автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Математическое моделирование и практическое применение установки для электромагнитной обработки каменноугольной смолы в потоке

Введение.

ГЛАВА 1. Технологические процессы металлургического производства с использованием бегущего магнитного поля.

1.1. Магнитная обработка воды.

1.2. Повышение эффективности технологических процессов с помощью бегущего магнитного поля.

1.3. Способы ускорения обезвоживания каменноугольной смолы коксохимического производства.

1.4. Методы моделирования магнитного поля в индукционных электрических машинах.

1.5. Способы описания тепловых процессов в технологических установках.

1.6. Выводы по главе. Постановка задачи.

ГЛАВА 2. Математические модели теплового и бегущего магнитного поля в устройствах с цилиндрической симметрией.

2.1. Конечно-разностный подход.

2.2. Многослойная аналитическая модель.

2.3. Моделирование тепловых процессов.

2.4. Выводы по главе.

ГЛАВА 3. Результаты экспериментальных исследований обезвоживания смолы с помощью бегущего магнитного поля в условиях коксохимического производства АО НТМК.

3.1. Результаты экспериментальных исследований по обезвоживанию смолы.

3.2. Характеристика устройства электромагнитного воздействия на смолу.

3.3. Выводы по главе.

ГЛАВА 4. Анализ электромагнитных характеристик ЦЛАД, воздействия бегущего магнитного поля на процесс обезвоживания каменноугольной смолы.

4.1. Электромагнитные характеристики ЦЛАД.

4.2. Оценка вольтамперной характеристики ЦЛАД.

4.3. Конечно-разностный анализ тепловой работы ЦЛАД при обезвоживании каменноугольной смолы.

4.4. Механизм ускорения осаждения фусов при ЭМВ на каменноугольную смолу.

4.5. Влияние изменений параметров ЦЛАД на процесс электромагнитной обработки каменноугольной смолы.

4.6. Оценка влияния на «свободный углерод» сил электромагнитного поля в сравнении с электродинамическими силами.

4.7. Программные средства.

4.7.1. Выбор системы программирования.

4.7.2. Основные особенности предпроцессора и постпроцессора.

4.8. Выводы по главе.

Выводы по диссертации.

Актуальной проблемой современного производства является его интенсификация, повышение эффективности применяемых технологий, а также повышение его экологической чистоты. Это в полной мере относится к совершенствованию технологии переработки и подготовки каменноугольной смолы в коксохимическом производстве. Достаточно остро стоит проблема ускорения отделения от смолы, содержащейся в ней воды. Как с точки зрения теории, так и с точки зрения практики, данная проблема остается до конца не решенной. Электромагнитное воздействие на смолу можно рассматривать как один из способов интенсификации процесса обезвоживания смолы. Поскольку транспортировка последней осуществляется по трубам, то целесообразно применить цилиндрический линейный асинхронный двигатель (ЦЛАД).

Использование ЦЛАД заметно упрощает всю конструкцию и управление перемещением или воздействием на вторичный элемент сводит к управлению через его систему питания. Объект, находящийся внутри ЦЛАД, испытывает объемное воздействие электромагнитных сил.

Эффективное использование устройств с цилиндрической симметрией требует корректного расчета распределения магнитного поля, электромагнитных сил, теплового воздействия, индуцированных токов, costp и т.д. Для получения такой информации целесообразно использовать конечно-разностные и конечно-элементные модели уравнений электромагнитного поля в совокупности с методами теории цепей.

Устройства электромагнитного воздействия на каменноугольную смолу до настоящего времени не применялись. Однако, проведенные на коксохимическом производстве в начале 70х годов, исследования показали перспективность этого направления. В связи с этим, при участии автора, были проведены научно-исследовательские работы, результаты которых составляют представленную диссертацию.

Цель работы

Разработка и практическое применение возможностей ЦЛАД в опытно-промышленной установке для ускорения процесса обезвоживания каменноугольной смолы в коксохимическом производстве.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• разработка математической модели и методик расчета магнитного поля для цилиндрических машин с осевой симметрией;

• создание опытно-промышленной установки на основе ЦЛАД для магнитной обработки в потоке каменноугольной смолы;

• теоретическое и экспериментальное исследование ЦЛАД с целью сопоставления теоретических результатов с экспериментальными данными и выяснения пригодности модельных построений для практического применения;

• выявление механизма воздействия электромагнитного поля на смолу в потоке.

Методы исследования и достоверность результатов

Теоретический анализ электромагнитного поля вблизи моделируемого устройства проводился с применением аналитических и конечно-разностных математических моделей. При этом отслеживалась согласованность результатов вычислений. Тепловые процессы внутри объекта воздействия (каменноугольная смола) моделировались путем интегрирования дифференциальных временнозависимых уравнений переноса тепловой энергии.

Сопоставление результатов, полученных с помощью различных модельных представлений, с данными других авторов, позволяет говорить о достоверности полученных в работе данных.

Корректность модельных построений базируется на использовании фундаментальных уравнений математической физики, общепринятых методах вычислительной математики, современной компьютерной техники и подтверждается удовлетворительным согласием теоретически оцененных и опытных данных.

Основные научные результаты, выносимые на защиту

1. Математическая модель ЦЛАД, позволяющая моделировать электромагнитные процессы в индукционных устройствах с осевой симметрией.

2. Методика и программы расчета характеристик ЦЛАД.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований ЦЛАД.

4. Феноменологическое объяснение влияния магнитного поля на каменноугольную смолу в потоке в процессе обработки.

5. Результаты разработки и промышленного внедрения установки для магнитной обработки каменноугольной смолы, созданной на основе ЦЛАД.

Научная новизна работы

• разработана конечно-разностная модель цилиндрического индукционного электромагнитного устройства. Указанная модель включает решение сопряженных задач: электромагнитной и тепловой;

• предложен феноменологическая модель воздействия электромагнитного поля на смолу в потоке;

• результаты теоретических и экспериментальных исследований воздействия магнитного поля на каменноугольную смолу в процессе ее обработки в потоке.

Практическая ценность работы

• разработан пакет программ конечно-разностного описания электромагнитных и тепловых процессов в цилиндрическом индукционном устройстве;

• разработана конструктивно и внедрена опытно-промышленная установка для интенсификации процесса обезвоживания каменноугольной смолы.

Апробация и внедрение результатов работы

• разработанные методики расчета и результаты исследований использованы при разработке установки электромагнитной обработки каменноугольной смолы для Коксохимпроизводства (КХП) ОАО НТМК;

• разработанные программные средства внедрены в учебный процесс кафедры электротехники и электротехнологических систем УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург);

• основные результаты исследований отражены в 5 публикациях;

• результаты внедрения установки для электромагнитной обработки каменноугольной смолы докладывались и обсуждались на конференции молодых специалистов Коксохимпроизводетва ОАО НТМК 1997 года.

Структура и объем работы

Диссертация содержит 82 страницы машинописного текста, 44 иллюстрации на 32 страницах, 10 страниц приложений и список литературы из 54 наименований на 6 страницах.

Выводы по диссертации

В результате диссертационного исследования были получены следующие результаты:

1. В смолоперегонном цехе КХП ОАО НТМК создана и внедрена в производственный цикл опытно-промышленная установка для магнитной обработки каменноугольной смолы в потоке. Получены положительные результаты испытаний установки, заключающиеся в значительном повышении качества отстаивания каменноугольной смолы.

2. Создана математическая модель для расчета индукционных электромагнитных устройств с цилиндрической симметрией. Доказана пригодность модели для практического использования путем сравнения расчетных и экспериментальных данных. Данная модель позволяет учесть электромагнитные и тепловые процессы, происходящие при обезвоживании смолы.

3. На основе теоретических данных, полученных с помощью математической модели и данных, полученных во время испытаний установки по обезвоживанию смолы, построена феноменологическая модель ускорения процесса обезвоживания смолы.

4. Предложен механизм воздействия электромагнитного поля на каменноугольную смолу.

5. Созданы программные средства, позволяющие рассчитывать характеристики электромагнитных устройств с цилиндрической симметрией. С их помощью была исследована установка для электромагнитной обработки каменноугольной смолы.

1. Штереншис И.П. Современное состояние проблемы магнитной обработки воды в теплоэнергетике (обзор). М.: Атоминформэнерго, 1973. -78 с.

2. Тебенихин Е.Ф. Безреагентные методы обработки воды в теплоэнергетике. -М.: Энергия, 1977. 184 с.

3. Мартынова О.И., Гусев Б.Т., Леонтьев Е.А. К вопросу о механизме влияния магнитного поля на водные растворы солей. Успехи физ. наук, 1969, т. 98, вып. 1, с. 195-199.

4. Евдокимов В.Б. О стохастической природе «омагничивания» разбавленных водных растворов макромолекул. Журнал физ. химии, 1969, т. 43, N 11, с. 2703-2712.

5. Классен В. И. Омагничивание водных систем. М.: Химия, 1978. - 240с.

6. Martynova O.I., Kopylov A.S., Ochkov V.F. Mechanism and scale formation in MSF-plant using an electromagnetic appatus. In: Proc of G-th Intern. Simp. Fresh Water from Sea, 1978, vol. 2, p. 231-240.

7. Верте Л.А. Магнитная гидродинамика в металлургии М.: Металлургия, 1975.288 с.

8. МГД-устройства для приготовления высококачественных алюминиевых сплавов / B.H. Тимофеев, С.А. Бояков, P.M. Христинич и др. // Вестник Красноярского гос. тех. Университета: Сб. научных трудов. Вып. 2. Красноярск: КГТУ, 1996. с. 13-18.

9. Цаплин А.И. Динамика циркуляции жидкого ядра кристаллизующегося непрерывного слитка в бегущем поле индуктора // Магнитная гидродинамика. 1986. №1. с. 127-131

10. Ю.Кирко И.М. МГД машина как сепаратор для непроводящих включений в жидком металле // Применение магнитной гидродинамики в металлургии. Свердловск: УНЦ АН СССР. 1977. с. 3-15

11. Веселовский О.Н., Коняев А.Ю., Сарапулов Ф.Н. Линейные асинхронные двигатели. М.: Энергоатомиздат, 1991. 256 с.

12. Н.Горяев А.Б. Модель для расчета пульсаций скорости и температуры в пограничном слое на пластине // Тепломассообмен турбулентных потоков в энергетических установках. Межв. Темат. Сб. М.: МЭИ, 1984. с. 101-110.

13. Индукционное устройство в МГД-технологиях. / Б.А. Сокунов, С.Ф. Сарапулов, Ю.С. Прудников и др. // Вопросы совершенствования электротехнического оборудования и электротехнологии: сб. статей. Екатеринбург: УГТУ-УПИ. 2000. №8. с. 4-17.

14. Колесниченко А.Ф. Технологические МГД установки и процессы. Киев: Наукова Думка, 1989. 122 с.

15. Сидоров О.Ю. Конструкции и основы расчета МГД-устройств металлургического назначения // Вопросы совершенствования электротехнического оборудования и электротехнологии: сб. статей. Екатеринбург: УГТУ, 1996. с. 64-73.

16. Круминь Ю.К. Основы теории и расчета устройств с бегущим магнитным полем. Рига: Зинатне, 1983. 278 с.

17. Расчет статических характеристик линейных асинхронных машин / Ф.Н. Сарапулов, В.А. Бегалов, С.В. Иваницкий и др. Свердловск: УПИ, 1989. 104 с.

18. Самойлович Ю.А. Системный анализ кристаллизации слитка. Киев: Наукова Думка, 1983. 248 с.

19. Домбровский В.В. Справочное пособие по расчету электромагнитного поля в электрических машинах. JL: Энергоатомиздат, 1983. 256 с.

20. Сарапулов Ф.Н., Сидоров О.Ю. Расчет электромагнитных характеристик асинхронной машины с учетом насыщения магнитопровода // Электричество. 1995. №4. с. 30-33.

21. Андреева Е.Г., Ковалев В.З. Математическое моделирование электротехнических комплексов / Под общ. ред. Ю.З. Ковалева. Омск: ОмГТУ, 1999. 172 с.

22. Сильвестер П., Феррари Р. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров-электриков. М.: Мир, 1986. 230 с.

23. Сьярле Ф. Метод конечных элементов для эллиптических задач. М.: Мир, 1980. 512 с.

24. Ямамура С. Теория линейных асинхронных двигателей. JL: Энергоатомиздат, 1983. 160 с.

25. Климмонтович Ю.Л. Статистическая физика. М.: Наука, 1982. 608 с.

26. Арутюнов В.А., Миткалинный В.И., Старк С.Б. Металлургическая теплотехника. T.l. М.: Металлургия, 1974. 672 с.

27. Теплотехника. Теплопроводность: Учебное пособие / В.И. Лобанов, А.С. Телегин, Ф.Р. Шкляр и др. Свердловск: УПИ, 1978. 108 с.

28. Журавлева С.М., Меренков Ю.Ф. Тепловой расчет МГД-машины с пульсирующим магнитым полем методом тепловой схемы замещения // Сб. электромагнитные процессы в устройствах со сплошными проводящими средами. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1986. с. 27-31.

29. Сарапулов Ф.Н., Сидоров О.Ю. Магнитогидродинамические машины с бегущим или пульсирующим магнитным полем: Учебное пособие. Екатеринбург: УГТУ, 1964. 206 с.

30. Цаплин А.И. Гидромеханика и тепломассообмен при кристаллизации непрерывных стальных слитков в условиях внешних воздействий на жидкую фазу// Гидродинамика и тепломассообмен при получении материалов. М.: Металлургия, 1990. С.169-178.

31. Цаплин А.И. Динамика циркуляции жидкого ядра кристаллизующегося непрерывного слитка в бегущем поле индуктора // Магнитная гидродинамика. 1986. №1. с. 127-131

32. Цаплин А.И. Теплофизика внешних воздействий при кристаллизации стальных слитков на машинах непрерывного литья. Екатеринбург: УрО РАН, 1995. 238 с.

33. Гельфгат Ю.М., Горбунов JI.A., Витковский И.В. Магнитогидродинамическое дросселирование и управление жидкометаллическими потоками. Рига: Зинанте, 1989. 232 с.

34. Круминь Ю.К., Плюскина J1.A. Электромагнитный лоток-дозатор с раздельным питанием индуктора // Магнитная гидродинамика. 1982. №1. с. 125-129.

35. Ряшенцев Н.П., Угаров Г.Г., Львицын А.В. Электромагнитные прессы. Новосибирск: Наука, 1989. 210 с.

36. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1973. 752 с.

37. Сидоров О.Ю., Семенов В.А., Сарапулов Ф.Н. Конечно-разностное моделирование характеристик осесимметричного индукционного устройства //Изв. Вузов. Электромеханика. 2001 г. №1. С. 32-35.

38. Бахвалов Н.С. Численные методы. М.: Наука, 1973. 632 с.

39. Мак-Кракен Д., Дорн У. Численные методы и программирование на Фортране. М.: Мир, 1977. 584 с.

40. Уилкинсон, Райнш Справочник алгоритмов на языке Алгол. Линейная алгебра. М.: Машиностроение, 1976. 389 с.

41. Никифоров А.Ф., Уваров В.Б. Специальные функции математической физики. Уч. пос. М.: Наука, 1984. 344 с.

42. Климмонтович Ю.Л. Неравновесные источники гидродинамических флуктуаций. Кинетические коэффициенты с учетом влияния гидродинамического движения и турбулентных пульсаций // Письма в «Журн. техн. Физики». 1981. Т.7, вып. 19. с. 1181-1184.

43. Инженерные расчеты на ЭВМ: справочное пособие / Под ред. В.А. Троицкого. Л.: Машиностроение, 1979. 288 с.

44. Физико-химические методы исследования металлургических процессов /Арсентьев П.П., Яковлев В.В., Крашенинников М.Г. и др. // М.: Металлургия, 1988. 511 с.

45. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 1977. 479 с.

46. Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. М.: Мир, 1980. 280 с.

47. Тамм И.Е. Основы теории электричества // М.: Наука, 1976. 616 с.

48. Тейксейра С., Пачеко К. Delphi 5. Руководство разработчика Т. 1 Уч. пос. М.: Издат. дом «Вильяме», 2000. 832 с.

49. Бартеньев О.В. Современный Фортран. М.: «Диалог-МИФИ». 1998. 397 с.