авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Разработка методики расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями

На правах рукописи

ВАСИЛЬЕВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЁТА ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ С ХОЛОДНЫМ ТИГЛЕМ И ТЕПЛОВЫМ ЭКРАНОМ СО СНИЖЕННЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОТЕРЯМИ Специальность 05.09.10 – Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва, 2013 2

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Национальный Исследовательский Университет "МЭИ" на кафедре "Автоматизированные электротехнологические установки и системы".

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Кувалдин Александр Борисовч, профессор кафедры АЭТУС НИУ "МЭИ"

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Долбилин Евгений Валентинович, профессор кафедры Электротехники "МАМИ" кандидат технических наук Печоркин Валерьян Витольдовича, зав. отделом ОАО НПО "ЦНИИТМАШ"

Ведущая организация: ООО "Энерготерм-Система" (г. Истра)

Защита состоится "28" июня 2013 г. в аудитории М-611 в 12 часов на за седании диссертационного совета Д 212.157.02 при ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ" по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 13.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Учёный совет ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ".

Автореферат разослан "27" мая 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент С. А. Цырук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Проведение прецизионных и высокотемпературных технологических процессов с различными материалами, в том числе тугоплавкими, радиоактив ными и полупроводниковыми, с получением конечного продукта высокого ка чества за один переплав успешно реализуется в индукционных печах с так на зываемым холодным тиглем (ХТ). Это достигается благодаря сочетанию осо бенностей плавки (отжатие от стенок тигля и циркуляция расплава) и исключе нием загрязнения расплава материалом металлического секционированного во доохлаждаемого тигля. Такие печи применяются в авиакосмической, автомо бильной, химической, электронной и других отраслях промышленности. Диа пазон их технических характеристик весьма широкий: рабочая температура до 3000 оС;

внутренний диаметр тигля 60–600 мм;

частота 0,05–30 кГц (плавка ме таллов, сплавов и полупроводников) и 0,5–10 МГц (плавка оксидных материа лов);

потребляемая мощность 60–2000 кВт и более;

производительность и удельный расход электроэнергии зависят от технологического процесса и рас плавляемого материала.

Холодный тигель также может использоваться в индукционных печах с керамическим тиглем в качестве защитного теплового экрана (ТЭ). Такой экран размещается между тиглем и индуктором, защищая последний от возможного прохода расплава через керамический тигель при его повреждении и тем самым значительно повышая надёжность печи.

Печи с керамическим тиглем широко используются для плавки чёрных и цветных металлов: рабочая температура до 1700 оС, ёмкость тигля 60–2500 кг, частота 0,05–10 кГц, потребляемая мощность 100–1600 кВт.

Распространение индукционных печей с ХТ (ТЭ) сдерживается дополни тельными электромагнитными потерями в этих элементах (до 40% подводимой к индуктору мощности) и, следовательно, большим расходом охлаждающей их воды (не менее 0,25 л/с на секцию).

В связи с этим задача разработки методики расчёта индукционных печей с холодным тиглем (ИПХТ) и тепловым экраном (ИТП с ТЭ) с улучшенными за счёт подбора параметров секций тигля или экрана энергетическими показате лями и, следовательно, уменьшенным расходом охлаждающей воды является весьма актуальной.

Цель и задачи работы Целью диссертационной работы является разработка методики расчёта индукционных печей с металлическим секционированным водоохлаждаемым тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями.

В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:

1. Анализ существующих конструкций и методов расчёта индукционных печей с металлическим тиглем (экраном).

2. Разработка трёхмерной математической модели индукционной печи с ме таллическим секционированным тиглем (или экраном) с изменяемыми па раметрами (число, материал и профиль секций) в программе ANSYS.

3. Исследование параметров модели и выработка рекомендаций по работе с ней, проверка адекватности.

4. Исследование с помощью модели влияния геометрических и электрофизиче ских параметров холодного тигля на энергетические характеристики печей.

5. Разработка методики расчёта индукционных печей с холодным тиглем и те пловым экраном со сниженными электромагнитными потерями.

Соответствие темы исследования паспорту специальности «Электротехнология» – 05.09. 1. Развитие общей теории электротехнологических комплексов и систем, изу чение системных свойств, связей и механизмов протекания процессов, их физическое, математическое и компьютерное моделирование.

2. Обоснование совокупности технических, технологических, экономических, экологических и социальных критериев оценки принимаемых решений в об ласти проектирования, создания и эксплуатации электротехнологических комплексов и систем.

Методы научных исследований Для решения электромагнитной задачи в диссертационной работе исполь зовался программный пакет ANSYS, основанный на методе конечных элементов численного моделирования. Разработка программы для формирования расчёт ного файла математической модели в ANSYS осуществлялась в среде Delphi.





Для проведения поверочных расчётов был применён программный комплекс Mathcad. Адекватность модели проверялась с использованием эксперименталь ных данных.

Научная новизна 1. В программном пакете ANSYS разработана трёхмерная математическая мо дель электромагнитных процессов в индукционных печах с секционирован ным холодным тиглем или тепловым экраном, которая позволяет проводить исследования с количественной оценкой по влиянию параметров секций (число, материал и профиль) на электромагнитные потери.

2. С помощью модели исследовано влияние геометрических и электрофизиче ских параметров тигля (экрана) на энергетические показатели печей. Пред ложен алгоритм по подбору числа секций, определена область эффективного применения разреза (уменьшение электромагнитных потерь в 2,5–5 и более раз): медные секции - стенка 4 мм (стандартный арочный профиль) для час тот 50–500 Гц, стенка 1–2 мм для частот от 50–2400 Гц;

секции из нержа веющей стали при толщине стенки 1–4 мм для частот 0,05–10 кГц.

3. Разработана методика расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями.

Практическая ценность результатов работы 1. Разработанная методика расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном позволяет подбирать параметры секций (число, материал и профиль) таким образом, чтобы уменьшить электромагнитные потери в них в 2,5–5 и более раз в зависимости от диаметра тигля (экрана) и рабочей частоты. В результате энергетические показатели этих печей могут быть су щественно улучшены и, следовательно, уменьшен расход охлаждающей во ды.

2. Разработана программа DateForA в среде Delphi для формирования расчёт ного файла трёхмерной математической модели исследуемых печей. Про грамма имеет простой и удобный интерфейс, освобождает пользователя от профессионального знания ANSYS, что позволяет легко встроить разрабо танную методику в процесс проектирования этих печей.

Достоверность полученных результатов Достоверность полученных в диссертационной работе результатов под тверждается применением современных средств численного моделирования электромагнитных задач в пакете ANSYS, а также путём сравнения расчётных данных с результатами эксперимента, проведённого на физической модели хо лодного тигля.

Реализация результатов работы Разработанная методика будет использоваться в организации ООО "Энер готерм-Проект" (г. Москва) при проектировании индукционных печей с холод ным тиглем для вакуумной плавки различных металлов (титан, никель др.) и модернизированной открытой индукционной тигельной печи с тепловым экра ном ёмкостью 160 кг по стали.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Разработанная трёхмерная математическая модель индукционной печи с ме таллическим секционированным тиглем (или экраном) с изменяемыми па раметрами (число, материал и профиль секций) в программе ANSYS.

2. Результаты исследований параметров модели (шагов разбиения на расчёт ные элементы, согласование между собой и границ областей) и рекоменда ции по работе с ней, проверка адекватности.

3. Результаты исследований с помощью модели влияния геометрических и электрических параметров холодного тигля на энергетические характери стики печей, рекомендации по подбору этих параметров.

4. Разработанная методика расчёта индукционных печей с холодным тиглем и тепловым экраном со сниженными электромагнитными потерями.

Апробация работы Результаты работы докладывались на 8-ой Международной научно практической интернет-конференции " Энерго- и ресурсосбережение XXI век" (Орёл, 2010 г.);

14-ой Международной конференции по вопросам электромеха ники, электротехнологии, электротехнических материалов и компонентов (Алушта, 2012 г.);

Международных научно-технических конференциях студен тов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (МЭИ, 2011–2013 гг.).

Работа обсуждалась на заседании кафедры АЭТУС НИУ "МЭИ" (2013 г.).

Публикации По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе одна в издании, рекомендованном ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание учёных степеней доктора и кандидата наук.

Структура и объём диссертации Диссертация изложена на 123-х страницах, состоит из введения, 4-х глав, заключения, приложения на 25 страницах и списка использованной литературы из 82-х наименований. В работе представлены 14 таблиц и 33 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформу лирована цель работы, показаны научная новизна и практическая ценность её результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации приведено описание объекта исследования – индукционных печей с холодным тиглем (рис. 1а) и с керамическим тиглем с защитным тепловым экраном (рис. 1б). Дана справка об их конструкциях, про водимых технологических процессах, характеристиках, особенностях работы и методах расчёта, сформулированы задачи диссертационной работы.

а) б) Рис. 1. Индукционные печи с холодным тиглем (а) и с керамическим тиглем с тепловым экраном (б): 1 – индуктор;

2 – расплав;

3 – холодный тигель;

4 – тепловой экран;

5 – поддон;

6 – керамический тигель Благодаря сочетанию в ИПХТ холодной металлической поверхности тиг ля, периферийного индукционного нагрева и электромагнитного отжатия рас плава эти печи обладают следующими особенностями плавки:

Отсутствие загрязнения расплава материалом тигля.

Интенсивное электромагнитное перемешивание расплава.

Плавка шихтовых материалов любой формы (куски, порошок и др.).

Управление формой фронта кристаллизации и структурой затвердевающего слитка.

Работа в любой контролируемой атмосфере и при любом давлении.

Эти особенности определили области применения ИПХТ: рафинировоч ная плавка химически активных и тугоплавких металлов (цирконий, титан, ни кель, жаропрочная сталь и др.);

выплавка сложнолегированных сплавов (лига туры титан-алюминий, титан-никель, цирконий-алюминий и др.);

переплав ок сидных материалов (металлотермическое восстановление металлов из их со единений, получение высококачественных монокристаллов, варка тугоплавкого стекла) и полупроводников (получение мультикристаллического кремния) и др.

ХТ и ТЭ находятся в области действия поля индуктора и для уменьшения электро магнитных потерь выполняются обычно из меди или нержавеющей стали в виде набора электрически изолированных друг от друга водоохлаждаемых секций. Энергетическая эффективность таких печей весьма низкая (электрический к.п.д., как правило, не превы шает 0,3). Электромагнитные потери в ХТ и ТЭ могут быть существенно снижены путём Рис. 2. Поперечное сечение холод выполнения заполненного электроизоляцион- ного тигля: 1 – секция, 2 – верти ным материалом вертикального разреза на на- кальный разрез, 3 – полость для ох лаждения;

4 – расплав ружных стенках секций (рис. 2).

Такая конструкция секций была предложена и опробована во ВНИИ электротермического оборудования (ВНИИЭТО). Эксперимент показал, что при толщине стенки секции ХТ менее 2-х глубин проникновения вертикальный разрез снижал электромагнитные потери в 2–3 раза, и, наоборот, увеличивал минимум в два раза при толщине более 2-х глубин проникновения электромаг нитной волны.

Расчёт основных характеристик ИПХТ и ИТП без ТЭ проводится с ис пользованием электрической схемы замещения по общему магнитному потоку.

Например, разработанная во ВНИИЭТО методика расчёта ИПХТ учитывает взаимосвязанные тепловые, электромагнитные и гидродинамические процессы, включает расчёт водоохлаждения индуктора и ХТ. Однако она не может учёсть наличие разрезов в секциях тигля. Существующие методики расчёта ИТП так же позволяют проводить все основные расчёты печи: тепловой, электрический, короткой сети и конденсаторной батареи, водохлаждения индуктора. Но учёт ТЭ в них не возможен.

Исходя из особенностей объекта исследования (секционированный тигель и экран с разрезными секциями) для решения рассматриваемых электромагнит ных задач наиболее эффективным является компьютерное трёхмерное модели рование с использованием метода конечных элементов (МКЭ).

Во второй главе проведён анализ средств компьютерного моделирования для решения электромагнитных задач и дано краткое описание выбранного программного пакета ANSYS. Описана разработанная трёхмерная математиче ская модель индукционной печи с металлическим секционированным тиглем (или экраном). Приведены результаты исследований по настройке модели и проверка её адекватности.

Установлено, что для решения поставленных задач расчёта электромаг нитного поля может быть эффективно использован программный пакет ANSYS.

Пакет основан на МКЭ, параметры магнитного поля определяются через выра жение связи магнитной индукции с векторным магнитным потенциалом :

(1) ANSYS позволяет моделировать трёхмерные задачи, в нём можно решать взаимосвязанные электрическую и тепловую задачи, моделировать фазный пе реход, что может быть использовано для дальнейшего развития модели. Одна ко, пакет имеет непростой интерфейс, большое количество настраиваемых па раметров, что затрудняет работу с ним.

На кафедре ФЭМАЭК "МЭИ" (ТУ) была разработана в пакете ANSYS трёхмерная математическая модель экспериментальной электропечи ИАТ–0,4 с ТЭ, в которой рассматривалась только одна секция экрана с вертикальным раз резом и без него. Результаты компьютерного и физического моделирования от личались не более, чем на 20%. Эта модель была взята за основу новой разраба тываемой модели индукционной печи с изменяемыми параметрами металличе ского секционированного тигля (или экрана): число секций, их материал и профиль (равностенный или неравностенный, толщина стенки секции, наличие, высота и ширина разреза).

При разработке трёхмерной математиче ской модели (рис.3) были введены следующие до пущения:

1. Решается только элек тромагнитная задача.

2. Модель состоит из проводящих областей (загрузка – поз. 6, ХТ (или ТЭ) – поз. 4), ус Рис. 3. Эскиз трёхмерной математической модели ловного индуктора (поз. 3) и расчётной непроводящей области. Остальные элементы реальной печи не учитываются.

Значения электрофизических параметров проводящих областей модели 3.

(удельное электрическое сопротивление и относительная магнитная прони цаемость) принимаются соответствующими их рабочей температуре.

Загрузка принимается цилиндрической. Учёт концевых эффектов и затуха 4.

ния электромагнитной волны вглубь загрузки осуществляется путём под бора шага разбиения на конечные элементы (КЭ).

В загрузке выделяется наружный слой (поз. 5). В модели ИПХТ он исполь 5.

зуется для согласования разбиения на КЭ загрузки и ХТ, а в модели ИТП с ТЭ принимается равным толщине боковой стенки керамического тигля.

Рассматривается трапецеидальная форма секций (поз. 9), имеющие полости 6.

для охлаждения (поз. 7) и разделенные изоляционным промежутком (поз. 8).

Каждая секция при моделировании разделена на 4 части: сама секция и со стоящий из верхней (поз. 12), средней (поз. 11) и нижней (поз. 10) части вер тикальный разрез на её наружной стенке.

Индуктор моделируется условно, так как заменяющий его специальный объ 7.

ект программы ANSYS создаёт электромагнитное поле, аналогичное полю реального индуктора, но не имеет своего объёма, т.е. рассчитать электриче ские потери в нём программа не может.

Расчётная непроводящая область разделена на две части. Расчётная область 8.

№1 (поз. 2) охватывает индуктор, ХТ (ТЭ) и загрузку. Расчётная область № (поз. 1) – область №1, а её внешняя граница яв ляется границей распространения электромаг нитного поля условного индуктора (задаётся = 0). Область №1 разбивается на КЭ с меньшим шагом, чем область №2, благодаря этому время расчёта уменьшается при сохранении точности.

Для настройки модели были проведены ис- а) б) следования по влиянию её параметров на точность и время расчёта на примере ИПХТ с неравностен ными секциями ХТ без вертикального разреза (рис. 4а: = 4 мм, b = 10 мм).

Неизменяемые параметры модели: в) г) индуктор: внутренний диаметр 160 мм, толщи- Рис. 4. Профиль секции ХТ:

неравностенная без разреза (а) на токоведущего слоя 3 мм, высота 120 мм, и с разрезом (б);

равностенная число витков 6, ток 3500 А, частота 1000 Гц;

без разреза (в) и с разрезом (г) ХТ: внутренний диаметр 100 мм, = 4 мм, b = 10 мм, наружный диаметр 148 мм, высота 200 мм, = 24, материал – медь;

загрузка: диаметр 100 мм, высота 100 мм, материал – сталь.

В каждом исследовании менялся только один из параметров. Сравнение результатов проводилось в относительных единицах.

Выработаны следующие рекомендации:

шаг разбиения на КЭ проводящих областей модели (загрузка, ХТ или ТЭ) по радиусу следует задавать в (2–3) раза меньше, а по высоте не более ;

шаги разбиения на КЭ непроводящих расчётных областей №1 и №2 по ра диусу и высоте подбираются при моделировании;

размеры непроводящей расчётной области №1 (диаметр и высота) следует задавать в 1,5–2, а расчётной области №2 в 3–4 раза больше максимальных размеров проводящих областей модели;

толщину переходного слоя между загрузкой и ХТ следует задавать равной шагу разбиения загрузки на КЭ по радиусу (для модели ИПХТ) или толщине боковой стенки керамического тигля (для модели ИТП с ТЭ);

толщину зазора между секциями ХТ (ТЭ) следует задавать (0,2–0,5) мм;

необходимо моделировать ХТ (ТЭ) с полным набором секций.

Для проверки адекватности модели был повторен физический экспери мент по определению влияния вертикального разреза в секциях ХТ на электро магнитные потери в них. Экспериментальный стенд состоял из индуктора (вы сота 300 мм, внутренний диаметр 460 мм, ток 1000 А, частота тока 2400 Гц, витков), внутрь которого были помещены отдельные секции ХТ высотой 300 и 520 мм из меди (арочный профиль) и нержавеющей стали (круглая трубка).

Рассматривались секции без вертикального разреза, с разрезом по высоте индуктора (частичный) и по всей высоте секции (сплошной). Загрузки в экспе рименте не было, электромагнитные потери измерялись методом калориметри рования для каждой секции отдельно. При моделировании реальный профиль секций был преобразован к трапецеидальному в соответствии с особенностями модели.

В модели был получен тот же эффект, что и в эксперименте: уменьшение электромагнитных потерь в секции с разрезом при толщине стенки менее 2-х (секции из нержавеющей стали) и, наоборот, увеличение потерь при толщине более 2-х (медные секции). Различие результатов расчёта и эксперимента для медных секций в среднем составило примерно 12,5%, а для секций из нержа веющей стали ок. 30%, что связано с особенностями моделирования (преобра зование профиля секций к трапецеидальному) и погрешностями при проведе нии самого физического эксперимента (например, потери в однотипных секци ях из нержавеющей стали в эксперименте отличались между собой на 10–15%, чего не было в модели). Можно сделать положительный вывод об адекватности разработанной трёхмерной математической модели.

В третьей главе описаны проведённые с помощью разработанной мате матической модели исследования по влиянию геометрических и электрофизи ческих параметров ХТ на энергетические характеристики ИПХТ.

Исследования проводились на модели печи, аналогичной рассмотренной в главе 2, с учётом следующих особенностей:

ХТ: приняты толщина изоляции между секциями 0,5 мм, шаги разбиения на КЭ по радиусу и высоте /2 = 1,13 и 10 мм;

загрузка (расплав): шаги разбиения на КЭ по радиусу и высоте приняты /2 = 7,95 и 10 мм, толщина промежуточного слоя между загрузкой и ХТ /2 = 7,95;

диаметр и высота расчётной области №1 приняты 240 и 300 мм, а шаги раз биения на КЭ по радиусу и высоте по 10 мм;

диаметр и высота расчётной области №2 приняты 480 и 600 мм, а шаги раз биения на КЭ по радиусу и высоте по 20 мм.

Изменяемые параметры: число секций, их материал и профиль (рав ностенные или неравностенные, толщина стенки, наличие, высота и ширина разреза).

Сравнение результатов проводилось в относительных единицах.

На практике выбор осуществляется из соображений передачи в рас плав максимальной электромагнитной энергии, отвода тиглем тепловой нагруз ки (сильно зависит от расплавляемого материала), обеспечения его механиче ской прочности и технологичности. Поэтому сформировать общих рекоменда ций по выбору числа секций с учётом всех этих критериев не представляется возможным.

Проведено исследование по влиянию числа секций на примере ХТ с неравностенными секциями (условный арочный профиль) без вертикального разреза (рис. 4а: = 4 мм, b = 10 мм).

Результаты представлены на рис. 5. За 100% приняты значения для случая отсутствия ХТ (рис. 5а точка Б) и для наибольшего из рассмотренного для тигля с медными секциями (рис. 5б точка Б).

Аналогичное исследование было проведено для ХТ с равностенными секциями без вертикального разреза, принято = 4 мм (рис. 4в). Качествен ный вид полученных кривых не отличается от рис. 5.

а) б) Рис. 5. Зависимость мощности, выделяющейся в загрузке (а) и ХТ (б), от.

Материал секций медь (кривая 1) и нержавеющая сталь (кривая 2) Установлено, что с увеличением значение выделяющейся в загрузке мощности сначала быстро растёт, а затем постепенно стабилизируется и ста новится примерно равным значению для случая отсутствия тигля (уменьшается эффект экранирования холодным тиглем расплава). При этом на распределение также влияет материал секций. Влияние на выделяющуюся в ХТ мощ ность неоднозначно. Так в рассмотренном примере с увеличением зна чение для тигля с медными секциями увеличивается, а с секциями из не ржавеющей стали, наоборот, уменьшается.

В практике проектирования и эксплуатации ИПХТ считается, что работо способными являются печи с 6.

Проведено исследование по влиянию отношения и параметров вертикального разреза в секциях ХТ ( и ). Так как с увеличением часто ты тока индуктора уменьшается шаг разбиения на КЭ проводящих областей модели (увеличивается общее количество КЭ и, след., время расчёта), то иссле дование проводилось при фиксированной, изменяемых материале секций и (от 1 до 4 мм). Рассматривался ХТ с =24 равностенными секциями без вертикального разреза (рис. 4в), с частичным и сплошным разрезом (рис. 4г) при = 4 мм.

Результаты представлены на рис. 6. За 100% приняты значения для случая отсутствия разреза в секциях ХТ и максимальной из рассмотренных для каждого из графиков отдельно (точка Б на рисунке).

а) б) Рис. 6. Зависимость и от отношения э ХТ. Материал секций: медь (а) и нержавеющая сталь (б). Секции ХТ без, с частичным и сплошным разрезом – кривые 1, 2 и Установлено, что зависимость выделяющейся в ХТ мощности от от ношения э ХТ имеет экстремум в случае отсутствия вертикального разре за, примерно до э ХТ = 0,35 значение увеличивается, а далее, наобо рот, уменьшается. При этом наличие частичного разреза снижает примерно в 2–2,5 раза, а в случае сплошного разреза в 2,5–5 и более раз (уточняется при моделировании). Примерно с э ХТ 1,4 наличие разреза любого типа при водит к увеличению в 1,5 и более раз.

Полученные значения уточняют результаты физического эксперимента (см. проверку адекватности модели в главе 2).

При увеличении отношения с ХТ э ХТ примерно до 0,35 значение выде ляющейся в загрузке мощности з как при наличии вертикального разреза в секциях тигля, так и без него уменьшается не более, чем на 10%. При значении э ХТ 0,35 на изменение з влияет только разрез: уменьшение на (5–15)% с ХТ в случае частичного разреза и на (10–20)% в случае сплошного.

Для определения влияния проведено отдельное исследование на примере ХТ с неравностенными секциями (рис. 4а,б: = 4 мм, b = 10 мм).

Установлено, что значение ширины разреза почти не сказывается на и (отличие не более 5%). На практике принимают равной (10–100)% от из соображений обеспечения разрезом размыкания контура вихревых токов в секции и возможностью изготовления.

Полученные результаты справедливы и для ИТП с ТЭ.

Таким образом, выделяющиеся в загрузке з и ХТ ХТ электромагнитные мощности существенно зависят от числа, материала и профиля его секций.

Рекомендуется предварительно выбирать по приближённой формуле методики ВНИИЭТО расчёта ИПХТ с последующим уточнением на модели и проверкой охлаждения тигля:

, где (2) – внутренний диаметр ХТ (или ТЭ);

– глубина проникновения электромагнитной волны в расплав.

Применение сплошного разреза в медных секциях тигля (экрана) позво ляет снизить электромагнитный потери в 2,5–5 и более раз при частоте от 50 Гц до 500 Гц (толщина стенки 4 мм - стандартный арочный профиль ) и 2400 Гц (стенка 1–2 мм), а в секциях из нержавеющей стали при частоте 0,05–10 кГц (стенка 1–4 мм). При этом следует учитывать, что использовать нержавеющую сталь в качестве материала секций ХТ допустимо только для рабочих темпера тур до 1000 оС (например, плавка алюминия) из-за ухудшенного теплоотвода по сравнению с медными секциями и, следовательно, перегрева стенки тигля в области контакта с расплавом.

В четвёртой главе изложена предлагаемая методика расчёта ИПХТ и ИТП с ТЭ со сниженными электромагнитными потерями в тигле и экране, опи сана разработанная программа DateForA. Приведена апробация методики, указаны возможности применения математической модели.

Для формирования расчётного файла модели в среде Delphi была разра ботана программа DateForA (рис. 7). Такой подход освобождает пользователя от профессионального знания пакета и требует лишь базовых знаний его ин терфейса. Рекомендации по настройки модели (глава 2) были включены в рабо чие окна DateForA в виде необходимых пояснений и проверки ввода исходных данных.

Алгоритм предлагаемой методики расчёта ИПХТ:

1. Выбор внутреннего диаметра ХТ и частоты тока в соответствии с расплав ляемым металлом и заданной производительностью печи.

2. Качественная оценка снижения электромаг нитных потерь в тигле по результатам прове дённых в главе 3 иссле дований.

3. Проводятся тепловой, электрический и расчёт водоохлаждения иссле дуемой печи с секциями ХТ без разреза, напри мер, по методике ВНИИЭТО расчёта ИПХТ. Определяются все геометрические и электрические парамет ры печи.

4. По рассчитанным в п.3 Рис. 7. Рабочее окно программы DateForA.

Ввод параметров холодного тигля (теплового экрана) параметрам составляет ся трёхмерная модель в программе ANSYS.

5. Проводятся исследования по влиянию и на и.

6. Рассчитываются электромагнитные потери в ХТ при отсутствии ( ) и на личии ( ) разреза в секциях тигля.

7. Определяется поправочный коэффициент :

(3) 8. Повторяется п.3 с учётом разреза в секциях ХТ и уточнённых по п.5 пара метров. Количественная оценка влияния разреза осуществляется путём уточнения активного и реактивного сопротивлений ХТ:

(4) (5) 9. Составляется сводная таблица результатов расчёта исследуемой ИПХТ по п.3 и п.8. Делается вывод об эффективности применения разрезных секций по снижению установленной мощности источника питания и, следовательно, расхода охлаждающей тигель воды.

Предполагается применять ТЭ в серийных печах ИТП, геометрические и электрические параметры которых известны.

Алгоритм методики расчёта ИТП с ТЭ:

1. По результатам проведённых в главе 3 исследований предварительно выби раются параметры экрана: число, профиль и материал секций.

2. Составляется трёхмерная модель в программе ANSYS.

3. Проводятся исследования по влиянию и с ТЭ э ТЭ на и с уточне нием параметров ТЭ.

4. Рассчитываются электромагнитные потери в экране.

5. Проводится уточняющий расчёт энергетического баланса и общего к.п.д. пе чи с учётом путём корректировки следующих величин:

– исходная и уточнённая мощность, передаваемая в расплав, Вт;

, – уточнённая полезная мощность, Вт;

– тепловые потери, Вт;

– мощность, потребляемая от сети, Вт;

– уточнённый общий к.п.д. печи.

Полученное в результате уточняющего расчёта значение затем прямо или косвенно используется для определения длительности плавки, про изводительности по расплавлению и перегреву (скорости плавки), удельного расхода электроэнергии.

Для апробации разработанной методики были проведены расчёты на примере печей ИПХТ ёмкостью 440 кг по титану и открытой печи ИСТ–0.16, дополненной ТЭ.

Для ИПХТ внутренний диаметр тигля принят 500 мм, а частота 500 Гц. Подобраны 54 неравно стенные медные секции со сплошным разрезом (рис. 8).

Расчёт показал, что электромагнитные потери в тигле с учётом разреза были уменьшены на 52,9% (315,2 кВт), в результате чего реактивная мощность конденсаторной батареи снижена на 9,6% Рис. 8. Поперечное сечение секции ХТ печи ИПХТ (760 кВАр), расчётная мощность источника питания ёмкостью 400 кг по титану на 15,7% (470 кВт), а расход охлаждающей тигель воды на 23,3% (31,2 м3/ч).

Для печи ИСТ–0,16 был подобран ТЭ с = равностенными медными секциями со сплошным разрезом (рис. 9). Электромагнитные потери в экра- Рис. 9. Поперечное сечение секции ТЭ печи ИСТ-0, не по расчёту составили 8,4 кВт. В результате при неизменной мощности источника питания 160 кВт полезная мощность бы ла незначительно снижена на 12% (9,6 кВт), а электрический и общий к.п.д. пе чи на 7,2% и 12,1%.

Возможность проведения расчёта в разработанной математической моде ли на обычном персональном компьютере зависит от общего числа КЭ, т.е.

геометрией исследуемой печи и ( ). Как показали проведённые исследова ния (глава 3), применение разреза в секциях ХТ (ТЭ) эффективно только для частот 0,05–10 кГц (плавка металлов, сплавов и полупроводников), что успеш но решается в модели. Время счёта составляет от 10 минут до нескольких часов в зависимости от параметров печи. Для исследования технологических процес сов с частотой больше 10 кГц (плавка оксидов) модель не может быть исполь зована в силу неэффективности разреза и ограниченных возможностей персо нального компьютера.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссер тационной работы.

В приложении представлен листинг кода разработанной программы DateForA.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате проведённых в диссертационной работе исследований мож но сделать следующие выводы:

1. На основе проведённого анализа индукционных печей с металлическим сек ционированным тиглем и экраном установлено, что путём подбора числа, материала и профиля (толщина стенки и наличие вертикального разреза на её наружной поверхности) секций можно существенно улучшить их энерге тические показатели и, следовательно, уменьшить расход охлаждающей во ды.

2. В программном пакете ANSYS разработана трёхмерная математическая мо дель индукционной печи с холодным тиглем или тепловым экраном, позво ляющая исследовать и количественно оценить влияние его параметров на электромагнитные потери. Модель учитывает конструктивные особенности реального тигля или экрана (секционирование, наличие разреза).

3. Проведены исследования и выработаны рекомендации по подбору парамет ров модели (шагов разбиения на конечные элементы, согласования между собой и границ расчётных областей), позволяющих повысить точность рас чёта и сократить его время. Доказана адекватность модели путём сравнения расчётных данных с результатами эксперимента, проведённого на физиче ской модели холодного тигля.

4. По результатам проведённого на модели исследования установлено, что на электромагнитные потери в холодном тигле (тепловом экране) помимо ма териала влияет число секций причём неоднозначно: с увеличением числа медных секций потери растут и, наоборот, уменьшаются для секций из не ржавеющей стали.

5. С помощью модели проведено исследование эффективности разреза в сек циях тигля (экрана). Получена зависимость электромагнитных потерь в тиг ле (экране) от геометрии секций и частоты. Установлено, что сплошной раз рез уменьшает эти потери в 2,5–5 и более раз в медных секциях при частоте от 50 Гц до 500 Гц (толщина стенки 4 мм - стандартный арочный профиль) и 2400 Гц (стенка 1–2 мм), а в секциях из нержавеющей стали при частоте 0,05–10 кГц (стенка 1–4 мм).

6. Разработанная на основе проведённых исследований методика расчёта была опробована на двух печах: ИПХТ ёмкостью 440 кг по титану – расчётная мощность источника питания снижена на 15,7% (470 кВт), расход охлаж дающей тигель воды на 23,3% (31,2 м3/ч);

ИСТ–0.16, дополненной ТЭ – по лезная мощность незначительно снижена на 12% (9,6 кВт), а электрический и общий к.п.д. на 7,2% и 12,1%.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в сле дующих публикациях:

1. А.Б. Кувалдин, С.А. Васильев. Исследование электрических потерь в холодном тигле индукционной печи с использованием трёхмерного мо делирования. Индукционный нагрев, №21, 2012. С. 16 – 21.

2. Васильев С.А. Моделирование индукционных систем с наружными и внут ренними электропроводящими экранами. // Энерго- и ресурсосбережение XXI век. Сб. материалов VIII Междунар. научн.-практич. интернет конференции. Орёл, 2010. – С. 44.

3. Васильев С.А. Моделирование индукционных систем с электропроводящи ми секционированными тиглями. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. XVII Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез.

докл. в 3-х т. Т.2. М.: Издательский дом МЭИ, 2011. – С. 182 – 183.

4. Васильев С.А. Инженерный расчёт индукционных систем с электропрово дящими экранами. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. XVIII Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. в 4-х т. Т.2.

М.: Издательский дом МЭИ, 2012. – С. 345.

5. Васильев С.А., Кувалдин А.Б. Электромагнитный расчёт индукционных пе чей с электропроводящими секционированными тиглями и экранами. // 14-ая Международная конференция по вопросам электромеханики, электротехно логии, электротехнических материалов и компонентов. - Алушта. - Крым. – Украина. – 2012. 23 – 29 Сентября. С. 310 – 312.

6. Васильев С.А. Исследование параметров индукционных печей с холодным тиглем. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. XIX Междунар.

науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. в 4-х т. Т.2. М.: Изда тельский дом МЭИ, 2013. – С. 293.



 


Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.