, специфические особенности самого процесса экструдирования (реологические, вязкостные, геометрические, температурные и т.д.).

Решение практически важной задачи разработки адекватных моделей сложных электромагнитных и тепловых процессов в сопряженных физически неоднородных средах, ориентированных на оптимизацию конструкции индукционных нагревателей и режимов работы, позволит обеспечить качественное функционирование всего технологического комплекса.

В этой связи актуальными являются задачи исследования электромагнитных и тепловых процессов в системе «индуктор - металл - нагреваемый материал», разработки методики проектирования энергоэффективных нагревательных установок на основе индукционного способа нагрева и синтеза систем управления технологическим процессом.

Решение поставленных задач составляет основное содержание диссертационной работы, выполненной автором в Самарском государственном техническом университете. Данная работа выполнялась в рамках грсбюджетной НИР «Разработка научных основ и методологии проектирования нетрадиционных технологий индукционного нагрева» по заданию Министерства РФ.

Цель работы. Основная цель диссертационной работы заключается в разработке оптимальной конструкции индукционной системы для непрерывного нагрева исходного сырья в зкетрузионной линии производства пенополисти-рольных теплоизоляционных плит на основе выявленных закономерностей и построение на базе проведенных исследований высокоэффективной техноло-

гической установки.

РОС. НАЦИОНАЛ БИБЛИОТЕКА

Задачи исследования. В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи.

- Анализ существующих способов и устройств нагрева обрабатываемого материала в экструдере;

- анализ процесса экструдирования полистирола как объекта автоматизации;

- построение математических моделей электромагнитных и тепловых полей для анализа процессов теплообмена в системе «индуктор - металл - нагреваемый материал»;

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

- разработка автоматической системы управления, обеспечивающей требуемую точность температурного распределения по длине экструдера.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи использовались методы математического анализа, теории теплопроводности, аппарата преобразований Лапласа, 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.

Научная новизна.

В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

- разработаны численная и аналитическая математические модели процесса теплопроводности при косвенном индукционном нагреве неэлектропроводных материалов с относительным перемещением нагреваемого материала и тепловыделяющими элементами экструдера, ориентированные на решение задач проектирования и автоматического управления нагревательными комплексами;

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

- получен комплекс динамических характеристик процесса тепломассо-переноса при косвенном непрерывном индукционном нагреве неэлектропроводных материалов как объекта управления;

- предложен приближенный метод описания передаточных функций процессов теплопроводности при косвенном индукционном нагреве неэлектропроводных материалов на базе численных экспериментов;

- обоснована и разработана структура автоматической системы управления, обеспечивающей требуемую точность температурного распределения по длине экструдера.

Полученные в работе результаты позволяют на качественно более высоком уровне решать инженерные задачи расчета параметров индукторов для косвенного нагрева неэлектропроводных материалов, выбора источника пита-

ния, расчета оптимального режима работы и синтеза алгоритмов и систем автоматического управления объектами индукционного нагрева в специализированных технологических комплексах.

Практическая полезность работы. Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:

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

- разработана инженерная методика и комплекс программ расчета на ЭВМ электромагнитных и тепловых полей при косвенном индукционном нагреве неэлектропроводных материалов;

- разработаны рекомендации по проектированию индукционной системы для тегаюобменных аппаратов непрерывного действия в установках технологического нагрева неэлектропроводных материалов;

- на основании полученных в диссертации результатов и выводов разработаны функциональная и структурная схемы системы автоматического управления процессом косвенного индукционного нагрева полистирола в технологической линии по производству пенополистирольных теплоизоляционных плит.

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 "Паука. Технологии. Инновации" (г. Новосибирск 2003); 10-й международной научно-технической конференции студентов н 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);

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 154 страницах машинописного текста; содержит 76 рисунка и 11 таблиц, список использованных источников, включающий 95 наименовани.

На защиту выносятся следующие положения:

- Математические модели процесса нестационарной теплопроводности в системе «индуктор - металлический цилиндр - неэлектропроводный

материал», ориентированные на решение задач оптимального проектирования и управления процессом косвенного индукционного нагрева неэлектропроводных материалов;

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

- рекомендации по выбору оптимальных по максимуму коэффициента полезного действия параметров системы косвенного индукционного па-грееа в многозонных экструзионных линиях;

- комплекс динамических характеристик процесса тепломассопереноса при косвенном непрерывном индукционном нагреве неэлектропроводных материалов как объекта управления;

- структура системы автоматического управления процессом косвенного индукционного нагрева полистирола в экструзионной линии по производству пенополистирольных плит.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:

Во введении обосновывается выбор 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 процесса получения пенополистирольных плит методом экструдирования из композиции на основе вспенивающегося полистирола, приводятся отдельные технические характеристики основных агрегатов, применяющихся в отечественной промышленности при производстве пенополистирольных блоков.

Исследуемая конструкция экструзионной линии по производству пенополистирольных теплоизоляционных плит представлена на рис Л

Рис 1 Технологическая схема производства теплоизоляционных плит из пенополистирола методом экструдирования

Вращаемый двигателем 1 через редуктор 2 червяк 3 захватывает материал 5 в виде гранул, порошка, крошки, ленты или расплава из загрузочной воронки бункера 4, перемешивает его, пластицирует, сжимает и перемещает по винтовому каналу вдоль цилиндра 6 с нагревателем 7. Червяк также обеспечивает гомогенизацию расплавленного термопласта и его выдавливание через фильтрующие сетки и решетки 8, а также профилирующую головку 9.

Цилиндр экструдера разделен на несколько температурных зон, каждая из которых подключена к системам нагрева и охлаждения. Температурный режим в каждой зоне поддерживается постоянный. Для охлаждения зон цилиндра обычно применяют вентиляторы 10.

Нагрев цилиндров червячных экструдеров осуществляется различными способами: электронагревателями сопротивления, индукционными электронагревателями, жидкими теплоносителями или паром.

В настоящее время наиболее широко на практике распространены электрические нагреватели сопротивления. Однако эффективной и экономичной является система обогрева с помощью индукционных нагревателей, что объясняется основными преимуществами - бесконтактным и практически безинерционным способом передачи энергии от источника (индуктора) и преобразования ее в тепловую. Это позволяет обеспечить более высокие удельные поверхностные мощности, что примерно на два порядка повышает скорость индукционного нагрева по сравнению со скоростью косвенного нагрева сопротивлением.

Для эффективного повышения качества экструдата при высокой производительности экструдер должен обеспечивать заданные температурные градиенты и изменение текучести материала по длине червяка и глубине винтового канала, а также химическую гомогенность материала. Установки рассматриваемого класса преимущественно имеют несколько автономных зон нагрева. Температурный режим по зонам экструдера представлен на рис. 2. График 1 (рис 2) соответствует требуемому температурному распределению по зонам цилиндра, график 2 (рис 2) соответствует требуемому температурному распределению полистирола.

Рис 2. Температурное распределение

В работе проведен обзор работ, посвященный вопросам конструирования и расчета экструзионных машин, исследованию гидродинамических процессов течения вязкой жидкости, а также методам расчета электромагнитных и тепловых процессов при индукционном нагреве.

Комплекс гидравлических и тепловых задач рассматривается в работах В.П. Исаченко, ГШ. Бажана, В .Я. Шкадова и других. Вопросам теории и методам расчета электромагнитных и тепловых полей при индукционном нагреве посвящены работы В.П. Вологодина, JI.P. Неймана, Г.И. Бабата, H.H. Родиги-на, А.Е. Слухоцкого, A.B. Донского, A.A. Простякова, А.М. Вайнберга, О.В. Тозони, H.A. Павлова, B.C. Немкова, В.Б. Демидовича и других. Задачи оптимизации конструкции и режимов работы индукционных нагревателей металла периодического и непрерывного действия рассмотрены и решены в монографиях Рапопорта Э.Я., Зимина Л.С., Лившица М.Ю. и др. Возможность практического применения индукционных нагревателей для косвенного нагрева неэлектропроводных материалов рассматривалась в работах Кувалдина А.Б. В работах Данилушкина А.И., Шумакова М.В. и др. предложены математические модели процесса косвенного индукционного нагрева неэлектропроводных материалов, в частности, битума, нефти и нефтепродуктов. Предложены модели электромагнитной, гидравлической и тепловой задач и методика решения. Однако специфические процессы, происходящие при экструзии полистирола, не позволяют полностью использовать в данной работе предложенные модели.

Вторая глава посвящена разработке и исследованию математической модели, адекватно представляющей электромагнитные и тепловые явления в сложной физически неоднородной системе «индуктор - металлический цилиндр - неэлектропроводный материал» при непрерывном движении нагреваемого материала Схема теплообмена, принятая при решении задачи теплопроводности в исследуемой системе тел, представлена на рис. 3.

q,(x,t) q<(x,t)

q,(x,t) q.(x,t)

Рис. 3. Схема тепломассопереноса

Количество тепла, расходуемого на термообработку полистирола, можно представить как сумму отдельных статей расхода тепла, выделяемого вследствие различных процессов, протекающих в экструдере, однако, основная доля энергии вносится внутренними источниками тепла, индуцируемыми электромагнитным полем индуктора.

Тепловой баланс червячной машины можно представить в виде:

+ &+& +а +С.СД = СмСм1к +С.СД + £_ (1)

Здесь: См - количество полимерного материала; Си,Св - теплоемкость полимера и вода; 1н, - начальная и конечная температура полимера; ()п -количество тепла, выделяющегося за счет энергии сдвига; - количество тепла, подводимое к корпусу машины от внешних нагревателей; <2г - количество тепла, подводимое к экструзионной головке; <7„ - количество воды, проходящее через шнек; - начальная и конечная температуры охлаждающей воды; 0^,,, - потери тепла корпусом машины и головкой в окружающую среду.

Уравнение теплового баланса относительно температуры - полимера можно представить в виде:

1К =-———-+/„ (2)

к 0 с . V /

л и

На основании уравнения теплового баланса, учитывающего тепло внутреннего тепловыделения за счет энергии сдвига и тепла, вносимого водой, выполнены расчеты мощности индукционных нагревателей, необходимой для обеспечения процесса экструзии.

Следующим этапом исследования является расчёт гидродинамических характеристик. Как показано в работах, посвященных процессам экструзии полистирола, гидродинамический режим течения расплавленного полистирола можно с небольшой погрешностью можно представить уравнением движения несжимаемой изотропной жидкости для стационарного ламинарного потока в виде:

— = И-Г-+-Г"

сЬ ^ А; (¡у1;

<1&г йш <13 (1ш +———Г.+-———-

Ох дх ф 4у (3)

иишишл ДУН

где, у/ -вязкость материала; р - давление.

Компонента скорости &у возникает только вследствие изменения скорости 9Х поперечного течения, влияние на производительность можно не учитывать. Поэтому в расчетах принимается, что 9у=0.

В результате обоснованных допущений последнее уравнение примет вид

у{Н-у) (фЛ 2цг {¿к) (4)

А — высота канала, V— вектор скорости

Первый член правой части уравнения является скоростью прямого потока, а второй - скоростью обратного потока под давлением.

На основании анализа гидродинамических характеристик показано, что на участке выдавливания при относительно малом радиальном размере потока полистирола неравномерным распределением скорости по радиусу можно пренебречь и в расчетах температурных полей считать ее постоянной.

Далее в работе рассматриваются вопросы математического моделирования электромагнитных и тепловых полей в многослойной осесимметричной

системе "индуктор - металлический цилиндр - полистирол». Учитывая небольшой диапазон рабочих температур экструзионной установки, отсутствие ферромагнитных масс и используя общепринятые допущения относительно безынерционности электромагнитных процессов, в работе осуществляется раздельное решение электромагнитной и тепловой задач.

Принимая обычные допущения относительно теплофизических констант с, у,Л, переходим к системе линейных неоднородных уравнений теплопроводности Фурье для температурного поля с известной функцией распределения источников внутреннего тепловыделения. 0Г,( г, ¡Г, 0 [Эг7\(г,х,0 1дт1(г,х,г) дХ{г,х,1) дЬ дг2 г дг Эх*

дТг(г,х,1)

+ w (г, X, t) ">

=[0,1];

dt

9%(r,x,t) 1дТг(г,х,1) d%(r,x,t) дг2 г дг дх2

~V(r)

дх

•[r3,r2]; хе[0,1];

dT3(r,x,t) dt

d%(r,x,t) | ldT,(r,X,t) | d%(r,x,t)

dr2

dr

дх2

r e

¿T4{x,t) dt

[r4,r3]; xe[0,i]; d%(x,t) v JTt(x,tj

(5)

3x2 1 дх

Здесь Tx(r,x,t), T2{r,x,t), T3(r,x,t)T4(x,t) - TeMnepaiypa соответственно корпуса экструдера, полистирола, червяка и протекающей через тело червяка воды, r,x,t - радиальная и аксиальная координаты и время процесса, w(r,x,t) - функция распределения мощности внутренних источников тепла, V{r) - скорость перемещения нагреваемого материала через экструдер, V, -скорость течения воды а^о^а3,а4, - коэффициенты температуропроводности соответственно корпуса экструдера, полистирола, шнека и протекающей через тело шнека воды, L - длина нагревателя.

Получить аналитическое решение представленной системы уравнений не представляется возможным. В работе используется численный метод решения, основанный на методе конечных элементов. Задача решается с учетом граничных условий четвертого рода на поверхностях сопряжения элементов системы с различными физическими свойствами.

При решении электромагнитной задачи принимаются следующие допущения. Поле принимается квазистационарпым. Это допущение позволяет пренебречь токами смещения по сравнению с токами в проводниках. Не учитываются потери на гистерезис в силу их незначительности по сравнению с потерями от вихревых токов. Принятые допущения позволяют упростить решение электромагнитной задачи.

Решение краевой задачи расчета магнитного поля в изотропной среде эквивалентно минимизации энергетического функционала:

г\д \ д\А э 19 а} г ._,2

' = Г ^---+ ----¿-1 + 4---И- + Г ! ШуЛг ■

\ дхц дх дур ду дх ц дг 11

V

V

где Л - векторный потенциал; 3 - вектор плотности токов; ц - магнитная проницаемость; ш - частота; а - проводимость

Алгоритм решения электромагнитной и тепловой задачи реализован программным путем. Для решения использован пакет программ РЕМЬАВ. Для представления результатов расчета в наглядной форме использовался специальный графический пакет.

В третьей главе с использованием предложенной в работе численной модели выполнен расчет и анализ электромагнитных и тепловых полей.

Как уже отмечалось, исследуемая система состоит из нескольких разнородных по своим физическим свойствам тел, входящих в состав индукционного нагревателя: индуктор - тепловая изоляция - цилиндр - нагреваемый материал - шнек - вода".

Параметры системы: внутренний диаметр цилиндра экструдера .О, = 0.0906.«, толщина стенки цилиндра - 8 мм., диаметр шнека £> = 0.09м, глубина канала в зоне питания \ - 0.0112м, глубина канала в зоне выдавливания А, = 0.0028л*, рабочая зона шнека Ьраб =2,7 м., длина зоны питания червяка /, = 1.17л<, длина зоны сжатия червяка 12 = 0.09м, длина зоны выдавливания червяка /3 = \Мм.

Для решения задачи тепломассопереноса в указанной постановке разработан вычислительный алгоритм расчета электромагнитных и тепловых полей в системе «индуктор - цилиндр - полистирол - шнек», который позволяет рассчитать температурные распределения в полистироле на любом участке при нагреве источниками тепла, выделяющимися в цилиндре экструдера под действием вихревых токов.

Результаты расчета тепловой задачи представлены на рис. 4, 5. Как следует из полученных результатов, нагрев полистирола от шнека осуществляется только на первых двух зонах, а на последних двух зонах температура полистирола выше, чем температура шнека, поэтому происходит выравнивание температуры в канале экструдера.

На рис 4а) 1, 2, 3, 4 - соответствующие температурные распределения по длине на расстояниях 0,2 мм, 2,2 мм, 6,2 мм и 10,2 мм от внутренней поверхности цилиндра;

46) 1,2,3,4,5 - соответствующие температурные распределения по длине на расстояниях 0,2 мм, 2,2 мм, 5,2 мм, 8,2 мм и 10,2 мм от внутренней поверхности цилиндра;

4в), 4г) 1, 2, 3 - соответствующие температурные распределения по длине на расстояниях 0,2 мм, 1,2 мм и 2,2 мм от внутренней поверхности цилиндра.

а) 1 - зона

0.2 0.3 0.4 Х,<м>

б) 2-зона

в) 3 - зона

г) 4-зона

Рис.4. Температурное распределение по длине в секциях 1-4.

На первом участке экструдера (рис.4а) в зоне 0 0,35 м происходит загрузка полистирола, внутренние источники тепла отсутствуют, поэтому нагрев определяется только температурой шнека, которая поддерживается постоянной по всей длине на уровне 60°С. Ввиду низкой теплопроводности гранулированного полистирола в первой зоне нагревается только поверхностный слой полистирола и слой, прилегающий к поверхности шнека. По мере продвижения нагреваемого материала происходит нагрев слоя полистирола с двух сторон: от шнека и цилиндра экструдера.

Как видно из графиков на рис. 4, средние слои прогреваются медленно вследствие низкой теплопроводности полистирола, поэтому на втором участке имеет место значительный градиент температуры от стенок цилиндра и шнека к центру потока. По мере продвижения полистирола к выходу температурный перепад уменьшается.

Так как шнек по длине экструдера имеет переменный диаметр, увеличивающийся в районе второй зоны индукционного нагрева (рис. 46), толщина нагреваемого слоя полистирола уменьшается. В третьей и четвертой зонах (рис. 4в, г) происходит выравнивание температуры по сечению потока. В конце четвертой зоны температура полистирола по толщине слоя достигает требуе-

мого для выдавливания из калибратора и формирования пенополистирольных плит значения.

На рис. 5 представлены графики температурных распределений по сечению на выходе соответствующих зон. т,СС)

г, (м)

олоо 0.004 алее 0.012

Рис.5. Температурное распределение по сечению в секциях 1-4.

Таким образом, при найденных параметрах индукционного нагревателя температурное распределение по сечению канала на выходе из четвертой зоны достигает заданного значения. Погрешность в стационарном режиме при отсутствии внешних помех составляет ± 4град.

При проектировании индукционных нагревательных установок основными параметрами, определяющими эффективность нагрева, являются частота тока, уровень и характер распределения мощности, геометрические размеры индуктора, найденные с учетом возможных технологических ограничений. Частота, кроме указанного обстоятельства, определяет выбор источника пигат ния и другого оборудования системы индукционного нагрева, т.е. определяет стоимость всей установки. В связи с этим, прежде всего, частоту необходимо рассматривать в качестве оптимизируемого параметра.

Задача оптимального выбора частоты ставится следующим образом: для заданных геометрических параметров и электрофизических характеристик цилиндра экструдера необходимо найти частоту источника питания, удовлетворяющую условию:

тах//„=—-, (7)

1 , П1 РАюгт Пг рг А,

где: #/, Яг — соответственно периметры индуктора и цилиндра;

Р\-< Рг ~ удельные сопротивления материала индуктора и цилиндра;

Л,, Д2яот - глубина проникновения тока в металл индуктора и цилиндра.

В основу метода поиска оптимальной частоты тока индуктора положена процедура зондирования пространства параметров проектируемой установки, в соответствии с которой выбор оптимального решения осуществлялся го набора

альтернативных вариантов проектных решений, полученных с помощью аппарата Парето - предпочтений.

По выполненным для ряда частот расчетам (таблица 1) построена зависимость КПД индуктора и со$/р (рис б).

Таблица 1. Электрические параметры индуктора.

f, Гц 50 500 1000 1500 2000 2400 3000 5000

Т1 0,602 0,653 0,65 0,669 0,662 0,672 0,667 0,666

COSip 0,549 0,471 0,419 0,392 0,361 0,349 0,325 0,276

Г) со sq>

Рис 6. зависимость КПД индуктора и cos р от различных частот.

Учитывая ряд конструктивных требований к индукционной системе, в частности, минимизацию размеров индуктора и условия согласования параметров индуктора с источником питания, в качестве рабочей следует выбрать частоту f = 2400 Гц.

Четвертая глава посвящена исследованию динамических свойств системы "индуктор - металл - полистирол" как объекта управления и вопросам построения структуры системы автоматического управления нагревательной установкой.

Исследование динамических свойств объекта выполняется по переходным функциям, полученным на основании численных экспериментов.

Для определения передаточной функции звена с внутренними источниками тепла (индуктор - цилиндр) по каналу «мощность источников - температура» в настоящей работе используется способ параметрической идентификации с использованием результатов эксперимента на численной модели, полученной в главе 2.

Методика определения передаточных функций объекта состоит из двух этапов:

- обработка переходной характеристики объекта, полученной с помощью численной модели, выбор аппроксимирующей передаточной функции в виде динамического звена первого или второго порядка;

- обработка данных и определение искомых параметров на модели. В результате аппроксимации получепа структурная схема автономной секции нагревателя, представленная на рис. 7. Здесь (р)~-

{тшр+1){тцгр+1)

- передаточная функция для температуры цилиндра относительно мощности, подведенной к индуктору, Н/„1(р) = 7~—-г(1-е"',г(1')), - передаточная функция для температуры полистирола соответственно в точке контроля, е'чр - звено транспортного запаздывания, учитывающее время прохождения полистирола через соответствующую зону экструдера

Рис. 7. Структурная схема автономной секции нагревателя

Предложенная упрощенная передаточная функция процесса нагрева полистирола внутренними источниками тепла в виде комбинации элементарных динамических звеньев позволяет выполнить качественный анализ динамики объекта и синтезировать замкнутую систему управления температурой полистирола.

В пятой главе проведен анализ возмущающих воздействий на объект в процессе нагрева. Рассматриваются задачи управления объектами с распределенными параметрами и их принципиальные особенности по сравнению с аналогичными задачами для объектов с сосредоточенными параметрами.

Приводится структура системы автоматического регулирования, в которой в качестве управляющего воздействия в исследуемой установке рассматривается мощность, подводимая к индуктору, а в качестве сигнала обратной связи -температура цилиндра в каждой зоне экструдера.

Для оценки качественных показателей системы автоматического управления нагревом использовалась динамическая модель системы. Исследуемая система управления имеет четыре независимых канала регулирования по числу индукционных нагревателей в линии. Каждый канал регулирования имеет ПИ - регулятор, который отрабатывает без статической ошибки постоянное задающее воздействие и возмущения, обусловленные изменением скорости потока жидкости, начальной температуры на входе в нагреватель, изменением физических характеристик полистирола (удельной теплоемкости, теплопроводности, плотности и др.). Для моделирования системы управления использовались возможности среды технологических расчётов - МаЙаЬ, а также сопут-

I

I <

ствующей системы для моделирования динамических нелинейных систем -8шш1шк.

На рис 8, 9 показаны кривые переходных процессов замкнутой системы автоматического регулирования температуры полистирола. Максимальное перерегулирование составляет 2 градуса, что полностью удовлетворяет технологическим требованиям.

te

34 as 35Л 35i »4 ЭМ

Рис. 8. Переходный процесс для темперэту- Рис. 9. Переходный процесс для температуры полистирола относительно управляют«- ры полистирола относительно возмущения го воздействия по температуре шнека

Система управления технологической линией реализована на контроллере. Объем программной памяти контроллера и его быстродействие позволяют реализовать на контроллере не только систему автоматического управления нагревом, но и остальные системы, участвующие в обслуживании экструзионной линии. Супервизорное управление процессом нагрева осуществляется с автоматизированного рабочего места оператора, реализованного на персональной ЭВМ, работающей под управлением операционной системы Microsoft Windows 2000 и SCADA-системы сбора и предоставления информации Siemens SIMAT1C WinCC 5.1 Service Parie 2. Мнемосхемы SCADA-системы WinCC обеспечивают удобный, интуитивно понятный пользовательский интерфейс, позволяющий в темпе процесса отслеживать изменения всех измеряемых параметров, изменять уставки регуляторов и настройки алгоритмов. Связь управляющего контроллера с операторской станцией осуществляется по промышленной сети PROFIBUS.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты.

1. Проведённый анализ существующих способов нагрева полистирола в экструзионной линии показал, что используемые в настоящее время методы нагрева сопротивлением, паром, жидкими теплоносителями не обеспечивают возросших требований к быстродействию, эффективности и надежности систем, не удовлетворяют требованиям экологии. В то же время существует высокотехнологичный способ индукционного нагрева, который при определенном подходе к проектированию позволит обеспечить все перечисленные требования.

2. Известные в практике индукционного нагрева исследования посвящены в основном изучению процессов нагрева металлов. Так как косвенный ин-

дукционпый нагрев неэлектропроводных материалов существенно отличается по своим динамическим свойствам, возникает необходимость в более глубоком изучении процессов нестационарного тепломассопереноса в системе "индуктор - металл - неэлектропроводный материал" и установлении характера внутренних связей между отдельными звеньями системы и их количественных характеристик.

3. Разработана и реализована программно конечно - элементная модель электромагнитного поля в многослойной цилиндрической системе, состоящей из двух разделенных диэлектрическим материалом осесимметричных металлических немагнитных цилиндров, охваченных индуктором. С ее помощью проведены расчеты и выполнен анализ распределения мощности электромагнитных источников тепла для цилиндрического индуктора. Получены диаграммы распределения плотности токов, мощности внутренних источников тепла по радиусу и длине цилиндра экструдера.

4. На основании анализа технологического процесса нагрева неэлекгро-проводных материалов сформулирована задача идентификации и разработана численная математическая модель нестационарной теплопроводности в многослойной системе осесимметричных тел с различными по характеру источниками нагрева. На базе метода конечных элементов предложен алгоритм решения тепловой задачи с учетом непрерывного движения нагреваемого материала. С его помощью получепы тепловые поля рассматриваемого объекта, выполнен анализ и даны рекомендации по выбору рациональной конструкции индукционной системы, ориентированной на нагрев вязких неэлектропроводных материалов.

5. На основании анализа электромагнитных и тепловых полей обоснован выбор частоты тока индуктора, обеспечивающего максимальный электрический коэффициент полезного действия.

6. Предложена проблемно - ориентированная упрощенная математическая модель процесса теплообмена, на основании которой методом параметрической идентификации определена передаточная функция динамического звена теплообмена между цилиндром экструдера и полистиролом. На основании численных экспериментов по переходной функции объекта получены передаточные функции системы "индуктор - цилиндр". Передаточная функция объекта по каналу "мощность внутренних источников тепла - температура полистирола" представлена в виде комбинации элементарных динамических звеньев.

7. Предложена структура замкнутой системы автоматического регулирования температуры полистирола. Проведен анализ качественных показателей работы предложенной системы регулирования при отработке возмущающих воздействий по различным каналам воздействий. Результаты анализа свидетельствуют об удовлетворительных качественных показателях работы замкнутых систем автоматического регулирования.

8. По результатам исследований предложены конструкция индукционного нагревателя и структура системы управления, позволяющие значительно повысить эффективность и качество работы установки, обеспечить более высокую надежность, существенно увеличить срок службы.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. А.И. Данилушкин, А.Н. Крылов, М.А. Шумаков. Оптимальное проектирование конструкции и режимов индукционных нагревателей в специализированных комплексах обработки неэлектропроводных материалов. // Труды академии электротехнических наук Чувашской республики. Под ред. проф. Миронова Ю.М. - Чебоксары: Чувашский государственный университет. №1 -2003, с .25 - 30.

2. А.А. Базаров, В.А. Данилушкин, А.Н. Крылов. Синтез оптимальных алгоритмов управления процессом непрерывного индукционного нагрева ферромагнитной загрузки. // Труды академии электротехнических наук Чувашской Республики. №1/ 2003. С. 88-92.

3. А.Н. Крылов, Д.А. Зиннатуллин. Математическая модель теплового режима как объекта оптимизации при производстве пенополистирольных плит. // Межвузовский научный сборник "Электро и теплотехнические процессы и установки". Саратов 2003. С. 88 - 92.

4. А.Н.Крылов, А.И. Данилушкин, A.M. Батшцев, Д.А. Зиннатуллин. Оптимальное проектирование параметров индукционного нагревателя для экстру-зионной линии производства пенополистирольных плит. //Всероссийская научная конференция молодых ученых. "Наука. Технологии. Инновации". Новосибирск 2003. С. 127-128.

5. А.Н. Крылов, А.И. Данилушкин, Е.Н. Дмитриева, А.А. Хирсанов. Система индукционного нагрева движущихся вязких жидкостей. // Материалы докладов всероссийской научной конференции молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации". Новосибирск, 4-7 декабря 2003. С. 105-106.

6. А.И. Данилушкин, А.Н.Крылов, А.М.Батищев. Система автоматического управления температурным полем экструдера. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Десятая международная научно - техническая конференция студентов и аспирантов. Москва, 2-3 марта 2004 г. Тезисы докладов. Том 2. - Москва. С. 142-143.

7. А.Н. Крылов, А.М. Батшдев. Расчет электромагнитных и тепловых полей в установке технологического нафева при производстве пенополистирольных плит. // Материалы Всероссийского научно - технического семинара. Энергосбережение в электрохозяйстве предприятия. Ульяновск 26 - 28 мая 2004 г. С.67-71.

8. А.Н. Крылов, A.M. Батшцев. Исследование электротепловых полей при индукционном нагреве составных осесимметричных тел. Сборник трудов Всероссийской научно - технической конференции. Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии. Тольятти, 21-24 сентября 2004 г. С. 111-112.

9. А.Н. Крылов, Я.И. Бузановский, Д.А. Зиннатуллин. Математическая модель теплового режима технологической линии по производству пенополистирольных плит как объекта оптимизации. // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки». Выпуск 20, Самара, 2004 С. 174 - 176.

10. A.I.Danilushkin, D.A.Zinnatullin, A.N. Krilov. Optimization of operational modes of inductive heater with variable arguments.// Специальный выпуск № 2. Bulletion of the Samara State Technical University and the Robert Gordon University. Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки». Самара, 2004. С. 34 - 38.

11. А.Н. Крылов, A.M. Батшцев. Математическое моделирование динамики управляемого процесса тегаюмассопереноса в червячном экструдере. // Математическое моделирование и краевые задачи: Труды второй Всероссийской научной конференции 1-3 июня 2005 г. Часть 2. Самара: СамГТУ, С. 40 - 43.

12. A.M. Батшцев, А.Н. Крылов. Математическое моделирование процесса нестационарной теплопроводности при косвенном индукционном нагреве полистирола в экструдере. // Сборник научных трудов. Электро - и теплотехно-логические процессы и установки - 2. Саратов 2005. С. 86 - 90.

Личный вклад автора. В работах [1, 3, И] автору принадлежит постановка задачи исследования, в работах [3, 9, 12] математическая модель процесса тепломассопереноса с учетом неравномерного течения вязкой жидкости в прямоугольном канале экструдера, в работах [7, 8] разработка вычислительного алгоритма расчета электромагнитных полей, в работах [5, 6, 10] -исследование динамики процесса нагрева движущейся жидкости как объекта управления, в работе [4] - выбор оптимальной частоты источника питания, в работе [2] - расчет оптимальных алгоритмов управления в нестационарных режимах.

Разрешено к печати диссертационным советом Д 212.217.04. Протокол №12 от 2.12.05

Заказ №579. Тираж 100 экз. Отпечатано на ризографе.

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

&OOGA &71

06-87 1

Введение.

Проблема создания системы индукционного нагрева при производстве пенополистирольных плит.

1.1. Особенности процесса получения пенополистирольных плит методом экструдирования.

1.2. Конструкция и оборудование технологической линии производства пенополистирольных плит.

1.3. Особенности технологического процесса при производстве пенополистирольных плит методом экструзии.

1.3.1. Анализ методов нагрева полистирола в экструдере.

1.4. Обзор методов идентификации процессов индукционного нагрева.

1.5. Задача оптимального проектирования конструкции и режимов работы экструзионной линии с индукционным нагревом.

Идентификация процесса косвенного индукционного нагрева полистирола.

2.1. Общая структура объекта идентификации.

2.1.1. Энергетический баланс в экструзионной линии.

2.2. Гидродинамический анализ стационарного режима течения расплавленного полистирола.

2.3. Математическая модель процессов косвенного индукционного нагрева.

2.3.1 Особенности математической модели процессов тепломассопереноса для различной фазы загрузки.

2.4. Конечно - элементная модель электромагнитного поля.

2.5. Алгоритм совместного расчета электромагнитных и тепловых полей.

Анализ электромагнитных и тепловых полей и оптимизация частоты системы « источник питания - индуктор ».

3.1. Расчет и анализ электромагнитных полей объекта.

3.2. Расчет и анализ температурных полей в слое полистирола.

3.3. Выбор оптимальной частоты источника питания.

4. Исследование динамических свойств объекта управления.

4.1. Структурная схема объекта управления.

4.2. Аппроксимация передаточной функции объекта управления на основе переходных функций.

4.3. Аналитическая аппроксимация передаточной функции объекта.

5. Синтез системы автоматического управления.

5.1. Анализ возмущающих воздействий в системе.

5.2. Синтез системы автоматического регулирования температуры.

5.3. Реализация системы автоматического управления.

Диссертация посвящена разработке и исследованию конструкции и режимов работы индукционных нагревателей непрерывного действия в установках по производству пенополистирольных блоков.

Актуальность проблемы: В строительной, химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности для обработки реакционных масс, при производстве теплоизоляционных плит методом экструзии, при изготовлении строительных мастик для мягкой кровли и дорожных покрытий на базе продуктов нефтепереработки, при транспортировке нефти и нефтепродуктов находят все более широкое применение теплообменные аппараты непрерывного действия с индукционным нагревом до температур в интервале 5(Ь-600оС.

Опыт применения индукционных установок для нагрева неэлектропроводных жидких и сыпучих материалов показывает, что они являются перспективными по ряду важнейших признаков. По сравнению с другими видами нагрева индукционный нагрев обладает рядом преимуществ, которые заключаются в экономичности, избирательности и высокой интенсивности нагрева. Однако на пути реализации преимуществ индукционного нагрева возникает ряд специфических проблем. К их числу относится проблема разработки и реализации конструкции нагревателя с оптимальными энерготехнологическими характеристиками и систем управления, обеспечивающих высокое быстродействие и точность температурного распределения по рабочим зонам многосекционного теп-лообменнош аппарата.

Внедрение эффективных технологий, использующих индукционный нагрев, требует предварительного исследования процессов методами физического и математического моделирования. В настоящей работе за основной технологический параметр рассматриваемой системы принимается температурное распределение в движущемся потоке неэлектропроводного материала, нагреваемого посредством теплопередачи от промежуточного тепловыделяющего цилиндра. Моделирование процессов теплопередачи при индукционном нагреве системы разнородных по своей структуре тел представляет собой сложную задачу. [30]. Это обусловлено, прежде всего, необходимостью учета таких факторов, как изменение свойств материала при переходе из твердого состояния в жидкое и обусловленное этим неравномерное распределение скорости и ее влияние на температурное распределение, специфические особенности самого процесса экстру-дирования (реологические, вязкостные, геометрические, температурные и т.д.).

Для получения адекватного описания процессов нестационарной теплопроводности в рассматриваемой системе требуется решение комплексной задачи, включающей в себя электромагнитные процессы в системе «индуктор -металл», процесс тепловыделения в металлическом цилиндре и процесс теплопередачи от него к нагреваемому материалу, причем, процесс теплообмена между металлической стенкой и потоком жидкости осложняется наличием их взаимного перемещения. Рассматриваемые процессы относятся к наиболее сложным с точки зрения математического моделирования объектам с распределенными параметрами.

Решение практически важной задачи разработки адекватных моделей сложных электромагнитных и тепловых процессов в сопряженных физически неоднородных средах, ориентированных на оптимизацию конструкции индукционных нагревателей и режимов работы, позволит обеспечить качественное функционирование всего технологического комплекса.

В этой связи актуальными являются задачи исследования электромагнитных и тепловых процессов в системе «индуктор - металл - нагреваемый материал», разработки методики проектирования энергоэффективных нагревательных установок на основе индукционного способа нагрева и синтеза систем управления технологическим процессом.

Решение поставленных задач составляет основное содержание диссертационной работы, выполненной автором в Самарском государственном техническом университете.

Цель работы. Основная цель диссертационной работы заключается в разработке оптимальной конструкции индукционной системы для непрерывного нагрева исходного сырья в экструзионной линии производства пенополисти-рольных теплоизоляционных плит на основе выявленных закономерностей и построение на базе проведенных исследований высокоэффективной технологической установки.

Задачи исследования. В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи.

- Анализ существующих способов и устройств нагрева обрабатываемого материала в экструдере;

- анализ процесса экструдирования полистирола как объекта автоматизации;

- построение математических моделей электромагнитных и тепловых полей для анализа процессов теплообмена в системе «индуктор - металл -нагреваемый материал»;

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

- разработка автоматической системы управления, обеспечивающей требуемую точность температурного распределения по длине экструдера. Методы исследования. Для решения поставленной задачи использовались методы математического анализа, теории теплопроводности, аппарата преобразований Лапласа, 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.

Научная новизна.

В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

- разработаны численная и аналитическая математические модели процесса теплопроводности при косвенном индукционном нагреве неэлектропроводных материалов с относительным перемещением нагреваемого материала и тепловыделяющими элементами экструдера, ориентированные на решение задач проектирования и автоматического управления нагревательными комплексами;

- получен комплекс динамических характеристик процесса тепло-массопереноса при косвенном непрерывном индукционном нагреве неэлектропроводных материалов как объекта управления;

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

- предложен приближенный метод описания передаточных функций процессов теплопроводности при косвенном индукционном нагреве неэлектропроводных материалов на базе численных экспериментов;

- обоснована и разработана структура автоматической системы управления, обеспечивающей требуемую точность температурного распределения по длине экструдера.

Полученные в работе результаты позволяют на качественно более высоком уровне решать инженерные задачи расчета параметров индукторов для косвенного нагрева неэлектропроводных материалов, выбора источника питания, расчета оптимального режима работы и синтеза алгоритмов и систем автоматического управления объектами индукционного нагрева в специализированных технологических комплексах.

Практическая полезность работы. Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:

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

- разработана инженерная методика и комплекс программ расчета на ЭВМ электромагнитных и тепловых полей при косвенном индукционном нагреве неэлектропроводных материалов;

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

- на основании полученных в диссертации результатов и выводов разработаны функциональная и структурная схемы системы автоматического управления процессом косвенного индукционного нагрева полистирола в технологической линии по производству пенополистирольных теплоизоляционных плит.

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);

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 154 страницах машинописного текста; содержит 76 рисунков, 11 таблиц и список использованных источников, включающий 95 наименований.

Выводы

1. Предложена структура замкнутой системы автоматического регулирования средней по сечению потока температуры полистирола. Замкнутая система реализована с обратной связью по косвенному параметру - температуре цилиндра в каждой зоне.

2. Проведен анализ качественных показателей работы предложенной системы регулирования при отработке возмущающих воздействий по различным каналам воздействий. Результаты анализа свидетельствуют об удовлетворительных качественных показателях работы замкнутой системы автоматического регулирования.*

3. Предложен вариант реализации системы автоматического управления на базе программируемого логического контроллера фирмы Siemens серии S7-300.

142 Заключение

В работе получены следующие основные результаты.

1. Проведённый анализ существующих способов нагрева полистирола в экструзионной линии показал, что используемые в настоящее время методы нагрева сопротивлением, паром, жидкими теплоносителями не обеспечивают возросших требований к быстродействию, эффективности и надежности систем, не удовлетворяют требованиям экологии. В то же время существует высокотехнологичный способ индукционного нагрева, который при определенном подходе к проектированию позволит обеспечить все перечисленные требования.

2. Известные в практике индукционного нагрева исследования посвящены в основном изучению процессов нагрева металлов. Так как косвенный индукционный нагрев неэлектропроводных материалов существенно отличается по своим динамическим свойствам, возникает необходимость в более глубоком изучении процессов нестационарного тегоюмассопереноса в системе "индуктор - металл - неэлектропроводный материал" и установлении характера внутренних связей между отдельными звеньями системы и* их количественных характеристик.

3. Разработана и реализована программно конечно-элементная модель электромагнитного поля в многослойной цилиндрической системе, состоящей из двух разделенных диэлектрическим материалом осесимметричных металлических немагнитных цилиндров, охваченных индуктором. С ее помощью проведены расчеты и выполнен анализ распределения мощности электромагнитных источников тепла для цилиндрического индуктора. Получены диаграммы распределения плотности токов, мощности внутренних источников тепла по радиусу и длине цилиндра экструдера.

4. На основании анализа технологического процесса нагрева неэлектропроводных материалов сформулирована задача идентификации и разработана численная математическая модель нестационарной теплопроводности в многослойной системе осесимметричных тел с различными по характеру источниками нагрева. На базе метода конечных элементов предложен алгоритм решения тепловой задачи с учётом непрерывного движения нагреваемого материала. С его помощью получены тепловые поля рассматриваемого объекта, выполнен анализ и даны рекомендации по выбору рациональной конструкции индукционной системы, ориентированной на нагрев вязких неэлектропроводных материалов.

5. На основании анализа электромагнитных и тепловых полей обоснован выбор частоты тока индуктора, обеспечивающего максимальный электрический коэффициент полезного действия.

6. Предложена проблемно - ориентированная упрощенная математическая модель процесса теплообмена, на основании которой методом параметрической идентификации определена передаточная функция динамического звена теплообмена между цилиндром экструдера и полистиролом. На основании численных экспериментов по переходной функции объекта получены передаточные функции системы "индуктор - цилиндр". Передаточная функция объекта по каналу "мощность внутренних источников тепла — температура полистирола" представлена в виде комбинации элементарных динамических звеньев.

7. Предложена структура замкнутой системы автоматического регулирования температуры полистирола. Проведен анализ качественных показателей работы предложенной системы регулирования при отработке возмущающих воздействий по различным каналам воздействий. Результаты анализа свидетельствуют об удовлетворительных качественных показателях работы замкнутых систем автоматического регулирования.

8. По результатам исследований предложены конструкция индукционного нагревателя и структура системы управления, позволяющие значительно повысить эффективность и качество работы установки, обеспечить более высокую надежность, существенно увеличить срок службы.

Дальнейшие исследования должны быть направлены на совершенствование систем управления технологическим комплексом, повышение эффективности и надежности узлов и блоков, полную автоматизацию технологической линии.

1. Алабовский А.Н., Недужий И.А. Техническая термодинамика и теплопередача. Киев, Высшая школа, 1990. 256 с.

2. Басова Н.И. Техника переработки пластмасс. М., Химия, 1985. 527 с.

3. Бернхардт Э. Переработка термопластичных материалов. М., Госхимиздат, 1962.-747с.

4. Богатырев А.Н, Юрьев В.П. Термопластическая экструзия: научные основы, технология, оборудование. М.: "Ступень", 1994. -200 с.

5. Бортников В.Г. Основы технологии переработки пластических масс. Л. Химия, 1983. 304 с.

6. Брагинский В.А Переработка пластмасс: Справ, пособие. Л.: Химия, 1985. 296 с.

7. Бутковский А.Г., Пустыльников Л.М. Теория подвижного управления системами с распределенными параметрами. М.: Наука, 1980, 384 с.

8. Бутковский А.Г.Структурная теория распределенных систем. -М.: Наука, 1977. 320 с.

9. Бухгалтер В.И. Экструзия. Л.: Химия, 1980. - 340 с.

10. Вайнберг A.M. Индукционные плавильные печи. М.: Энергия, 1967. -415 с.

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

12. Данилушкин А.И. Оптимальное управление процессом индукционного непрерывного нагрева. Автореф. дис. канд. техн. наук.- Л., 1979. 16 с.

13. Данилушкин А.И. Структурное моделирование процессов и систем управления одного класса объектов индукционного нагрева. // Ж-л «Вестник Самарского государственного технического университета» Серия «Технические науки», Вып.5 1998, с. 120-129.

14. Данилушкин А.И., Крылов А.Н., Дмитриева Е.Н., Хирсанов А.А. Система индукционного нагрева движущихся вязких жидкостей. //Всероссийская научная конференция молодых ученых. "Наука технологии. Инновации". Новосибирск 2003. С. 105 106

15. Данилушкин В.А. Разработка и исследование индукционных установок косвенного нагрева в технологических комплексах транспортировки нефти. Автореф. дис. канд. техн. наук.- Самара., 2004. -24 с.

16. Данилушкин В.А, Калашников С.А., Шумаков М.А. Применение индукционных нагревателей в трубопроводном транспорте высоковязких нефтей. // Ж-л «Вестник Самарского технического университета.» Серия «Технические науки.» №14,2002, с. 178-181.

17. Данилушкин В.А., Базаров А.А., Крылов А.Н. Синтез оптимальных алгоритмов управления процессом непрерывного, индукционного нагрева ферромагнитной загрузки. // Труды академии электротехнических наук Чувашской Республики. :,№1/ 2003. С. 88-92.

18. Демидович В.Б. Теория, исследование и разработка индукционных нагревателей для металлургической промышленности: Автореф. Дис. . докт. техн. наук. Спб.,2002. - 32 с.

19. Демидович В.Б., Немков B.C. Расчет цилиндрического индуктора с немагнитной загрузкой на ЭВМ. Промышленное применение ТВЧ. — Л., 1975. Вып.15. - Съ 38-45.

20. Демирчян К.С., Чегурин В.Л. Машинные расчёты электромагнитных полей. М.: Высшая школа. 1986. - 240 с.

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

22. Довбыш В.Н. Оптимальное проектирование электротермическойустановки для утилизации взрывателей: Автореф. дисс. канд. техн.наук. Самара., 2003. -20 с.

23. Донской А.В. Вопросы теории и расчета при индукционном нагреве. Электричество.-1954.-№!5. с.52-58.

24. Завгородний В.К. Механизация и автоматизация переработки пластических масс. М.: Машиностроение 1970. 596с.

25. Завгородний В.К. Модернизация оборудования для изготовления изделий из пластмасс. М.: Машиностроение, 1963. 204 с

26. Зимин Л.С. Об оптимальном выборе конструктивных характеристик систем индукционного нагрева. Алгоритмизация и автоматизация технологических процессов и промышленных установок: Межвузовский сборник научных трудов, 1978. Вып. 9. - с. 123 - 126.

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

28. Зимин Л.С. Методы оптимального проектирования . систем индукционного нагрева. Алгоритмизация и автоматизация технологических процессов и промышленных установок: Межвузовский сборник научных трудов, 1977. Вып. 8. - с. 142 - 146.

29. Зимин Л.С., Данилушкин А.И. Оптимизация нестационарных режимов непрерывного индукционного нагрева ферромагнитных изделий. / Вопросы проектирования автоматизированных моделирующих и управляющих систем. Куйбышев: КУАИ, 1982, с. 95 - 99.

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

31. Кабанов В.А. Энциклопедия полимеров. Том 2, Том 3 изд. "Советская энциклопедия ". М., 1977.

32. Каплун Я.Б., Ким-B.C. Формующее оборудование экструдеров. М.: Машиностроение, 1968. - 160 с.

33. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М., Наука, 1964.

34. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи. Пер. с англ. М.: Мир, 1983. -512 е., с ил.

35. Коздоба Л.А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности -М.: Наука,1975.-228 с.

36. Крылов А.Н., Бузановский Я.И., Зиннатуллин Д.А. Математическая модель теплового режима технологической линии по производству пенополистирольных плит как объекта оптимизации. // Вестник

37. Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки». Выпуск 20, Самара, 2004 С. 174 176.

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

39. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. 599 с.

40. Лыков А.В. Тепломассообмен (Справочник) М.: Энергия, 1978. 480 с.

41. Мак Келви Д.М. Переработка полимеров. М., Химия, 1965. - 462 с.

42. Мидлман С. Течение полимеров. М.: Мир, 1971. -259 с

43. Милн-Томсон Л. М. Теоретическая гидродинамика. Пер. с англ. А.А. Петрова; Под ред. Н.Н. Моисеева. М.: Мир, 1964. - 655 с.

44. Мирзаджанзаде А.Х. Некоторые изотермические и неизотермические движения полимерных растворов / А.Х. Мирзаджанзаде, П.М. Огибалов // Механика полимеров, 1973. №» 2. - С. 329 - 334.

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

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

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

48. Немков B.C., Полеводов П.С. Математическое моделирование на ЭВМ устройств высокочастотного нагрева. Л.: Машиностроение, 1980. с. 64

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

50. Немков B.C. Расчет плоскопараллельных систем индукционного нагрева по обобщенному методу связанных контуров // Электричество.- 1985. №4. - с.36—48.

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

52. Никольский Б.П. Справочник химика. Том 6 "Сырье и продукты промышленности органических веществ. JL: Химия, 1967.

53. Ольхов Н. Оптимальное проектирование конструкций. М.: Мир, 1981. -280с.

54. Острейко В.Н. Расчет электромагнитных полей в многослойных средах. JL: Издательство Ленинградского университета, 1981. 152с.

55. Павлов А.А. Синтез релейных систем, оптимальных по быстродействию. М.: Наука, 1966. - 392 с.

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

57. Рапопорт Э.Я. Альтернансный метод в прикладных задачах оптимизации. М.: Наука. 2000 - 336 с.

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

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

60. Рахманов B.C. К расчету мощности экструзионных машин. Труды Киевского политехнического института. Т. XXXVI, 1962, с. 114 124.

61. Рябинин Д.Д., Лукач Ю.Е. Червячные машины для переработки пластических масс и резиновых смесей. М.: Машиностроение 1965. -364с.

62. Рябинин Д.Д. Методы расчета профилирующих элементов головок червячных машин для переработки полимеров. Киев, ИТИ ГК КНИР, 1962,28с.

63. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. 392с

64. Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерности. М.: Наука, 1988.-433 с.

65. Скачков В.В., Торнер Р.В., Стунгур Ю.В. и др. Моделирование и оптимизация экструзии полимеров. Л.: Химия, 1984. - 152 с.

66. Слухоцкий А.Е, Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева металла.Л.: Энергия, 1974. 320с.

67. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева машиностроительных деталей. Л.: Энергия, 1975. 183 с.

68. Слухоцкий А.Е., Немков B.C. и др. Установки индукционного нагрева. Л. :Энергоиздат,1981. 328 с.

69. Сиразетдинов Т.К. Оптимизация систем с распределенными параметрами. Наука, М., 1977,480 с.

70. Тадмор 3. Теоретические основы переработки полимеров / 3. Тадмор, К. Гогос / Пер. с англ. Под ред. Р.В. Торнера. М.: Химия, 1984. - 632 с.

71. Торнер Р.В. Переработка полимеров. М., Химия, 1964. 404 с.

72. Торнер Р.В. Теоретические основные переработки полимеров. М., Химия, 1974.-468 с.

73. Торнер Р.В. Основные процессы переработка полимеров. М., Химия, 1972.-456 с.

74. Торнер Р.В. Поле распределения температур и скоростей при течении расплавов полимеров в круглых каналах / Р.В. Торнер, В.В. Шишлянников // Процессы и аппараты химических производств: Тр. Волгоградского политехнич. ин-та. Волгоград, 1972. - С. 91 - 99.

75. Шамов А.Н., Бодажков В.А. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. М. Машиностроение, 1974. 280с.

76. Шкадов В.Я., Запрянов З.Д. Течение вязкой жидкости. М.: Издательство Московского университета, 1984. - 200 с.

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

78. Schenkel G. Schneckenpressen for Kunststoffe. 1959, Carl Hanser Vergal, Munich, pp. 140 166.

79. УТВЕРЖДАЮ» Проректор по учебной работе2005 г.

80. ГОУЖЮ СамГТУ, д.т.н., проф. ( /7У\АА/ч/ч/^11триков Б.Л.1. АКТо внедрении в учебный процесс университета результатов диссертационной работы аспиранта кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий»

81. КРЫЛОВА Алексея Николаевича на тему «Исследование и разработка системы косвенного индукционного -нагрева при производстве пенополистирольных плит», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук

82. Методика расчета электромагнитных и тепловых полей при индукционномнагреве многослойных тел. 2. Методика оптимального проектирования конструкции многосекционных индукционных нагревателей непрерывного действия.

83. Декан ЭТФ, д. т. н., профессор, зав. кафедры. «ЭПП»1. Зимин Л. С.д. т. н., доцент кафедры «ЭПП»к. т. н., доцент кафедры «ЭПП»1. Базаров А. А.1. Ратцев В.Р.