Исследование и разработка трубчатого индукционного нагревателя жидкости

Диссертация посвящена разработке и исследованию конструкции и режимов работы трубчатых индукционных нагревателей в установках технологического нагрева жидкости.

Актуальность проблемы: Практически во всех отраслях промышленности находят широкое применение индукционные системы для преобразования электромагнитной энергии в тепловую. Опыт применения индукционных установок для технологического нагрева жидких сред (подогрев топлива в котельных, подготовка нефти и вязких нефтепродуктов перед транспортировкой, нагрев трубопроводов, реакторов, автоклавов в пищевой и химической промышленности, нефтепереработка и т. д.) показывает, что они являются перспективными по ряду важнейших признаков. По сравнению с другими видами нагрева индукционный нагрев обладает рядом преимуществ, которые заключаются в компактности, экономичности, избирательности и высокой интенсивности нагрева. Они надежны и безопасны и позволяют легко осуществить автоматическое управление процессом нагрева. Компактность индукционных нагревателей позволяет размещать их непосредственно там, где требуется нагрев, тем самым исключая потери тепла при его транспортировке.

В то же время разнообразие форм индукционных нагревателей, которые могут быть использованы для технической реализации одной и той же задачи, приводит к необходимости решения ряда специфических проблем. Выбор конструктивного исполнения диктуется требованиями, предъявляемыми к нагревателю конкретным технологическим процессом, условиями работы, уровнем рабочих температур, производительностью и т. д.

Исследуемый в данной работе индукционный нагреватель отличается от известных тем, что он представляет собой конструкцию, состоящую из системы труб, расположенных во внутренней полости цилиндрического индуктора. В литературе известны методы расчета интегральных электрических параметров индукционных систем, состоящих из цилиндрического индуктора и расположенного во внутренней полости индуктора пучка труб или кусковой шихты. Однако, известные модели и методы расчета таких систем не учитывают особенности взаимосвязанных электромагнитных и тепловых процессов в системе «индуктор — пучок трубжидкость».

Так как косвенный индукционный нагрев вязких неэлектропроводных жидкостей имеет более сложную структуру теплообмена, чем нагрев металла или кусковой шихты, возникает необходимость в более глубоком изучении процессов нестационарного тепломассопереноса в системе «индуктор-металл-жидкость» и установлении характера внутренних связей между отдельными звеньями системы. В этих условиях возникает ряд задач математического моделирования, позволяющих повысить точность расчетов электротепловых полей в физически неоднородной среде с относительным движением жидкости и тепловыделяющей трубы. В связи с этим разработка математических моделей, максимально учитывающих особенности взаимосвязанных электромагнитных, тепловых и гидравлических процессов в сложной системе тел с движущейся жидкостью, и рекомендаций по улучшению технико-экономических и эксплуатационных показателей нагревательных комплексов в целом имеет важное значение и является актуальной.

Работа выполнялась в рамках госбюджетных НИР «Разработка научных основ и методологии проектирования нетрадиционных технологий индукционного нагрева» (гос. регистрационный № 1 200 208 264) и «Разработка теоретических основ системного анализа и методов нетрадиционной реализации взаимосвязанных процессов энергообмена в электромагнитных и температурных полях» (гос. регистрационный № 1 200 602 849) по заданию Министерства образования РФ.

Объект исследованияиндукционный трубчатый нагреватель жидкости.

Цель работы. Основная цель диссертационной работы состоит в решении научно-технической задачи по разработке и исследованию новой конструкции индукционной системы для непрерывного нагрева потока жидкости на основе выявленных закономерностей электротермических процессов и разработка инженерной методики расчета параметров и режимов работы. В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:

Анализ существующих методов моделирования взаимосвязанных электромагнитных, тепловых и гидравлических процессов в составной структуре тел «индуктор-система труб-жидкость»;

— Разработка математических моделей взаимосвязанных электромагнитных, гидравлических и тепловых полей в трубчатом нагревателе жидкости;

— Разработка на основе предложенных математических моделей вычислительных алгоритмов, специального математического и программного обеспечения для реализации метода расчета электромагнитных, гидравлических и тепловых полей в системе труб с нагреваемой жидкостью;

— Проведение с помощью предложенных в работе моделей и разработанных вычислительных алгоритмов исследований электромагнитных, тепловых и гидравлических полей;

— Разработка методики расчета и рекомендаций по выбору конструктивных и режимных параметров, обеспечивающих при заданных характеристиках нагрева снижение массогабаритных показателей технологического комплекса в целом.

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

Методы исследования. Для решения поставленной задачи использовались методы математического анализа, теории теплопроводности, теории электромагнитного поля, численные методы решения полевых задач, методы компьютерного моделирования. Научная новизна.

В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

— численная математическая модель взаимосвязанных электромагнитных, тепловых и гидравлических процессов при непрерывном нагреве жидкости в трубчатом нагревателе, охваченном внешним цилиндрическим индуктором;

— методика последовательного расчета задач теплопроводности и гидравлики с обменом информацией в виде аппроксимирующих выражений для распределений температуры и скорости.

— методика расчета нелинейной взаимосвязанной термогидравлической задачи в системе труб с внутренними источниками тепла при непрерывном движении жидкости;

— методика расчета интегральных параметров трубчатого индукционного нагревателя потока жидкости.

Полученные в работе результаты позволяют на качественно более высоком уровне решать инженерные задачи расчета параметров индукционных установок для нагрева жидкости, выбора источника питания, синтеза алгоритмов и систем автоматического управления объектами индукционного нагрева в специализированных технологических процессах.

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

— построен и реализован на ЭВМ комплекс программ расчета взаимосвязанных электромагнитных, гидравлических и тепловых полей при непрерывном нагреве потока жидкости в системе труб с внутренними источниками тепла;

— разработаны рекомендации по проектированию индукционной системы для установок технологического нагрева неэлектропроводных жидкостей;

Результаты исследований внедрены:

— на предприятии ОАО «БАМнефтепродукт» в виде индукционной нагревательной установки для предварительной подготовки вязких нефтепродуктов к транспортировке по трубопроводам;

— в научно-исследовательской работе в виде алгоритмического и программного обеспечения при исследовании электромагнитных и тепловых полей и в учебном процессе Самарского государственного технического университета при подготовке инженеров по специальности «Электротехнологические установки и системы».

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (г. Иваново 2003) — Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск 2003) — 10-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва 2004) — Всероссийском научно-техническом семинаре «Энергосбережение в электрохозяйстве предприятия» (г. Ульяновск 2004) — Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти 2004) — 2-й Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара 2005) — региональной научно — технической конференции «Научные чтения студентов и аспирантов» (г. Тольятти 2005) — Международной научно-технической конференции. «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (г. Иваново 2005) — Третьей Всероссийской научной конференции.: Моделирование и оптимизация динамических систем и систем с распределенными параметрами. (Самара, СамГТУ, 2006), Международной научно-технической конференции Автоматизация технологических процессов и производственный контроль, (Тольятти: ТГУ, 2006), Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии». (XIII Бенардосовские чтения), Иваново, ИГЭУ, 2006).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 124 страницах машинописного текстасодержит 46 рисунков и 12 таблиц, список использованных источников, включающий 96 наименований и 2 приложений.

Выводы.

1. Рассмотрены три варианта трехмерных моделей трубчатого индукционного нагревателя. Представленные на моделях результаты расчетов для стационарной электромагнитной задачи показали следующие результаты:

1.1. Использование расчетной геометрической модели разомкнутых индукторов приводит к появлению неравномерности внутри витков индуктора, что снижает точность расчетов.

1.2. Применение кольцевых замкнутых индукторов при задании тока внутри витков обеспечивает корректное решение и сходимость для тестовых задач с результатами, полученными для двумерных моделей.

2. По результатам расчета электромагнитной задачи предложена уточненная зависимость магнитной проницаемости от напряженности поля: Полученная зависимость используется в линейной модели для корректировки значений магнитной проницаемости внутри поверхностного слоя нагреваемого изделия в зависимости от величины поверхностной мощности Р0 при расчете индукционной системы для нагрева пучка труб.

3. По результатам исследований рассчитаны параметры индукционных нагревателей для низкотемпературного и высокотемпературного нагрева нефти.

Заключение

.

1. Проведенный автором анализ показал, что известные математические модели процесса косвенного индукционного нагрева вязких неэлектропроводных жидкостей посвящены решению частных задач и не охватывают всего многообразия конструкций индукционных нагревательных систем. В частности, в литературе отсутствуют исследования процессов нестационарного тепломассопереноса при косвенном индукционном нагреве жидких сред в нагревательных установках, представляющих собой пучок труб, охваченных цилиндрическим индуктором, вследствие чего возникает необходимость в более глубоком исследовании взаимосвязанных электромагнитных, тепловых и гидравлических процессов методами физического и математического моделирования.

2. На основании анализа технологического процесса нагрева неэлектропроводных вязких жидкостей сформулирована задача идентификации и предложена численная математическая модель нестационарной теплопроводности в системе, состоящей из цилиндрического индуктора, во внутренней полости которого расположен пучок труб с потоком нагреваемой жидкости. Разработанная модель ориентирована на решение задач расчета параметров нагревателя и синтеза систем автоматического управления процессом нагрева.

3. Разработана конечно-элементная модель электромагнитного поля в системе «цилиндрический индуктор — пучок труб». Разработанная модель позволяет провести расчеты и выполнить анализ распределения мощности электромагнитных источников тепла в трубах нагревателя.

4. Разработана численная математическая модель тепломассопереноса в системе «труба-жидкость», основанная на связанном решении трех задач: электромагнитной, гидравлической и тепловой. Предложенная модель позволяет учесть все виды граничных условий в тепловой задаче и влияние неравномерного распределения скорости течения жидкости на температурное распределение.

5. Исследованы закономерности гидравлических процессов при непрерывном нагреве вязкой жидкости в цилиндрической трубе. Показано, что с увеличением температуры жидкости изменение реологических свойств жидкости приводит к существенному изменению характера течения жидкости, что, в свою очередь, влияет на температурное распределение и интенсивность нагрева.

6. Разработана методика последовательного расчета задач теплопроводности и гидравлики с обменом информацией в виде аппроксимирующих выражений для распределений температуры и скорости по радиальной координате. Предложены аналитические зависимости распределений скорости и температуры жидкости от радиальной координаты на выходе каждой секции нагревателя.

7. Разработана методика связного решения термогидравлической задачи, учитывающая нелинейную зависимость вязкости жидкости от температуры. Показано, что предлагаемая методика решения связанной термогидравлической задачи обеспечивает более высокую точность решения по сравнению с методикой последовательного решения.

8. Рассмотрена специфика расчета высокотемпературных нагревателей жидкости. Анализ показал, что для установок производительностью до 100 т/сут. наилучшим вариантом является нагреватель при ламинарном течении жидкости, а для установок производительностью свыше 100 т/сут. предпочтение следует отдать нагревателю с турбулентным течением.

9. Показано, что качественным отличием расчетной модели нагревателя с турбулентным движением жидкости является наличие двухслойного потокаламинарного у стенки трубы и турбулентного в остальном сечении. Это обстоятельство обусловливает необходимость использования в расчетной модели разных условий теплообмена на внешней границе потока постоянство температуры трубы) и на границе раздела ламинарного и турбулентного слоев жидкости. Определена зависимость толщины ламинарного слоя от числа Рейнольдса.

10. Рассмотрена методика расчета температуры жидкости в высокотемпературном нагревателе для двух вариантов: при стабилизации температуры стенки трубы и при стабилизации теплового потока. Анализ показал, что нагрев при постоянстве теплового потока обеспечивает наименьшие мас-согабаритные и стоимостные показатели нагревателей.

11.По результатам исследований рассчитаны параметры индукционных нагревателей для низкотемпературного и высокотемпературного нагрева нефти.