автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Разработка методик расчета, конструкции и режимов работы индукционно-резистивных нагревательных устройств со стержневыми индукторами

Введение.

Глава 1. Анализ систем обогрева емкостей и методов их расчета.

1.1 .Постановка задачи.

1.2.Способы обогрева емкостей для хранения жидкостей.

1.3.Анализ факторов, влияющих на процесс индукционного нагрева, и работ по расчету и применению стержневых индукторов.

1.4.Анализ методов расчета.

1.5.Задачи, решаемые в диссертации.

Глава 2. Разработка математической модели и исследование электрических и энергетических характеристик нагревательных устройств со стержневыми индукторами.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Методика моделирования с помощью пакета Elcut.

2.3. Исследование влияния зазора.

2.4. Определение оптимальных размеров индуктора.

2.5. Исследование влияния частоты.

2.6. Оценка влияния магнитопровода и его геометрических размеров.

2.7. Экспериментальные исследования электрических и энергетических характеристик стержневого индуктора. Проверка адекватности использованной математической модели.

2.8. Выводы по главе.

Глава 3. Разработка математической модели и исследование электротепловых характеристик нагревательных устройств со стержневыми индукторами.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Методика моделирования электротепловой задачи с помощью пакета Elcut.

3.3. Исследование влияния частоты.

3.4. Исследование влияния шага укладки индуктора.

3.5. Исследование нагрева, осуществляемого с помощью индукционно — резистивного нагрева при разном коэффициенте теплопроводности зазора.

3.6. Исследование влияния толщины теплоизоляции.

3.7. Расчет нагрева емкости для воды.

3.8. Исследование влияния теплофизических свойств жидкостей.

3.9. Экспериментальные исследования тепловых характеристик стержневого индуктора. Проверка адекватности разработанной математической модели.

3.10. Выводы по главе.

Глава 4. Разработка инженерной методики расчета устройств обогрева емкостей. Рекомендации по их проектированию.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Разработка программы инженерного расчета электрических характеристик устройства.

4.3. Разработка программы инженерного расчета тепловых характеристик устройства.

4.4. Системы питания и управления.

4.5. Рекомендации по проектированию устройства.

4.6. Крепление нагревателя к стенке емкости.

4.7. Пример расчета системы обогрева.

4.8. Выводы по главе.

В настоящее время индукционные установки находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства благодаря своим высоким энергетическим и технологическим показателям [1, 2, 3]. Индукционный нагрев имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами нагрева: отсутствие контакта между индуктором и нагреваемым изделием; высокая скорость нагрева; высокие тепловой и электрический КПД; простота управления и возможность полной автоматизации процесса нагрева. При индукционном нагреве достигаются высокие значения удельной поверхностной мощности, что сокращает время нагрева и повышает производительность. Замена устаревших методов нагрева более прогрессивным индукционным позволила значительно увеличить объем продукции и снизить затраты труда на нагрев, а также улучшить качество обрабатываемого изделия.

В современной промышленности приходиться сталкиваться с такой проблемой, как загустение (увеличение вязкости) различных жидкостей, хранящихся в емкостях, что влечет за собой снижение скорости или вообще остановку транспортировки (перекачки) жидкостей. Для решения этой проблемы следует подогревать емкости с целью стабилизации температуры (компенсации тепловых потерь).

Одним из перспективных направлений применения индукционного и индук-ционно - резистивного нагрева является нагрев и компенсация тепловых потерь емкостей для хранения различных жидкостей, трубопроводов, обогрева валков и т.п. До настоящего времени обогрев емкостей происходил с помощью парового нагрева; нагревательных кабелей, которые укладывались на поверхность резервуара; нагревателей сопротивления, опущенных в резервуар.

По результатам обзора выявлено, что традиционные устройства обогрева не позволяют осуществлять равномерный нагрев — это является их недостатком. При использовании нагревательного кабеля возникает перегрев в местах его прокладки. Для возможности осуществления равномерного нагрева и достижения требуемых температур необходимо использовать индукционно-резистивные нагреватели со стержневыми индукторами.

Устройство включает стержневые индукторы (круглого или прямоугольного сечения), размещенные на поверхности стенки с определенным шагом. Для питания устройства может использоваться как промышленная, так и средняя частота. В ряде случаев для улучшения электрических характеристик (КПД, активной мощности выделяющейся в загрузке и т.д.) необходимо применять магни-топровод.

В литературе описаны примеры исследования и использования стержневого индуктора. Проф. Г. И. Бабат [4] разработал аналитический метод расчета параметров стержневого индуктора круглого или прямоугольного сечения без магнитопровода. Система индуктор-загрузка состояла из ленты (индуктор), расположенной параллельно бесконечно протяженной металлической плите (загрузка). В результате исследований были получены семейства кривых распределения настила тока в загрузке в зависимости от расстояния между индуктором прямоугольного сечения и плитой.

Н.И. Бортничук экспериментально и теоретически исследовал потери энергии в стальных листах, расположенных вблизи токопровода [5], представляющего собой медный водоохлаждаемый проводник, т.е. стержневой индуктор. При расчетах были сделаны следующие допущения: стальной лист полностью непрозрачен для электромагнитной волны и магнитные свойства стали не зависят от тока в индукторе. В результате были получены зависимости выделяющейся в листе мощности от тока в индукторе.

В ВНИИ электротермического оборудования была разработана установка для низкотемпературного нагрева валков [6]. В ней использован стержневой индуктор с П-образным магнитопроводом для нагрева вращающегося валка. Размеры валков: длина 630 - 2000 мм, минимальный диаметр 370 - 570 мм, максимальный 500 - 850 мм. Одновременно нагреваются два валка.

По результатам обзора литературы было выяснено, что расчеты систем со стержневым индуктором были проведены для узкого интервала значений параметров и общая методика их расчета отсутствует.

Современные методы, основанные на применении ЭВМ, позволяют использовать численные методы расчетов, т.е. существенно расширить возможности расчетов и повысить точность результатов.

В связи с этим определены цели диссертационной работы: разработка математических моделей для расчета электрических, энергетических характеристик системы, а также распределения температуры по стенке; создание физического макета устройства для экспериментальной проверки адекватности полученных математических моделей; разработка инженерной методики расчета электрических, энергетических характеристик системы, а также распределения температуры по стенке для наиболее часто встречающихся в практике значений геометрических и физических параметров устройств.

Полученные инженерные методики были заложены в основу компьютерных программ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана математическая модель индукционного нагревательного устройства со стержневыми индукторами прямоугольного или круглого сечения, с магнитопроводом или без него, реализованная в Elcut. Стержневой индуктор, с магнитопроводом или без него, размещается на нагреваемой поверхности с определенным шагом.

2. Разработана математическая модель для расчета тепловых процессов в стенке емкости

3. На основе математической модели проведены исследования влияния геометрических размеров устройства, тока и частоты на электрические и энергетические характеристики системы нагрева, в том числе на электрический КПД. В результате исследований определены основные геометрические размеры и частота питания устройства, обеспечивающие высокие значения электрического КПД.

4. Исследованы зависимости распределения температур по поверхности стенки в зависимости от шага укладки индуктора. На основе исследований выбраны эффективные значения шага по критериям минимального расхода материала и допустимого перепада температур. Практическая ценность состоит в следующем:

1. Создана и реализована в программе Ind-LentaEl инженерная методика расчета электрических и энергетических параметров индукционного устройства со стержневым индуктором для выбранных интервалов варьирования наиболее важных для практики параметров.

2. Создана и реализована в виде компьютерной программы Ind-LentaTemp инженерная методика для расчета распределения температур в стенке емкости.

3. Разработаны рекомендации для проектирования и определения эффективных режимов работы системы обогрева со стержневым индуктором.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседании кафедры ФЭМАЭК в марте 2005 г., а также на девятой, десятой, одиннадцатой и двенадцатой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в МЭИ (Москва, 2003, 2004, 2005, 2006 г.г.), на второй научно-технической конференции, с международным участием «Электротехника, электромеханика, электротехнология» в НГТУ (Новосибирск, 2005 г.), на второй и третьей международной научно-практической интернет - конференции «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век» в ОрелГТУ (Орел, 2004, 2005 г.г.)

По теме диссертации опубликовано восемь печатных работ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы; количество страниц 118, иллюстраций 60, число наименований использованной литературы 44 на 4 страницах.

4.8. Выводы по главе

Созданы инженерные методики расчета нагревательных устройств со стержневыми индукторами, которые реализованы в виде компьютерных программ Ind-LentaEl и Ind-LentaJTemp. Эти программы предназначены для решения конкретных задач обогрева резервуаров с жидкостями. Они упрощают расчеты, позволив пользователю сократить время на начертание модели и задание свойств материалов.

Программа Ind-LentaEl позволяет производить вычисления основных электрических и энергетических параметров нагревательных устройств, исходя из задаваемых значений: тока индуктора, частоты и зазора.

Программа Ind-LentaTemp позволяет решать электротепловую задачу с выводом на экран распределения температур по поверхности стенки. В отличие от программы Ind-LentaEl, в Ind-LentaTemp есть возможность задавать шаг укладки индуктора, что позволяет получить зависимости распределения температур по поверхности стенки при различном шаге.

В данной главе были рассмотрены: система питания, управление системой обогрева, а также теплоизоляция, крепление нагревателя к стенке емкости и т.д.

Питание системы производится от полупроводникового преобразователя частоты, который в настоящее время производят довольно много отечественных и зарубежных фирм. В качестве системы поддержания температуры в заданных пределах, предполагается использование двухпозиционного регулирования. Регулятор подключается через специальный вход в систему управления преобразователем частоты. В качестве датчика температуры, используется терморезистор, который подключается к системе двухпозиционного регулирования.

Из-за того, что индуктор укладывается с одним и тем же шагом, вполне достаточно использовать один терморезистор. Существует несколько вариантов крепления нагревателя. Одним из них является крепление с помощью специальной монтажной ленты.

113

Заключение

В диссертационной работе проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований индукционного устройства для обогрева емкостей с различными жидкостями. Разработаны математические модели для расчета электрических и энергетических параметров системы, а также распределения температур по стенке емкости. Разработаны инженерные методики расчета этих параметров.

Конкретные результаты диссертационной работы:

1. На основе проведенного анализа литературы показано, что индукционный нагрев является одним из наиболее предпочтительных вариантов нагрева емкостей с жидкостями, по сравнению с другими видами нагрева. Показана необходимость проведения расчета устройств со стержневыми индукторами с целью определения их оптимальных конструктивных соотношений, обеспечивающих заданную равномерность нагрева изделия и достижение заданных температур и температурных перепадов.

2. Разработаны математические модели для расчета электрических и энергетических параметров, а также для проведения электротепловых расчетов устройств со стержневыми индукторами реализованные в пакете программ El-cut 5.2.

3. С использованием первой математической модели получены зависимости мощности, выделяющейся в стенке емкости, электрического КПД и коэффициента мощности coscp от геометрических и электрических параметров системы. Также было рассмотрено влияние магнитопровода на параметры системы в нескольких его модификациях (рассматривался плоский магнитопровод и П -образный различных размеров). По результатам исследований было выяснено следующее: наиболее подходящим сечением индуктора является размер 1,5x20 мм (при рассматриваемом токе не более 200 А); для эффективного нагрева зазор между индуктором и стенкой должен быть минимальным (0,5-1 мм); нагрев на промышленной частоте / = 0,05 кГц неэффективен, даже при использовании магнитопровода; при нагреве на средних частот использование магнитопровода необязательно; оптимальной частотой является /= 2,4 кГц. С использованием второй математической модели получены распределения температур по поверхности стенке емкости в зависимости от частоты тока индуктора, показано влияние толщины теплоизоляции, а также влияние шага укладки индуктора на равномерность распределения температур. По результатам исследований было выяснено, что вполне достаточно применять теплоизоляцию толщиной 0,05 м и подтверждено, что оптимальной частотой нагрева является 2,4 кГц.

4. Проведены экспериментальные исследования на макете устройства с использованием стержневых индукторов, в ходе которых подтверждена адекватность математических моделей. Разница между расчетными и экспериментальными данными не превышает 5-15%.

5. Для применяемых на практике значений основных параметров устройства разработаны инженерные методика расчета энергетических и электрических характеристик, а также для расчета распределения температуры по стенке емкости систем со стержневыми индукторами, которые реализованы в виде программ Ind-LentaEl и Ind-LentaTemp соответственно.

6. Разработаны рекомендации по конструктивному выполнению промышленных устройств для нагрева емкостей с горючесмазочными материалами с использованием стержневых индукторов.

115

1. Кувалдин А. Б. Теория индукционного и диэлектрического нагрева. М.: Изд-во МЭИ, 1999. - 80 с.

2. Кувалдин А.Б. Низкотемператрный индукционный нагрев стали. М.: Энергия, 1976. 112 с.

3. Электротермическое оборудование: Справочник / Под общ. ред. А.П.Альтгаузена-М.: Энергия, 1980.

4. Бабат Г.И. Индукционный нагрев металла и его промышленное применение. М.: Энергия, 1965.

5. Бортничук Н.И. Определение потерь в стальных листах / Исследования в области промышленного электронагрева. (Труды ВНИИТО), вып. 1, / Под общей ред. А.П.Альтгаузена и Л.Е.Никольского. М.: Изд-во ВНИИЭМ, 1965.

6. Артышевский П.П., Жуковский В.Е. Низкотемпературный индукционный нагрев для технологических процессов в черной металлургии / Электротехническая промышленность. Серия. Электротермия. Вып. 7. М.: Информэ-лектро, 1979 С. 1-3.

7. Сайт компании «Красный Яр»: http://redvar.ru/

8. СНиП 41-03-2003 Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов

9. СП 41-103-2000 Проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов

10. СНиП 23-01-99 Строительная климатология

11. Григорьев Б.А., Богатов Г.Ф., Герасимов А.А. Теплофизические свойства нефти, нефтепродуктов, газовых конденсатов и их фракций. М.: Изд-во МЭИ, 1999.-372с.

12. Фонарев З.И. Транспортирование вязких жидкостей с применением электроподогрева. JL: Знание, 1973.

13. Сайт компании «Индукционные системы» http://www.is.rustrade.net/

14. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Ша-тов В.Л. «Разработка методики расчета и исследование коаксиальной индукционно-резистивной системы нагрева промышленной и повышенной частоты»

15. Кувалдин А. Б., Струпинский М. Д., Хренков Н. Н., Шатов В. А. Электротепловая модель коаксиальной индукционно-резистивной системы нагрева // Электротехника, №11, 2005. С.48-53.

16. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. Д.: Энергия, 1974.-264 с.

17. Кувалдин А.Б. Индукционный нагрев ферромагнитной стали. М.: Энер-гоатомиздат, 1988. 200 с.

18. Кувалдин А.Б. Технологические процессы. М.: Изд-во МЭИ, 1990.

19. Кувалдин А. Б., Струпинский М. Д., Хренков Н. Н., Шатов В. А. Математические модели для исследования электромагнитного поля в ферромагнитных проводящих средах //Электричество, №11, 2005. С.56-61.

20. Wohlfahrt D. Anwendung der Methode der finiten Elemente zur Auslengung von Induktionsanlagen in der Praxis.: Technische Universitat Ilmenau, 2004.

21. Emil Langer. Teorie indukcnlho a dielektrickeho tepla. ACADEMIA Praha, 1979.

22. Вайнберг A.M. Индукционные плавильные печи. M.: Госэнергоиздат, 1960.-456 с.

23. Амосов А. А. Вычислительные методы для инженеров. М.: Энергия, 1994.-284 с.

24. Абаффи Й., Спедикато Э. Математические методы для решения линейных и нелинейных уравнений. М.: Энергия, 1996. — 287 с.

25. Кувалдин А.Б., Капранов А.А. Расчёт параметров электромагнитного поля в ферромагнитной стали / Труды МЭИ. Вып. 634. М.: Изд-во МЭИ, 1991. С.24-33.

26. Лунин В. П. Метод конечных элементов в задачах прикладной электротехники. М.: Изд-во МЭИ, 1996. 75 с.

27. Дианов А.И. Характеристики индукционных систем с проводящим стержнем // РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА // Девятая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. М.: Изд-во МЭИ, 2003. С.128.

28. Кувалдин А.Б., Дианов А.И. Исследование электрических и энергетических характеристик нагревательных систем со стержневыми индукторами / Вестик МЭИ. М.: Изд-во МЭИ, 2005. С.56-61.

29. ELCUT. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов. Версия 5.3 Руководство пользователя. Санкт-Петербург, ПК ТОР, 2006.

30. Сайт Компания «ТОР»: http://www.tor.ru

31. Дианов А.И. Исследование нагрева стенок емкостей с горючесмазочными материалами при помощи систем со стержневым индуктором // РА

32. ДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА // Одинадца-тая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. -М.: Изд-во МЭИ, 2005. С.158-159.

33. Теплотехника: Учеб. для вузов / В. Н. Луканин, М. Г. Шатров, Г. М. Кам-фер и др.; Под ред. В. Н. Луканина. Высш. шк., 2003. 671 с.

34. Ильинский Н.Ф. Элементы теории эксперимента. М.: Изд-во МЭИ, 1988.

35. Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф., Копылов Н.Ф., Планирование эксперимента в электромеханике. М.: Энергия, 1975. 184 с.

36. Баас Р., Фервай М., Гюнтер X., Delphi 4: полное руководство: перевод с немецкого. Киев.: Издательская группа BHV, 1998.

37. Бобровский С. Delphi 6 и Kylix: библиотека программиста. Санкт-Петербург.: Питер, 2002. 560 с.

38. Сайт Компании «Специальные системы и технологии»: http://www.sst.ru

39. Электрооборудование и автоматика электротермических установок: Справочник / Под общ. ред. А.П.Альтгаузен, И.М.Бершицкий, М.Д.Бершицкий и др. М.: Энергия, 1978.

40. Миронов Ю. М., Миронова А. Н. Электрооборудование и электроснабжение электротермических, плазменных и лучевых установок: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 376 с.