Разработка и исследование системы индукционного нагрева вязких жидкостей при производстве строительных мастик

• Автор: Шумаков, Михаил Александрович
• Шифр специальности: 05.09.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 110 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Проблема совершенствования технологии нагрева жидкости при производстве строительных мастик

1.1 .Особенности применения индукционных нагревателей в теплообменных аппаратах

1.2.3адача оптимизации конструкции и режимов работы теплообменных

аппаратов с индукционным нагревом

2. Идентификация объекта индукционного нагрева

2.1 .Постановка задачи и выбор метода решения

2.2.Методика моделирования электромагнитных источников тепла

2.2.1. Конечно-элементная модель электромагнитной задачи

2.3.Моделирование температурных полей в системе «индуктор — стенка трубы — жидкость»
2.3.1. Анализ распределения скоростей в потоке жидкости
2.3.2. Обобщённая структура модели температурного поля
3. Оптимизация параметров установки и синтез регулятора в системе
с запаздыванием
3.1. Постановка задачи оптимального проектирования
3.2.Оптимальное проектирование конструкции теплообменного аппарата с индукционным нагревом жидкости
3.3.Передаточные функции объекта управления
3.4.Синтез многомерной САР режимом индукционного нагрева
4. Реализация системы индукционного нагрева в технологическом
комплексе производства строительных мастик
Заключение
Литература
Диссертация посвящена разработке и исследованию конструкции и режимов работы индукционных нагревателей непрерывного действия в установках по производству строительных мастик.
Актуальность проблемы; В строительной, химической,
нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности для обработки реакционных масс, при изготовлении строительных мастик для мягкой кровли и дорожных покрытий на базе продуктов нефтепереработки находят все более широкое применение теплообменные аппараты непрерывного действия с индукционным нагревом до температур в интервале 50-600 °С.
Опыт применения индукционных установок для нагрева неэлектропроводных жидких и сыпучих материалов показывает, что они являются перспективными по ряду важнейших признаков. По сравнению с другими видами нагрева
индукционный нагрев обладает рядом преимуществ, которые заключаются в экономичности, избирательности и высокой интенсивности нагрева. Однако, на пути реализации преимуществ индукционного нагрева возникает ряд специфических проблем. К их числу относится проблема разработки и
реализации конструкции нагревателя с оптимальными энерготехнологическими характеристиками и систем управления, минимизирующих энергозатраты на нагрев в условиях жестких технологических ограничений.
Внедрение эффективных технологий, использующих индукционный нагрев, требует предварительного исследования процессов методами физического и математического моделирования. В настоящей работе за основной
технологический параметр рассматриваемой системы принимается температурное распределение в движущемся потоке неэлектропроводного материала,
нагреваемого посредством теплопередачи от промежуточного тепловыделяющего цилиндра. Для получения адекватного описания процессов нестационарной теплопроводности в рассматриваемой системе требуется решение комплексной задачи, включающей в себя электромагнитные процессы в системе «индуктор -металл», процесс тепловыделения в металлическом цилиндре и процесс
теплопередачи от него к нагреваемому продукту, причем, процесс теплообмена между металлической стенкой и потоком жидкости осложняется наличием их взаимного перемещения. Рассматриваемые процессы относятся к наиболее сложным с точки зрения математического моделирования объектам с распределенными параметрами.
При разработке математической модели нагрева жидкости в теплообменном аппарате с электромагнитными источниками тепла необходимо так же решить гидравлическую задачу, поскольку для получения точного распределения температурного поля в нагреваемом объекте, представляющем собой поток жидкости, движущийся с определенной скоростью, необходимо учитывать неравномерное распределение скорости жидкости по сечению и ее влияние на температурное распределение.
Решение практически важных задач проектирования, эксплуатации и автоматизации высокоэффективных индукционных нагревателей требует комплексного подхода, включающего разработку адекватных моделей сложных электромагнитных и тепловых процессов в сопряженных физически неоднородных средах, оптимизацию конструкций индукционных нагревателей и алгоритмов управления, обеспечивающих качественное функционирование всего технологического комплекса.
В этой связи актуальными являются задачи исследования электромагнитных и тепловых процессов в системе «индуктор - металл — нагреваемый поток жидкости», разработки методики проектирования энергоэффективных нагревательных установок на основе индукционного способа нагрева и синтеза алгоритмов и систем управления.
Работа выполнялась в рамках госбюджетной НИР «Разработка научных основ и методологии проектирования нетрадиционных технологий индукционного нагрева» (гос. регистрационный № 01200208264) по заданию Министерства образования РФ.
Цель работы, является разработка оптимальной конструкции индукционной системы для непрерывного нагрева потока жидкости на основе выявленных
В дифференциальной форме возможно совместное решение уравнений (2.1), (2.4), однако, часто выгоднее решать одно уравнение, но уже второго порядка. Из (2.1) и (2.2) получаем
(1 А ЭН
rotl-rofH I = -рр0— (2.14)
И •) дЁ rad—ген ЕІ = -у До ^ (2-15)
Эти уравнения справедливы для любой проводящей среды, в том числе неоднородной по (і и у. Если свойства материала в рассматриваемой области постоянны, то уравнения упрощаются. Из векторной алгебры известно, что
rot rot С = grad div С- V2 С (2.16)
где V2 С - векторный лапласиан С.
• 1 •
В кусочно-однородной среде divH = ——div В = 0, поэтому

V2H-ppoY^-=0. (2.17)
Векторный магнитный потенциал подчиняется такому же уравнению. Так как divJ = 0, то в проводнике с постоянной электрической проводимостью уравнение для Е будет таким же:

V Е- цр0у ~ду = 0. (2.18)
Эти уравнения относятся к параболическому типу и являются векторными аналогами уравнения теплопроводности (диффузии). Если рассматриваемый вектор имеет только одну пространственную составляющую ( например, по оси х,
то есть А = Ахех), то получится скалярное уравнение для Ах, полностью
соответствующее уравнению теплопроводности в среде без внутренних источников.