Исследование и разработка двухчастотного индукционного нагревателя

• Автор: Кожемякин, Андрей Владимирович
• Шифр специальности: 05.09.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 132 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Современное состояние и проблемы моделирования и проектирования систем индукционного нагрева металла перед деформацией

1.1 Постановка и методы моделирования процессов индукционного

нагрева металла перед обработкой давлением

1.2. Состояние вопроса проектирования энергоэффективных

индукцонных нагревателей

2. Моделирование процесса индукционного нагрева в двухчастотном нагревателе методического действия

2.1. Постановка задачи и выбор метода решения

2.2. Конечно-элементная модель электромагнитного поля

2.3. Конечно-элементная модель расчета тепловых полей
, < I < ' I , , |
3. Разработка алгоритма и методики расчета '
параметров индукционного двухчастотного нагревателя
3.1. Расчет электромагнитных и тепловых полей индукционной системы
3.2. Расчет электромагнитных источников тепла
3.3. Расчет двумерных температурных полей
4. Анализ режимных характеристик
и проектирование индукционного нагревателя минимальной длины
4.1 .Взаимное влияние электромагнитных полей секций на распределение мощности внутренних источников тепла
4.2 Зависимость энергетических характеристик нагревателя от конструктивных параметров и частоты
4.3. Проектирование индукционной системы по критерию минимума общей длины нагревателя
4.4. Реализация системы двухчастотного индукционного нагревателя
Заключение
Библиографический список
Приложение
ВВЕДЕНИЕ.
Диссертация посвящена разработке и исследованию энергоэффективной двухчастотной индукционной установки для нагрева цилиндрических ферромагнитных заготовок перед последующими операциями обработки на деформирующем оборудовании.
Актуальность проблемы
Для предварительного нагрева ферромагнитных заготовок при обработке на деформирующем оборудовании наряду с газовыми печами и электрическими печами сопротивления используются индукционные нагревательные установки.
Высокий уровень единичной мощности индукционных нагревательных установок, компактность нагревателей, постоянная готовность к работе, гибкость при переналадке, экологическая чистота - все это обеспечивает преимущество индукционных нагревателей перед установками поверхностного нагре-ва. Кроме того,! они надежны, имеют длительный срок службы, обеспечивают 1 высокую интенсивность нагрева и позволяют легко осуществить автоматическое управление процессом нагрева. „
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, производительностью, уровнем рабочих температур, условиями электромагнитной совместимости с системой электроснабжения, и рядом других факторов.
Для нагрева ферромагнитных цилиндрических заготовок в технологических линиях горячей обработки на деформирующем оборудовании применяются высокопроизводительные индукционные нагревательные установки периодического или методического действия, в которых заготовки перемещаются дискретно. При этом частота источника питания, как правило, выбирается исходя из параметров горячего режима, т.е. когда металл теряет магнитные свойства. При нагреве ферромагнитных заготовок диаметром 120-К240мм нагрев на по-
вышенной частоте до температур, соответствующих потере магнитных свойств, носит поверхностный характер в силу малой глубины проникновения тока по сравнению с диаметром заготовки. Это приводит к увеличению времени нагрева. В этой связи сквозной нагрев ферромагнитных заготовок в указанном диапазоне диаметров для высокопроизводительных процессов обработки металла на деформирующем оборудовании целесообразно производить на двух частотах -до температуры, соответствующей точке Кюри, на частоте 50 Гц, а дальнейший нагрев до температур пластической деформации производить на повышенной частоте. Повышенная частота рассчитывается по известным из литературных источников соотношениям для сквозного нагрева металла, причём, исходные параметры для определения повышенной частоты принимаются для температурного диапазона, превышающего температуру магнитных превращений.
Исследуемый в работе объект включает в себя две автономные секции,
> I г 'г , ' 1 I л ' 'Л
подключенные к независимым источникам питания. В каждой секции находится одновременно несколько заготовок, перемещающихся дискретно. Нагрев в первой секции нагревателя осуществляют на промышленной частоте 50 Гц до -момента, когда находящаяся на выходе заготовка нагреется до температуры, соответствующей потере магнитных свойств. Вторая секция, в которой заготовки нагреваются до температуры пластической деформации, подключена к источнику повышенной частоты.
Постоянно ужесточающиеся требования к качеству нагрева накладывают на индукционные нагревательные установки определенные требования. Необходимым условием для создания энергоэффективной индукционной нагревательной установки является наличие математических моделей, адекватно отражающих реальные физические процессы в сложной нелинейной пространственно распределенной системе, какой является исследуемый объект.
Предлагаемая в данной работе конструкция двухчастотного индукционного методического нагревателя, особенностью которой является применение двух рабочих частот, промышленной и повышенной, позволяет уменьшить стоимость установки за счет уменьшения мощности преобразователя частоты и рас-

Напряженность электрического поля
Ё = ]ссА (2.22)
В силу принятой линейной интерполяции А составляющие магнитной индукции [Д.,Д.] внутри отдельных элементов постоянны, в то время как векторный потенциал А и напряженность электрического поля Е изменяются линейно. Мощность внутренних источников тепла, характеризующая нагрев проводящих тел индукционной системы, вычисляются для каждого КЭ по закону Джоуля - Ленца:
Р = 12гс1У. (2.23)

Интегрирование (2.23) проводится по объему Vе тела, образованного при вращении элемента вокруг оси Z.
Для учета нелинейной зависимости //„(#) в ферромагнитных областях ,! используется итерационный алгоритм многократного решения результирующей системы уравнений (2.20). В начальный стадии расчета задается значении ра=сопз1 по всей области ферромагнитных элементов, затем вычисляются распределенные параметры поля, что позволяет на следующей стадии расчета корректировать ра внутри каждого ферромагнитного элемента в зависимости от значения температуры в каждой области. Итерации повторяются до полной сходимости процесса (3-5 итераций).
Для практического применения рассмотренного алгоритма решения электромагнитной задачи наиболее приемлем программный пакет ЕЬСиТ, который, как уже отмечалось, позволяет решать нелинейные задачи гармонического анализа (стационарные), хотя рассчитан только на двумерные модели. Поэтому необходимо сделать некоторые допущения, позволяющие использовать двумерные модели для исследования электротепловых полей. Так, при значительном превышении длины индуктора по отношению к диаметру, что, как правило, выполняется для исследуемых систем, можно не учитывать влияние краевых эффектов на торцах индуктора.