Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Проблема уничтожения боеприпасов. задачи диссертационной работы 10
1.1. Актуальность и технология уничтожения химических боеприпасов 10
1.2. Обзор электротермических установок для уничтожения боеприпасов 12
1.3. Определение исходных параметров локализатора 16
1.4. Выбор способа нагрева локализатора и схемы нагревателя 18
1.5. Анализ работ по расчету многослойных индукторов 22
1.6. Выбор метода решения и программных средств моделирования
1.6.1. Методы расчета электромагнитных и температурных полей 25
1.6.2. Методы расчета параметров течения воздуха 26
1.6.3. Методы и средства проектирования систем автоматического управления температурой 27
1.7. Постановка задач диссертационной работы 28
ГЛАВА 2. Разработка математических моделей электромагнитных, тепловых и газодинамических процессов в индукционно–резистивном нагревателе 31
2.1. Конструктивная схема и работа ИРН 31
2.2. Постановка задач моделирования 32
2.3. Модель электромагнитных процессов в ИРН
2.3.1. Математическая модель электромагнитных процессов 37
2.3.2. Методика построения электромагнитной модели 41
2.3.3. Исследование свойств математической модели 43
2.3.4. Оценка погрешностей и проверка адекватности модели 46
2.3.5. Подпрограмма Multilayerсoil 47
2.4. Модель тепловых процессов в ИРН 48
2.4.1. Математическая модель тепловых процессов 48
2.4.2. Методика построения тепловой модели 50
2.4.3. Исследование свойств и проверка адекватности тепловой модели 52
2.5. Модель естественной конвекции 55
2.5.1. Математическая модель естественной конвекции 56
2.5.2. Методика построения газодинамической модели 57
2.5.3. Выбор модели течения воздуха 60
2.5.4. Исследование свойств и проверка адекватности модели
2.6. Модель вынужденной конвекции 64
2.7. Выводы по главе 2 69
ГЛАВА 3. Исследование электромагнитных, тепловых и газодинамических процессов в индукционно резистивном нагревателе 71
3.1. Задачи исследования 71
3.2. Геометрия ИРН и методика проведения исследований 72
3.3. Исследование энергетических характеристик ИРН
3.3.1. Исследование влияния тока и частоты 78
3.3.2. Исследование влияния размеров индуктора 80
3.3.3. Исследование влияния размеров обмоточного провода 82
3.3.4. Оценка влияния магнитопровода 85
3.4. Исследование тепловых параметров ИРН 87
3.4.1. Исследование влияния параметров индуктора на равномерность нагрева локализатора 91
3.4.2. Исследование пускового нагрева локализатора 92
3.5. Исследование естественной конвекции в ИРН 94
3.5.1. Исследование зависимости коэффициента теплоотдачи от температуры локализатора 94
3.5.2. Исследование зависимости коэффициента теплоотдачи от температуры и давления воздуха внутри камеры уничтожения 96
3.6. Исследование вынужденной конвекции в ИРН 98
3.7. Выводы по главе 3 102
ГЛАВА 4. Разработка структурной модели системы регулирования температуры и исседование режимов работы индукционно-резистивного нагревателя 104
4.1. Постановка задачи 104
4.2. Методика построения структурной модели ИРН 105
4.3. Исследование пускового режима нагрева 117
4.4. Исследование режима уничтожения боеприпасов 120
4.5. Проверка адекватности структурной модели 122
4.6. Выводы по главе 4 123
ГЛАВА 5. Экспериментальное исследование характеристик индукционно-резистивного нагревателя 125
5.1. Цель исследования и описание экспериментального стенда 125
5.2. Порядок проведения экспериментов 127
5.3. Исследование электрических характеристик индуктора 128
5.4. Исследование температурных параметров локализатора 132
5.5. Исследование энергетических параметров индуктора 135
5.6. Исследование режимов работы нагревателя 137
5.7. Экспериментальное определение ресурса нагревателя 140
5.8. Разработка методики проектирования ИРН, апробация и возможности ее применения 142
5.9. Практическая реализация и внедрение нагревателей 147
5.10. Выводы по главе 5 150
Заключение 152
Список литературы
- Выбор способа нагрева локализатора и схемы нагревателя
- Методика построения электромагнитной модели
- Исследование влияния размеров индуктора
- Исследование пускового режима нагрева
Введение к работе
Актуальность темы.
Россия обладает большими запасами химического оружия, которое согласно «Конвенции о запрещении химического оружия» должно быть полностью уничтожено без возможности повторного применения. Для реализации Конвенции принята Федеральная программа по уничтожению запасов химического оружия в РФ, надзор за выполнением и софинансирование которой осуществляет Международная организация по запрещению химического оружия. Актуальность уничтожения химического оружия обуславливается старением запасов отравляющих веществ и увеличением опасности возникновения экологической катастрофы.
Наибольшую сложность при уничтожении представляют кассетные химические боеприпасы с неразборными элементами, единственным безопасным способом уничтожения которых является подрыв, при котором происходит разрушение корпуса и нейтрализация остатков отравляющих веществ. Учитывая высокую опасность, уничтожение должно происходить дистанционно в специальной камере уничтожения наиболее ответственным узлом которой является нагреватель.
Разработка нагревателя связана с выполнением требований по безопасности, производительности, энергоэффективности, полноте уничтожения, стойкости к многократным взрывам и ударам осколков, коррозионно-активным средам, отравляющим веществам и высоким температурам. Традиционные нагреватели не отвечают всем этим требованиям, что обуславливает необходимость разработки оригинальной конструкции нагревателя для уничтожения боеприпасов и проведения комплексного исследования, включающего разработку системы электропитания, охлаждения и регулирования температуры.
Для уничтожения боеприпасов требуется низкотемпературный нагрев (не более 500С), для чего предложено использовать индукционно-резистивный нагреватель (ИРН) рабочей взрывной камеры - локализатора, в который помещается уничтожаемый боеприпас. Разработка методики расчета, определение конструктивных параметров и эффективных режимов работы ИРН связаны с проведением большого объема теоретических и экспериментальных исследований.
Работа выполнялась в рамках ФЦП «Уничтожение запасов химического
оружия в РФ» при выполнении ОКР «Блок-М» и ОКР «Примус» по государствен
ным контрактам №110208.1003200.15.020 от 04.03.2011г. и
№120208.1003200.15.021 от 24.02.2012г. соответственно, что подтверждает ее ак
туальность.
Объектом исследования являются конструктивные параметры и режимы работы ИРН, систем электропитания, охлаждения и регулирования температуры.
Предмет исследования: электромагнитные, тепловые и газодинамические процессы при работе ИРН для уничтожения боеприпасов.
Цель диссертационной работы: разработка конструкции и методики расчета индукционно-резистивного нагревателя для уничтожения химических боеприпасов, а также исследование режимов его работы и выработка рекомендаций по созданию и внедрению промышленных нагревателей.
Решаемые задачи:
1. Выбор типа нагрева и конструкции нагревателя на основе требований к
оборудованию для уничтожения химических боеприпасов.
-
Разработка математических моделей для анализа электромагнитных и тепловых процессов индукционно-резистивного нагревателя, а также выбора эффективных режимов его работы.
-
Исследование электрических и тепловых процессов в ИРН с помощью разработанных математических моделей для выбора параметров нагревателя.
-
Проведение экспериментальных исследований опытного образца ИРН для подтверждения и уточнения теоретических результатов, полученных на математических моделях.
-
Разработка методики проектирования, выбор основных технических решений и режимов работы для промышленных образцов ИРН.
-
Внедрение промышленных нагревателей на объектах по уничтожению химического оружия.
Методы исследования. В работе использованы основные положения теории электромагнитного и теплового полей и газодинамики, исследования которых проводились с помощью компьютерного моделирования в программном комплексе ANSYS методами математической физики и вычислительной математики. Синтез системы регулирования температуры и исследование режимов работы ИРН осуществлялись в программе MATLAB/Simulink. Проверка основных теоретических положений осуществлялась путем экспериментальных исследований на физических моделях и промышленных образцах ИРН с обработкой экспериментальных данных в программе MATHCAD.
Научная новизна:
-
Разработана электромагнитная математическая модель системы «индуктор - загрузка» отличающаяся тем, что многослойный индуктор выполнен из кабеля с металлической оболочкой, и проведены исследования электромагнитных процессов, в результате которых получены зависимости тепловыделения, плотности тока в жиле и оболочке провода по длине и слоям индуктора, выбраны основные параметры индуктора, обеспечивающие высокие энергетические характеристики.
-
Разработана математическая модель теплового режима локализатора (загрузки), учитывающая условия стационарного и нестационарного теплообмена, с использованием которой исследованы тепловые поля в локализаторе и выбраны параметры индуктора, обеспечивающие необходимую для уничтожения боеприпасов равномерность нагрева.
-
Разработаны математические модели для исследования процессов естественной и вынужденной конвекции в нагревателе, с использованием которых определены зависимости коэффициентов теплоотдачи локализатора и многослойного индуктора от условий охлаждения.
-
Разработана структурная модель нагревателя с двухконтурной системой регулирования температуры, учитывающая теплообменные процессы при уничтожении боеприпасов, с использованием которой исследованы режимы работы
нагревателя и выбраны времена пускового нагрева и цикла уничтожения боеприпасов с разной массой взрывчатого вещества.
Обоснованность и достоверность полученных в диссертационной работе научных результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается корректным использованием применяемого математического аппарата, теории оптимального проектирования и методов математического моделирования. Справедливость выводов относительно адекватности разработанных математических моделей основывается на сопоставлении результатов моделирования и экспериментов, расхождение между которыми не превышает 10%. Работоспособность, безопасность и эффективность ИРН подтверждена результатами опытной и промышленной эксплуатации на объектах по уничтожению химического оружия.
Основные практические результаты работы:
-
С использованием разработанных математических моделей проведены исследования и даны рекомендации по проектированию и выбору режимов работы ИРН, обеспечивающих энергоэффективность, заданное температурное распределение внутри локализатора, а также полное уничтожение боеприпасов.
-
Разработаны новые конструкции опытных и промышленных образцов ИРН (три типоразмера), прошедшие экспертизу промышленной безопасности и защищенные патентом РФ на изобретение.
-
Получены экспериментальные данные о параметрах уничтожении боеприпасов и ресурсе нагревателя при многократных подрывах, которые использованы пи проектировании нагревателей.
Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты работы внедрены на трех объектах по уничтожению химического оружия в виде промышленных образцов ИРН, используемых для уничтожения боеприпасов сложной конструкции. Теоретические результаты, методика расчета и математические модели применяются в АО «КНИИМ» при разработке многослойных индукторов промышленной частоты.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на VIII–IX Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы утилизации ракет и боеприпасов (Красноармейск, 2012, 2014), ХI, XIII Международных научно-практических интернет-конференциях «Энерго- и ресурсосбережение–XXI век» (Орел, 2013, 2015), ХIХ–XXI Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2013–2015), XLI Научно-технической конференции «Проектирование систем» (Москва, 2014), XV Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона» (Новосибирск, 2014), VII-VIII Всероссийских конференциях молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2014–2015), VII Научно-практической конференции «Научно-технические аспекты обеспечения безопасности при уничтожении, хранении и транспортировке химического оружия» (Москва, 2014), ІV Всероссийской конференции «Химическое разоружение» (Ижевск, 2015).
Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 22 работах, среди которых пять работ в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 15 – материалы международных, всероссийских и межвузовских научно–практических конференциях, получен 1 патент РФ на изобретение.
Личный вклад автора состоит в постановке задачи исследования, разработке комплекса математических моделей, исследовании параметров и режимов работы ИРН, проектировании конструкции, участии в экспериментальных испытаниях и внедрении промышленных образцов, интерпретации и обобщении полученных результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, приложений и списка литературы из 92 наименований. Основной текст изложен на 165 страницах машинописного текста, включает 89 рисунков, 28 таблиц и приложения на 16 стр.
Выбор способа нагрева локализатора и схемы нагревателя
Актуальность уничтожения ХО определяется, в первую очередь, выполнением требований Конвенции. Кроме этого, из-за длительного хранения у части боеприпасов нарушена герметичность, что ведет к утечкам ОВ, что делает высокоопасным дальнейшее их хранение [7].
Из всего многообразия ХО определенную долю составляют изделия кассетного типа, снаряженные боеприпасами сложной конструкции, которые имеют следующие особенности: – наличие в небольшом корпусе ВВ, ОВ, взрывателя и осколочных элементов; – наличие нескольких типоразмеров боеприпасов, отличающихся по массе, габаритам и конструкции; – наличие негерметичных (аварийных) боеприпасов; – невозможность разборки боеприпаса из-за высокой чувствительности ВВ к внешним воздействиям.
Прежде всего, сложность и опасность уничтожения данных боеприпасов определяется наличием нервнопаралитических отравляющих веществ, таких как зарин, зоман, ви-икс. В связи с этим, в настоящей работе при проведении исследований использовался макет боеприпаса сложной конструкции (рис.1.1), который представляет собой двухслойный корпус длиной Lб = 450 мм, диаметром Dб = 76 мм и толщиной стенок 3 мм. Внутри корпуса размещается заряд ВВ массой 0,7 кг в тротиловом эквиваленте и взрыватель. Между наружной частью корпуса и зарядом ВВ имеется полость, имитирующая объем, заполняемый отравляющим веществом. Рис. 1.1. Макет боеприпаса сложной конструкции: 1 – корпус; 2 – крышка; 3 – взрыватель; 4 – прокладки; 5 – заряд ВВ; 6– полость, имитирующая объем ОВ
Для уничтожения химических боеприпасов предложено несколько методов: нейтрализационный, детонационный и термический [8].
Нейтрализационный метод основан на разрушении (вскрытии) корпуса бое-припаса с химической нейтрализацией ОВ, и используется установке Explosive Destruction System (EDS), разработанной в США [9].
Детонационный метод подразумевает подрыв боеприпаса от внешнего накладного заряда внутри взрывной камеры с нейтрализацией ОВ при воздействии высоких температур и давления. Данный метод реализован в японской установке Detonation of Ammunition in Vacuum Integrated Chamber (DAVINCH) и американской – Controlled Detonation Chamber (CDC) [10].
Недостатками нейтрализационного и детонационного методов является наличие большого количества ручных операций, связанных с подготовкой боеприпасов и выгрузкой осколков.
Наиболее технологичным является термический метод уничтожения, основанный на разложении ВВ внутри боеприпаса при температурах 180–250С, при котором происходит взрыв с разрушением корпуса и частичной нейтрализацией ОВ. Термический метод позволяет полностью исключить ручные операции и автоматизировать процесс уничтожения [11].
При термическом уничтожении обычных и химических боеприпасов используются следующие методы нагрева, показанные на рис. 1.2. Такие способы, как сжигание в доменных печах, в заброшенных нефтяных скважинах, угольных шахтах, реактивных двигателях, а также при воздействии ядерного взрыва оста ются только теоретическими, на практике они не реализованы.
Наибольшее распространение для уничтожения боеприпасов получил газовый нагрев в различных печах. Недостатком данного способа является то, что при сжигании образуется большое количество вредных выбросов, для улавливания которых требуются системы многоступенчатой очистки [7].
Для уничтожения взрывателей применяются лазерный и электродуговой методы, при которых вначале прожигается отверстия в корпусе боеприпаса, через которое выжигается ВВ [12,13]. Недостатком данных способов является незащищенность от взрыва, и вследствие этого, невозможность уничтожения боеприпасов массой ВВ более 50 г. К тому же, двухслойная конструкция боеприпасов сложной конструкции не позволяет прожечь отверстие данными способами.
Для уничтожения обычных видов боеприпасов широко используются индукционный нагрев, в частности для сплющивания пустых корпусов боеприпасов, выплавки ВВ из корпуса, термического уничтожения взрывателей [14,15]. В СамарскомГТУ разработаны установки высокочастотного нагрева периодического и непрерывного действия для уничтожения огневой цепи взрывателя с массой ВВ 15 г.
Установка периодического действия [16] с производительностью 100 шт/ч представляет собой проходную бронекамеру с индуктором (рис. 1.3), оснащенную механизмами загрузки и выгрузки взрывателей и блоком управления. Индуктор длиной 90 мм выполнен однослойным с 9 витками из медного профиля 1010 мм. Внутренний диаметр индуктора 80 мм, внешний – 100 мм, заглубление взрывателя в индуктор 17,5 мм. Индуктор подключен к источнику питания повышенной частоты 1 кГц. Потребляемая мощность 20 кВт, расход электроэнергии на один взрыватель 0,15 кВт ч, время нагрева 35 с.
Методика построения электромагнитной модели
При построении геометрической модели принято допущение, что рассматривается только половина нагревателя в осесимметричной двухмерной постановке (рис. 2.4). Правомерность данного допущения определяется тем, что нагреватель имеет продольную и поперечную плоскости симметрии и толщина стенки локализатора больше глубины проникновения электромагнитной волны в сталь на промышленной частоте [50]. Исходя из физической сущности рассматриваемой задачи, при создании математической модели был принят ряд допущений, позволяющих получить удовлетворительную точность при малом времени вычислений: – расчет выполняется для первой гармоники тока, что позволяет исключить зависимость тока от времени; – электромагнитное поле принимается квазистационарным, что позволяет пренебречь токами смещения по сравнению с токами в проводниках; – не учитываются потери на гистерезис при нагреве ферромагнитных тел, в силу их незначительности по сравнению с потерями от вихревых токов; – электромагнитная задача связана только с тепловой, причем из первой во вторую передается мощность тепловыделения, а обратно – температурное поле; – при задании магнитопровода его секционность не учитывалась, он представлялся в виде сплошного цилиндрического тела; – сечение провода и жилы квадратное без радиусов скруглений; – не учитывалось наличие коллектора охлаждения между витками; – воздушный зазор между витками и слоями принимался одинаковым в осевом и радиальном направлениях; – не учитывались потери в защитном кожухе индуктора.
Для построения геометрической модели в программном пакете ANSYS существует 2 варианта: с помощью геометрических примитивов (точки, линии) и с помощью готовых объектов (круг, прямоугольник и т.д.). В данном случае был использован второй вариант, с использованием которого построены четыре блока модели: локализатор, окружающее пространство, жила и оболочка провода. Далее для простоты обращения к элементам модели каждому блоку присваивается номер, по которому в дальнейшем можно однозначно идентифицировать данную область.
На следующем этапе каждый блок модели разбивается на определенное число конечных элементов, при этом для учета физических явлений выбирается соответствующий размер и тип сетки. Из-за малой толщины поверхностного слоя локализатора и оболочки провода в них строилась мелкая структурированная сетка в виде 4–х угольных элементов. В окружающем пространстве строилась неструктурированная сетка в виде 3–х угольных элементов, при этом на границах сетка делалась крупной, а около нагревателя более мелкой [51].
Расчетная область с сеткой конечных элементов: 1 – локализатор; 2 – окружающее пространство (воздух); 3 – жила провода; 4 – оболочка провода; 5 – изоляция
В дальнейшем во всех блоках модели задавались физические свойства материалов, приведенные в табл. 2.1 [52]. Для изменения электрофизических свойств материалов в зависимости от температуры производился пересчет электромагнитной задачи при изменении температуры.
В каждом витке многослойного индуктора задавались: – частота тока 50 Гц; – амплитуда и фаза тока, изменяющегося по синусоидальному закону. Для полного описания математической модели задавались следующие граничные условия: – на границах расчетной области S – условие Дирихле, которое указывает на полное затухание поля на данной границе путем приравнивания векторного магнитного потенциала А0 = 0; – на горизонтальной и вертикальной осях симметрии S0–X и S0–Y – условие Неймана – равенство нулю касательной составляющей напряженности магнитного поля Нt = 0.
На данном этапе моделирования работа в препроцессоре ANSYS заканчивается, производится сохранение модели в файл и ее проверка на наличие ошибок. Далее производится вычисления в решателе ANSYS. Непосредственно перед расчетом необходимо задать свойства и настройки решателя (временной шаг, время расчета, количество шагов), определить условие сходимости, а также описать взаимодействие электромагнитной и тепловой задач.
По результатам электромагнитного анализа в локализаторе рассчитываются внутренние источники тепла, которые являются исходными данными для последующего теплового расчета. Температурное поле, полученное после теплового расчета, используется в качестве исходных данных для корректировки температу-розависимых свойств для электромагнитного анализа и повторного расчета.
Поскольку температурная постоянная нагревателя на несколько порядков больше, чем электромагнитная, электромагнитная задача решалась отдельно от тепловой в каждом из интервалов постоянства свойств.
Полученные в результате расчета данные анализировались в постпроцессоре ANSYS, который позволяет отслеживать результаты на каждом выбранном шаге, а также отслеживать историю расчета в заданных точках на протяжении всех шагов. Постпроцессор позволяет выводить результаты в следующих форматах: полевая диаграмма с изолиниями, график, таблица или текстовый файл.
При индукционном нагреве в тонком поверхностном слое локализатора выделяется около 90% всей тепловой энергии. Как показывают исследования [53], размер сетки существенно влияет на результаты расчета. Например, при использовании крупной сетки в поверхностном слое результаты могут быть завышены на 20–40% по сравнению с действительными значениями. Уменьшение размеров конечных элементов существенно сказывается на времени расчета и требует высокопроизводительных компьютеров [53].
Учитывая большие габариты нагревателя, необходимо провести исследование влияния размеров конечных элементов на точность расчета и подобрать соответствующий тип и размер сетки. Следует отметить, что ввиду изначальной неясности взаимного влияния параметров, в каждом исследовании менялся только один из них, а всем остальным присваивалось некоторое фиксированное значение. Тем самым проверялось влияние конкретного параметра, при прочих равных. Сравнение результатов проводилось в относительных единицах. В качестве допущения, исследования проводились на регулярной части индуктора, включающей 20 витков (рис. 2.5), что позволило сократить время на подготовку расчетной
Исследование влияния размеров индуктора
Ввиду изначальной неясности влияния каждого из параметров, при исследовании менялся только один из них, а все остальные оставались фиксированными. Тем самым проверялось влияние каждого конкретного параметра при прочих равных. Для исследования использовалась математические модели, разработанные автором и представленные в Главе 2. Для создании геометрической модели нагревателя для электромагнитной и тепловой задач использовалась подпрограмма MultilayerСoil.
При решении газодинамической задачи естественной конвекции геометрические размеры оставались постоянными, а менялась только температура локали-затора, давление и температура окружающего воздуха. При решении задачи вынужденной конвекции менялся расход и температура охлаждающего воздуха. Основными энергетическими показателями нагревателя являются электрический КПД эл и коэффициент мощности cos , по которым можно оценить его энергоэффективность.
Электрический КПД показывает какая часть потребляемой мощности идет на нагрев локализатора и вычисляется следующим образом: где: Рлок – полезная мощность, выделяющаяся в локализаторе за счет индукционного нагрева; Ржил, Робол – потери энергии в жиле и оболочке провода. Коэффициент мощности cos , показывает какую долю полной мощности S составляет активная мощность Р и вычисляется следующим образом:
Для расчета данных величин решалась электромагнитная задача. Результаты расчетов нагревателя со 160 витками из квадратного провода с сечением жилы 36 мм2 (рис.1.10), изготовленного ОАО «Кирскабель», приведены в табл. 3.2.
Из приведенных данных видно, что потери в жиле и оболочке индуктора в сумме составляют более половины потребляемой мощности. Таким образом, нагреватель можно характеризовать условным КПД 42%, который учитывает передачу энергии в локализатор только за счет электромагнитного поля. Однако, нагрев локализатора частично обеспечивается за счет энергии, выделяющейся в оболочке и жиле провода. За счет потерь энергии в оболочке нагреватель обладает высоким естественным cos , что снижает затраты на устройства для компенсации реактивной мощности. В п. 3.3.3 проведено исследование и даны рекомендации по повышению КПД за счет изменения конструкции провода.
На рис. 3.2 представлены поля мощности тепловыделения, напряженности магнитного поля, плотности тока и индукции в нагревателе, из которых видно, что наибольшая мощность тепловыделения наблюдается в поверхностном слое локализатора. Кроме этого, часть мощности идет на нагрев оболочки провода.
Для оценки распределения потерь в многослойном индукторе с использованием подпрограммы MultilayerCoil, получены графики распределения сопротивления, потерь, напряженности магнитного поля и потерь по слоям и длине индуктора (рис. 3.3).
Результаты расчета показали, что сопротивление витков в обмотке существенно зависит от расположения витков по длине индуктора. Как видно из рис. 3.3, сопротивление крайних витков индуктора значительно ниже сопротивления средних витков. Также расчеты показали, что с наибольшее сопротивление имеет внутренний слой индуктора (рис. 3.3, 1-й слой). Наибольшая мощность тепловыделения наблюдается в оболочке провода на двух внутренних слоях. Видно, что мощность тепловыделения в оболочке в 100 раз превышает мощность в жиле. Наибольшее тепловыделение наблюдается в центральной части индуктор, где за счет наложения полей соседних витков возникает наибольшая плотность тока. 3.3.1. Исследование влияния тока и частоты
Проведено исследование влияния тока и частоты индуктора на его энергетические характеристики (рис. 3.4). Установлено, что на средних частотах существенно возрастают потери в оболочке провода, что ведет к снижению эл практически до нуля. Кроме этого, при увеличении частоты уменьшается глубина проникновения электромагнитной волны, что приводит к перегреву тонкого поверхностного слоя локализатора и увеличению время его нагрева. Выбран вариант питания от промышленной частоты 50 Гц, обеспечивающий приемлемые энергетические характеристики эл = 0,42, cos = 0,74, и не требующий дорогих и сложных в эксплуатации преобразователей частоты.
Снижение КПД нагревателя при увеличении частоты объясняется тем, что увеличиваются потери в оболочке провода из нержавеющей стали, а cos увеличивается, за счет того, что вся энергия идет на нагрев оболочки.
Исходя из того, что нагреватель работает в двух режимах (пусковой нагрев и режим уничтожения), нагрев локализатора при пуске должен осуществляться на номинальных значениях тока и мощности, а для поддержания температуры и компенсации тепловых потерь при уничтожении боеприпасов ток и мощность должны снижаться.
Для оценки необходимых параметров питающей сети в режимах нагрева и уничтожения проведено моделирование электромагнитной и нестационарной теп 79 ловой задачи в два этапа. На первом этапе подбирался ток, обеспечивающий нагрев локализатора за 4–5 ч. Затем, при достижении требуемой температуры 450С и времени нагрева решение останавливалось. На втором расчетном этапе ток снижался до тех пор, пока температура локализатора не стабилизировалась во времени. Из-за длительного времени решения связанной электротепловой задачи, при моделировании были приняты допущения, что ток меняется скачкообразно при переходе от первого этапа ко второму, тепловые и электрофизические свойства не зависят от температуры, а также не учитывается теплообмен при уничтожении боеприпасов (исследование тепловых режимов локализатора при уничтожении боеприпасов проведено в Главе 4).
Исследование пускового режима нагрева
Как показали тепловые расчеты, проведенные в Главе 3, тепловые потери с поверхности локализатора за счет естественной конвекции не обеспечивают стабилизацию температуры в режиме уничтожения боеприпасов.
В Главе 1 определено, что для уничтожения боеприпасов с заданной производительностью, температура внутри локализатора должна составлять Тлок = 450 ± 20С. Повышение температуры локализатора выше 500С недопустимо по следующим причинам: снижения прочностных свойств материала, что ведет к быстрому разрушению локализатора при многократных подрывах; снижения магнитных свойств локализатора, что негативно сказывается на эффективности его нагрева; уменьшению времени уничтожения и возможности взрыва боеприпаса раньше, чем закроются шиберные устройства камеры уничтожения.
Кроме этого, при взрыве боеприпаса часть тепловой энергии поглощается локализатором, что ведет к его дополнительному нагреву изнутри.
В Главе 3 установлено, что из-за больших потерь в оболочке провода происходит его сильный нагрев. Несмотря на то, что допустимая температура эксплуатации провода составляет 400С, для надежной и длительной его работы перегрев выше 350С нежелателен. При слабом охлаждении или неисправности системы подачи воздуха возможен перегрев индуктора, что приведет к выходу его из строя [77].
В связи с этим возникает задача синтеза системы регулирования температуры локализатора для обеспечения стабильности уничтожения боеприпасов и предотвращения перегрева индуктора. Для этих целей предложена замкнутая система автоматического регулирования, в которой управляющее воздействие формируется по результатам контроля температуры локализатора и индуктора.
В установившемся режиме уничтожения изменение характеристик локали-затора, таких как, теплоемкость, теплопроводность, коэффициент теплоотдачи, практически не происходит, вследствие чего их можно считать постоянными. В этом случае требуемые параметры процесса могут быть обеспечены системой стабилизации с обратной связью по температуре.
В результате создания системы регулирования решены следующие задачи: – исследованы параметры пускового нагрева локализатора в зависимости от параметров питания индуктора и условий охлаждения, определено оптимальное время нагрева до рабочей температуры; – оценено влияние энергии взрыва на дополнительный нагрев локализатора в процессе уничтожения боеприпасов.
Данная схема включает блок регулирования температуры индуктора, предназначенный для отключения питания индуктора при его перегреве, и блок регулирования температуры локализатора, поддерживающий по пропорциональному закону температуру локализатора на заданном уровне.
Анализ и синтез предлагаемой системы регулирования проводился методами структурного моделирования с использованием пакета прикладных программ MatLAB/Simulink [78], в котором все элементы системы задаются в виде передаточных функций. При разработке структурной модели приняты следующие допущения: – ток и напряжение изменяются по синусоидальному закону; – материалы имеют постоянные теплофизические свойства; 107
Функциональная схема системы регулирования температуры – не учитывается перепад температуры по длине локализатора и индуктора. Система строится для максимальной температуры локализатора и индуктора, которая возникает в средней их части. – не учитывается вклад высших гармоник в нагрев оболочки провода индуктора; – все элементы имеют линейные характеристики, тиристорные элементы – идеальны, т.е. прямое падение напряжения на ключах в интервалах проводимости, время их включения и обратный ток равны нулю. –индуктор и локализатор представлены в виде объекта с сосредоточенными параметрами, т.е. распределение температуры по объему индуктора и локализато-ра не учитывается; – локализатор в тепловом отношении упрощенно представлен в виде двухслойного тела, для которого при моделировании рассчитываются только температуры наружной и внутренней поверхностей; – условия конвективного и радиационного теплообмена считаются постоянными при нагреве; – тепловые потери от локализатора при загрузке боеприпаса и при выгрузке осколков приняты постоянными и равными среднему значению тепловых потерь за время загрузки и выгрузки; – задержка времени на передачу сигналов в каналах связи не учитывается; – тепло, расходуемое на нагрев боеприпаса, и тепло, поглощаемое локализа-тором при взрыве, задавалось в виде импульсов соответствующей амплитуды и продолжительности.
Структурная схема системы регулирования (рис. 4.2) включает два канала с релейным элементом РЭ и регулятором мощности РМ, при этом каждый канал имеет собственные задатчики З1 и З2, датчики температуры ДТ1 и ДТ2 и сумматоры.
Блок регулирования температуры индуктора выполнен на базе релейного двухпозиционного элемента (РЭ), в котором выходная величина (напряжение) изменяется скачком в момент времени, когда входная величина (температура индуктора) достигает заданного значения. Настроечными параметрами данного регулятора являются параметр S, определяющий ширину петли гистерезиса статической характеристики и максимальное значение Umax выходной величины релейного элемента.
Блок регулирования температуры выполнен на базе пропорционального регулятора, в котором в каждый момент времени выходная величина (напряжение) пропорциональна входной величине (температура локализатора). Основным настроечным параметром данного регулятора является коэффициент усиления. Использование интегральной или дифференциальной составляющих в системе регулирования нецелесообразно, так как нет жестких требований по быстродействию и точности поддержания температуры.
Система функционирует следующим образом: питание индуктора осуществляется от трансформатора через двухканальный регулятор, имеющий релейный элемент (РЭ) и П–регулятор (РМ). Система имеет два датчика ДТ1 и ДТ2, измеряющих температуру индуктора и локализатора.