Исследование электронагрева коаксиальных цилиндров в индукционных установках трансформаторного типа

Индукционные низкотемпературные нагреватели жидкостей и газов с использованием ферромагнитных свойств одиночных полых цилиндров, нагреваемых с наружной стороны, были созданы как у нас в стране, так и за рубежом в середине 70-х годов. Эффективность таких систем нагрева на рассматриваемый период развития техники оказалась достаточно высокой, так как удалось использовать для питания установок токи промышленной частоты и обеспечить удовлетворительные технико-эксплуатационные показатели. Это привело к широкому распространению индукционных установок прежде всего в химической промышленности для создания низкотемпературных реакторов различного назначения. Эта научная проблема была впервые поставлена и решена А. Б. Кувалдиным. Однако сложность процессов преобразования электрической энергии в тепловую в ферромагнитных цилиндрах позволила использовать известную аналитическую теорию только для расчета нагрева одиночного ферромагнитного цилиндра, а создание промышленного оборудования проводилось на основе целевых результатов, получаемых методом планируемых экспериментов для заранее заданного диапазона параметров системы нагрева. В этот же период развития низкотемпературных индукционных систем нагрева ферромагнитных загрузок были развиты численные методы расчетов с формализацией кривых намагничивания. Эти работы показали перспективность и актуальность развития индукционного низкотемпературного направления электротехнологий для нагрева жидкостей и газов.

В конце 80-х и 90-х годах группой исследователей под руководством А. И. Елшина был разработан новый тип нагревателей жидкостей и газов на основе индукционных систем трансформаторного типа, включающих вторичную обмотку из коаксиальных соосных электропроводящих цилиндров, охватывающих магнитопровод и индуктор с внешней стороны. С использованием немагнитных цилиндров конструктивно формировалось рабочее пространство в виде тороидальных объемов. Высокие эксплуатационные параметры таких систем нагрева (КПД «100%, Coscp «1,0, электробезопасность, пожаробезопасность, возможность использования неферромагнитных материалов и нагрева воды в областях с высокой индукцией магнитных полей) потребовали проведения расчетно-теоретического анализа новых электромагнитных устройств в широком диапазоне конструктивных решений и оптимизации этих решений. Существующая теория индукционного нагрева не позволяла аналитическими методами провести анализ многоэлементных электромагнитно связанных слоистых индукционных систем, нагрузка которых формируется коаксиальными цилиндрами с воздушными зазорами, через которые циркулируют жидкости или газы. В то же время аналитические методы остаются более предпочтительными для инженерной практики. Важным преимуществом новых нагревательных систем является возможность существенного повышения площади нагреваемых цилиндров за счет увеличения их количества. Это позволяет при уменьшении удельной поверхностной мощности нагрева цилиндров (следовательно, и рабочей температуры цилиндров) обеспечивать увеличение единичной мощности установки до 1000 кВт и выше с одновременной интенсификацией нагрева и увеличением производительности по нагреву жидкостей и газов.

Поэтому расчетно-аналитические и экспериментальные исследования нового электротехнологического объекта оказались достаточно актуальными и обоснованными потребностью использования в промышленности, сельском хозяйстве, бытовых целях (нагрев воды и воздуха для отопления помещений при существенном снижении образования накипи на греющих поверхностях, нагрева воды для нужд сельского хозяйства, опреснение воды и т. д.).

Диссертация выполнялась в рамках хоздоговорной НИР с ОАО «Павлодарлифт» в 1999;2000 гг. «Разработка электротехнологических устройств для низкотемпературного нагрева» и договора о научно-техническом сотрудничестве между Павлодарским государственным университетом (Республика Казахстан) и Новосибирским государственным техническим университетом (Россия).

Целью работы являются расчетно-теоретические исследования индукционных систем преобразования электрической энергии в тепловую в коаксиальных (соосных) цилиндрах, образующих вторичную нагрузку в индукционных устройствах трансформаторного типа, разработка аналитических расчетов инженерного уровня, выявление взаимосвязей и энергораспределений в системе цилиндров, имеющих различные электрофизические свойства, и расчет температурных полей цилиндров, выполняющих функции нагревателей жидкостей и газов.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Анализ современного состояния теории индукционного нагрева электропроводящих тел, имеющих геометрические размеры по координате распространения электромагнитной волны, много меньшие глубины проникновения (S < Лэ) постановка задачи исследования системы коаксиальных цилиндров с такими размерами путем исследования электромагнитных процессов в одиночных цилиндрах по известной теории Л. Р. Неймана.

2. На основании научно обоснованной постановки задачи для одиночных цилиндров проведение расчетно-теоретических исследований электромагнитных процессов в системе соосных (коаксиальных) цилиндров, образующих многослойную многоэлементную систему нагрева, на основе решений для каждого слоя уравнений Гельмгольца с последующим построением каскадной эквивалентной схемы замещения слоистой системы на основе Т-образной схемы замещения каждого слоя (металл, диэлектрик).

3. Исследование энергораспределения в системе коаксиальных (соосных) цилиндров при их выполнении из одинаковых и различных материалов (сталь, медь, алюминий, сплавы цветных металлов) при изменении геометрических размеров (высоты цилиндров, расстояний между цилиндрами) и количества цилиндров от 2-х до 10-ти. Разработка принципов оптимизации конструкции индукционных нагревателей с учетом зависимости удельных электрических сопротивлений цилиндров от температуры нагрева.

4. Физико-математическое моделирование и идентификация математической модели целевыми экспериментами температурных полей крайних и внутренних цилиндров системы нагрева с учетом соотношений их толщины и глубины проникновения при двухстороннем симметричном и несимметричном охлаждении каждого цилиндра. Оптимизация конструктивных решений по условиям самоустановления температурных характеристик в локальных областях системы нагрева.

5. Обобщение результатов расчетов электромагнитных и тепловых характеристик нагревательных устройств различного назначения и производительностиразработка инженерных рекомендаций для конструирования промышленных систем нагрева.

Основные результаты диссертационной работы получены с использованием аналитических методов расчетов соосных систем цилиндров, находящихся в электромагнитной связи с индуктором и магнито-проводом и охлаждаемых потоками жидкости или газаэкспериментальные исследования использовались для идентификации математических моделей и аналитических методов расчета нагревательной системы. Достоверность методов и результатов исследований проверялись путем сравнения с фактическими параметрами промышленных нагревателей.

Научная значимость и новизна результатов работы состоит в том, что исследован комплекс научных и прикладных задач по новому направлению развития индукционных установок для низкотемпературного нагрева жидкостей и газов, обеспечивающий создание более совершенных электротехнологических устройств. При этом впервые разработан аналитический метод расчетов многослойной системы соосных (коаксиальных) цилиндров, находящихся в электромагнитной связи с индуктором и магнитопроводом. Показано, что увеличение производительности промышленных установок возможно путем расположения дополнительных коаксиальных цилиндров для увеличения поверхности теплообмена с нагреваемыми жидкостями или газами при одновременном снижении удельной поверхностной мощности дифференцированно для конкретных цилиндров, входящих в систему нагрева, за счет их изготовления из материалов с различными удельными электрическими сопротивлениями при одновременном увеличении единичной мощности индукционного нагревателя.

Разработаны и экспериментально обоснованы электрои теплофи-зические модели слоистых электропроводных систем, выполняющих функции вторичной обмотки трансформаторных индукционных устройств, позволяющие оптимизировать конструктивное исполнение таких нагревателей. Установлено, что при выполнении цилиндров из различных материалов (сталь, цветные металлы) максимальная энергия выделяется в цилиндрах, изготовленных из материалов с меньшим удельным электрическим сопротивлением (медь, алюминий, сплавы цветных металлов), а при снижении эквивалентного сопротивления вторичной цепи, но при постоянстве напряжения на индукторе и выделяющейся мощности в цилиндрах, общее число ампервитков индуктора увеличивается, снижается вторичное напряжение на цилиндрах и, следовательно, уменьшается магнитный поток (0o=Ui/(4,44-wf)), требуемое сечение магнитопровода, его масса, потери в магнитопроводе и его реактивная мощность.

Показано, что соотношение сечений цилиндров, магнитная проницаемость, удельное электрическое сопротивление материала цилиндров и расстояние между ними являются оптимизационными параметрами, определяющими материалоемкость, стоимость устройства и его эксплуатационные показатели (Coscp, г/э). Снижение эквивалентного электрического сопротивления вторичной цепи достигается установкой параллельно первому каждого последующего коаксиального цилиндра. Отношение высоты к периметру цилиндра является также оптимизационным параметром и определяет удельную поверхностную мощность и интегральную мощность индукционного нагревателя.

Установлено, что связь электрического расчета устройства с теплотехническим должна осуществляться заданием значения допускаемой удельной поверхностной мощности на поверхностях нагрева, которая изменяется путем установления дополнительного коаксиального цилиндра, выполнения цилиндров с продольными или радиальными ребрами или дифференцированным изменением толщины цилиндров. Использование указанного перечня оптимизационных параметров позволяет реализовать распределение выделяющейся мощности в различных цилиндрах, необходимое для обеспечения высоких эксплуатационных показателей индукционного нагревателя 100%, Cos (p^ 1,0).

Практическая ценность работы определяется решением электротепловой задачи для нагрева цилиндров с внутренними источниками теплоты с несимметричным и симметричным теплообменом с внутренней и внешней поверхностей каждого цилиндра с учетом градиента температуры. При этом показано, что наиболее перспективными системами нагрева являются устройства, выполненные по следующей схеме: внутренний и наружный цилиндры из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением, а промежуточные цилиндры с низким удельным электрическим сопротивлением. Это приводит к существенному снижению температуры цилиндров, обеспечивающих габариты нагревательной камеры.

Разработанный метод расчета температуры цилиндров теплообменников индукционных систем трансформаторного типа позволяет получить температурные характеристики системы нагрева и сформулировать технические требования для выбора необходимого класса электрической изоляции индуктора, оценить энергетическую эффективность нагрева теплоносителя, а также получить исходные характеристики для решения вопроса о необходимости установки внешнего ограждения при повышении температуры наружного габаритобразующего цилиндра над допустимыми температурами.

Разработанный инженерный метод расчета эквивалентного электрического сопротивления системы соосных цилиндров с произвольным их количеством является основой для определения геометрических и энергетических параметров индуктора известными методами.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты постановки задачи физико-математического моделирования электромагнитных процессов в системах коаксиальных осе-симметричных цилиндров с использованием фундаментальных положений электродинамики и теории индукционного нагреваобоснование возможности и корректности использования известных теоретических положений для исследования процессов в новой технической индукционной системе.

2. Научно обоснованные исходные положения для создания инженерного метода расчета слоистых систем преобразования электрической энергии в тепловую на основе решений уравнения Гельмгольца для каждого слоя (проводник, диэлектрик — воздушный зазор) с последующим построением каскадной схемы замещения, основанной на формализации каждого слоя системы коаксиальных цилиндров с помощью Т-образной локальной схемы замещения пассивного четырехполюсника.

3. Результаты исследования энергораспределения в коаксиальных цилиндрах, находящихся в электромагнитной связи, при выполнении цилиндров из ферромагнитных и немагнитных материалов (включая стали, медь, алюминий, сплавы цветных металлов) — анализ энергораспределений в цилиндрах при изменении их диаметров, количества и толщин.

4. Результаты исследований температурных полей в коаксиальных цилиндрах индукционной системы с внутренними источниками теплоты при ярко выраженном поверхностном эффекте и в условиях, когда толщина цилиндра много меньше глубины проникновениярезультаты решения задачи расчета тепловых полей на основе энергобаланса: выделяющаяся мощность в цилиндре — теплообмен с нагреваемой жидкостью или газом.

5. Инженерные методы расчетов новых нагревательных систем, образованных соосными проводящими цилиндрами.

Результаты исследований распределения температурного и электромагнитных полей в многослойной нагревательной системе с коаксиальными цилиндрами использованы ТОО «ТЭЦ-2» (г. Павлодар, Республика Казахстан) при разработке водонагревательных устройств емкостью 300 литров для создания систем отопления административно-бытовых корпусовОАО «Павлодарлифт» совместно с ПГУ разработаны и используются новые аккумуляционные водонагревательные устройства с емкостью резервуаров 300 и 400 литров для производственных (нагрев водоэмульсионных смесей, трансформаторного масла, битумных компонентов и др.) и бытовых целей, при создании которых использовались результаты исследований и инженерные методы расчетов слоистых систем нагрева, предложенные автором.

Результаты исследований, изложенные в диссертационной работе, используются кафедрой «Автоматизация технологических процессов и электропривод» (ПГУ, г. Павлодар, Республика Казахстан) при обучении студентов инженерных специальностей «Автоматизированный электропривод технологических комплексов», «Электроснабжение и электрификация», «Автоматизация технологических процессов».

Вклад автора в проведенные исследования состоит в единоличном обосновании общей концепции работы, в формулировании постановки целей и задач исследований, участии в разработке теоретических положений и анализе результатов, в самостоятельной постановке теплотехнической задачи, ее решении, проведении экспериментов, выполнении анализа полученных результатов и формировании выводов работы.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «КазНТУ — образованию, науке и производству Республики Казахстан» (г. Алматы, Республика Казахстан, 1999), республиканской научно-практической конференции «Наука и образование в стратегии регионального развития (г. Павлодар, Республика Казахстан, 1999), республиканской научно-практической конференции «Интеграция науки, образования и производства в современных условиях» (г. Усть-Каменогорск, Республика Казахстан, 2000), 4-й международной конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» (г. Клязьма, Россия, 2000), а также на ряде научно-технических совещаний и семинаров.

Основное содержание диссертации опубликовано в 10 печатных работах.

5.5. Выводы.

Разработанный метод расчета температуры цилиндров теплообменников индукционных систем трансформаторного типа позволяет получить температурные характеристики системы нагрева и сформулировать технические требования для выбора необходимого класса электрической изоляции индуктора (первичной обмотки нагревателя трансформаторного типа), оценить энергетическую эффективность нагрева теплоносителя за счет определения тепловых потерь в окружающую среду, а также получить исходные характеристики для решения вопроса о необходимости установки внешнего ограждения при превышении температуры внешнего габаритообразующего цилиндра над допускаемыми температурами.

Введение

в индукционную систему нагрева коаксиальных цилиндров позволяет обеспечить высокий электрический КПД и коэффициент мощности для любой системы нагрева с выполнением цилиндров из магнитных или немагнитных материалов. Этим и объясняется большой интерес к устройствам индукционного нагрева с ферромагнитными сердечниками с произвольным количеством коаксиальных цилиндров.

Рис. 5.11. Зависимость температуры внутреннего (1) и наружного (2) цилиндров от температуры нагрева воды на выходе из нагревателя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1.Ha основе анализа развития и современного состояния промышленных индукционных установок для нагрева жидкостей и газов показано, что использование системы коаксиальных короткозамкнутых цилиндров для преобразования электрической энергии в тепловую обеспечивает решение важнейшей технической задачи — создание конкурентоспособных промышленных нагревательных систем большой производительности при оптимальных значениях удельной поверхностной мощности на нагреваемых поверхностях.

2. Разработан научно обоснованный метод расчета электронагрева коаксиальных цилиндров в индукционных установках трансформаторного типа на основе решений уравнений Гельмгольца для каждого слоя системы коаксиальных цилиндров с последующим построением каскадной схемы замещения всей индукционной системы, основанной на формализации каждого слоя системы с помощью Т-образной локальной схемы замещения пассивного четырехполюсника.

3. Показано, что требуемые с технической точки зрения энергетические соотношения в новой системе индукционного нагрева трансформаторного типа, включающие снижение удельной поверхностной мощности нагрева и оптимальные значения интегральных электрических сопротивлений каждого цилиндра, обеспечиваются при выполнении следующего условия: радиальный размер цилиндров должен быть меньше глубины проникновения электромагнитного поля в материал цилиндра (а<�Аэ). При этих условиях плотность токов, протекающих в цилиндрах и значение индукции по толщине цилиндров, не зависят от радиальной координаты и могут учитываться как постоянные величины.

4. Теоретически и экспериментально доказано, что при выполнении требования (а<�Аэ), полученного при исследовании и оптимизации электромагнитных процессов в цилиндрах, одновременно обеспечивает также минимальное значение рабочей температуры поверхностей цилиндров, определяющих внешние конструктивные размеры всей группы коаксиальных цилиндров. Минимизация этих температур обеспечивает снижение тепловых потерь индукционной установки в целом и уменьшает нагрев индуктора за счет теплообмена с внутренним цилиндром группы коаксиальных цилиндров. Это увеличивает срок службы электрической изоляции индуктора за счет снижения температуры ее эксплуатации.

5. Установлено, что при изготовлении коаксиальных цилиндров из материалов с различными электропроводностями максимальное энерговыделение обеспечивается в цилиндрах, выполненных из материалов с большей электропроводностью (медь, алюминий, сплавы цветных металлов) по сравнению с ферромагнитными и немагнитными сталями.

6. Решение электротепловой задачи для нагрева цилиндров с внутренними источниками тепла с несимметричным теплообменом с внутренней и внешней стороны каждого конкретного цилиндра показало, что наиболее перспективными системами нагрева являются коаксиальные цилиндры, выполненные по следующей схеме: внутренний и наружный цилиндры из материалов с высоким удельным электрическим сопротивлением, а промежуточные цилиндры — с низким удельным электрическим сопротивлением. В такой системе нагрева наблюдается существенное изменение энерговыделения в цилиндрах: в промежуточном цилиндре выделяется до 80% вводимой мощности, а во внутреннем и внешнем (крайних цилиндрах), выполненных, например, из немагнитных сталей — не более 20%. Это приводит к существенному снижению температуры внутреннего цилиндра, находящегося в непосредственной близости к по.

125 верхности индуктора и к электрической изоляции индуктора. Установленный эффект перераспределения энергии в системе коаксиальных цилиндров обеспечивает возможность создания более эффективных промышленных систем нагрева.

7. Комплекс результатов исследования электронагрева коаксиальных цилиндров в индукционных установках трансформаторного типа включает научно обоснованные новые инженерные методы электрического и теплового расчетов исследованных систем, обеспечивающих решение важных прикладных задач нагрева жидкостей и газов.