Моделирование, исследование и оптимальное проектирование индукционных нагревателей ленты в поперечном магнитном поле

• Автор: Галунин, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 05.09.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 124 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. Проблемы индукционного нагрева металлической ленты и
пути их решения
1.1. Особенности нагрева металлической ленты и требования предъявляемые к нагревательным установкам
1.2. Анализ основных концепций индукционного нагрева металлической ленты
1.2.1. Принцип индукционного нагрева в поперечном
магнитном поле
1.2.2. Принцип индукционного нагрева в продольном поле
1.2.3. Классификация систем нагрева в поперечном
магнитном поле
1.3. Обзор существующих методов моделирования и проектирования индукционных систем для нагрева ленты в поперечном магнитном поле
1.4. Выводы по главе
2. Методы и средства моделирования индукционного нагрева лент в поперечном магнитном поле
2.1. Оценочное моделирование и предварительное проектирование
2.2. Численные проблемно-ориентированные модели
2.2.1. Модель электромагнитного поля
2.2.2. Особенности моделирования температурных полей
2.2.3. Проблемно-ориентированная модель Н1НТЕС
2.3. Применение универсальных коммерческих пакетов
2.4. Физическое моделирование и экспериментальное исследование
2.5. Выводы по главе
3. Методы и средства оптимального проектирования
3.1. Сравнительный анализ методов оптимизации
3.1.1. Детерминистские методы оптимизации
3.1.2. Стохастические методы оптимизации
3.2. Математическая оптимизация в исследовании и разработке
систем нагрева ленты в поперечном магнитном поле
3.3. Алгоритмы и средства взаимодействия численных моделей технологического процесса с процедурами оптимального поиска
3.4. Выводы по главе
4. Методика оптимального проектирования
4.1. Структура процесса оптимального проектирования
4.2. Оптимизация интегральных параметров нагревателя
4.3. Оптимизация распределенных параметров системы
4.3.1. Критерии оптимизации
4.3.2. Выбор оптимизируемых переменных
4.3.3. Выбор методов оптимизации
4.4. Окончательный анализ и техническое решение
4.5. Распространение методики оптимального проектирования
на другие электротехнологии
4.6. Выводы по главе
5. Применение средств оптимального проектирования индукционных нагревателей ленты
5.1. Оптимизация интегральных параметров нагревателя
5.2. Применение двухконтурной процедуры оптимизации
5.3. Пример с магнитопроводом
5.4. Сравнение моделей и результатов эксперимента
5.5. Применение средств оптимального проектирования при использовании универсальных коммерческих пакетов
5.6. Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время, в России и странах Западной Европы, широко используются индукционные установки для нагрева тонких металлических лент (для последующих технологических операций). Индукционный способ нагрева отличается, прежде всего, возможностью получения высокой удельной мощности, при этом ее распределение по длине и ширине материала может соответствовать специальному температурновременному графику, заданному конкретной технологией.
Индукционный нагрев тонколистового материала можно осуществлять либо в продольном, либо в поперечном магнитном поле (ИМИ). Нагрев в продольном магнитном поле не всегда может быть использован, что связано с невозможностью эффективного нагрева материалов малой толщины, в основном из-за невозможности получения заданного распределения (профиля) температуры по ширине ленты. Наиболее часто используются системы с ИМИ, отличающиеся высоким КПД и относительно низкой рабочей частотой.
Нагрев листовых металлических изделий малой толщины в ПМП обеспечивает экономические и технологические преимущества, такие как: высокая эксплуатационная готовность и скорость нагрева, хорошие металлургические показатели структуры обработанного материала, а также высокая точность достижения необходимых свойств обрабатываемого материала. Последнее обеспечивается скоростью движения ленты и соответственным распределением удельной мощности по длине индуктирующего провода, за счет изменения зазора между индуцирующим проводом и нагреваемым участком ленты, а также конфигурацией и расположением индукторов и магнитопровода. В тоже время, широко применять индукционные установки нагрева тонких лент в ПМП проблематично в первую очередь из-за сложности обеспечения заданной равномерности нагрева при приемлемых энергетических показателях.

результат и определяет лишь скорость решения задачи. Наиболее просто задавать начальную температуру ленты постоянной Т(х,у) = Тн.
Граничные условия для уравнения (2.6) необходимо задавать для каждой из четырех границ ленты (рис. 2.3). Левая и правая границы выбираются достаточно далеко от индуктора, что не вносит существенных искажений в картину распределения токов. Учитывая это, температуру ленты на входе в нагреватель (Х=0) можно задавать равномерной и равной начальной температуре Тн, а на выходе из нагревателя (Х=Хмах) считать что сГТ . „
— = 0. На нижнеи и верхней границах ленты граничные условия определяются
теплообменом с окружающей средой. Таким образом, граничные условия для уравнения (2.6) записываются в виде:
л X II о ч II
X = X шах о II
о II 1 ЭТ <ту (2.7)
У = Ушах > 0 сґ 1 II
где Яоп, цоу - удельные мощности тепловых потерь с нижней и верхней граней ленты, соответственно.
Тепловые потери в общем случае являются сложной функцией температуры, поэтому граничные условия (2.7) имеют нелинейный характер.
Основным элементом теплового расчета является решение уравнения (2.6) с граничными условиями (2.7). Так как коэффициенты Су, X, объемная плотность источников теплоты у и граничные условия являются сложными функциями температуры, решение уравнения (2.6) возможны только